RESUMEN
Se solicita la revisión del cálculo de un silo, mediante el método de elementos finitos con dos condiciones adicionales.
En el izaje del silo armado y en la brida de unión a tornillo de descarga.
Para el cálculo del izaje se da especial énfasis en las zonas de contacto para el izaje y la brida que une la tapa con el manto del silo. Se modelan los pernos que unen estos dos componentes, con el fin de estudiar en detalle el esfuerzo que pueda surgir de la interacción entre los pernos y la brida. Se simuló el silo íntegramente para considerar en el análisis cualquier influencia positiva o negativa que pudiera tener el cuerpo sobre la tapa. Para este análisis se utiliza un factor de seguridad de 3 [-], que determina un esfuerzo admisible de 63 [MPa], el cual se cumple satisfactoriamente. El esfuerzo se distribuye localmente y en valores por debajo del esperado. En el cálculo de la brida inferior se aplican directamente los 2.500 [kg] a la cara de contacto con el tornillo de descarga. El factor de seguridad mínimo para este análisis es de 1,5 [-] respecto a la fluencia del material, que determina un esfuerzo admisible de 125 [MPa]. Se evidencian esfuerzos por sobre lo esperado (160 [MPa]) en las cercanías de vértices y refuerzos estructurales del manto. Se recomienda integrar atiesadores adicionales para restringir las deformaciones en la brida y así disminuir los esfuerzos en los puntos mencionados. El cálculo de la brida con atiesadores arroja resultados satisfactorios. Se reduce el esfuerzo máximo a 130 [MPa] y se observa una distribución uniforme y de menor magnitud de los esfuerzos.
2. ANTECEDENTES
La geometría utilizada para el cálculo se obtiene del plano entregado por la empresa consultante, con una masa de 2284 [kg] según el plano. El silo se fabricará íntegramente de acero inoxidable AISI 304. El valor de la aceleración de gravedad corresponde a 9,81 [m/s2 ]. Para el tornillo se utiliza una masa de 2.500 [kg].
3. CÁLCULO DE IZAJE
Para el cálculo de izaje se utiliza la condición de contorno de “Remote Displacement” la cual permite fijar los elementos seleccionados respecto a un punto fuera del cuerpo. Esta condición de contorno es la que mejor asemeja la maniobra de izaje. El punto se sitúa a 2,4 metros por sobre las orejas de izaje, simulando la condición con eslingas de 3 metros de longitud. La carga en este caso corresponde a la masa del silo por la aceleración de gravedad. Se observa que el esfuerzo máximo no supera los 60 [MPa] y, por lo tanto, cumple con el factor de seguridad de 3 [-] requerido para esta condición.
4. CÁLCULO UNIÓN BRIDA TORNILLO SINFÍN
Para este cálculo se fijan los tres (3) apoyos del silo y se aplica una fuerza equivalente a 2.500 [kg] en la cara inferior de la brida. Se observan esfuerzos en vértices y refuerzos estructurales del manto que superan los 160 [MPa]. Estos valores no cumplen con el factor de seguridad requerido para este análisis. La distribución de estos esfuerzos sobre el sólido nos permite asegurar el valor sobre su magnitud, por lo que deben ser considerados al compararlo con el factor de seguridad. Sin embargo, al considerar el tamaño del silo, estos valores inducirán deformaciones locales que no afectarán la integridad del silo.
Deformaciones cálculo brida
5. Cálculo brida unión tornillo sinfín con atiesadores
Se propone como una posibilidad de mejora estructural el adicionar atiesadores a la brida de unión con el tornillo sin fin. Esto tiene como finalidad distribuir homogéneamente los esfuerzos y reducir las deformaciones sobre esta. Se emplean las mismas condiciones de contorno del cálculo anterior y el refinamiento de la malla es idéntico. En este caso se obtiene un esfuerzo máximo de 130 [MPa], valor que se encuentra levemente por sobre el esfuerzo admisible para esta condición. Sin embargo, se observa una mejora sustancial en la distribución de los esfuerzos y la disminución del esfuerzo máximo calculado.
6. CONFIGURACIONES ADICIONALES DE ATIESADORES EN BRIDA
Se solicita por parte de cliente, revisar configuraciones adicionales con el objetivo de reducir el esfuerzo en los vértices de la brida del silo. Se compara entonces, el resultado obtenido en la sección anterior con dos nuevas configuraciones. Primero se opta por rigidizar la brida duplicando el número de atiesadores y en segunda instancia se refuerza localmente adicionando dos atiesadores en la cercanía de sus vértices. Se observa una mejora en ambas configuraciones, siendo más efectiva la de adicionar atiesadores en los vértices. Se reduce el esfuerzo en la región circundante de 130 a 100 [MPa]. No es posible eliminar la condición de concentración de esfuerzos en este punto con esta solución conceptual. Esto debido a que este esfuerzo se genera por la deformación que sufre la brida ante la aplicación de la carga. Esta tiende a abrirse, y el cambio de sección en los vértices se resiste a esta deformación, lo cual genera este aumento puntual en el valor del esfuerzo. Gráficamente llama la atención las zonas en color rojo en las imágenes, pero se debe tener en cuenta que la escala de visualización tiene como valor máximo el esfuerzo admisible de acuerdo con el factor de seguridad establecido. Por lo cual, en todas las configuraciones descritas, difícilmente se alcanzará el valor de fluencia del material y en caso de que se alcanzara, la deformación plástica será local y no pondrá en riesgo la integridad estructural del silo.
7. CONCLUSIONES
Se realizó la revisión en detalle de nuevas condiciones para el “Silo de Lignina”. El resultado para el análisis de la condición de izaje es enteramente satisfactorio. Se cumple con el factor de seguridad previsto para esta condición y las deformaciones son mínimas. Para la condición de la instalación del tornillo de descarga, se observa que la geometría original del silo genera concentraciones de esfuerzos en las regiones cercanas a los vértices y atiesadores del manto. Debido a lo anterior se recomienda la instalación de atiesadores entre la brida y el manto del silo con el objetivo de rigidizar este y reducir la magnitud del esfuerzo en las zonas mencionadas. No es posible eliminar estas concentraciones de esfuerzos con reforzamientos locales. Se deberían agregar atiesadores en el manto o aumentar el espesor del silo para eliminarlas por completo. Como se ha mencionado, estas concentraciones podrían indicar deformaciones locales que no afectarán la integridad estructural del silo.