RESUMEN
En el marco del proceso de construcción de un estanque para multiproductos, con una capacidad de almacenamiento de 15.000 m3, solicita una revisión para la determinación de la cantidad y dimensión de los pernos de anclaje. El equipo puede categorizarse como un estanque cilíndrico de grandes dimensiones e instalado en una losa. Las dimensiones principales son 33 metros de diámetro y 18 metros de altura aproximadamente. El trabajo contempla una revisión documental del proyecto existente, para lo cual se realiza una revisión por elementos finitos de la estructura con el software Simscale y la validación del sistema de anclaje propuesto bajo la normativa API 650 y en contraste con la Norma Chilena NCh. 2369:2003 vigente y normalmente utilizada para el diseño de este tipo de estanques. El análisis se respalda en una extensa revisión bibliográfica y en cálculos disponibles para el lector o el cliente. Las conclusiones tras el análisis de datos, relevan la importancia que imponen las normas en la estanqueidad estructural, la influencia de las cargas sísmicas y la alta magnitud de la normal para esta clase de estructuras. Los resultados obtenidos son satisfactorios.
2. PROCEDIMIENTO
El procedimiento utilizado contempló en primera instancia la revisión documental del proyecto propuesto y memorias de validación. Con las dimensiones principales y antecedentes extraídos del proyecto se genera un modelo digital que es sometido al análisis por elementos finitos y cuyos resultados pueden observarse en las imágenes adjuntas en el punto 5 de este informe. Posteriormente y tras la revisión de la normativa, se obtiene la tensión a la que serían sometidos los anclajes y el valor es comparado con la alternativa propuesta por el fabricante o diseñador del estanque. El procedimiento se repite bajo las consideraciones particulares de cada norma.
Las normas utilizadas son:
– API 650. Welded Steel Tanks for Oil Storage. Thirteen Edition, 2020.
– Nch. 2369:2003. Diseño sismico de estructuras e instalaciones industriales.
3. ANÁLISIS BAJO NORMA API 650
La normativa API 650 en la sección 5.12 y en Anexo E, define un procedimiento de diseño y cálculo el cual permite estimar la cantidad y el diámetro de pernos de anclaje. A continuación, se procede a definir las variables relevantes para el cálculo de la resistencia del anclaje.
DEFINICIÓN DE VARIABLES
CÁLCULO DE FUERZAS Y MOMENTOS.
En la memoria de cálculo entregada por el fabricante del estanque se evidencia que la condición de carga que provoca la mayor solicitación es la acción sísmica. Para determinar el esfuerzo provocado por el sismo se debe calcular el momento volcante, la fuerza horizontal sísmica y la fuerza correspondiente a la resistencia al deslizamiento.
Momento volcante: La norma API 650 calcula el momento volcante Mrw con la siguiente expresión
(API 650, Anexo E.6.1.5.):
𝑀𝑟𝑤 = √[𝐴𝑖(𝑊𝑖𝑋𝑖 + 𝑊𝑠𝑋𝑠 + 𝑊𝑟𝑋𝑟 ] 2 + [𝐴𝑐(𝑊𝑐𝑋𝑐) ] 2
Dónde,
Mrw: Momento volcante.
Wi: Efecto impulsivo del peso del líquido.
Xi: Distancia desde el fondo del estanque al punto de aplicación de Wi.
Ws: Peso del manto.
Xs: Distancia desde el fondo del estanque al centro de gravedad del manto.
Wr: Peso del techo y sus accesorios.
Xr: Distancia desde el fondo del estanque al centro de gravedad del techo y sus accesorios.
Wc: Efecto convectivo del peso del líquido.
Xc: Distancia desde el fondo del estanque al punto de aplicación de Wc.
Ai: Coeficiente aceleración impulsivo.
Ac: Coeficiente aceleración convectivo.
Resistencia al deslizamiento (fuerza de roce): En tanto, la resistencia al deslizamiento se calcula según la siguiente expresión (API650, Anexo E.7.6):
𝑉𝑠 = 𝜇(𝑊𝑠 + 𝑊𝑟 + 𝑊𝑓 + 𝑊𝑝)(1 − 0,4𝐴𝑣)
Donde,
Vs: Fuerza de resistencia al deslizamiento.
Wr: Peso del techo y sus accesorios.
Wf: Peso del fondo.
Wp: Peso del producto.
Av: Parámetro de aceleración vertical del sismo.
Fuerza sísmica horizontal: El cálculo de la fuerza sísmica horizontal se define con la siguiente expresión
(API 650, Anexo E6.1.):
𝑉 = √𝑉𝑖 2 + 𝑉𝑐 2
Dónde,
𝑉𝑖=𝐴𝑖(𝑊𝑠 + 𝑊𝑟 + 𝑊𝑓 + 𝑊𝑖) (Componente de la fuerza horizontal modo impulsivo)
𝑉𝑐 = 𝐴𝑐𝑊𝑐 (Componente de la fuerza horizontal modo convectivo)
De acuerdo con los valores obtenidos y que se encuentran resumidos en la Tabla 1, se obtiene lo siguiente:
La resultante entre la resistencia al deslizamiento y la fuerza horizontal resultante del sismo nos indica la magnitud de la fuerza de corte a la que se someten los pernos de anclaje. Si V es menor que Vs, se considera que la fuerza del sismo no afecta a los anclajes. Por lo tanto, para el cálculo de la resistencia a que se somete el anclaje,se considerará solo los esfuerzos normales (pernos sometidos a tracción).
5. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS (Resumen de imágenes)
6. CONCLUSIONES
El análisis documental y la formalización de cálculos obtenidos por la simulación y de acuerdo a las restricciones impuestas por las normativas API650 y Nch. 2369:2003 permiten concluir satisfactoriamente respecto de la propuesta de diseño aportada por el cliente.
Aspectos relevantes del análisis y de la interpretación con o de la aplicación de la norma, son: