DIPLOMADO EN DISEÑO ESTRUCTURAL III NUEVAS TENDENCIAS EN EDIFICACIONES URBANAS E INDUSTRIALES PROYECTO DE DIPLOMADO:
“DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE COMBUSTIBLE”
ELABORADO POR : CLAUDIA CASO SALAZAR JONATHAN PAREDES CASTRO JUAN CARLOS DE LA CRUZ BOJORQUEZ
MARZO 2011 1
2
2
ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. UBICACIÓN 3. OBJETIVOS GENERAL 4. OBJETIVOS ESPECIFICOS 5. MARCO TEORICO 5.1 CONCEPTO GENERALES 5.1.1 CIMENTACIÓN 5.1.2 CIMENTACIONES SUPERFICIALES 5.1.3 COEFICIENTE DE BALASTRO 5.1.4 TIPOS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO. 6. ESTADO DEL ARTE 6.1 METODOLOGÍA A EMPLEAR PARA EL DISEÑO DE CIMENTACION DE UN TANQUE DE COMBUSTIBLE 6.1.1 CARACTERÍSTICA DEL MÉTODO EMPLEADO PARA EL DISEÑO DE CIMENTACION DE UN TANQUE DE COMBUSTIBLE 6.1.2 COMPONENTES DEL MÉTODO 6.1.3 FORMULACIÓN DEL MÉTODO 6.2. DISEÑO DE CIMENTACIÓN DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO 6.2.1 6.2.2
CÓDIGOS APLICABLES PARA EL DISEÑO INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO
7. DISEÑO DE CIMENTACIÓN CIMENTACIÓN 7.1. INFORMACIÓN GENERAL 7.2. INFORMACIÓN BÁSICA 7.3. ANÁLISIS SÍSMICO 7.4. ANÁLISIS DE PRESIONES A DE FUNDACIÓN 7.5. DISEÑO DEL ANILLO ANILLO DE CIMENTACIÓN CIMENTACIÓN 8. CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y LÍNEAS DE TRABAJO 8.1.- CONCLUSIONES 8.2.- RECOMENDACIONES
3
PROYECTO DE DIPLOMADO “DISEÑO DE LA CIMENTACIÓN DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE COMBUSTIBLE”
1.- INTRODUCCIÓN Dentro de la gran actividad industrial y de suministros de servicios básicos de un país se utilizan elementos de almacenamiento de materias primas o procesadas. Un tipo de estos elementos son los estanques verticales de almacenamiento de líquido apoyados en el suelo. El aseguramiento del buen funcionamiento de estas estructuras durante su vida útil y, más Importante aún, frente a un sismo, es de vital importancia para la seguridad de las estructuras mismas, las personas y el medio ambiente.
2 UBICACIÓN: Pisco es una ciudad del centro-sur del Perú, capital de la Provincia de Pisco (Departamento de Ica), situada 290 km al sudeste de Lima a orillas del mar Peruano.
3.-OBJETIVOS GENERAL
Diseñar la cimentación de un tanque de almacenamiento de petróleo”
4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Evaluación de cargas ,estabilidad y anclajes para el diseño de la cimentación de un tanque de almacenamiento de petróleo
Evaluación del diseño de la cimentación, determinando si la cimentación estará compuesto por una platea o un anillo de cimentación ya sea de forma “T” o rectangular.
4
Determinación de la protección del suelo, que material será empleado para la protección de suelo en caso de derrame de petróleo ya sea el huso de geomembranas o el diseño de un sistema de drenaje.
Diseño de un muro de sostenimiento frente al sometimiento de cargas en el caso de un derrame de petróleo
5. MARCO TEORICO 5.1 CONCEPTO GENERALES 5.1.1 CIMENTACION Los cimientos tienen la función de transmitir en forma repartida las cargas de la estructura al terreno donde se asienta. La estructura proporciona esfuerzos, de compresión o tracción hasta las bases, y se deben distribuir en forma pareja para que no originen tensiones mayores de la que puede soportar. Por esta razón el coeficiente de seguridad que se aplica, debe considerar probables diferencias en la predeterminación de su capacidad portante. Como los cimientos están solicitados a esfuerzos de compresión y también de tracción, efectos de fricción y de adherencia al suelo; es conveniente que estén solicitados por una carga centrada
5.1.2 CIMENTACIONES SUPERFICIALES Las Cimentaciones Superficiales reparten la fuerza que le transmite la estructura a través de sus elementos de apoyo sobre una superficie de terreno bastante grande que admite esas cargas. Se considera cimentación superficial cuando tienen entre 0,50 m. y 4 m. de profundidad, y cuando las tensiones admisibles de las d iferentes capas del terreno que se hallan hasta esa cota permiten apoyar el edificio en forma directa sin provocar asientos excesivos de la estructura que puedan afectar la funcionalidad de la estructura; de no ser así, se harán Cimentaciones Profundas. Debe considerarse como posible que en un mismo solar se encuentren distintos tipos de terreno para una misma edificación; esto puede provocar asientos diferenciales peligrosos aunque los valores de los asientos totales den com o admisibles.
5
5.1.3 COEFICIENTE DE BALASTRO El módulo de Reacción o Coeficiente de Balasto expresa una constante de proporcionalidad entre presiones y asientos para cada tipo de terreno: La relación entre la tensión capaz de generar una penetración de la placa en el terreno de 0,05” que equivale a una deformación de 0,127 cm, es decir que este coeficiente es la pendiente de la recta que une el origen de coordenadas con el punto de la curva “tensión – deformación” que genera un asentamiento de la placa de 0,127 cm TANQUE.- Depósito diseñado para almacenar o procesar fluidos, generalmente a presión atmosférica o presión internas relativamente bajas.
5.1.4 TIPOS DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO . Los tanques de almacenamiento se usan como depósitos para contener una reserva suficiente de algún producto para su uso posterior y/o comercialización. Los tanques de almacenamiento, se clasifican en: 1.- Cilíndricos Horizontales. 2.- Cilíndricos Verticales de Fondo Plano. Los Tanques Cilíndricos Horizontales, generalmente son de volúmenes relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas d e corte y flexión. Por lo general, se usan para almacenar volúmenes pequeños. Los Tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano nos permiten almacenar grandes cantidades volumétricas con un costo bajo. Con la limitante que solo se pueden usar a presión atmosférica o presiones internas relativamente pequeñas. Estos tipos de tanques se clasifican en: - De techo fijo. - De techo flotante. - Sin techo.
6
a) TIPOS DE TECHOS. De acuerdo al estándar A.P.I. 650, clasificaremos los tanques de acuerdo al tipo de techo, lo que nos proporcionará el servicio recomendable para éstos.
1.- Techo Fijo.- Se emplean para contener productos no volátiles o de bajo contenido (no inflamables) como son: agua, diesel, asfalto, petróleo crudo, etc. Debido a que al disminuir la columna del fluido, se va generando una cámara de aire que facilita la evaporación del fluido, lo que es altamente peligroso. Los techos fijos se clasifican en: - Techos auto soportados. - Techos soportados.
2.- Techo Flotante.- Se emplea para almacenar productos con alto contenido de volátiles como son: alcohol, gasolinas y combustibles en general. Este tipo de techo fue desarrollado para reducir o anular la cámara de aire, o espacio libre entre el espejo del líquido y el techo, además de proporcionar un medio aislante para la superficie del líquido, reducir la velocidad de transferencia de calor al producto almacenado durante los periodos en que la temperatura ambiental es alta, evitando así la formación de gases (su evaporación), y consecuentemente, la contaminación del ambiente y, al mismo tiempo se reducen los riesgos al almacenar productos inflamables.
3.- Los Tanques sin Techo.- Se usan para almacenar productos en los cuales no es importante que éste se contamine o que se evapore a la atmósfera como el caso del agua cruda, residual, contra incendios, etc. El diseño de este tipo de tanques requiere de un cálculo especial del anillo de coronamiento
7
6. ESTADO DEL ARTE El análisis del comportamiento sísmico de tanques de almacenamiento ha sido estudiado por diferentes investigadores, considerando distintas hipótesis simplificadoras. Un listado de los más importantes es el que se muestra a co ntinuación: 1933, Westergaard propuso una solución para determinar las presiones ejercidas por un fluido sobre una presa de pared vertical, sometida a aceleraciones horizontales 1948, Arias analizó tanques rectangulares y cilíndricos frente a solicitaciones horizontales suponiendo la envoltura rígida. 1949, Jacobsen resolvió el problema correspondiente a tanques cilíndricos. 1949, Graham y Rodríguez realizaron un completo análisis de las presiones impulsivas y conectivas en un recipiente rectangular 1957, Housner estudió el comportamiento de las presiones dinámicas de un fluido en un tanque sometido a aceleraciones basales. 1960, Edwards estudió la validez del supuesto hecho por Housner, al suponer tanques rígidos y formuló un procedimiento para incorporar las propiedades de las paredes cilíndricas del tanque. 1969, Newmark y Rosenblueth publicaron un estudio sobre hidrodinámica, donde incluyeron algunas correcciones a la solución planteada por Housner.
8
1974, Veletsos propuso un procedimiento para evaluar las fuerzas dinámicas inducidas por la componente lateral de un movimiento sísmico en un tanque cilíndrico de sección circular lleno de liquido, incorporando los efectos de la flexibilidad del tanque. 1976, Epstein después de revisar el estado de arte y de la práctica del diseño y construcción de tanques, sugirió un procedimiento de diseño basado en el conocimiento actualizado a la fecha. De todos los estudios mencionados, en la práctica todos los análisis sísmicos y los diseños de ellos mismos están basados en la metodología desarrollado por Housner en 1957, claro con algunas modificaciones como la flexibilidad del tanque, más aún diversas normas de diseño como la API-650 están basados en el modelo original de Housner Uno de los procedimientos de diseño sísmico más comunes para los tanques está basado en el modelo mecánico propuesto por G.W. Housner (1963) para tanques de paredes rígidas, en donde simplifica su estudio determinando que basta con considerar una sola masa móvil (convectiva), y una sola masa fija (impulsiva), planteando ecuaciones para evaluar tales masas, sus respectivas alturas desde la base hasta la superficie del líquido, y la rigidez del resorte equivalente que actúa junto a la masa convectiva. El diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales se debe diseñar apoyándose en las normas API 650 “Welded Steel Tanks for Oil Storage” En 1963 Housner propuso una simplificación del comportamiento dinámico de los líquidos en los estanques. En la nueva propuesta del investigador se presenta una modelación mecánica equivalente simplificada en donde sólo se debe considerar una masa que represente al oleaje llamada masa convectiva y una masa fija o masa impulsiva. Al igual que en su estudio de 1954 se entregan ecuaciones para obtener dichas masas, las alturas desde la base del estanque y la rigidez equivalente del resorte utilizado para adherir la masa convectiva a la pared del estanque.
9
Modelo mecánico simplificado de Housner La componente impulsiva corresponde al movimiento del líquido que se mueve en forma solidaria al tanque, y la componente convectiva corresponde al primer modo de vibrar de la masa de líquido de la parte superior que se mueve en desfase al movimiento del tanque.
6.1.- METODOLOGÍA A EMPLEAR PARA EL DISEÑO DE CIMENTACION DE UN TANQUE DE COMBUSTIBLE Previo a la descripción de la metodología se debe describir cómo se comporta sísmicamente un tanque de almacenamiento de petróleo. Cuando un tanque se encuentra sometido a una acción sísmica, se genera en su interior una perturbación del líquido. En la parte alta del tanque, su contenido no se mueve en conjunto con las paredes (comportamiento convectivo). Esta incompatibilidad del movimiento, junto con el desplazamiento vertical del líquido, genera ondas u olas llamadas “sloshing”. A la masa asociada a este efecto se le llama “masa convectiva” los períodos de este comportamiento son altos (estimados de 6 a 10 sg.). Cerca de la base, una fracción del líquido se mueve sincronizadamente con el tanque como si estuviera rígidamente unida a las paredes (comportamiento impulsivo). La masa convectiva disminuye a medida que aumenta la esbeltez (Relación entre altura v/s diámetro), dominando el modo impulsivo. 10
Los principales fenómenos que ocurren durante el sismo en un tanque son: Variación de la presión interna sobre las paredes del manto. Oleaje. Volcamiento y deslizamiento de su base. Variación de los esfuerzos en los pernos de anclaje. Deformación de la cimentación. Cada uno de estos fenómenos incide, en mayor o menor grado, en la posible falla del tanque. En cuanto a otros parámetros sísmicos a mencionar de gran importancia como son el amortiguamiento y la rigidez dependen del tipo de tanque y de la disipación de energía por parte del contenido La metodología a aplicar es el Modelo mecánico propuesto por G.W. Housner (1963), el cual permite evaluar simplificadamente la respuesta dinámica de un tanque con líquido en su interior Housner propone que el comportamiento de un tanque sometido a un desplazamiento lateral o sismo, provoca que el líquido que contiene se mueva de dos formas distintas, una porción que trabaja en forma impulsiva y la otra convectiva Considerando sólo los efectos de una componente horizontal de l os movimientos del suelo, Housner, mostró que los resultados obtenidos de un análisis exhaustivo, basado en la solución de la ecuación de Laplace por series infinitas, hacían ver que se podría establecer un modelo simplificado, en que una parte del contenido líquido se movía rígidamente con la excitación del tanque y que la porción restante actuaba como una masa sujeta a las paredes por medio de resortes, representando la acción del chapoteo del líquido. Los efectos dinámicos de la porción de líquido, adherido en forma rígida a las paredes del tanque, se conocen con el nombre de “impulsivos”. Los efectos del movimiento libre del fluido se denominan “convectivos”. Para muchas aplicaciones prácticas, los supuestos básicos que llevaron a estos resultados, pueden ser justificados como sigue: 1. La compresibilidad del fluido (la compresibilidad se da cuando todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a una presión o compresión) podría tener
importancia si el tiempo que demora una onda acústica en viajar a través del tanque, no fuera despreciable comparado con el periodo fundamental del movimiento del tanque.
11
Por esto, para grandes estructuras, tales como presas, la compresibilidad del fluido podría jugar un rol importante, pero en tanques usualm ente no ocurre así.
2. El amortiguamiento, debido a la viscosidad del líquido, es sólo uno de varios mecanismos de amortiguamiento que afectan a la estructura y no es el más importante. Por esta razón, es perfectamente aceptable realizar una formulación teórica del fenómeno suponiendo fluidos sin viscosidad. 3. La componente de presión asociada a la velocidad del fluido, es proporcional al cuadrado de dicha velocidad. Aún en la mayor parte de los terremotos severos, las presiones inducidas por la velocidad del líquido son pequeñas comparadas con las otras componentes de la presión hidrodinámica. Esto permite usar una teoría lineal de las olas a lo largo de la superficie libre y aunque localmente el supuesto sea violado (en la cercanía de las paredes del estanque), el efecto total no se ve afectado en forma significativa. Con los supuestos antes descritos, Housner propuso un modelo mecánico equivalente para evaluar la respuesta sísmica de un tanque con líquido en su interior. Este modelo correspondía simplemente a la interpretación física de la ecuación de movimiento, transformando los efectos impulsivos y convectivos en masas equivalentes adheridas a las paredes del estanque a una cierta altura. La acción oscilatoria del líquido, se transformó en apoyos elásticos para la masa convectiva, mientras que la masa impulsiva se interpretó como si estuviera unida en forma rígida a las paredes del estanque.
6.1.1 CARACTERÍSTICA DEL MÉTODO EMPLEADO PARA EL DISEÑO DE CIMENTACION DE UN TANQUE DE COMBUSTIBLE Para la aplicación de este método, Housner considera lo siguiente:
Las paredes son infinitamente rígidas
La superficie del liquido es descrito como una membrana que permite pequeñas deformaciones
El líquido contenido en el tanque es incompresible irrotacional, sin viscosidad e inicialmente en reposo.
La estructura del estanque es rígida y el material que la conforma permanece trabajando en el rango elástico
12
Los términos no lineales en la ecuación fundamental del movimiento, pueden ser despreciados. Como consecuencia de lo anterior, puede suponerse que el líquido permanece siempre en contacto en las paredes del estanque (no hay cavitación).
No considera que el tanque se pueda levantar de su cimentación, la resistencia del tanque es provista por el peso de las paredes del tanque y el anclaje del mismo
6.1.2 COMPONENTES DEL MÉTODO El método de Housner está compuesto por dos factores: a) Componente impulsivo b) Componente Convectivo
a) Componente Impulsivo –
Está determinado por el movimiento del liquido que se mueve solidario con el tanque
–
El liquido aporta con masa Inercial a las fuerzas laterales del tanque
–
El liquido oscila, siendo necesario conocer el periodo fundamental de vibración
b) Componente Convectivo El componente convectivo es el transporte en un fluido de una magnitud física, como masa, electricidad o calor, por desplazamiento de sus moléculas debido a diferencias de densidad •
Es el primer modo de vibrar, la masa del liquido se mueve en desfase con el movimiento del tanque
•
El liquido aporta con masa inercial con las fuerzas laterales pero en desfase con la masa de las paredes
•
6.1.3 FORMULACIÓN DEL MÉTODO a) Presiones Impulsivas Para las presiones Impulsivas se considera lo siguiente puntos – Se considera que el fluido está restringido entre membranas rígidas, con deformaciones mínimas
13
– Para tanques de almacenamiento cuando se tiene la siguiente relación h/R >1.6;
significa que el flujo debajo de una profundidad “h” se considera
solidario al tanque como cuerpo rígido – La masa equivalente que se encuentra ubicado a una altura ho, que viene hacer la altura donde se aplicara la fuerza Impulsiva “Mo”, debe estar a una altura por encima del fondo del tanque que viene hacer ho=3/8h Pero cuando se considera los Momentos debidos a presiones ejercidas en el fondo del tanque, que hará que produzca un momento total del tanque, la masa equivalente del tanque debe estar ubicada a:
Donde R, es el radio del tanque, h, la altura del tanque y M la masa del tanque
b) Presiones Convectivas – Se considera que el fluido se mueve en desfase con el movimiento del tanque Se formuló a partir de las ecuaciones de Hamilton
•
Las ecuaciones de presión convectiva propuestas para el caso de un tanque cilíndrico, son las siguientes:
•
14
H=altura total del liquido en tanque Ho=Altura en el cual esta aplicada la masa Impulsiva R=radio de la base del tanque G=aceleración gravitacional M=Masa total del liquido contenido Mo=Masa del liquido impulsivo M1=Masa convectiva del líquido W1=Frecuencia de oscilación de la masa convectiva K=Rigidez requerida para la oscilación de la masa convectiva
15
6.2.-DISEÑO DE CIMENTACION DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO Dentro de la actividad industrial y la minería se utilizan elementos de almacenamiento de combustible. Estos tipos de almacenamiento de combustible son los tanques de acero verticales apoyados en el suelo y anillos de cimentación o plateas de cimentación. Aplicaremos procedimientos que permitan aplicar las metodologías de diseño extranjeras, considerando las normas peruanas que definen las condiciones sísmicas locales. En nuestro país no existe una norma que entregue especificaciones claras con respecto al diseño de tanques de acero vertical que presenten la realidad de nuestro país.
6.2.1 CÓDIGOS APLICABLES PARA EL DISEÑO Dentro del análisis de diseño se tiene que establecer que códigos o normas se emplearan para el diseño de la cimentación y análisis de fuerzas y cargas de un tanque de almacenamiento, para ello se investigó 2 códigos o normas a estudiar a) La Norma Neozelandesa b) La Norma API 650
a)
La Norma Neozelandesa
El análisis según el código neozelandés SDST NZ “Seismic Design of Storage Tanks, Recommendations of a Study Group of the New Zealand Nacional Society for Earthquake Engineering” es similar al realizado en el API 650 ad03, fuerza sísmica aplicada en el tanque de almacenamiento, como también los factores de la respuesta horizontal de la aceleración
tanto para la componente convectiva como para la
componente impulsiva
b)
La Norma API 650
En los Estados Unidos de Norteamérica y en muchos otros países del mundo, incluyendo el nuestro, el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, se basa en la publicación que realiza el "Instituto Americano del Petróleo", al que esta institución designa como "STANDAR A.P.I. 650", para tanques de almacenamiento a presión atmosférica y "STANDAR A.P.I. 620", para tanques 16
de almacenamiento sometidos a presiones internas cercanas a 1 Kg / cm2 (14lb / pu lg2 ). El estándar A.P.I. 650 sólo cubre aquellos tanques en los cuales se almacenan fluidos líquidos y están construidos de acero con el fondo uniformemente soportado por una cama de arena, grava, concreto, asfalto, etc, diseñados para soportar una presión de operación atmosférica o presiones internas que no excedan el peso del techo por unidad de área y una temperatura de operación no mayor de 93 °C (200 °F), y que no se usen para servicios de refrigeración. Este estándar cubre el diseño y cálculo de los elementos. A continuación, mostramos la tabla 1.1 con los diferentes requerimientos de diversos estándares para la fabricación de tanques de alm acenamiento.
De los dos códigos explicados se establece la siguiente conclusión: Si bien la Norma Neozelandesa, establece factores mucho mas internos como es el amortiguamiento cosa, que la Norma API no la establece para la formulación y determinación de la fuerza sísmica, solo está relacionado con regiones establecidas en Nueva Zelanda, que lo hace restringida para el huso general de diseño en otras regiones, en cambio la Norma API, en unos acápites nos permiten utilizar la Norma en otras regiones aparte de la zona Estado Unidense y nos permite establecer
17
factores sísmicos peruanos de la Noma E030-Disño sísmico del Reglamento Nacional de Edificaciones y poder obtener la fuerza sísmica con periodos y frecuencias de nuestra región Es por ello para el análisis de nuestro diseño se trabajará con la Norma API y el código peruano del Reglamento Nacional de Edificaciones la Norma E030-Diseño sísmica
6.2.2 INFORMACION REQUERIDA PARA EL DISEÑO La información necesaria para realizar el diseño de una cimentación de un tanque de almacenamiento de petróleo.es el siguiente: o
Elección de tipo de techo de tanque de almacenamiento
o
Volumen de almacenamiento
o
Temperatura
o
Peso especifico del liquido
o
Corrosión del liquido permisible
o
Velocidad del viento
o
Coeficiente sísmico de la zona
Elección del tipo de tanque -
Debido que los tanques de techo fijo se utilizan para almacenar líquidos que no son volátiles o
de bajo contenido de ligeros (no inflamables) como diesel, asfalto, petróleo crudo y combustible en general, y que este tipo de techo se creó para reducir el riesgo de almacenar productos inflamables ya que al reducir la columna de fluido se va generando una cámara de aire que facilita la evaporación de los gases lo que es altamente peligroso -
Si fuera a almacenar líquidos altamente volátiles no estaría adecuado su huso y sería mejor la
utilización de un techo flotante que disminuye la altura desde el pelo de agua hasta la parte más alta de la cubierta del techo y no se generaría una masa grande de evaporación de gases el cual sería muy perjudicial para el tanque
Es por ello y teniendo en cuenta que el petróleo no es un liquido muy volátil. Se establecerá el huso del techo Fijo
18
7.0.- DISEÑO DE CIMENTACIÓN 7.1.- INFORMACIÓN GENERAL - Para el análisis de la fuerzas sísmicas y de viento utilizaremos la Norma “API Standard 650” (ApéndiceE). - Para el diseño de la cimentación utilizaremos : * Norma Peruana E.060 * ACI 318-05 , Building Code Requirements for Structural Concrete
7.2.- INFORMACIÓN BÁSICA PARA EL DISEÑO Se realizara el diseño de un tanque de combustible , con tapa (inclinada).
A) ESTRUCTURA DEL TANQUE
19
Datos : D = 8.00 m
Diámetro Interior
Dp = 8.17m
Diámetro de la circunferencia en la que se ubican los pernos de anclaje
Hs = 6.85m
Altura Total de la pared del tanque
Ht = 7.55m
Altura Total del tanque
tb = 9.50m
Espesor de Plancha de Base de tanque
ts = 6.00m
Espesor de Plancha de Paredes del tanque
tt = 6.00m
Espesor de Plancha del Techo del tanque
= 10.00°
Angulo de Inclinación del Techo del tanque
Fy = 250Mpa
Modulo de fluencia de la plancha base del tanque
Contenido : El contenido del tanque será Diesel G = 0.86 t/m3 Gravedad específica del Fluido que se almacenará en el Tanque H = 5.75 m
Altura máxima del contenido (justo antes de rebosar)
B) DATOS GEOTÉCNICOS
Ubicación : El tanque de combustible se ubica en la ciudad de Ica.
= 12.00 t/m2
Df = 1.00 m
Capacidad portante del terreno (valor a verificar en Obra) Profundidad de cimentación relativo al terreno natural o plataformado
= 1.90 t/m 3
Peso especifico del terreno
= 30.0°
Angulo de fricción
C) CIMENTACIÓN f´c
= 210 kg/cm2
con = 2.40 t/m3
Peso Unitario
Fy
Modulo de fluencia del acero (ASTM A615)
= 4200 kg/cm2
r min = 5 cm 20
Resistencia a la compresión
Recubrimiento minimo
7.3.- ANÁLISIS SÍMICO 7.3.1.- PESOS a)
Peso del Tanque Wr = 3.09 t
Peso del techo
Ws = 8.11 t
Peso de las Paredes
Wf = 3.91 t
Peso de la base
Wtk = 15.11 t Peso total del tanque vacio
c) Peso del Contenido del tanque Wp = 248.56 t Peso del contenido del liquido
7.3.2.- DATOS DE CIMENTACIÓN Para el diseño de la cimentación, primero planteamos una viga “T invertida” , verificando presiones y estabilidad. Si no se cumplirá los requerimiento se realizara el planteamiento de una losa de cimentación.
a) Geometría de anillo
Esquema N°1 21
b1 = 0.45 m (Ver esquema) b
= 0.60 m (Ver esquema)
b2 = 0.60 m (Ver esquema) d
= 0.20 m (Ver esquema)
B
= 1.50 m (Ver esquema)
hz = 0.40 m (Ver esquema) h1 = 0.70 m (Ver esquema) h2 = 0.30 m (Ver esquema) hp = 1.00 m
(Ver esquema)
hg = 0.025 m (Ver esquema) Df = 1.10 m (Ver esquema) ----------------------Dip = 7.61 m (Ver esquema) Dep = 8.81 m (Ver esquema) Diz = 6.71 m (Ver esquema) Dez = 9.71 m (Ver esquema) Calculo de Áreas : Atk = 50.27 m2
Área en planta para D
Aip = 45.44 m2
Área en planta para Dip
Aep = 60.91 m2 Área en planta para Dep Aiz = 35.32 m2 Aez = 73.99 m2
Área en planta para Diz Área en planta para Dez
b) Calculo de Pesos Peso de Anillo de Cimentación
:
Peso de Relleno confinado por el anillo :
22
Wcon = 74.25 t Wcf
= 119.13 t
7.3.3.- PARÁMETROS SÍSMICOS a) Factor de Importancia
SUG = II
Para tanques de combustible , Grupo II
II
Factor de Importancia
= 1.25
b) Clase de Sitio
SC = D
Site Class(*)
(*) Donde las características del terreno no sean lo suficiente para determinar la clase de sitio , será asumido Clase D, a menos que se determine la clase del sitio.
c) Factor Sismico de Zona Sp
= 0.40
(Z para el RNE …. Sp =Z)
Parámetro de aceleración del terreno para sitios no tratados en el Metodo ASCE. Se Se tiene la aceleración máxima de respuesta del terreno Sp, luego se aplicara lo siguiente : Ss
= 1.00
Ss = 2.5 Sp (*)
S1
= 0.50
Ss = 1.25 Sp (**)
(*)Considerando máximo sismo , el 5% de amortiguamiento, parámetro de la aceleración de la respuesta espectral en periodos cortos . (0.2sec). (**)Considerando máximo sismo , el 5% de amortiguamiento, parámetro de la aceleración de la respuesta espectral en un periodo de un segundo. 23
d) Coeficientes de Sitio La máxima aceleración de la respuesta espectral será modificado por los coeficientes del sitio “Fa y Fv ” , de las tablas : Fa
= 1.1
Coeficiente de Aceleración Fa ( tabla E-1 API 650)
Fv
= 1.5
Coeficiente de Velocidad Fv ( tabla E-2 API 650)
e) Factores de Reducción Factores de Reducción de las Fuerzas para el modo impulsivo y convectivo (usando el ASD)
Rwi 24
= 3.5
Factor de Reducción de Fuerza para el Modo Impulsivo.
Rwc
= 2.0
Factor de Reducción de Fuerza para el Modo Convectivo.
f) Periodo convectivo Ks
= 0.58
Coeficiente, Ks = 0.578 /(tanh (3.68H/D))1/2
Tc
= 2.96 seg. Período Natural de la Estructura (Tc = 1.8 KsD1/2)
TL
= 4.00 seg. Período de Transición
Ts
= 0.68 seg. Ts = Fv*S1 / Fa*Ss
K
= 1.50 seg.
Coeficiente para ajustar la aceleración espectral = 1.5
Q
= 1.00 seg.
Factor de escala del MCE a nivel de diseño de aceleraciones espectrales, equivalente a 2 / 3 de ASCE 7 (MCE: maximum considered earthquake).
Ai
= 0.393
Coeficiente de Aceleración de Respuesta (Impusivo)
Ac
= 0.324
Coeficiente de Aceleración de Respuesta (Convectivo)
Av
= 0.262
Coeficiente Vertical de Aceleración Sísmica (g)
7.3.4.- CARGAS SÍSMICAS a) CARGAS SÍSMICAS
25
Wi
= 172.29 t
Peso del Liquido efectivo (Impulsivo)
Wc
= 78.73 t
Peso del Liquido efectivo (Convectivo)
b) MOMENTOS SÍSMICO
Xi
= 2.156m
D/H ≥ 1.333 , Xi= 0.375H ; D/H ≤ 1.33, Xi=(0.5-0.094D/H)*H
Xc
= 3.861m
Xc=1-[(cos(3.67H/D)-1)/(3.67H/D sin(3.67H/D) )]H
Xr
= 7.20m
Altura desde la parte inferior de la base del Tanque al Centro de Gravedad del Techo
Xs
= 3.43m
Altura medida desde la base del Tanque al Centro de gravedad del Tanque
b.1) Momentos en la Base del Tanque (Para verificación de pernos de anclaje) :
b.2) Momentos en la Base del Tanque (Para el dimensionamiento de la cimentación) :
7.3.5.- REQUERIMIENTO DE PERNOS DE ANCLAJE Prueba para el tanque lleno trabajando a máxima capacidad Ge = 0.77
Gravedad específica del contenido incluyendo efectos sísmicos verticales; Ge= G*(1 – 0.4Av).
26
7.3.6.- ANÁLISIS DE ESTABILIDAD A) VERIFICACIÓN DEL DESLIZAMIENTO ENTRE EL TANQUE Y LA CIMENTACIÓN
FSdv
= 1.20
Factor de seguridad al deslizamiento (tanque vacio)
FSdm = 1.50
Factor de seguridad al deslizamiento (tanque lleno)
1
= 0.40
Coeficiente de fricción entre la base del tanque y el relleno confinado
2
= 0.45
Coeficiente de fricción entre la base del anillo de cimentación y el suelo de fundación
B) VERIFICACIÓN DEL VOLTEO EN LA BASE DEL TANQUE FSvm = 2.00
Factor de seguridad al volteo
La evaluación del volteo en la base del tanque está contemplado indirectamente en el análisis de pernos de anclaje.
27
7.4.- ANÁLISIS DE PRESIONES A NIVEL DE FUNDACIÓN 7.4.1.- PRESIONES EN EL TERRENO a)
Presiones Usando Fintel
Caso 1: Presión Sobre el Anillo Multiplicada por (1 – 0.4Av) Caso 2: Presión Sobre el Anillo Multiplicada por (1 + 0.4Av)
28
b) Presiones usando Programa Sap. Ks = 2.56 kg/cm3
Coeficiente de Balastro
Se realizo el modelamiento de la Viga de cimentación en el programa Sap 2000.Se procedió a metrar todas las cargas estáticas que actúan sobre la cimentación y el momento sísmico sobre la fundación del tanque.
b.1) Momento Sísmico
29
El momento sísmico en la base, se aplico a un modelo frame don el diámetro de la viga , dándole una rigidez en la cual pueda transmitir el momento sísmico linealmente a lo largo de la viga de cimentación.
b.2) Verificación de Presiones
(Combinación en Servicio)
30
7.5.- DISEÑO DEL ANILLO DE CIMENTACIÓN 7.5.1.- DISEÑO POR FLEXIÓN DE LA VIGA DE CIMENTACIÓN Para el diseño de la viga consideramos la combinación ultima: 1.25D+S -
Diagrama de Momentos en la Viga
Mu(+) = 11.27 t-m ---> As min= 14.36 cm2 (cuantía mínima)
-
31
Diagrama de Momentos losa de la Viga (M1-1)
-
Diagrama de Momentos losa de la Viga (M2-2)
Momento Longitudinal : M1-1(+)
=
1.76 t-m
M1-1(-)
=
-1.06 t-m
Momento transversal : M1-1(+)
=
1.28 t-m
M1-1(-)
=
-1.06 t-m
Los momentos actuantes no predominan por lo tanto colocaremos acero mínimo As= 7.2cm2.
7.5.2.- DISEÑO POR CORTE Y TORSIÓN Momento torsor máximo y fuerza cortante asociada. Tu =
608 t-m
Vu =
4690 t
Valor del momento torsor para no considerar los efectos de torsión :
=
0.85
f´c =
210 kg/cm
fy =
4200 kg/cm
Se puede despreciar los efectos de la torsión si el momento amplificado Tu es menos que : Tu = 0.27 ø (f'c)^0.5 (Acp^2/Pcp) = 5897 kg-m 32
Observamos que el momento torsor del análisis no excede el límite establecido por la norma, por lo tanto despreciamos los efectos de torsión.
7.5.3.- VERIFICACIÓN POR TRACCIÓN
= 30 °
Ka = 0.33 Diámetro = 8.00 m Presión en el terreno pro el peso del tanque y del contenido = P / A = 5246 kg/m2 Tu
= 8323 kg
Área de Acero por tracción : Ast = 2.20 cm2 ....... 2 ½”
8.0. CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y LINEAS DE TRABAJO
8.1.- CONCLUSIONES
-El método a emplear para el diseño de una cimentación de un tanque de almacenamiento es el método de Housner, debido que él fue el que estableció el comportamiento del Tanque con liquido en su interior sometido a solicitaciones de carga tanto vertical (carga de gravedad) y Carga horizontal (fuerza sísmica o el viento), donde asocia los movimientos del tanque con dos componentes el convectivo y el impulsivo, estableciendo formulas matemáticas para poder determinar un comportamiento real -Debido que el petróleo crudo es un elemento no muy volátil y en el caso de una evaporación la altura del pelo de líquido con respecto a la parte más alta de la cubierta es pequeña la presión de los gases es controlable y no ejerce presiones considerables en la pared de tanque -La determinación de Fuerzas sísmicas se estableció por fuerzas horizontales, en donde estaba dado por la fuerza la fuerza sísmica,
33
