CIMENTACION DE MAQUINAS.Una cimentacin es la encargada de transmitir las cargas estticas o dinmicas de la estructura, maquinaria o equipo al suelo.Se pueden clasificar en superficiales, profundas y semi profundas dependiendo de su inestabilidad o excesivo movimiento vibratorio.La cimentacin de maquinaria requiere una atencin especial del Ingeniero, ya que la operacin del equipo genera fuerzas y momentos dinmicos desbalanceados. La cimentacin de la maquinaria transmite las cargas dinmicas estticas al suelo de desplante y estas se adicionan a las cargas estticas debidas a la combinacin del peso de la maquinaria y del bloque de soporte. Esta es la consideracin que distingue a las cimentaciones de maquinas de otras ordinarias y hace necesario procedimientos especiales de diseo.El comportamiento del suelo de desplante es considerado generalmente elstico, esto es razonable para el intervalo de niveles de vibracin asociados con un buen diseo de la cimentacin. Los 2 parmetros ms importantes que deben ser determinados, en cualquier diseo dinmico de una cimentacin son: la frecuencia natural y la amplitud de vibracin del sistema maquinaria-cimentacin-suelo, en condiciones normales de operacin.El costo de la construccin de una cimentacin para maquinaria es generalmente una pequea fraccin del costo de la misma mquina, de los accesorios y de la instalacin. Sin embargo, la falta de una cimentacin, por causa de un diseo incorrecto o una defectuosa construccin, pueden interrumpir la operacin del equipo y ocasionar importantes prdidas econmicas. El estudio de las cimentaciones para maquinaria debe resolver 3 principales problemas:a) Que los movimientos de la maquinaria y la cimentacin no sean excesivos, ya que originaran fallas y desperfectos en la operacin propia del equipo.b) Que los asentamientos debidos a los efectos dinmicos estn dentro de los lmites permisibles.c) Que se disminuya o en su caso, se eliminen las vibraciones transmitidas a travs del suelo, que pudieran afectar a personas, edificios u otra maquinaria.

LOS TIPOS DE MAQUINARIA Y SUS CIMENTACIONES.Existen muchos tipos de maquinaria y cada uno puede requerir un cierto tipo de cimentacin. Se describen a continuacin los diferentes tipos de maquinaria y sus caractersticas especiales, as como tambin las cimentaciones comnmente utilizadas.Los diferentes tipos de maquinarias son excitados normalmente por cargas desbalanceadas en general, pueden clasificarse dentro de las siguientes categoras:a) Maquinas Reciprocantesb) Maquinas Rotatoriasc) Maquinas de Impactod) Equipos Especiales. MAQUINAS RECIPROCANTES.Las maquinas reciprocantes son probablemente las maquinas mas antiguamente usadas y es un ejemplo clsico el mecanismo de nivel, el cual se usa para convertir un movimiento translatorio en un movimiento rotatorio y viceversa. Ejemplos comunes son las maquinas de vapor, maquinas de combustin interna, bombas y compresores.Estas maquinas pueden consistir en un cilindro simple y un pistn, con una accin simple o con doble accin; tambin pueden ser de mltiples cilindros con pistones operando en un patrn regula y montados en una manivela comn.

Las bombas y los compresores pertenecen a la categora de maquinas reciprocantes, que pueden ser del tipo de grado simple o grados mltiples, dependiendo si el total de la compresin es desarrollada en una o ms de una operacin, El arreglo de mltiples grados puede formarse de varios cilindros(pistones operados por una maquina comn o por diferentes maquinas),La direccin del movimiento del pistn puede ser horizontal o vertical. Muchas maquinas reciprocantes tienen velocidades de operacin no mayores a 1200-1500 r.p.m. En ocasiones, se encuentran maquinas reciprocantes que operan a grandes velocidades. La cimentacin para las maquinas reciprocantes usualmente consiste en un bloque de concreto rgido, que tiene preparaciones para montar la maquinaria,Las maquinas pueden ser colocadas directamente en el bloque de concreto o en un cojinete elstico diseado adecuadamente. En algunas ocasiones se utilizan cimentaciones en bloque, apoyadas sobre resortes. MAQUINAS ROTATORIAS.El tipo de excitacin que generalmente desarrollan las maquinas rotatorias es del tipo senoidal; para determinar esta fuerza es necesario conocer la masa rotatoria y la excentricidad, entre el centro de rotacin y el centro de gravedad de la masa rotatoria.Para este tipo de maquinas es posible, tericamente, balancear las partes mviles que producen las fuerzas desbalanceadas durante la rotacin; sine embargo, en la prctica, es difcil eliminar todo el desbalanceo, ya que este se ve afectado por los procedimientos del diseo, de la fabricacin de la instalacin y del mantenimiento.Algunos aspectos que contribuyen al desbalanceo de maquinas rotatorias son: el des alineamiento durante la instalacin, el dao o corrosin de las partes mviles y tambin las deflexiones por gravedad del eje de rotacin de la maquina.En trminos prcticos, las maquinas rotatorias se clasifican de la siguiente manera:a) De baja velocidadb) De alta velocidadLas maquinas rotatorias de baja velocidad son aquellas que operan a menos de 1500 r.p.m. como por ejemplo los motores generadores, las bombas centrifugas de vaco, los ventiladores, las devanadoras, etc.Para estas maquinas, las cimentaciones usadas son: la tipo bloque rgido y las de tipo marco. En algunos casos si esto es necesario la cimentacin deber estar soportada por pilas.

Las maquinas rotatorias de alta velocidad, como son las turbinas de gasolina o vapor, los generadores, los compresores y los turboventiladores, tienen velocidades de operacin generalmente de 3000 r.p.m o 3600 r.p.m. y pueden tener un valor de hasta 10000 r.p.m. algunas unidades de turbina, que operan a 1500 y 1800 r.p.m se utiliza tambin.Las cimentaciones de tipo marco son las utilizadas generalmente para unidades de turbogeneradores. Se prefiere este tipo de cimentacin a la de tipo bloque rgido, tomando en cuenta aspectos como el del funcionamiento y la economa.Las cimentaciones de tipo marco pueden construirse con concreto reforzado o acero, siendo las de concreto reforzado las ms comnmente usadas.

MAQUINAS DE IMPACTOEl diseo de la cimentacin para este tipo de maquinaria deber ser el adecuado para evitar cualquier efecto perjudicial en la cimentacin, debido a la misma operacin de la quinaria, as como tambin en estructuras adyacentes o en maquinas y personas que se encuentren cerca.La cimentacin para una maquina de impacto, generalmente se basa en un bloque de concreto reforzado. En el caso de pequeos martillos, el yunque puede estar montado directamente en el bloque de cimentacin para reducir la transmisin de los esfuerzos por el impacto en el bloque de concreto y en el marco de la maquina se coloca un cojinete elstico de neopreno, fieltro, corcho o madera, entre el yunque y la cimentacin.En el caso de martillos con gran capacidad, se pueden utilizar algunos aisladores especiales, tales como, resortes y amortiguadores, en lugar de los cojinetes elsticos.El bloque de cimentacin generalmente se disea para apoyarse directamente en el suelo. Cuando las condiciones del suelo de desplante no son las deseadas, el bloque de cimentacin puede ser soportado por pilas, tambin la cimentacin puede apoyarse en cojinetes elsticos o sobre resortes en el caso de desear reducir la transmisin de las vibraciones.

EQUIPOS ESPECIALESAlgunas maquinas o equipos especiales, que pueden originar vibraciones en sus soportes y que no fueron consideradas en las secciones anteriores son por ejemplo, las antenas de radar.

La estructura de soporte para una antena de radar debe tener una respuesta dinmica que no interfiera con la operacin del equipo electrnico. El disco del radar debe ser lo suficiente rigido para que no se afecte indebidamente el mecanismo que controla la elevacin y el azimut, la torre vertical debe ser rigida y no permitir la resonancia de la estructura y finalmente la cimentacin no debe permitir grandes movimientos en toda la estructura.Las rotaciones permisibles de una antena de radar son a menudo del orden de 0.00005 rad. La rotacin del radar, con respecto a su eje horizontal, introduce un balanceo transitorio en la antena, lo que puede causar que la torre oscile en su frecuencia natural, esto debido a la conexin flexible entre la cimentacin y el suelo de desplante, o debido a la flexibilidad del sistema estructural. Obviamente la antena de radar tiene muchos grados de libertad de vibracin, sin embargo, se puede realizar un diseo estndar para obtener las frecuencias de resonancia criticas del sistema estructural del radar.De tal manera, el diseo de las cimentaciones para este tipo de equipo deber ser el adecuado, para cubrir todas las especificaciones de servicio y asegurar un funcionamiento satisfactorio.

TIPOS DE CIMENTACIONESBasndose en el criterio de sus cimentaciones las maquinarias pueden clasificarse como: Las que producen fuerzas de impacto, como son los martillos y las prensas. Las que producen fuerzas peridicas, como los compresores. La Maquinaria de alta velocidad, como las turbinas y los compresores rotatorios La maquinaria especial, como por ejemplo, los radares.A su vez las cimentaciones pueden clasificarse atendiendo a su tipo estructural de la siguiente manera: Cimentacin tipo bloque, que consiste de un pedestal de concreto que soporta la maquinaria.

Cimentacin de tipo cajn la cual consiste en un bloque de concreto hueco que soporta la maquinaria en su parte superior.

Cimentacin de tipo muro formada por un par de muros que dan soporte a la maquinaria

Cimentacin de tipo marco con base en columnas verticales que soportan en la parte superior una plataforma horizontal, la cual sirve de asiento de la maquinaria.

La maquinaria que produce impactos y fuerzas peridicas de baja velocidad es generalmente montada sobre cimentacin de tipo bloque. Aquellas que trabajan a altas velocidades y la maquinaria del tipo rotatorio se coloca sobre cimentaciones de marco; sin embargo, para ciertas condiciones particulares, lo anterior puede modificarse, en tal caso, se puede proponer un tipo alternativo de cimentacin.Alguna maquinaria como los tornos, induce muy poca fuerza dinmica y pueden ser atornillados directamente al firme sin necesidad de una cimentacin especial. Por otra parte, basndose en sus frecuencias de operacin, la maquinaria puede ser dividida en 3 categoras:a) GRUPO 1.- Frecuencias bajas a medias, con valores de 0-500 r.p.m.b) GRUPO 2.- Frecuencias de medias a altas, con valores de 300.1000 r.p.m.c) GRUPO 3.- Frecuencias muy altas con valores mayores que 1000 r.p.m.El grupo 1 comprende grandes maquinas reciprocantes, compresores y ventiladores grandes. Las maquinas reciprocantes generalmente operan en un intervalo de frecuencias, entre 50.250 r.p.m. Para este grupo, las cimentaciones de tipo bloque, con grandes reas de contacto con el suelo de desplante son las que se utilizan generalmente.El grupo 2 incluye maquinas reciprocantes de tamao medio, como son las maquinas de gasolina y diesel se recomiendan generalmente las cimentaciones de tipo bloque, desplantadas sobre resortes o placas elsticas como el neopreno ya que mantienen la frecuencia natural de cimentacin considerablemente menor que la frecuencia de operacin.El grupo 3 incluye maquinas de combustin interna de alta velocidad, motores elctricos y turbogeneradores. Son recomendables las cimentaciones de tipo bloque, con poca superficie de contacto. Aisladas con placas elsticas para bajar la frecuencia natural, la turbo-maquinaria requiere de cimentacin de tipo marco para acomodar entre las columnas los equipos auxiliares necesarios.REQUERIMIENTOS GENERALES PARA CIMENTACIONES DE MAQUINARIALos siguientes requerimientos generales debern ser satisfechos, desde el punto de vista de diseo:a) La cimentacin deber ser capaz de soportar las cargas impuestas, sin tener fallas de corte o de aplastamiento.b) Los asentamientos debern estar dentro de los lmites permisibles.c) El centro de gravedad de la maquinaria y el de la cimentacin debern estar en la medida de lo posible, alineados verticalmente con el centro de gravedad de la base.d) Deber evitarse la resonancia; por lo tanto, la frecuencia natural del sistema suelo-cimentacin deber ser mayor o menor que la frecuencia de operacin de la maquinaria. Para maquinaria de baja velocidad, la frecuencia natural deber ser alta y viceversae) Las amplitudes de vibracin en la condiciones de servicio, debern estar dentro de los lmites permisibles. Estos lmites son generalmente dados por el fabricante de la maquinaria.f) Todas las partes rotatorias y reciprocantes de una maquinaria debern estar bien balanceadas, de modo que minimicen las fuerzas o los momentos desbalnceados.g) En lo posibles, la cimentacin deber estar proyectada de tal manera que permita una subsecuente alteracin a la frecuencia natural, realizando cambios en el rea de la base o en la masa de la cimentacin si esto se piensa necesario posteriormenteDesde el punto de vista prctico, debern cumplirse los siguientes requerimientos: El nivel fretico en caso de existir, deber estar tan bajo como sea posible, por lo menos una cuarta parte del ancho de la cimentacin a partir del plano de base. Esto limita la propagacin de la vibracin, ya que el agua subterrnea es una buena conductora de las ondas de vibracin. La cimentacin para maquinaria deber estar separada de construcciones adyacentes por medio de juntas de expansin. Cualquier tubo de vapor o de aire caliente, embebido en la cimentacin deber estar propiamente aislado. La cimentacin deber estar protegida del aceite de la maquinaria por medio de una capa resistente al acido o por un adecuado tratamiento qumico. Es recomendable que las cimentaciones de maquinarias estn desplantadas en un nivel inferior de desplante de las cimentaciones de construcciones contiguas.

DATOS DE CARGAS DE LA MAQUINA.Velocidad de giro:Revoluciones por minuto (rpm) generalmente.Fz:Fuerza vertical.Fx: Fuerza horizontal.Momentos: (no los trataremos de momento).Datos de Caractersticas del TerrenoComo se ha mencionado al principio, los datos del terreno en estos casos son muy importantes, tanto en el caso esttico como en el dinmico. En el caso de no disponer de unos datos concretos ser necesario hacer un clculo que abarque los posibles parmetros del terreno concreto.DATOS PARA EL ANALISIS ESTATICO.Son los habituales: tensin mxima para una deformacin admisible y carga de hundimiento. El mdulo de balasto es necesario en el caso de tener que calcular posibles asientos diferenciales que en este caso, pueden ser de 1/2000 la distancia entre extremos de la cimentacin.DATOS PARA EL ANALISIS DINAMICO.Son necesarios una serie de parmetros con los que definir el problema dinmico que se representa en la siguiente figura:x es el desplazamientoc es el coeficiente de amortiguacink es el mdulo "elstico" a obtener de las caractersticas del terreno.m es la masa del equipo ms la cimentacin

Mdulo elstico k:Es el factor ms importante en el estudio dinmico. No hay una frmula nica para obtener k a partir de de G y ya que tambin intervienen otros factores como el tipo de terreno y la forma de la cimentacin. Por ello es necesario un completo estudio del terreno que determine el valor de k.Coeficiente de Poisson :Generalmente su valor vara entre 0.3 y 0.5 dependiendo del tipo terreno. Es dato de partida.Mdulo de elasticidad transversal G:Depende del terreno y es dato de partida.El Coeficiente de Amortiguacinc: Damping en ingls, reduce la amplitud en la frecuencia en resonancia alrededor de un 40% pero apenas afecta a la frecuencia de resonancia del sistema y por tanto, es poco importante en este tipo de clculos. Depende de un factor geomtrico y del propio material del suelo. Su valor vara entre 0.01 y 1.00

Sobre la fiabilidad de los coeficientes del terreno, en este caso, sobre el coeficiente de balasto.- El valor del mdulo de balasto no es funcin exclusiva del terreno! sino que depende tambin de las caractersticas geomtricas de la cimentacin e incluso de la estructura que sta sostiene, lo cual hace compleja la extrapolacin de los resultados de los ensayos, pensemos por ejemplo en el de placa de carga, a las cimentaciones reales.- La precisin del modelo depender de la rigidez relativa del conjunto estructura-cimentacin respecto a la del suelo.- Supone que cada punto del suelo se comporta independientemente de las cargas existentes en sus alrededores, lo cual no ocurre en la realidadPor ello, algunos autores recomiendan hacer un estudio de su sensibilidad. El ACI (1993), por ejemplo, sugiere variarel valor de k desde la mitad hasta cinco o diez veces del calculado y basar el diseo estructural en el peor de los resultados obtenidos de sta manera.PREDISEO.A continuacin se dan una serie de parmetros para un prediseo de la cimentacin basados en la experiencia.

Dimensiones de la cimentacinEl eje de la mquina debe de coincidir con el de la cimentacin lo mximo posible para que el asiento sea uniforme.La masa debe de estar: Entre dos y tres veces la masa de la mquina si es centrfuga. Entre tres y cinco veces la masa de la mquina si es oscilante (con bielas como los motores de combustin interna o las bombas de pistn).El espesor debe de ser mayor que: 1/5 de la dimensin menor de la planta de la cimentacin. 1/10 de la dimensin mayor de la planta de la cimentacin. Es conveniente que el 80% del espesor est empotrado en el terreno.El ancho de la cimentacin para aumentar el amortiguamiento en modo rocking debe de estar comprendido entre: H < ancho de la cimentacin < 1.5 HSiendo H la distancia desde la base de la cimentacin hasta el cdg de la mquina.

El largo se obtiene de las condiciones anteriores.Recomendaciones para compresores alternativosA continuacin, dos recomendaciones de la empresaAlphatecaplicadas a un caso concreto: Segn un criterio de potencia: la masa mnima requerida de cimentacin para un compresor alternativo debe cumplir el criterio 100 Kg./Kw.La potencia de la unidad es de 4 MW lo que supondran: 4000 KW x 100 Kg 400 Tm de cimentacin. Segn un criterio de masas: la masa mnima requerida de cimentacin para un compresor alternativo debe cumplir el criterio 6 Kg (de cimentacin)/Kg(mquina).Segn la informacin facilitada la masa total (motor + volante de inercia +compresor) es aproximadamente de 99,5 Tm lo que supondran: 99,5 Tm x 6 = 597 Tm cimentacin.Para cumplir con estos criterios (tomando el ms conservador) la masa de cimentacin a aportar por la losa de cimentacin o solera deber ser de:597 Tm 144 Tm = 453 Tm

ANALISIS ESTATICO.Se realiza como una estructura esttica normal. Es recomendable que la tensin mxima sobre el terreno en el anlisis esttico sea la mitad de la admisible.ANALISIS DINAMICO.Hay tres tipos principales de excitacin dinmica que se deben de estudiar: Excitacin vertical: En general la ms importante y la que trataremos ms adelante con detenimiento. Excitacin horizontal: Menos importante pero en algunos casos deber de ser estudiada con atencin, sobre todo si la cimentacin no est muy enterrada y por tanto no hay mucha posibilidad de reaccin horizontal por parte del terreno. Excitacin Rocking: de giro respecto al eje de la mquina.

Anlisis de FrecuenciasA modo de introduccin, en la figura adjunta se reprendan los desplazamientos en el tiempo debido a una oscilacin forzada de forma:

El trminocorresponde en nuestro caso a la fuerza que ejerce la mquina al girar. Ms adelante veremos como identificar los elementos que componen esa funcin. Para dos casos concretos con dos masas diferentes obtenemos:

Se puede ver en estos casos que, pasado un breve periodo transitorio, la funcin desplazamiento toma un rgimen permanente con una frecuencia independiente de la masa (igual en los dos casos).El trmino que nos interesa de la solucin de la ecuacin es el que corresponde al rgimen permanente y es

y no desaparece hasta que no desaparece la excitacin exterior.En nuestro caso debemos de evitar que la frecuencia de excitacin se acerque a la frecuencia propia del sistema. En la siguiente figura se has representado tres desplazamientos en el tiempo para tres frecuencias de excitacin diferentes. Una corresponde a la frecuencia propia del sistema (en rojo), es decir,

Y las otras dos corresponden a frecuencias un 20% alejadas de la anterior, es decir, con valores 0.8ny 1.2n.Se recomienda alejarse por lo menos un 20% de la frecuencia de excitacin. Como k es un valor fijo, solo se puede aumentar o disminuir la masa de la cimentacin para alejar la frecuencia propia del sistema de la frecuencia de excitacin.La siguiente figura muestra la respuesta a tres frecuencias diferentes: una coincidente con la frecuencia propia, y otras dos alejadas un 20%.

Factor de amplificacinPara conocer las deformaciones y cargas utilizaremos el factor de amplificacin que relaciona la carga aplicada por la maquinaria con la deformacin mxima. Este factor es el coeficiente de la solucin particular que se obtiene al resolver la ecuacin diferencial y tiene esta forma:

Este factor debe ser menor que 1.5

De esta manera, para obtener el mximo desplazamiento multiplicaremos este factor por la carga ejercida por la mquina (no se incluye el peso, solo la ejercida debida a la rotacin), y lo dividiremos por la k.