Informe VQ Ing Correcion 0

ESTUDIO DE SUELOS PARA ADAPTAR EL CIMIENTO AL NUEVO BASE PLATE DEL SISTEMA DE BOMBEO SP2901D/E, DE ACUERDO CON LAS NUEVAS DIMENSIONES DEL MISMO, LOCALIZADOS EN LA CASA DE BOMBAS SAN SILVESTRE, PERTENECIENTES AL DEPARTAMENTO DE SERVICIOS INDUSTRIALES BALANCE DE LA GRB DE ECOPETROL S.A

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FECHA: Octubre de 2012

CALLE 50 No 19-77 BARRIO COLOMBIA TEL 6023761-6025863-6222588

E-MAIL: [email protected] BARRANCABERMEJA

ESTUDIO DE SUELOS PARA ADAPTAR EL CIMIENTO AL NUEVO BASE PLATE DEL SISTEMA DE BOMBEO SP2901D/E, DE ACUERDO CON LAS NUEVAS DIMENSIONES DEL MISMO, LOCALIZADOS EN LA CASA DE BOMBAS SAN SILVESTRE, PERTENECIENTES AL DEPARTAMENTO DE SERVICIOS INDUSTRIALES BALANCE DE LA GRB DE ECOPETROL S.A.

Realizado por:

Ing. HERNAN DAVID FLOREZ OLIVARES MAT. 25202-31164 de Cundinamarca

Barrancabermeja Octubre de 2012


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1. GENERALIDADES

La firma S.P.C SAS realizó para la V.Q INGENIERIA el “ESTUDIO DE SUELOS PARA ADAPTAR EL CIMIENTO AL NUEVO BASE PLATE DEL SISTEMA DE BOMBEO SP2901D/E, DE ACUERDO CON LAS NUEVAS DIMENSIONES DEL MISMO, LOCALIZADOS EN LA CASA DE BOMBAS SAN SILVESTRE, PERTENECIENTES AL DEPARTAMENTO DE SERVICIOS INDUSTRIALES BALANCE DE LA GRB DE ECOPETROL S.A”. El estudio tiene como fin determinar la capacidad de carga de la cimentación que va a soportar el nuevo base plate del sistema de bombeo SP2901D/E. Este estudio se enmarcó dentro de los requisitos exigidos por la Norma Sismo Resistente NSR-2010 título H y se inicia con algunas generalidades como la localización, objetivos y descripción del proyecto; posteriormente se enumeran los trabajos realizados tanto en campo como en laboratorio. Con base en estos trabajos, se examinan las diferentes condiciones de los estratos que conforman el sitio de interés y se proceden a efectuar los análisis de las diferentes condiciones especiales del subsuelo y sus características geotécnicas con el fin de dar las recomendaciones pertinentes que permitan entre otros aspectos, definir si es viable o continuar con la cimentación existente y en caso de no ser viable, proponer un nuevo sistema de cimentación, así mismo establecer las recomendaciones necesarias para el correcto funcionamiento del nuevo base plate del sistema de bombeo SP2901D/E. Los objetivos de este estudio son los siguientes:

1. Recopilar información de la zona de estudio relacionada con geología, sismicidad y clima

2. Realizar investigaciones en campo del subsuelo mediante perforación por

percusión y métodos geofísicos.

3. Determinar el perfil estratigráfico y las propiedades geomecánicas del suelo mediante ensayos de laboratorio.

4. Localizar niveles freáticos o filtraciones de agua, si estas llegaren a afectar la

excavación para la estructura.


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1.1. Localización del proyecto:

El proyecto está localizado al norte de la Ciudad de Barrancabermeja en la casa de bombas San Silvestre perteneciente al departamento de servicios industriales balance de la GRB, a un costado de la Sede Campestre del Club Miramar. (A 10 Minutos del perímetro urbano).

Figura 1. Localización del Proyecto

Fuente: Google Maps.


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2. INVESTIGACIÓN EN CAMPO Y ENSAYOS DE LABORATORIO

La exploración del subsuelo y los ensayos de laboratorio se basaron en los criterios generales de geología y geotecnia, de acuerdo a los lineamientos establecidos por el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10.

2.1. PERFORACIÓN Y MUESTREO

Se realizaron dos (2) sondeos a percusión manual debido a las limitaciones de espacio usando como elemento de perforación y de toma muestras un tubo partido con ejecución en campo del ensayo de penetración estándar SPT. Con el objeto de conocer las características geomecánicas del subsuelo. En la foto 1 y 2 se muestra la realización de los trabajos de perforación y ensayos de SPT para los sondeos 1 y 2.

Foto 1 y 2. Sondeos 1 y 2 de 13 m de profundidad por percusión manual con ejecución en campo del ensayo de penetración estándar.

Los sondeos fueron ubicados de forma estratégica y de tal forma que se pudiese conocer de mejor manera el perfil estratigráfico. En la tabla 1, se relaciona la lista de sondeos ejecutados con la profundidad alcanzada.


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Tabla 1. Sondeos Ejecutados (Equipo, profundidad del Sondeo, Profundidad del N. Freático)

Sondeo No.

Equipo Profundidad del Sondeo

Profundidad del Nivel Freático (m)

1 Percusión-Manual 13,2 m 4,10

2 Percusión-Manual 13,0 m 3,90 Nota: Se tomó como nivel 0 de profundidad, el nivel de placa existente en la zona

La localización de los Sondeos y trabajos de campo se puede ver en detalle en el plano contenido en el Anexo 1.

2.2. PRUEBAS DE CAMPO Con el objeto de obtener información de los suelos directamente en campo, se empleó un método dinámico, utilizando el procedimiento del ensayo normal de penetración SPT, en el cual, la punta es un toma muestras partido normal. Para ello, se dejó caer una pesa de 63,5 Kg (140 Lb), a una altura de 76,2 cm (30”) contando el número de golpes necesario para hincar 15 cm (6”). El número de golpes necesario para hincar 30 cm (12”) el toma muestras se define como el valor N del ensayo de penetración estándar SPT.

El ensayo de Penetración Estándar SPT para propósitos de diseño geotécnico debe corregirse por efecto de la presión de confinamiento. Para tener en cuenta este factor, se aplicará la siguiente fórmula de corrección (Bowles J. E, Principles of Foundation Engineering, 4th edition McGraw Hill, 1988) al número de golpes N medido en el terreno.

N’ = Cn•N

Los diferentes factores son: Cn = corrección por sobrecapa = ( p”/p´)^ (½) p” = 95,76 kPa p’ = Esfuerzo efectivo vertical en el punto de referencia.

Terzaghi y Peck (1967) recomiendan que si el suelo es material granular saturado y el valor registrado de N es mayor de 15, se debe corregir haciendo N´=15+ (N-15)/2.


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2.3. ENSAYO DE RESISTIVIDAD ELÉCTRICA “IN SITU” Se realizaron pruebas de resistividad eléctrica con el fin de identificar características geoelectricas del terreno, el principio utilizado para esta prueba es el método tetralectródico de Wenner. En la figura 2. Se muestra esquemáticamente el principio empleado para la realización del ensayo.

Figura 2. Método tetraelectródico de Wenner La prueba básicamente consiste en realizar sondeos por ondas eléctricas separadas equidistantemente, los cuales permitirán correlacionar el ensayo con propiedades que indiquen aspectos como el ambiente del suelo en cuanto a nivel de corrosión, las velocidades de onda promedio y la protección catódica necesaria para el terreno. El equipo empleado para realizar los trabajos de campo fue un Telurimetro digital marca Metrel, el cual es capaz de llevar a cabo la medición de la resistencia de tierra. El principio por el cual se calcula la resistividad del terreno es el siguiente:

Dónde:

ρ: Resistividad en Ω.m a: Separación entre varillas adyacentes en m. B: Profundidad de electrodos en m o en cm aprox (a/20)

R: Lectura del medidor en Ω.


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A pesar de trabajar bajo ese principio, el equipo de campo arroja directamente valores de resistividad promedio del terreno, también conocida como resistividad aparente. En las fotos 3 y 4. se puede observar la forma como de midieron las distancias de separación equidistantes “a” necesarias para la realización del ensayo de resistividad. Foto 3 y 4. Medición de distancias de separación equidistantes “a” para

la realización del ensayo de Resistividad.

Foto 5 y 6. Medición de la Resistividad por medio del Telurimetro.


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En la tabla 2 se muestra los resultados obtenidos en campo del ensayo de resistividad en dirección S-N y O-E. La localización de los trabajos de resistividad, así como el sentido de realización de los ensayos se muestra en el Anexo 1.

Tabla 2. Resultados obtenidos en pruebas de resistividad

Dirección Espaciamientos entre

electrodos "a" (m) Resistividad (Ω.m)

Promedio Resistividad (Ω.m)

S-N

1,0 33,2

30,77 2,0 31,1

3,0 28,0

4,0 27,1 26,75

5,0 26,4

O -E

1,0 27,3

26,43 2,0 27,0

3,0 25,0

4,0 24,6 23,30

5,0 22,0

La resistividad del terreno varía con la profundidad, la concentración de sales y químicos e incluso con la temperatura. En la tabla 3 se muestran los rangos utilizados para establecer la relación entre la resistividad y el nivel de corrosión que puede tener el terreno.

Tabla 3. Relación resistividad y corrosión.

Resistividad (Ω.m) Nivel de Corrosión

>200 No corrosivo

100 a 200 Poco corrosivo

50 a 100 Moderadamente Corrosivo

30 a 50 Corrosivo

10 a 30 Altamente corrosivo

< 10 Extremadamente corrosivo Fuente: Boletín técnico para la eficiencia energético.

Compañía Nacional de fuerza y luz S.A (Costa Rica, 2009) De este modo, según la relación existente entre la resistividad y corrosión y teniendo en cuenta que la resistividad promedio los primeros metros es de 26,43 para la condición más crítica dada en el sentido O-E, se puede concluir que el


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comportamiento del terreno es más corrosivo a mayor profundidad y según la tabla 3. De Resistividad corrosión se clasifica como altamente corrosivo, por lo que se hace necesario tomar medidas de protección catódica para los materiales metálicos nuevos y existentes en el terreno.

2.4. PRUEBA DE ESCLEROMETRO.

Con el fin de tener una valoración aproximada de la resistencia del concreto superficialmente existente en las estructuras construidas actualmente en la casa bombas San Silvestre, determinando a través de un martillo de rebote (Esclerómetro) el índice de rebote para la estructura analizada.

Foto 7 y 8. Medición del índice de rebote en la cimentación. (SP2901 D)

Foto 9 y 10. Medición del índice de rebote en la cimentación (SP2901 E)


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El procedimiento consiste en colocar el esclerómetro en un ángulo determinado y constante sobre la superficie de concreto a evaluar, posteriormente se ejerce una presión uniforme hasta que la masa interna del martillo golpee la superficie del terreno gravando el resultado obtenido tal como se muestra en las fotos 7 a la 10. Los resultados obtenidos corresponden a valores entre 22 a 55 según el esclerómetro empleado, los cuales pueden ser correlacionados con valores de resistencia a la compresión. En promedio se tomaron 20 valores por estructura en dos caras. En las tablas 4 y 5 se muestran los resultados obtenidos.

Tabla 4. Resultados de Esclerometría (Ensayo 1)

Localización: Casa de bombas San Silvestre

Elemento: SP2901 D

Angulo de Inclinación: 0°

Ubicación Valores de RC (Kg/cm2)

Superior 430 420 370 370 370

Centro 370 370 350 340 350

350 340 370 340 340

Inferior 340 340 350 340 330

Nota: Los valores en Rojo se descartan por estar por fuera de la desviación estandar

Des. Estandar: 26,34 Promedio 359

Resistencia promedio Obtenida: 352 Kg/cm2

Tabla 5. Resultados de Esclerometría (Ensayo 2)

Localización: Casa de bombas San Silvestre

Elemento: SP2901 E

Angulo de Inclinación: 0°

Ubicación Valores de RC (Kg/cm2)

Superior 210 238 210 180 210

Centro 350 238 420 350 190

420 420 350 210 238

Inferior 370 340 370 180 210

Nota: Los valores en Rojo se descartan por estar por fuera de la desviación estándar

Des. Estandar: 89,04 Promedio 285,2

Resistencia promedio Obtenida: 271,6 Kg/cm2


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En términos generales se puede decir que la resistencia a la compresión obtenida en las estructuras examinadas es buena, sin embargo se hace necesario mencionar que el concreto existente tiene una edad considerable (más de 20 años) y lo más probable es que su durabilidad tienda a disminuir con el paso del tiempo, debido entre otros al ambiente agresivo del terreno.

2.5. PRUEBAS DE LABORATORIO Se tomaron muestras para realizar ensayos de laboratorio de Granulometría (tamaño de los granos), Plasticidad (límites de Atterberg) y humedad Natural (contenido de agua). Las muestras fueron ensayadas según las normas del Instituto Nacional de Vías INV E-123, INV E-125 e INV E-126, para Granulometría, Límite Líquido, Límite Plástico respectivamente. Los formatos para la elaboración de los ensayos y resultados de laboratorio, se muestran en el Anexo 2 de este informe


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3. PERFIL ESTATIGRAFICO

3.1 GEOLOGIA

La geología de Barrancabermeja se encuentra conformada por Terrazas, escalonadas de la formación de la Mesa (Terciario Plioceno), la cual sirve de basamento a la mayor parte de la ciudad. Dicha Formación está compuesta por arcillas negras macizas y areniscas friables, conglomerados y gravas de escasa cementación, que forman las terrazas altas. El espesor del grupo llega hasta unos 250 metros. Es probable que sea del Pleistoceno (Ministerio de Minas y Petróleos). Debajo de la formación Mesa se encuentra, el Grupo Real (Tmr), que aflora en ciertos sectores de la ciudad (especialmente hacia el nororiente y las afueras). 3.2. DESCRIPCION PERFIL ESTATIGRAFICO

3.2.1 Sondeo No 1. Tiene una profundidad de 13.20 metros, desde los 0.60 hasta los 2.40 metros (muestra 1) se halló una grava arcillosa color rojo (GC)con un porcentaje de finos de 20.29%, arena 38.93% y grava de 40.78% su contenido de humedad es medio su consistencia es alta ,desde los 2.40 hasta los 3.60 metros (muestra 2) se halló una grava arcillosa color habano (GC) con un porcentaje de finos de 24.64%, arena 32.27% y grava de 43.09% su contenido de humedad es medio su consistencia es alta, desde los 3.60 hasta los 5.10 metros (muestra 3) se halló una arena limosa color café claro (SM) con un porcentaje de finos de 21.98%, arena 38.36% y grava de 39.66% su contenido de humedad es medio su consistencia es alta; desde los 5.10 hasta los 7.50 metros (muestra 4) se halló una arena limosa color café claro (SM)con un porcentaje de finos de 31.38%, arena 46.34% y grava de 22.27% su contenido de humedad es medio su consistencia es alta ,desde los 7.50 hasta los 9.00 metros (muestra 5) se halló una arena limosa color café claro (SM) con un porcentaje de finos de 34.14%, arena 55.46% y grava de 10.40% su contenido de humedad es medio su consistencia es alta, desde los 9.00 hasta los 13.20 metros (muestra 6) se halló una grava arcillosa color ocre (SM) con un porcentaje de finos de 32.07%, arena 61.70% y grava de 6.23% su contenido de humedad es medio su


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consistencia es alta su resistencia según el numero de golpes por pie en el ensayo SPT entre N=9 y N=56. 3.2.2. Sondeo No 2 Tiene una profundidad de 13.00 metros, desde los 0.30 hasta los 0.90 metros (muestra 1) se halló una grava arcillosa color habano (GC) con un porcentaje de finos de 34.98%, arena 29.76% y grava de 35.26% su contenido de humedad es medio su consistencia es media ,desde los 0.90 hasta los 3.60 metros (muestra 2) se halló una grava arcillosa color habano(GC) con un porcentaje de finos de 38.55%, arena 28.10% y grava de 33.35% su contenido de humedad es medio su consistencia es alta, desde los 3.60 hasta los 5.40 metros (muestra 3) se halló una arena limosa color café claro (SM) con un porcentaje de finos de 34.20%, arena 53.00% y grava de 12.75% su contenido de humedad es medio su consistencia es alta; desde los 5.40 hasta los 7.50 metros (muestra 4) se halló una arena limosa color café claro (SM) con un porcentaje de finos de 38.15%, arena 45.51% y grava de 16.34% su contenido de humedad es medio su consistencia es media ,desde los 7.50 hasta los 10.50 metros (muestra 5) se halló una arena limosa color café claro (SM) con un porcentaje de finos de 25.00%, arena 46.16% y grava de 28.84% su contenido de humedad es medio su consistencia es alta, desde los 10.50 hasta los 13.00 metros (muestra 6) se halló una arena limosa color café claro (SM) con un porcentaje de finos de 19.37%, arena 54.35% y grava de 26.28% su contenido de humedad es medio su consistencia es alta su resistencia según el número de golpes por pie en el ensayo SPT entre N=6 y N=60. 3.3. NIVEL FREATICO Se detectaron niveles freáticos en los sondeos 1 y 2 a profundidades de 3,9 y 4,1 metros de profundidad respectivamente.


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4. CONDICIONES ESPECIALES DEL SUBSUELO

En el desarrollo del presente estudio, se estudiaron condiciones especiales del subsuelo, como sismicidad y parámetros sísmicos para el diseño de fundaciones. Otras condiciones especiales como presencia de suelos, dispersivos, erodables, expansivos y colapsables no fueron detectadas. 3.1 SISMICIDAD 3.1.1 Amenaza sísmica según la Norma Sismo Resistente NSR-2010. Barrancabermeja se encuentra definida de amenaza sísmica intermedia. 3.1.2. Movimiento sísmico de diseño. El movimiento sísmico de diseño, se define para una probabilidad de excedencia del 10 % en un lapso de 50 años. El coeficiente de aceleración pico esperada Aa es de 0.15 g, el coeficiente de aceleración horizontal pico Av es 0,15, el coeficiente de aceleración pico Ae es 0,06 y el coeficiente Ad es de 0,04. 3.1.3 Perfil del terreno para Efectos locales. Considerando la geología de la zona del proyecto y el número de golpes/pie promedio por debajo del área de influencia de la fundación, se recomienda trabajar con el Perfil de terreno D. Los factores de amplificación del espectro por efecto de sitio Fa y Fv se pueden tomar como Fa=1.5 y Fv =2.2 para el perfil D recomendado.


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5. ANALISIS GEOTECNICO.

El propósito del estudio de suelos es establecer si el cimiento existente en el sistema de bombeo es capaz de soportar la nueva base plate, la cual cuenta con un nuevo dimensionamiento, para determinar la capacidad de carga de la cimentación existente e identificar si esta es capaz de soportar las cargas generadas por el sistema de bombeo, es necesario conocer las dimensiones de la fundación y el nivel de desplante de la misma, sin embargo la bomba existente actualmente se encontraba en uso, por lo que no fue posible realizar la exploración de la cimentación existente. Para efectos prácticos se realizara un análisis considerando una nueva base plate.

5.1. TIPO Y NIVEL DE CIMENTACION Considerando el perfil estratigráfico y las cargas el sistema se puede cimentar superficialmente, mediante una base o placa en la cual se pueda apoyar la bomba y los demás aditamentos. El tamaño real del cimiento será el de la base plate (1.6m*5) más un ancho adicional a cada lado. Para efectos de cálculos de capacidad portante se tomará la base plate como la sección de la placa, lo cual está por el lado de la seguridad. También se considera que en promedio la base sobresaldrá aproximadamente 30 cm por encima de la placa de piso, aunque este dato se define con base en el tamaño de los diferentes accesorios y las tuberías de empalmes existentes.

5.2. ANALISIS DINAMICO DE LA CIMENTACIÓN 5.1.1 Aspectos teóricos: Cuando un bloque de concreto que sirve de apoyo o cimiento a una máquina se coloca o funde sobre el suelo, este actúa como un resorte y vibra junto con la cimentación. En el diseño de cimientos para máquinas, se trata de determinar la frecuencia natural del sistema suelo-cimiento wn y conocer la frecuencia del motor o sistema. Cuando la frecuencia wn, coincide con la frecuencia de la máquina w, se presenta resonancia y la amplitud del movimiento de la cimentación es fuerte y se pueden producir daños estructurales y en los equipos instalados. La determinación de la frecuencia del sistema suelo cimiento, implica la determinación de la masa correspondiente al cimiento M y a la masa del suelo que


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vibra M´, llamada masa aparente. La frecuencia de vibración del sistema fn para un grado de libertad es:

fn = 1/2π√(K/(M+M´); donde: fn = Frecuencia natural del sistema suelo - cimiento K = Constante del resorte M = Masa del cimiento M´= Masa aparente Una cimentación adecuadamente diseñada para una máquina en esencia debe tener una rigidez considerable, puesto que una pequeña deflexión puede causar problemas de capacidad portante. Una masa adecuada se hace necesaria para absorber vibraciones y para prever la resonancia entre la máquina y el sistema suelo-cimiento. Algunos autores recomiendan incrementar el peso de la cimentación con respecto al peso de la máquina, basado en la práctica pero sin tener en cuenta el tipo de suelo. Es usual recomendar peso cimentación a máquina mayor de 2.5: 1 hasta 4:1. Pauw (Symposium on Dinamic Testing of soils, ASTM, 1953), propuso las siguientes relaciones para determinar la constante del resorte K y la masa aparente M´.

M´= γb3/(gα)*Cm ; Donde: γ = Peso unitario del suelo bajo el cimiento. b = Ancho menor de la cimentación. g = Aceleración de la gravedad (9,81 m/seg2). α = Angulo de distribución de esfuerzos con respecto a la vertical, usualmente 1H:2V. Cm = Coeficiente adimensional.

Kz = βb2γz ; Donde; β = Rata de incremento del módulo de Young Ez, con la profundidad. γz = Coeficiente. El coeficiente adimensional Cm y el coeficiente γz, se pueden determinar de las figuras 3 y 4, las cuales se relacionan. En estas figuras: s= α*h/b ;


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h = sobrecarga equivalente (m) = q/γ; q = presión unitaria sobre el suelo.

Figura 3. Relación de Cm/r Vs s

Figura 4. Relación de γz/r Vs s

5.1.2. Características del equipo a instalar:

Las características del equipo a instalar para el sistema de bombeo SP2901D/E según el PLANO DE ARREGLO GENERAL CONJUNTO BOMBA MOTO FS-OV-048-12-B01-1 suministrado por la firma VQ INGENIERIA, son las siguientes

Potencia: 530 hp

Peso aproximado del sistema incluye base, motor, bombas: 5 Ton

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0Cm/r

s

r=1

r=2

r=3

Potencial (r=3)

Potencial (r=1)

Potencial (r=2)

r=1

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5

Gammaz /r

s


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Velocidad del motor: 1800 rpm

Cargas dinámicas: Despreciables

Dimensiones del nuevo base plate: 1,6m x 5m

En la figura 5 se muestra el esquema del sistema Bomba-Motor

Figura 5. Esquema del Sistema Bomba-Motor

5.1.3. Peso del cimiento Vs Peso máquina y presión en la base. El análisis de cimentación consideró espesores variables los cuales se sugirieron basados en criterios geodinámicos. El espesor final del bloque debe ser fijado por parte del diseñador estructural. Considerando conservadoramente un sistema de cimentación de sección mínima, es

decir con el nuevo dimensionamiento de la base plate de 1,6m*5m, se evaluaron las

relaciones peso cimiento/ máquina para diferentes espesores de placa. Este tipo de

análisis se hace dentro de la práctica tradicional de la ingeniería de cimentaciones

sometidas a cargas dinámicas aunque como se dijo no considera la característica

del subsuelo. Considerando que la base tiene un área minima 1,6*5m = 8m2, en la

tabla 6 se muestran las relaciones peso cimiento/máquina para diferentes espesores

de placa.


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5.1.4. Cálculo masa aparente M´ y constante del resorte Kz. Empleando las

gráficas relacionadas en 5.1.1, se calcularon los valores de masa aparente y

constante del resorte con el fin de determinar frecuencias para diferentes espesores

de placa y conocer si el sistema motor bomba puede vibrar significativamente. En el

Anexo 3 (Memorias de Cálculo) se pueden ver los cálculos y resultados para

diferentes espesores de placa.

5.1.5 Cálculo Frecuencia sistema suelo – cimiento. La frecuencia del sistema

suelo – cimiento en ciclos por segundo se determinó para las dimensiones de la

nueva base plate y diferentes valores de espesor de placa como se muestra en la

tabla 6 con sus respectivas memorias de cálculo en el Anexo 3 de este informe. Se

debe ratificar si en efecto el equipo suministrado no produce cargas dinámicas en la

cimentación ya que en este caso este cálculo no es aplicable.

5.1.6. Cálculo relación de frecuencias. La relación de frecuencias w/wn se calculó,

teniendo en cuenta que si los resultados se encuentran entre 0,5 y 1.5 el sistema

podrá entrar en el fenómeno de resonancia alcanzando unas vibraciones

significativas para el proyecto, siempre y cuando el equipo genere cargas dinámicas

en la fundación, ya que algunos motores modernos viene con sistema de

amortiguamiento que hacen que se generen vibraciones muy pequeñas en la

cimentación.

Tabla 6. Resumen de resultados dinámicos y de capacidades de carga para una base de dimensione 1,6 x 8 metros, variando espesores de base y profundidad de

desplante

Profundidad de desplante D (m)

Espesor de la placa o base (m)

Peso cimiento /maquina w/wn

0,30 0,60 2,30 1,45

0,40 0,70 2,69 1,47

0,50 0,80 3,07 1,48

0,60 0,90 3,46 1,50

0,70 1,00 3,84 1,51

Se concluye entonces que si el nuevo equipo genera cargas dinámicas en la

cimentación el espesor de la base debe ser de 0,9m o mayor.


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5.3. PERFIL DE DISEÑO Y PARAMETROS GEOMECANICOS DE LOS SUELOS

Con base en los ensayos de campo y laboratorio realizados, se proyectó un perfil de diseño, los parámetros geomecánicos de los suelos como fricción, peso unitario húmedo y saturado fueron obtenidos mediante correlación con el ensayo de penetración estándar SPT. Para ello se tuvo en cuenta el tipo de material, así como la experiencia y conocimiento del geotecnista en los suelos y geología de la región. En el Anexo 3, se presentan los cálculos efectuados para la obtención de los parámetros citados empleando el software Dynamic Probing. En la tabla 7, se resumen los resultados de las correlaciones empleadas. Para realizar las correlaciones partiendo del SPT (Standard Penetration Test) en suelos no cohesivos, se emplearon las teorías de autores como Meyerhof para hallar el peso específico, Japanese National Railway para el ángulo de fricción, Begemann para hallar el módulo edométrico, y Bowles para obtener el módulo de Young

Tabla 7. Resumen Parámetros geomecánicos obtenidos mediante ensayos de laboratorio

y correlaciones de SPT

Estrato No.

Prof. Estrato (m)

Tipo de suelo N

Corr prom

(KN/m

3)

sat (KN/m

3) Φ°

Cu (KN/m2)

Ey (KN/m2)

Ed (KN/m2)

1 0,60 – 3,6 m Grava Arcillosa 7 16,2 19,0 30 - 14790 5741

2 3,60 – 5,4 m Arena Limosa 14 17,1 19,1 32 - 19725 7769

3 5,4 – 13,2 m Arena Limosa 25 19 19,5 35 - 24120 9574

Convenciones: : Peso húmedo del suelos, sat = Peso saturado, = Angulo de fricción, Cu = Cohesión no drenada, Ey = Módulo de Young

5.4. CALCULO DE PRESIONE ADMISIBLES. En el Anexo 4, aparece la memoria de cálculos de capacidad portante y asentamientos con los análisis correspondientes para el cálculo de los esfuerzos últimos y admisibles del subsuelo de fundación para los estratos encontrados producto de la exploración al subsuelo. Los Bulbos de presiones o sea el cambio con la profundidad de la relación q/q0,

donde q es la presión causada por la carga aplicada q0 en el plano de

cimentación, para el ancho de base B proyectado se observa en la figura 5. El

incremento de tensión debajo de la cimentación se estimó con el método de


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Boussinesq y se observa que tiene incidencia principalmente en el estrato de

grava arcillosa.

Figura 5. Bulbo de esfuerzos nueva base plate para dimensione de 1,6 x 5 metros

y espesor de 0,8 metros.

La capacidad portante última de la cimentación se calculó, según las teorías de

Meyerhof, Vesic, y Hansen. La presión admisible Qa, se tomó como Qa = qo /F.S,

donde F.S es un factor de seguridad que para este caso se adopta de 3,0.

En el cálculo de la capacidad admisible se ha tenido en cuenta la afectación del estrato portante debido a efectos sísmicos. Para ello, se ha seguido el criterio de Sano, quien para tener en cuenta el fenómeno del aumento del volumen en el cálculo de la capacidad portante es suficiente disminuir en 2° el ángulo de rozamiento interno de los estratos de cimentación. La limitación de esta sugerencia está en el hecho que no toma en cuenta la intensidad de la fuerza sísmica (expresado con el parámetro de la aceleración sísmica horizontal máxima).


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El Bulbo de presiones para el ancho de placa B proyectado y similares, se observa en la figura 6.

Figura 6. Bulbo de esfuerzos en los estratos nueva base plate para dimensione de

1,6 x 5 metros y espesor de 0,8 metros.

La capacidad portante última de la cimentación se calculó, según las teorías de Meyerhof, Vesic, Hansen. En la figura 7 se muestra la capacidad última según los autores mencionados para diferentes anchos (B) y longitud (L) de 5.0m y nivel de desplante (D) igual a 0.50m por debajo del nivel del piso existente según las teorías de Hanzen y Meyerhof. Los valores de capacidad de carga para diferentes espesores se pueden observar en la tabla 8 y en el Anexo 4 sus respectivas memorias de cálculo.


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Figura 7. Relación ancho cimiento B Vs Capacidad ultima en Kpa para la base de

espesor = 0,8m La figura 8 muestra la capacidad portante para un ancho de base (B) igual a 1.6m, una longitud (L) de base de 5.0m y niveles de desplantes de 0.50 M por debajo del nivel del piso existente actualmente para el caso que se desee o se requiera cimentar a profundidades mayores a la recomendada. Se recomienda en la gráfica seleccionar los valores arrojados por Meyerhof.

Figura 8. Relación profundidad cimiento D Vs Capacidad ultime en Kpa para la base de espesor= 0,8m


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Tabla 8. Resumen de resultados dinámicos y de capacidades de carga para una base de dimensione 1,6 x 8 metros, variando espesores de base y profundidad de

desplante

Profundidad de desplante D (m)

Espesor de la base (m)

Peso cimiento /maquina

w/wn Presión sobre

el terreno base-máquina (Kpa)

Capacidad de admisible (kPa)

0,30 0,60 2,30 1,45 20,7 94,00

0,40 0,70 2,69 1,47 23,1 107,00

0,50 0,80 3,07 1,48 25,5 120,94

0,60 0,90 3,46 1,50 27,9 135,05

0,70 1,00 3,84 1,51 30,3 149,58

De los resultados presentados en la tabla 8, se puede concluir que la capacidad admisible del terreno es superior a la presión ejercida por el sistema bloque – máquina y el problema es netamente dinámico.

Además, para los diferentes espesores de placa la relación de la frecuencia del sistema suelo cimiento w/wn ronda por valores cercanos a 1.5, anteriormente se estableció que este valor preferiblemente no debería estar entre el rango de 0.5 a 1.5, por ende los espesores de base de 0.9m en adelante son desde el punto de vista dinámico los más adecuados.

Sin embargo, si se ratifica que el equipo viene con sistema de amortiguamiento ó de control de vibraciones y por los tanto, las cargas dinámicas son despreciables como lo establecen las especificaciones del equipo suministradas por VQ INGENIERIA se pueden establecer espesores de base menores de los 0,9 metros, ya que esta dimensión estaría sujeta solo a requerimientos de carga estáticos.

5.5 EXPRESIÓN DE LOS ASENTAMIENTOS.

Aspectos teóricos.

El asentamiento inmediato se calculó con base en una ecuación fundamentada en la teoría de la elasticidad (Timoshenko e Goodier (1951)):

(1) 21

21

1

21'0 F

IIIsE

BqH


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donde: q0 = Intensidad de la presión de contacto

B' = Mínima dimensión del área reactiva, Parámetros elásticos del terreno.

Ii = Coeficientes de influencia dependientes de: L'/B', espesor del estrato

Los coeficientes I1 e I2 se pueden calcular utilizando las ecuaciones de

Steinbrenner (1934) (V. Bowles), en función de la relación L'/B' y H/B, utilizando B'=B/2 y L'=L/2 para los coeficientes relativos al centro y B'=B y L'=L para los coeficientes relativos al borde.

El coeficiente de influencia IF deriva de las ecuaciones de Fox (1948), que indican

el asiento se reduce con la profundidad en función del coeficiente de Poisson y de la relación L/B.

Para simplificar la ecuación (1) se introduce el coeficiente IS:

El asentamiento del estrato de espesor H vale:

Para aproximar mejor los asientos se subdivide la base de apoyo de manera que el punto se encuentre en correspondencia con un ángulo externo común a varios rectángulos. En práctica se multiplica por un factor igual a 4 para el cálculo de los asentamientos en el centro y por un factor igual a 1 para los asentamientos en el borde.

En el cálculo de los asientos se considera una profundidad del bulbo tensiones igual a 5B, si el substrato rocoso se encuentra a una profundidad mayor. A tal propósito se considera substrato rocoso el estrato que tiene un valor de E igual a 10 veces el del estrato que está por encima.

21

21

1II

SI

FI

SI

SE

BqH21'

0


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El módulo elástico para terrenos estratificados se calcula como promedio ponderado de los módulos elásticos de los estratos interesados en el asiento inmediato.

Asientos de Burland y Burbidge (1985)

En este método, se correlaciona un índice de compresibilidad Ic al resultado N de la prueba penetrométrica dinámica. La expresión del asiento propuesta por los autores es la siguiente:

donde:

q' = presión eficaz bruta;

s'vo = tensión vertical eficaz a la cota de impuesto de la cimentación;

B = ancho de la cimentación;

Ic = índice de compresibilidad;

fs, fH, ft = factores correctores que toman en cuenta respectivamente la forma, el espesor del estrato comprensible y el tiempo, para el componente viscoso.

El índice de compresibilidad Ic está legado al valor medio Nav de Nspt al interno de una profundidad significativa z:

Por cuanto respecta a los valores de Nspt a utilizar en el cálculo del valor medio NAV, hay que precisar que los valores se deben corregir para arenas con

componentes arcillosos debajo del nivel freático y Nspt>15, según la indicación de Terzaghi y Peck (1948)

Nc = 15 + 0.5 (Nspt -15)

donde Nc es el valor correcto a usar en los cálculos. Para depósitos gravosos arenosos-gravosos el valor corregido es igual a:

Nc = 1.25 Nspt

Las expresiones de los factores correctores fS, fH y ft son respectivamente:

C7.0'

0v'

C7.0'

0vtHS IBq3/IBfffS

4.1AV

CN

706.1I


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Cont = tiempo en años > 3;

R3 = constante igual a 0.3 para cargas estáticas y 0.7 para cargas dinámicas; R = 0.2 en el caso de cargas estáticas y 0.8 para cargas dinámicas.

5.5.1 Asentamientos inmediatos para espesor de placa de 0,8 m.

ASIENTOS ELÁSTICOS

======================================================

Presión normal del proyecto 120,0 kN/m²

Espesor del estrato 3,6 m

Profundidad substrato rocoso 54,0 m

Módulo elástico 27255,0 kN/m²

Coeficiente de Poisson 0,35

======================================================

Coeficiente de influencia I1 0,52


Coeficiente de influencia Is 0,56

======================================================

Asiento al centro de la cimentación 5,34 mm

======================================================



Coeficiente de influencia Is 0,37

Asiento al borde 1,74 mm

3

tlogRR1f

z

H2

z

Hf

25.0B/L

B/L25.1f

3t

iiH

2

S


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6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1. EXPLORACION DEL SUBSUELO Y ENSAYOS DE LABORATORIO

Con el objeto de conocer las características geomecánicas del subsuelo, en el sitio

del proyecto se efectuó un sondeo utilizando equipo a percusión manual. De acuerdo

al resultado de los sondeos y ensayos de laboratorio, se encontró en los primeros 4

metros una grava arcillosa, mientras que debajo de ella se encontraron Arenas

Limosas no plásticas.

6.2 RESULTADOS ENSAYO DE RESISTIVIDAD EN EL TERRENO.

La resistividad promedio los primeros metros del terreno es del orden de 26,0 ohmios, valor que hace inferir que el comportamiento del terreno es altamente corrosivo, por lo que se hace necesario tomar medidas de protección catódica para los materiales metálicos nuevos y existentes en el terreno.

6.3 RESULTADOS INVESTIGACION BASE DE CONCRETO

Uno de los propósitos del estudio era investigar la sección de las bases existentes, el contenido de hierro de la misma y la resistencia del concreto. Infortunadamente los dos primeros objetivos no se pudieron realizar debido a que los equipos se encontraban en uso, por lo que no fue posible realizar la exploración de la cimentación existente. La resistencia superficial del concreto sin embargo, se pudo determinar a través de un martillo de rebote (Esclerómetro), determinándose en promedio para la base SP2905D una resistencia a la compresión de 352 Kg/cm2 y para la base SP2905E una resistencia a la compresión de 272 Kg/cm2 .

Según lo anterior, se puede decir que la resistencia a la compresión obtenida en las estructuras examinadas es buena, sin embargo se hace necesario mencionar que el concreto existente tiene una edad considerable (más de 20 años) y lo más probable es que su durabilidad esté afectada, debido entre otros al ambiente agresivo del terreno.


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6.4 NIVEL Y TIPO DE CIMENTACION

En caso de proyectarse una nueva cimentación para la base-plate, se recomienda

cimentarla superficialmente, mediante una base, desplantada a por lo menos

1,0m de profundidad por debajo del nivel superficial del piso existente. El talud de

excavación debido a su transitoriedad puede ser vertical y entibado. Entre el fondo

de la excavación situada a 1,0m y la parte inferior de la base se puede utilizar un

relleno granular con un material tipo subase INVIAS SBG-1 O SBG-2, compactado

al 98% del proctor modificado, en capas de no más de 10cm de espesor

especialmente si se trabaja con equipo menor (“ranas”). El área del relleno debe

tener al menos la misma área de la base.

6.5. ESFUERZOS ADMISIBLES Y DEFORMACIONES

La capacidad admisible del suelo puede tomarse en general de Qa min= 94 kPa.

Para una dimensiones de base mínimas de 1,6m x 5m y espesores superiores a

0,6 metros, la capacidad portante es mucho mayor de la presión ejercida por el

sistema motor – cimiento por lo que no hay el menor riesgo de falla por estabilidad o

capacidad portante del suelo. Los asentamientos por efecto de los cambios de motor

serán despreciables, pues sus valores son menores a un centímetro.

6.6. RESULTADOS DEL ANALISIS DINAMICO DE LA CIMENTACION.

En el diseño de cimientos para máquinas, se trata de determinar la frecuencia

natural del sistema suelo-cimiento wn y conocer la frecuencia del motor o sistema

w. Cuando la frecuencia wn, coincide ó es similar a la frecuencia de la máquina w,

se presenta resonancia y la amplitud del movimiento de la cimentación es fuerte y

se pueden producir daños estructurales y en los equipos instalados. Se recomienda

que la frecuencia natural del sistema suelo cimentación wn no esté dentro de un

rango de entre 0,5 a 1,5 veces la frecuencia de la máquina w.

En este estudio se calcularon relaciones frecuencia natural/frecuencia del cimiento para varios espesores de base (ver resultados tabla 6). En términos generales, se


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puede decir que para espesores de base de entre 0,6m y 1,0m, la relación de la frecuencia del sistema suelo cimiento Vs frecuencia del equipo w/wn se encuentra entre 1,45 y 1,51 respectivamente. Se observa que para espesores de 0.9m ó mayores, no entrarían en resonancia generando vibraciones significativas para el proyecto, no obstante el cálculo se realizó utilizando criterios que consideran vibraciones del equipo. Sin embargo, si se ratifica que el equipo viene con sistema de amortiguamiento ó de control de vibraciones y por los tanto, las cargas dinámicas son despreciables como lo establecen las especificaciones del equipo suministradas por VQ INGENIERIA se pueden establecer espesores de base menores de los 0,9 metros, ya que esta dimensión estaría sujeta solo a requerimientos de carga estáticos.

6.7. RECOMENDACIONES ESTRUCTURALES Y SISMICAS

Barrancabermeja se encuentra en una zona sísmica de riesgo intermedio. Para tener

en cuenta los efectos locales, se recomienda trabajar el cálculo de estructuras de

concreto con una aceleración de 0,15g las Normas colombianas de diseño y

construcción sismo resistente (NSR-10).

6.8. RECOMENDACIONES GENERALES Y LIMITACIONES

Este estudio de suelos se efectuó utilizando las prácticas habituales de la

ingeniería geotécnica. Si durante la construcción de la nueva cimentación se

presenta condiciones del terreno o circunstancias no previstas en este informe se

deberá dar visto a un Ingeniero asesor en Suelos para establecer las

recomendaciones o procedimientos más convenientes.


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7. BIBLIOGRAFIA. 1. BOWLES, Joseph E. Foundation Analysis and Design. Fourth Edition. McGraw-Hill Book Company. Singapore, 1988. 2. DELGADO VARGAS, Manuel. Ingeniería de Fundaciones. Fundamentos e

introducción al análisis geotécnico. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería. Primera Edición. Colombia, 1996.

3. POULOS, H. G, DAVIS E. H, The University of Sydney. Pile Foundation

Análisis and design. Editorial John Wiley & Sons. 1980. 4. BRAJA M. DAS. Principio de Ingeniería de cimentaciones. Internacional

Thomson Editores. Cuarta edición 1999. 5. JIMENEZ SALAS, J. A. Geotécnica y Cimientos Tomo II. Mecánica del suelo y de la Roca. Editorial Rueda. Madrid, 1976. 6. M.J. TOMLINSON. Cimentaciones, Diseño y Construcción. Editorial Trillas

S.A de C.V. Primera edición en español. 1996. 7. Norma Sismo Resistente Colombiana NSR-10.

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