45321195 estructuras de acero tomo 19

8/3/2019 45321195 Estructuras de Acero Tomo 19

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Sistemas estructurales:Otras estructuras

Instituto Tcnicode la Estructuraen Acero

I T E A

19


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NDICE DEL TOMO 19

SISTEMAS ESTRUCTURALES:OTRAS ESTRUCTURAS

Leccin 19.1: Diseo de tanques para almacenamientode petrleo y agua ........................................................... 1

1 DISEO DE DEPSITOS CILNDRICOS SOLDADOS ................................. 41.1 Generalidades ........................................................................................ 41.2 Normas de diseo ................................................................................. 41.3 Presin y temperatura de diseo ........................................................ 41.4 Material ................................................................................................... 4

2 HIPTESIS DE CARGA ................................................................................. 62.1 Carga permanente ................................................................................. 62.2 Carga sobrepuesta ................................................................................ 62.3 Contenido ............................................................................................... 62.4 Carga del viento .................................................................................... 62.5 Cargas ssmicas .................................................................................... 6

3 DISEO DEL FONDO ..................................................................................... 74 DISEO DE LA LMINA ................................................................................ 9

4.1 Tensiones circunferenciales ................................................................ 94.2 Tensiones axiales en la Lmina ........................................................... 104.3 Vigas contraviento primarias ............................................................... 114.4 Vigas contraviento secundarias .......................................................... 12

5 DISEO DE TECHOS FIJOS ......................................................................... 145.1 Generalidades ........................................................................................ 145.2 Techos de membrana ........................................................................... 145.3 Techos con soporte .............................................................................. 155.4 Aireacin ................................................................................................ 16

I

NDICE


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6 DISEO DE TECHOS FLOTANTES Y TAPAS .............................................. 186.1 Utilizacin de techos flotantes y tapas ............................................... 18

6.2 Techos flotantes .................................................................................... 186.3 Tapas flotantes ...................................................................................... 197 AGUJEROS DE INSPECCIN, ORIFICIOS Y ABERTURAS ........................ 20

7.1 Agujeros de inspeccin ........................................................................ 207.2 Orificios .................................................................................................. 21

8 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 229 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 22APNDICE A: DIFERENCIAS ENTRE LA BS 2654 Y LA API 650 ................... 23

Leccin 19.2: Diseo estructural de silos ............................................. 27

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 312 CLASIFICACIN DE LOS SILOS .................................................................. 32

2.1 Tamao y geometra ............................................................................. 322.2 Patrn de flujo ....................................................................................... 32

2.3 Material estructural ............................................................................... 333 CLCULO DE LAS PRESIONES SOBRE LAS PAREDES .......................... 35

3.1 Generalidades ........................................................................................ 353.2 Eurocdigo 1 Reglas para el clculo de las cargas debidas

al material almacenado ......................................................................... 353.2.1 Presin horizontal y presin de friccin de la pared ............ 363.2.2 Coeficiente de amplificacin de la presin debido al efecto

de llenado y descarga ............................................................... 37

3.2.3 Cargas en la tolva y en el fondo .............................................. 393.3 Otras consideraciones respecto a la carga ....................................... 41

4 ANLISIS Y DISEO ESTRUCTURAL .......................................................... 444.1 Seleccin de la forma del silo .............................................................. 444.2 Diseo de silos no circulares .............................................................. 44

4.2.1 Chapas de pared ....................................................................... 444.2.2 Inestabilidad de la placa ........................................................... 464.2.3 Proyecto de rigidizadores ........................................................ 464.2.4 Estructura de apoyo .................................................................. 47

II


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4.3 Proyecto de tolvas circulares .............................................................. 474.3.1 Introduccin ............................................................................... 47

4.3.2 Tensin en la pared cilndrica .................................................. 484.3.3 Pandeo de la pared ................................................................... 484.3.4 Fondo y tolva ............................................................................. 504.3.5 Viga perimetral en la transicin ............................................... 504.3.6 Apoyos ....................................................................................... 514.3.7 Uniones ...................................................................................... 51

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 526 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 52

Problema Resuelto 19.1: Diseo estructural de silos .......................... 53

1 INTRODUCCIN Y MBITO .......................................................................... 552 PROPIEDADES DEL MATERIAL ALMACENADO ........................................ 563 CLASIFICACIN DEL SILO ........................................................................... 574 CARGAS DEBIDAS AL MATERIAL ALMACENADO .................................... 58

4.1 Cargas de llenado ................................................................................. 584.2 Cargas debidas a la descarga ............................................................. 59

5 COMPROBACIN FRENTE AL PANDEO ..................................................... 61

Leccin 19.3: Torres, celosas y mstiles ............................................. 63

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 662 TORRES DE LNEAS DE ALTA TENSIN .................................................... 67

2.1 Conocimientos previos ........................................................................ 672.2 Tipos de torres ...................................................................................... 672.3 Requisitos funcionales ......................................................................... 682.4 Cargas sobre torres, casos de carga .................................................. 692.5 Proyecto general y configuracin de la celosa ................................ 702.6 Anlisis estructural ............................................................................... 722.7 Especificacin de las uniones ............................................................. 732.8 Proteccin contra la corrosin ............................................................ 76

3 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 78

III

NDICE


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4 BIBLIOGRAFA ............................................................................................... 785 BIBLIOGRAFA ADICIONAL .......................................................................... 78

Leccin 19.4: Mstiles atirantados ........................................................ 79

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 822 DESCRIPCIN DE UN MSTIL ATIRANTADO CON TENSORES ............... 83

2.1 Los cimientos ........................................................................................ 832.2 El mstil de acero .................................................................................. 83

2.3 Los cables de tensado ......................................................................... 832.4 Accesorios estructurales ..................................................................... 842.5 Equipos .................................................................................................. 85

3 DISEO DE MSTILES CON TENSORES .................................................... 853.1 Dimensionamiento inicial ..................................................................... 853.2 Dimensionamiento final y comprobacin ........................................... 87

4 OTROS ASPECTOS DE LOS MSTILES ATIRANTADOS ........................... 894.1 En la fase de diseo ............................................................................. 89

4.2 En la fase de fabricacin ...................................................................... 894.3 En la fase de montaje ........................................................................... 89

5 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 916 BIBLIOGRAFA ADICIONAL .......................................................................... 91

Leccin 19.5: Chimeneas ........................................................................ 93

1 INTRODUCCIN ............................................................................................. 962 ACCIONES ...................................................................................................... 97

2.1 Carga permanente ................................................................................. 972.2 Carga del polvo ..................................................................................... 972.3 Viento ..................................................................................................... 97

2.3.1 Velocidad bsica del viento Vb ................................................ 972.3.2 Velocidad del viento de clculo ............................................... 972.3.3 Carga del viento medio en la direccin del viento ................ 982.3.4 Carga del viento de clculo en la direccin del viento ......... 98

IV


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ESDEP TOMO 19SISTEMAS ESTRUCTURALES:

OTRAS ESTRUCTURASLeccin 19.1: Diseo de Tanques para Almacenamiento

de Petrleo y Agua

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OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Esta leccin describe los principios bsi-

cos que se utilizan en el diseo de depsitospara el almacenamiento de petrleo o agua.Trata el diseo de depsitos verticales cilndri-cos, e incluye referencias a la British StandardBS 2654 [1] y a la American Petroleum IndustryStandard API 650 [2].

CONOCIMIENTOS PREVIOS

Ninguno.

LECCIONES AFINES

Leccin 10.6 Introduccin a Estructuras deLminas

Leccin 10.8 Diseo de Cilindros no Rigidi-zados

RESUMEN

Normalmente se utilizan depsitos ciln-

dricos soldados para almacenar agua o produc-tos derivados del petrleo.

El principal elemento estructural de estosdepsitos es un cilindro vertical de acero, o lmi-na, que se fabrica soldando una serie de chapasrectangulares y que retiene las presiones hidros-tticas mediante fuerzas de tensin perifricas.Normalmente, el depsito tiene un fondo planode acero que reposa en unos cimientos prepara-dos al efecto, y presenta un techo fijo colocado

encima de la pared laminar.Esta leccin explica las bases del diseo

de los elementos estructurales de los depsitoscilndricos e ilustra las soluciones y detallesclave relacionados.


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1. DISEO DE DEPSITOSCILNDRICOS SOLDADOS

1.1 Generalidades

El petrleo y los productos derivados delpetrleo se almacenan generalmente en depsi-tos cilndricos de acero a presin atmosfrica o abaja presin. Estos depsitos son de fondo planoe incorporan un techo de forma cnica o esfri-ca.

Algunas veces, el agua se almacena tam-

bin en depsitos cilndricos de acero. Cuandose utilizan para almacenar agua potable, son deun tamao tal que permite su utilizacin comoembalse para un pueblo; siempre incorporan untecho para evitar la contaminacin del agua. Losdepsitos cilndricos se utilizan tambin comodepsitos de asiento y retencin en el tratamien-to de las aguas de cloaca; en este caso no sue-len incorporar techo.

En cuanto al tamao, los depsitos ciln-dricos van desde los 3 m de dimetro hasta los100 m, y pueden llegar a tener una altura de25 m. Los principales elementos estructuralesque los constituyen son tres: fondo, lmina ytecho.

Cuando se trata de almacenar petrleo, elfondo lo constituyen chapas de acero colocadasen unos cimientos preparados al efecto. Algunosdepsitos para almacenamiento de agua utilizancomo base una losa de hormign armado, envez de las chapas de acero.

La lmina, o pared cilndrica, est consti-tuida por chapas de acero y bsicamente no estrigidizada.

El techo del depsito suele estar fijado ala parte superior de la lmina, aunque a vecestambin se utilizan cubiertas flotantes. Un techofijo puede sostenerse de forma independiente opuede estar parcialmente sostenido por accinmembrana, aunque generalmente la placa que

hace las funciones de techo est soportadamediante viguetas o vigas de celosa radiales.

1.2 Normas de diseo

Pueden aplicarse las normas usuales

tanto si se almacena petrleo como si se alma-cena agua, aunque haya sido la industria delpetrleo la que ha desarrollado muchos de losprocedimientos y normas de diseo.

Las dos normas ms ampliamente utiliza-das son la British Standard BS 2654 [1] y laAmerican Petroleum Institute Standard API 650[2]. Aunque estas dos normas tienen mucho encomn, se aprecian tambin algunas diferenciassignificativas /(vase el Apndice A). Existen tam-

bin otras normas, americanas y europeas, quese utilizan poco fuera de los respectivos pases.

Esta leccin sigue, en general, los reque-rimientos de la BS 2654 [1]. Esta norma es unainstruccin para el diseo y un pliego de condi-ciones de construccin. La instruccin para eldiseo est basada en principios de tensinadmisible, no en base a un estado lmite.

1.3 Presin y temperaturade diseoLos depsitos diseados para almacena-

miento a presin nominalmente atmosfricadeben poder aguantar tambin un cierto vacointerno (presin negativa). Los depsitos puedenestar diseados tambin para trabajar a presio-nes internas relativamente pequeas (hasta 56mbar (5,6 kN/m2), segn BS 2654.

Los depsitos no refrigerados estn dise-ados para una temperatura mnima del metal,que se basa en la temperatura ambiente msbaja que se pueda dar (tpicamente, la tempera-tura ambiente ms 10oC) o la mnima tempera-tura del contenido, sea la que sea. Normalmenteno se especifica una temperatura mxima deservicio.

1.4 Material

Los depsitos se fabrican generalmentecon planchas de acero al carbono (lo que se

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conoce habitualmente como acero dulce) degrado Fe 360 o Fe 430 (de EN 10 025 [3]), oequivalente. Este material funde fcilmente. El

uso de grados de acero de baja aleacin y demayor resistencia (grado Fe 510, por ejemplo) noes tan frecuente, aunque va en aumento.

La ductilidad a la entalla a la mnima tem-peratura de servicio se obtiene, para los mate-riales de mayor grosor (> 13 mm), especificandolos requerimientos mnimos para las pruebas alchoque. Esto se logra especificando un subgra-do adecuado a EN 10 025 [3].

Internamente, los depsitos para almace-namiento de petrleo no suelen estar pintados.Los depsitos para almacenamiento de agua

pueden recubrirse (suponiendo que el recubri-miento tenga la adecuada inercia, si el agua espotable), o se le puede dar una proteccin cat-dica. Externamente, los depsitos suelen prote-gerse. Si se utiliza acero sin recubrir, debe pre-verse en el diseo una mayor cantidad paracompensar la prdida de espesor debida a lacorrosin.

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DISEO DE DEPSITOS


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2. HIPTESIS DE CARGA

Los depsitos se disean para soportar

las combinaciones de cargas ms severas quepuedan producirse.

2.1 Carga PermanenteLa carga permanente es la que se debe al

peso de todas las piezas del depsito.

2.2 Carga sobrepuestaSobre el techo del depsito se aplica

una carga sobrepuesta mnima de 1,2 kN/m2(sobre el rea horizontal proyectada). Estacarga se conoce por lo general como cargade nieve, pero de hecho representa, ademsde la carga de nieve nominal, cualquier otracarga sobrepuesta, como por ejemplo el equi-po de mantenimiento, que puede colocarse enel techo, e incluye tambin la carga de vacointerno. Por ello, este concepto puede aplicar-se tambin en aquellos lugares en los quenunca nieva.

Los depsitos que no van a presinnormalmente incorporan vlvulas que no seabren hasta que el vaco alcanza los 2,5mbar, para frenar las prdidas de vapor. Paracuando la vlvula se abre completamente,puede haberse desarrollado un vaco de 5mbar (0,5 kN/m2). Aunque no haya vlvulas,los depsitos deben disearse para un vacode 5 mbar para hacer frente a la presin dife-rencial bajo cargas del viento. En los depsi-tos a presin, las vlvulas pueden fijarse a unvaco de 6 mbar, en cuyo caso puede desa-rrollarse una diferencia de presin de 8,5mbar (0,85 kN/m2).

Cuando es mayor que el mnimo especifi-cado hay que utilizar la carga de nieve prevista,

u otra carga sobrepuesta, ms la presin devaco adecuada.

2.3 ContenidoDebe aplicarse el peso y la presin

hidrosttica del contenido, hasta la total capaci-dad del depsito. La capacidad total se determi-na generalmente mediante un desbordamientocerca de la parte superior del depsito; en losdepsitos sin desbordamiento, el contenidomximo ser el necesario para llenar el depsitohasta la parte superior de la lmina.

Cuando se trata de petrleo y sus deriva-dos, la densidad relativa del contenido es inferiora 1.0, pero estos depsitos se prueban habitual-mente llenndolos de agua. Por consiguiente,debe tomarse como densidad mnima un valorde 1000 kg/m3.

2.4 Carga del vientoLa carga del viento se determina en base

a una velocidad del viento predeterminada. Lavelocidad mxima del viento depende del reaen la que habr que construirse el depsito; tpi-camente se toma 45 m/s como valor para la velo-cidad del viento a utilizar en el diseo, represen-tando la mxima velocidad de rfaga de 3segundos que, en promedio, se excede nica-mente una vez cada 50 aos.

2.5 Cargas ssmicasEn algunas zonas los depsitos deben

disearse para soportar cargas ssmicas.Aunque en BS 2654 [1] y API 650 [2] puedenencontrarse ciertas orientaciones para el diseode estos depsitos, deben tenerse conocimien-tos especficos para la determinacin de las car-gas ssmicas.

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3. DISEO DEL FONDO

Para depsitos de almacenamiento de pe-

trleo se especifican fondos de placas de acero,colocadas completamente apoyadas en unos ci-mientos preparados al efecto.

Las chapas de acero se colocan directa-mente en una capa de alquitrn-arena sobre loscimientos, generalmente de relleno compacto o,

si el subsuelo es blando, posiblemente sobre unabalsa de hormign armado. La figura 1 muestraunos cimientos tpicos, y el Apndice A de la BS

2654 [1] proporciona unadescripcin detallada deeste ejemplo.

El fondo estconstituido por una seriede chapas rectangulares,rodeadas por un conjunto

de chapas de forma de-terminada, denominadaschapas de croquis, paraproporcionarle un perfilcircular, como muestra lafigura 2. Las chapas es-tn ligeramente solapa-das y se ejerce una pre-sin local en los puntos

donde coinciden tres chapas (vase la figura 3).Se prefieren uniones a solape soldadas a las

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DISEO DEL FONDO

Mezcla de arena y betn(50 mm)

Tubos de PVC (osimilar) de 75 mm de dimetro con distancias mx. entre ejesde 5m, colocados en la periferia

Nivel del suelo

300min.

100 min.

1 m

150

Pendiente mn. 1:10Pendiente mn. 1:20 Pendiente mn. 1:20

Depsito

Capa completamentecomprimida y quimicamenteinerte de material granular uotro material estable, no hinchabley resistente a la compresin

Capa granular de drenaje,estable, permeable ycomprimida de unos 150 mmde espesor

Figura 1 Cimientos habituales para depsitos

Seccin A - A

B

B

A A

Vase laFig. 5a

Secin B - B

Vase la Fig. 3detalle A o B

Figura 2 Diseo habitual de fondo de depsito de hasta12.5 m inclusive de dimetro

X

X

Detalle A

Seccin X - X

Y

Y Seccin Y - Y

Figura 3 Uniones solapadas en cruz en las placas delfondo, con 3 gruesos distintos de chapa


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soldaduras a tope (que deben reali-zarse sobre una pletina espaldardebajo de la junta) porque son deconstruccin ms fcil y barata.

En depsitos de cierto ta-mao (de ms de 12,5 m de di-metro, segn BS 2654) se colocaun arco de placas anulares alre-dedor del grupo de chapas rectan-gulares. Las ensambladuras ra-diales entre las chapas anularesse sueldan juntando a tope en vezde efectuar una soldadura derecubrimiento, debido a la rigidi-zacin anular que las placas pro-porcionan al fondo de la lmina.La figura 4 muestra un ejemplo t-pico.

La lmina reposa en el cro-quis o chapas anulares, justo en elinterior del permetro, y est unida a

ellas mediante soldadura de solape(vase la figura 5).

Las chapas del fondo actan prin-cipalmente como cierre del tanque. Lanica carga que soportan, aparte de la

rigidizacin local del fondo de la lmina,es la presin del contenido, que se trans-mite entonces directamente a la base.Normalmente la base no requiere clcu-los de tensin, aunque la BS 2654 pro-pone espesores de chapa mnimosdependiendo del tamao del depsito.

Los depsitos de agua puedentener tambin un fondo de acero. Enalgunos casos se especifica una base de

hormign armado. No existen detallesestndar para la ensambladura de lalmina con una base de hormign, aun-que generalmente basta con un ngulosoldado al borde inferior de la lmina yatornillado a la losa.

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Placas dela lmina

Z

Z

150 min.

Seccion Z - Z

(a) Junta entre las placas de "croquis" que se encuentranpor debajo de las placas de la lmina

Chapas delanillo Chapas de

la lmina

F

F

6 30o

1,550 5

tb

Seccin F - FFlejeadosado

(b) Junta entre las placas del anillo, por debajo de la lmina

F

Figura 5 Juntas entre las placas del fondo, por debajo de la lmina

VaseFig. 5b

Figura 4 Diseo habitual de fondo de depsitos con di-metros mayores de 12,5 m.


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4. DISEO DE LA LMINA

4.1 Tensiones circunferencialesLos depsitos cilndricos verticales trans-

portan las presiones hidrostticas por simpletensin tangencial. Para ello no se requiere nin-guna rigidizacin circunferencial. La tensin cir-cunferencial en la lmina variar directamente,en direccin vertical, segn la cabeza del fluidoa un nivel dado. Para un espesor de lmina uni-forme, pues, el clculo de las tensiones es direc-to. A una profundidad de agua H, la tensin viene

dada por:

donde D es el dimetro del depsitot es el espesor de la chapa es la densidad del fluidog es la constante de la gravedad

Por razones prcticas, hay que construirla lmina a partir de un nmero relativamentebajo de pequeas piezas rectangulares dechapa, soldadas a tope. Cada pieza tendr unacurvatura cilndrica y conviene construir la lmi-na en un nmero de anillos, o virolas, uno enci-

ma de otro. Esta tcnica proporciona, por lomenos para depsitos ms profundos, la oportu-nidad de utilizar chapas ms gruesas en los ani-

llos inferiores y chapas ms delgadas en los ani-llos superiores.

La virola inferior de la lmina est totalmen-te soldada a la placa del fondo del depsito, pro-porcionando de esta forma un embridado radial ala arista inferior de la chapa. De manera similar, laarista inferior de cualquier virola que descanseencima de una virola ms gruesa est en ciertomodo embridada, porque la chapa ms gruesa estambin ms rgida. La figura 6 ilustra el efecto que

esto tiene en las tensiones tangenciales.En consecuencia, debido a estos embri-

dados se introduce un ajuste emprico en lasreglas de diseo que requiere que cualquier viro-la se proyecte sencillamente para la presin a300 mm por encima de la arista inferior de lavirola, en vez de hacerlo para la presin, supe-rior, de la arista inferior. (Es lo que se conoce enla API 650 [2] como regla de un pie.)

Cuando se toma en consideracin lacarga debida a la presin interna y se introduceun margen para las prdidas por corrosin, laecuacin de diseo resultante toma en la BS2654 la forma siguiente:

donde t es el espesor mnimo cal-culado (en mm)

w es la densidad mxima delfluido (en kg/l)

H es la altura (m) del fluido porencima del fondo de la virolaque se est diseando

S es la tensin de diseo per-mitida (N/mm2)

p es la presin de diseo (slopara depsitos de presin)(mbar)

c es el margen para la corro-sin (mm)

{ }c+ p+0,3)-98w(H 20S D

=t

.t2D.g..H =H

9

DISEO DE LA LMINA

Radio del depsito, R

Anillo 8

Anillo 7

Anillo 6

Anillo 5

Anillo 4

Anillo 3

c

Figura 6 Diagrama de la variacin de las tensiones en la pared de lalmina


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Para la traccin en la lmina, la tensin dediseo permitida suele ser una fraccin adecua-da de la tensin de fluencia del material. La BS

2654 la define como las dos terceras partes de latensin de fluencia, proporcionando as un factorglobal de 1,5 en la resistencia plstica de lachapa. La API 650 tambin utiliza los dos terciosde la tensin de fluencia, pero limita de formaadicional la tensin de diseo a una fraccin mspequea de la resistencia a la rotura; para resis-tencias del acero ms elevadas, resulta algo msrestrictiva. Ms an, la API 650 permite duranteel ensayo hidrosttico una tensin ligeramentems elevada que la tensin de diseo permitida

para las condiciones de servicio cuando la den-sidad relativa es inferior a 1,0.

Cada virola se construye con cierto nme-ro de chapas, soldadas a tope siguiendo la juntavertical entre ellas. Cada virola se suelda a lavirola inferior siguiendo una lnea circunferencial.Las distorsiones o desviaciones respecto al per-fil plano ideal o lnea curva de la superficie a lolargo de la soldadura pueden minimizarsemediante mtodos de soldadura adecuados,pero cierto nivel de imperfeccin es inevitable,especialmente cuando se trabaja con materialdelgado. En consecuencia, las reglas obligan aque las juntas verticales se alternen de una viro-la a la prxima, por lo menos un tercio de la lon-gitud de las chapas individuales, si es posible.

Los taladros en la lmina para orificios deentrada/salida o bocas de inspeccin causan unaumento local de las tensiones circunferenciales.Este aumento se aborda requiriendo la provisinde placas de refuerzo. Este refuerzo puede con-sistir en chapas circulares soldadas alrededordel taladro o en una pieza interior de chapa msgruesa. El taladro proporciona cierta rigidizacina la arista del orificio; tambin puede ser que sumagnitud permita omitir el sobreespesor de lalmina.

4.2 Tensiones Axialesen la Lmina

La lmina cilndrica tiene que soportar supeso, y el peso del tejado que se apoya en ella,

como una tensin axial. Adems, la solicitacindel viento en el depsito provoca tensiones detraccin axiales en una cara del depsito y ten-

siones de compresin en la otra.Naturalmente, un cilindro de pared delga-

da se deformar localmente, o se arrugar, bajosuficiente carga axial. El valor crtico de esta ten-sin, para un cilindro perfecto, puede obtenersea partir de la teora clsica y, para el acero, tieneel valor:

En la prctica, las lminas imperfectaspandean a tensiones muy inferiores; un nivel detensin admisible del orden de slo una dcimaparte del indicado ms arriba puede ser msapropiado. Sin embargo, en servicio normal, lastensiones axiales en las lminas que soportanlas cargas circunferenciales en depsitos utiliza-dos para almacenamiento de petrleo y aguason mucho ms pequeas que incluso dichonivel de tensin. Por ello las normativas como laBS 2654 o la API 650 ni siquiera requieren el cl-culo de las tensiones axiales para las condicio-nes de servicio.

Pero bajo condiciones ssmicas puedenproducirse tensiones superiores debido al granmomento de vuelco cuando el depsito estlleno. En este caso deben calcularse las tensio-nes axiales. La tensin axial debida al momentode vuelco, M, la proporciona la expresin:

En la BS 2654 la tensin axial bajo condi-ciones ssmicas se limita a 0.20 Et/R, lo que seconsidera un valor razonable cuando el cilindroest tambin bajo presin hidrosttica interna.La API 650 utiliza un valor similar, siempre que lapresin interna exceda un valor que depende deltamao del depsito.

Aunque no es necesario calcular las ten-siones axiales para las condiciones de servicio,

debe comprobarse una posible subpresin si eldepsito est vaco y sujeto a solicitaciones del

Dt M 4

=2a

RtE

0,605=cr

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viento. Si es necesario deben colocarse ancla- jes; un ejemplo tpico se muestra en la figura 7.

4.3 Vigas ContravientoPrimariasSe considera que un depsito con techo

fijo est suficientemente rigidizado en su perfilcilndrico por el propio techo; no se necesita rigi-dizacin adicional en la parte superior de la lmi-na, excepto posiblemente como parte de un anillode compresin efectivo (vase el apartado 5.2).

En depsitos abiertos (o con techos flo-tantes) es necesaria una rigidizacin circunfe-rencial en la parte superior, para mantener elperfil circular del depsito frente a la carga delviento. Esta rigidizacin es especialmente nece-saria cuando el depsito est vaco.

El clculo de la estabilidad de los depsi-tos rigidizados es complejo. Afortunadamente,trabajos de investigacin en el tema proporcio-

nan una frmula emprica, basada en el trabajode De Wit, que puede aplicarse fcilmente en eldiseo. En la BS 2654, esta frmula se expresacomo un mdulo de seccin mnima requeridaque viene dado por:

Z = 0,058 D2 Hdonde Z es el mdulo (elstico) de la sec-

cin (cm3) efectiva de la viga con-traviento, incluyendo la anchurade la placa de lmina que acta

con el rigidizador aadidoD es el dimetro del depsito (m)H es la altura del depsito (m)

La frmula parte de una velocidad delviento de 45 m/s. Si la velocidad del vientoes otra, puede modificarse multiplicando porla relacin entre la presin del viento bsicaa la velocidad de diseo y la que tiene a 45m/s, o sea, por (V/45)2.

Las vigas contraviento se construyengeneralmente soldando un perfil angular operfil en U alrededor del borde superior de lalmina. En la figura 8 se muestran algunosejemplos. En el borde superior de la unindeben utilizarse siempre soldaduras desolape continuas, para evitar los efectos dela corrosin.

Se sabe que la aplicacin de la fr-mula anterior en depsitos de ms de 60 mde dimetro conduce a vigas contravientoinnecesariamente grandes; la norma permi-te limitar el tamao al que se necesita en losdepsitos de 60 m.

Las vigas contraviento primarias sue-len ser exteriores al depsito. Los depsitosde asiento generalmente requieren un cana-ln alrededor de la arista interna del depsi-to, que recoge el agua que se derrama y lapasa a la salida. Aunque la normativa no

contempla este detalle, este tipo de canalo-nes pueden considerarse vigas de contra-

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DISEO DE LMINA

Mnima dimensinposible

ContratuercaTuerca

Arandeladistribuidora

Lmina del depsito

Fondo del depsito

Seccin A - A

A A

Agujero avellanado enla consola de anclajepara permitir el movimientoradial del depsito

Figura 7 Detalle habitual para el anclaje de depsitos


17/129

viento primarias, siempre que estn relativamen-te prximos al extremo superior del depsito. Eneste caso tambin se requiere un brocal angular

en el canto libre; la normativa de diseo incluye lacolocacin de una viga contraviento inferior y deun brocal angular.

4.4 Vigas ContravientoSecundariasAunque las vigas contraviento primarias o

el techo estabilizarn el depsito en su altura

total, entre el extremo superior de un depsito ysu base pueden producirse abolladuras si eldepsito est vaco. Para prevenir estas abolla-

duras, se introducen vigas contraviento secunda-rias a intervalos, en toda la altura del depsito.La BS 2654 proporciona indicaciones para ladeterminacin del nmero y posicin de estasvigas contraviento secundarias (aunque no as laAPI 650).

El procedimiento se basa en la determi-nacin de la longitud del tubo para la cual, si losextremos se fijan de forma circular, suceder el

pandeo elstico crtico a una determinada pre-

sin externa uniforme. Este pandeo tambinocurrira en tubos ms largos rigidizados aintervalos iguales a dicha longitud.

La tensin crtica para una longitud detubo, l, de radio R y espesor t, viene dada enRoark [4] por la frmula:

Utilizando valores de E y para acero,reorganizando y simplificando, se llega a laexpresin:

donde D es el dimetro de la lmina (m)Hp es la separacin mxima permiti-

da de los anillos (en m) (equiva-lente a la longitud crtica, l)

tmin es el espesor de la chapa de lalmina (mm)

Vw es la velocidad del viento que seha tomado en el diseo (m/s)

va es el vaco (mbar)

Sin embargo, en la prctica, las lminasde los depsitos estn hechas de virolas, y elespesor del revestimiento de chapa aumenta

de arriba a abajo. Por fortuna, esta situacin nouniforme puede transformarse en una situa-

Dt

v580+V3,56395000 =H 3

5min

2 / 1

a2wp

Rt

)-(11

lE0,807 =Q 2 / 3

2 / 52

4 / 3

12

16t

tDetalle A angular superior

Soldadura enngulo continua

Soldaduradiscontinua

25

16t

t

Detalle B angular asimtricoSoldadura enngulo continua


16t

16t

16t

t

16t

t

16t

16t

t

Detalle C angular simple

Soldadura enngulo continua



Consola

Consola

Detalle D Perfil en U

Soldadura en ngulo continua

150

65

6

b

Detalle E chapa conformada

Figura 8 Vigas contraviento


18/129

cin uniforme equivalente si se tiene en cuentaque la longitud crtica l (o separacin mxima Hp)es proporcional a t5/2. Tomando como referencia

la chapa ms delgada (la virola superior, tmin),las virolas de altura h y espesor t pueden con-vertirse en una altura equivalente de tubo delmina fina, que tendr la misma esbeltez efecti-va, utilizando la correccin:

donde t es el espesor de la virola que seest considerando

He es la altura equivalente de cadavirola a un espesor de tmin

Las alturas equivalentes de todas las viro-las se suman para obtener la altura equivalente

global (longitud de tubo), y se dividen por la lon-gitud crtica Hp para determinar el mnimo nme-ro de intervalos y, as, el nmero de anillos inter-

medios. Las posiciones de los anillos interme-dios, que estn equiespaciados en el tubo equi-valente, deben establecerse efectuando la con-versin posiciones en el tubo-posiciones en eldepsito, invirtiendo el procedimiento efectuadoms arriba.

En la BS 2654 se ilustra todo el procesomediante un ejemplo.

La rigidizacin se consigue soldando un

perfil angular a la superficie de la chapa de lalmina, igual que en las vigas contraviento pri-marias. En la instruccin [1] se dan las magnitu-des mnimas para este perfil.

t t _h= H

5/2

emin

13

DISEO DE LA LMINA


19/129

5. DISEO DE TECHOS FIJOS

5.1 GeneralidadesLos techos de los depsitos cilndricos

son de chapa de acero y de forma cnica o enforma de cpula (curvatura esfrica). Las placasde acero pueden aguantarse solas (por accinmembrana), o pueden apoyarse en algn tipode estructura de apoyo.

Los tejados de membrana son ms difci-les de montar (requieren un apoyo temporal

durante la colocacin y la soldadura) y general-mente se utilizan nicamente en los depsitospequeos.

El soporte permanente de acero para laplaca del techo puede abarcar todo el dimetrodel depsito o puede en un determinadomomento apoyarse en soportes en el interior deldepsito. Por ejemplo, la utilizacin de un nicopilar central es particularmente efectivo en dep-sitos pequeos (15-20 m de dimetro).

Las barras principales de la estructura deacero de soporte son, lgicamente, radiales aldepsito. Pueden ser sencillosperfiles de viga laminada o,para depsitos ms grandes,vigas trianguladas fabricadasal efecto.

Las chapas del tejadoestn generalmente solapadasy soldadas en solape. Paradepsitos de baja presin nonecesitan soldarse a ningunaestructura de soporte, perogeneralmente tienen que sol-darse a la parte superior de lalmina.

5.2 Techos deMembrana

En un techo de membra-na, las tensiones compresivas

radiales soportan las fuerzas de las cargas per-manentes y sobrepuestas. Las tensiones de trac-cin radiales soportan las fuerzas ascendentes de

la presin interna menos la carga permanente.Los techos cnicos tienen generalmente

una pendiente de 1:5. Los techos esfricos sue-len tener un radio de curvatura entre 0,8 y 1,5veces el dimetro del depsito.

Las limitaciones respecto a abolladurasbajo compresin radial se expresan en la BS2654 como:

donde R1 es el radio de curvatura del techo(m)

Pe es la solicitacin externa ms elpeso propio (kN/m2)

E es el mdulo de Young (N/mm2)tr es el espesor de la chapa del teja-

do (mm)Para techos cnicos, se toma R

1como el

radio de la lmina dividido por el seno del ngu-lo entre el techo y la horizontal, R1 = R/sen.

EP10

R40=t e1r

14

16 tr max.

tr

R1

tr

R1

16 ta max.

ta

ta

t R t R

Wh

16 tamax.

Wc

Wh = 0,6 1000 R1 tr

Wc = 0,6 1000 Rt

Smbolos

R1 es el radio de curvatura de la cubierta (m) (para cubiertas cnicas = R/ )R es el radio de la lmina del depsito (m)t es el espesor de la lmina (mm)ta es el espesor del angular rigidizador (mm)tr es el espesor de la placa de cubierta en el anillo de compresin (mm)Wh es la longitud efectiva de la cubierta (mm)

Figura 9 reas de compresin en la lmina de la cubierta


20/129

Utilizando un valor de Pe = 1,7 kN/m2, 1,2kN/m2 de carga sobrepuesta ms 0,5 kN/m2 decarga permanente (equivalente a unos 6 mm de

espesor de chapa) y el valor E para el acero, setiene:tr = 0,36 R1

La API 650 proporciona una frmula simi-lar, expresada en sistema ingls y para una soli-citacin de 45 lb/ft2 (= 2,2 kN/m2).

Para los esfuerzos de traccin, las tensio-nes estn limitadas a:

(para techos esfricos)

(para techos cnicos)

donde es el factor de eficaciade la unin

S es la tensin de diseopermitida (en N/mm2)

p es la presin interna (enmbar)

Aunque son aceptables las unio-nes solapadas con doble soldadura, sueficacia de unin es de slo 0,5; las juntasa tope tienen un factor de 1,0.

Para cargas descendientes, latraccin de anillo complementa la com-presin radial.

Para cargas ascendientes, porejemplo cuando hay presin interna,debe complementarse la traccin radialcon una compresin circunferencial.Esta compresin nicamente puedeproveerse mediante el perfil de uninentre techo y lmina. Esto se concretacomo el requisito de una superficiemnima de la seccin efectiva, tal comose ve en la figura 9.

donde Sc es la tensin de compresin per-mitida (en N/mm2)

R es el radio del depsito (en m) es la pendiente del techo en la

unin techo-lmina

Segn la BS 2654 [1], la tensin de com-presin permitida para esta zona es de 120 N/mm2.

5.3 Techos con SoporteLas barras radiales que soportan la placa

del techo permiten un espesor de la chapa mni-mo, y facilitan la construccin del mismo.

tanSRp50

=A c

2

S10Rp =t 1r

S20Rp =t 1r

15

DISEO DE TECHOS FIJOS

Chapas de la cubierta

Angular delborde superior

Aceite

Base del depsito

(a) Viga de celosa: autoportante

Correas de cubiertaDetalle de chapado de cubierta


(b) Cono: autoportante

Correas de cubierta Chapado de cubierta


(c) Cpula: autoportante

Lmina

Figura 10 Cubiertas autoportantes


21/129

Las vigas radiales se colocan de forma talque el tramo de placa entre una y otra est a unadistancia mnima de unos 2 m. Este lmite permi-te la utilizacin de chapa de 5 mm en el techo. Laplaca est sencillamente colocada encima de lasvigas, sin ningn tipo de unin con ellas.

Los techos con soporte suelen ser de per-fil cnico, aunque tambin pueden ser esfricossi las vigas radiales son curvas.

La estructura de soporte del techo puedeser autnoma o tener un apoyo en pilares inter-nos. Las figuras 10 y 11 muestran ejemplos tpi-cos. Los techos autnomos son esencialescuando existe una tapa flotante interna.

Cuando el techo se apoya en pilares, lapendiente puede ser de slo 1:16. Cuando el

techo es autnomo, puede resultar ms baratoutilizar uno mayor.

No todas las barras radiales llegan al cen-tro del depsito. Las que llegan pueden conside-rarse vigas de apoyo principales; las barras

radiales secundarias pueden considerarsecabios (su extremo interior se apoya en vigas enanillo entre las barras de apoyo principales).Cuando se utilizan pilares internos, estarndebajo de las barras de apoyo principales. Lafigura 11 muestra ejemplos tpicos.

Para evitar el pandeo por torsin lateral,las barras de apoyo principal tienen que rigidi-zarse a intervalos. Algunas crujas incorporanarriostramientos en cruz de S. Andrs.

La API 650 permite suponer que la fric-cin entre la placa del techo y la viga ya es sufi-ciente para rigidizar el ala de compresin de lasvigas cabio secundarias, siempre que no seandemasiado profundas; sin embargo, para lasvigas principales no se puede suponer esteembridado.

Las barras de apoyo principales puedenestar sometidas a solicitaciones de flexin y acargas axiales. Cuando estn diseadas paracompresin axial, el anillo central debe disear-se como anillo de compresin; la parte superiorde la lmina debe disearse para soportar lasfuerzas tangenciales asociadas a las fuerzasaxiales en las barras de apoyo.

En general, el diseo de viguetas y pilaresde apoyo puede efectuarse segn los reglamen-tos de construccin convencionales, aunquedebe tenerse en cuenta que tanto la BS 2654como la API 650 son normativas de tensin per-mitida. En el reglamento britnico se hace refe-rencia, pues, a la BS 449 [5], en vez de hacerloal reglamento de estado lmite.

La zona de unin lmina/techo debe dise-arse para soportar compresin, igual como se hadescrito ms arriba para los techos de membrana.

5.4 Aireacin

Debe incorporarse aireacin para atenderal movimiento del contenido dentro y fuera del

16

Pilar como apoyo interno

Arriostramientolateral

Correas

Anillo central

Arriostramientocon diagonales

Figura 11 Sistemas alternativos de apoyo para cubiertas


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depsito y a los cambios de temperatura del aireen el mismo. Esta aireacin pueden proporcio-narla vlvulas de aligeramiento de presin o res-

piraderos abiertos.Cuando se almacenan productos deriva-

dos del petrleo, debe incorporarse un sistemade reduccin de presin para casos de emer-

gencia, para prever un posible calentamientodebido a fuego exterior. Esta reduccin de pre-sin puede conseguirse mediante respiraderos

adicionales para casos de emergencia o dise-ando un techo frgil en la unin con la lmina(esto significa, bsicamente, una soldadura desolape de magnitud limitada entre el techo y lalmina; tpicamente se da un lmite de 5 mm).

17

DISEO DE TECHOS FIJOS


23/129

6. DISEO DE TECHOSFLOTANTES Y TAPAS

6.1 Utilizacin de TechosFlotantes y TapasComo se mencion en el apartado 5.4, los

depsitos necesitan aireacin para permitir laexpansin y contraccin del aire. En depsitosde petrleo, el espacio libre por encima del lqui-do contiene una mezcla aire/vapor. Cuando estamezcla se expansiona debido al aumento detemperaturas diurnas, parte de este vapor se

expele por el dispositivo de aireacin. Por lanoche, cuando bajan las temperaturas, entra airefresco y se evapora parte del lquido del depsi-to para saturar el aire. Este proceso puede pro-ducir prdidas substanciales por evaporacin.Hay que tomar medidas para minimizar estasprdidas; las ms frecuentes son la utilizacin detechos flotantes y tapas.

6.2 Techos Flotantes

A veces se utilizan techos flotantes en vez detechos fijos. En este caso, la lmina est diseadapara permanecer abierta en su parte superior.

Cuando est operativo, un techo flotantese apoya completamente en el lquido y, por esta

razn, debe ser suficientemente ligero; esta lige-reza se consigue mediante compartimientos queno se mojen con el lquido en uno de los dos

tipos de techo: pontn y de doble plataforma.Un techo pontn presenta un comparti-

miento anular, con tabiques de compartimenta-cin, y un diafragma central de capa nica.Puede que este diafragma central requiera rigidi-zacin mediante viguetas radiales.

Un techo de doble plataforma es en reali-dad un conjunto de compartimientos por encimade todo el dimetro del depsito; dos capas cir-

culares se unen a las chapas circunferenciales ytabiques divisorios para conformar un disco opistn.

Ambos tipos de techo deben seguir sien-do ligeros an en el caso de que algunos com-partimientos estn perforados (tpicamente doscompartimientos). En este tipo de diseo debesuponerse tambin que la plataforma central deun techo pontn estar perforada.

Como el techo est en contacto con elentorno, incorpora agua de la lluvia, que debepurgarse. Esta purga se consigue mediante unsistema en el techo que conecte con tuberas fle-xibles en el interior del depsito y de ah, a tra-vs de la lmina o de la placa del fondo, a unpunto de descarga. El proyecto debe asegurar

que el techo contine flotando an en elcaso de interrupcin o bloqueo del sistemade drenaje que ocasione una sobrecarga deagua en el mismo (generalmente 250 mmde agua).

En general, cuando se vaca el dep-sito no puede permitirse que el techo llegueal fondo del mismo, porque hay fontanerainterior; por ello se le equipa con patas queimpiden que llegue al fondo. En este punto,el techo debe ser capaz de soportar unacarga sobrepuesta (1,2 kN/m2) ms el aguade lluvia que haya podido acumular.

Para efectuar las tareas de manteni-

miento del sistema de drenaje y para acce-der a los orificios del techo, el personal de

18

Selladora

Apoyo

Sistemade desagede cubierta

Figura 12 Cubierta flotante tipo pontn


24/129

mantenimiento debe poder acceder al techodesde la parte superior de la lmina sea cual seael nivel del contenido del depsito. Este acceso

se efecta normalmente mediante una escaleramvil, colocada en la lmina y apoyada en eltecho. El techo debe incorporar tambin unaboca de inspeccin de acceso para el manteni-miento del depsito cuando est vaco.

La figura 12 muestra una instalacin tpicade un techo pontn.

6.3 Tapas FlotantesCuando el interior de un depsito de

techo fijo incorpora una tapa que se coloca enci-

ma del contenido para reducir la evaporacin o laincorporacin de contaminantes (como por ejem-plo agua o arena), esta tapa o pantalla puede ser

mucho ms ligera.Es muy probable que este tipo de tapa est

fabricada con materiales mucho ms ligeros que elacero, aunque a veces pueda ser una hoja deacero hueca. Esta tapa no necesita incorporarescalas de acceso ni estar diseada para sobre-cargas. S debe disearse para ser soportada abajo nivel cuando el depsito est vaco y para aca-rrear en este estado una carga no permanente.

El Apndice E de la BS 2654 [1] propor-ciona instrucciones detalladas para el diseo detapas flotantes internas.

19

DISEO DE TECHOS FLOTANTES Y TAPAS


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7. AGUJEROS DE INSPECCIN,ORIFICIOS Y ABERTURAS

7.1 Agujeros de inspeccin

Es necesario acceder al interior de losdepsitos de techo fijo para efectuar tareas demantenimiento e inspeccin. El acceso puedeefectuarse a travs del techo o a travs de lapared de la lmina. Los agujeros de inspeccinen el techo tienen la ventaja de que siempre sonaccesibles, incluso cuando el depsito est lleno.El acceso a travs de la pared de la lmina es

ms cmodo para efectuar tareas de limpieza(algunos agujeros presentan forma de D y seenrasan con el fondo para la limpieza).

Un agujero de inspeccin en el techodebe tener un dimetro de al menos 500 mm. Larigidizacin alrededor del agujero en la placa deltecho y el tipo de tapa dependen del diseo deltecho. Debe proveerse acceso al agujero de ins-peccin del techo mediante escalerillas, y eltecho debe incorporar pasarelas y barandillasadecuadas.

El agujero de inspeccin en la pared de lalmina debe tener un dimetro de al menos 600mm, y normalmente est colocado justo encima

del fondo del depsito. La figura 13 muestra elperfil de un detalle tpico. La BS 2654 [1] propor-ciona ms detalles de este ejemplo, y detalles deaberturas para limpieza.

La incorporacin de una abertura en la lmi-na interfiere claramente con la accin estructural dela misma. La prdida de seccin de la chapa de lalmina se compensa proporcionando una superfi-cie adicional de seccin transversal igual al 75% deesta prdida. Esta superficie debe proporcionarse

en una regin circular alrededor del agujero, aun-que el sobreespesor propiamente dicho deberaextenderse ms all de esta zona. El sobreespesorpuede proporcionarse de tres formas:

(i) mediante una placa de refuerzo soldadaen la chapa de la lmina (similar al perfilde la figura 13)

(ii) mediante la insercin local de una chapams gruesa (en la que se corta el aguje-ro de inspeccin)

20

200

20 min. proyeccin del agujeroCL de inspeccin

ttc

Las superficiesdebenmecanizarse;Junta de 3mmde espesor

Fondo del depsito

Chapa de refuerzo circular.Pueden usarse otros tipos de chapa de refuerzo siempre quese cumplan los requisitosmnimos

250 250

Chapa de refuerzocurvada para ajustarsea la curvatura del depsito

600 min.

2 tiradores25 de acero

36 x 22 agujerospara tornillos M20

785 +50

Figura 13 Detalle habitual de un agujero de inspeccin


26/129

(iii) mediante una chapa de lmina ms grue-sa que la que se necesita para este sis-tema de lminas.

7.2 Orificios

As como se requie-

ren agujeros de inspeccinpara acceso y limpieza, serequieren orificios en el te-cho, en el fondo y en la l-mina para tuberas de en-trada, salida y drenaje, ypara aireaciones en el te-cho. Normalmente se cons-truyen soldando un cortecilndrico de chapa en unagujero circular de la chapa

estructural. En el caso depequeos taladros no serequiere ningn sobreespe-sor adicional, y el materialextra ya se considera sufi-ciente. Los agujeros msgrandes deben reforzarse

de forma similar a los agujeros de inspeccin. Lafigura 14 muestra el detalle de un orificio deltecho.

21

AGUJEROS DE INSPECCIN

Eje vertical

Dimetro nominal

7 5

7 5

Chapa dela cubierta

Figura 14 Orificio de cubierta


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8. RESUMEN FINAL El petrleo y los productos derivados del

petrleo se almacenan generalmente endepsitos cilndricos de acero a presinatmosfrica o a baja presin. Algunasveces, el agua se almacena tambin endepsitos cilndricos de acero.

Las dos normas de diseo ms ampliamen-te utilizadas en el diseo de depsitos ciln-dricos soldados son la BS 2654 y la API650.

Los depsitos suelen fabricarse de acero al

carbono. Se suelda fcilmente. Los depsitos se disean para soportar las

combinaciones de cargas ms severas quepuedan producirse.

Para depsitos de almacenamiento depetrleo se especifican fondos de placas deacero, colocadas y completamente apoya-das en unos cimientos preparados al efecto.Los depsitos para agua pueden tener

fondo de acero o puede que se recomiendeuna balsa de hormign armado.

Los depsitos cilndricos verticales sopor-tan la presin hidrosttica mediante la sim-ple tensin tangencial. La lmina cilndricadebe soportar su propio peso y el peso deltecho, soportado mediante tensiones axia-les. Las solicitaciones del viento en el dep-sito influyen en la tensin axial.

Los depsitos abiertos requieren vigas decontraventeamiento primarias para mante-

ner la redondez del depsito cuando estsujeto a cargas del viento. Los depsitosaltos necesitan adems vigas contraviento

secundarias. Los techos pueden ser fijos o flotantes. Los

depsitos de techo fijo pueden incorporaruna tapa para el contenido, para reducir laevaporacin y la incorporacin de contami-nantes.

Se construyen agujeros de inspeccin parael acceso y los orificios permiten las tuber-as de entrada, salida y drenaje, as como laaireacin del espacio debajo del techo.

9. BIBLIOGRAFA[1] BS 2654: 1984, Specification for manufactu-re of vertical steel welded storage tanks with butt-welded shells for the petroleum industry, BritishStandards Institution, London.

[2] API 650, Welded Steel Tanks for Oil Storage,8th Edition, November 1988, API.

[3] BS EN 10025, 1990, Hot Rolled Products ofNon-alloy Structural Steels and their TechnicalDelivery Conditions, British Standards Institution,London.

[4] Young, W. C., Roarks Formulas for Stressand Strain, McGraw Hill, 1989.

[5] BS 449: Part 2: 1969, Specification for theUse of Structural Steel in Building, BritishStandards Institution, London.

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APNDICE A

Dieferencias entre la BS 2654 y la API 650

23


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A continuacin se dan las principales dife-rencias entre la norma British Standard, BS 2654[1] y la American Petroleum Institute Standard,

API 650 [2]:(a) La API 650 especifica tensiones admisi-

bles distintas segn se trate de condicio-nes de operacin o de pruebas con agua.La BS 2654 especifica nicamente unatensin admisible para pruebas conagua, lo que permite almacenar en eldepsito derivados del petrleo con gra-vedad especfica (relacin entre la densi-dad de un cuerpo y la de otro tomado

como patrn) igual o inferior a 1.(b) Las tensiones de diseo permitidas en la

BS 2654 se basan en un lmite aparentede fluencia garantizado, mientras que lastensiones de diseo de la API 650 sebasan en la mnima resistencia a la rotu-ra por traccin garantizada.

(c) La BS 2654 especifica requisitos msseveros para la soldabilidad de las cha-pas de la lmina.

(d) Los requerimientos de ductilidad a laentalladura de la BS 2654 se basan enlos resultados de gran nmero de prue-

bas de calibre ancho. Este sistema consi-dera que un acero es aceptable si, parael espesor requerido, el calibre plano no

falla a la temperatura de la prueba antesde alcanzar una deformacin de por lomenos el 0.5%. Con ello proporciona elmismo coeficiente de seguridad paracualquier espesor.

En la API 650 se da un valor constante yuna temperatura de prueba para laspruebas de impacto de cualquier espe-sor. Como la tendencia a la rotura frgilaumenta con el aumento del espesor de

la chapa, de hecho la API 650 permite uncoeficiente de seguridad inferior para losdepsitos grandes que para los peque-os.

(e) Los aceros especificados en la API 650garantizan su ductilidad a la entalladuramediante anlisis qumico pero sin unaresiliencia garantizada. La BS 2654requiere resiliencias garantizadas dondehace falta.

(f) La BS 2654 proporciona una visin msclara de cmo determinar la magnitud ysituacin de las vigas de contraventea-miento secundarias.

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APNDICE A


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ESDEP TOMO 19SISTEMAS ESTRUCTURALES:

OTRAS ESTRUCTURASLeccin 19.2: Diseo Estructural de Silos

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32/129

pt presin debida al rozamiento en la tolva(figura 5)

pv presin vertical debida al material ensila-do (figura 5)

pvf presin vertical en el silo lleno

pvo presin vertical en la base del silo unavez lleno

pw presin debida al rozamiento sobre lasparedes del silo (figura 5)

r radios longitud a lo largo de la superficie de la zona

afectada por la carga puntual (s= 0,2 dc)

t espesor de la pared (figura 5)

th tensin en el zuncho

U permetro interior del silo

W peso del contenido de la tolva

z altura medida por debajo del nivel equi-valente

zo parmetro usado para el clculo de lascargas

ngulo que mide la inclinacin de la paredde la tolva sobre la horizontal (figura 5)

coordenada angular

coeficiente amplificador debido a la caidade la carga

densidad del material ensilado

coeficiente de rozamiento sobre las pare-des para el clculo de la presin

ngulo rozamiento interno

w ngulo de rozamiento sobre las paredesde la tolva para la evaluacin del flujo

DEFINICIONESSilo. Estructura cilndrica o prismtica, deparedes verticales, que pueden utilizarse parael almacenamiento de materiales.

Silo esbelto. Aquel que cumple h/dc 1,5.

Silo compacto. El que cumple h/dc 1,5.

Tolva. Depsito con paredes inclinadas deforma tronco-cnicas o tronco-piramidal.Puede servir como fondo de un silo.

Transicin. Seccin de unin del silo con latolva.

Fondo plano de un silo. Se denomina siem-pre que las paredes forman un ngulo con lahorizontal 20.

Nivel equivalente. Nivel superficial para elmismo volumen de material almacenado queen la superficie real (figura 5).

Patrn de flujo. Modelo que depende delcomportamiento del material en su descarga.

Existen tres patrones: de masa, de embudo einterno (figura 2).

Flujo de masa. Es aquel en el que todas laspartculas almacenadas se mueven durante ladescarga (figura 2).

Flujo de embudo (o flujo central). Cuandose desarrolla un perfil en U del material quefluye con una zona confinada por encima de lasalida y el material adyacente a la pared en lazona cercana de la salida permanece estacio-nario. El canal de flujo puede llegar en su inter-seccin con las paredes verticales del silo ollegar a la superficie del material (figura 2).

Flujo interno. Es aquel en el que el canal deflujo se extiende hasta la superficie del mate-rial almacenado (figura 2).

Carga de cada. Es una carga local en latransicin durante la descarga.

Carga especfica. Carga local que actasobre una zona de la pared del silo.

30


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34/129

2. CLASIFICACIN DELOS SILOS

En lo que se refiere al diseo, se clasifi-can segn el tamao, la geometra, el patrn deflujo de descarga, del material almacenado, deltipo estructural. Ms adelante se analiza laimportancia de cada uno de estos parmetros enel clculo:

2.1 Tamao y GeometraEl tamao y geometra dependen de los

requerimientos funcionales tales como el volu-men de almacenamiento, el sistema y forma dedescarga, las propiedades del material almace-nado, el espacio disponible, consideraciones detipo econmico, etc.. Normalmente el depsitoest constituido por una forma vertical (silo) conun fondo plano o con un fondo de paredes incli-nadas (tolva). Suelen tener una seccin trans-versal circular, cuadrada, poligonal. La figura 1muestra figuras tpicas de silos y tolvas.

Los silos cilndricos son estructuras mseficaces que los prismticos bajo el punto de

vista de coste estructural. En cuanto a capacidadde almacenamiento de un silo de seccin cua-drada, almacena un 27% ms que uno cilndrico

de dimetro igual al lado del anterior. Si el silotiene fondo plano su capacidad de almacena-miento es mximo para la misma altura.

El tamao del silo lo determina la relacinentre la alimentacin y la descarga, dependien-do as mismo de la cantidad de material a alma-cenar. Descargas muy rpidas requieren tolvasde paredes muy inclinadas y altas. Los silos defondo plano se utilizan cuando la velocidad dedescarga que se necesita es baja, el tiempo de

almacenamiento es largo y el volumen de mate-rial es grande.

La relacin entre la altura del silo y su di-metro influye en las cargas que produce el materialalmacenado. El Eurocdigo los clasifica en esbel-tos cuando h/dc > 1,5 y compactos si h/dc 1,5.

Las tolvas son generalmente tronco-cni-cas, tronco-piramidales u otras formas. Las tol-vas tronco-piramidales son ms fciles de cons-truir aunque pueden presentar problemas en elflujo de descarga debido a la acumulacin delmaterial en las esquinas. Las salidas pueden serconcntricas o excntricas. Deben evitarse en loposible las descargas excntricas ya que es msdifcil evaluar la distribucin de presiones ypuede presentar problemas de solidificacionesdel material almacenado. El ngulo de inclina-cin de las paredes de las tolvas se adopta conel fin de obtener una descarga continua que pro-porcione el flujo de material deseado.

2.2 Patrn de FlujoEl Eurocdigo 1 describe dos tipos de

flujo, que se muestran en la figura 2. Son el flujode masa y el flujo de embudo. La presin de ladescarga est influenciada por dichos patronesy, por tanto, debe asegurarse dicho patrn antesdel clculo de las cargas debidas al materialalmacenado. En el caso de flujo de masa, todo elcontenido fluye como una masa nica y el flujo

sucede de manera que el material que entra pri-mero sale primero. En silos de flujo de embudo

32

(a) Silo cuadrado contolva piramidal (b) Depsito de tolva

(c) Flujo de embebido en silocilndrico con tolva

(d) Silo de flujo masivo

Figura 1 Tpicas geometras de contenedores


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el material fluye por un canal central y, por tanto,el ltimo que entra el primero que sale.

El tipo de flujo depende de la inclinacinde las paredes de la tolva y del coeficiente derozamiento de material contra las paredes. Elflujo de masa ocurre cuando las paredes de latolva son altas e individuales mientras que elembudo aparece en silos compactos con pare-des de tolva poco inclinadas. El Eurocdigo [1]presenta un mtodo grfico (mostrado en lafigura 3) para determinar el patrn de flujo en

tolvas cnicas u otras for-mas, nicamente a efecto dediseo estructural. Cuando

no es claro el tipo de flujodeben comprobarse ambos.

2.3 Materialestructural

La mayora de los silosson de acero u hormign ar-mado. La eleccin depende,bajo el punto de vista econ-

mico, de los costes de mate-riales, de la fabricacin y mon-taje. Hay otros factores talescomo el espacio disponible.

Las ventajas principales de los silos de acerofrente a los de hormign son:

los silos y tolvas de acero pequeos ymedianos pueden ser prefabricados con untiempo de montaje considerablemente infe-rior;

si su estructura es atornillada son relativa-mente fciles de desmontar y trasladar aotro lugar.

Los inconve-nientes principales delos silos y tolvas deacero son la necesidadde mantenimiento con-tra la corrosin y des-gaste, que harn preci-so, en este caso, elforrado de las paredesy posibilidad de crearagua de condensacinque puede daar losproductos almacena-dos sensibles a la hu-medad tales como gra-nos, etc..

La eleccin de

material estructural de-pende tambin de su

33

CLASIFICACIN DE LOS SILOS

Flujo interno

Flujo mgico Flujo de embudo

Figura 2 Patrones de flujo

ngulo de rozamiento entreparedes de la tolva w

60

50403020100

90 80 70 60 50 40 30

60

50403020100

90 80 70 60 50 40 30

Flujo mgico oflujo de tunel puedeexistir entre estos lmites

Flujo mgico

Flujo deembudo

ngulo de inclinacin de la pared de la tolva ngulo de inclinacin de la pared de la tolva

Flujo mgico o de tnelpuede existir entreestos lmites

Flujo de embudo

Flujo masivo

ngulo de rozamiento entreparedes de la tolva w

Figura 3 Mtodo grfico para la determinacin del patrn de flujo


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geometra. Las paredes de los silos estn someti-das a cargas horizontales y verticales. Las cargasverticales son debidas al rozamiento del material

sobre las paredes y las horizontales debidas alempuje del material. Los silos de hormign arma-do hay que tener especial cuidado en el clculo delos esfuerzos debido a los empujes y las traccio-nes correspondientes. En los silos metlicos, enparticular los de seccin circular, los empujestransversales son soportados mediante un esfuer-zo de traccin de la virola. En estos silos hay quetener en cuenta los efectos del pandeo debidos alas cargas verticales. La figura 4 indica la varia-cin de las presiones horizontales y verticales en

funcin de la altura. A partir de una cierta profun-didad la variacin de la presin horizontal es des-preciable. Los silos de hormign son ms eficacespara casos de silos altos y los metlicos cuandoson poco profundos.

34

Altura

Horizontalph

Verticalpv

Presin

Figura 4 Distribucin de las presiones horizontales y vertica-les en funcin de la altura del material almacenado


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3. CLCULO DE LASPRESIONES SOBRELAS PAREDES

3.1 GeneralidadesLa mayora de teoras existentes para el

clculo de cargas del material almacenado ensilos parten del supuesto de que la distribucinde presiones alrededor del permetro es unifor-me a cualquier profundidad. En realidad, siem-pre existe una no-uniformidad de la carga. Estopuede ser consecuencia de imperfecciones en

las paredes, de la influencia de tcnicas de lle-nado no concntricas, o de agujeros de descar-ga posicionados excntricamente respecto alcentro del mismo.

La presin ejercida por el material alma-cenado sobre la pared del silo es distinta cuandoel material fluye que cuando est estacionario. Elestado tensional mientras el material est alma-cenado cambia al empezar a fluir y las paredesdel contenedor estn sometidas a altas presio-nes localizadas de corta duracin. Estudios deinvestigacin han identificado dos tipos de altapresin durante la descarga. La primera seconoce como presin de cada, sucede al iniciodel flujo y slo es significativa en la tolva. Elsegundo tipo de presin elevada se atribuye auna reorientacin local de la tensin dentro delmaterial que fluye cuando pasa por las imperfec-ciones de las paredes.

El no tener en cuenta, en el diseo, lacarga no-uniforme es la principal causa de fallosen los silos. Presenta problemas particulares ensilos circulares diseados para resistir nica-mente las fuerzas como membrana. Las presio-nes debidas a la descarga excntrica son irregu-lares y pueden ser superiores o inferiores a lapresin uniforme calculada utilizando las teorasclsicas.

Aunque se han identificado elevadas pre-siones de descarga y sus causas fundamenta-les, son difciles de cuantificar. Por ello es fre-

cuente, entre los proyectistas, multiplicar lapresin esttica calculada por una constante

obtenida a partir de datos experimentales.Tradicionalmente se ha aplicado este factoremprico a la presin esttica sin tener en cuen-

ta la respuesta estructural del silo. Como laspresiones de descarga nicamente afectanreas locales, producen una variacin de presinque puede originar una condicin de tensin enla pared peor que la originada por una elevadapresin uniforme. O sea que suponer una pre-sin elevada pero constante a cualquier nivel notiene por qu estar en el lado de la seguridad.

3.2 Eurocdigo 1 - Reglas para elClculo de las Cargasdebidas al MaterialAlmacenado

El Eurocdigo 1 [1] da reglas detalladaspara el clculo de las cargas debidas al materialalmacenado en los silos, sujetas a las limitacio-nes siguientes:

La excentricidad de la entrada y la salida selimita a 0,25 d

cdonde d

ces el dimetro del

contenedor o la longitud del lado ms corto.

El impacto de las cargas durante el llenadoson pequeas.

Los dispositivos de descarga no tieneninfluencia en la distribucin de las presiones.

El material almacenado fluye libremente ypresenta una baja cohesin.

Existen reglas para el clculo de cargasen silos esbeltos, compactos y homogneos. Lascuatro cargas siguientes estn especificadas ypueden definirse utilizando las abreviaturas quemuestra la figura 5.

carga horizontal y rozamiento en la pared

carga puntual

carga de la tolva

carga de cada

35

CLCULO DE LAS PRESIONES


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39/129

la profundidad z, la presin horizontal pht y lapresin debida a la friccin en la pared pwt:

(2)

ph = Ks pv (3)

pw = ph (4)

La precisin del mtodo depende de laseleccin de un valor para la relacin entre la

presin horizontal y la presin vertical Ks y delcoeficiente de friccin de la pared.

Las presiones en las paredes del silo var-an debido a que se llenan con materiales quepueden presentar propiedades distintas enmomentos distintos. Cuando los slidos almace-nados pulen o hacen ms rugosas las paredespueden dar lugar a cambios de presin. Por lotanto, deberan proyectarse teniendo presentesvarias condiciones. El Eurocdigo tiene en cuan-ta esta situacin y proporciona un rango de pro-piedades para los materiales ms comnmentealmacenados [1]. Las propiedades del materialse seleccionan para obtener el valor de cargams adverso. La presin horizontal ms desfavo-rable se obtiene cuando Ks presenta el valormximo yel mnimo. La carga de friccin en lapared se da cuando y Ks presentan ambasvalores mximos. Las propiedades del materialpueden determinarse por ensayo o tomando losvalores de la tabla 4.1 del Eurocdigo.

En contenedores de paredes onduladasdebe darse un margen para valores de mselevados debido al efecto del material almacena-do en las ondulaciones.

Para mayor facilidad el Eurocdigo pro-porciona una frmula para el clculo de la fuerzade compresin axial en el silo debida a la presinde friccin de la pared a cualquier profundidad.La compresin axial por unidad de permetro auna profundidad z es igual a la integral de la pre-

sin debida al rozamiento sobre la pared, cuyovalor es:

El mtodo de Reimbert [6] es una posiblealternativa al de Janssen para el clculo de pre-siones estticas. Sin embargo, no est incluidoen el Eurocdigo [1].

3.2.2 Coeficiente de amplificacinde la presin debido al efectode llenado y descarga

La presin calculada mediante la teora de

Janssen para las presiones debidas a la carga ydescarga se multiplica por unos coeficientesempricos que tienen en cuenta las siguientescondiciones:

i. Carga de correccin para el llenado.

ii. Incremento uniforme de presin para ladescarga.

iii. Carga de correccin para la descarga.

Para mayor simplicidad del proyecto estructu-ral, el Eurocdigo 1 da una regla alternativasimplificada para obtener la carga de correc-cin debidas al efecto de llenado y descarga.

i. a. Carga de correccin para el llena-do: tolvas sin rigidizadores

Las presiones determinadas mediante laecuacin de Janssen se incrementan mediante unacarga localizada o carga de correccin para com-pensar la distribucin asimtrica de las presiones.La carga de correccin es obligada para compen-sar las presiones asimtricas que la experienciaindica que tienen lugar en todas las tolvas. Lano-uniformidad de la presin depende principal-mente de la excentricidad de la entrada a la tolva,del mtodo de llenado y de la anisotropa del mate-rial almacenado. La carga de correccin aumentacon la excentricidad del llenado. La figura 5 mues-tra la aparicin de desplazamiento horizontal delmaterial debido a la excentricidad del llenado.

Depende del tipo de dispositivo de llenado y debeestimarse antes de calcular la carga de correccin.

[ ]e(i-z-zUA =dz(z)P=(z)P z/zd)(-owfzow

pA

U K ev

sZK

UAs=

1

37



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La carga de correccin es distinta paratolvas de acero no rigidizado (membrana) y tol-vas de acero rigidizado y hormign (no-membra-

na) debido a la diferencia de respuesta a la cargaque presentan estas estructuras. La tensinmxima en las paredes de las tolvas rigidizadasdepende de la magnitud de la presin, mientrasque las tolvas de acero no rigidizadas son mssensibles a la variacin de la presin. Para tolvasde acero rigidizadas, se aplican dos cargas decorreccin en dos reas cuadradas de la pareddiametralmente opuestas, con una longitud delado de cada una de ellas de s = 0,2dc (figuras7a y 7b). Las cargas son simtricas y permiten

clculos relativamente sencillos de los momen-tos de flexin inducidos en la estructura.

La presin de correccin se calcula:pp = 0,2 phf (5)

La presin acta sobre una altura s,donde:

s = 0,2dc (6)

Debe aplicarse este efecto a distintosniveles de la pared de la tolva para determinar elcaso de carga ms desfavorable, que da lugar alas mximas tensiones en la pared. Para simpli-ficar, el Eurocdigo permite que, en tolvas rigidi-zadas, la carga de correccin se aplique a mediaaltura de las paredes verticales, as como la uti-lizacin de este porcentaje de aumento en lastensiones de la pared a todo el silo. Esta reglasimplificada no puede utilizarse para grupos desilos.

i. b. Carga de correccin para el llena-do: tolvas sin rigidizadores

Las tolvas de acero de membrana sonmuy sensibles a la variacin de la presin y paratenerla en cuenta se supone una distribucincosenoidal de la distribucin de las presiones. Elpatrn de presiones que muestra la figura 7c seextiende a toda la tolva. La presin es haciafuera en una cara y hacia dentro en la otra, ysomete la lmina a una flexin global.

La influencia ms importante de la cargaindicada es el aumento de la compresin axil enla base de la tolva. El incremento puede calcu-larse fcilmente utilizando la teora de flexin dela viga y suponiendo como elemento global deflexin a la tolva. Para calcular el esfuerzo decompresin axial debe calcularse la fuerza hori-zontal total de la carga de correccin a partir de:

(7)p

ds

2=

F pcp

38

h s

s

pp

pp

pp pp

pp

(a) Alzado

(b) Planta de la pared de un silo circular

le

(c) Planta de silo circular de pared delgada

Figura 7 Carga de correccin


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donde

pps = pp cos

y pp y s se calculan mediante las ecuacio-nes (5) y (6) respectivamente.

Este factor debe considerarse aplicado oa una profundidad zo por debajo de la superfi-cie equivalente o a media altura de las paredesverticales, la que d la carga ms elevada,donde

zo

=

La presin de correccin introduce ten-sin de flexin local en la tolva, en el nivel que seconsidera. Estas tensiones de flexin son difci-les de calcular y se requiere un anlisis de laestructura por elementos finitos. Para simplificarel clculo se utiliza una distribucin de las pre-siones que se describe a continuacin comoalternativa a la presin de correccin.

ii. Incremento uniforme de presin parala descarga

Para el clculo de las presiones uniformesdebidas a la descarga, las presiones estticas semultiplican por dos coeficientes (Cw y Ch). Chaumenta la presin horizontal y Cw aumenta lapresin vertical. Ch vara dependiendo del mate-rial almacenado. El Eurocdigo proporcionavalores que van de 1,3 para el trigo a 1,45 parala harina y polvo de cenizas. Cw se toma como1,1 para todos los materiales almacenados.Estos coeficientes se han seleccionado a partirde la experiencia y de los resultados de los ensa-yos.

iii. Carga de correccin para la descarga

La carga de correccin para la descargase calcula de la misma forma que para la carga.Se utilizan las presiones horizontales para ladescarga que se han descrito en ii. Adems, laexcentricidad e se toma como la mayor entre las

excentricidades de llenado y de salida (vasefigura 5).

Carga uniforme incrementada. Una alternati-va a la correccin

Para simplicidad del proyecto estructural,el Eurocdigo 1 permite la utilizacin de un coe-ficiente en las presiones uniformes de descargapara compensar los incrementos de tensindebidos a presiones asimtricas. El coeficientese calcula a partir del amplificador de la carga decorreccin y proporciona una regla sencilla peroconservadora que puede utilizarse en vez de lapresin de correccin. Para llenado y descarga,la presin normal en la pared calculada utilizan-do la ecuacin (3) se multiplica por 1 + 0,4 y la

friccin en la pared por 1 + 0,3.

3.2.3 Cargas en la tolvay en el fondoLos fondos planos se definen como fon-

dos de silo donde < 20. La presin vertical pvfvara a travs del fondo, pero en silos esbeltos sepuede suponer que la presin es constante eigual a:

pvf = 1,2 pv (8)

donde

pv se calcula mediante la ecuacin (2).

Debe tenerse en cuenta que, en tolvas noesbeltas, la variacin de presin en el fondo delas mismas puede influir en el proyecto, por loque se proyectan teniendo en cuenta dicha varia-cin.

Cargas en las paredes inclinadasde la tolva

El Eurocdigo 1 considera que la paredinclinada, donde > 20 , est sometida a unapresin normal pn y a una fuerza de friccin ptpor unidad de superficie. Las paredes del siste-ma de alimentacin soportan todo el peso delmaterial almacenado en la tolva, menos el quesoportan por friccin las paredes verticales. Para

definir la carga en la tolva hay que conocer lapresin vertical en la transicin entre silo y tolva.

UK

As

39



42/129

En el Eurocdigo 1 se han adoptado frmulasempricas para el clculo de las presiones nor-males y de friccin en las paredes de la tolva,

obtenidas a partir de una serie de ensayos entolvas piramidales. Los ensayos muestran que esaceptable suponer una distribucin variable line-almente desde el valor correspondiente en el siloen la lnea de transicin con la tolva, al existenteen la salida. La presin normal a la pared de latolva pn es igual a:

pn = pn3 + pn2 + (pn1 - pn2)

(9)

donde

x es una longitud entre 0, y lh (figu-ra 8) y:

pn1 = pvo (Cb cos2 + 1,5 sen2) (10)

pn2 = Cb pvo cos2 (11)

pn3 = 3,0 (12)

donde

Cb es constante e igual a 1,2

pvo es la presin vertical que acta en la tran-sicin, calculada segn la ecuacin deJanssen.

el valor de la presin de friccin en lapared pt viene dado por:

pt = pn (13)

Carga instantnea

Al comienzo de la descarga se han medi-do presiones elevadas en las tolvas para el casode flujo msico debido al cambio en el estado detensin del material almacenado. A este cambio

se le suele llamar apertura y origina una cargainstantnea en la transicin. Tiene lugar cuando

el material pasa de un estado esttico (presinactiva) a uno dinmico (presin pasiva). ElEurocdigo 1 proporciona un valor emprico psmuy aproximado para la carga instantnea:

ps = 2 pho (14)

donde

pho es la presin horizontal la basedel silo (vase figura 8)

ps se toma como normal a las pare-des de la tolva a una distancia

igual a 0,2 dc y hacia abajo.El concepto de carga instantnea nica-

mente se aplica a silos de flujo msico. En lastolvas de flujo en embudo esta carga ser parcialo totalmente absorbida por la capa de materialestacionario, por lo que no es tan importantecomo en las tolvas de flujo msico. La transicinentre silo y tolva est solicitada a compresindebido a las cargas de la tolva. La carga instan-tnea acta en direccin contraria a la anterior-mente indicada, por lo que aumentara la cargaque puede soportar la tolva durante la descarga(esta carga instantnea puede no actuar, por lotanto, no debe utilizarse en el proyecto).

K

UA s

lxh

40

lh

x pt

90-

pn3

pn3

pn2

pn1

pho

ps

0,2dc

Figura 8 Cargas en la tolva


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3.3 Otras consideracionesrespecto a la Carga

La distribucin de las presiones puedeestar afectada por factores que pueden incre-mentar o disminuir las cargas en las paredes.Estos factores son difciles de cuantificar, y sonms significativos en unas tolvas que en otras. Acontinuacin se muestran una serie de ellos.

Variacin de Temperatura

El material almacenado limita la contrac-cin trmica de la pared de la tolva. La magnitud

del incremento de presin lateral resultante depen-de de la disminucin de la temperatura, de la dife-rencia entre el coeficiente de temperatura de lapared y el del material almacenado, del nmero decambios de temperatura, de la rigidez del slidoalmacenado y de la rigidez de la pared de la tolva.

Consolidacin

La consolidacin del material almacenadopuede ser debida a la eliminacin de aire quehace que las partculas se compacten (lo querepresenta un problema en materiales pulverulen-tos), a la inestabilidad fsica causada por cambiosde la humedad y temperatura superficiales, a lainestabilidad qumica causada por cambios qumi-cos en la superficie de las partculas o a la vibra-cin del contenido del silo. Para determinar deforma precisa las presiones en la pared hay queconocer la variacin de la densidad del slido conla profundidad y el ngulo de rozamiento interno.

Contenido de Humedad

Un aumento en el contenido de humedaddel material almacenado puede aumentar lasfuerzas de cohesin o formar enlaces entre laspartculas de substancias solubles en agua. Parael clculo de las presiones, el ngulo de roza-miento contra las paredes debe determinarse uti-lizando el material ms seco y/o el ms hmedoque deberemos almacenar.

Un aumento de humedad tambin puede

originar el hinchado del slido almacenado, ydebe tenerse en cuenta en el proyecto.

Segregacin

Las partculas de material almacenado

con una amplia gama de densidades, tamaos yformas tienden a segregarse. Cunto mayor seala altura o cada libre en el llenado, mayor ser lasegregacin. La segregacin puede originarreas de material denso. Lo que es peor, puedeque las partculas rugosas vayan a un lado de latolva y las ms finas y adherentes vayan al otro.Entonces puede formarse un perfil en U excn-trico que conduce a cargas asimtricas en lapared. La concentracin de partculas finaspuede causar bloqueos en el flujo.

Degradacin

Un slido puede degradarse durante elllenado. Las partculas pueden romperse o redu-cirse de tamao debido al impacto, la agitacin yel rozamiento. Las tolvas para almacenamientodel contenido del silo representan un problemaparticular. La degradacin del material origina uncampo de variacin de presiones que tiende a lahidrosttica.

Corrosin

Los slidos almacenados pueden atacarqumicamente la estructura, alterando el ngulode rozamiento contra la pared y la flexibilidadde la misma. La corrosin depende de lascaractersticas qumicas del material almacena-do y del contenido de humedad. Tpicamente,se incrementa el espesor de pared proyectadopara compensar la corrosin. Este incrementodepende del tiempo de vida proyectado para elsilo.Abrasin

Partculas granulares grandes como losminerales pueden desgastar la superficie de lapared, originando problemas similares a los des-critos para la corrosin. Puede revestirse lapared estructural, tomando las precaucionespertinentes con el fin de garantizar que la defor-macin de la pared no dae el revestimiento. Los

revestimientos se fabrican con materiales comoel acero inoxidable o el polipropileno.

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Presiones debidas al Impacto

Cuando en la carga aparecen elementos

de grandes dimensiones pueden originarse pre-siones elevadas debidas al impacto. A menosque haya material suficiente para amortiguardicho efecto, es preciso proporcionar una protec-cin especial a las paredes de la tolva. El colap-so de los arcos naturales que pueden formarseen el material almacenado y la retencin del flujotambin pueden originar presiones de impactoelevadas. Para minimizar este efecto debe estu-diarse la geometra del silo.

Carga y Descarga RpidasLa descarga rpida de masas slidas con

una permeabilidad a los gases relativamentebaja puede inducir presiones negativas (succininterna) en la tolva. El llenado rpido puede ori-ginar una mayor consolidacin, con los efectosque se han descrito ms arriba.

Materiales Pulverulentos

El llenado rpido de materiales pulveru-lentos puede airear el material y originar una dis-minucin temporal de densidad, adherencia, fric-cin interna y friccin de pared. En un casoextremo, la presin de un material aireado alma-cenado puede llegar a ser la hidrosttica.

Carga del Viento

En el Eurocdigo 1, Parte 2[17] se danmtodos para el clculo de cargas del viento ensilos, que no se tratan en esta l

45321195 estructuras de acero tomo 19

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