calculo por sismo tanques

Upload: eddy-norman-benites-delgado

Post on 30-Oct-2015

124 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

  • Criterios para diseo estructural y estabilidad

    de tanques de hidrocarburos

    Presentado por: Jos Carlos Miguel de Priego Coquis

    Octubre 2001

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

  • INDICE

    1.- Objetivos

    2.- Diseo de tanques de almacenamiento para cargas ssmicas

    3.- Diseo de la unin cilindro- techo

    4.- Conclusiones

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

  • 1.- Objetivos

    Los tanques de almacenamiento verticales, construidos segn la norma API 650, son

    extensamente usados en el Per para el almacenamiento de hidrocarburos. Dicha norma,

    cuya aplicacin es exigida por la legislacin nacional, proporciona diversos criterios de

    diseo para cada uno de los componentes del tanque. En el presente trabajo se presentan

    dos temas en particular, relacionados con el diseo estructural y estabilidad de tanques de

    almacenamiento de techo fijo:

    Diseo de tanques de almacenamiento para cargas ssmicas.

    Diseo de la unin cilindro- techo.

    2.- Diseo de tanques de almacenamiento para cargas ssmicas

    En el territorio peruano existen vastas zonas donde es probable la ocurrencia de

    movimientos ssmicos. Las cargas derivadas de los sismos producen en los tanques de

    almacenamiento esfuerzos muy superiores a los normales y pueden inclusive comprometer

    su estabilidad. Por tal motivo es importante tenerlas en cuenta en la etapa de diseo de los

    tanques de almacenamiento.

    En el apndice E de la norma API 650 se incluye un procedimiento para el diseo ssmico de

    tanques de almacenamiento. Si bien dicho apndice no es mandatorio, su aplicacin es

    recomendable para todos aquellos tanques que se proyecten en las zonas ssmicas del pas.

    De hecho, el DS N 051-93, Reglamento de Normas para la Refinacin y Procesamiento de

    Hidrocarburos, establece en su artculo 56 la obligatoriedad de disear los tanques a prueba

    de sismos segn el apndice E. El DS N 052-93, Reglamento de seguridad para

    almacenamiento de hidrocarburos, no es explcito en exigir la aplicacin del apndice E, pero

    indica que debe darse especial atencin a las cargas ssmicas en el diseo.

    El procedimiento de diseo ssmico recomendado en el API 650, apndice E, considera que

    el tanque responde a la excitacin producida por el movimiento ssmico de dos modos:

    a) Una respuesta de alta frecuencia debida a la vibracin del techo, cilindro y de la porcin de

    lquido que se mueve solidariamente al cilindro. A la porcin de lquido que vibra al unsono

    con el tanque se le llama masa impulsiva. Durante el movimiento ssmico se asume que

    esta masa se comporta como un cuerpo rgido. La masa impulsiva esta compuesta por el

    lquido en la parte inferior del tanque.

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    2

  • b) Una respuesta de baja frecuencia debida al movimiento de la porcin del lquido que no es

    solidario al cilindro, a su propia frecuencia natural. A esta porcin de lquido se le denomina

    masa convectiva y esta compuesta por el lquido ms prximo a la superficie. Este volumen

    de lquido tiene libertad para moverse verticalmente, generndose un movimiento de tipo

    ondulatorio (olas).

    El modelo descrito, que descompone el fluido en una porcin impulsiva y otra convectiva se

    muestra en la figura 1. La proporcin de reparticin de lquido entre las masas impulsiva y

    convectiva depende de la relacin dimetro/ altura del tanque. En tanques altos predomina la

    masa impulsiva, mientras que en tanques bajos predomina la convectiva. Ver la figura 2. A

    consecuencia de su movimiento, ambas masas generan sobre las paredes del tanque

    presiones hidrodinmicas, cuya distribucin aproximada se observa en la figura 3. La

    resultante de esta distribucin de presiones es una fuerza lateral actuando a una

    determinada altura sobre la base del tanque. Esta resultante de las presiones se manifiesta

    en la seccin inferior del cilindro como una fuerza cortante y un momento de volteo.

    El momento de volteo en la seccin inferior del cilindro origina compresin en una mitad de la

    circunferencia del cilindro y levantamiento en la otra. Si el momento es suficientemente alto,

    puede producirse inclusive el completo volteo del tanque. Los esfuerzos de compresin,

    pueden determinar la falla por pandeo de la parte inferior del cilindro. A este tipo de falla se le

    conoce como pata de elefante y se muestra en la figura 4.

    La tendencia al volteo generada por el movimiento ssmico es contrarrestada, en tanques sin

    anclajes, por las siguientes fuerzas:

    Peso del cilindro del tanque y de la porcin del techo soportada por el cilindro.

    Peso de la porcin del lquido adyacente al cilindro. El volumen del contenido del tanque

    que se puede considerar se opone al volteo, depende del espesor de la plancha del fondo

    debajo del cilindro. Cuando este espesor es grande, el fondo es ms rgido y mayor es su

    aporte en contrarrestar el volteo. Cuando el espesor es pequeo el fondo se aproxima a

    una membrana totalmente deformable y no aportar mayor resistencia al volteo.

    Los tanques en los cuales el momento de volteo no pueda ser contrarrestado por las fuerzas

    sealadas y por lo tanto tendran tendencia al volteo completo; o aquellos en los cuales las

    fuerzas de compresin superen la fuerza crtica de pandeo, se denominan inestables.

    Cuando en el proceso de diseo de un tanque se identifica que este es inestable, es

    necesario tomar alguna o varias de las siguientes medidas:

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    3

  • Incrementar el espesor de la plancha del fondo debajo del cilindro. Con esto se eleva el

    volumen del contenido del lquido que aporta resistencia al volteo.

    Incrementar el espesor del cilindro. Esta medida incrementa el peso del cilindro, lo cual

    contrarresta el volteo; as como la carga crtica de pandeo.

    Cambiar las proporciones del tanque, es decir aumentar el dimetro y reducir la altura.

    Cuanto mayor es la relacin H/D, mayor es la tendencia a la estabilidad del tanque.

    Anclar el tanque a la cimentacin. Con esta alternativa, la resistencia al volteo es

    proporcionada por el peso del cilindro y por los anclajes. Evidentemente, deben

    calcularse el nmero de anclajes, dimensiones y los elementos de sujecin al cilindro

    para asegurar que tienen la resistencia suficiente. Adems la propia cimentacin debe

    ser adecuadamente calculada. La figura 5 muestra un diseo tpico de anclajes para

    tanques de almacenamiento.

    El apndice E fue adicionado a la norma API 650 en 1978, por lo cual es muy probable que

    muchos tanques construidos antes de ese ao y que se encuentran en zonas ssmicas sean

    en realidad inestables y que por ende se encuentren en situacin de riesgo en el evento de

    un movimiento ssmico.

    En nuestro pas, el 80% de la capacidad de almacenamiento se concentra en la costa, zona

    de alta sismicidad; y en tanques construidos antes de 1978. Es posible que muchos de estos

    tanques se comporten como estructuralmente inestables en un sismo de alta intensidad.

    Como un criterio preliminar, aquellos tanques con una relacin H/D mayor a la indicada en la

    tabla 1 es probable tengan un comportamiento inestable; y por lo tanto se justifica una

    evaluacin detallada de su diseo. Las pautas para la ejecucin de dicha evaluacin

    detallada se presenta en el diagrama de flujo de la figura 7.

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    4

  • Tabla 1 : Relacin mxima H/D a la cual es probable el cumplimiento del API 650. Vlida para

    zonas de alta sismicidad.

    0.25D>530.329

  • En la ejecucin de los clculos relacionados con el API 650, as como con mtodos

    alternativos, es muy recomendable el uso de equipos y programas de computacin. Esto

    permite efectuar gran cantidad de clculos y elegir la alternativa de adecuacin ptima entre

    las diferentes opciones posibles.

    3.- Diseo de la unin cilindro- techo

    La unin cilindro- techo de un tanque de almacenamiento merece cuidadosa atencin

    durante la etapa de diseo, para asegurar que esta se comportar de la manera requerida.

    Esta unin puede soportar esfuerzos de compresin o de traccin a consecuencia de las

    cargas transmitidas desde el techo al cilindro. Entre ellas se tienen el peso propio del techo,

    la presin interna y la carga viva sobre el mismo.

    La norma API 650 tiene en cuenta un anillo de compresin, compuesto por un sector del

    cilindro, el ngulo de tope y un sector del techo. Una seccin tpica de dicho anillo se muestra

    en la figura 61. El rea achurada en la figura 6 resiste los esfuerzos generados por las cargas

    que se transmiten del techo al cilindro.

    El trmino anillo de compresin, utilizado por el API 650 hace alusin a que los esfuerzos en

    dicho anillo son de compresin cuando el techo est sometido a fuerzas de abajo hacia

    arriba, como en el caso de una presin interna. Sin embargo, como se ver ms adelante,

    los esfuerzos pueden ser de traccin cuando el techo soporta fuerzas de arriba hacia abajo,

    como en el caso del peso propio y la carga viva de techos autosoportados.

    La figura 8 representa el tipo de deformacin que sufre el tanque a consecuencia de la

    presin interna sobre el techo. El ngulo entre el cilindro y el techo tiende a aumentar; y el

    permetro del anillo tiende a reducirse. Esta reduccin de longitud del anillo se traduce en

    esfuerzos de compresin. La figura 9 muestra un modelo de elementos finitos de una unin

    tpica cilindro- techo. Se aprecia claramente, segn el cdigo de colores, que los esfuerzos

    en la propia lnea de unin y en los sectores aledaos de techo y cilindro son negativos, es

    decir estn a compresin. Cuando el tanque es requerido para soportar presin interna, en el

    diseo debe preverse que el rea resistente sea suficiente para que los esfuerzos de

    compresin estn por debajo del admisible. Si esto no ocurriera la unin cilindro- techo

    fallara por pandeo, de manera similar a como falla una columna esbelta cuando es

    sobrecargada axialmente.

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    6

    1 El API 650, en el apndice F, figura F-2 presenta 5 secciones adicionales de anillos permitidos.

  • El API 650 contempla varios casos con relacin a la presin interna en tanques de

    almacenamiento:

    Tanques sin presin interna, es decir con alguna abertura a la atmsfera.

    Tanques con presin interna inferior al peso por unidad de rea de las planchas de techo.

    En este caso el propio peso de las planchas equilibra la presin y la unin cilindro- techo

    no transmite esfuerzos. Para planchas de 3/16 de espesor, esta presin es de 0.05 psi.

    Tanques con presin interna superior al peso de las planchas del techo pero con una

    resultante inferior al peso del techo, cilindro y accesorios soportados por el cilindro. En

    este caso la unin cilindro- techo si transmite esfuerzos y debe asegurarse que su rea

    sea suficiente para resistirlos. La tendencia del tanque al levantamiento, a causa de la

    presin, es equilibrada por el peso del cilindro y el techo.

    Tanques con una presin mayor a la anterior pero menor a 2.5 psi. En este caso la unin

    cilindro- techo debe disearse con cuidados similares al caso anterior pero adems debe

    evitarse el levantamiento del tanque mediante anclajes a la cimentacin.

    Cuando la presin interna sea mayor de 2.5 psi se excede el alcance del API 650 y se

    tendra que disear segn API 6202.

    Puede ser necesario, y de hecho es lo ms corriente, que la unin cilindro- techo no sea

    requerida para resistir una presin interna sino, por el contrario, para fallar cuando la presin

    se incremente de manera anormal. Tal es el caso de las uniones dbiles. En este caso, lo

    que el diseo debe asegurar es que el rea resistente sea menor a un valor determinado,

    que asegure que el anillo de compresin fallar por pandeo, antes que la sobrepresin origine

    algn dao mayor en el tanque, como puede ser la falla de la unin cilindro- fondo. Al pandeo

    del anillo de compresin sobreviene la falla de la soldadura entre el techo y el anillo de tope

    generndose una abertura por donde la sobrepresin en el interior del tanque es evacuada.

    La unin cilindro- techo se convierte por tanto en un punto de alivio de presin. El DS N

    052-93, Reglamento de seguridad para almacenamiento de hidrocarburos, en su artculo 38,

    establece a la unin dbil como la forma preferida para aliviar la presin interna excesiva a

    consecuencia de exposicin prolongada a fuego. Asimismo, en el artculo 42, exige que los

    tanques de techo cnico, sean autosoportados o no, cuenten con uniones dbiles. Como se

    ver ms adelante esto no siempre es posible.

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    7

    2 API Std 620, Design and Construction of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks.

  • Si la sobrepresin en el interior del tanque es suficiente para producir el levantamiento del

    cilindro, la unin cilindro- fondo sera sometida a esfuerzos anormales y el fondo tendera a

    tomar una forma esfrica. Esto puede originar la falla de la unin cilindro- fondo o del propio

    fondo, con la consiguiente prdida del lquido almacenado. Con la unin dbil se trata de

    eliminar esta posibilidad. Por lo tanto, se debe asegurar que la presin mxima que resista la

    unin cilindro- techo sea menor a la necesaria para producir el levantamiento del cilindro del

    tanque. Esta condicin se traduce en un lmite mximo para el rea del anillo de compresin.

    Segn el API 650 debe cumplirse:

    A [ W201,000 tanh

    Donde:

    : rea resistente del anillo de compresin (pulg2).A

    : Peso del cilindro y de las estructuras y accesorios soportados por ste (libras).W

    : ngulo de inclinacin del techoh

    Como el peso del cilindro del tanque es aproximadamente proporcional al producto de la

    altura por el dimetro (HxD), cuando el tanque es de pequeo dimetro es prcticamente

    imposible obtener la condicin de debilidad antes indicada. En la figura 10 se muestran dos

    curvas que relacionan la posibilidad de disear una unin dbil con el dimetro y altura del

    tanque, para inclinaciones del techo de 0.75/12 y 2/12. En las combinaciones por encima de

    cada una de las curvas es posible disear uniones dbiles. Se aprecia que para dimetros

    menores a 30 pies no se obtienen uniones dbiles, a menos que la altura del tanque sea muy

    grande, lo cual incrementa la relacin H/D del tanque y compromete su estabilidad en caso

    de sismo.

    Para inclinaciones de techo 2/12 se aprecia que la unin dbil solo es factible para dimetros

    mayores a 60 pies. Por lo tanto, es prcticamente imposible disear un tanque de techo

    cnico autosoportado con unin dbil, teniendo en cuenta que el API 650 establece que este

    tipo de techos deben tener una inclinacin mnima de 2/12.

    Para considerar a una unin cilindro- techo como dbil, el API 650, exige adems lo

    siguiente:

    El techo debe ser cnico, con una pendiente no mayor a 2/ 12.

    La soldadura de las planchas del techo con el anillo de tope no debe tener un espesor

    mayor a 3/16.

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    8

  • En techos autosoportados, el peso del propio techo y la carga viva generan sobre el llamado

    anillo de compresin esfuerzos de traccin. Ambas cargas se traducen en una fuerza de

    arriba hacia abajo. Cuando el techo es de tipo soportado, esta fuerza se transmite hacia el

    suelo por la estructura de soporte. En techos autosoportados esta fuerza es transmitida al

    cilindro a travs de la unin cilindro- techo. La figura 11 representa el tipo de deformacin

    producida sobre la unin cilindro- techo a consecuencia del peso y carga viva. Se observa

    que esta zona tiende a incrementar su dimetro y por lo tanto se generan esfuerzos de

    traccin. La figura 12 muestra un modelo de elementos finitos donde se aprecia que los

    esfuerzos en la unin cilindro- techo y los sectores cercanos son positivos. La condicin de

    resistencia mecnica del anillo, que asegura que los esfuerzos estn por debajo de lo

    admisible, se traduce en un valor mnimo de la seccin del anillo de compresin. Segn el

    API 650, para techos cnicos autosoportados debe cumplirse que:

    A m D2

    3,000sinh

    Donde:

    : rea resistente del anillo de compresin (pulg2).A

    : Dimetro del tanque (pies).D

    : ngulo de inclinacin del techoh

    Esta breve exposicin de los aspectos ms saltantes involucrados en el diseo de la unin

    cilindro- techo, permite apreciar la importancia de prestar adecuada atencin a este punto,

    para asegurar que dicha unin se comportar de la manera requerida. En ocasiones ser

    necesario garantizar un rea mnima de la unin y en otras por el contrario deber asegurase

    que sea menor a un determinado valor. En el diagrama de flujo de figura 13 se resumen los

    criterios de lmites mximo y mnimo de esta unin, de acuerdo al tipo de techo y

    requerimiento.

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    9

  • 4.- Conclusiones

    El territorio peruano tiene vastas reas donde es probable la ocurrencia de movimientos

    ssmicos. Principalmente la costa, regin donde se concentra la mayor actividad econmica

    nacional. La norma API 650, aplicable al de tanques de almacenamiento incluye, en su

    apndice E, pautas para el diseo ssmico de tanques de almacenamiento. Este apndice es

    de uso obligatorio segn la legislacin peruana.

    El apndice E fue adicionado a la norma API 650 en 1978, por lo cual es muy probable que

    muchos tanques construidos antes de ese ao y que se encuentran en zonas ssmicas sean

    en realidad inestables y que por ende se encuentren en situacin de riesgo en el evento de

    un movimiento ssmico.

    La unin cilindro- techo de un tanque de almacenamiento merece cuidadosa atencin

    durante la etapa de diseo, para asegurar que esta se comportar de la manera requerida.

    Esta unin puede soportar esfuerzos de compresin o de traccin a consecuencia de las

    cargas transmitidas desde el techo al cilindro. Entre ellas se tienen el peso propio del techo,

    la presin interna y la carga viva sobre el mismo.

    Los tanques se disean corrientemente para que la unin cilindro- techo se comporte como

    un punto dbil , en caso de sobrepresin interna. En este caso la unin debe fallar antes que

    se produzcan daos mayores en el tanque. De acuerdo con la legislacin peruana est

    mtodo de alivio de emergencia es el preferido.

    En tanques con techos autosoportados y en tanques con techos soportados de pequeo

    dimetro, es prcticamente imposible el diseo de uniones dbiles, por lo cual es necesario

    recurrir a otras formas de alivio.

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    10

  • Figura 1: Modelo de masas convectiva e impulsiva.

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    11

  • Figura 3: Distribucin de presiones hidrulicas en las paredes del tanque

    Figura 4: Defecto tipo pata de elefante

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    12

  • Figura 5: Diseo tpico de anclaje para tanques de almacenamiento

    Figura 6: rea resistente de la unin cilindro- techo

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    13

  • Relacin H/D cumple con

    tabla 1?

    Cumple con API

    650 Ap. E?

    Cumple con

    mtodo de Manos?

    Puede reducirse altura de lquido?

    Tanque es estable

    Tanque es estable

    Tanque es estable

    Tanque es estable

    Reducir altura operativa

    Efectuar modificaciones

    Si

    Si

    Si

    Si

    No

    No

    No

    No

    Figura 7: Diagrama de flujo para evaluacin de tanques existentes a cargas ssmicas

    Figura 8: Deformacin del tanque por presin interna

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    14

  • Figura 9: Diagrama tpico de esfuerzos en la unin cilindro- techo por presin interna.

    1020

    3040

    5060

    7080

    90100

    Dimetro (pies)

    0

    50

    100

    150

    200

    Altu

    ra (

    pies

    )

    incl 0.75/12

    incl 2/12

    Figura 10: Relacin H/D para factibilidad de unin dbil.

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    15

  • Figura 11: Deformacin del tanque por peso propio del techo y carga viva

    Figura 12: Diagrama tpico de esfuerzos en la unin cilindro- techo por peso propio y carga

    viva en techos cnicos autosoportados.

    Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC

    16

  • Techo autosoportado?

    Presin interior mayor

    al peso del techo?

    Se requiere

    unin dbil?

    A>Amin

    A>Amin

    A