reparaciÓn y refuerzo del cono de fondo del silo
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REPARACIÓN Y REFUERZO DEL CONO DE FONDO
DEL SILO HOMOGENIZACIÓN DE HARINA DE CEMENTO
EN LA FÁBRICA DE CARACOLITO (COLOMBIA)
Luis SANMARTIN GÓMEZ
Ingeniero Industrial
Martínez Segovia, Fernández, Pallás y Asociados. Ingeniería y Arquitectura, S.A.
Ingeniero Senior
José Manuel FERNÁNDEZ CARBALLADA
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Martínez Segovia, Fernández, Pallás y Asociados. Ingeniería y Arquitectura, S.A.
Director Técnico
Juan Carlos MALLO ÁLVAREZ
Ingeniero Técnico de Obras Públicas
Martínez Segovia, Fernández, Pallás y Asociados. Ingeniería y Arquitectura, S.A.
Ingeniero Control de Obras
RESUMEN
CEMEX Colombia tiene en servicio, en su planta de cemento de Caracolito (Ibagué – Colombia), un silo de prehomogenización de harina cruda de cemento de 20.000 t. Este año se han detectado
trozos de hormigón en el interior del silo, provocando problemas de vaciado de la harina, y por lo
tanto de la producción de cemento. Después de una inspección en el interior del silo se detectó
que el cono había sufrido un colapso estructural, impidiendo la correcta salida de la harina.
CEMEX pidió a esta Oficina Técnica el estudio de las posibles causas colapso, así como un
Proyecto de Reparación del cono. Las causas del colapso apuntan hacia un vaciado excéntrico
continuado, situación de descarga no contemplada en la normativa con la que se realizó el
Proyecto, de ahí que CEMEX pida que se analice la situación en el Eurocódigo de silos vigente en Europa, que sí contempla vaciados excéntricos.
PALABRAS CLAVE: Silo homogenización, harina de cemento, cono de fondo, patología,
reparación.
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1. Descripción de la patología
CEMEX Colombia tiene en servicio, en su planta de cemento de Caracolito (Ibagué – Colombia), un silo de prehomogenización de harina cruda de cemento. Este silo alimenta de harina de cemento a los dos hornos de la fábrica, cualquier incidencia registrada en este silo tiene un impacto directo en la producción de cemento de la fábrica.
Este año se han detectado trozos de hormigón en el interior del silo, que van saliendo paulatinamente por las bocas de salida de la harina de cemento, provocando problemas de vaciado de la harina.
Se procedió a realizar una inspección en el interior del silo desde la losa de cubierta del silo, en situación precaria de acceso e iluminación. En dicha inspección se confirmó el colapso estructural
del cono de fondo del silo, midiendo la altura de descenso desde la losa y la posición que debería
ocupar el cono de fondo, como se puede apreciar en las figuras inferiores.
Figura 1. Punto de acceso al silo
Figura 2. Inspección del interior del silo y nivel de harina respecto del cono
CEMEX pidió a esta Oficina Técnica el estudio de las posibles causas colapso, así como un Proyecto de reparación del cono.
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2. Antecedentes
Este silo tiene un diseño clásico con cámara cilíndrica de hormigón pretensado de 23,4 metros de
diámetro interior y 48,36 metros de altura, con la losa de fondo a una altura de 18,13 metros sobre rasante. Sobre la losa de fondo se encuentra el cono invertido para alivio de las presiones de vaciado y optimización de la aireación, diseñado mediante 16 placas prefabricadas de hormigón
unidas en las aristas de encuentro de los diedros mediante colado de hormigón in-situ posterior al montaje.
El silo fue diseñado por CONNELL WAGNER, Spring Hill, Australia, en año 1997, por lo que se
supone fue de aplicación la Norma Australiana o Americana de silos vigente en aquellas fechas.
Las armaduras pasivas dispuestas en la pared cilíndrica y en el cono de fondo, así como el
postesado de la pared, alcanzan cuantías similares a silos de este tipo desarrollados por Oficinas Técnicas Europeas en esa época, siguiendo la formulación antigua de empujes en silos. Tanto los
espesores de hormigón en paredes como en el cono de fondo son los adecuados y utilizados en
nuestra Oficina Técnica en situaciones similares, 0,35 metros en ambos casos.
3. Acciones en silos según Eurocódigo
El Eurocódigo 1991-4 a partir del 2006 ha introducido una importante modificación en el cálculo de
presiones sobre la pared de silo cuando se producen cargas o descargas excéntricas. Para estudio de un silo como el que nos ocupa con una alta fluidificación interior y vaciados excéntricos
sistemáticos, tenemos que recurrir ineludiblemente a esta normativa más moderna, que es que contempla estos aspectos de forma más detallada.
En nuestro caso es la descarga excéntrica lo que nos atañe. Según la formulación, estasdescargas excéntricas producen efectos importantes a partir de una excentricidad crítica,
ccro de 25.0, (1)
siendo dc el diámetro de la pared interior del silo.
En nuestro caso teniendo en cuenta que el material descarga por los planos medios de las placas prefabricadas del cono en la parte inferior, ésta excentricidad crítica se sobrepasa ampliamente. Si
se producen descargas excéntricas pueden aparecer flujos de descarga que producen unas presiones muy importantes en la zona de contacto del flujo con la pared de silo. El perfil de presiones que propone el Eurocodigo es el siguiente:
Figura 3. Perfil de presiones sobre la pared del silo, con la creación de un flujo en chimenea
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En la mayor parte de la pared, se produce una presión estática de material indicada en la figura 3como zona 1, producida por el material que permanece estático. La zona indicada como 4 es dónde se produce el flujo de descarga, que provoca una presión muy reducida en la zona 5 y una
presión muy elevada en la zona 3.
Figura 4. Geometría del flujo de descarga y perfil de presiones sobre la pared del silo
Dado que normalmente el diámetro del flujo de descarga es desconocido el Eurocódigo obliga a analizar tres situaciones diferentes, que se producen con tres radios de flujo de descarga diferentes, flujo de radio pequeño flujo de radio medio y flujo de radio grande. Estos tres flujos producen tres situaciones de presiones a analizar sobre las paredes y sobre el cono.
3.1. Acciones sobre el cono
El Eurocódigo es bastante prolijo y detallado en cuanto a las acciones a aplicar sobre la pared del silo, sin embargo no menciona las acciones sobre el cono invertido. A continuación se detallan las
acciones actuantes sobre el cono de fondo:
Cargas gravitatorias simétricas, producidas por el empuje de material en reposo o por un
vaciado en el que no se producen formaciones de flujo.
Cargas gravitatorias no simétricas, producidas por el vaciado excéntrico.
Cargas térmicas de gradiente, producidas por llenado del silo con material caliente.
Las cargas gravitatorias simétricas producen compresiones generalizadas en el cono, que difícilmente van a condicionar o dimensionar la armadura. Las cargas gravitatorias no simétricas
son las que realmente interesan. Como se mencionado anteriormente se definen tres radios de flujo de descarga. Para tratar de ver el efecto de los radios de los diferentes flujos de descarga sobre el cono, en la siguiente figura se muestra un corte transversal a media altura del cono de descarga con los 3 radios diferentes de flujo de descarga.
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Figura 5. Representación a media altura del cono de los tres flujos definidos en la Norma
De la figura 5 se deduce que un flujo de descarga de radio pequeño (figura 5 izquierda) se separa enseguida del cono y sus presiones no van a afectar sensiblemente al cono. El flujo con radio más
grande (figura 5 derecha), tiene tal diámetro que el propio cono le impide su desarrollo. El flujo de
radio medio parece el más razonable para analizar el cono, ya que es el que consigue desarrollarse y además sus presiones afectan al cono.
En cuanto a las acciones térmicas, para considerar unas presiones importantes tanto de material
en reposo como con formación de flujo, el silo ha de tener una altura de material considerable, es
decir el silo tiene que estar casi lleno, por que el material llevará un tiempo almacenado y las acciones térmicas no serán tan importantes como el material caliente recién caído dentro del silo
4. Modelo de Cálculo y Análisis
Para el análisis de las patologías detectadas y el estudio de propuestas de reparación o refuerzo
del cono, se ha desarrollado un modelo de cálculo espacial del cono de fondo del silo, utilizando el programa SAP2000, de gran fiabilidad para el análisis de elementos tipo shell, que son los
utilizados en la discretización.
Como se comentado anteriormente el cono está formado por 16 placas prefabricadas, que apoyan
sobre una viga perimetral que a su vez es soportada por 16 pequeñas columnas para permitir la
salida de material por debajo de la viga perimetral. Lo que supone que hay 16 posibles zonas de descarga dependiendo de la zona de aireadores que se active, para generar la fluidificación del
material. Se modelan tanto las placas prefabricadas como la viga y pilares de apoyo.
La aplicación de carga de flujo de descarga sobre un silo, supone asumir que hay tres zonas de diferentes presiones. Una zona de altas presiones zona 3 en figura 4, una zona de muy bajas presiones, zona 4 en figura 4 y una zona de presión general media zona 1 en figura 4. Para aplicar estas presiones sobre el cono, se llevan estas presiones hasta el centro del cono, obteniendo las diferentes zonas de presiones sobre el cono, como se puede apreciar en las figura 6.
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Figura 6. Esquema de aplicación de presiones sobre pared del silo y proyección sobre cono de
fondo
En cada una de las zonas hay que aplicar una presión perpendicular a la pared del cono y una
fuerza de rozamiento del material paralelo a la pared del cono. Como se puede apreciar en la figura 6 la zona de altas presiones corresponde aproximadamente al ancho de una placa que forma el cono. En la figura 6 se muestran las presiones máximas del flujo de descarga aplicadas
centradas en aristas de placa prefabrica, definido en adelante como caso de carga ELS1, pero también puede darse el caso de que la situación esté ligeramente girada y la zona de máximas
presiones de descarga coincida en la zona central de la placas prefabricadas, definido en adelante como caso de carga ELS2. Se plantean los casos de carga dado que a priori no se sabe cuál va a dimensionar la armadura.
Figura 7. Estados de carga para el cono de fondo. Izquierda zonas de presión máxima sobre arista de
pieza de cono. Derecha zonas de presión máxima sobre centro de placa prefabricada
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A continuación se muestra el análisis de las tensiones sobre el cono, una vez aplicadas las presiones. El análisis se realiza con cargas en servicio, mayorando posteriormente los valores
para obtener valores de armadura. Se muestran los resultados pésimos. La armadura inferior está
condicionada cuando la presión coincide con el centro de placa (ELS2). La armadura superior está
condicionada cuando la presión máxima está sobre arista de placa (ELS1). Para comprobar el requerimiento de armadura se tomas las tensiones en la parte superior e inferior del elemento y se obtiene la armadura por el método de volumen de tracciones.
Figura 8. Estado de tensiones del cono, con presión máxima sobre centro de placa.
Con el estado tensional mostrado en la figura 8 el requerimiento de armadura en parte inferior de las placas es de 8 t, como se aprecia en la figura 9.
txVt 125.12
065.0*2300
Figura 9. Estado tensional en centro de placa en ELS2
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Figura 10. Estado de tensiones del cono, con presión máxima sobre arista de placas.
Con el estado tensional mostrado en la figura 10 el requerimiento de armadura en parte superiorde las placas (en la junta) es de 52 t mayoradas, como se aprecia en la figura 11.
txVt 525.12
117.0*6000
Figura 11. Estado tensional en arista de placas en ELS1
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5. Conclusiones
La armadura transversal dispuesta en planos en placas es de 52 t. En el caso de carga ELS1, con la presión máxima sobre aristas de placa, la armadura transversal superior se encuentra
trabajando al 100%.
La repetición sistemática de este estado tensional ha originado sin duda una fuerte fisuración en el
hormigón de segunda fase colocado entre las placas prefabricadas, con solicitaciones alternadas de momentos con signo invertido según la ubicación de la chimenea de flujo que se origina sobre
los puntos de vaciado del silo, por lo que se ha perdido la simetría en la transmisión de la
compresión general según los paralelos en el cono originando disloque entre dos placas
prefabricadas sucesivas, y por lo tanto el colapso general inmediato del cono.
Otro aspecto a tener en cuenta es que la armadura dispuesta en el detalle de unión entre placas
que figura en los planos de Proyecto es de muy difícil colocación, pareciendo razonable suponer
que durante los trabajos de ferrallado y hormigonado de estos elementos o no se colocó según
figura en plano o se cortaron mediante soplete las patillas de anclaje de esa armadura para poder asegurar la geometría del conjunto. En cualquier caso, en esa situación, la capacidad de trabajo
del refuerzo se ve reducida drásticamente, generando inmediatamente la fisuración aludida
anteriormente.
Figura 12. Detalle de armado en la unión de placas prefabricadas
Si las aristas en algún momento no han sido capaces de transmitir los esfuerzos de una placa a
otra, han pasado a trabajar como articulaciones. En este supuesto el requerimiento de armadura de positivos (inferior) en el centro de placa aumenta considerablemente.
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6. Proyecto de Reparación
Como se ha visto, el cono sufrió un colapso estructural. Se planteó el Proyecto de Demolición del
cono existente y la construcción de un cono nuevo dentro del silo. Tanto el proceso de vaciado total del silo, demolición del cono existente y la construcción del nuevo cono han sido un reto
importante, debido a las condiones de trabajo, polvo en suspensión constante en el interior del
silo, las enormes dificultades de acceso, tanto de personal como de medios materiales, a trávés
de las salidas de material existente en el silo.
En el proceso de demolición se vió que tanto la viga perimetral de apoyo del cono como los pilares habían sufrido daños, por lo que se optó por la restitución total del cono incluyendo la viga
perimetral y los pilares.
Dado que el problema del vaciado ecéntrico provocó problemas en las juntas de placas
prefabricadas del cono, que finalmente llevaron al colapso del silo, en la solución adoptada para el nuevo cono, además de no ser un cono formado por piezas prefabicadas, sino un cono in situ, los solapes de las armaduras horizontales se dispusieron de forma que se alejaran lo mas posible de las aristas.
Figura 10. Restitución de la viga de fondo del cono, vista superior del enconfrado parcial del cono
7. Referencias
[1] EUROCODIGO 1- Actions on structures - Part 4:Silos and Tanks.