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 D100, 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 2.1.1 2.1.2
GENERALIDADES DE LOS ESTANQUES Definición Clasificación
6 6 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 2.2.1
USO DEL AGUA EN ESTANQUES DE ALMACENAMIENTO El agua
16 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 3.3.1
SOLDADURA Tipos de Juntas
29 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 3.4.6 3.5
Techos Soportados
43
Anillo de Coronamiento
44
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 4.3 4.3.1
Materiales en General SOLDADURA Juntas a Tope
52 52 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 4.4.1
CONSTRUCCIÓN ESTANQUE Perfiles del cuerpo, refuerzos intermedios y anillos de compresión
54 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
Corte Base
59
4.5.3.1
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 5.2.1
COMPARACIÓN DISEÑO Espesor de Plancha
69 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 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
75
XI D.4 E
Extracto Norma Chilena para Factor de Importancia 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 PSIg A (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.
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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.
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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.
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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
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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 vapor E 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.
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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.
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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
Agua SUSTANCIA
Petróleo y
Material de
Gases y
derivados
minería
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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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 industrial y minero, 11%
uso doméstico, 4.5%
Figura 2.14 Gráfico del consumo de agua potable en Chile F
Según últimos estudios de la Dirección General de Aguas (DGA)
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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%.
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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.
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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.
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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
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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
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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 AWS G : 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:
215 ⋅ t b ( HG) 0.5 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 Espesor Mínimo (mm) del primer anillo de cuerpo t ≤ 19 19 < t 25 < t 32 < t 38 < t
≤ ≤ ≤ ≤
25 32 38 45
Prueba de Esfuerzo Hidrostático en el primer anillo (Mpa)
≤ 190 6 6 6 8 9
≤ 210 6 7 9 11 13
≤ 230 7 10 12 14 16
≤ 250 9 11 14 17 19
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 (mm) (m) 5 < 15 15 a < 36 6 36 a 60 8 > 60 10
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:
Sd =
2 2 S y ó S d = ST 3 5
•
Esfuerzo por Prueba Hidrostática:
St =
3 3 S y ó S t = ST 4 7
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:
td =
4.9 ⋅ D ( H − 0.3)G + CA Sd
Y
tt =
4.9 ⋅ D ( H − 0.3) ; St
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
H
Anillos
Fondo o Base
D/2 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:
L 1000 ≤ H 6 Donde: L = (500 ⋅ Dt )
0.5
, en mm.
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:
⎛ 0.0696 ⋅ D H ⋅ G t1d = ⎜⎜1.06 − ⋅ H Sd ⎝
⎞ ⎛ 4 .9 ⋅ H ⋅ D ⋅ G ⎞ ⎟⋅⎜ ⎟⎟ + CA y; ⎟ ⎜ S d ⎠ ⎠ ⎝
⎛ 0.0696 ⋅ D H ⎞⎟ ⎛ 4.9 ⋅ H ⋅ D ⎞ ⎟⎟ t1t = ⎜⎜1.06 − ⋅⎜ ⋅ H S t ⎟⎠ ⎜⎝ St ⎠ ⎝ Para obtener el espesor del segundo anillo por condiciones de diseño y de prueba hidrostática, se calcula la siguiente relación para el anillo inferior.
h1 ( r ⋅ t1 ) 0.5 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,
t 2 = t1 Si el valor de la relación es mayor o igual a 2.625 entonces,
t2 = t2a
38 Si el valor de la relación es mayor de 1.375 pero menor a 2.625 entonces,
⎡ ⎤ h1 t 2 = t 2 a + (t1 − t 2 a ) ⋅ ⎢ 2.1 − 0 .5 ⎥ 1.25 (r ⋅ t1 ) ⎦ ⎣
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:
x1 = 0.61 ⋅ ( rt u ) 0.5 + 320 ⋅ CH
x 2 = 1000 ⋅ CH x 3 = 1.22 ⋅ ( rt u ) 0.5 Donde: tu = Espesor del anillo superior a la junta circunferencial, en mm. C = [K0.5 (K - 1)] / (1+ K1.5) K = tL / tu tL = 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:
x ⎞ ⎛ 4 .9 D ⎜ H − ⎟G 1000 ⎠ ⎝ t dx = + CA Sd
x ⎞ ⎛ 4 .9 D ⎜ H − ⎟ 1000 ⎠ ⎝ t tx = St
y;
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:
tt =
D ≥ 5mm ; No mayor a 12.5mm 4.8 ⋅ senθ
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: CV = carga viva
CV + CM 2.2 KPa
CM = carga muerta El área del ensamble entre el techo y el cuerpo será determinado según las figura del anexo C, y por la siguiente fórmula:
D2 0.432 ⋅ senθ
43 En general, cuando la carga muerta y viva exceda los 2.2 KPa, el área del ensamble se
CV + CM 2.2 KPa
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:
rr + corrosion _ permitida ≥ 5mm 2.4
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:
D ⋅ rr 0.216
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 AISC I donde L/r <120 y Esfuerzo de Fluencia (Fy) es ≤ a 250 MPa.
CC =
⎡ ( L / r )2 ⎤ F ⎢1 − 2 ⎥ y 2C C ⎦⎥ ⎣⎢
5 3(L / r ) (L / r ) + − 3 8C C 8C C L/r ≤ CC ; Fa = L ⎤ ⎡ ⎢1.6 − 200r ⎥ ⎣ ⎦
3
I
2π 2 E Fy
⎡ 12π 2 E ⎤ ⎢ 2 ⎥ 23(L / r ) ⎦ ⎣ L/r > CC ; Fa = L ⎤ ⎡ ⎢⎣1.6 − 200r ⎥⎦
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:
A=
W 1390 tan θ
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:
⎛ V ⎞ VA = ⎜ ⎟ ⎝ 160 ⎠
2
El momento de volteo provocado en estanques no anclados, no debe exceder los dos tercios de la carga muerta total (se excluye el contenido).
M ≤
2 ⎛ WD ⎞ ⋅⎜ ⎟ 3 ⎝ 2 ⎠
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:
tB =
4M W − dN N
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:
M = ZI (C1W S X S + C1Wr H t + C1W1 X 1 + C 2W2 X 2 ) 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
W1 = WT ⋅
W1 WT
W2 = WT ⋅
W2 WT
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
X1 = H ⋅
X1 H
X2 = H ⋅
X2 H
C1 debe ser 0.6 veces el producto de ZIC2, cuando se cumple lo siguiente:
T ≤ 4.5; C 2 =
0.75 ⋅ S T
ó
T > 4.5;
C2 =
3.375 ⋅ S T2
48 Donde: S = Coeficiente de sitio, es según el terreno, en Chile el coeficiente viene según NCh 23692003, 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.
T = 1.81k ( D 0.5 ) 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:
wL = 99t b Fby GH ;
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 ≥
0.1745 x10 −3 wL , en m. GH
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:
b = wt +
1.273M M ; Para ≤ 0.785 2 2 D D (wt + wL )
[
Cuando 0.785 <
]
M ≤ 1.5 , Se puede determinar de la figura 3.15. D (wt + wL )
[
]
2
Figura 3.15 M / [D2(wt+wL)] Cuando 1.5 <
b + wL 1.49 M = ≤ 1.57 ; wt + wL ⎡ ⎛ 0.637 M ⎞⎤ 0.5 D (wt + wL ) ⎟⎥ ⎢1 − ⎜⎜ 2 ⎟ ⎣⎢ ⎝ D ( wt + wL ) ⎠⎦⎥
[
2
]
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:
b = wt +
1.273M D2
3.5.2.3 Compresión máxima permitida en el estanque Se debe cumplir que:
En donde:
b < Fa 1000t
GHD 2 ≥ 44 ; t2
GHD 2 < 44 ; Si: t2
Fa =
83t D
Fa =
83t + 7.5 GH 2 .5 D
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:
1.273M − wt , en N/m. D2
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 ANSI I / AWS J 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 Espesor Placa Cuerpo Mínimo (in.) 3/16 1/4 >3/4 >1 1/4 I J
Máximo (in.) < 1/4 3/4 1 1/4 2
mínimo tamaño de filete (in.) 3/16 1/4 5/16 3/8
American National Standards Institute, Instituto Nacional Americano de Estándares. 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:
S=
HD 2 ⎛ v ⎞ ×⎜ ⎟ 10000 ⎝ 162 ⎠
2
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:
h=
8.010t ⎛D⎞ Pw ⎜ ⎟ ⎝ t ⎠
1.5
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
⎛ v ⎞ lbf Pw = 18⎜ ⎟ 2 ⎝ 100 ⎠ in 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
⎛ t uniforme Wtr = W ⎜⎜ ⎝ t actual
⎞ ⎟⎟ ⎠
2.5
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:
hD 2 ⎛ v ⎞ S= ×⎜ ⎟ 10000 ⎝ 100 ⎠
2
(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:
L=
2575t WD + L
≤ 84
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:
t=
2.6h p DG sE
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 Doble con penetración completa Doble con penetración parcial Simple con penetración completa A Traslape con filete continuo en ambas caras de la junta A Traslape con filete continuo en un lado o intermitente por los dos lados A Traslape soldado con filete, a puntos o intermitentes por un lado
a Tensión
a Compresión
85
100
85·Z*/T
100·Z*/T
85
100
75
75
75·[(1+X)/2]+
75·[(1+X)/2]+
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 minimo Diámetro nominal Altura nominal estanque (ft) (ft) espesor (in) D ≤ 20 Todos 3/16 20 < D ≤ 50 H ≤ 48 3/16 H > 48 1/4 Todos 1/4 50 < D ≤ 120 120 < 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:
U = 1.5 f 'C ≤ 160 psi 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 29 K . 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 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
tipo de superficie techo Plana Cilindrica o Cónica con ángulo < 15º Curva Doble o Cónica con ángulo > 15º
Cd 1.0 0.60 0.50
La presión del viento sobre el estanque será calculada por la siguiente fórmula: 2
⎛ v ⎞ Pw = 30Cd ⎜ ⎟ ≥ 30Cd ⎝ 100 ⎠ 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:
⎛H⎞ vh = ⎜ ⎟ ⎝ 33 ⎠
1/ 7
× v33 ≥ 100mph
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:
M ≤
2 ⎛ WD ⎞ ⋅⎜ ⎟ 3 ⎝ 2 ⎠
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:
PB =
4M W − dN N
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:
V ACT =
[
18ZI 0.14(Ws + Wr + W f + W1 )SC1W2 Rw
]
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; C1 =
1 6Tw
si Tw ≥ 4.5;
C1 =
0.75 Tw
2
Tw = Período natural del primer oleaje, en seg.
Tw = K p D
1
2
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 Estanques elevados con un pedestal Estanque con fondo plano sin anclas Estanque con fondo plano anclados
4.0 3.0 4.5 3.5
4.5.3.2 Momento de volteo
⎡18ZI ⎤ M =⎢ ⎥[0.14(Ws X s + Wr H t + W1 X 1 ) + SC1W2 X 2 ] ⎣ Rw ⎦ 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:
W1 = WT ⋅
W1 WT
W2 = WT ⋅
W2 WT
Las alturas X1 y X2, se determinan de manera similar al procedimiento anterior:
X1 = H ⋅
X1 H
X2 = H ⋅
X2 H
El peso WT, se determina mediante:
⎛ πD 2 WT = 62.4GH ⎜⎜ ⎝ 4
⎞ ⎟⎟ = 49GHD 2 ⎠
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.
Aimp =
⎡18ZI ⎤ Ai (remplace) = 0.14⎢ ⎥ ; en unidades de g. RF ⎣ Rw ⎦
Aconv =
Ac 18ZIC1 S (remplace) = ; en unidades de g. RF Rw
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:
S v = 5.125 AconvTw ó S v =
92.25C1 ZISTw Rw
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:
wL = 7.9t b σ by HG ≤ 1.28 HDG 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:
L = 0.216t b σ y / HG ≤ 0.035 D 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:
⎛ ⎝
σ C = ⎜ wt +
1.273M D2
⎞ 1 ; Cuando ⎟ ⎠ 12t s
M ≤ 0.785 D (wt + wL )
[
2
]
⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 1 wt + wL M ; Si 0.785 < w σC = ⎜ ≤ 1.54 − ⎟ L 2.3 2 12 t ( ) + D w w ⎜ ⎟ s ⎡ ⎤ t L M ⎜⎜ 0.607 − 018667 ⎢ 2 ⎟⎟ ⎥ ⎣ D (wt + wL ) ⎦ ⎝ ⎠
[
]
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.
wt =
Ws + wrs πD
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:
⎛ 1.273M ⎞ − wt ⎟ TB = S L ⎜ 2 ⎝ D ⎠ 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:
σS =
(N i + N c ) t
Para D/H ≥ 1.333: 2 ⎡Y ⎛ ZI ⎞ Y ⎞ ⎤ D ⎛ ⎟⎟GDH ⎢ − 0.5⎜ ⎟ ⎥ tanh⎛⎜ 0.866 ⎞⎟ N i = 11.35⎜⎜ H⎠ ⎝ H ⎠ ⎥⎦ ⎝ ⎢⎣ H ⎝ Rw ⎠
Para D/H < 1.333, e Y < 0.75·D:
⎛ ZI N i = 6.98⎜⎜ ⎝ Rw
2 ⎡ Y ⎞ ⎛ Y ⎞ ⎤ ⎟⎟GD 2 ⎢ − 0.5⎜ ⎟ ⎥ ⎝ 0.75 D ⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ 0.75 D ⎠
Para D/H < 1.333, e Y ≥ 0.75·D:
⎛ ZI ⎞ ⎟⎟GD 2 N i = 3.50⎜⎜ R ⎝ w⎠ Para todas las proporciones:
⎡ ZI ⎤ ⎡ 3.68(H − Y ) ⎤ 17.55⎢ ⎥C1 SGD 2 cosh ⎢ ⎥⎦ D ⎣ ⎣ Rw ⎦ NC = ⎡ 3.68H ⎤ cosh ⎢ ⎣ D ⎥⎦ Cuando es especificada la aceleración vertical, el esfuerzo se determina por:
N i + N C + ( N h au ) 2 2
σS =
2
t
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:
⎡ ZIC1 S ⎤ d = 7.53D ⎢ ⎥ ⎣ Rw ⎦ 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:
⎛
σ e = 1.333⎜ σ a + ⎝
Δσ cr ⎞ ⎟ 2 ⎠
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:
Δσ cr =
ΔCC Et R
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:
σ e = 1.333σ a
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.
V ALLOW = tan 30º (WS + Wr + W1 + W2 )(1.0 − 0.4a v ) 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.
DATOS
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) CANAL 150x75x5 (6m) ($ C/U) ACERO PARA ACCESORIOS ($/kg)
515 26000 674
Tabla 5.2 Diferencia de costos de planchas entre normas Plancha (mm) 12 10 8 6 Accesorios Total
Norma API Norma AWWA (tons) (tons) 18,96 18,96 15,80 7,90 30,90 30,90 18,80 23,50 4,22 4,06 88,68 85,32
COSTO API COSTO AWWA ($) ($) 9764400 9764400 8137000 4068500 16686000 16686000 11016800 13771000 2846302 2738462 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 $ 8,000,000
2000x6000
$ 7,000,000
COSTOS
2000x12000 2440x6000
$ 6,000,000
2440x12000
$ 5,000,000 3000x12000
$ 4,000,000 0
1
2
3
4
5
6
ITEM
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 API
AWWA
60
Espesor (mm)
50
40
30
20
10
0 0
10
20
30
40
50
Diámetro (m)
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. CURVA Espesor v/s Ángulo
15 15
12
9
e( θt)
6
3 0 9 9
14.5
20
25.5
31
36.5
θt
42 42
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
Generatriz
5,81
9,9
36°
16
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.
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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”
