3.4 Elementos Basicos De Soportacion.pdf

CURSO BÁSICO DE ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD DE TUBERÍAS

3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN

Prof. Juan Carlos González Mazzocchin Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN OBJETIVO DEL CAPÍTULO El objetivo de ésta sección es, introducir los elementos básicos de soportación de tuberías, su función y el procedimiento de selección de cada uno de ellos. Durante el desarrollo del capítulo se indicará la importancia del diseñador de soportes dentro del análisis de flexibilidad, la interpretación de una isométrica de flexibilidad, los elementos de soporte más utilizados en un complejo industrial, su funcionalidad y las consideraciones técnicas que se deben de tener en cuenta a la hora de seleccionar un soporte. El contenido del presente capítulo, es fundamental para el desarrollo del curso y de los conocimientos de una analista de flexibilidad y diseñador de soportes, por lo cual se le recomienda al alumno, revisar el material con mucha atención.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN ÍNDICE 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS 3.4.2 INTERPRETACIÓN DE UNA ISOMÉTRICA DE STRESS 3.4.3 TIPOS DE RESTRICCIONES 3.4.4 ESTANDAR DE SOPORTES 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6 SOPORTES FLEXIBLES 3.4.7 BIBLIOGRAFÍA

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS Uno de los objetivos fundamentales del diseño y análisis de flexibilidad de tuberías, es la de garantizar la integridad estructural de las tuberías. Dicha integridad se consigue mediante la selección adecuada del espesor (schedule) de la tubería y la selección adecuada de los soportes de tuberías. La selección adecuada del espesor de la tubería, permitirá contener el fluido y la presión interna de la tubería, mientras que, la selección de los soportes se requiere para soportar el peso de la tubería (peso propio de la tubería, peso del fluido, aislamiento y accesorios), para controlar los movimientos de las tuberías, resistir las cargas producto de fuerzas externas como sismo y viento, proteger equipos delicados como bombas o compresores, incrementar la rigidez del sistema y controlar las vibraciones. Teniendo en cuenta que en un complejo industrial puede llegar a haber decenas de miles de soportes, el trabajo de diseño, construcción y montaje es uno críticos durante el desarrollo del complejo y que debe de realizarse con mucho cuidado. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS a) Importancia del diseño de soportes en el análisis de flexibilidad Como se explicó en el modulo 1, el analista de flexibilidad se encarga principalmente de realizar el análisis de flexibilidad del sistema de tuberías y validar las cargas en los equipos de conexión, así como, determinar los puntos de soportado necesarios. Una vez que se ha hecho el análisis de flexibilidad, el diseñador de soportes haciendo uso de la isométrica de stress, diseña y materializa las restricciones indicadas, en soportes reales, capaces de soportar el sistema de tuberías y controlarlo.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS a) Importancia del diseño de soportes en el análisis de flexibilidad El trabajo de un diseñador de soportes, es vital para el funcionamiento, no solo del sistema de tuberías, sino del complejo industrial por completo. Un mal diseño de los soportes o una mala interpretación de las restricciones indicadas en la isométrica de stress, pueden generar fallos en el sistema de tuberías o una trasmisión excesiva de cargas en los equipos de conexión o estructuras, lo cual puede llevar al fallo del sistema.

Por bien hechos que esté el análisis de flexibilidad, es responsabilidad del diseñador de soportes la materialización de esas restricciones en soportes reales, por lo que el correcto funcionamiento del sistema es su responsabilidad.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS b) Objetivo de los soportes El diseño, cálculo y selección de los elementos de soportes, debe de estar enfocado a cumplir con los siguientes objetivos mínimos: •

Evitar excesos en los niveles admisibles de esfuerzos en el sistema de tuberías

•

Evitar las fugas en bridas

•

Evitar las fuerzas y momentos excesivos en los equipos de conexión

• Evitar la resonancia del sistema debido a, vibraciones inducidas por equipos de conexión o por el propio fluido. • Evitar restringir excesivamente la expansión térmica del sistema, lo que le restaría flexibilidad al mismo. • Evitar el uso de soportes que no ejerzan funciones en todos los casos de carga; por ejemplo soportes en los que la tubería no apoya. •

Evitar el uso excesivo de soportes.

•

Las selección y ubicación de soportes debe garantizar la integridad del sistema. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS c) Normas que aplican al diseño de soportes El diseño y cálculo de soportes, se basa principalmente en los estándares de cada compañía, principios básicos de resistencia de materiales, datos experimentales y de una serie de normas y códigos internacionales. Los principales códigos y normativas internacionales, que rigen el diseño de soportes son las siguientes: •

ASME B31.1 Power Piping (utilizado únicamente en nucleares)

•

ASME B31.3 Process Piping

•

AISC: American Institute of Steel Construction

•

PFI: Pipe Fabrication Institute

•

ANSI: American National Standard Institute

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS c) Normas que aplican al diseño de soportes •

MSS: Manufacturers Standarization Society (Standard Practice) MSS-SP-58 Pipe Hangers & Supports MSS-SP-69 Pipe Hangers and Supports Selection and Application MSS-SP-77 Pipe Support Contractual Relationships MSS-SP-89 Pipe Hangers & Supports. Fabrication & Installation MSS-SP-90 Terminology for Pipe Hangers & Supports

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS c) Normas que aplican al diseño de soportes Adicionalmente, hay empresas que fabrican elementos de soportes como muelles, abrazaderas, amortiguadores, etc, que en sus propios catálogos incluyen los métodos de cálculo y selección de cada uno de los elementos. Entre los principales fabricantes de soportes a nivel mundial, se encuentran: •

PSS: Pipe Support System (http://www.pipesupp.de/)

•

PSL: Pipse Support Limited (http://www.pipesupports.com/)

•

Lisega (http://www.lisega.de/)

•

Pihasa (empresa española) (http://www.pihasa.com/)

•

Grinnell (http://www.grinnell.com/)

•

Carpenter & Paterson (http://www.carpenterandpaterson.com/)

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS d) Estándares de Soportes de Tuberías La mayoría de las empresas de ingeniería o clientes, como por ejemplo Cepsa, Repsol, Shell, BP, Galp, Aranco, etc, han desarrollado sus propios estándares de soportes, los cuales han sido basados en la normativa y código internacionales indicados anteriormente, así como, la experiencia propia de cada empresa. La práctica más habitual, es utilizar los estándares de cada compañía o cliente, para el diseño de los soportes básicos de un sistema de tuberías y utilizar los catálogos de vendedores, para los elementos flexibles como muelles, amortiguadores, las juntas de expansión, etc. Los estándares de soportes, suelen incluir los soportes más utilizados e indican restricciones de uso, como por ejemplo, tamaños de tuberías, materiales, cargas, etc. A la hora de seleccionar un soporte, el procedimiento general es seleccionar el soporte requerido el cual esta identificado con un código único, verificar que cumple con las restricciones de uso en cuanto a materiales, diámetro de tuberías y cargas estipuladas en el estándar y definir los parámetros constructivos requeridos por el estándar. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 11 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS d) Estándares de Soportes de Tuberías A pesar de que cada compañía o cliente tiene su propio estándar, en general todos manejan la misma filosofía y tipos de soportes, por lo que suelen ser sencillos de utilizar, siempre y cuando, se conozcan los tipos básicos de soportes y las consideraciones técnicas generales que se deben de tener a la hora de seleccionar y diseñar un soporte. Los soportes que se encuentran incluidos en dichos estándares, se suelen conocer como “soportes estándar” y suelen representar el 80% de los soportes que se utilizan en un complejo industrial. La ventaja de utilizar éstos soportes, es que no se tienen que hacer cálculos ni plano constructivo para cada uno de ellos y permiten una estandarización de los soportes de la planta, facilitando el diseño, acopio de material y construcción.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS d) Estándares de Soportes de Tuberías En algunos casos, se requiere de un soporte que no esta incluido en los estándares, por lo cual se debe de realizar su diseño, cálculo y plano constructivo del mismo. A éstos tipos de soportes se les conoce como “soportes especiales”. También, existe otra familia de soportes denominada “soportes estructurales”, los cuales son aquellos soportes que debido a las dimensiones y/o cargas que deben de soportar, no pueden ser calculados utilizando conceptos básicos de resistencia de materiales y que deben de ser diseñados por el departamento de estructuras de la compañía. En éste caso las dimensiones y cargas, son trasmitidas al diseñador de estructuras para que él sea el encargado de su diseño y emisión del plano constructivo del mismo.

SOPORTE ESPECIAL SOPORTES ESTRUCTURALES

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.1 INTRODUCCIÓN A LOS SOPORTES DE TUBERÍAS d) Estándares de Soportes de Tuberías Durante el desarrollo del curso se utilizará el catalogo de Pihasa para la selección de muelles de carga variable, muelles de carga constante, placas de teflón y lubrite y amortiguadores. Para elementos estándar de soportes, se va a emplear un estándar creado especialmente para el curso, el cual permitirá una selección rápida y sencilla de los elementos básicos de soportación.

Dicho estándar esta incluido en la sección 3.4.4 del presente capítulo.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.2 INTERPRETACIÓN DE UNA ISOMÉTRICA DE STRESS Una vez realizado el análisis de flexibilidad a una línea, el analista representa en una isométrica las restricciones necesarias, para indicarle al diseñador de soporte que tipo y ubicación de los soportes debe emplear. El analista de flexibilidad deberá de representar en una isométrica de stress, como mínimo la siguiente información: •

Ubicación y tipo de restricción (1)

•

Gap (holguras) permitidas en el caso de guías o anclajes (2)

• Cargas a las que deben de ser diseñados los soportes (generalmente si la carga es menor a 1000 kg, no se suele indicar) (3) • En el caso de muelles, se deberá de indicar carga de operación, magnitud y sentido del desplazamiento (4) • Si se requiere que el soporte tenga una rigidez determinada, de manera que permita un desplazamiento máximo, se deberá de indicar en el soporte dicho desplazamiento (5) Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 15 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.2 INTERPRETACIÓN DE UNA ISOMÉTRICA DE STRESS A continuación se presenta el resumen de las representaciones gráficas, que se utilizan para indicar en una isométrica de stress las restricciones necesarias.

En la figura 3.4.1 se muestra la representación gráfica de restricciones a emplear durante el curso. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 16 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.2 INTERPRETACIÓN DE UNA ISOMÉTRICA DE STRESS

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.2 INTERPRETACIÓN DE UNA ISOMÉTRICA DE STRESS En la figura 3.4.1, se han incluido las representaciones de las restricciones que deben de ser empleadas por el analista de flexibilidad, en una isométrica de stress. Cabe destacar que la definición de las restricciones que se ha realizado, esta basada en el eje de coordenadas indicado, por lo cual siempre hay que prestar atención al eje de coordenadas que se esté utilizando en el cálculo. Las restricciones mostradas anteriormente, pueden combinarse entre sí; como por ejemplo se muestra en la siguiente imagen.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.3 TIPOS DE RESTRICCIONES Los soportes de tuberías, pueden ser categorizados según la función y restricción que ejercen sobre un elemento de tubería. De ésta manera, los soportes pueden clasificarse como: apoyos, guías, anclajes direccionales, anclaje total y soportes flexibles. Para comprender el funcionamiento de cada uno de los tipos de soportes, conviene recordar que todo punto de un sistema de tuberías tiene seis (6) grados de libertad: tres (3) traslaciones y tres (3) rotaciones. Sin ninguna restricción, cualquier elemento de tuberías puede moverse en las direcciones x, y, z y rotar alrededor de los ejes x, y, z. Cada uno de los soportes mencionados anteriormente, se caracteriza por restringir uno o más grados de libertad de un elemento de tubería, siendo precisamente ese grado o grados de libertad restringidos, lo que caracterizan a cada soporte. A continuación se describe el funcionamiento de cada uno de ellos, tomando como referencia el sistema de coordenadas mostrado en la imagen adjunta. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 19 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.3 TIPOS RESTRICCIONES • Apoyos: restricción utilizada para soportar el peso propio del sistema de tuberías y accesorios. Restringe el desplazamiento en la dirección “+y”. A continuación se muestran las representaciones en isométrica de stress, en caepipe y el soporte real equivalente de éste tipo de restricción

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.3 TIPOS RESTRICCIONES • Guías: restricción utilizada para controlar los movimientos laterales de la tubería.. En algunas ocasiones puede requerirse limitar el desplazamiento de la tubería, en un único sentido, por ejemplo “+x”, permitiendo el libre movimiento en el sentido “-x”, éste tipo de restricción también es un guía. A continuación se muestran las representaciones en isométrica de stress, en caepipe y el soporte real equivalente de éste tipo de restricción

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.3 TIPOS RESTRICCIONES • Anclajes Direccionales: restricción utilizada para controlar los movimientos axiales de la tubería. Al igual que en el caso de las guías, puede requerirse limitar únicamente el desplazamiento axial de la tubería en un único sentido. A continuación se muestran las representaciones en isométrica de stress, en caepipe y el soporte real equivalente de éste tipo de restricción

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.3 TIPOS RESTRICCIONES • Anclaje Total: restricción utilizada para impedir el movimiento de la tubería en el punto deseado. Éste tipo de soportes restringe los 6 grados de libertad en el punto de aplicación. Un ejemplo, claro de este soporte son las conexiones a equipos, las cuales impiden el movimiento del elemento de tubería en sus 6 grados de libertad. A continuación se muestran las representaciones en isométrica de stress, en caepipe y el soporte real equivalente de éste tipo de restricción

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.3 TIPOS RESTRICCIONES • Soportes Flexibles: es una restricción que permite soportar la carga que gravita sobre un punto determinado, a la vez que permite el desplazamiento de dicha carga en la dirección de aplicación de la fuerza. Ejemplos de éste tipo de soporte, son los muelles y los amortiguadores. A continuación se muestran ejemplos de ubicación de un muelle y de un amortiguador en Caepipe y sus equivalente en el modelo real de tuberías.

Muelle

Amortiguador Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 24 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.3 TIPOS RESTRICCIONES Es importante recalcar que los soportes flexibles, no solo se consiguen utilizando muelles o amortiguadores, también pueden ser construidos mediante vigas “flexibles”. En la figura 3.4.1 se muestra un ejemplo de uso de un soporte con vigas flexibles. La imagen a) muestra el sistema de tubería en frío, es decir, no en operación. Mientras que, la imagen b) muestra el mismo sistema en operación. Se puede apreciar, como la viga permite soportar la carga del sistema y al mismo tiempo permite su desplazamiento. En la siguiente página se muestran los esfuerzos y desplazamientos de la viga. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 25 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.3 TIPOS RESTRICCIONES La figura 3.4.2, muestra los esfuerzos de Von Mises y los desplazamientos. Se puede observar como los esfuerzos mayores se encuentran concentrados en la unión a la tubería y en la unión al soporte base. En el caso de los desplazamientos, se observa claramente que el punto de unión con la tubería, es el que representa un mayor desplazamiento.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.4 ESTANDAR DE SOPORTES En la sección 3.4.1 se identificaron los tipos de soportes que podemos encontrar en una planta industrias; soportes estándares, especiales y estructurales. Ésta sección se centrará en la definición y utilización de los soportes estándar, mediante el uso de un estándar de soportes creado especialmente para el curso básico de flexibilidad. El estándar que se muestra a continuación recoge los soportes más utilizados y son representados de una manera sencilla, que permita la familiarización por parte del estudiante con un estándar de soportes. Se recuerda al estudiante, que a la hora de seleccionar o diseñar un soporte debe de utilizar el estándar del cliente o de la compañía de ingeniería para la cual trabaja. El estándar que se presenta en el curso, ha sido simplificado y se han obviado ciertos parámetros constructivos, ya que el objetivo principal de éste modulo, es que el alumno se familiarice con los diferentes tipos de soportes y las restricciones que ejercen sobre el sistema de tuberías.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES En esta sección, se hará breve descripción del diseño constructivo de los soportes indicados en el estándar de soportes, mostrado en la sección 3.4.4. 3.4.5.1 ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTE Los elementos básicos de soporte son aquellos utilizados con mayor frecuencia durante el desarrollo de ingeniería de una planta industrial y representan los soportes rígidos principales para materializar restricciones de apoyo, guías y anclajes. A continuación se indican los soportes que conforman los elementos básicos de soporte:

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.1 ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTE •

Cunas:

Las cunas son elementos de soporte realizados a partir de un tramo de tubería de 120º y de una longitud determinada por el diseñador de soportes. Son utilizadas en los siguientes casos: En tuberías de espesor muy delgado, con el objetivo de reforzar la zona de apoyo o sobre la cual se va a trasmitir la fuerza o el momento; por ejemplo en la unión de un trunnion con una tubería vertical. Al inicio de un proyecto de ingeniería el responsable del grupo de flexibilidad y soportes, en conjunto con el responsable de materiales, realizan el cálculo de cuales tuberías requerirán el uso de cunas en función del diámetro y de la especificación de materiales Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 33 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.1 ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTE •

Cunas: •

En tuberías de acero inoxidable o aleado, las cuales requieran estar en contacto con acero al carbono. En éste caso se coloca la cuna para evitar la corrosión entre los diferentes materiales y su principal función es de servir de elemento de transición.

En el estándar de soportes que se utilizará en el curso, la cuna viene indicada por el soporte C1. En éste soporte se deberá de indicar la longitud de la cuna (por defecto es 300mm, la cual puede ser modificada por el diseñador de soportes, si así lo requiere) y el material: CS (Acero al carbono); AS (aleado) ; SS (inoxidable).

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.1 ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTE •

Zapatas:

Las zapatas son soportes realizados a partir de perfiles (por ejemplo, medio perfil IPN 100) o partir de chapa metálica. Las zapatas son utilizadas principalmente en los siguientes casos: •

Apoyo de tuberías con pendiente. En éstos casos la altura de las zapatas a lo largo de una línea con pendiente, va cambiando en función de la inclinación de la tubería.

•

Apoyo de tuberías con aislamientos. En éstos casos se deberá de tener en cuenta el espesor de aislamiento para garantizar de que no haya interferencia entre el aislamiento, la zapata y la superficie de apoyo. Generalmente, las alturas de las zapatas se estandarizan en función del espesor de aislamiento, para facilitar el diseño, construcción y montaje. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 35 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.1 ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTE •

Zapatas: •

Apoyo de tuberías que se encuentren elevadas con respecto a la superficie de apoyo, en una diferencia de elevaciones no mayor a 300 mm (nota: éste criterio puede variar en función de los requerimientos de la especificación de soportes empleada). Si la diferencia de elevación es mayor que la indica, es necesario utilizar un elemento estructural adicional.

En el estándar de soportes que se utilizará en el curso, la zapata viene indicada por los soportes Z1 y Z2. En éstos soportes se deberá de indicar la altura de la zapata, la cual se ha estandarizado en función del espesor de aislamiento, sin embargo, si el diseñador de soportes lo considera necesario puede ser modificada. El soporte Z2 deberá de ser utilizado únicamente para tuberías galvanizadas.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.1 ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTE •

Zapatas:

Cabe destacar que en el caso de que la tubería a soportar sea de acero inoxidable o aleado, se deberá de tomar la precaución de incluir una cuna del mismo material de la tubería, como elemento de transición entre la tubería y la zapata, para evitar la corrosión. En el caso de tuberías galvanizadas, no se puede soldar ningún elemento a la tubería ya que se perdería el galvanizado, por lo cual el elemento de transición entre la tubería y la zapata serán dos abrazaderas, tal y como se muestra en la imagen.

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Guías:

Las guías son elementos realizados a partir de chapa metálica o perfiles estructurales, los cuales tienen como principal función la de controlar los movimientos laterales de la tubería en un punto determinado. Las guías que se utilizarán en el estándar de soportes del curso, vienen representadas por los siguientes estándares: 

G1… estándar utilizado para guiar tuberías con zapatas o pedestales.



G2… estándar utilizado para guiar tuberías que apoyan directamente o que utilizan cuna.



G3… estándar utilizado para guiar tuberías que NO requieren apoyo. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 38 Prof. Karen Oliver Piay

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Anclajes:

Los anclajes son elementos realizados a partir de chapa metálica o perfiles estructurales, los cuales tienen como principal función la de controlar los movimientos axiales de la tubería en un punto determinado. Los anclajes que se utilizarán en el estándar de soportes del curso, vienen representadas por los siguientes estándares: 

S1… éste estándar puede ser unido directamente a la tubería si el material y espesor de la misma lo permite, a la cuna o a la zapata, según se requiera.



S2… estándar utilizado para controlar los desplazamientos axiales de las tuberías que requieren de un pedestal. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 39 Prof. Karen Oliver Piay

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Abrazaderas:

Las abrazaderas son realizadas a partir de chapa metálica y son utilizadas cuando se quiere evitar o no se puede, soldar el elemento de soporte directamente a la tubería, como por ejemplo en tuberías galvanizadas. Las abrazaderas que se utilizarán durante el curso, están incluidas en los soportes Z2 y H2. El soporte Z2 es una zapata con abrazaderas, como la que se muestra en la imagen adjunta. Es utilizada en tuberías galvanizadas. El soporte H2, es un colgante con abrazadera, el cual se suele utilizar en tuberías galvanizadas o cuando el peso a soportar por el colgante es elevado y el espesor de la tubería es pequeño. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 40 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.1 ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTE •

Colgante:

Los colgantes constan de básicamente tres elementos: el elemento de unión a la estructura (1), la varilla (2) y el elemento de unión a la tubería (3). Son utilizados cuando se requiere soportar la tubería y no hay estructura que permita realizar el apoyo mediante zapatas, pedestales o apoyo directo. Los colgantes que están incluidos en el estándar del curso, están representados por los soportes H1 y H2. Los colgantes tienen una restricción en cuanto al ángulo de rotación que pueden soportar. Generalmente, ésta restricción es de 15º, sin embargo, hay que corroborar con el estándar del fabricante o del cliente que se este utilizando. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 41 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.2 TRUNNIONS Y PEDESTALES Los trunnions y pedestales, son soportes realizados a partir de tubería y son utilizados para generar el apoyo requerido de la tubería. Son utilizados cuando se requiere soportar una tubería directamente en el codo o por ejemplo dar apoyo en un tramo vertical de tubería. El material de la tubería a utilizar en el trunnion o en el pedestal, debe de ser compatible con la tubería que se esta soportando o de lo contrario habría problemas de corrosión. Los estándares de soportes que emplean trunnion o pedestales son: T1, T2, T3, F1 y F2. En la siguiente página se muestran varios ejemplos reales de uso de trunnions y pedestales.

Éste tipo de soportes, representan junto con las zapatas y cunas, los soportes más utilizados en una planta industrial, por lo simplicidad y versatilidad.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.2 TRUNNIONS Y PEDESTALES

Los trunnions son utilizados en tramos verticales de tubería y/o en codos (la tubería del trunnion en horizontal), mientras que, los pedestales son utilizados en tramos horizontales y/o codos (la tubería del pedestal en vertical) . Para mayor aclaración ver el estándar de soportes del curso.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.3 ELEMENTOS ESTRUCTURALES En muchas ocasiones las tuberías no pueden ser soportadas con un único elemento de soporte, por ejemplo, una zapata o trunnion, debido a que están alejadas de una estructura o del suelo de donde unirse. En éstos casos se debe de utilizar elementos estructurales para poder materializar la restricción requerida. Los estándares de soportes de las diferentes compañías de ingeniería o de los propios clientes, incluyen una serie de configuraciones de soportes estructurales estándar en los cuales se suelen indicar las cargas máximas admisibles en función de las dimensiones del soporte y de los perfiles a emplear. En algunas ocasiones el soporte que se requiere no esta incluido en los estándares, y es necesario hacer un soporte especial (diseñador y dimensionado por tuberías) o un soporte estructural (diseñado y dimensionado por civil) cuando las cargas y/o dimensiones requieren de un cálculo estructural. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 44 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.3 ELEMENTOS ESTRUCTURALES Los elementos estructurales que vamos a utilizar de referencia durante el curso están representado por los siguientes estándares: P1 al P12. A continuación se muestran varias imágenes de configuraciones de soportes, en la que se utilizan elementos estructurales como complemento.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.5 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.5.3 ELEMENTOS ESTRUCTURALES

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES En la sección 3.4.3 se definieron los soportes flexibles como elementos que permiten soportar la carga que gravita sobre un punto determinado, a la vez que permite el desplazamiento de dicha carga en la dirección de aplicación de la fuerza. Entre los elementos flexibles se encuentran: los muelles de carga variable, los muelles de carga constante y los amortiguadores (snubbers). A continuación se indicará el procedimiento de selección de cada uno de éstos elementos.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: Son soportes de muelle en los que la carga varía con el desplazamiento y se emplean en sitios donde dicho desplazamiento es pequeño o medio Por ejemplo según el fabricante español PIHASA se recomienda su uso hasta 75mm. Hay distintos modelos en función de la magnitud de dicho desplazamiento y diferentes configuraciones que permiten su instalación como soportes de apoyo (con la tubería por encima del soporte) o como elemento de cuelgue (con la tubería debajo del soporte). En la sección 3.4.1 se mencionaron los principales fabricantes de muelles a nivel mundial y se indicó que para el curso se utilizará el catalogo de Pihasa para la selección de muelles de carga variable. El método de selección de muelles de carga variable, es similar entre todos los vendedores, ya que usan los mismos parámetros de entrada. Sin embargo es importante guiarse por el procedimiento de selección particular de cada vendedor.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE:

¿Cuándo usar un muelle de carga variable? Un muelle se coloca por la necesidad de dar soporte a una tubería en un punto de su recorrido, que debido a cambios de longitud, por lo general como efecto de dilataciones térmicas o asentamientos diferenciales, varia la posición de ese punto entre el estado sostenido y el de operación. Por ejemplo, se emplean frecuentemente en tramos verticales de líneas calientes que suben torres y estructuras y que requieren de la repartición de la carga en puntos intermedios. Como primer apoyo después de la conexión a un tanque de almacenamiento para absorber los asentamientos diferenciales, etc. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 49 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: a) Datos necesarios para la selección del muelle de carga variable. Para seleccionar un muelle se requiere de la siguiente información: Carga de Operación (Kg) Magnitud y sentido del desplazamiento (mm). El sentido del desplazamiento se indica con (+) si es hacia arriba y (-) si es hacia abajo Tipo de unión a la estructura de soporte Configuración de instalación, de apoyo a la tubería o de elemento de cuelgue.  Porcentaje de Variabilidad (porcentaje de variación entre la carga en frío y la carga en caliente) no debe ser superior a 25% Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 50 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: a) Datos necesarios para la selección del muelle de carga variable La carga de operación, la magnitud y el sentido del desplazamiento, son valores que se obtienen directamente del Caepipe al realizar el cálculo de flexibilidad y que deberán de ser identificados por el analista de flexibilidad, en la isométrica de stress. A continuación se muestra un ejemplo del input de Caepipe, los datos de Caepipe para la selección del muelle y la representación de dicha información en una isométrica de stress. Posteriormente, es labor del diseñador de soportes la selección final del muelle en función de los datos indicados por el analista de flexibilidad.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: a) Datos necesarios para la selección del muelle de carga variable

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: a) Datos necesarios para la selección del muelle de carga variable La carga en operación (hot load) debe de ser representada en Kilogramos y el desplazamiento siempre debe de ser aproximado al entero correspondiente, nunca se debe de especificar un muelle con desplazamientos con decimales. Es importante mencionar que el Caepipe tiene la opción de seleccionar diferentes fabricantes de muelles, de manera que el programa automáticamente selecciona el muelle. Sin embargo, Pihasa no se encuentra en la base de datos de muelles por lo cual se selecciona cualquier vendedor, ya que lo importante es obtener los datos de carga de operación y desplazamientos que son los que permiten la selección del muelle mediante el catalogo.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: b) Modelo, tipo y tamaño de muelle A la hora de seleccionar un muelle de carga variable, es necesario indicar el modelo, tipo y tamaño del muelle. Modelo: los modelos de muelle disponibles dentro del catalogo de Pihasa son: CVC, CV, CVL y CVLL. Al elegir el modelo adecuado se debe de tener en cuenta que la variación de carga desde la posición fría del muelle a la posición caliente sea igual o inferior al 25%. En algunos casos este porcentaje de variabilidad suele ser limitado por los clientes o compañías de ingeniería a un valor menor (por ejemplo 20%) para disminuir las tensiones a las que esta sometida la tubería.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: b) Modelo, tipo y tamaño de muelle Modelo: Si el porcentaje de variabilidad no se cumple, hay que recurrir a un muelle con una constante de rigidez menor y si llegase a darse el caso, de que no hay ningún muelle de carga variable que cumpla con dichas condiciones, se deberá de pasar a un muelle de carga constante. Según este criterio se recomienda el uso de los modelos, de acuerdo a los siguientes rangos de desplazamiento: CVC … hasta 10 mm

CVL … entre 20 y 50 mm

CV … entre 10 y 20mm

CVLL …entre 50 y 75 mm

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE:

b) Modelo, tipo y tamaño de muelle Tipo: el tipo de muelle, debe de seleccionarse en función de las condiciones de montaje referentes a la unión a la estructura. Los tipos de muelles de acuerdo al catalogo son: A, B, C, D , E, F, G y H.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE:

b) Modelo, tipo y tamaño de muelle

Tamaño: el tamaño del muelle se determina haciendo uso de la tabla “Tablas de carga de trabajo y características de los soportes de carga variable” que se encuentra en la hoja 37 del catalogo de Pihasa. Al emplear esta tabla, no debe de entrarse nunca en la zona marcada como margen de seguridad. En la medida de los posible se debe de seleccionar el muelle entrando en la zona central de la relación carrera del soporte vs carga.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES CARGA VARIABLE

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: c) Forma de identificación del muelle A la hora de identificar un muelle, se debe de incluir la siguiente información:



Modelo



Tamaño



Tipo



Desplazamiento de la tubería (mm)



Carga de Operación (Kg)

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE:

d) Procedimiento de selección del muelle A continuación se realiza un ejemplo práctico para indicar, el procedimiento de selección de un muelle de carga variable utilizando el catalogo de Pihasa. Ejemplo 1: seleccionar un muelle para una carga de operación de 500 Kg y un desplazamiento de – 12mm. En la imagen se muestra un esquema de la ubicación de la tubería a soportar y su entorno.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE:

d) Procedimiento de selección del muelle 1) Selección del Tipo de Muelle De acuerdo al esquema de la imagen, el muelle debe de ser seleccionado en función de que el soporte permita colgar la tubería de la estructura superior. Para este caso, se puede utilizar tanto el tipo B como el C, la diferencia entre ellos es la pieza de sujeción superior. Se selecciona el Tipo C.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: d) Procedimiento de selección del muelle 2) Selección del Modelo En función del desplazamiento de -12 mm y las clasificaciones indicadas en la sección 3.4.4.4 apartado b, se selecciona un modelo CV 3) Selección del Tamaño Para la selección del tamaño se utiliza el dato de la carga de operación de 500 Kg, el modelo del muelle CV y la tabla de cargas de trabajo y características de los soportes de carga variable, del catalogo de Pihasa de la hoja 37. La selección del tamaño de un muelle, en muchas ocasiones es un proceso iterativo, debido a que se selecciona un tamaño, se calcula la cargas de instalación y se verifica el porcentaje de variabilidad y si este no se cumple, se debe seleccionar otro tamaño y comenzar nuevamente el proceso. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 62 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: d) Procedimiento de selección del muelle 3) Selección del Tamaño Se ubica en la tabla la carga de operación indicada de 500 Kg, procurando ubicar el valor que se encuentre más central en la tabla. Una vez ubicado la columna se lee el tamaño del muelle. De la tabla se observa que los rangos de tamaño que permiten cargas de 500 Kg, están comprendidos entre el tamaño 9 y el 12. Los tamaños 9 y el 12 no convendrían utilizarlos debido a que están muy cercanos a las zonas de seguridad, por los que los eliminamos. Los muelles tamaño 10 y 11, son ambos validos. Siempre que sea posible se selecciona el muelle más pequeño, ya que es más económico y de menos dimensiones. Finalmente se selecciona el Tamaño 10. En la página siguiente se muestra la tabla con la selección. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 63 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE:

d) Procedimiento de selección del muelle 4) Cálculo de la Carga de Instalación (Carga en condición fría) El cálculo de la carga de instalación se realiza mediante la siguiente ecuación:

CINST  COP  K  D

Ecuación 1

Donde: CINST … Carga de Instalación (Kg) Cop … Carga de Operación (Kg) K … Constante de Rigidez (Kg/mm) D … Desplazamiento (mm). Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 65 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE:

d) Procedimiento de selección del muelle 4) Cálculo de la Carga de Instalación (Carga en condición fría) La constante de rigidez se obtiene de la tabla utilizada anteriormente, para un muelle modelo CV, tamaño 10. El valor es 4.75 Kg/mm, con lo cual calculamos la carga de instalación.

CINST  500  4.75   12  443Kg NOTA: el desplazamiento siempre se debe de incluir con su signo correspondiente; (+) si el desplazamiento es hacia arriba o (-) si el desplazamiento es hacia abajo.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE:

d) Procedimiento de selección del muelle 5) Verificación del porcentaje de variabilidad El porcentaje de variabilidad (%V) se calcula mediante la siguiente ecuación:

%V 

Cop  CINST Cop

100

Ecuación 2

Utilizando los datos calculados anteriormente:

%V 

500  443 100  11% 500

%V  25%

El muelle seleccionado es Valido

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.1 MUELLES DE CARGA VARIABLE: d) Procedimiento de selección del muelle 6) Verificación de las dimensiones del muelle Una vez seleccionado el tipo, modelo y tamaño de muelle, se verifica que físicamente pueda ser instalado. Desde la parte inferior del perfil al centro de la tubería (center line) hay 2400mm y de acuerdo a las tablas dimensionales para un muelle tipo C, modelo CV y tamaño 10, el cuerpo del muelle mide 375 mm por lo que quedan un poco más de 2m, para colocar el arreglo final de varilla y unión a la tubería. Por lo tanto el muelle seleccionado es válido. Normalmente, se suele dejar veinte veces el diámetro de la varilla, como longitud de la varilla antes de la unión a la tubería (en este caso 20x20=400mm). Sin embargo, este es un criterio que se utiliza en algunas compañías de ingeniería y el detalle final de montaje siempre deberá de ser validado con el estándar de soportes a utilizar en el proyecto.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE

Un muelle de carga constante es un soporte variable que como su nombre lo indica, permite suspender una carga mediante una reacción constante, y que esta tenga cierta libertad de movimiento en la dirección de aplicación de la carga. Esto se consigue con un sistema mecánico bastante simple, basado en juegos de palancas.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE Los muelles de carga constante se emplean en sistemas que requieren desplazamientos de magnitud considerable. El mejor ejemplo es en columnas de reactores de gran altura, donde existe la prohibición de transmitir cargas por soportes a las paredes de la columna. En este tipo de equipos es necesario soportar las tuberías desde estructuras que rodena el equipo. Como el equipo que generalmente es muy caliente dilata, así como las tuberías asociadas y la estructura siempre se encuentra más fría que el equipo, se requiere de soportes flexibles entre la estructura y el equipo con una gran capacidad de desplazamientos. Estos muelles resultan considerablemente más costosos que los muelles de carga variable, y su uso es menos frecuente.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE A diferencia de los muelles de carga variable, la selección del muelle requiere menos datos, pues no se habla de una carga diferente en operación que en sostenido. La carga es la misma al ser el muelle constante. Pese a que la selección es relativamente mas sencilla, los muelles constantes requieren de un cuidado mayor por parte del analista a la hora de determinar la carga en la posición de instalación. Para entender esto, tómese como referencia un sistema en el que un equipo o sistema de tuberías requiere de una soportación flexible y que necesariamente requiere mantener la carga en la posición e instalación. Si se emplean muelles variables y por alguna razón se ha cometido un pequeño error en la carga de tarado del muelle, estimándose menor a la necesaria, el sistema tenderá a comprimir el muelle, pero este reaccionará incrementando la carga hasta conseguir el equilibrio.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE Si por el contrario se emplease un muelle de carga constante, si llegase a ser la carga de tarado menor a la necesaria, el muelle consumiría todo su recorrido sin detenerse pudiendo deformar producir una deformación excesiva en el sistema. Sin embargo, la mayoría de los fabricantes de los muelles de carga constante ofrecen productos con la capacidad de ajustar la carga de tarado hasta en un 20%. La naturaleza del mecanismo que emplean los muelles constantes, hace que un mismo muelle de un tamaño determinado pueda ser configurado para manejar un rango amplio de cargas y desplazamientos. Sin embargo, la carga y el desplazamiento no están desacoplados, esto es para un mismo tamaño de muelle, si se configura para manejar una carga máxima su recorrido será mínimo y viceversa, si se configura para manejar un recorrido máximo su capacidad de carga será mínima. Véase esto en la tabla siguiente. Por ejemplo, un muelle tamaño 1, si se configura para una carrera total de 40mm será capaz de manejar una carga de 78kg. Pero si se configura para una carrera de 210mm manejará solo 15kg. Prof. Juan Carlos González Mazzocchin 72 Prof. Karen Oliver Piay

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE Véase la tabla completa en la hoja 53 del catálogo de PIHASA

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE

Conceptos asociados a los muelles constantes: Carrera total: Se trata del rango máximo de desplazamiento que físicamente puede dar un muelle. Carga de trabajo: Es la carga de operación del muelle, en el caso de los muelles constantes es única y también se le conoce como carga de tarado. Posición de tarado: Es la posición establecida por el analista como posición de instalación y que corresponde a un punto intermedio del la carrera del muelle.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE UN MUELLE DE CARGA CONSTANTE En las siguientes láminas se explicará el procedimiento de selección y cálculo de un muelle de carga constante, siguiendo las recomendaciones de PIHASA y su catálogo. 1.

DETERMINACIÓN DE LA CARGA , CARRERA REAL Y MODELO REQUERIDO.

El analista de flexibilidad debe determinar la carga de trabajo del muelle requerida en su análisis de flexibilidad. Del mismo modo debe de calcular LA CARRERA REAL del muelle. El punto de aplicación de muelle puede variar su posición respecto a la posición de tarado, dependiendo de los diferentes escenarios de operación. Un mismo sistema puede presentar posiciones de operación por encima o por debajo de la posición de tarado. La carrera real es el rango de desplazamientos entre las posiciones conseguidas en escenarios extremos. Se denotará a este rango de desplazamientos con las letras CR.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE UN MUELLE DE CARGA CONSTANTE 2.

CÁLCULO DE LA CARRERA TOTAL.

La carrera total CT será el siguiente múltiplo de 10mm al resultado de incrementar en un 20% la carrera real CR siempre que esta sea mayor o igual a 125mm, o en 25mm si CR es menor de 125mm. 3.

SE DETERMINA EL TAMAÑO DEL MUELLE.

Mediante las tablas de selección (refiérase a las hojas 53,54 y 55 del catálogo de PIHASA) se entra en la tabla con la carrera total CT y se ubica la carga inmediata mayor a la carga de tarado determinada por el analista. El muelle seleccionado deberá ser tarado por el vendedor como el analista se lo indique. Sobre la carga tarada, se ofrece la posibilidad de ajustar en +/-20%.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE UN MUELLE DE CARGA CONSTANTE 4.

SE DETERMINA LA POSICIÓN DE TARADO.

Es quizás el paso que requiere mayor atención, sobre todo cuando el muelle puede operar en dos direcciones. Se trata de repartir el excedente entre la carrera total CT y la carrera real CR de manera que las dos direcciones de movimiento tengan un margen de tolerancia antes de que se bloquee mecánicamente el muelle. Frecuentemente se reparte de forma equitativa, pero no es extraño conseguir en especificaciones de soportes de clientes mecanismos de reparto del excedente diferentes. Por ejemplo cuando el muelle solo se desplaza en una dirección si se tiene un excedente CT-CR=20mm, si se reparte equitativamente, se fija la posición de tarado de manera que el muelle tendría 10mm hacia abajo antes de bloquearse, y una vez alcanzado el desplazamiento esperado aun le quedarían los otros 10mm para deformarse.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE UN MUELLE DE CARGA CONSTANTE 4.

SE DETERMINA LA POSICIÓN DE TARADO.

Por otro lado, también es habitual que algunos clientes prefieran repartir el excedente de manera proporcionada entre los desplazamientos positivos y negativos fijándose un mínimo de tolerancia. Esto seria para el caso anterior, por ejemplo repartir 5mm desde el tarado hacia abajo y 15mm por encima de la posición de operación.

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE UN MUELLE DE CARGA CONSTANTE EJEMPLO: Determinar el tamaño y la posición de instalación de un muelle constante modelo C54 PIHASA para gravitar 5673kg, sabiendo que posee dos escenarios de operación extremos donde se desplaza de la posición de instalación 13mm hacia abajo o 110mm hacia arriba. CARGA: 5673kg CR= 13mm+110mm=123mm Como CR es menor a 125mm CT= 123mm+25mm+2mm (para llevar a múltiplo de 10) CT=150mm

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE UN MUELLE DE CARGA CONSTANTE De la hoja 54 del catálogo de PIHASA se ubica en la columna correspondiente a 150mm de carrera total la carga inmediata superior a 5673kg y se lee el tamaño correspondiente. Esto es: Con CT=150mm se consigue 6176kg para tamaño 42 Por lo tanto se requiere un muelle PIHASA modelo C54 tamaño 42 Respecto a la posición de tarado, se calcula el excedente CT-CR CT-CR= 150mm-123mm=27mm

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE UN MUELLE DE CARGA CONSTANTE CT-CR= 150mm-123mm=27mm Haciendo un reparto equitativo se reparte el excedente en 13,5mm hacia arriba y hacia abajo. De esta manera la posición de tarado, medida desde el punto más bajo de la carrera total será: 13,5mm (tolerancia)+ 13,0mm (movimiento descendente)

26.5mm desde el tope inferior de la carrera total

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE UN MUELLE DE CARGA CONSTANTE CT-CR= 150mm-123mm=27mm Haciendo un reparto proporcionado seria: ES: Excedente superior EI: Excedente inferior

110mm ES :  27mm  24.15mm  24mm 123mm EI  27mm  24mm  3mm

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.6 DISEÑO CONSTRUCTIVO DE SOPORTES 3.4.6.2 MUELLES DE CARGA CONSTANTE PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE UN MUELLE DE CARGA CONSTANTE La posición de tarado medida desde el tope inferior de la carrera total será con este reparto: 3mm+13mm=

16mm

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.7 BIBLIOGRAFÍA [1] ASME B31.3 2010 Process Piping [2] Berrocal Ortiz, Luis. Resistencia de Materiales. Mc Graw-Hill. Madrid, 1990. [3] Timoshenko, Stephen and Gere, James. Mechanis of Materials. Cengage Learning. Fourth Edition. [4] MSS-SP-58 Pipe Hangers & Supports [5] MSS-SP-69 Pipe Hangers and Supports Selection and Application [6] MSS-SP-77 Pipe Support Contractual Relationships [7] MSS-SP-89 Pipe Hangers & Supports. Fabrication & Installation [8] MSS-SP-90 Terminology for Pipe Hangers & Supports

[9] Parisher, R and Rhea, R. Pipe Drafting and Design. Second Edition. Gulf Professional Publishing

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3.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.4.- ELEMENTOS BÁSICOS DE SOPORTACIÓN 3.4.8 BIBLIOGRAFÍA [10] Keith, A. Piping and Pipelines. Assessment Guide. Gulf Professional Publishing [11] www.pipingtech.com [12] M.W. Kellog Company, 1956. Design of Piping Systems. John Wiley & Sons.

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