MONTAJES ANTIVIBRATORIOS EN INSTALACIONES TERMICAS Autor : Rafael Torres del Castillo -e-mail: [email protected] Director Técnico de VIBCON MASTER en Acústica Arquitectónica y Medio Ambiental por Ingeniería La Salle Universidad Ramón Llull, Resumen: El objetivo es dar herramientas prácticas al proyectista y técnico instalador frente a los temas de aislamiento de vibraciones que, por su escaso volumen en el global de la inversión de una instalación, suelen ser el último aspecto a contemplar y, por tanto, no tratado con la dedicación merecida. Es sabido que muchas patologías vibroacústicas en instalaciones son consecuencia de no haber adoptado medidas de control y aislamiento vibroacústico a priori, en la fase de proyecto. Aquí se concretan a modo de “recetario”, las soluciones más avanzadas para el aislamiento de vibraciones y de prevención de ruido estructural en instalaciones. También se indicarán los montajes antivibratorios según el tipo de maquinaria e instalación, así como soluciones constructivas de bancadas flotantes. Palabras clave: Vibraciones, Antivibradores, Amortiguadores, Aisladores, Aislamiento. 1. INTRODUCCIÓN En la acústica de instalaciones térmicas se ha tratado con profundidad el estudio de la propagación del ruido, como fenómeno vibratorio, y la manera en como afecta tanto a las edificaciones próximas como a las zonas del propio edificio a través de sus ventanas, huecos de escalera, tragaluces etc. Para su control y aislamiento se han desarrollado soluciones que con el paso del tiempo se han materializado en productos de uso normalizado (silenciadores, pantallas, cabinas, etc.) que cada vez tienen mas peso en el volumen de la instalación. Por el contrario para el control y aislamiento de las vibraciones mecánicas, no existe mucha información específica al respecto, no por que carezca de importancia en el conjunto de la instalación, si no más bien es atribuible a su mayor complejidad de estudio, ya que su medio de propagación contrariamente al aire, es muy heterogéneo y muchísimo más denso. Téngase en cuenta que una vibración en un medio aéreo generado por una fuente puntual se propaga únicamente en forma de ondas longitudinales o de presión y debido a su homogeneidad su radiación se realiza por igual en todas las direcciones. Por el contrario, las perturbaciones mecánicas de un equipo mal aislado, propagarán vibraciones por la estructura del edificio de forma diferente según la dirección y no solamente en forma de ondas de compresión si no además de ondas de flexión (ondas transversales y longitudinales superpuestas), e incluso también ondas de torsión. Las leyes de propagación en estos casos no son tan lineales como las del ruido. En algunos materiales estructurales, por ejemplo la tierra, las vibraciones se atenúan rápidamente y su energía disminuye en proporción inversa al cuadrado de las distancia, en otros por ejemplo en construcciones con estructura metálica, la atenuación se realiza con mucha lentitud, y la energía vibratoria se propaga a grandes distancias, llegando hasta los recintos más lejanos de la fuente de vibraciones. La importancia del adecuado tratamiento de control y aislamiento de vibraciones en instalaciones térmicas se debe principalmente a que inducen ruido estructural. Cuando la vibración se propaga en forma de ondas de flexión por los paramentos horizontales y verticales del edificio, dicha perturbación periódica se propaga en sentido transversal a la dirección de la propagación (ondas transversales) y también contiene perturbaciones en sentido longitudinal a la propagación, idénticas a las vibraciones en el aire (sonido) es por ello que sean capaces de ser perceptibles por nuestro oído a partir de ciertas frecuencias e intensidad. Así podemos oír en ocasiones retumbos, latidos, zumbidos graves, y de forma más manifiesta cuando ponemos nuestro oído pegado a la pared, dichos sonidos se escuchan de manera más clara y aguda debido a que la velocidad del sonido por los sólidos viaja de diez a quince veces más rápido que en el aire. Efectivamente el ruido estructural inducido por vibración concentra gran parte de su energía en la baja frecuencia (de 8 a 250 Hz) y por tanto sus longitudes de onda pueden ser tan grandes que las paredes o forjados de un edificio de construcción normal difícilmente son capaces de poder aislarlos hasta los parámetros normalizados. Del mismo modo los productos para el aislamiento acústico para equipos de instalaciones térmicas antes mencionados son poco eficaces para ese rango frecuencial ya que están concebidos bajo las mismas leyes de aislamiento acústico. Es preciso utilizar técnicas de aislamiento y control de vibraciones para evitar estos efectos perniciosas para los individuos e inclusive para los edificios, ya que están catalogados como agentes contaminantes físicos y en consecuencia afecta directamente a la calidad acústica de las instalaciones. En el RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas) haciendo buena referencia al primer apartado de su artículo segundo: ...” Las instalaciones objeto de este reglamento tienen como fin principal la obtención de un ambiente interior, térmico de calidad de aire y de condiciones acústicas”... Se pone claramente de manifiesto que el confort acústico es la tercera condición que debe cumplir cualquier instalación de calefacción, climatización y agua caliente sanitaria y además durante un período de vida económicamente razonable. 2. CONCEPTOS TEÓRICOS A CONSIDERAR Para conocer el rendimiento del aislamiento antivibratorio se ha optado en estos últimos años por determinar la cantidad de energía vibratoria que se transmitirá a la estructura. Para ello se procederá a su cálculo mediante una función de transferencia que relacionará la señal vibratoria de salida con la de entrada. Realizado este cálculo y grafiado, podemos definir la transmisibilidad (T), como la capacidad que posee el sistema mecánico (maquina con antivibradores) para facilitar el paso de la vibración a la estructura del edificio y que dependerá de su modulación o la relación cuadrática entre la frecuencia perturbadora (fp) de la máquina y la natural de la suspensión elástica antivibratoria (fn). T = FTp 1 Fp 1 fp fn 2 (1) La Ec. (1) se puede concretar para el caso de las instalaciones térmicas ya que sus condiciones de contorno implica un sistema mecánica con amortiguación muy baja puesto que los valores de amplitud encontrados en este tipo de instalaciones son relativamente bajos y la variable a considerar se reduce a la modulación del sistema. Así cuando la modulación se iguale a la unidad, nos indicará que el sistema está en una situación nada deseable puesto que entra en resonancia y por tanto la amplitud del sistema será muy elevada (tenderá a ser infinita). A partir de ese punto la transmisibilidad disminuirá a medida que vaya aumentando dicha modulación, es decir, el sistema dejará pasar cada vez menos energía vibratoria al forjado y por tanto, el montaje antivibratorio será cada vez más efectivo. El “grado de aislamiento vibratorio” (G) es el termino que cuantifica esta eficacia del sistema adoptado para aislar la vibración. Es un valor adimensional y por lo general se indica en % para evitar el manejo de decimales. G% = (1-T)100 (2) Según el tipo de uso de la edificación o bien zonas del mismo reflejamos un criterio de valores recomendados en función del tipo de edificación Tabla 1: Grado de Aislamiento vibratorio según zonas TIPO DE ZONA Características Grado de aislamiento MUY CRITICAS Edificaciones de uso cultural (auditorios, teatros, cines) Hoteles y Hospitales >=95% CRITICAS Zonas cercanas a dormitorios Oficinas y estudios >=90% NO CRITICAS Almacenes Sótanos y zonas de poco compromiso >85% 3. EL MONTAJE ANTIVIBRATORIO (MA) Es la suspensión elástica de una máquina tanto en forma de apoyo elástico en el suelo como de suspensión de un techo o entramado, según sean las exigencias requeridas por la instalación. El MA se caracteriza por poseer una densidad y rigidez lo más baja posible para crear la mayor discontinuidad entre el elemento estructural que forma el apoyo de la máquina y el tipo se solera o soporte. Cuanto más brusco sea este salto de discontinuidad más efectivo habrá sido la suspensión elástica diseñada. Por ejemplo, si intercalamos madera entre el apoyo de una máquina con base metálica y un forjado de hormigón el salto de discontinuidad respecto a sus módulos de elasticidad será de unas 102 veces menos, sin embargo si sustituimos la madera por caucho natural de baja dureza, el salto será muchísimo más brusco siendo del orden de 106. En definitiva, el objetivo es evitar cualquier tipo de posible unión rígida en los puntos de fijación o apoyo para evitar una posible patología vibroacústica. Cuando un equipo genera vibración por la acción de fuerzas perturbadoras de sus mecanismos, en el MA se ponen en juego cambios de energía cinética y potencial a una frecuencia forzada a la suya propia de forma que a cada ciclo, parte de la energía vibratoria se consume en forma de calor debido a su propia amortiguación interna y otra gran parte de ella retorna al propio sistema por verse bloqueada su transmisión. Los resultados que obtengamos dependerán inicialmente de las propiedades de que dotemos al montaje antivibratorio, ya que un diseño arbitrario puede empeorar la situación de partida, generando amplitudes aún mayores a riesgo de producir daños irreparables en la máquina y en las conexiones fijadas elásticamente a ella (resonancias). Cabe hacer la salvedad que en ciertos equipos como el caso de climatizadores nos encontramos que el propio fabricante incorpora montajes antivibratorios a ciertos mecanismos como es el caso del grupo moto-ventilador. Pues bien, si se realiza un montaje antivibratorio con idénticos elementos aislantes no se puede considerar la posibilidad que aparezca resonancia ya que por un lado los valores de amplitud que se generan son bajos y por otro lado el MA que suspende todo el climatizador, considera las características estáticas y dinámicas tanto del grupo moto-ventilador como de los demás mecanismos de dicho equipo. 3.1. Tipos de Montaje Antivibratorios Para el caso de maquinas que nos ocupa, de los tres montaje antivibratorios mostrados en el esquema siguiente, el que da mayor prestaciones es el montaje mixto (3) formado por dos baterías de aislamiento diferentes. La primera se encarga de aislar directamente la máquina reduciendo directamente la vibración del equipo en un porcentaje muy elevado. La segunda batería está compuesta por un montaje antivibratorio que impide el transito de frecuencias no filtradas por la primera batería que coinciden con la gama audible. Esquema 1: Tipos de Montajes Antivibratorios 1 2 3 El montaje con bancada (2) aporta inercia al MA aportando importantes ventajas centradas en la estabilidad y linealidad en la transmisión del eje y además reduce las amplitudes proporcionalmente al aumentar la masa de la bancada. Se realizan estos montajes en ciertos equipos como grupos moto-bombas de potencia mayor a 5 Kw , RoofTop, etc. Por último, el montaje directo (1) se realiza en pequeños equipos de poca envergadura como pueden ser condensadoras domésticas o semidomésticas, cajas de ventilación y extracción, fan–coils, etc. 4. ELEMENTOS DEL MONTAJE ANTIVIBRATORIO Su componente principal es el antivibrador o soporte antivibratorio. Se caracteriza por poseer dos funciones principales: la función aislante y la función amortiguadora. De la determinada proporción de ambas se diferenciará básicamente una familia de antivibradores de las otras. La función aislante, consiste en oponer resistencia a la propagación del movimiento oscilatorio producido por la fuerza de naturaleza periódica generada por la máquina. En cambio, la función amortiguadora considera la transformación de la energía vibratoria incidente en calor, debido a la acción de fuerzas de disipación intrínsecas a los antivibradores. Así, el antivibrador que básicamente sea elástico en más de un 90% respecto a su componente amortiguadora, se denominará “aislador”, ejemplo de ello tenemos los aisladores metálicos de muelle. Por el contrario, los denominados amortiguadores son antivibradores cuya componente amortiguadora puede ser del 5% al 10% como el caso de los amortiguadores de caucho y caucho-metal, o bien hasta del 90% como el caso de los hidráulicos o viscosos. Estos últimos se emplean para situaciones de arranque o parada con fuertes amplitudes de oscilación. Los equipos de instalaciones térmicas comparados con los de explosión interna, poseen amplitudes de oscilación bastante más bajas aún considerando situaciones de desequilibrio por regla general, claro está, existen excepciones como el caso de los moto-ventiladores axiales en los cuales hay que considerar el empuje axial. Por este motivo en situaciones en las que nos encontremos en zonas críticas y muy críticas los antivibradores que sin lugar a dudas dan mayor efectividad son los aisladores de muelles frente a los amortiguadores de caucho. Entre ambos sistemas podríamos establecer una línea fronteriza de utilización desde el punto de vista frecuencia la cual colocaría a los aisladores en el rango de frecuencias de 400 a 1500 r.p.m. mientras que a partir de 1500 r.p.m. los amortiguadores viscoelásticos de caucho su resultado es más notorio. Ahora bien particularmente soy de la opinión, como resultado de múltiples actuaciones que se han podido medir sus resultados, que adoptar un sistema conjunto da resultados muy importantes como el ilustrado en la foto (1), en la cual el aislador incorpora una base metálica de mayor superficie que reduce la intensidad de la vibración remanente al forjado reforzado por la adición en su parte inferior de una alfombrilla antivibratoria de caucho de baja dureza. En realidad es adoptar a una escala más pequeña un sistema de MA mixto, antes mencionado. Fotos 1 y 2: Aislador VIBCON con base metálica + caucho en su parte inferior Por el contrario los sistemas de aisladores en los cuales se coloca un amortiguador de caucho en el interior del muelle no aportan una ventaja sustancial de mejora de aislamiento aunque aumenta su amortiguación y se consigue mayor rigidez el sistema. En cuanto a los amortiguadores de caucho y derivados ya desde hace años se está intentando compaginar sus diseños con las recientes normativas medioambientales como la ISO 14000 en las que prima el reciclado de los mismos. Por ello se está buscando soluciones en amortiguadores de caucho que pueda con facilidad incorporar o no armaduras metálicas (VIBCON MULTIPAD patentado) a diferencia del clásico silemblock de caucho-metal el cual el reciclado de ambas partes soldadas térmicamente, es muy costoso o bien no pueden realizarse mediante procesos ecológicamente viables. 3. MONTAJES ANTIVIBRATORIOS SEGUN TIPO DE MAQUINA O INSTALACION. Es siguiente apartado considera como base de datos la actual UNE 100-153/88 y los standars ASRAE. De los elementos que forma un MA se considera en primer lugar el tipo de forjado o solera sobre el que se apoya una máquina, puesto que puede actuar como otro elemento elástico y mermar el grado de aislamiento del MA considerado. Los tipos considerados en la siguiente tabla son los mas habituales en edificios. Tabla 2: Tipo de estructura de apoyo de las máquinas S Sotano o sobre terreno F6 Forjado con luz entre apoyos de hasta 6 m F9 Forjado con luz entre apoyos de 6 a 9 m También los tipos de soportes antivibratorios considerados se describen por su compresión en mm., puesto que el grado de aislamiento es directamente proporcional a la deflexión estática y dinámica de los mismos. Al mismo tiempo se ha tenido en cuenta los mayormente encontrados en el mercado. Tabla 3: Tipo de soportes antivibratorios considerados A Amortiguadores de caucho y caucho-metal ALF Alfombrillas antivibratorias dentadas o MULTIPAD AMM Aisladores metálicos de muelle Finalmente se considera el tipo constructivo de bancada interpuesta entre la máquina y el forjado. Tabla 4: Tipo de bancadas consideradas BHF Bancada flotante de hormigón BM Bancada metálica a partir de perfiles normalizados Estos tres elementos del MA se indicarán en función del tipo de zona de exigencia de grado de aislamiento vibratorio tratada en la tabla (1) del apartado 2. Para poder interpretar el contenido de cada casilla de las tablas de MA según el tipo de máquina, se indicará la siguiente información por este orden indicado: tipo de MA y bancada, el tipo de antivibrador y finalmente su deflexión mínima a considerar. 3.1. MA para grupos de presión La principal fuente de vibraciones en bombas se relaciona con los impulsos hidrodinámicos inherentes a todas ellas. Estas pulsaciones están asociadas con la velocidad rotacional de la bomba y el número de sus aspas impulsoras. La frecuencia fundamental de este ruido de bomba es igual al producto de la velocidad rotacional (en ciclos por segundo) y el número de aspas. Además, el ruido estructural inducido por la vibración se centra en el rango de frecuencia de 125 Hz a 1k Hz o más cuando se produce la cavitación producida por la vaporización del agua y el colapso rápido de las burbujas de vapor que son impulsadas por las aspas propulsoras. Sin olvidar además cuando a lo largo de la vida de dichos equipos se pueden incrementar los niveles de vibración a su estructura de apoyo y área circundante cuan se asocian efectos relacionadas con el desequilibrio de los cojinetes del motor, el ventilador de refrigeración del motor, la caja de transmisión y el propulsor desequilibrado. Tabla 5: MA para grupos de presión ZONA ACUSTICA y tipo de forjado Bombas sin bancada o en línea < 5 Kw >6 kW Bombas con bancada <30 Kw >30 Y <75 kW >75Kw Colectores NO CRITICA y S Directo ALF o A MA mixto BM AMM >12mm NO CRITICA y S CRITICA Con bancada BM AMM >15mm. Con bancada BFH AMM >20mm. CRITICA Con bancada BFH Con bancada BFH AMM >15mm. AMM >20mm. Con bancada BFH Con bancada BFH AMM >20mm. AMM >20mm. Realizar estudio específico ALF en todos los punto de apoyo MUY CRITICA o F9 Mixto con BFH AMM>20mm.+ALF MUY CRITICA o F9 Mixto con BFH AMM>20mm.+ALF 3.2. MA para pequeñas instalaciones domésticas y semi domésticas. Son la más simples, pues normalmente sólo llevan los Splits interiores y las condensadoras exteriores. Se instalan habitualmente en viviendas particulares y en pequeñas oficinas o locales comerciales. Las semi domésticas se realizan en viviendas unifamiliares y aisladas, así como en oficinas y locales comerciales de tipo medio y pequeño. Estas instalaciones se pueden subdividir en: - Con Splits interiores y Condensadoras. - Con equipos de baja silueta, que pueden llevar evaporadoras y la condensadora separadas en muebles independientes o en forma compacta. Estos equipos normalmente van instalados con conductos de aire y rejillas de difusión. Por tanto se tendrá especialmente cuidado en tomar medidas de control de vibraciones en las suspensiones de los conductos al techo. Tabla 6: MA para condensadoras ZONA ACUSTICA y NO CRITICA y S tipo de forjado Condensadoras de Splits Directo semidomesticas A o ALF Compacta o de baja silueta condensadoras verticales Directo ALF CRITICA Directo AMM >20mm. MUY CRITICA o F9 Con bancada BFH AMM >25mm. Con bancada BFH AMM >25mm. (limitar balanceo) 3.3.- Medianas y grandes instalaciones Generalmente son instalaciones centralizadas en todo el edificio como: hoteles, hospitales, edificios de oficinas, bancos, grandes superficies, cines, teatros, etc. Las podemos dividir en 3 grandes grupos: Con acondicionadores autónomos de cubierta (ROOF-TOPS): Las instalaciones con este tipo de equipos normalmente no llevan climatizadores, ni Fan-coils, pues el aire ya tratado parte directamente de los Roof-Top por los conductos de aire, saliendo por las rejillas a los difusores. Este sistema es, dentro de las instalaciones centralizadas, uno de los más sencillos, pues el aire tratado es totalmente uniforme para todo el local. Se emplea generalmente en Hipermercados, grandes superficies, polideportivos, cines, discotecas, etc. Con climatizadores : Este tipo de instalaciones precisa además de los climatizadores, enfriadoras y/o torres de refrigeración para enfriar el fluido que va a las baterías de los climatizadores, que es donde se trata el aire, que se enviará por los conductos hasta las rejillas o difusores por los que saldrá a las distintas dependencias del edificios. En este sistema el aire se trata de forma distinta en cada climatizador, según las necesidades particulares de cada dependencia o zona del edificio, con lo cual se obtiene una mayor versatilidad en las prestaciones. Con Fan-coil: Además de los fan-coils se necesitan enfriadoras para enfriar el fluido que va a las baterías de los fan-coils, que es donde se genera y enfría el aire, que sale por las rejillas que incorporan los propios equipos. Este tipo de instalaciones no lleva conductos de aire y son las que tienen una versatilidad máxima, pues en cada dependencia se puede regular la velocidad del ventilador obteniendo la temperatura deseada, así como el equipo se puede parar o arrancar según se desee. Este sistema es típico de los hoteles, se utilizan también en edificios de oficinas, clínicas, sanatorios, etc. Tabla 7: MA para climatizadores con ventilador centrífugo ZONA ACUSTICA y tipo de forjado NO CRITICA y S <500 mm de rodete Directo ALF o A CRITICA Directo AMM>20mm MUY CRITICA o F9 Mixto con BM AMM>25mm+ ALF >600 mm diámetro de rodete <37Kw <300rpm 300-600 rpm >600 rpm Consultar al consultor vibroacústico Directo AMM 25mm. Mixto BFH Mixto con BFH AMM 30mm.+ ALF AMM 50mm+ ALF Con bancada BM o BFH Mixto con BFH AMM >20mm. AMM 25mm+ ALF >600 mm diámetro de rodete >37Kw <300rpm 300-600 rpm >600 rpm Consultar al consultor vibroacústico Directo AMM 25mm. Mixto BFH AMM 30mm.+ ALF Mixto con BFH AMM 50mm+ ALF Mixto con BFH AMM 30mm+ ALF Tabla 8: Enfriadoras y maquina frigorífica ZONA ACUSTICA y tipo de forjado Con compresores alternativos Con compresores herméticos Con compresores abiertos Con compresores de tornillo NO CRITICA y S Directo A o ALF CRITICA Directo AMM 20mm Con bancada BFH Con bancada BFH AMM 20mm. AMM 30mm. MUY CRITICA o F9 Directo AMM 25mm Mixto con BFH AMM 30mm.+ALF Tabla 9: Resto de equipos Torres de refrigeración y condensadoras ZONA ACUSTICA y tipo de forjado NO CRITICA y S <300rpm 300-600 rpm >600 rpm CRITICA MUY CRITICA o F9 Consultar al consultor vibroacústico Directo AMM 25mm. Mixto BM AMM 30mm.+ ALF Mixto con BM AMM >20mm.+ALF Mixto con BFH AMM 50mm+ ALF Mixto con BM AMM 25mm+ ALF ROOF-TOP 300-600 rpm >600 rpm Directo AMM 25mm. Directo AMM 20mm. Con bancada BM AMM 30mm. Con bancada BM AMM >20mm. Mixto con BFH AMM 50mm+ ALF Mixto con BM AMM 25mm+ ALF 3.4. Instalaciones de ventilación En las instalaciones en que solamente se requiere la renovación forzada del aire (sin enfriarlo), se utilizan normalmente “cajas de ventilación” o “grupos moto-ventiladores (axiales o centrífugos). Se emplean principalmente en garajes, aparcamientos, almacenes, etc. En estos casos se ha de tener en cuenta para el diseño de una correcta suspensión elástica que a parte de determinar su centro de gravedad hay que determinar el empuje axial y como repercute éste dinámicamente sobre los apoyos, ya que en ocasiones se encuentran situaciones que ventiladores de este tipo se han volcado por culpa de una inadecuada selección de los antivibradores. 3.5. Conexiones de tuberías Para la instalación de tramos de tuberías debe de extremarse su aislamiento ya que hay que considerar por un lado la transmisión de vibración pulsional por el transito del fluido en el interior de la tubería y por otro lado la vibración propia de la tubería metálica susceptible de transmitir a través de sus soportes de fijación y apoyos, puntales, porterías, o pasamuros. Por ello la soportación recomendable es colocar aisladores metálicos de muelle que tengan las misma deflexiones que los colocados en los propios equipos. Además colcación de amortiguadores pinchados en la propia tubería, como los manguitos antivibratorios, atenúan la vibración pulsional pero con el tiempo llegan a endurecerse por ello se recomiendan que sean de dos ondas y además todos sus puntos de apoyo han se disponer de algun amortiguador tipo alfombrilla antivibratoria o MULTIPAD. Foto 3: Bomba aislada con manguitos y amortiguadores VIBCON SB AGRADECIMIENTOS A mi madre por transmitirme el gen de la constante superación y obstinación por las cosas, a Susana Neira mi mujer, por darme su incondicional apoyo y por último a Jesús Arrabal por sus conocimiento profesional y su visión de las cosas. REFERENCIAS ASHRAE.“A practical guide to noise and vibration control for HVAC systems”.1991ASHRAE Special Publications. ASHRAE.”1991 Appications Handbook”. Cyril M.Harris.”Shock and Vibration Handbook”. Mc. Graw Hill 1988. Rafael Torres del Castillo. “Patologías vibroacústicas en instalaciones termicas” Ponencia presentada en Jornadas Técnicas CLIMATIZACION 2003 RITE: Reglamento de Instalaciones Térmicas UNE 100-153/88: Climatización Soportes Antivibratorios. Criterios de Selección.