tanque isidro gomez caceres liberado
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UNIVERSIDAD DE TALCA FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA DE EJECUCIÓN EN MECÁNICA
CÁLCULO DE ESTANQUES PARA EL ALMACENAMIENTO
DE AGUA, ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS NORMAS API 650 Y AWWA D-100
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO DE EJECUCIÓN EN MECÁNICA
PROFESOR GUÍA:
SR. FERNANDO ESPINOSA FUENTES
ISIDRO ANTONIO GÓMEZ CÁCERES
CURICÓ - CHILE 2007
I
AGRADECIMIENTOS En primer lugar, agradezco a todos mis seres amados; a aquellos que con su apoyo
incondicional, lograron impulsarme cuando no lograba avanzar.
En segundo lugar, a Aker Kvaerner Metals, empresa que me dio la oportunidad de
realizar la práctica, de iniciar mi carrera, y de entregarme a esta fecha todas las herramientas
que necesito para desarrollarme como profesional.
También, a mis profesores, colegas y amigos que siempre me acompañaron en esta
travesía; término de una de las etapas más importante de la vida.
Y hablando de vida, a aquel que es dador de vida eterna, a Jesús.
II
“PARA QUIENES ME HAN AMADO PRIMERO”
III
RESUMEN Se realizó un estudio comparativo de los resultados entregados al calcular estanques
de almacenamiento de agua según las normas habituales para este tipo de cálculo, API 650 y
AWWA D-100.
La norma API 650 permite calcular estanques de acero soldado para el almacenamiento
de petróleo y derivados, y que trabajan a presión cercana a la atmosférica. Esta norma se utiliza
también en el cálculo de estanques para el almacenamiento de agua en empresas donde
requieren una gran cantidad de estanques, optimizando el trabajo de cálculo y diseño al usar
una sola norma.
La norma AWWA D-100, permite calcular estanques de acero soldado para el
almacenamiento de agua, ya sea potable o de procesos, que trabajen a presión atmosférica y
que no necesiten servicio de refrigeración. El uso de esta norma permite calcular estanques de
fondo plano apoyados en el suelo, y estanques elevados sobre una torre estructural.
Respecto a la aplicación, la norma API 650 es más estricta en los procedimientos de
cálculo que la norma AWWA D-100, ya que está diseñada para almacenar combustibles. La
norma API 650 tiene la ventaja de entregar los resultados de las fórmulas en unidades del
sistema internacional y del sistema inglés paralelamente. Por otra parte, la norma AWWA D-
100, dificulta el procedimiento de cálculo debido a que mantiene las unidades del sistema
inglés, a pesar de entregar las equivalencias en el sistema internacional al final de cada
capítulo.
Se destaca en la comparación de las normas, el estudio económico de los costos
directos asociados a la fabricación del estanque. La norma AWWA D-100, tiene un costo de
acero bruto total menor, comparado con la API 650, siendo un 6.3% mas económica.
Paralelamente se desarrolló el costo directo asociado al tamaño de plancha utilizada, su
espesor y el trabajo de soldadura requerida para la fabricación, siendo la plancha de
3000x12000 mm., la medida óptima para utilizar en la fabricación de estanques.
ABSTRACT
A comparative study of the results given by Standard API 650 and AWWA D-100, when
calculating water storage tanks according to the usual was made.
Standard API 650 allows to calculate welded steel tanks for the oil storage and
derivatives, which work to pressure near the atmospheric one. This Standard is also used in the
calculation of tanks for water storage in companies where they require a great amount of tanks,
optimizing the work of calculation and design when using only one Standard.
Standard AWWA D-100, allows to calculate welded steel tanks for the water storage, or
potable or service processed, that work to atmospheric pressure and which do not need
IV
refrigeration. The use of this standard allows to calculate flat bottom tanks supported on the
ground, and elevated tanks on a structural tower.
With respect to the application, Standard API 650 is stricter in the calculation procedures
that Standard AWWA D-100, since it is used to store combustible. Standard API 650 has the
advantage to give the results in parallels of the formulas in units of the international system and
the English system. On the other hand, Standard AWWA D-100, makes difficult the procedure of
calculation because it maintains the units of the English system, in spite of giving equivalences
in the international system at the end of each chapter.
Most excellent in the comparison of the Standard, it is the economic study of the
associated direct costs to the manufacture of the tank. Standard AWWA D-100, has a gross
steel cost total minor, compared with the API 650, being 6,3% most economical. Additionally, a
comparative study was done relative to identity wish is the most economical plate size to
fabricate tanks, considering the thickness of the different courses and welding works, being the
plate of 3000x12000 mm, the optimal measurement to use in the manufacture of tanks.
PALABRAS CLAVES: Estanque, Norma, Comparación
V
ÍNDICE CAPÍTULO 1 “INTRODUCCIÓN” 1.1 ANTECEDENTES Y MOTIVACIÓN 1
1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA 2
1.3 SOLUCIONES PROPUESTAS 2
1.4 OBJETIVOS Y ALCANCES DEL PROYECTO 3
1.4.1 Objetivo general 3
1.4.2 Objetivos específicos 3
1.4.3 Alcances 3
1.5 METODOLOGÍAS Y HERRAMIENTAS UTILIZADAS 4
1.7 ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO 5
1.6 RESULTADOS OBTENIDOS 5 CAPÍTULO 2 “ANTECEDENTES TEÓRICOS” 2.1 GENERALIDADES DE LOS ESTANQUES 6
2.1.1 Definición 6
2.1.2 Clasificación 6
2.1.2.1 Según su función 6
2.1.2.2 Según el material de construcción 8
2.1.2.3 Según su geometría 10
2.1.2.4 Según las propiedades físicas de la sustancia 12
2.1.3 Factores en el diseño de estanques 13
2.1.3.1 Material a almacenar 13
2.1.3.2 Volumen de la sustancia a contener 14
2.1.3.3 Localización del estanque 15
2.2 USO DEL AGUA EN ESTANQUES DE ALMACENAMIENTO 16
2.2.1 El agua 16
2.2.1.1 Uso extractivo 17
2.2.1.2 Uso no extractivo 18
2.2.2 Consumo de agua en la minería 18
2.2.3 Agua Potable 20
2.2.4 Agua de proceso 21
2.2.4.1 Proceso de Flotación 21
2.2.4.2 Proceso de lixiviación 22
2.3 EFECTO DEL AGUA EN LOS ESTANQUES 23
2.3.1 El agua como agente de dureza 23
2.3.2 El agua como agente corrosivo 24
2.3.2.1 Protección catódica 25
VI
2.3.2.2 Recubrimientos 25
2.3.2.3 Diseño 26
CAPÍTULO 3 “APLICACIÓN NORMA API” 3.1 GENERALIDADES 27
3.2 MATERIALES 27
3.2.1 Materiales en General 27
3.2.2 Materiales para Soldadura 28
3.3 SOLDADURA 29
3.3.1 Tipos de Juntas 29
3.3.1.1 Juntas Verticales del Cuerpo 29
3.3.1.2 Juntas Horizontales 30
3.3.2 Soldadura del Fondo 30
3.3.2.1 Soldadura a Traslape 30
3.3.2.2 Soldaduras a Tope 31
3.3.3 Juntas de la Placa Anular del Fondo 32
3.3.4 Juntas del Cuerpo-Fondo 32
3.3.4.1 Espesores ≤ 12.5 mm. de placa de fondo 32
3.3.4.2 Espesores > 12.5 mm. de placa de fondo 33
3.3.5 Juntas para Anillos Anulares 33
3.3.6 Juntas del Techo y Perfil de Coronamiento 33
3.4 CONSTRUCCIÓN DEL ESTANQUE 34
3.4.1 Placa de fondo 34
3.4.2 Placa anular 34
3.4.3 Manto o Cuerpo 34
3.4.3.1 Cálculo de Espesor de Cuerpo por el Método de un Pie 35
3.4.3.2 Cálculo espesor del Cuerpo por Método de Punto Variable de Diseño 36
3.4.4 Accesorios 39
3.4.4.1 Boquillas en las Paredes del Estanque 39
3.4.4.2 Conexiones en el fondo del Estanque 39
3.4.4.3 Conexiones en el techo del Estanque 40
3.4.4.4 Entrada de Hombre 40
3.4.4.5 Venteo 40
3.4.4.6 Plataformas 41
3.4.4.7 Escaleras 41
3.4.5 Techo 42
3.4.5.1 Techo Cónico Autosoportado 42
3.4.5.2 Techo tipo domo y sombrilla autosoportado 43
VII
3.4.5.3 Techos Soportados 43
3.4.6 Anillo de Coronamiento 44
3.5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 44
3.5.1 Cargas por Viento 44
3.5.2 Cargas por Sismo 45
3.5.2.1 Resistencia en estanques no anclados 49
3.5.2.2 Resistencia en estanques anclados 51
3.5.2.3 Compresión máxima permitida en el estanque 51 CAPÍTULO 4 “APLICACIÓN NORMA AWWA” 4.1 GENERALIDADES 52
4.2 MATERIALES 52
4.2.1 Materiales en General 52
4.3 SOLDADURA 52
4.3.1 Juntas a Tope 53
4.3.1.1 Tope sometido a esfuerzo primario 53
4.3.1.2 Tope sometido a esfuerzo secundario 53
4.3.2 Juntas a Traslape 53
4.3.2.1 Traslape sometido a esfuerzo primario 53
4.3.2.2 Traslape sometido a esfuerzo secundario 53
4.4 CONSTRUCCIÓN ESTANQUE 54
4.4.1 Perfiles del cuerpo, refuerzos intermedios y anillos de compresión 54
4.4.1.1 Perfil superior del cuerpo 54
4.4.1.2 Vigas Intermedias del cuerpo 54
4.4.2 Techo 55
4.4.3 Placas del cuerpo 55
4.4.4 Pernos para fundación 56
4.4.5 Accesorios 57
4.4.5.1 Entrada de Hombre 57
4.4.5.2 Conexiones 57
4.4.5.3 Rebose 57
4.4.5.4 Escalas 57
4.4.5.5 Venteo 57
4.5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 58
4.5.1 Diseño de cargas por viento 58
4.5.2 Unidades de Esfuerzos 59
4.5.3 Diseño Sísmico 59
4.5.3.1 Corte Base 59
VIII
4.5.3.2 Momento de Volteo 60
4.5.3.3 Resistencia en estanques no anclados 62
4.5.3.4 Resistencia en estanques anclados 63
4.5.3.5 Esfuerzo de tensión sísmico hidrodinámico periférico 63
4.5.3.6 Esfuerzo permitido en sismos 64
4.5.3.7 Deslizamiento de estanques 65
CAPÍTULO 5 “COMPARACIÓN DE NORMAS”
5.1 COMPARACIÓN ECONÓMICA 66
5.1.1 Criterio de evaluación 66
5.1.2 Determinación de cálculos 66
5.1.3 Costos de Acero en Bruto 67
5.1.4 Costos de Soldadura 68
5.2 COMPARACIÓN DISEÑO 69
5.2.1 Espesor de Plancha 69
5.2.1.1 Norma API 69
5.2.1.2 Norma AWWA 70
5.2.2 Ángulo del Techo respecto a la Horizontal 71
5.2.3 Otros tópicos 72
5.2.3.1 Unidades 72
5.2.3.2 Apéndices 72
5.2.3.3 Diseño sísmico y por cargas de viento 72
CONCLUSIÓN 73
REFERENCIAS 74
ÍNDICE TABLAS 2.1 Tipo de estanque para distintas sustancias 13
2.2 Propiedades Físicas del agua 16
3.1 Comparación Propiedades Mecánicas del Acero 28
3.2 Espesor de filetes de soldadura 32
3.3 Espesores para placa Anular 34
3.4 Espesor nominal placa de manto 34
3.5 Esfuerzos Permitido en materiales 35
3.6 Tipo de suelo para el coeficiente de sitio 48
3.7 Coeficiente de sitio 49
IX
4.1 Espesor recomendado para filetes 52
4.2 Tipo de Eficiencia de Juntas 56
4.3 Espesores según dimensiones estanques 56
4.4 Coeficiente de fricción para cargas en el techo 58
4.5 Coeficiente Reducción de fuerza 60
5.1 Datos y valores del acero 67
5.2 Diferencia de costos de planchas entre normas 67
ÍNDICE FIGURAS 2.1 Diagrama para un estanque de proceso con agitador 7
2.2 Estanque de agua de reserva para incendios 7
2.3 Estanque de aluminio para transporte de combustible 8
2.4 Estanque tipo silo de concreto 9
2.5 Estanques plásticos reforzados con fibra de vidrio 10
2.6 Estanque horizontal rectangular 10
2.7 Estanque cilíndrico horizontal 11
2.8 Estanque cilíndrico vertical de procesos 11
2.9 Estanque abierto en construcción 12
2.10 Estanque cerrado para Transporte 13
2.11 Principales niveles de volumen 15
2.12 Proyecciones del mercado minero 18
2.13 Consumo límite en minería metálica 20
2.14 Gráfico del consumo de agua potable en Chile 20
2.15 Tratamiento general de aguas crudas 21
2.16 Uso de agua de proceso 22
2.17 Elementos esenciales 24
2.18 Densidad de corrientes para ánodos de sacrificio 25
3.1 Tipos de Electrodos para distintos tipos de acero 28
3.2 Tipo de Juntas Verticales 28
3.3 Tipos de Soldadura Horizontal 30
3.4 Unión a Traslape del Fondo 30
3.5 Junta con bayoneta 31
3.6 Unión a Tope 31
3.7 Junta a Tope 32
3.8 Unión de Techo 33
3.9 Diagrama Método Punto Variable de Diseño 36
3.10 Venteo Típico 40
X
3.11 Zona Sísmica en Chile 46
3.12 Masas Efectivas 47
3.13 Centroides de fuerzas sísmicas 47
3.14 factor k 49
3.15 M/[D2 (wt+wL)] 50
4.1 Determinación Coeficiente Estabilizador 65
5.1 Planilla para determinar costos de soldadura 68
5.2 Gráfico del costo por tipo de plancha 69
5.3 Gráfico espesor según norma 70
5.4 Curva del espesor respecto al ángulo 71
5.4 Esquema de la generatriz respecto al ángulo 72
ÁPENDICES 75
A NORMA API A.1 Grupos de Material
A.2 Tipos de Placas de Refuerzos para Boquillas y Bridas en el cuerpo del estanque
A.3 Dimensiones para Boquillas
A.4 Dimensiones para Tubería, Placa y Tamaño de filete de Soldadura
A.5 Dimensiones de Bridas para Boquillas en el cuerpo del Estanque
A.6 Dimensiones Drenaje
A.7 Dimensiones para Placas de Refuerzo y Bridas en conexiones
A.8 Dimensiones para Conexiones en el Drenaje
A.9 Espesor para Placa de refuerzo en el cuerpo para drenaje
A.10 Dimensiones del Sumidero
A.11 Figuras y Dimensiones de Drenajes
A.12 Conexiones en el fondo del estanque
A.13 Conexiones en el techo del estanque
B B.1 Tablas y Figuras para dimensionar Entrada de Hombre en el Manto
B.2 Tablas y figuras para dimensionar Entrada de Hombre en el Techo
B.3 Entrada de Hombre del techo Rectangular
C C.1 Ensamble de Techo con el Cuerpo del Estanque
D D.1 Perfiles de Coronamiento
D.2 Esfuerzo de tensión para pernos de anclaje.
D.3 Tabla con Perfiles de coronamiento y Refuerzo
XI
D.4 Extracto Norma Chilena para Factor de Importancia
E NORMA AWWA E.1 Tabla de unidades para esfuerzo de tensión y compresión
E.2 Tabla de unidades para esfuerzo a flexión y corte
E.3 Tabla de unidades para esfuerzo de apoyos
F F.1 Capítulo de Estabilidad de la Norma
G G.1 Perfiles de Coronamiento en Chile
G.2 Sobrecargas de Nieve según NCh 431 Of.77
G.3 Coeficiente de Importancia según NCh 2369-2003
H CALCULO NORMA API 650 I CALCULO NORMA AWWA D-100 J COTIZACIONES
1
CAPÍTULO 1 “INTRODUCCIÓN” 1.1 ANTECEDENTES Y MOTIVACIÓN
Chile, como país minero, tiene una gran responsabilidad en desarrollar Ingeniería
alrededor de esta área de negocios. Esto debido a que existe un notable crecimiento económico
y un respaldo gubernamental hacia este tipo de actividad.
En el país existe un círculo limitado de empresas nacionales dedicadas a desarrollar
Ingeniería en el sector minero. Esto ha generado que empresas multinacionales, con
experiencia en esta área, se inserten en nuestro país obteniendo muy buenos resultados con
una alta competitividad en el mercado nacional e internacional. La incorporación de capital
humano extranjero, ha permitido adquirir conocimientos y experiencia, que ha contribuido a
desarrollar profesionales chilenos con una alta capacidad de liderazgo para gerenciar proyectos
nacionales e internacionales.
Aker Kvaerner, es una empresa multinacional dedicada a diversas áreas de la
ingeniería y construcción. En Chile, (específicamente en la ciudad de Santiago), se encuentra
Aker Kvaerner Metals, enfocada principalmente a desarrollar proyectos mineros en sus distintas
fases de diseño y ejecución.
En el diseño de equipos mecánicos, el estanque, (ya sea para almacenar agua potable,
agua de procesos, pulpa, etc.) es un tema común que maneja la disciplina mecánica dentro de
la empresa. A objeto de estructurar el diseño de estanques, se generan bases para especificar
las características de funcionalidad, construcción, transporte, etc., permitiendo un correcto
procedimiento en sus distintas etapas de ejecución.
Este desarrollo está acompañado de pautas, que dirigen la elaboración de planillas de
cálculos para estos equipos mecánicos, a través de normas, (documentos que permiten ordenar
distintos procesos aplicados a una actividad específica, por ejemplo normas científicas,
industriales, económicas, etc.) lo que genera servicios uniformes y garantiza los distintos
requerimientos.
En general, las normas se utilizan con frecuencia en ingeniería, para certificar la
calidad, seguridad y funcionamiento de los elementos diseñados, permitiendo entregar equipos
confiables a los requerimientos del cliente. Concretamente, este trabajo se enfoca a la aplicación de normas en una planilla de
cálculo para estanques que almacenan agua, contribuyendo al desarrollo de esta tarea en la
empresa.
2
1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
El diseño de estanques para el almacenamiento de sustancias, implica muchos factores
que van a depender de las características propias del material, cantidad, manejo y entorno en el
cual se instalará el equipo mecánico.
En la etapa inicial del diseño, la recopilación de información debe ser precisa para el
posterior cálculo (esto, a propósito de otros diseños que eventualmente se pudiesen consultar,
pueden parecer similares pero no iguales); se destaca la importancia de que cada estanque
posee características propias, esto conduce a realizar un estudio particular para desarrollar el
diseño y cálculo de cada estanque. En este contexto, las normas permiten optimizar el ejercicio
anterior, a través de métodos estructurados que previamente han diseñado profesionales que
pertenecen a organizaciones de normalización, con la finalidad de estandarizar un único
procedimiento para el cálculo de estanques, en este caso, para el almacenamiento de agua.
Además del uso de las normas como recurso, es recomendable guardar un registro de
los cálculos para su posterior consulta, en caso de diseñar un estanque con similares
características. La utilidad que puede entregar esta planilla electrónica, dependerá de la
capacidad de interpretación que se logre en el diseño estructural del programa.
1.3 SOLUCIONES PROPUESTAS
Las normas a utilizar serán: la API 650 [1] y la AWWA D-100 [2], ambas normas son
muy utilizadas en la industria en el diseño de estanques para el almacenamiento de agua.
Por una parte, la norma API 650enfoca su diseño en estanques de acero que
almacenan petróleo o subproductos que pueden ser almacenados a una presión cercana a la
atmosférica, no mayor a 2.5 PSIgA (119 kPa); en este sentido tiene el alcance para contener
agua, tomando en consideración la seguridad del diseño que esta norma aplica. La norma
AWWA D-100 en cambio, específica el diseño del estanque exclusivamente para almacenar
agua, por lo que ambas normas pueden ser aplicadas para el cálculo de estanques.
Después de estudiar algunas planillas de cálculos de estanques recopiladas, se
establece una base para el programa computacional con los principales factores que se
considerarán en el cálculo, aplicando las especificaciones indicadas por norma.
Una vez estructurada la base de cálculo, se inicia la programación en el software
Mathcad 2000, una herramienta que permite realizar operaciones de cálculo entregando de
forma ordenada los requerimientos considerados.
Se concluye con el análisis de comparación entre las dos normas, indicando las
ventajas y desventajas entregadas por ambas.
A PSIg: Pounds per Square inch gauge (libras por pulgadas cuadradas manométricas).
3
1.4 OBJETIVOS Y ALCANCES DEL PROYECTO 1.4.1 Objetivo general
Realizar un análisis comparativo de las normas API 650 y AWWA D-100, utilizando
herramientas computacionales que permiten aplicar el cálculo descrito en ellas, además de
aplicar las recomendaciones indicadas para la fabricación y el análisis de comprobación de
fuerzas a las que están sometidos los estanques para almacenamiento de agua
1.4.2 Objetivos específicos
▪ Analizar el diseño y cálculo de estanques para el almacenamiento de agua (agua
potable, de procesos, etc.), con la finalidad de conocer el procedimiento mas usado por
ingenieros de diseño.
▪ Estudiar la norma API 650 y AWWA D-100 para la correcta aplicación en la planilla de
cálculo.
▪ Conocer los aspectos mecánicos básicos que se deben considerar en el diseño y
cálculo de estanques para almacenar agua.
▪ Confeccionar una guía particular, que incluya las condiciones de servicio y operación al
cual será sometido el cálculo del estanque.
▪ Desarrollar una planilla de cálculo a través de Mathcad 2000 (usado como herramienta
computacional), para un estanque específico usado como referencia para el programa.
▪ Realizar un análisis del cálculo, y comparación de las normas.
▪ validar el desarrollo.
1.4.3 Alcances
El material del estanque a considerar será del tipo metálico, específicamente acero del
tipo estructural bajo la norma ASTM B definida por API 650 en la sección 2.2.2. y en 2.2 de la
AWWA D-100. Sólo se considerará la estructura del estanque, esto es: fondo o base, manto y
techo.
Se abordará el tema usando como sustancia de trabajo, agua; las propiedades serán
indicadas según corresponda en el desarrollo del texto.
El estanque que se utilizará como referencia en el cálculo, será del tipo cilíndrico de
fondo plano y no se aplicará a estanques elevados (con torre de elevación), o estanques
semienterrados y enterrados.
El uso del estanque propuesto para el programa, debe ser aplicable en varios campos
de la industria y de uso común en cualquier actividad donde se requiera almacenar agua, por
ejemplo en la agroindustria, minería, obras públicas, etc. B ASTM “American Society for Testing and Material”, Sociedad Americana para pruebas de Material.
4
1.5 METODOLOGÍAS Y HERRAMIENTAS UTILIZADAS En primer lugar, se debe recopilar información que dirija al cálculo de estanques para
almacenamiento de agua. Principalmente, investigar aquellos puntos que se mencionan en los
alcances propuestos. El cálculo aplicado debe estar bajo una de las dos normas, por lo que la
información es reducida y se debe seleccionar aquella que se ajuste con mayor exactitud a los
requerimientos presentados.
La norma API 650 está escrita en inglés; por lo que su traducción es esencial para la
correcta aplicación. Existen varias ediciones de esta norma, se utilizará la décima edición con
revisión del año 2001. Esta edición tiene una ventaja respecto a las anteriores, al utilizar
paralelamente dos sistemas de unidades: sistema inglés (US)C y sistema internacional (SI)D. La
norma AWWA D-100 en cambio, está escrita en inglés y con unidades inglesas, pero al final de
cada capítulo, existe un resumen de las principales fórmulas con la transformación a unidades
métricas.
Algunos cálculos de estanques consultados, se realizan en el programa computacional
Excel que está diseñado para el orden de datos, sin embargo dificulta el seguimiento de las
fórmulas, tablas, y búsqueda de resultados; no siendo correctamente funcional. Un seguimiento
al programa, permitirá entender de mejor manera, la secuencia del cálculo.
Cuando se concluye el trabajo de investigación y estudio, se canalizarán los parámetros
que intervienen en el cálculo del estanque y se construirá una secuencia ordenada para el
desarrollo del programa, también estudiar los atributos que puede ofrecer el software que se
utilizará para el desarrollo de la planilla de cálculo, así obtener el mayor beneficio de esta
herramienta. Mathcad 2000, es una herramienta computacional que permite elaborar desde
operaciones básicas de cálculo, hasta programas complejos. Se definen los valores de entrada
por parámetros simples o compuestos, los cuales se pueden variar según los requerimientos
que se necesiten. Entrega un detalle ordenado y fácil de seguir de los cálculos, sin embargo,
está acotado por la estructura que el usuario pueda construir en el programa.
Luego de haber desarrollado la planilla de cálculo, está debe entregar resultados
aproximados a lo real y comercial, haciendo la comparación con estanques de similares
características.
C Conocido como sistema imperial de unidades. Es el conjunto de las unidades no métricas que se utilizan actualmente
en Estados Unidos y en muchos territorios de habla inglesa (como en el Reino Unido), Las unidades mismas tienen sus
orígenes en la antigua Roma. Hoy en día, estas unidades están siendo lentamente reemplazadas por el Sistema
Internacional de Unidades, aunque en Estados Unidos la inercia del antiguo sistema y el alto costo de migración ha
impedido en gran medida el cambio. [3] D También denominado sistema internacional de medidas, es el sistema de unidades más usado internacionalmente
que deriva del antiguo sistema métrico decimal. Las unidades del SI son la referencia internacional de las indicaciones
de los instrumentos de medida, calibraciones y comparaciones.
5
1.6 RESULTADOS OBTENIDOS
La norma AWWA D-100, resultó ser más eficiente en el costo directo de la fabricación
del estanque, con 6.3% en comparación con el material requerido en la fabricación del mismo
estanque aplicando la norma API 650.
El análisis de cálculo para comprobar si el estanque soporta las cargas provocadas por
el viento y las cargas provocadas por sismo, fueron validadas después de comprobar
teóricamente el funcionamiento del estanque bajo las condiciones especificadas en los cálculos
de los apéndices H e I.
El estanque modelo, pertenece a un equipo requerido para el proyecto de expansión de
la mina de oro en Boddington, Australia, la validación con este estanque es un tema pendiente,
debido a el desconocimiento de quien lo realizó. Los resultados de la comprobación teórica,
resumen que el estanque no requiere anclarse, y soporta el movimiento sísmico y las cargas
por viento, en ambas normas.
1.7 ORGANIZACIÓN DEL DOCUMENTO El capítulo dos, es la introducción al tema de los estanques para el almacenamiento de
sustancias, se entrega aspectos generales de clasificación, función, tipo y se entregan las
generalidades de los estanques para el almacenamiento de agua, el efecto del agua en los
estanques, y las formas que existen para protegerlos.
El siguiente capítulo, explica en detalle el procedimiento que aplica la norma API 650,
para el cálculo del estanque. Se dan las pautas de soldadura, selección de accesorios, y
describe las características principales de fuerzas actuantes sobre los estanques, como las
cargas por viento y sismo.
El capitulo cuatro, es equivalente al anterior, pero aplicando la norma AWWA D-100.
El último capítulo describe el análisis comparativo de las normas, utilizando
herramientas de economía general, se describe los aspectos mas relevantes a rescatar en el
cálculo de estanques para almacenamiento de agua.
6
CAPÍTULO 2 “ANTECEDENTES TEÓRICOS” En este capítulo, se describe una visión general de los estanques para el
almacenamiento de sustancias, además de especificar las características, alcances, y
requerimientos para su diseño.
2.1 GENERALIDADES DE LOS ESTANQUES 2.1.1 Definición [4]
• Estanque (de estancar):
1. m. Balsa construida para recoger el agua, con fines utilitarios, como proveer al riego,
criar peces, etc., o meramente ornamentales.
• Tanque (De tancar):
2. m. Depósito montado sobre ruedas para su transporte.
3. m. Recipiente de gran tamaño, normalmente cerrado, destinado a contener líquidos o
gases.
5. m. Estanque, depósito de agua.
Particularmente, este documento utilizará la expresión “estanques” para referirnos al
correcto término “tanques”, indicado en la 3ra. Mención. Esto permitirá situarse en el contexto
técnico nacional, cuando se haga referencia a estos equipos mecánicos.
2.1.2 Clasificación
Los estanques permiten almacenar en su interior principalmente fluidos individuales o
mezclas (pueden ser líquidos y/o gases), que deben ser acumulados para su posterior uso.
La selección del tipo de estanque, depende del servicio que se requiere para cada caso.
Estos equipos mecánicos se clasifican según su función, materiales de construcción, geometría,
y propiedades físicas de la sustancia.
2.1.2.1 Según su función
El equipo debe ser seleccionado según la función que se requiere en el. Pueden ser
clasificados en: producción, proceso y reserva.
• Producción y Proceso: en este caso los estanques son un elemento de transición en el
transporte de una mezcla. En la industria minera y petroquímica se utiliza
generalmente este tipo de estanque, debido a los distintos procesos que se ejecutan
para la obtención de un producto específico (ver figura 2.1). Una característica
particular de este tipo de estanque, es el uso de agitadores para mantener en
movimiento la mezcla, de forma que no precipite.
7
Figura 2.1 diagrama para un estanque de proceso con agitador
• Reserva: dentro de la minería, este tipo de estanque se utiliza principalmente como
almacenamiento de sustancias con un mayor tiempo de residencia; generalmente
poseen una mayor dimensión que los estanques de proceso y permiten ser una pausa
dentro del área productiva y de transporte. También se utilizan comúnmente en zonas
rurales, servicios públicos, hospitales, etc. que generalmente requieren almacenar agua
de emergencia (ver figura 2.2).
Figura 2.2 estanque de agua de reserva para incendios.
8
2.1.2.2 Según el material de construcción
La selección del material se basa principalmente en el costo del material, facilidad y
rapidez de la construcción, resistencia a la corrosión, compatibilidad con el material que se va a
almacenar y según indicación de alguna norma. Los materiales más comunes que se utilizan se
pueden clasificar en: metálicos y no metálicos (ambos pueden o no tener recubrimiento).
• Metálicos: principalmente se utiliza como material el acero y sus variaciones como el
inoxidable, además del aluminio. Los estanques de acero son los más comunes debido
a que es un material abundante, muy fácil de adquirir; además que la construcción con
este material es rápida, eficiente y de bajo costo. Son utilizados para almacenar líquidos
y/o gases.
Los estanques de aluminio son utilizados principalmente para almacenar gases o
combustibles, y en general son de menor tamaño en comparación con los de acero. Al
ser un material liviano, el aluminio es adecuado para construir estanques pequeños que
se puedan transportar fácilmente, como en los camiones de combustible, camiones
cisterna, etc. (Ver Figura 2.3).
Figura 2.3 estanque de aluminio para transporte de combustible
9
• No metálicos: los más utilizados son los estanques de plástico y de concreto. Se
utilizan principalmente para almacenar líquidos, como también pueden ser utilizados
para estanques de sedimentación, para manejo de desperdicios o para almacenamiento
de granos (silos) (ver figura 2.4). El estanque de concreto es de un alto costo en
comparación con el de acero, además el concreto para estructuras hidráulicas debe ser
de baja permeabilidad y resistente a la corrosión química. Esta cualidad es necesaria
para prevenir el goteo a través del concreto y proveer protección contra la corrosión del
refuerzo.
Figura 2.4 estanque tipo silo de concreto
Por otra parte, el estanque plástico (comúnmente reforzado con fibra de vidrio), tiene un
menor costo que el de acero, además posee varias características que lo hacen ser
muy cotizados actualmente, por ejemplo, ser indiferentes a la corrosión, resistentes a
cargas, livianos, no necesitan mantenimiento continuo, traslúcidos; por nombrar alguna
de ellas (ver figura 2.5). Actualmente son diseñados para capacidades pequeñas y
medianas.
10
Figura 2.5 estanques plásticos reforzados con fibra de vidrio 2.1.2.3 Según su geometría Esta debe ser la característica principal, que define según la mayoría de los textos los
distintos tipos de estanques. Respecto a las posiciones del estanque, estos pueden estar en
altura o con torre de elevación, semienterrados, enterrados, y los que están a nivel de suelo.
Se puede mencionar un detalle de todos los modelos y clases según su forma, pero en
general, se clasifican según las más significativas: horizontales y verticales.
• Horizontales: existe el estanque rectangular el cual se construye generalmente con la
menor altura posible, debido a las fallas que presenta respecto de las concentraciones
de esfuerzos que se producen en sus esquinas. Tiene la ventaja de su facilidad para
adaptarse al espacio donde se instalan, (cuadrado, rectangular, en L) especialmente en
espacios reducidos (ver figura 2.6).
Figura 2.6 estanque horizontal rectangular
11
Los estanques cilíndricos horizontales, generalmente almacenan volúmenes
relativamente bajos, debido a que presentan problemas de fallas por corte y flexión. En
sus extremos presentan formas principalmente cilíndricas que dependen de las
condiciones de presión de vaporE de la sustancia almacenada. Principalmente se usan
para almacenar volúmenes pequeños de sustancias, y se utilizan principalmente para el
transporte de productos petroquímicos (ver figura 2.7).
Figura 2.7 estanque cilíndrico horizontal
• Verticales: Este tipo de estanque es uno de los más usados ya que permite almacenar
grandes volúmenes de líquidos y concentrados. Es recomendable ser diseñado en su
forma cilíndrica únicamente, y dependiendo del uso requerido se pueden encontrar con
fondo plano o cónico, con o sin techo. El estanque cilíndrico vertical se utiliza
comúnmente para procesos, ya que posee varias ventajas respecto al horizontal, por
ejemplo, se puede insertar paletas o agitadores (facilidad para manejar la sustancia
geométricamente), mayor capacidad de almacenaje, menor costo de material, etc. (ver
figura 2.8).
Figura 2.8 estanque cilíndrico vertical de procesos. E La presión de vapor, Pv, corresponde a la presión de equilibrio de un sistema que tiene dos fases presentes, una de
las cuales es un gas o vapor y la otra líquida.
12
2.1.2.4 Según las propiedades físicas de la sustancia
Las propiedades de temperatura y presión, definen en parte si el estanque debe ser
abierto o cerrado. Especialmente se debe tener cuidado con los gases, debido a las bajas
temperaturas a las que están sometidos, por ejemplo, el gas natural licuado (GNL) requiere una
temperatura de almacenamiento de -160ºC. También la presión es un factor importante al
momento de la selección del estanque, debido principalmente al proceso que se esté
ejecutando dentro del equipo, lo que determina la capacidad de trabajo con esta propiedad. Se
clasifican en estanques abiertos y cerrados.
• Abiertos: son aquellos estanques que generalmente trabajan a una presión igual o
cercana a 1 atmósfera (101.325 kPa) y temperatura ambiental. Principalmente, se usan
en la industria alimenticia, vitivinícola, y agrícola; y por lo general poseen un
revestimiento de goma, plástico u otro material para mejorar la resistencia a la corrosión
(ver figura 2.9).
Figura 2.9 Estanque abierto en construcción
• Cerrados: estos estanques están diseñados principalmente para el área industrial,
donde se necesita acumular un producto en condiciones distintas de presión y
temperatura normales (presión atmosférica y temperatura ambiente). Por lo general se
utilizan en sustancias volátiles y derivados de petróleo debido a las propiedades físicas
y químicas que poseen (ver figura 2.10). También son muy utilizados donde se requiere
proteger de agentes como el polvo, basura y animales, que pueden afectar las
características de la sustancia almacenada.
13
Figura 2.10 estanque cerrado para transporte.
2.1.3 Factores en el diseño de estanques: Existen muchos factores al evaluar el diseño y construcción de un estanque,
principalmente va a depender de las siguientes características: material a almacenar, volumen
de sustancia a contener y localización del estanque.
2.1.3.1 Material a almacenar
Los estanques son estructuras especialmente construidas para almacenar algún
material o sustancia. Principalmente son utilizados para acumular líquidos tales como agua,
combustibles, químicos, además de almacenar vapor, etc. Asimismo, pueden ser utilizados para
almacenar desperdicios, tanto sólidos como líquidos, como pueden formar parte de operaciones
o procesos como almacenamiento de granos, pulpa, concentrados para minería y a veces son
utilizados como reactores. En este sentido, es esencial en el diseño del estanque, que el equipo
sea capaz de soportar los agentes corrosivos, volátiles, explosivos, etc., que posee la
sustancia. De ahí deriva toda la investigación que se debe realizar para determinar el tipo de
material a utilizar en la construcción del estanque, y las precauciones medioambientales por las
cual se debe regir el estudio. Podemos ver en la tabla 2.1, algunas sustancias de uso común
con el respectivo material de estanque.
Tabla 2.1: Tipo de estanque para distintas sustancias.
ESTANQUE
SUSTANCIAAgua
Petróleo y derivados
Material de minería
Gases y químicos
Alimentos
ACERO C C C C C
ALUMINIO E E --- E E
PLÁSTICO C --- E --- C
CONCRETO C E --- --- E
Uso común: C Uso especial: E
14
Otra característica importante que deriva de este factor, es la compra del material para
la construcción del estanque. Los fabricantes deben tener la precaución de diseñar el estanque
según los materiales disponibles en el mercado, tal es el caso de los estanques de aluminio y
acero, los cuales deben regirse por los estándares que existen de planchas según indicación de
quienes proveen estos materiales.
2.1.3.2 Volumen de la sustancia a contener
Este factor determina principalmente la geometría que tendrá el estanque, debido al
volumen de sustancia a almacenar. Para volúmenes pequeños se pueden utilizar casi todos los
tipos de estanques, sin embargo para capacidades mayores a 1000 barriles (159m3),
usualmente se utilizan los estanques verticales cilíndricos. En la industria minera y
petroquímica, se requiere almacenar grandes cantidades de productos, por lo que se necesita
estanques de gran dimensión. Para el almacenamiento de GNL por ejemplo, estos pueden
almacenar desde 50.000 (7.950m3) hasta unos 150.000 barriles (23.848m3), con un diámetro
entre 50 a 70 metros y una altura que bordea los 14 metros.
Es frecuente no utilizar toda la capacidad del estanque en almacenar el producto,
debido a diversos factores físicos como el movimiento del producto en el transporte, gases que
emite la sustancia, espuma, etc.; otros de tipo económico como la pérdida de producto por
derrame, y factores de diseño como la dimensión del material disponible.
La capacidad del estanque posee principalmente 3 tipos de volúmenes: volumen
muerto, volumen de trabajo o “vivo” y volumen máximo de diseño.
• Volumen muerto: corresponde al volumen mínimo de sustancia que puede contener el
estanque. Para el caso de fluidos industriales, se utiliza como una forma de asegurar
que los sólidos que existen en el líquido precipiten al fondo, también para el caso de
sustancias que generan espuma, se utiliza como volumen reductor de este efecto. Para
líquidos puros o sustancias sin mezclas, lo ideal es que no exista este tipo de volumen,
o bien, es una forma de asegurar el nivel mínimo de almacenamiento.
• Volumen de trabajo o volumen vivo: es la capacidad normal de trabajo con la que opera
el estanque. Por ejemplo, si se requiere almacenar 20m3 de agua, ese es el volumen de
trabajo, y en el diseño se debe sumar además el volumen muerto y el volumen máximo
de diseño.
• Volumen máximo de diseño: se refiere a la capacidad máxima que permite el estanque.
El contenido se asocia al nivel de volumen en relación a la altura del estanque, que por
lo general es de un 80% a 90%.
El factor volumen de una sustancia es muy variable, a veces depende de la norma por
la cual se regirá el diseño.
Como ejemplo, podemos ver en la figura 2.11, los principales niveles para estanques
cilíndricos verticales, con sus respectivas capacidades.
15
Figura 2.11 principales niveles de volumen
2.1.3.3 Localización del estanque
Este factor afecta principalmente a aquellos estanques que están fijos en un
determinado lugar, además requiere de un completo estudio antes de diseñar un estanque.
Principalmente se debe analizar el entorno donde se construirá, el espacio disponible para su
construcción y la condición geográfica.
• Entorno: se refiere al estudio que debe realizarse respecto de las condiciones naturales,
como por ejemplo accesos, impacto medioambiental, estudios de suelos, etc.
El estudio de suelos investiga principalmente la capacidad que posee el terreno para
soportar el estanque, determinando la humedad presente, capacidad de drenaje, y
resistencia a perforaciones.
• Espacio disponible: en un estudio previo, se debe determinar la geometría del
estanque, ubicarlo geográfica y topográficamente dentro de algún recinto, y respaldar la
información a través de planos y diagramas de su función o proceso. Se incluye
también, planos donde se indique toda la información disponible para su construcción;
detallando vistas, secciones, dimensiones, etc. Obteniendo una información completa y
específica del diseño, facilitando su interpretación.
Si el estanque es solicitado por encargo, se debe especificar a través de una hoja de
datos o “Data Sheet”, las características principales para su construcción, condiciones
de servicio y especificaciones técnicas.
• Condición geográfica: se refiere a las características climáticas y geodésicas en las que
se encontrará el estanque. Principalmente, los factores que afectan directamente a una
estructura son: el viento, la sobrecarga de nieve y los sismos. Cada uno de estos
agentes debe estar incluido en el diseño del estanque y dependerán de las normativas
generales y locales respectivas al tema.
16
2.2 USO DEL AGUA EN ESTANQUES DE ALMACENAMIENTO Los estanques de almacenamiento de agua, son utilizados comúnmente en la mayoría
de las actividades que a diario se realizan, como por ejemplo en servicios públicos, industrias,
hogares; y en general, el uso de este recurso puede ser ilimitado.
Se especificará en la industria minera, utilizando el material de estudio disponible en la
empresa, y adecuando el trabajo a los requerimientos locales (situación de Chile).
El agua se acumula según el servicio requerido, se puede encontrar el almacenamiento
de agua potable y el agua de procesos.
2.2.1 El agua El agua es un compuesto formado por dos volúmenes de Hidrógeno y uno de Oxígeno,
es comúnmente conocido como H2O. La densidad se estima según aparece en la tabla 2.2 [5].
Tabla 2.2: Propiedades Físicas del agua
Las propiedades químicas del agua, son uno de los factores importantes que se
consideran para analizar el impacto que tiene sobre el material del estanque en contacto; se
puede mencionar principalmente que el agua:
• Reacciona con los óxidos ácidos.
• Reacciona con los óxidos básicos.
• Reacciona con los metales.
• Reacciona con los no metales.
• Se une en las sales formando hidratos.
• Los anhídridos u óxidos ácidos reaccionan con el agua y forman ácidos oxácidos.
• Los óxidos de los metales u óxidos básicos reaccionan con el agua para formar
hidróxidos. Muchos óxidos no se disuelven en el agua, pero los óxidos de los metales
activos se combinan con gran facilidad.
• Algunos metales descomponen el agua en frío y otros lo hacen a temperatura elevada.
17
• El agua reacciona con los no metales, sobre todo con los halógenos, por Ej.: Haciendo
pasar carbón al rojo sobre el agua se descompone y se forma una mezcla de monóxido
de carbono e hidrógeno (gas de agua).
• El agua forma combinaciones complejas con algunas sales, denominándose hidratos.
En algunos casos los hidratos pierden agua de cristalización cambiando de aspecto, y
se dice que son eflorescentes, como le sucede al sulfato cúprico, que cuando está
hidratado es de color azul, pero por pérdida de agua se transforma en sulfato cúprico
anhidro de color blanco.
En Chile, el agua se clasifica según el código de aguas, publicado en el Diario Oficial el
29.10.81, indicando en el Título I en sus 4 primeros artículos como sigue:
Art. 1. Las aguas se dividen en marítimas y terrestres. Las disposiciones de este Código
sólo se aplican a las aguas terrestres. Son aguas pluviales las que proceden
inmediatamente de las lluvias, las cuales serán marítimas o terrestres según donde se
precipiten.
Art. 2. Las aguas terrestres son superficiales o subterráneas. Son aguas superficiales
aquellas que se encuentran naturalmente a la vista del hombre y pueden ser corrientes
o detenidas. Son aguas corrientes las que escurren por cauces naturales o artificiales.
Son aguas detenidas las que están acumuladas en depósitos naturales o artificiales,
tales como lagos, lagunas, pantanos, charcas, aguadas, ciénagas, estanques o
embalses. Son aguas subterráneas las que están ocultas en el seno de la tierra y no
han sido alumbradas.
Art. 3. Las aguas que afluyen, continua o discontinuamente, superficial o
subterráneamente, a una misma cuenca u hoya hidrográfica, son parte integrante de
una misma corriente. La cuenca u hoya hidrográfica de un caudal de aguas la forman
todos los afluentes, subafluentes, quebradas, esteros, lagos y lagunas que afluyen a
ella, en forma continua o discontinua, superficial o subterráneamente.
Art. 4. Atendida su naturaleza, las aguas son muebles, pero destinadas al uso, cultivo o
beneficio de un inmueble se reputan inmuebles.
La utilidad del agua puede clasificarse según el uso que se demanda, principalmente
existe el uso extractivo y no extractivo.
2.2.1.1 Uso extractivo
Es el uso en el cual se extrae o consume agua del lugar de origen, por ejemplo ríos,
aguas subterráneas, mar, etc.). En general, puede ser cuantificado.
Como principales usos extractivos se puede mencionar:
• Uso en Industrias: se utiliza principalmente como materia prima, refrigerante, solvente,
agente de transporte y como fuente de energía.
18
• Uso municipal: se considera el uso público, comercial y residencial, esto incluye el
consumo directo o como proceso, por ejemplo, cocinar.
• Agricultura: se considera dentro de este grupo, el agua para riego de cultivos y agua
que se consume en ganadería. En general, esta actividad consume en el mundo entre
un 70% a un 80% de todos los usos extractivos.
• Generación de energía: se usa en la producción de energía térmica, una parte del agua
se utiliza para convertirla en vapor, y el resto como refrigerante o enfriador del
condensador.
2.2.1.2 Uso no extractivo
Corresponde al uso que se da al agua, en el ambiente natural de la fuente sin
extracción o consumo del recurso, por ejemplo en deportes náuticos. No es cuantificable.
Como principales usos no extractivos se puede mencionar:
• Generación de energía Hidroeléctrica: el agua es usada para hacer girar una turbina y
de esta manera producir electricidad, así el agua no es extraída, puesto que una vez
utilizada vuelve al caudal aunque no en el mismo de donde se extrajo.
• Transporte: el agua permite principalmente el transporte comercial y turístico.
• Acumulación de residuos: el agua de afluentes naturales como ríos, lagunas y el mar,
son utilizados como receptores de desechos industriales y humanos.
• Recreación: el agua permite el deporte náutico, así como actividades de pesca y de
esparcimiento, como la fotografía o pintura. 2.2.2 Consumo de agua en la minería
La importancia que tiene la minería en el desarrollo económico de Chile, radica
principalmente en la explotación de cobre que posee el país. Como se puede apreciar en la
figura 2.12, también existen proyectos importantes que de concretarse aumentarían la
participación de Chile en el mundo.
Figura 2.12 Proyecciones del mercado minero
19
En nuestro País, la disponibilidad de agua para este sector se ve fuertemente afectada
especialmente en la zona norte, donde las regiones de Tarapacá, Antofagasta, y Atacama son
las principales afectadas. Estimaciones indican que la región de Antofagasta, existe una
proyección de demanda del sector minero que representa un 41% del consumo total,
aproximándose rápidamente a la saturación de la oferta regional [6].
En minería, el agua se utiliza fundamentalmente como transporte en concentradoras del
proceso tradicional de flotación (transporte de residuos y mineral), y del proceso
hidrometalúrgico de lixiviación (Transporte del ácido y de solución enriquecida). El mayor
consumo lo tienen las plantas concentradoras (67%) y los procesos hidrometalúrgicos (19%) [7].
El agua para consumo usualmente es menos de 1.5% en una empresa minera [8], sin embargo,
depende del ámbito de actividades que poseen las diversas empresas mineras. Otros usos
(12.5%), son el abatimiento de polvo, instalaciones sanitarias y en procesos de molienda.
El consumo de agua para el sector minero, se especifica según el volumen en m3 por
tonelada diaria de material tratado. Como una forma de reducir el consumo excesivo de este
recurso, las empresas han hecho grandes esfuerzos en inversiones para racionalizar el
aprovechamiento de agua. Por ejemplo, Candelaria, usa sólo 0.36 m3 de agua fresca por
tonelada diaria de mineral tratado en el proceso de flotación. Chuquicamata realizó fuertes
inversiones que le permitieron reducir de 1.76 a 0.57 m3 de agua fresca por tonelada diaria de
mineral tratado entre fines de los ochenta y fines de los noventa. En comparación, otras faenas
están todavía usando alrededor de 2 m3 por tonelada. Similares diferencias se observan en el
uso de agua en el proceso de lixiviación: los valores extremos van desde 0.11 m3 hasta 0.59 m3
de agua fresca por tonelada diaria de mineral tratado [6].
Existen normativas nacionales que regulan los temas referentes al agua, sus usos y
formas de aprovechamiento. Por ejemplo, el decreto del Ministerio de Obras Públicas Nº 743 del
16.06.05, el cual fija una tabla de equivalencia para definir los caudales de agua que se deben
consumir, a objeto de optimizar el aprovechamiento del agua. Para el sector minero metálico la
figura 2.13 muestra el valor en m3 de los límites de consumo según el tipo de proceso que se
realiza en minería.
20
Figura 2.13 Consumo límite en minería metálica
2.2.3 Agua potable El agua potable, se genera de la llamada “agua cruda” que es el agua natural
proveniente de fuentes superficiales, como lagunas, ríos, esteros y canales o fuentes
subterráneas, como pozos y drenado.
En minería, se ocupa generalmente este recurso, como reserva para abastecer de agua
a toda una planta o a sectores específicos de ella. En Chile, el uso de agua potable en la
minería e industria alcanza un 11% (ver figura 2.14)F.
USOS AGUA POTABLE EN CHILE
uso para riego agrícola, 84.5%
uso doméstico, 4.5%
uso industrial y minero, 11%
Figura 2.14 Gráfico del consumo de agua potable en Chile F Según últimos estudios de la Dirección General de Aguas (DGA)
21
En algunas ocasiones, el agua potable para abastecer la demanda minera, no conviene
ser adquirida por alguna empresa de distribución de agua directamente, debido a la dificultad, y
consecuentemente, el costo que significa el transporte hacia una zona retirada, donde
generalmente se encuentran las mineras. De esta manera, algunas empresas han optado por
tener sus propias plantas de tratamiento de aguas. Por ejemplo, minera Gaby y Spence poseen
plantas de osmosis inversa para el tratamiento de agua potable y tienen además, plantas de
tratamiento de aguas servidas.
Se puede apreciar en la figura 2.15, el proceso de potabilización de agua típico.
Figura 2.15 Tratamiento general de aguas crudas
2.2.4 Agua de proceso
El uso del agua en los procesos mineros, se utilizan principalmente para condicionar el
material a procesar. Principalmente se utiliza en los procesos de Flotación y Lixiviación.
2.2.4.1 Proceso de Flotación
Este proceso esta basado en una propiedad que tienen algunos sólidos, llamada
flotabilidad. Por medio de reactivos y equipos de flotación los minerales sulfurados son
recolectados y concentrados. El mineral finamente dividido es enviado a las celdas de flotación
donde se hace burbujear aire desde el fondo, el cual es repartido homogéneamente mediante
constante agitación, Luego el mineral con la ayuda de colectores y espumantes se adhiere a las
burbujas subiendo a la superficie. El proceso es reiterado en varios ciclos, de manera que cada
ciclo va produciendo un producto cada vez más concentrado.
Se obtiene en la superficie un concentrado de cobre de un 20% a un 35% con una gran
cantidad de agua que es eliminada en un estanque cilíndrico dotado de aspas denominado
espesador, donde se obtiene un producto de un 55 a 65% de sólidos. Luego esta pulpa es
filtrada, eliminando gran parte de la humedad, o bien son secados a temperatura ambiente, en
canchas o cilindros rotatorios, dejando la pulpa con una humedad promedio del 9,5%.
22
Las colas o relaves son recirculadas y llevadas a los estanques de relaves donde
también se obtiene cobre y se recupera el agua al proceso.
2.2.4.2 Proceso de lixiviación
Es un proceso hidrometalúrgico que permite obtener el cobre de los minerales oxidados
que lo contienen, aplicando una disolución de ácido sulfúrico y agua. Este proceso se basa en
que los minerales oxidados son sensibles al ataque de soluciones ácidas.
El material chancado es llevado mediante correas transportadoras hacia el lugar donde
se formará una pila. En este trayecto el material es sometido a una primera irrigación con una
solución de agua y ácido sulfúrico, conocido como proceso de curado, de manera de iniciar ya
en el camino el proceso de sulfatación del cobre contenido en los minerales oxidados. En su
destino, el mineral es descargado mediante un equipo esparcidor gigantesco, que lo va
depositando ordenadamente formando un terraplén continuo de 6 a 8 m de altura: la pila de
lixiviación. Sobre esta pila se instala un sistema de riego por goteo y aspersores que van
cubriendo toda el área expuesta. Bajo las pilas de material a lixiviar se instala previamente una
membrana impermeable sobre la cual se dispone un sistema de drenes (tuberías ranuradas)
que permiten recoger las soluciones que se infiltran a través del material. En la figura 2.16 se
puede observar el proceso general del agua en minería.
Figura 2.16 Uso de agua de proceso
Una de las alternativas que se manejan para el uso de agua en los procesos mineros,
es la desalinización de agua de mar. En Minera Escondida por ejemplo, utilizan este sistema
para la lixiviación de Sulfuros. Básicamente su proceso es el siguiente:
• Pretratamiento: consiste en pasar el agua de mar por un desarenador, luego a una
celda de flotación en donde se extrae la mayor cantidad de material sólido (95% a
99%), luego pasa a una piscina en donde se inyectan gases y finalmente una etapa de
doble filtración. Una vez concluido este proceso, se ejecuta la desalinización.
23
• Desalinización: consiste en separar la sal del agua, a través de osmosis inversa en un
bombeo a alta presión (80 bares).
El agua recuperada, es almacenada en estanques para su posterior transporte. Luego
es conducida por cañerías de acero cerca de 170 Km. y subida a 3200 metros sobre el nivel del
mar. Una vez arriba en la minera, esta agua se deposita en estanques para ser utilizada en las
pilas de lixiviación.
2.3 EFECTO DEL AGUA EN LOS ESTANQUES El almacenamiento de agua, requiere de ciertos cuidados que se deben considerar al
momento de diseñar un estanque, lo más común es la dureza y el agente corrosivo que tiene el
agua lo que ocasiona un deterioro del estanque debido a la composición química que posee. El
agua potable en Chile contiene elementos esenciales, no esenciales, sustancias orgánicas,
plaguicidas, radioactivos y de desinfección.
• Esenciales: Calcio, Cobre, Cromo, Fluoruro, Hierro, Manganeso, Magnesio, Selenio,
Zinc.
• No esenciales: Arsénico, Cadmio, Cianuro, Mercurio, Nitrato, Nitrito, Plomo.
• Orgánicas: Tetracloroeteno, Benceno, Tolueno, Xilenos.
• Plaguicidas: Lindano, Metoxicloro, Pentaclorofenol.
• Radioactivos: Estroncio 90, Ra 226, Emisores Alfa, radioemisores Beta, Emisores Beta.
• Desinfección: Trihalometanos, Monocloroamina, Dibromoclometano, Triclorometano,
Bromodiclorometano, Tribromometano.
2.3.1 El agua como agente de dureza Esta designación, se debe a la cantidad de concentración de mineral presente en el
agua. Principalmente los elementos esenciales afectan las características de los estanques de
acero, por ejemplo las sales de calcio y magnesio producen este efecto de “dureza” en el agua,
cuando estos forman carbonatos no solubles en agua, producto del aumento de temperatura,
precipitándose en el fondo del estanque o adhiriéndose en las paredes en forma de
incrustaciones. Si la dureza es inferior a 60 mg/L de Carbonato de Calcio (CaCO3), el agua se
considera “blanda”, si es superior a 270 mg/L se considera agua “dura” [9]. La norma Chilena
NCh 0409 01-2005, indica en la figura 2.17 las cantidades máximas de concentraciones de
elementos esenciales en agua potable, que en conjunto no deben superar los 132 mg/L.
24
Figura 2.17 Elementos esenciales
Las formas mas utilizadas para disminuir la cantidad de agentes de dureza en el agua,
son los ablandadores, Filtros y actualmente los catalizadores.
• Ablandadores: equipo que transforma los iones de calcio, magnesio y hierro que son
los causantes de la dureza del agua, por iones que no causan durezas como el
aluminio, silicio y sodio.
• Filtros: se utilizan directamente en las tuberías y detienen el paso de los agentes de
dureza.
• Catalizadores: alteran el pH del agua por medio de una pequeña corriente eléctrica
producida por el material de aleación del núcleo de un electrolito (generalmente
compuesto por cobre, níquel, zinc y estaño), acelerando la formación de carbonatos en
forma de cristales que son arrastrados por el agua.
2.3.2 El agua como agente corrosivo Según la norma ASTM, la corrosión se define como “la reacción química o
electroquímica entre un material, usualmente un metal y su medio ambiente, que produce un
deterioro del material y de sus propiedades”.
La corrosión es, principalmente, un fenómeno electroquímico. Una corriente de
electrones se establece cuando existe una diferencia de potencial entre un punto y otro. Cuando
desde una especie química cede y migran electrones hacia otra especie, se dice que la especie
que los emite se comporta como un ánodo y se verifica la oxidación, y aquella que los recibe se
comporta como un cátodo y en ella se verifica la reducción.
Los metales se encuentran presentes en la naturaleza en forma de óxidos, los que son
transformados metalúrgicamente para fabricar metales valorados, mediante la reducción de
óxidos. La corrosión es por lo tanto, el regreso del metal a su estado natural.
Principalmente son agentes corrosivos el agua y el aire, ya que se comportan como
excelentes conductores, permitiendo el traspaso de electrones desde un medio anódico a uno
catódico. Esto provoca una corrosión en la superficie del metal debido a la oxidación producida.
La corrosión provoca que el material pierda la capacidad resistente, debido a la
reducción del espesor de las paredes, lo cual genera un alto impacto en el ambiente, problemas
en metas de producción, costos de operación, penalizaciones y mantenimiento. Se estima que
25
cada año se pierde el 25% de acero fabricado en el mundo, a causa de la corrosión. Esto
justifica ampliamente la utilización de técnicas anticorrosivas.
Las técnicas más empleadas para evitar la corrosión en estanques para
almacenamiento de agua son: Protección Catódica, Recubrimientos, y Diseño.
2.3.2.1 Protección Catódica
La técnica se basa en el principio anteriormente explicado. Básicamente consiste en
incorporar un metal (generalmente una aleación Zinc, magnesio y aluminio según norma
A.S.T.M. B6 46), sobre la superficie del estanque, por el cual se hace pasar corriente para que
el metal se comporte como un ánodo y así el acero del estanque actúa como un cátodo.
También es conocido como ánodo de sacrificio, con lo cual se verifica la oxidación en el metal
sacrificado. En la figura 2.18, se muestra una tabla con las intensidades necesarias para lograr
la protección.
Figura 2.18 Densidad de corrientes para ánodos de sacrificio
2.3.2.2 Recubrimientos:
Todos los tipos de recubrimientos son aplicados una vez fabricado el estanque, con
esto se asegura que la aplicación de estos materiales, proteja de manera efectiva el metal. Los
recubrimientos más ampliamente usados son los derivados asfálticos, las pinturas y las gomas.
• Protección asfáltica: es una membrana específicamente concebida para la protección
contra la corrosión e impermeabilización al interior de estanques prefabricados y en
obra. La membrana es fabricada con asfalto altamente modificado con polímeros.
Presenta una facilidad para la ejecución del revestimiento de estanques a la vez que
resiste las solicitaciones a que esta sometido el estanque durante su instalación y
empleo.
• Pinturas epóxicas: La pintura epóxica es un revestimiento no-tóxico, impermeabilizante
y anticorrosivo, fabricado a base de resina epóxica, prácticamente libre de solventes.
Su uso es recomendado para una amplia gama de aplicaciones, entre las cuales
destacan el almacenaje de alimentos y de agua potable, ya que sus propiedades
26
satisfacen estos especiales requerimientos. El proceso de revestimiento se realiza
mediante proyección de pintura, pudiendo ser interno, externo o sobre ambas
superficies.
• Goma: también conocida como caucho o hule, es una sustancia natural o sintética que
se caracteriza por su elasticidad, repelencia al agua y resistencia eléctrica. El caucho
natural se obtiene de un líquido lechoso de color blanco llamado látex, que se encuentra
en numerosas plantas. El caucho sintético se prepara a partir de hidrocarburos
insaturados.
2.3.2.3 Diseño
Otra de las formas de protección más usadas por fabricantes de estanques, es el
diseño de las placas del cuerpo y fondo. Se basa principalmente en el aumento de espesor
según las características de vida útil que se requiera. Como recomendación, se usa el aumento
de 1 mm. de espesor por cada 15 años de vida útil. Se logra con este método, garantizar que el
desgaste de las paredes que provoca la oxidación del agua, no afecte la capacidad de diseño
debido a la presión generada en las placas de manto y fondo. Sin embargo, esté método no
combate la corrosión, por lo que debe estar acompañado de las protecciones anteriormente
mencionadas.
27
CAPÍTULO 3 “APLICACIÓN NORMA API” 3.1 GENERALIDADES
El estándar API 650 sólo cubre aquellos estanques que almacenan fluidos líquidos
derivados del petróleo y están construidos de acero con el fondo uniformemente soportado por
una cama de arena, grava, concreto, asfalto, etc. Están diseñados para soportar una presión de
operación atmosférica o presiones internas que no excedan el peso del techo por unidad de
área (2.5 psig), una temperatura de operación no mayor de 90°C, y que no se usen para
servicios de refrigeración. Este estándar cubre el diseño y cálculo de los elementos
componentes del estanque, los materiales de construcción, se sugiere secuencias en la
erección del estanque, recomendación de procedimientos de soldaduras, pruebas e
inspecciones, así como lineamientos para su construcción y operación.
3.2 MATERIALES La norma indica el material adecuado dentro de la variedad de aceros que existen en el
mercado. Se hará referencia sólo a la clasificación A.S.T.M. que se encuentra disponible en
Chile.
3.2.1 Materiales en General
• A-36M/A-36.- Acero Estructural: Equivalente a la norma Chilena A37-24ES, sólo para
espesores ≤ 40mm. Este material es aceptable y usado en los perfiles, ya sea
comerciales o ensamblados de los elementos estructurales del estanque. Es el acero
mayormente comercializado en Chile a través de CAP (Compañía de Aceros del
Pacífico), y otros aceros importados principalmente desde China y Brasil.
• A-283M/A-283.- Placas De Acero Al Carbón con medio y bajo esfuerzo a la Tensión,
Grado C: Para espesores ≤ 25 mm. Este material es uno de los más solicitados, ya que
puede ser empleado tanto para perfiles estructurales como para el manto, techo, fondo
y accesorios del estanque.
• A-285M/A-285.- Placa De Acero Al Carbón Con Medio Y Bajo Esfuerzo a la Tensión,
para recipientes a presión, Grado C: Para espesores ≤ 25 mm. Es el material
recomendable para la construcción del estanque (cuerpo, fondo, techo y accesorios
principales), el cual no es recomendable para elementos estructurales debido a que
tiene un costo relativamente alto comparado con los anteriores.
• A-53.- Grados A Y B: Para tubería en general.
• A-106.-Grados A Y B: Tubos de acero al carbón sin costura para servicios de alta
temperatura.
• A-105M/A-105.- Forja de Acero al Carbón para accesorios de Acoplamiento de
Tuberías.
• A-181.- Forja de Acero al Carbón para usos en General.
28
• A-193.- GRADO B7. Material para tornillos sometidos a alta temperatura y de alta
resistencia, menores a 65mm. de diámetro.
• A-194.- GRADO 2H. Material para tuercas a alta temperatura y de alta resistencia.
• A-307.- GRADO B. Material de tornillos y tuercas para usos generales.
En la tabla 3.1, se muestra una comparación de las propiedades mecánicas del acero
comúnmente utilizado en la fabricación de estanques.
Tabla 3.1 Comparación Propiedades Mecánicas del Acero
* De acuerdo a NCh 22, 1Kgf/mm2 = 9.80665 MPa.
** Para Perfiles de sección inferior a 645 mm2, o barras de diámetro inferior a 13 mm. No se exige ensayo de tracción al Fabricante.
3.2.2 Materiales para Soldadura Para el soldado de materiales con un esfuerzo mínimo a la tensión menor a 550 MPa,
los electrodos de arco manual deben estar hechos de materiales cuya clasificación sea AWSG:
E-60XX y E-70XX.
Para soldado de materiales con un esfuerzo mínimo a la tensión de 550 a 585 Mpa, el
material del electrodo de arco manual debe ser E80XX-CX. En la figura 3.1, se menciona la
recomendación para el electrodo apropiado según el material a usar.
(*) Posición a Soldar; Plana, Horizontal y Filete; (**) Electrodos con bajo Hidrógeno; (***) Electrodo con contenido de Carbono
0.08%; A1 Electrodo de acero con 0.5% de Molibdeno; C1 Electrodo de acero con 2.5% de Níquel y 1.2% de Manganeso.
Figura 3.1 Tipos de Electrodos para distintos tipos de acero.
G American Welding Society, Sociedad Americana para la Soldadura.
29
3.3 SOLDADURA El estándar API. 650, se auxilia del Código A.S.M.E.H sección IX para dar los
alineamientos que han de seguirse en la unión y/o soldado de materiales. El Código A.S.M.E.
sección IX, establece que toda junta soldada deberá realizarse mediante un procedimiento de
soldadura de acuerdo a la clasificación de la junta y que, además, el operador deberá contar
con un certificado que lo acredite como soldador calificado. Una vez realizada la soldadura o
soldaduras, éstas se someterán a pruebas y ensayos como: ultrasonido, radiografía, líquidos
penetrantes, dureza, etc., donde la calidad de la soldadura es responsabilidad del fabricante.
Todas las soldaduras serán aplicadas mediante el proceso de arco eléctrico sumergido,
arco con gas inerte o electrodos recubiertos. Estos procesos pueden ser manuales o
automáticos. En cualquiera de los dos casos, deberán tener penetración completa, eliminando
la escoria dejada al aplicar un cordón de soldadura antes de aplicar sobre éste el siguiente
cordón.
La cara ancha de las juntas en "V" y en "U" podrá estar en el exterior o en el interior del
cuerpo del estanque dependiendo de la facilidad que se tenga para realizar el soldado de la
misma. El estanque deberá ser diseñado de tal forma que todos los cordones de soldadura
sean verticales, horizontales y paralelos, para el cuerpo y fondo, en el caso del techo, podrán
ser radiales y/o circunferenciales.
3.3.1 Tipos de Juntas 3.3.1.1 Juntas Verticales del Cuerpo
Las soldaduras típicas entre elementos, se muestran en la figura 3.2. Las juntas
verticales deberán ser de penetración y fusión completa, lo cual se podrá lograr con soldadura
doble, de tal forma que se obtenga la misma calidad del metal depositado en el interior y el
exterior de las partes soldadas para cumplir con los requerimientos del procedimiento de
soldaduras. Las juntas verticales no deberán ser colineales, pero deben ser paralelas entre sí
en una distancia mínima de 5 veces el espesor de la placa (5t).
Figura 3.2 Tipo de Juntas Verticales
H American Society of Mechanical Engineers, Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos.
30
3.3.1.2 Juntas Horizontales
Las juntas horizontales, deberán ser de penetración y fusión completa, excepto la que
se realiza entre el ángulo de coronamiento y el cuerpo, la cual puede ser unida por doble
soldadura a traslape, cumplimiento con el procedimiento de soldadura. A menos que otra cosa sea especificada, la junta a tope con o sin bisel entre las placas
del cuerpo, deberán tener una línea de centros o fibra media común. Ver figura 3.3.
Figura 3.3 Tipos de Soldadura Horizontal
3.3.2 Soldadura del Fondo 3.3.2.1 Soldaduras a Traslape
Las placas del fondo deberán ser rectangulares y estar escuadradas. El traslape tendrá
un ancho de, por lo menos, 32mm. Para todas las juntas, las uniones de dos o tres placas,
como máximo que estén soldadas, guardarán una distancia mínima de 300mm. Con
respecto a cualquier otra junta y/o a la pared del estanque. Cuando se use placa anular, la
distancia mínima a cualquier cordón de soldadura del interior del estanque o del fondo, será
de 600mm.
Las placas del fondo serán soldadas con un filete continuo a lo largo de toda la unión. A
menos que se use un anillo anular, las placas del fondo llevarán bayonetas para un mejor
asiente de la placa del cuerpo que son apoyadas sobre el fondo. De acuerdo a las Figuras
3.4, y 3.5, se puede visualizar estas recomendaciones.
Figura 3.4 Unión a Traslape del Fondo
31
Figura 3.5 Junta con Bayoneta
3.3.2.2 Soldaduras a Tope
Las placas del fondo deberán tener sus cantos preparados para recibir el cordón de
soldadura, ya sea escuadrando éstas o con biseles en "V", Ver figura 3.6. Si se utilizan biseles
en "V", la raíz de la abertura no deberá ser mayor a 6 mm.
La placa del fondo deberá tener punteada una placa de respaldo de 3 mm. de espesor o
mayor que la abertura entre placas, pudiéndose usar un separador para conservar el espacio
entre las placas.
Cuando se realicen juntas entre tres placas en el fondo del estanque, éstas deberán
conservar una distancia mínima de 300 mm. entre sí y/o con respecto a la pared del estanque.
En la figura 3.7 se muestra la soldadura a tope típica.
Figura 3.6 unión a Tope
32
Figura 3.7 Junta a Tope
3.3.3 Juntas de la Placa Anular del Fondo La junta radial del fondo de la placa anular deberá ser soldada con las mismas
características expuestas en el punto 3.3.2.2 y tener penetración y fusión completa. El material
de la placa anular será de las mismas características que el material del fondo.
3.3.4 Juntas del Cuerpo-Fondo 3.3.4.1 Espesores ≤ 12.5mm. de placa del fondo: Incluyendo la corrosión, la unión entre el fondo y el canto de las placas del cuerpo
tendrá que ser hecha con un filete continuo de soldadura que descanse de ambos lados de la
placa del cuerpo. El tamaño de cada cordón, sin tomar en cuenta la corrosión permisible, no
será mayor que 12,5 mm. y no menor que el espesor nominal de la más delgada de las placas a
unir, o menor que los siguientes valores, en la tabla 3.2: Tabla 3.2 espesor de filetes de soldadura
Espesor Nominal Placa Manto
Mínimo Tamaño del Filete de Soldadura
33
3.3.4.2 Espesores > 12.5mm. de placa del fondo:
Para placas anulares de un espesor mayor de 12.5 mm. la junta soldada deberá ser de
una dimensión tal que la pierna del filete o la profundidad del bisel más la pierna del filete de
una soldadura combinada sean del mismo espesor que la placa anular.
3.3.5 Juntas Para Anillos Anulares Las soldaduras para unir secciones anulares que conformen todo el anillo tendrán
penetración y fusión completa. Se usarán soldaduras continuas para todas las juntas que por su
localización pueden ser objeto de corrosión por exceso de humedad o que puedan causar
óxidos en la pared del estanque.
3.3.6 Juntas del Techo y Perfil de Coronamiento
• Las placas del techo deberán ser soldadas a traslape por el lado superior con un filete
continuo igual al espesor de las mismas (Ver Figura 3.8).
• Las placas del techo serán soldadas al perfil de coronamiento del estanque con un filete
continuo por el lado superior únicamente y el tamaño del filete ser igual al espesor más
delgado (Ver Figura 3.8).
• Las secciones que conformen el perfil de coronamiento para techos autosoportados
estarán unidas por cordones de soldadura que tengan penetración y fusión completa.
• Como una opción del fabricante para techos autosoportados, del tipo domo y sombrilla,
las placas perimetrales del techo podrán tener un doblez horizontal, a fin de que
descansen las placas en el perfil de coronamiento.
Figura 3.8 Unión de Techo
34
3.4 CONSTRUCCIÓN ESTANQUE
3.4.1 Placa de fondo El espesor nominal para la placa de fondo no debe ser menor a 6 mm., excluyendo la
corrosión permitida, con una carga máxima de 70 KPa. Las placas rectangulares del fondo
deben tener como mínimo un ancho de 1800mm., a no ser que se indique lo contrario. Tendrá
que considerarse al menos 25 mm. de proyección hacia fuera desde la junta con el cuerpo.
3.4.2 Placa anular La placa anular, es un anillo que bordea la placa de fondo y es donde se debe soldar el
cuerpo. Para utilizar la placa anular, es necesario que el material a utilizar en el manto
pertenezca al grupo de acero IV, IVA, V ó VI, que por lo general es de alta calidad (ver apéndice
A.1), o cuando sea requerido. El ancho radial para este anillo, es de 600 mm., con una
proyección fuera de la junta con el manto de por lo menos 50 mm. Para un ancho radial mayor,
se debe calcular con la siguiente fórmula:
5.0)(
215HG
tb⋅
Donde:
tb: Espesor placa anular, descrito en la tabla 3.3 en mm.
H: máximo nivel de diseño del líquido, en m.
G: gravedad específica de diseño del líquido a almacenar.
Tabla 3.3 Espesores para Placa Anular
6 6 7 96 7 10 116 9 12 148 11 14 179 13 16 19
Espesor Mínimo (mm) del primer anillo de cuerpo
Prueba de Esfuerzo Hidrostático en el primer anillo (Mpa)
190≤ 230≤ 250≤210≤19≤t
2519 ≤< t3225 ≤< t3832 ≤< t4538 ≤< t
3.4.3 Manto o Cuerpo El espesor de la pared del cuerpo requerido para resistir la carga hidrostática será
mayor que el calculado por condiciones de diseño o por condiciones de prueba hidrostática,
pero en ningún caso será menor a lo que se muestra en la tabla 3.4.
Tabla 3.4 Espesor nominal placa de manto
Diámetro nominal del Estanque Espesor Nominal de Placa(m)< 15
15 a < 3636 a 60
> 60
568
10
(mm)
35
Cuando no se utiliza la denominación ASTM, el esfuerzo de diseño y de prueba
hidrostática se obtiene de las siguientes relaciones, seleccionando el de mayor valor:
• Esfuerzo de Diseño: yd SS32
= ó Td SS52
=
• Esfuerzo por Prueba Hidrostática: yt SS43
= ó Tt SS73
=
Cuando se considera la denominación ASTM, la tabla 3.5 indica los esfuerzos
permitidos.
Tabla 3.5 Esfuerzos Permitido en Materiales
Esfuerzos ASTM
Tipo Grado Mínimo Esfuerzo Fluencia (Sy)
Máximo Esfuerzo Tensión (ST)
Esfuerzo de Diseño (Sd)
Esfuerzo por prueba hidrostática (St)
Mpa Mpa Mpa Mpa A 131 A,B,CS 235 400 157 171 A 131 EH 36 360 490 196 210 A 283 C 205 380 137 154 A 285 C 205 380 137 154 A 36 - 250 400 160 171
A 516 380 205 380 137 154 A 516 415 220 415 147 165 A 516 450 240 450 160 180 A 516 485 260 485 173 195 A 537 1 345 485 194 208 A 537 2 415 550 220 236 A 573 400 220 400 147 165 A 573 450 240 450 160 180 A 573 485 290 485 193 208 A 633 C,D 345 485 194 208 A 662 B 275 450 180 193 A 662 C 295 485 194 208 A 678 A,B,CS 345 485 194 208 A 678 B 415 550 220 236 A 737 B 345 485 194 208
A 841 Class1 345 485 194 208
3.4.3.1 Cálculo de Espesor de Cuerpo por el Método de un Pie
Este método calcula el espesor requerido de la pared del estanque, por condiciones de
diseño y de prueba hidrostática, restando una sección transversal ubicada a 0.3m (1 pie) por
debajo de la unión de cada anillo. Este método sólo es aplicable en estanques con un diámetro
igual o menor a 60 m. (200pies). Calculando se tiene:
CAt +S
GHD
dd
−⋅ )3.0(9.4=
tt S
HD )3.0(9.4 −⋅=t Y ;
36
Donde:
t d : Espesor por condición de diseño, en mm.
t t : Espesor por prueba hidrostática, en mm.
D: Diámetro nominal del estanque, en cm.
H: Altura del nivel del líquido de diseño, en m (altura desde la parte baja del primer anillo
considerado el perfil de coronamiento, o cualquier nivel indicado por el usuario, restringido por
techos flotantes internos o cálculos por acción de sismo).
G: Densidad relativa del líquido a almacenar o del agua para cálculo por prueba hidrostática.
CA: Corrosión permisible, en mm.
S d: Esfuerzo permisible por condiciones de diseño, en Mpa.
S t: Esfuerzo permisible por condiciones de prueba hidrostática, en Mpa.
3.4.3.2 Cálculo espesor del Cuerpo por Método de Punto Variable de Diseño
Este método emplea como base de cálculo la distribución lineal de la presión
hidrostática.
Se diseña el espesor del primer anillo y se reduce el espesor a medida que se calcula
hacia arriba. En la figura 3.9 se puede ver un diagrama básico de este método.
CL
D/2
H Anillos
Fondo o Base
Figura 3.9 Diagrama Método Punto Variable de Diseño
37
Este método se usa cuando el usuario no especifica el uso del método de un pie, y que
además se cumpla la siguiente relación:
61000
≤HL
Donde:
L = , en mm. 5.0)500( Dt⋅
D = Diámetro del Estanque, en m.
t = espesor del anillo inferior, en mm.
H = máximo nivel de diseño del líquido, en m.
Para el uso de este método, se calcula el espesor por condición de diseño (tpd) y el de
prueba hidrostática (tpt), determinando el espesor del primer anillo con las fórmulas del método
de un pie (ver sección 3.1.7.1); posteriormente se determina el espesor de los siguientes anillos,
para condiciones de diseño (t1d) y de prueba hidrostática (t1t) con las siguientes fórmulas:
CA
SH
SGH
HDt d ⎜⎜⋅⎟
⎟⎜⎜ ⋅−=
9.40696.006.11GD
dd
+⎟⎟⎠
⎞
⎝
⎛ ⋅⋅⋅
⎠
⎞
⎝
⎛ ⋅⋅ y;
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅⋅⋅⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅
⋅−=
ttt S
DHSH
HDt 9.40696.006.11
Para obtener el espesor del segundo anillo por condiciones de diseño y de prueba
hidrostática, se calcula la siguiente relación para el anillo inferior.
5.0
1
1
)( trh⋅
Donde:
h1 =Altura del anillo inferior, en mm.
r = Radio nominal del estanque, en mm.
t1 = Espesor del anillo inferior excluyendo la corrosión permisible, en mm, usado para cálculo t2.
Para calcular t2 por condiciones de prueba hidrostática se puede usar el espesor total t1
incluyendo la corrosión permisible.
Si el valor de la relación es menor o igual que 1.375 entonces,
12 tt =
Si el valor de la relación es mayor o igual a 2.625 entonces,
att 22 =
38
Si el valor de la relación es mayor de 1.375 pero menor a 2.625 entonces,
( ) ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
⋅−⋅−+= 5.0
1
12122 25.1
1.2)(tr
htttt aa
Donde:
t2 = Espesor mínimo por condiciones de diseño del segundo anillo, excluyendo la corrosión
permisible, en mm.
t2a = Espesor del segundo anillo, en mm., usado para calcular el espesor del siguiente anillo.
La fórmula anterior para t2 está basada en el mismo esfuerzo permisible para el primer y
segundo anillo. Cuando esta relación es mayor o igual a 2.625, el esfuerzo permisible para el
segundo anillo puede ser menor que el usado en el primer anillo.
Para calcular los espesores de los anillos siguientes por condiciones de diseño y
prueba hidrostática, (cuando la relación [(h1/ (rt1)0.5] ≥ 2.625) se debe determinar un valor
preliminar (tu), usando la ecuación del método de un pie y determinando una distancia x que
localiza el punto de diseño variable de la pared baja del anillo en consideración, la cual será
calculada usando el menor valor obtenido de las siguientes expresiones:
CHrtx u ⋅+⋅= 320)(61.0 5.01
CHx ⋅= 10002
5.03 )(22.1 urtx ⋅=
Donde:
tu = Espesor del anillo superior a la junta circunferencial, en mm.
C = [K0.5 (K - 1)] / (1+ K1.5)
K = tL / tutL = Espesor del anillo inferior a la junta circunferencial, en mm.
H = Nivel de diseño del líquido m.
El espesor mínimo para este punto determinado por x, es calculado por condiciones de
diseño (tdx), y por condiciones de prueba hidrostática (ttx), con las siguientes ecuaciones:
CAS
tdx +=GxHD
d
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
10009.4
y;
ttx S
xHDt
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
= 10009.4
39
Los espesores obtenidos (tdx y ttx), serán usados para repetir los pasos descritos,
igualando estos valores a (tu), hasta que la diferencia de los espesores sea mínima (dos
cálculos son suficientes), el espesor obtenido se iguala a (t2) para calcular el espesor requerido
por el siguiente anillo.
3.4.4 Accesorios Todos los estanques de almacenamiento deberán estar provistos de accesorios, los que
a continuación se listan como los mínimos requeridos para ser instalados en los estanques de
almacenamiento.
• Boquillas y Conexiones: Entrada (s) y salida (s) de producto (s); Drenaje (con o sin
sumidero) y Venteo (s).
• Inspección: Entrada (s) de hombre; Escaleras y Plataformas.
3.4.4.1 Boquillas en las Paredes del Estanque
Las tablas de boquillas bridadas y/o roscadas, están descritas en el apéndice A.2 a A.5.
Todas las boquillas de 80 mm. de diámetro y mayores deberán contar con una placa de
refuerzo, con el fin de absorber la concentración de esfuerzos debidos a la perforación hecha al
estanque y/o a los esfuerzos producidos por la carga que presenta la línea de la boquilla en
cuestión.
Las dimensiones y detalles especificados en las figuras y tablas son para boquillas
instaladas con sus ejes perpendiculares a las placas del estanque. Cuando las boquillas son
instaladas con un ángulo diferente de 90º respecto a las placas del estanque en el plano
horizontal, estarán provistas de una placa de refuerzo que tenga una dimensión de acuerdo a lo
especificado en la tabla indicada en el apéndice A.3, que se incrementa de acuerdo al corte de
las placas del estanque (dimensión Dp, apéndice A.2) por pasar de circular a elíptica cuando se
realiza una instalación angular. En el caso de que sean boquillas de 80 mm. (NPS 3) de
diámetro, (o menores), que tengan un servicio exclusivo de instrumentación o que no presenten
carga en línea, podrán colocarse en un ángulo no mayor de 15º con respecto al plano vertical y
no llevarán una placa de refuerzo.
3.4.4.2 Conexiones en el fondo del Estanque
Los estanques de almacenamiento también deberán contar por lo menos con una
boquilla para el drenado de lodos, la cual podrá estar al ras del fondo, dirigidas a un sumidero o
por debajo del estanque, como se muestran en los apéndices A.6 a A.11. Los sumideros y
conexiones en el fondo tendrán particular atención para el relleno y compactación del suelo
para prevenir asentamientos irregulares del estanque, así como para las conexiones y soportes,
que tendrán que ser calculadas para confirmar la resistencia del arreglo contra las cargas
estáticas y dinámicas, así como de flexión y esfuerzos permisibles.
40
Las conexiones y arreglos mostrados pueden variar para llevar a cabo la utilidad y
servicio de los mismos, por lo que el usuario aprobará dichos arreglos que el fabricante
proporcionará. Las conexiones para el fondo del estanque, se describen en el apéndice A.12.
3.4.4.3 Conexiones en el techo del Estanque
Las conexiones en el techo, tienen las mismas aplicaciones que las boquillas en el
cuerpo del estanque, esto es entrada, salida del producto y conexiones para instrumentación.
Estas conexiones serán dispuestas según lo descrito en el apéndice A.13.
3.4.4.4 Entrada de Hombre
Los estanques de almacenamiento contarán, por lo menos con una entrada hombre en
el cuerpo o en el techo con la finalidad de poder realizar limpieza, revisiones o reparaciones en
el interior del estanque. Los registros que se coloquen en la pared del estanque deberán estar
acorde con el apéndice B.1. Las entradas de Hombre dispuestas en el techo se describen en el
apéndice B.2.
3.4.4.5 Venteo
Los estanques de almacenamiento contarán con una boquilla exclusiva para venteo, la
cual tendrá que ser diseñada y calculada, para que dentro del estanque no se genere presión
interna al ser llenado o vaciado, el cual debe colocarse de ser posible, en la parte más alta del
estanque. A modo de ejemplo, un venteo típico se muestra en la figura 3.10.
Figura 3.10 Venteo típico
41
3.4.4.6 Plataformas
• Todos los componentes deberán ser metálicos.
• El ancho mínimo del piso será de 610mm.
• Todo el piso deberá ser de material antideslizante.
• La altura de la baranda a partir del piso será de 1070mm.
• La altura mínima de la protección de pie (rodapié) será de 75mm.
• El máximo espacio entre el piso y la parte inferior del rodapié será de 6mm.
• La altura de la baranda será aproximadamente la mitad de la distancia desde lo ancho
del pasillo a la parte inferior de la baranda.
• La distancia máxima entre los postes del barandal deberá ser de 2400mm.
• La estructura completa tendrá que ser capaz de soportar una carga viva concentrada de
4,5 kN, y la baranda debe ser capaz de soportar una carga de 0.9 kN aplicada en
cualquier dirección y en cualquier punto superior del riel.
• Los pasamanos estarán en ambos lados de la plataforma, y estarán interrumpidos
donde sea necesario para un acceso.
• Cualquier espacio mayor de 150mm. entre el estanque y la plataforma deberá tener una
pisadera.
• Los corredores de los estanques que se extienden de un lado al otro del suelo o a otra
estructura deberán estar soportados de tal manera que tenga un movimiento relativo
libre de las estructuras unidas por los corredores; ésta puede estar acompañada por
una firme unión del corredor a los estanques, además del uso de una junta corrediza o
de dilatación en el puente de contacto entre el corredor y el otro estanque (este método
permite que en caso de que un estanque sufra ruptura o algún movimiento brusco, el
otro no resulte dañado).
3.4.4.7 Escaleras
• Todas las partes de la escalera serán metálicas.
• El ancho mínimo de las escaleras será de 610mm.
• El ángulo máximo entre la escalera con la horizontal será de 50º.
• El ancho mínimo de los peldaños será de 200mm. La elevación será uniforme a lo largo
de la escalera.
• Los peldaños deberán estar hechos de rejilla o material antideslizante.
• El lado superior de la reja deberá estar unida al pasamanos de la plataforma sin margen
y la altura, medida verticalmente desde el nivel del peldaño hasta el borde del mismo de
760 a 860mm.
• La distancia máxima entre los postes de la rejilla medidos a lo largo de la elevación de
2400mm.
• La distancia máxima entre los postes del barandal deberá ser de 2400mm.
42
• La estructura completa tendrá que ser capaz de soportar una carga viva concentrada de
4,5 kN, y la baranda debe ser capaz de soportar una carga de 0.9 kN aplicada en
cualquier dirección y en cualquier punto superior del riel.
• Los pasamanos deberán estar colocados en ambos lados de las escaleras rectas; éstos
serán colocados también en ambos lados de las escaleras circulares cuando el espacio
entre cuerpo del estanque y los largueros de la escalera excedan 200mm.
• Las escaleras circulares estarán completamente soportadas en el cuerpo del estanque
y los largueros finales apoyados en el piso.
3.4.5 Techo En el caso de estanques para almacenamiento de agua, no se tratará el tema de los
techos flotantes, debido a que el agua es una sustancia no volátil.
Se requiere de techo flotante, cuando la sustancia a almacenar es propensa a generar
gases por elevación de temperatura que provocan pérdidas por evaporación hacia el exterior y
el riesgo de formación de mezclas explosivas en las cercanías del estanque.
El techo flotante permite reducir el espacio que queda entre el techo y el espejo de
líquido, reduciendo el daño ambiental y minimizando pérdidas por evaporación.
Existe los techos tipo cónico, domo y sombrilla. Estos a su vez pueden ser
autosoportados o soportados.
3.4.5.1 Techo Cónico autosoportado
Tiene la característica de estar apoyado únicamente en su periferia, calculado y
diseñado para que su forma geométrica, en combinación con el espesor mínimo requerido
(5mm), absorba la carga generada por su propio peso más las cargas vivas.
El ángulo permitido será de 9.5º ≤ θ ≤ 37º
El espesor para el techo será entonces:
mmsenDtt 5
8.4≥
⋅=
θ; No mayor a 12.5mm
Donde:
D = Diámetro nominal del cuerpo del estanque en m.
Θ = ángulo de cono techo.
En general, cuando la suma de la carga viva y muerta excede los 2.2 KPa, el espesor
mínimo será calculado por la siguiente fórmula:
KPaCMCV
2.2+
CV = carga viva
CM = carga muerta
θsenD⋅432.0
2
El área del ensamble entre el techo y el cuerpo será determinado según las figura del
anexo C, y por la siguiente fórmula:
43
KPaCMCV
2.2+
En general, cuando la carga muerta y viva exceda los 2.2 KPa, el área del ensamble se
determinará por:
3.4.5.2 Techo tipo domo y sombrilla autosoportado
Tendrán un radio rr de techo según los siguientes requerimientos:
Radio mínimo: 0.8D
Radio máximo: 1.2D
Espesor mínimo: mmpermitidacorrosionrr 5_4.2
≥+
Espesor máximo: 12.5mm excluyendo la corrosión permitida.
El área del ensamble entre el techo y el cuerpo será determinado en mm2 según las
figura del apéndice C, y por la siguiente fórmula:
216.0rrD ⋅
3.4.5.3 Techos Soportados
Se recomienda que para estanques con un diámetro relativamente pequeño (< 18 m),
no requiere de estructura soportantes para el techo.
Cuando se requiere de una estructura soportante para el techo, se debe determinar los
miembros estructurales, principalmente las columnas, vigas y barras.
Los miembros estructurales soportantes se determinan a partir del largo y el radio de
giro. Para columnas la relación L/r, no debe ser mayor a 180, y para los otros miembros 200.
Cuando no se indican las fuerzas laterales de techo soportado, se puede determinar el
Esfuerzo de Compresión permitida, mediante una indicación de la especificación AISCI donde
L/r <120 y Esfuerzo de Fluencia (Fy) es ≤ a 250 MPa.
yC F
EC22π
=
L/r ≤ CC ;
( )
( ) ( )
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
−+
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−
=
rL
CrL
CrL
FC
rL
F CC
yC
a
2006.1
8/
8/3
35
2/1
3
2
2
L/r > CC ; ( )
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
=
rLrLE
Fa
2006.1
/2312
2
2π
I American Institute for Steel Construction, Instituto Americano para el Acero de Construcción.
44
Donde:
Fa = Esfuerzo de Compresión Permitido, en MPa.
Fy = Esfuerzo de Fluencia del material, en MPa.
E = Módulo de Elasticidad, en MPa.
L = Largo libre de la Columna, en mm.
r = Radio menor de Giro de la Columna.
3.4.6 Anillo de Coronamiento Todos los estanques deben tener un perfil o anillo de coronamiento ubicado en la parte
superior del manto, a objeto de entregar una mayor resistencia al estanque en esa zona.
Además, este anillo debe soportar la estructura en el caso de techos autosoportados.
El apéndice D.1 y D.3, muestra los detalles de los perfiles de coronamiento
recomendados. Para calcular el área de junta entre el perfil de coronamiento y el manto, se
aplica la siguiente fórmula:
θtan1390WA =
Donde:
W = Peso de las cargas sobre el techo (Cargas vivas y muertas).
Θ = ángulo que forma la horizontal con el manto.
3.5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO
3.5.1 Cargas por Viento El procedimiento consiste en determinar la estabilidad del estanque bajo carga o
presión del viento. La carga de viento en la superficie plana vertical, como mínimo debe ser de
0.86 kPa, y sobre superficies cilíndricas, cónicas y doble curvadas será de 0.72 kPa. Esta carga
se basa en una velocidad determinada por la norma de 160 km/h, si existe una velocidad mayor
se ajusta con la siguiente ecuación de proporción: 2
160⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
VVA
El momento de volteo provocado en estanques no anclados, no debe exceder los dos
tercios de la carga muerta total (se excluye el contenido).
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅≤
232 WDM
Donde:
M = Momento de volteo, en N·m.
W = Peso Muerto del Estanque, excluyendo corrosión permitida y presión interna generada en
el techo, en N.
D = Diámetro del Estanque, en m.
45
Si la relación anterior no se cumple, se deberá anclar el estanque. La carga de tensión
de diseño en los pernos de anclaje será:
NW
dNMtB −=
4
Donde:
tB = Carga de Tensión de Diseño para el Perno, en N. B
d = Diámetro del círculo para el Perno en m.
N = Número de Pernos.
La máxima distancia entre anclas, será de 3 m, con un esfuerzo a tensión indicado en
apéndice D.2. Si el estanque tiende a resbalar, el factor de roce será de 0.4 multiplicado por la
fuerza sobre el fondo del estanque.
3.5.2 Cargas por Sismo La norma API indica las cargas por sismo que generan un momento de volteo,
provocado por la fuerza ejercida en el centro de gravedad del estanque con el brazo de palanca
respecto del fondo. Se distinguen dos fenómenos:
• Alta Frecuencia amplificada: Cuando el estanque se mueve con el contenido.
• Baja Frecuencia amplificada: Cuando el contenido forma un oleaje.
Solo se indica el momento de volteo, en función de la base del estanque, no en la
cimentación, la cual requiere de un cálculo aparte. Este resulta de la siguiente ecuación:
)( 22211111 XWCXWCHWCXWCZIM trSS +++=
Donde:
M = Momento de volteo provocado en el fondo del manto del estanque, en N·m.
Z = Factor Zona Sísmica, depende del lugar del estanque. Para Chile la figura 3.11 indica las
zonas con el correspondiente factor según NCh 2369-2003.
I = Factor de importancia, API considera 1.0 para todo tipo de estanque, y como valor máximo
de 1.25 para estanques que estén potencialmente en riesgo o esenciales para las personas. La
norma Chilena indica otros valores de importancia indicados en el apéndice D.4.
C1, C2 = Coeficientes laterales sísmicos.
WS = Peso total del cuerpo del estanque, en N.
XS = Altura desde el fondo al centro de gravedad del estanque, en m.
Wr = Peso total del techo, incluida la carga viva, en N.
Ht = Altura total del cuerpo del estanque, en m.
W1 = Peso de la masa efectiva contenida en el estanque que se mueve conforme al cuerpo del
estanque, en N.
X1 = Altura desde el fondo del estanque al centro de gravedad de W1, en m.
W2 = Peso efectivo de la masa contenida en el estanque que se mueve en el primer oleaje.
X2 = Altura desde el fondo del estanque al centro de gravedad de W2, en m.
46
Figura 3.11 Zona Sísmica en Chile
47
W1 y W2, se determinan multiplicando el peso total del líquido (WT), por la relación que
tienen con el Diámetro (D) y la altura de nivel de diseño del líquido (H), según la figura 3.12:
Figura 3.12 Masas Efectivas
T
T WWWW 1
1 ⋅= T
T WWWW 2
2 ⋅=
Las alturas X1 y X2, se determinan de manera similar al procedimiento anterior, apoyado
en la figura 3.13:
Figura 3.13 Centroides de fuerzas sísmicas
HXHX 1
1 ⋅= HXHX 2
2 ⋅=
C1 debe ser 0.6 veces el producto de ZIC2, cuando se cumple lo siguiente:
T ≤ 4.5; T
SC ⋅=
75.02 ó T > 4.5; 22
375.3T
SC ⋅=
48
Donde:
S = Coeficiente de sitio, es según el terreno, en Chile el coeficiente viene según NCh 2369-
2003, tablas 3.6 y 3.7 (extracto de norma).
Tabla 3.6: Tipo de suelo para el coeficiente de sitio
49
Tabla 3.7: Coeficiente de sitio
T = Período natural de ondas del primer oleaje, en s.
)(81.1 5.0DkT =
k = Factor obtenido de figura 3.14.
Figura 3.14 Factor k
3.5.2.1 Resistencia en estanques no anclados
La resistencia al vuelco de un estanque no anclado respecto del fondo de el, está
definido por:
GHFtw bybL 99= ; En que wL ≤ 196GHD
Donde:
wL = Peso máximo del contenido que puede resistir la curvatura del estanque, respecto al
momento de volteo, en N·m.
tb = Espesor de la placa de fondo bajo el estanque, puede ser mayor que el espesor del fondo
del estanque, pero no mayor de 6mm respecto del primer anillo del estanque incluyendo la
corrosión permitida. Debe ser ≥GH
wx L3101745.0 −
, en m.
Fby = Esfuerzo mínimo de fluencia de la placa de fondo bajo el estanque, en MPa.
G = Gravedad específica del líquido.
D = Diámetro nominal del estanque, en m.
H = Altura máxima de diseño del nivel de líquido, en m.
50
La fuerza máxima de compresión en el fondo del cuerpo, se determina por:
2
273.1D
Mwb t += ; Para ( )[ ] 785.02 ≤+ Lt wwD
M
Cuando ( )[ ] 5.1785.0 2 ≤+
<Lt wwD
M, Se puede determinar de la figura 3.15.
Figura 3.15 M / [D2(wt+wL)]
Cuando ( )[ ] 57.15.1 2 ≤+
<Lt wwD
M; 5.0
2 )(637.01
49.1
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
−
=++
Lt
Lt
L
wwDMww
wb
Donde:
b = Fuerza de compresión longitudinal máxima en el fondo de la circunferencia del cuerpo, en
N/m.
w t = Peso del perímetro del manto y la porción del techo correspondiente, en N/m.
Cuando el valor es mayor de 1.57, el estanque es inestable por lo que debe
considerarse lo siguiente:
• Aumentar tb o wL, no excediendo sus limitaciones.
• Aumentar el espesor del cuerpo.
• Cambiar la geometría del estanque, aumentando el diámetro y reduciendo la altura.
• Anclar el estanque.
51
3.5.2.2 Resistencia en estanques anclados
Para estanques anclados la fuerza de compresión longitudinal máxima en el fondo de la
circunferencia del cuerpo, se determina por:
2
273.1D
Mwb t +=
3.5.2.3 Compresión máxima permitida en el estanque
Se debe cumplir que: aFt
b<
1000
En donde: 442
2
≥t
GHD;
DtFa
83=
Si: 442
2
<t
GHD; GH
DtFa 5.7
5.283
+=
Pero, Fa < 0.5 Fty
Donde:
G = Gravedad específica del líquido.
H = Altura de nivel de diseño del líquido, en m.
D = Diámetro nominal del estanque, en m.
t = Espesor del fondo del estanque, excluyendo la corrosión permitida, en mm.
Fty = Máximo esfuerzo longitudinal permitido de compresión en el cuerpo, en MPa.
Fa = Mínimo esfuerzo de fluencia del primer anillo unido al fondo del estanque, en MPa.
Para estanques anclados, la mínima resistencia en el perímetro del cuerpo debe
calculada por:
twD
M−2
273.1, en N/m.
52
CAPÍTULO 4 “APLICACIÓN NORMA AWWA” 4.1 GENERALIDADES
El estándar AWWA D-100 está limitado al almacenamiento de agua, ya sea de procesos o
potable. Por norma, todos los estanques que almacenan agua potable, deben estar provistos de
techo, para el caso de otro tipo de agua, los estanques pueden no tener techo. Están diseñados
para operar a presión de operación atmosférica, una temperatura no mayor de 199.4°F y no
menor a 5ºF. Este estándar es una guía para facilitar el diseño, manufactura y adquisición del
estanque. Al igual que la norma API, se dan algunas pautas de los materiales para su
construcción, se sugiere secuencias en la erección del estanque, recomendación de
procedimientos de soldaduras, pruebas e inspecciones.
4.2 MATERIALES Todos los materiales que se usan en este estándar, deben ser nuevos. Cuando no se
conoce su clasificación, deberá ser analizado en un laboratorio cumpliendo con lo que indica la
norma. Se clasifican según su uso.
4.2.1 Materiales en General
• Pernos, pernos de anclajes y tuercas: A36, A307 Grado B y A325. Para pernos de
anclaje, con un diámetro ≤ 2.5 in.
• Placas: A36 para espesores ≤ 2 in. y A283 Grado B y C para espesores ≤ 1 in.
• Tuberías y conexiones en general: A53 tipo E y S Grado B y A106.
En la tabla 4.1, se muestra una comparación de las propiedades mecánicas del acero
comúnmente utilizado en la fabricación de estanques.
4.3 SOLDADURA El estándar AWWA, se auxilia del Código A.S.M.E. sección IX o ANSII / AWSJ B 2.1,
para dar las pautas a seguir, en la unión y/o soldado de materiales.
En general, las juntas tipo filete tendrán una longitud de 4 veces el espesor del filete
pero no menor a 1.5 in. La tabla 4.1 indica el mínimo tamaño recomendado para el filete de
soldadura.
Tabla 4.1: Espesor recomendado para filetes
Mínimo (in.) Máximo (in.) 3/16 < 1/4 1/4 3/4>3/4 1 1/4
>1 1/4 2
1/45/163/8
mínimo tamaño de filete
(in.)3/16
Espesor Placa Cuerpo
I American National Standards Institute, Instituto Nacional Americano de Estándares. J American Welding Standard, Estándares Americanos para Soldadura.
53
4.3.1 Juntas a Tope El espesor para placas del cuerpo y fondo será como máximo para soldar de 2 in. Para
la unión del fondo se debe asegurar un 90% de fusión usando un cordón conveniente. Para la
unión de 3 placas en el fondo, la distancia mínima entre ellas y del cuerpo con estas será de
12 in.
4.3.1.1 Tope sometido a esfuerzo primario
Estos esfuerzos se deben al peso o presión del contenido sobre el estanque. Las juntas
afectadas por este esfuerzo son la junta longitudinal en el cuerpo cilíndrico del estanque y
uniones con el techo. Estas juntas pueden ser simples o dobles, pero deben tener penetración
completa.
4.3.1.2 tope sometido a esfuerzo secundario
Afecta solo a juntas circunferenciales o cilíndricas del cuerpo. En general, los materiales
con un espesor ≤ 3/8 in. se usará soladura con fusión completa, y para espesores > 3/8 in., se
usará soldadura doble con una junta parcial o completa según especificación del interesado. Se
debe guardar una distancia mínima de 3 in., en cada lado de intersección de las juntas.
4.3.2 Juntas a Traslape El espesor para placas del cuerpo y fondo será como máximo para soldar 5 veces el
espesor de la placa (5t) pero no mayor a 2 in, y debe mantener una distancia mínima de 1 in.,
de extensión fuera del cuerpo. En la juntas de las placas del fondo, solo se debe soldar por el
lado superior con un filete continuo. En la unión de 3 placas en el fondo, la distancia mínima
entre ellas y del cuerpo con estas será de 12 in., el máximo espesor para traslapes en el fondo
será de 3/8 in.
4.3.2.1 Traslape sometido a esfuerzo primario
La junta afectada por este esfuerzo es la unión longitudinal del cuerpo cilíndrico del
estanque. Estas juntas tienen filete continuo y deben ser soldadas por ambas caras. El espesor
máximo para estas placas a soldar es de 1/2 in.
4.3.2.2 Traslape sometido a esfuerzo secundario
Afecta a las juntas circunferenciales o cilíndricas del cuerpo y uniones con el techo. El
máximo espesor para traslape del fondo será de 3/8 in. El máximo espesor de material para
juntas sometidas a este esfuerzo será de 16 mm. Para juntas del techo, el máximo del material
a soldar será de 3/8 in.
54
4.4 CONSTRUCCIÓN ESTANQUE 4.4.1 Perfiles del cuerpo, refuerzos intermedios y anillos de compresión 4.4.1.1 Perfil superior del cuerpo
En estanques sin techo, estos deben llevar en la parte superior un perfil o ángulo, el
cual tendrá como mínima sección siguiendo la siguiente fórmula: 22
16210000⎟⎠⎞
⎜⎝⎛×=
vHDS
Donde:
S = Mínimo módulo se sección requerido entre el nivel superior y ángulo intermedio (incluyendo
la porción del cuerpo del estanque que debe mantener una distancia de por lo menos 16·t o
0.78 (R·t)1/2 por debajo, y si es aplicable sobre el anillo unido al cuerpo), en in3.
v = Velocidad actual. Si v es menor a 100 mph, el valor (v/100) 1/2 , es 1.
H = Altura de el cuerpo del estanque, en ft.
D = Diámetro nominal del estanque, en ft.
t = espesor del cuerpo excluyendo la corrosión permitida, en la ubicación del ángulo, en in.
4.4.1.2 Vigas Intermedias del cuerpo
Cuando se requiere de vigas para el soporte del techo desde el fondo, se determina la
altura requerida mediante la siguiente fórmula:
5.1
010.8
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=
tDP
th
w
Donde:
h = Altura de la viga intermedia del cuerpo del estanque con el perfil superior, en ft.
D = Diámetro nominal del estanque, en ft.
t = promedio de todo el espesor del cuerpo excluyendo la corrosión permitida, para la distancia
vertical de h, en in.
Pw = Presión del viento, cuando la velocidad sea mayor a 100 MPH, se debe usar el factor,
multiplicado por 18 lbf / ft2 (Presión asumida):
2
2
10018
inlbfvPw ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
Cuando se requiere ubicar refuerzos adicionales en el manto, estos se deben calcular
siguiendo los procedimientos anteriormente descritos para las vigas intermedias. Con esto se
logra dar una mayor estabilidad al estanque en los anillos del cuerpo, por lo se puede recalcular
el espesor de cada anillo para obtener un espesor uniforme (transpuesto), siguiendo los
siguientes pasos:
55
5.2
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
actual
uniformetr t
tWW
Donde:
Wtr = Espesor transpuesto, en in.
t uniforme = Espesor para transformar a uniforme, en in.
t actual = Espesor actual del anillo, en in.
Calculando para el módulo de sección para los refuerzos se tiene: 22
10010000⎟⎠⎞
⎜⎝⎛×=
vhDS
(Se conservan las unidades referidas en 4.5.4.1 y 4.5.4.2).
4.4.2 Techo Los soportes y refuerzos del techo, deben ser diseñados de acuerdo a las
especificaciones de la AISC, considerando y exceptuando lo siguiente:
• Los techos sirven como refuerzo para las vigas, excepto para vigas con una longitud
mayor a 15 in., y con una inclinación mayor a 9.5º con la horizontal.
• La mínima inclinación para techos debe ser de 3.6º sobre la horizontal.
• La relación L/r no debe exceder de 175.
El máximo espacio entre vigas de soporte, debe ser de:
842575≤=
+LDWtL
Donde:
t = Espesor del techo, en in.
L = Espacio máximo entre las líneas de ejes de las vigas, en in.
WD+L = Carga sobre el techo (carga viva + carga muerta)
Esta ecuación es empírica, considerando un espacio de 84 in., espesor de 3/16 in., y
una carga viva de 25 lb/ft2.
4.4.3 Placas del cuerpo El espesor se debe calcular mediante la siguiente fórmula:
sEDGh
t p6.2=
Donde:
hp = Altura del nivel de diseño del líquido, en ft.
D = Diámetro nominal del estanque, en ft.
G = Gravedad específica del líquido, para agua 1.0.
s = esfuerzo permitido de diseño, en lb / in2.
E = eficiencia de junta, según la tabla 4.2.
56
Tabla 4.2: Tipo de Eficiencia de Juntas
Tipo de Junta a Tensión a Compresión
Doble con penetración completa 85 100
Doble con penetración parcial 85·Z*/T 100·Z*/T
Simple con penetración completa 85 100
A Traslape con filete continuo en ambas caras de la junta 75 75
A Traslape con filete continuo en un lado o intermitente por los dos lados 75·[(1+X)/2]+ 75·[(1+X)/2]+
A Traslape soldado con filete, a puntos o intermitentes por un lado 75·[(XW1+YW2) / 2t]++ 75·[(XW1+YW2) / 2t]++
* Longitud de penetración de soldadura.
+ X, es la longitud del filete discontinuo comparado con la longitud total de la junta, expresado como decimal. ++ X e Y, son las longitudes del filete discontinuo de cada lado comparado con la longitudes totales de la juntas, W1 y
W2 respectivamente. Cuando está soldado por una cara, W2 es cero, y están expresados como decimal. T y t, son los
espesores respectivos a analizar, use las placas más delgadas del manto.
El mínimo espesor para placas debe se de 3/16 in., exceptuando aquellos estanques
que tienen altura menor a 48 ft y un diámetro menor a 50 ft, y que además sean unidas las
placas con soldadura doble y que estén apoyados en tierra. Para ellos podrán tener un espesor
mínimo de ¼ in.
La tabla 4.3 indica los mínimos espesores de acuerdo a sus dimensiones:
Tabla 4.3: Espesores según dimensiones estanques
Diámetro nominal estanque (ft)
Altura nominal (ft)
minimo espesor (in)
D ≤ 20 Todos 3/16 20 < D ≤ 50 H ≤ 48 3/16
H > 48 1/4 50 < D ≤ 120 Todos 1/4120 < D ≤ 200 Todos 5/16
200 < D Todos 3/8
4.4.4 Pernos para fundación El mínimo diámetro para pernos de anclaje en la fundación, será de 1 ¼ in., el máximo
espacio entre pernos será de 10 ft. El esfuerzo para anclas será de 0.4 veces el esfuerzo de
fluencia o 0.25 veces el esfuerzo de tensión. Puede tener un largo recomendado de 3 in., según
sea el necesario para tuerca, golillas, etc.
Para el diseño de los pernos de anclaje, se debe considerar las cargas del viento que
producen un levantamiento del estanque y las cargas sísmicas que producen un momento de
volteo.
57
El esfuerzo de unión de las anclas con la fundación se determina mediante la siguiente
ecuación:
psifU C 160'5.1 ≤=
Donde:
U = Esfuerzo de unión en lb / in2.
ƒ’ C = Resistencia a la compresión del concreto, en psi. (Se asume como 3046 psi).
4.4.5 Accesorios 4.4.5.1 Entrada de Hombre
Deben poseer el menos dos entradas de hombre en el primer anillo del estanque. Si el
peso de los accesos es mayor a 50 lb. Se debe colocar bisagras. El tamaño mínimo a
considerar para entrada de hombre circulares será de 24 in., y elípticas de 18 x 22 in.
4.4.5.2 Conexiones
Deben estar ubicadas con un mínimo de 4 in., del suelo.
4.4.5.3 Rebose
Se debe ubicar un rebose que proteja de sobrepresiones y sobrecargas, estos no deben
poseer una llave de salida puesto que necesitan estar siempre habilitados para su descarga
directa al drenaje. La proyección del rebose será de 12 in., desde el manto, y el espesor mínimo
para su construcción será de 3/16 in.
4.4.5.4 Escalas
Las escalas que se encuentran afuera del estanque, comenzarán en los 8 ft, desde el
fondo del estanque. Los peldaños serán al menos de 2 x 3/8 in., con un espacio entre ellos de
16 in., con un material antideslizante de al menos ¾ in., de espesor. Las escalas dentro del
estanque no se recomiendan para estanques en climas fríos donde se puede formar hielo.
Todo lo relacionado con escalas, pasamanos y plataformas, será especificado por
OSHA 29K.
4.4.5.5 Venteo
Para estanques con un espacio entre el espejo de agua y el techo muy reducido, será
previsto de un respirador o venteo, a fin de dejar circular aire para eliminar una posible
sobrepresión. No se debe considerar el rebose como parte del venteo.
Se ubicará cerca del centro del techo, y se considerará un diseño que evite la entrada
de basuras o animales.
K Occupational Safety and Health Administration, Administración de Seguridad y Salud Ocupacional.
58
4.5 CONSIDERACIONES DE DISEÑO
tipo de superficie techo CdPlana 1.0Cilindrica o Cónica con ángulo < 15º 0.60Curva Doble o Cónica con ángulo > 15º 0.50
4.5.1 Diseño de cargas por viento Se considera un mínimo de presión de carga de nieve de 25 lbf/ft2 sobre la horizontal
del techo, que tiene como máximo de ángulo, 30º en pendiente. La mínima carga de diseño
para el techo, será de 15 lbf/ft2. El coeficiente de fricción del viento sobre el techo, se detalla en
la tabla 4.4.
Tabla 4.4: Coeficiente de fricción para cargas en el techo
La presión del viento sobre el estanque será calculada por la siguiente fórmula:
CdvCdPw 30100
302
≥⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
Donde:
Pw = Presión del viento, en lbf/ft2.
V = velocidad del viento no mayor a 100 mph, en mph.
Cuando la velocidad sea mayor a 100 mph, y para estanques con una altura mayor a 125 ft de
nivel de líquido, la velocidad aumentada será de:
mphvHvh 10033 33
7/1
≥×⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
Donde:
Vh = velocidad media en altura, en mph.
V33 = velocidad promedio a 33 ft de altura (altura típica donde se mide la velocidad en
aeropuertos), en mph.
H = altura media entre la altura del techo y la altura mínima de nivel de líquido para aplicar esta
fórmula (125 ft), en ft.
El momento de volteo provocado en estanques no anclados se determina por:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅≤
232 WDM
Donde:
M = Momento de volteo debido a presión del viento, en lbf·ft
W = Peso Muerto del Estanque, excluyendo corrosión permitida y presión interna generada en
el techo, en lb.
D = Diámetro del Estanque, en ft.
59
Si la relación anterior no se cumple, se deberá anclar el estanque. La carga de tensión
de diseño en los pernos de anclaje será:
NW
dNMPB −=
4
Donde:
PB = Carga de Tensión de Diseño para el Perno, en lb. B
d = Diámetro circunferencial del Perno en ft.
N = Número de Pernos.
4.5.2 Unidades de Esfuerzos Existen 3 clases de material según su esfuerzo de fluencia. Las tablas se encuentran en el
anexo E.1 y E.2.
• Clase 0: Fy < 27000 psi.
• Clase 1: 27000 ≤ Fy ≤ 34000 psi.
• Clase 2: Fy > 34000 psi.
4.5.3 Diseño sísmico Las cargas verticales máximas aplicadas en el diseño sísmico de los accesorios son:
• Plataforma: 1000 lb. en 10 ft2 de área.
• Techo: 500 lb. en 10 ft2 de área.
• Escalas: 350 lb. en la sección vertical.
Las barandas o pasamanos, se diseñaran para soportar (si se requiere) una carga
simultánea vertical y horizontal de 50 lbf/ft, soportado por toda la estructura. Para otros casos se
diseñaran para soportar lo normal que es 25 lbf/ft.
El diseño sísmico se basa principalmente en la fuerza provocada por el movimiento en
conjunto que tiene el contenido líquido con el estanque, lo que deriva en dos movimientos con
una baja y una alta frecuencia. La primera conduce a un comportamiento de oleaje del líquido,
mientras que la segunda frecuencia, genera un movimiento unísono entre el contenido y el
estanque.
Este efecto genera una fuerza de corte y un momento de volteo en el estanque, definido
por un corte base (baja frecuencia), momento de volteo (alta frecuencia):
4.5.3.1 Corte Base
Se define mediante la siguiente fórmula:
( )[ ]21114.018 WSCWWWWRZIV frsw
ACT +++=
60
Donde:
VACT = Corte lateral actual, en lb.
Z = Coeficiente de zona, Se usa según localización y para el caso de Chile, se usa los datos
proporcionados en la figura 3.11.
I = Factor de importancia que asume la norma AWWA D-100 como 1.0 y 1.25. Consultar anexo
D.4 para otros factores en Chile.
RW = coeficiente de reducción de fuerza, determinado en la tabla 4.5.
Ws = Peso total del estanque y accesorios significativos, en lb.
Wr = Peso del techo incluyendo accesorios, carga permanente, etc., en lb.
Wf = Peso total del fondo del estanque, en lb.
W1 = Peso de la masa efectiva del contenido que se mueve al unísono con el estanque, en lb.
S = Factor de amplificación por sitio, de tabla 3.6 y 3.7.
W2 = Peso de la masa efectiva que se mueve en el primer oleaje, en lb.
C1 = Se determina según la siguiente relación:
Para Tw < 4.5; wT
C61
1 = si Tw ≥ 4.5; 2175.0
wTC =
Tw = Período natural del primer oleaje, en seg.
21
DKT pw =
Kp = Factor de la relación entre el Diámetro del estanque con la altura de este, de tabla 3.14.
D = diámetro del estanque, en ft.
Tabla 4.5: Coeficiente Reducción de fuerza
Estructura Rw Estanques elevados con barras cruzadas 4.0 Estanques elevados con un pedestal 3.0 Estanque con fondo plano sin anclas 4.5 Estanque con fondo plano anclados 3.5
4.5.3.2 Momento de volteo
( )[ ]2211114.018 XWSCXWHWXWRZIM trssw
+++⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
M = Momento de volteo provocado en el fondo del manto del estanque, en lb·ft.
XS = Altura desde el fondo al centro de gravedad del estanque, en ft.
Ht = Altura total del cuerpo del estanque, en ft.
X1 = Altura desde el fondo del estanque al centro de gravedad de W1, en ft.
X2 = Altura desde el fondo del estanque al centro de gravedad de W2, en ft.
61
W1 y W2, se determinan multiplicando el peso total del líquido (WT), por la relación que
tienen con el Diámetro (D) y la altura de nivel de diseño del líquido (H), según la figuras 3.12 y
3.13, en donde:
T
T WWWW 1
1 ⋅= T
T WWWW 2
2 ⋅=
Las alturas X1 y X2, se determinan de manera similar al procedimiento anterior:
HXHX 1
1 ⋅= HXHX 2
2 ⋅=
El peso WT, se determina mediante:
22
494
4.62 GHDDGHWT =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
π
Donde:
G = Gravedad específica del líquido.
D = Diámetro nominal del estanque, en ft.
H = Altura máxima de diseño del nivel de líquido, en ft.
En zonas afectadas por una constante actividad sísmica, con magnitudes que pueden
llegar a grado 7 o mayor en la escala de Richter, conviene modificar el momento de volteo
mediante un estudio espectral del sitio. Cuando se usa una respuesta espectral, se debe
determinar las aceleraciones convectiva e impulsiva, mediante las siguientes ecuaciones.
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡==
wF
iimp R
ZIremplaceRA
A 1814.0)( ; en unidades de g.
wF
cconv R
SZICremplaceRA
A 118)( == ; en unidades de g.
Donde:
g = Aceleración de gravedad, 32.2 ft/s2.
Rf = Factor de reducción. (Use 2.5 cuando se conoce la respuesta espectral cada 10000 años.
Si no se tiene la información precisa, utilizar la tabla 4.5).
La velocidad espectral asociada a estas aceleraciones se determina mediante:
wconvv TAS 125.5= ó w
wv R
ZISTCS 125.92
=
La simbología esta definida anteriormente, y la velocidad corresponde a ft/s.
62
4.5.3.3 Resistencia en estanques no anclados
La resistencia al vuelco de un estanque no anclado respecto del fondo de el, está
definido por:
HDGHGtw bybL 28.19.7 ≤= σ
Donde:
wL = Peso máximo del contenido que puede resistir la curvatura del estanque, respecto al
momento de volteo, en lb·ft.
tb = Espesor de la placa de fondo bajo el estanque, en in. Puede ser mayor que el espesor del
fondo del estanque, pero no mayor respecto del primer anillo del estanque incluyendo la
corrosión permitida. El ancho que debe tener el anillo anular del fondo será de:
DHGtL yb 035.0/216.0 ≤= σ
Si excede de 0.035D, el estanque se debe anclar.
σby = Esfuerzo mínimo de fluencia de la placa de fondo bajo el estanque, en psi.
G = Gravedad específica del líquido.
D = Diámetro nominal del estanque, en ft.
H = Altura máxima de diseño del nivel de líquido, en ft.
El esfuerzo máximo de compresión en el fondo del cuerpo, se determina por:
stC tD
Mw12
1273.12 ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +=σ ; Cuando ( )[ ] 785.02 ≤
+ Lt wwDM
( )s
L
Lt
LtC t
w
wwDM
ww12
1
018667607.03.2
2 ⎟⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+
−
+=σ ; Si ( )[ ] 54.1785.0 2 ≤
+<
Lt wwDM
Para valores mayores a 1.54, el estanque se debe anclar.
Donde:
σC = Esfuerzo de compresión longitudinal máximo en el fondo de la circunferencia del cuerpo,
en lb/in2.
ts = Espesor del fondo del estanque, en in.
w t = Peso del perímetro del manto y la porción del techo correspondiente, en lb/ft.
rss
t wD
Ww +=
π
wrs = Peso de la porción del techo considerando solo las cargas permanentes, no la carga viva.
63
4.5.3.4 Resistencia en estanques anclados
La carga de tensión de las anclas, se determina por:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −= tLB w
DMST 2
273.1
Donde:
TB = Tensión en anclas, en lb. B
SL = Espacios entre anclas, en ft.
4.5.3.5 Esfuerzo de tensión sísmico hidrodinámico periférico.
Cuando se considera la aceleración vertical, el esfuerzo se determina por:
( )t
NN ciS
+=σ
Para D/H ≥ 1.333:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
HD
HY
HYGDH
RZIN
wi 866.0tanh5.035.11
2
Para D/H < 1.333, e Y < 0.75·D:
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
22
75.05.0
75.098.6
DY
DYGD
RZIN
wi
Para D/H < 1.333, e Y ≥ 0.75·D:
250.3 GDRZIN
wi ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
Para todas las proporciones:
( )
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
=
DH
DYHSGDC
RZI
N wC 68.3cosh
68.3cosh55.17 21
Cuando es especificada la aceleración vertical, el esfuerzo se determina por:
taNNN uhCi
S
222 )(++=σ
Donde:
σS = Esfuerzo hidrodinámico periférico, en lb/in2.
Ni, Nc = Fuerza impulsiva y convectiva, en lb/in.
Nh = Fuerza hidrostática, en lb/in.
au = Aceleración vertical (en decimales). Puede ser 0.75 veces la aceleración impulsiva u otra
especificada.
64
t = Espesor del anillo inferior del manto, en in.
Y = Distancia desde la superficie del fluido, en ft.
La distancia del espacio libre (Freeboard), debe ser diseñada con la distancia a la que
llega el oleaje, con la siguiente fórmula:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡=
wRSZICDd 153.7
Donde:
d = distancia que alcanza el oleaje sobre la superficie del liquido, en ft.
4.5.3.6 Esfuerzo permitido en sismos
En compresión, el efecto interno de la presión del líquido genera un esfuerzo de
pandeo, por lo que es necesario determinar el esfuerzo permitido en sismos con un factor de
seguridad que incluya esta fuerza.
Para estanques no anclados, se tiene:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ Δ
+=2
333.1 crae
σσσ
Donde:
σe = Esfuerzo permitido en sismos, en lb/in2.
σa = Esfuerzo de compresión permitida, en lb/in2. ver anexo F.
∆σcr = Incremento debido al esfuerzo de pandeo determinado por:
REtCC
crΔ
=Δσ
Donde:
∆CC = Coeficiente estabilizador de presión de pandeo de figura 4.1
E = Módulo de elasticidad, 29x106 psi.
t = Espesor de la placa en consideración, en in.
R = Radio del estanque, en in.
Para estanques anclados, se tiene:
ae σσ 333.1=
65
Figura 4.1 Determinación Coeficiente Estabilizador P = Presión hidrostática, en lb/in2. 4.5.3.7 Deslizamiento de estanques
Cuando se requiera verificar si el estanque y su contenido no estén expuestos a
deslizamiento, se debe asumir un coeficiente de fricción en corte igual a tan 30º.
( )( )vrSALLOW aWWWWV 4.00.1º30tan 21 −+++=
Donde:
V ALLOW = Corte lateral permitido, en lb.
66
CAPÍTULO 5 “COMPARACIÓN DE NORMAS” La comparación entre las normas API 650 y AWWA D-100, supone un estudio de la
trascendencia económica y de ingeniería que deriva de la aplicación de ellas. En esta
aplicación, es necesario conocer el alcance que tiene cada una de las normas, preparar el
material auxiliar a ellas, y conocer los aspectos básicos a considerar en el cálculo como la
ubicación geográfica, el entorno natural, el material a almacenar y el tipo de operación que se
dará, al equipo mecánico.
Se debe tener en consideración, que la norma no asegura la disponibilidad del estanque
o el funcionamiento correcto del equipo, ya que los rangos considerados en el cálculo,
dependerá también de quien los realice, de la experiencia y de los nuevos escenarios respecto
al tema. Esto último a raíz de las constantes actualizaciones que presentan las normas y de las
modificaciones en los estudios (principalmente sísmicos y de esfuerzos sobre el estanque) que
se aplican en ellas.
5.1 COMPARACIÓN ECONÓMICA 5.1.1 Criterios de evaluación La variable que más afecta en la construcción del estanque, es el acero, ya que este
representa aproximadamente más de un 70% del valor total del estanque. Aquí se incluye todo
lo que es placas de acero para el manto, fondo y techo, además de los accesorios. Para el
estudio solo se considerará el material del cuerpo del estanque agregando un 5% como
cubicación estimativa, del peso total del estanque por efectos de accesorios básicos, como
entrada de hombre, boquillas (una entrada, salida y drenaje), venteo, escala, pasillo y barandas.
• Las placas comerciales de acero en Chile, generalmente vienen en diferentes formatos
siendo las dimensiones de 2000x6000 y de 2000x12000, las más utilizadas según las
cotizaciones realizadas. Estas se muestran en el apéndice J.
• En consulta informal, un soldador puede terminar 15 m de soldadura en 8 horas diarias
en condiciones controladas de taller, y de 5 a 6 m en intemperie.
• Todos los valores de precios y costos mostrados tanto en tablas, como en figuras, se
designan en moneda nacional (pesos chilenos $), a no ser que se indique otra moneda.
El dólar americano se indica en USD$, y el australiano en AUD$.
• El costo de hora hombre (HH) por soldadura es de USD$ 18/hr.
• No se aplica el costo de la fundación, debido a que es un estudio del cálculo de
estanque basado en la estructura propiamente tal, y no en el modelo de construcción.
• Se omite el costo por pintado u otro tipo de protección en el estanque, puesto que la
norma solo indica los aspectos generales, y es escaso el aporte para ser considerado.
5.1.2 Determinación de cálculos Los cálculos se han realizado en una planilla electrónica en el programa mathcad 2000
profesional, en el apéndice H para la norma API y apéndice I para la norma AWWA.
67
5.1.3 Costos de Acero en Bruto El acero mayormente comercializado en Chile es el A-36 de denominación ASTM,
equivalente al 37-24ES de NCh203. Ambas normas lo designan para utilizarlo en estructuras
del estanque, no así para la construcción de las partes principales como el manto, techo y
fondo, sin embargo, es muy requerido en nuestro país, ya que es de bajo costo comparado con
el A-573 (equivalente al A 42-27), y viene en más formatos.
Los valores indicados en la tabla 5.1, corresponde a cotizaciones realizadas en 4
empresas Chilenas: SOIMEX, SACK, CARLOS HERRERA y CENTRO ACERO. Estas
empresas comercializan el tipo de acero requerido según la denominación que aparece en las
dos normas utilizadas. Dentro de la selección, se requirió de aquellos formatos de planchas que
cumplen con los utilizados en la elaboración de las planillas de cálculo, y que además poseen el
precio más conveniente. A continuación, se detalla el costo de planchas y accesorios según la
tabla 5.1 y 5.2.
Tabla 5.1: Datos y valores del Acero
TIPO DE ACERO A 36 ANCHO DE PLANCHAS (mm) 2000 LARGO DE PLANCHAS (mm) 12000 PRECIO PLANCHA 6mm ($/kg) 586 PRECIO PLANCHA 8mm ($/kg) 540 PRECIO PLANCHA 10mm ($/kg) 515 PRECIO PLANCHA 12mm ($/kg) 515 CANAL 150x75x5 (6m) ($ C/U) 26000
DA
TOS
ACERO PARA ACCESORIOS ($/kg) 674
Tabla 5.2 Diferencia de costos de planchas entre normas
Plancha (mm)
Norma API (tons)
Norma AWWA (tons)
COSTO API ($)
COSTO AWWA ($)
12 18,96 18,96 9764400 976440010 15,80 7,90 8137000 40685008 30,90 30,90 16686000 166860006 18,80 23,50 11016800 13771000
Accesorios 4,22 4,06 2846302 2738462Total 88,68 85,32 48450502 47028362
Diferencia $ 1.422.140
Existe una diferencia importante de acuerdo a los datos obtenidos en la tabla. Esta
diferencia crece en algunos proyectos mineros, donde la demanda de estanques para
almacenamiento de agua y los costos del acero es mayor. Por ejemplo, el Proyecto de
Expansión de la mina de Oro en Boddignton-Australia, requiere de 18 estanques de
almacenamiento de agua (potable y de procesos en total); haciendo una proporción de acuerdo
68
a los datos obtenidos, se traduce en un ahorro de un 6.3% en acero bruto, utilizando el método
de la norma AWWA D-100 para el calculo del espesor de plancha.
El costo de acero bruto en Australia aproximadamente es de AUD$4.-, unos $1823 el
kg. de acero, lo que para el estanque en estudio significa un ahorro de AUD$13.440.- cerca de
$6.000.000.-. Este proyecto en particular, requiere que todos los estanques estén diseñados
bajo la norma API 650, incluidos los estanques para almacenamiento de agua.
5.1.4 Costos de Soldadura La variable soldadura, depende de las dimensiones del estanque y del aprovechamiento
de material, al momento de decidir las dimensiones de planchas a utilizar en el cálculo. A objeto
de estudio, se entrega el rendimiento que se obtiene al realizar las siguientes combinaciones en
el estanque calculado, utilizando diferentes formatos de planchas, que existen en el mercado.
Se crea una planilla llamada Costos.xls en el programa Excel para determinar la
cantidad de soldadura que se requiere en los miembros componentes del estanque. Los datos
de entrada para el cálculo se encuentran en la izquierda de la figura 5.1.
Figura 5.1 Planilla para determinar costos de soldadura
Los costos de soldadura se estiman por metro de soldadura, dividido por la capacidad
del soldador y multiplicado por el valor de la hora hombre trabajada. El valor de HH se
convierte a moneda nacional, de acuerdo al tipo cambio del 24/07/07, consultado en el sitio de
Internet del Banco Central. La soldadura es cotizada conforme a las normas, con designación
E6013, en un cotizador en línea, perteneciente a la revista de construcción ONDAC al 24/07/07.
En la figura 5.2, se grafica la respuesta que tiene el costo por soldadura debido al tipo
de plancha utilizada para los cálculos del estanque.
69
GRÁFICO Costo v/s Tipo de Plancha
2000x6000
2000x12000
2440x6000
2440x12000
3000x12000
$ 4,000,000
$ 5,000,000
$ 6,000,000
$ 7,000,000
$ 8,000,000
0 1 2 3 4 5 6
ITEM
CO
STO
S
Figura 5.2 Gráfico del costo por tipo de plancha
Los costos de acero y soldadura, son los principales costos asociados directamente a la
construcción del estaque. Un estudio mas profundo del comportamiento que tienen los equipos
frente a las distintas formas de abordar el diseño y cálculo bajo las normas, permitiría minimizar
en gran manera los costos directos, sin dejar de lado la seguridad y garantías que ellas
entregan.
5.2 COMPARACIÓN DISEÑO 5.2.1 Espesor de Plancha Si bien, la disminución en el espesor de plancha se traduce en un costo menor por la
cantidad de acero requerido, es conveniente verificar como afecta en la estructura del estanque
este requerimiento, tema que no es tratado en esta memoria.
5.2.1.1 Norma API 650
La norma API 650, posee dos métodos para calcular el espesor de plancha, el método
de un pie y el método de espesores variables.
El método de un pie determina el espesor que se requiere por cada pie de altura,
comenzando desde el fondo y descontando la regla de 1 pie al subir de nivel. En cada nivel o
anillo, se calcula dos espesores, uno respecto al esfuerzo de diseño y otro debido al esfuerzo
por prueba hidrostática según el material empleado, seleccionando aquel de mayor espesor.
Este método se utiliza en estanques de hasta 60 m. de diámetro. El segundo método es más
elaborado, y permite a estanques de gran diámetro optimizar de mejor forma que el método de
un pie, el espesor de plancha, sin embargo, para estanques de almacenamiento de agua, el
diámetro no es tan grande comparado con estanques para almacenamiento de petróleo que
70
necesitan almacenar grandes volúmenes. Esté método no conviene ser aplicado para
estanques de almacenamiento de agua, donde el espesor varía no más allá de 20 mm. con lo
cual el primer método es aceptable para el cálculo.
5.2.1.2 Norma AWWA D-100
El espesor calculado siguiendo el método de esta norma, tiene una aproximación con el
primer método de la API 650. La diferencia está en que no depende del descuento de 1 pie en
los niveles, y que además depende de la eficiencia por tipo de soldadura que se utilizará en la
unión de las planchas. El espesor de necesario varía directamente con la altura que se resta por
nivel desde la altura total del estanque y la altura del módulo se determina según la dimensión
de plancha a utilizar. Este método no tiene limitación de diámetro para estanques con fondo
plano soportado, aunque tiene una restricción para estanques elevados que deben tener un
diámetro capaz de almacenar como máximo 1135.6 m3.
Para estimar una diferencia en el método que utiliza cada norma para determinar el
espesor de plancha, es necesario definir algunos parámetros que permiten observar de mejor
forma esta diferencia. En este caso, se asume que el diámetro es 1.333 veces su altura, y que
el espesor se mantiene constante en toda la altura del estanque comenzando desde el fondo.
Esta última condición no es aplicable en el cálculo normal de un estanque debido al costo
innecesario de material que esto implica, pero puede ser utilizado para el estudio comparativo.
En la figura 5.3, se muestra la variación de espesor, según el método aplicado.
GRÁFICO Espesor Según Normas
0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50
Diámetro (m)
Espe
sor (
mm
)
API AWWA
Figura 5.3 Gráfico espesor según norma
Se observa en el gráfico anterior, que la variación de espesor que entrega la aplicación
de la norma AWWA D-100 es menor comparado al espesor que entrega API 650 hasta un
diámetro de 35 m. para un estanque, luego el espesor de la AWWA D-100 comienza crecer. En
71
este caso, los estanques para almacenamiento de agua, conviene ser calculado por la norma
AWWA D-100, debido a que el rango en que la curva es menor, puede ser aplicado a los
estanques que generalmente se necesitan.
5.2.2 Ángulo del Techo respecto a la horizontal Otro aspecto a considerar en el análisis de las normas, es el techo del estanque. La
norma API 650 tiene la particularidad de explicar detalladamente todos los aspectos referentes
a la construcción y el diseño del techo. Esto debido a que el techo es esencial en el
almacenamiento de combustibles que poseen sustancias volátiles permitiendo que el líquido no
se evapore a causa del aumento de la temperatura.
Para la norma AWWA D-100, el techo solo es estrictamente considerado para
estanques de almacenamiento de agua potable, y no detalla más antecedentes respecto del
tema, solo las cargas mínimas para el diseño del techo.
Usualmente se utiliza un techo cónico para cubrir los estanques, esto implica la
importancia de considerar el ángulo del techo respecto de la horizontal, debido a que de ello
depende el impacto que provocan generalmente las cargas de viento, carga viva y muerta.
La norma API 650 recomienda un ángulo de techo respecto a la horizontal entre 9.5º y
37º, y además acota el espesor del techo entre 5 a 12.5 mm.
En la figura 5.4, se muestra como varía el espesor del techo según el ángulo de
proyección. Se basa principalmente en el diámetro del estanque y la carga que debe soportar
el techo. Para ambas normas se ocupó el mismo cálculo.
9 14.5 20 25.5 31 36.5 42
3
6
9
12
15CURVA Espesor v/s Ángulo
15
0
e θt( )
429 θt
Figura 5.4 Curva del espesor respecto al ángulo
A medida que el ángulo aumenta, el espesor tiende a reducir hasta el límite del espesor
estipulado por la norma API, sin embargo, el área del techo comienza a aumentar debido a la
generatriz producida respecto a la altura, según la figura 5.5.
72
36°
9,9
5,81
16
Generatriz
Figura 5.5 Esquema de la generatriz respecto al ángulo
5.2.3 Otros tópicos 5.2.3.1 Unidades
La norma API 650 ha hecho un esfuerzo para adherirse al sistema internacional de
medidas. De acuerdo a la edición empleada para este estudio, todas las fórmulas, unidades, y
dimensiones, se encuentran en unidades métricas con su respectiva equivalencia en unidad
inglesa.
Según la edición analizada de la norma AWWA D-100, tiene algunas dificultades al
momento de aplicarla ya que tiene las fórmulas en el sistema ingles, y al final de las secciones,
existe una tabla con la conversión de ellas. El resto de las fórmulas solo están en el sistema
inglés, provocando un desajuste y retraso al momento de aplicarla.
Ambas normas pueden ser compatibles para el almacenamiento de agua, pero no
garantizada para otras sustancias. Una revisión de las fórmulas de ambas normas, revela que
algunas de ellas utilizadas en la norma API 650, están especificadas en la norma AWWA
D-100. Se puede destacar que los resultados de la aplicación de las normas para el estanque
en estudio, entrega un diseño similar, por ejemplo, al utilizar las fórmulas para verificar si el
sistema es estable, se observa que el estanque asumido no se debería anclar para ambas
normas. Esto comprueba la afirmación anterior.
5.2.3.2 Apéndices
La norma API, usa el apoyo de los apéndices para resolver algunos puntos no tratados
en el texto de la norma. Con esto se logra que el lector pueda entender los procedimientos de
una forma mas clara. La norma AWWA, solo posee el apéndice para el uso de referencias.
5.2.3.3 Diseño sísmico y por cargas de viento
Como se mencionó anteriormente en 5.2.3.1, las normas utilizan las mismas fórmulas
para determinar por ejemplo, la comprobación por cargas de viento, y utilizan los mismos
gráficos y tablas para referirse al momento de volcamiento debido a las cargas sísmicas.
73
CONCLUSIÓN
Una vez desarrollado todo el proceso de búsqueda de información, aplicación, análisis
y comparación de las normas para estanques de almacenamiento de agua; se puede concluir
que el estudio permite ser un recurso eficiente para determinar las ventajas que entrega una
respecto de otra, además de lograr diferenciar cuando conviene o no aplicarlas.
El tema de las unidades, idioma e interpretación de normas, debe tener un especial
cuidado. Consultar a tiempo con alguien más experimentado en el tema, conduce a una
aplicación segura y eficiente. Esto último permite evitar fallas en los cálculos, los que pueden
ocasionar serios problemas de dimensión, económicos, estructural, causando serios daños y
pérdidas para las personas, medio ambiente o para una empresa.
En el tema central, se observó que la norma AWWA D-100 muestra una ventaja
económica importante respecto a la norma API 650. Se demostró que hasta un diámetro de 35
m., lo suficiente para la fabricación de estanques de almacenamiento de agua, es más
conveniente aplicar la norma AWWA D-100, en la determinación del espesor de plancha.
La dimensión del estanque, debe estar definida al momento de comenzar la aplicación
de la norma, debido a que es la base de todo el procedimiento de cálculo. La geometría del
estanque, tiene que ser de tal forma que se pueda optimizar al máximo el material, por ejemplo,
en el caso de planchas de 3000x12000 se observó una diferencia importante en los costos, que
significa menos cantidad de soldadura lineal y menos horas de trabajo, aumentando tiempo y
recursos que benefician la productividad.
No fue tema de estudio desarrollar un análisis económico profundo de las diferencias
provocadas por el uso de una norma u otra, sin embargo, se entregó en forma general, una
base para estudios posteriores respecto al tema.
El estudio de estanques para almacenamiento de agua, contribuye al bienestar de las
personas, al medio ambiente y a las empresas. Para lograr este objetivo, se debe utilizar un
procedimiento seguro de cálculo que se logra al aplicar una norma, comparar experiencias del
mismo tipo, optimizar los materiales y generar bases para estudios posteriores.
74
REFERENCIAS
[1] API, (American Petroleum Institute); API 650, “Welded Steel Tanks for Oil Storage”, décima
edición actualizada, Washington D.C., noviembre 2001.
[2] AWWA, (American Water Works Association), AWWA D-100-96, “Welded Steel Tanks for
Water Storage”, Edición actualizada, Denver, Colorado, junio 2006.
[3] http://es.wikipedia.org/wiki
[4] RAE, (Real Academia Española); “Diccionario de la Lengua Española”, vigésima segunda
edición, España, 2001.
[5] Irving H. Shames, “Mecánica de Fluidos”, 3ra edición, editorial McGRAW-HILL, Santafé de
Bogotá, Colombia, 1995.
[6] Karen Poniachik, Seminario “Minería y Recursos Hídricos”, Extracto del discurso organizado
por Sonami y el Consejo Minero, Marbella, Octubre 2006.
[7] Revista Minera, “¿Hay agua para la industria minera?”, Publicación en Internet, Nº294,
Diciembre 2005.
[8] Gustavo Lagos, “Eficiencia del uso de agua en la minería del cobre”, trabajo, Seminario del
CEP sobre Gestión del agua en la minería, Nº 273, Octubre 1997, 18 pág.
[9] Harris,DC. “Quantitative Chemical Analysis”. Ed. Freeman. 1999. pág 328.
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APÉNDICES
APENDICE A NORMA API 650 A.1 Grupos de Material
A.2 Tipos de Placas de Refuerzos para Boquillas y Bridas en el Cuerpo del Estanque
A.3 Dimensiones para Boquillas
A.4 Dimensiones para Tubería, placa y tamaño de filete de soldadura
A.5 Dimensiones de Bridas para Boquillas en el cuerpo del Estanque
A.6 Dimensiones Drenaje
A.7 Dimensiones para Placas de refuerzo y Bridas en Conexiones
A.8 Dimensiones para Conexiones en el Drenaje
A.9 Espesor para placa de refuerzo en el cuerpo para Drenaje
A.10 Dimensiones del Sumidero
A.11 Figuras y Dimensiones de Drenajes
A.12 Conexiones en el fondo del estanque
A.13 Conexiones en el techo del Estanque
APENDICE B
B.1 Tablas y figuras para dimensionar Entrada de Hombre en el Manto
B.2 Tablas y figuras para dimensionar Entrada de Hombre en el Techo
B.3 Entrada de Hombre del Techo Rectangular
APENDICE C C.1 Ensamble de techo con el cuerpo del estanque
APENDICE D D.1 Perfiles de coronamiento
D.2 Esfuerzo de Tensión para Pernos de Anclajes.
D.3 Tabla con Perfiles de Coronamiento y Refuerzo
D.4 Extracto Norma Chilena para Factor de Importancia
APENDICE E NORMA AWWA D-100 E.1 Tabla de unidades para esfuerzo de tensión y compresión
E.2 Tabla de unidades para esfuerzo a flexión y corte
E.3 Tabla de unidades para esfuerzo de apoyos
APENDICE F F.1 Capítulo de Estabilidad de la norma
APÉNDICE G G.1 Perfiles de Coronamiento en Chile
G.2 Sobrecargas de Nieve según NCh 431. Of. 77
G.3 Coeficiente de Importancia según NCh 2369-2003
APÉNDICE H
“CÁLCULO NORMA API 650”
APÉNDICE I
“CÁLCULO NORMA AWWA D-100”
APÉNDICE J
“COTIZACIÓNES”
