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• Javier Ignacio Cancino Aravena

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MEMORIA DE CALCULO SUB ESTACION PLANTA EL PEÑON ENLASA GENERACION CHILE S.A

Memo Doc. N° : Inf2001309 Rev. :B Fecha : 15 / 12 / 2014 Página 1 de 22

MEMORIA DE CÁLCULO SUB ESTACION ELECTRICA ENLASA GENERACION CHILE S.A. Km. 57.16 Ruta 43-Fundo Lagunillas, Coquimbo

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INTRODUCCION El presente documento consta del desarrollo para el cálculo estructural de las Estructuras de acero ubicadas en sub estación eléctrica generadora ENLASA. Estas estructuras soportantes como marcos metálicos rígidos, pilares y vigas consisten en el soporte de transformador de corriente, desconectador horizontal, transformadores TP y TC. A continuación se muestran planimetricamente los sectores en estudio:

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MÉTODO DE CÁLCULO Y ANÁLISIS Software computacional de Análisis Matricial de Estructuras, para calcular estructuras tridimensionales (3D) definidas con elementos tipo barras en el espacio y nudos en las intersecciones de éstas. DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA Son 3 marcos metálicos enrejados reforzados con perfil ángulo de medida nominal 40-50-60-70-80 esp. 5 mm. Para el marco de interruptores son perfiles IPE . Sus fundaciones son de hormigón en masa MATERIALES A UTILIZAR Perfiles comerciales en acero estructural A42-24ES y ASTM A36, para los siguientes elementos: Pilares: Perfil IPE cuadrado 150x75x3 mm Vigas I 300x42.2 [kgs/m] existentes (acero ASTM A36) Vertientes: Perfil angulo 40x40x3 50x50x3 60x60x4 80x80x4 mm NORMA EMPLEADA Norma AISI S100-2007 (LRFD) y AISC LRFD 86. Los elementos de esta estructura deben cumplir con todas las comprobaciones de requeridas en esta norma OBJETIVO DEL ANÁLISIS Determinación de la estabilidad, resistencia, y deformaciones máximas de los distintos elementos de la estructura, mediante el grado de aprovechamiento de éstos para las distintas combinaciones de carga consideradas CARGAS CONSIDERADAS Solicitaciones generadas por la acción del viento que se traducen en cargas de presión actuando sobre la pared de altura menor, laterales y vertiente. Cargas de peso propio y cargas sísmicas. Las cargas de viento y sísmicas son generadas automáticamente por el software según las normas aplicadas ACCIONES CONSIDERADAS Se considera las acciones características para cada una de las hipótesis simples definidas Peso Propio Sismo : Zona 3 Ao = 0.4g suelo tipo 2, Viento: Determinada por el programa según las distintas combinaciones OBTENCIÓN DE ESFUERZOS Para cada combinación empleada se obtienen los esfuerzos: • Fuerzas axiales ( axiles) • Esfuerzos cortantes • Momentos de Flexión • Momentos de Torsión Estos esfuerzos se obtienen mediante hipótesis simples o por combinaciones de todos los estados

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1.- DATOS DE OBRA 1.1.- Normas consideradas Aceros conformados: AISI S100-2007 (LRFD) Aceros laminados y armados: AISC LRFD 86 1.2.- Sismo Norma utilizada: NCh433.Of1996 Mod.2009 (Do no117, de 2010) Norma Chilena Oficial Diseño Sísmico de Edificios (Incluye modificaciones del decreto no 117 (V. y U.) de 2010) Método de cálculo: Análisis modal espectral (NCh433.Of1996 Mod.2009 (Do no117, de 2010), 6.3) 1.2.1.- Datos generales de sismo Caracterización del emplazamiento Zona sismica (NCh433.Of1996 Mod.2009, 4.1): 3 Clase de suelo (Do no117 de 2010, Articulo 7): II Sistema estructural R0X: Factor de modificación de respuesta (X) (NCh433.Of1996 Mod.2009, 5.7) R0X : 11.00 R0Y: Factor de modificación de respuesta (Y) (NCh433.Of1996 Mod.2009, 5.7) R0Y : 11.00 Categoría del edificio (NCh433.Of1996 Mod.2009, 4.3): Categoría I Parámetros de cálculo Numero de modos : 6.00 Fracción de sobrecarga de uso : 0.50 Fracción de sobrecarga de nieve : 0.50 Factor multiplicador del espectro : 1.00 No se realiza análisis de los efectos de 2o orden Direcciones de análisis Acción sísmica según X Acción sísmica según Y

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2.- ESTRUCTURA 2.1.- Geometría 2.1.1.- Barras 2.1.1.1.- Materiales utilizados

2.1.1.2.- Descripción

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2.1.1.3.- Características mecánicas

2.1.1.4.- Tabla de medición

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2.1.1.5.- Resumen de medición

2.2.- Resultados 2.2.1.- Barras 2.2.1.1.- Resistencia Referencias: N: Esfuerzo axil (t) Vy: Esfuerzo cortante según el eje local Y de la barra. (t) Vz: Esfuerzo cortante según el eje local Z de la barra. (t) Mt: Momento torsor (t・m) My: Momento flector en el plano 'XZ' (giro de la sección respecto al eje local 'Y' de la barra). (t・m) Mz: Momento flector en el plano 'XY' (giro de la sección respecto al eje local 'Z' de la barra). (t・m) Los esfuerzos indicados son los correspondientes a la combinación pésima, es decir, aquella que demanda la máxima resistencia de la sección. Origen de los esfuerzos pésimos: G: Solo gravitatorias GV: Gravitatorias + viento GS: Gravitatorias + sismo GVS: Gravitatorias + viento + sismo Ƞ: Aprovechamiento de la resistencia. La barra cumple con las condiciones de resistencia de la norma si se cumple que Ƞ ≤ 100 %.

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COMPROBACIÓN RESISTENCIA

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2.2.1.2.- Flechas Referencias: Pos.: Valor de la coordenada sobre el eje 'X' local del grupo de flecha en el punto donde se produce el valor pésimo de la flecha. L.: Distancia entre dos puntos de corte consecutivos de la deformada con la recta que une los nudos Extremos del grupo de flecha.

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2.2.2.- Sismo Norma utilizada: NCh433.Of1996 Mod.2009 (Do no117, de 2010) Norma Chilena Oficial Diseño Sísmico de Edificios (Incluye modificaciones del decreto no 117 (V. y U.) de 2010) Método de cálculo: Análisis modal espectral (NCh433.Of1996 Mod.2009 (Do no117, de 2010), 6.3) 2.2.2.1.- Espectro de cálculo 2.2.2.1.1.- Espectro elástico de aceleraciones

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2.2.2.1.2.- Espectro de diseño de aceleraciones El espectro de diseño sísmico se obtiene reduciendo el espectro elástico por el coeficiente

2.2.2.2.- Coeficientes de participación

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T = Periodo de vibración en segundos. Lx, Ly = Coeficientes de participación normalizados en cada dirección del análisis. Mx, My = Porcentaje de masa desplazada por cada modo en cada dirección del análisis. R = Relación entre la aceleración de cálculo usando la ductilidad asignada a la estructura y la Aceleración de cálculo obtenida sin ductilidad. A = Aceleración de calculo, incluyendo la ductilidad. D = Coeficiente del modo, equivale al desplazamiento máximo del grado de libertad dinámico.

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3.-Cálculo de PERFIL HEB Datos de la obra Separación entre pórticos: 3.00 m.- 6.00 m. – 9.00 m.Perfiles conformados AISI/NASPEC-2007 (LRFD) ASCE 7-05 Perfiles laminados AISC LRFD Desplazamientos Acciones características Datos de viento Normativa: CIRSOC 102-1984 (Argentina) Velocidad maxima admisible:17.00 [m/s] = 60 [km/hr] Grupo 3 Viento a 0°, Rugosidad II Viento a 90°, Rugosidad II Viento a 180°, Rugosidad II Viento a 270°, Rugosidad II Direccion transversal (X) Tipo de terreno: Llano Direccion longitudinal (Y) Tipo de terreno: Llano Profundidad nave industrial: 24.00 m - Area izquierda: 99.00 m2, no se considera accion del viento - Area derecha: 0.00 - Area frontal: 0.00 - Area trasera: 0.00 1 - V(0°) 2 - V(90°) 3 - V(180°) 4 - V(270°) Datos de nieve Sin acción de nieve Aceros en perfiles

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Descripción de las abreviaturas: R : Posición relativa a la longitud de la barra. EG : Ejes de la carga coincidentes con los globales de la estructura. EXB : Ejes de la carga en el plano de definición de la misma y con el eje X coincidente con la barra. MARCO SOLDADO ESTRUCTURAS SOPORTANTES

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Resistencia a flexión alrededor del eje Y combinada con corte en la dirección del eje X (C3.3) No hay interacción entre esfuerzo cortante en la dirección del eje X y momento flector alrededor del eje Y para ninguna combinación. Por lo tanto, la comprobación no procede. Resistencia a flexión combinada con tracción (C5.1.2) No hay interacción entre axil de tracción y momento flector para ninguna combinación. Por lo tanto, la Comprobación no procede. Resistencia a flexión combinada con compresión (C5.2.2) No hay interacción entre axil de compresión y momento flector para ninguna combinación. Por lo tanto, la Comprobación no procede. Flexión combinada con cortante, axil y torsión - Comprobación de Von Mises (Comprobación Adicional) La comprobación no procede, ya que no hay esfuerzos combinados.

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8-

4.- DISEÑO REFUERZOS DE ACERO ESTRUCTURAL El diseño de los refuerzos en ángulo medida nominal 40-50-60-70-80 esp 5 mm, se considera en primera instancia la deformación admisible, para posteriormente verificar que los esfuerzos debidos a las combinaciones de carga sean menores que la resistencia nominal del elemento. Se diseñaron tanto a flexión, compresión, flexo-compresión y corte. 5.- DISEÑO CONEXIONES El diseño de conexiones se realizó considerando lo estipulado en la NCh 427. 6.- DISEÑO REFUERZOS Para resistir las deformaciones y los esfuerzos provenientes del análisis se considera la utilización de perfil ángulo medida nominal 40-50-60-70-80 esp 5 mm. Pu= 1.93 ton Vu= 2.41 ton COMPRESION

E  kL     61.72  4.71 fy R Pn  25.8 ton O.K . FLEXION b.1) fluencia. b.2) Pandeo local del ala (No Compacta) b.3) Pandeo local alma (Compacta)

Mp=3.12 ton m Mn=3.09 ton m No Aplica.

 Mn  2.79 ton

O.K .

CORTE

Vn  0.6 fy Aw Cv]  14.6 ton

O.K .

FLEXO – COMPRESIÓN Los casos analizados anteriormente corresponden a las envolventes de los elementos analizados. En el caso de flexocompresión se analiza caso a caso y se entrega el valor mas critico.

Pr  0.17 Pc Pr 8  Mrx Mry    0.718  1    Pc 9  Mcx Mcy 

O.K .

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7.- DISEÑO CONEXIONES El diseño de las conexiones se realiza según lo estipulado en la NCh 427, y su referencia AISC. Los estados límites para las soldaduras corresponden a: - resistencia del material base - resistencia de la soldadura. Los estados límite para los elementos involucrados en conexiones corresponden a: a) Fluencia - Tracción b) Fractura - Compresión c) Corte - Bloque de corte Por todas estas consideraciones resultaron soldaduras de 3mm de altura (2.12 mm de garganta efectiva), con los largos correspondientes según detalle. 8.- OBSERVACIONES Se desprende de este análisis que estas estructura satisfacen cabalmente los requisitos mínimos de estabilidad y resistencia puntualizados en las Normas señaladas, al cumplir con todas y cada una de las comprobaciones realizadas para las solicitaciones máximas admisible estipuladas. Se ha optado presentar las comprobaciones ELU sólo resumidas y sintetizadas en una tabla, antes que en forma detallada, por cuanto esto último escapa del sentido de este informe.

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9.- ANEXO 1 Como calculo complementario se ha sometido a estudio la línea de transmisión que va desde marco de línea 110Kw hasta sub estación C.G.E. Este anexo se refiere al estudio de las condiciones en que deben tenderse los conductores, teniendo en cuenta que de ellas depende: a) La flecha que tomarán los conductores en los diferentes vanos y en las distintas hipótesis de flecha máxima b) La tracción máxima admisible a que se verán sometidos los conductores al cambiar las condiciones ambientales en las distintas hipótesis de tracción máxima c) El comportamiento de los conductores frente a la posible aparición de vibraciones A continuación, se muestran las hipótesis de sobrecarga que deberán considerarse para el cálculo de la tensión máxima, y además las hipótesis de flechas máximas.

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9.1 TABLAS DE CÁLCULO MECÁNICO La ecuación del cambio de condiciones permite calcular la tensión a que estará sometido un conductor en unas condiciones determinadas de temperatura y sobrecarga, partiendo de una tensión fijada previamente para otras condiciones iniciales de temperatura y sobrecarga. Estas condiciones de partida se fijarán teniendo en cuenta conjuntamente los límites estático y dinámico, de forma que según sea el vano, la situación inicial será la que fije el límite más desfavorable. La tabla de cálculo mecánico de conductores y las de tendido se determinarán mediante la ecuación de cambio de condiciones para vano nivelado:

En las que: a = Vano, en m. E = Módulo elástico, en daN/mm2. S = Sección total, en mm2. α = Coeficiente de dilatación °C-1. f = Flecha, en metros. p = Peso del haz, en daN/m. σ1 = Temperatura del fiador en las condiciones iniciales en °C. σ2 = Temperatura del fiador en las condiciones finales en °C. T1 = Tense a que está sometido el fiador en las condiciones iniciales, en daN. T2 = Tense a que está sometido el fiador en las condiciones finales, en daN. m1 = Coeficiente de sobrecarga en las condiciones iniciales. m2 = Coeficiente de sobrecarga en las condiciones finales.

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A continuación se indica el procedimiento de cálculo de los coeficientes de sobrecarga para las distintas hipótesis:

Donde: Pa = Peso aparente del haz en condiciones de sobrecarga, en daN/m. Pv = Acción del viento sobre el haz. Ph = Peso sobrecarga hielo, en daN/m. P = Peso del haz, en daN/m. d = Diámetro del círculo circunscrito al haz (conductores de fase y fiador), en mm. Si no existe sobrecarga, este coeficiente tendrá, evidentemente, el valor 1. Sustituyendo los valores en las condiciones iniciales se llega a ecuaciones en función de σ2, T2 y m2. De esta forma, para cada σ2 y m2 determinados, obtendremos T2 y f2. De acuerdo con lo expuesto se llega a las tablas de tendido, para las hipótesis de tracción y flecha máxima. Para condiciones intermedias del vano, y temperatura, se interpolarán los valores de tensión y flecha, obteniéndose de esta forma resultados suficientemente aproximados.

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9.2 Límite estático En condiciones de tracción máxima, el coeficiente de seguridad a la rotura del fiador no debe ser inferior a 3. Con ello obtenemos los tenses siguientes: − Para el fiador:

Al ser una carga de rotura del fiador inferior a 6470 daN, en apoyos de alineación y ángulo, se puede prescindir de la consideración de la cuarta hipótesis (Rotura de conductores), ya que en la línea se verifican las siguientes condiciones: a) El fiador tiene un coeficiente de seguridad de 3. b) Se instalarán apoyos de anclaje cada 3 km como máximo. 9.3 Límite dinámico a) CHS (Cold Hours Stress) Es aquel que tiene en cuenta el fenómeno vibratorio eólico del conductor y lo estudia en condiciones mínimas frecuentes de temperatura (- 5°C para las zonas establecidas), en las que la tensión no debe superar un porcentaje de la carga de rotura. Se establece un CHS para todos los conductores del 23%. b) EDS (Every Day Stress) A la hora de determinar las tracciones mecánicas de los conductores deberá tenerse en cuenta la incidencia de posibles fenómenos vibratorios que pueden, no solo acortar la vida de los mismos, sino también dar lugar a desgaste y fallos en herrajes y accesorios, e incluso elementos de los apoyos. Se considera el fenómeno vibratorio en el fiador o conductor de fase, a la temperatura de 15°C sin sobrecarga alguna, únicamente considerando el peso propio del haz, no exceda del 21% de la carga de rotura del fiador o cable de fase. 9.4 Vanos ideales de regulación El vano ideal de regulación viene dado por la expresión:

Siendo: ai = Vanos sucesivos de alineación, entre dos apoyos de amarre consecutivos (m). ar = Vano de regulación (m). Operando de esta forma, se llega al sgte. Cuadro de valores cuyo donde además se señalan las tensiones correspondientes a las temperaturas de + 50 °C (Zonas A, B y C) y -5 °C para zona A, -15 °C para zona B y -20 °C para zona C, sin actuar sobrecarga alguna.

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JAVIER CANCINO ARAVENA ARQUITECTO PATENTE Nº 300837

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