calculo por sismo tanques
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Criterios para diseo estructural y estabilidad
de tanques de hidrocarburos
Presentado por: Jos Carlos Miguel de Priego Coquis
Octubre 2001
Forum Legislacin Ambiental Aplicada al Sub-Sector Hidrocarburos CAREC
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INDICE
1.- Objetivos
2.- Diseo de tanques de almacenamiento para cargas ssmicas
3.- Diseo de la unin cilindro- techo
4.- Conclusiones
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1.- Objetivos
Los tanques de almacenamiento verticales, construidos segn la norma API 650, son
extensamente usados en el Per para el almacenamiento de hidrocarburos. Dicha norma,
cuya aplicacin es exigida por la legislacin nacional, proporciona diversos criterios de
diseo para cada uno de los componentes del tanque. En el presente trabajo se presentan
dos temas en particular, relacionados con el diseo estructural y estabilidad de tanques de
almacenamiento de techo fijo:
Diseo de tanques de almacenamiento para cargas ssmicas.
Diseo de la unin cilindro- techo.
2.- Diseo de tanques de almacenamiento para cargas ssmicas
En el territorio peruano existen vastas zonas donde es probable la ocurrencia de
movimientos ssmicos. Las cargas derivadas de los sismos producen en los tanques de
almacenamiento esfuerzos muy superiores a los normales y pueden inclusive comprometer
su estabilidad. Por tal motivo es importante tenerlas en cuenta en la etapa de diseo de los
tanques de almacenamiento.
En el apndice E de la norma API 650 se incluye un procedimiento para el diseo ssmico de
tanques de almacenamiento. Si bien dicho apndice no es mandatorio, su aplicacin es
recomendable para todos aquellos tanques que se proyecten en las zonas ssmicas del pas.
De hecho, el DS N 051-93, Reglamento de Normas para la Refinacin y Procesamiento de
Hidrocarburos, establece en su artculo 56 la obligatoriedad de disear los tanques a prueba
de sismos segn el apndice E. El DS N 052-93, Reglamento de seguridad para
almacenamiento de hidrocarburos, no es explcito en exigir la aplicacin del apndice E, pero
indica que debe darse especial atencin a las cargas ssmicas en el diseo.
El procedimiento de diseo ssmico recomendado en el API 650, apndice E, considera que
el tanque responde a la excitacin producida por el movimiento ssmico de dos modos:
a) Una respuesta de alta frecuencia debida a la vibracin del techo, cilindro y de la porcin de
lquido que se mueve solidariamente al cilindro. A la porcin de lquido que vibra al unsono
con el tanque se le llama masa impulsiva. Durante el movimiento ssmico se asume que
esta masa se comporta como un cuerpo rgido. La masa impulsiva esta compuesta por el
lquido en la parte inferior del tanque.
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b) Una respuesta de baja frecuencia debida al movimiento de la porcin del lquido que no es
solidario al cilindro, a su propia frecuencia natural. A esta porcin de lquido se le denomina
masa convectiva y esta compuesta por el lquido ms prximo a la superficie. Este volumen
de lquido tiene libertad para moverse verticalmente, generndose un movimiento de tipo
ondulatorio (olas).
El modelo descrito, que descompone el fluido en una porcin impulsiva y otra convectiva se
muestra en la figura 1. La proporcin de reparticin de lquido entre las masas impulsiva y
convectiva depende de la relacin dimetro/ altura del tanque. En tanques altos predomina la
masa impulsiva, mientras que en tanques bajos predomina la convectiva. Ver la figura 2. A
consecuencia de su movimiento, ambas masas generan sobre las paredes del tanque
presiones hidrodinmicas, cuya distribucin aproximada se observa en la figura 3. La
resultante de esta distribucin de presiones es una fuerza lateral actuando a una
determinada altura sobre la base del tanque. Esta resultante de las presiones se manifiesta
en la seccin inferior del cilindro como una fuerza cortante y un momento de volteo.
El momento de volteo en la seccin inferior del cilindro origina compresin en una mitad de la
circunferencia del cilindro y levantamiento en la otra. Si el momento es suficientemente alto,
puede producirse inclusive el completo volteo del tanque. Los esfuerzos de compresin,
pueden determinar la falla por pandeo de la parte inferior del cilindro. A este tipo de falla se le
conoce como pata de elefante y se muestra en la figura 4.
La tendencia al volteo generada por el movimiento ssmico es contrarrestada, en tanques sin
anclajes, por las siguientes fuerzas:
Peso del cilindro del tanque y de la porcin del techo soportada por el cilindro.
Peso de la porcin del lquido adyacente al cilindro. El volumen del contenido del tanque
que se puede considerar se opone al volteo, depende del espesor de la plancha del fondo
debajo del cilindro. Cuando este espesor es grande, el fondo es ms rgido y mayor es su
aporte en contrarrestar el volteo. Cuando el espesor es pequeo el fondo se aproxima a
una membrana totalmente deformable y no aportar mayor resistencia al volteo.
Los tanques en los cuales el momento de volteo no pueda ser contrarrestado por las fuerzas
sealadas y por lo tanto tendran tendencia al volteo completo; o aquellos en los cuales las
fuerzas de compresin superen la fuerza crtica de pandeo, se denominan inestables.
Cuando en el proceso de diseo de un tanque se identifica que este es inestable, es
necesario tomar alguna o varias de las siguientes medidas:
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Incrementar el espesor de la plancha del fondo debajo del cilindro. Con esto se eleva el
volumen del contenido del lquido que aporta resistencia al volteo.
Incrementar el espesor del cilindro. Esta medida incrementa el peso del cilindro, lo cual
contrarresta el volteo; as como la carga crtica de pandeo.
Cambiar las proporciones del tanque, es decir aumentar el dimetro y reducir la altura.
Cuanto mayor es la relacin H/D, mayor es la tendencia a la estabilidad del tanque.
Anclar el tanque a la cimentacin. Con esta alternativa, la resistencia al volteo es
proporcionada por el peso del cilindro y por los anclajes. Evidentemente, deben
calcularse el nmero de anclajes, dimensiones y los elementos de sujecin al cilindro
para asegurar que tienen la resistencia suficiente. Adems la propia cimentacin debe
ser adecuadamente calculada. La figura 5 muestra un diseo tpico de anclajes para
tanques de almacenamiento.
El apndice E fue adicionado a la norma API 650 en 1978, por lo cual es muy probable que
muchos tanques construidos antes de ese ao y que se encuentran en zonas ssmicas sean
en realidad inestables y que por ende se encuentren en situacin de riesgo en el evento de
un movimiento ssmico.
En nuestro pas, el 80% de la capacidad de almacenamiento se concentra en la costa, zona
de alta sismicidad; y en tanques construidos antes de 1978. Es posible que muchos de estos
tanques se comporten como estructuralmente inestables en un sismo de alta intensidad.
Como un criterio preliminar, aquellos tanques con una relacin H/D mayor a la indicada en la
tabla 1 es probable tengan un comportamiento inestable; y por lo tanto se justifica una
evaluacin detallada de su diseo. Las pautas para la ejecucin de dicha evaluacin
detallada se presenta en el diagrama de flujo de la figura 7.
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Tabla 1 : Relacin mxima H/D a la cual es probable el cumplimiento del API 650. Vlida para
zonas de alta sismicidad.
0.25D>530.329
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En la ejecucin de los clculos relacionados con el API 650, as como con mtodos
alternativos, es muy recomendable el uso de equipos y programas de computacin. Esto
permite efectuar gran cantidad de clculos y elegir la alternativa de adecuacin ptima entre
las diferentes opciones posibles.
3.- Diseo de la unin cilindro- techo
La unin cilindro- techo de un tanque de almacenamiento merece cuidadosa atencin
durante la etapa de diseo, para asegurar que esta se comportar de la manera requerida.
Esta unin puede soportar esfuerzos de compresin o de traccin a consecuencia de las
cargas transmitidas desde el techo al cilindro. Entre ellas se tienen el peso propio del techo,
la presin interna y la carga viva sobre el mismo.
La norma API 650 tiene en cuenta un anillo de compresin, compuesto por un sector del
cilindro, el ngulo de tope y un sector del techo. Una seccin tpica de dicho anillo se muestra
en la figura 61. El rea achurada en la figura 6 resiste los esfuerzos generados por las cargas
que se transmiten del techo al cilindro.
El trmino anillo de compresin, utilizado por el API 650 hace alusin a que los esfuerzos en
dicho anillo son de compresin cuando el techo est sometido a fuerzas de abajo hacia
arriba, como en el caso de una presin interna. Sin embargo, como se ver ms adelante,
los esfuerzos pueden ser de traccin cuando el techo soporta fuerzas de arriba hacia abajo,
como en el caso del peso propio y la carga viva de techos autosoportados.
La figura 8 representa el tipo de deformacin que sufre el tanque a consecuencia de la
presin interna sobre el techo. El ngulo entre el cilindro y el techo tiende a aumentar; y el
permetro del anillo tiende a reducirse. Esta reduccin de longitud del anillo se traduce en
esfuerzos de compresin. La figura 9 muestra un modelo de elementos finitos de una unin
tpica cilindro- techo. Se aprecia claramente, segn el cdigo de colores, que los esfuerzos
en la propia lnea de unin y en los sectores aledaos de techo y cilindro son negativos, es
decir estn a compresin. Cuando el tanque es requerido para soportar presin interna, en el
diseo debe preverse que el rea resistente sea suficiente para que los esfuerzos de
compresin estn por debajo del admisible. Si esto no ocurriera la unin cilindro- techo
fallara por pandeo, de manera similar a como falla una columna esbelta cuando es
sobrecargada axialmente.
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1 El API 650, en el apndice F, figura F-2 presenta 5 secciones adicionales de anillos permitidos.
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El API 650 contempla varios casos con relacin a la presin interna en tanques de
almacenamiento:
Tanques sin presin interna, es decir con alguna abertura a la atmsfera.
Tanques con presin interna inferior al peso por unidad de rea de las planchas de techo.
En este caso el propio peso de las planchas equilibra la presin y la unin cilindro- techo
no transmite esfuerzos. Para planchas de 3/16 de espesor, esta presin es de 0.05 psi.
Tanques con presin interna superior al peso de las planchas del techo pero con una
resultante inferior al peso del techo, cilindro y accesorios soportados por el cilindro. En
este caso la unin cilindro- techo si transmite esfuerzos y debe asegurarse que su rea
sea suficiente para resistirlos. La tendencia del tanque al levantamiento, a causa de la
presin, es equilibrada por el peso del cilindro y el techo.
Tanques con una presin mayor a la anterior pero menor a 2.5 psi. En este caso la unin
cilindro- techo debe disearse con cuidados similares al caso anterior pero adems debe
evitarse el levantamiento del tanque mediante anclajes a la cimentacin.
Cuando la presin interna sea mayor de 2.5 psi se excede el alcance del API 650 y se
tendra que disear segn API 6202.
Puede ser necesario, y de hecho es lo ms corriente, que la unin cilindro- techo no sea
requerida para resistir una presin interna sino, por el contrario, para fallar cuando la presin
se incremente de manera anormal. Tal es el caso de las uniones dbiles. En este caso, lo
que el diseo debe asegurar es que el rea resistente sea menor a un valor determinado,
que asegure que el anillo de compresin fallar por pandeo, antes que la sobrepresin origine
algn dao mayor en el tanque, como puede ser la falla de la unin cilindro- fondo. Al pandeo
del anillo de compresin sobreviene la falla de la soldadura entre el techo y el anillo de tope
generndose una abertura por donde la sobrepresin en el interior del tanque es evacuada.
La unin cilindro- techo se convierte por tanto en un punto de alivio de presin. El DS N
052-93, Reglamento de seguridad para almacenamiento de hidrocarburos, en su artculo 38,
establece a la unin dbil como la forma preferida para aliviar la presin interna excesiva a
consecuencia de exposicin prolongada a fuego. Asimismo, en el artculo 42, exige que los
tanques de techo cnico, sean autosoportados o no, cuenten con uniones dbiles. Como se
ver ms adelante esto no siempre es posible.
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2 API Std 620, Design and Construction of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks.
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Si la sobrepresin en el interior del tanque es suficiente para producir el levantamiento del
cilindro, la unin cilindro- fondo sera sometida a esfuerzos anormales y el fondo tendera a
tomar una forma esfrica. Esto puede originar la falla de la unin cilindro- fondo o del propio
fondo, con la consiguiente prdida del lquido almacenado. Con la unin dbil se trata de
eliminar esta posibilidad. Por lo tanto, se debe asegurar que la presin mxima que resista la
unin cilindro- techo sea menor a la necesaria para producir el levantamiento del cilindro del
tanque. Esta condicin se traduce en un lmite mximo para el rea del anillo de compresin.
Segn el API 650 debe cumplirse:
A [ W201,000 tanh
Donde:
: rea resistente del anillo de compresin (pulg2).A
: Peso del cilindro y de las estructuras y accesorios soportados por ste (libras).W
: ngulo de inclinacin del techoh
Como el peso del cilindro del tanque es aproximadamente proporcional al producto de la
altura por el dimetro (HxD), cuando el tanque es de pequeo dimetro es prcticamente
imposible obtener la condicin de debilidad antes indicada. En la figura 10 se muestran dos
curvas que relacionan la posibilidad de disear una unin dbil con el dimetro y altura del
tanque, para inclinaciones del techo de 0.75/12 y 2/12. En las combinaciones por encima de
cada una de las curvas es posible disear uniones dbiles. Se aprecia que para dimetros
menores a 30 pies no se obtienen uniones dbiles, a menos que la altura del tanque sea muy
grande, lo cual incrementa la relacin H/D del tanque y compromete su estabilidad en caso
de sismo.
Para inclinaciones de techo 2/12 se aprecia que la unin dbil solo es factible para dimetros
mayores a 60 pies. Por lo tanto, es prcticamente imposible disear un tanque de techo
cnico autosoportado con unin dbil, teniendo en cuenta que el API 650 establece que este
tipo de techos deben tener una inclinacin mnima de 2/12.
Para considerar a una unin cilindro- techo como dbil, el API 650, exige adems lo
siguiente:
El techo debe ser cnico, con una pendiente no mayor a 2/ 12.
La soldadura de las planchas del techo con el anillo de tope no debe tener un espesor
mayor a 3/16.
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En techos autosoportados, el peso del propio techo y la carga viva generan sobre el llamado
anillo de compresin esfuerzos de traccin. Ambas cargas se traducen en una fuerza de
arriba hacia abajo. Cuando el techo es de tipo soportado, esta fuerza se transmite hacia el
suelo por la estructura de soporte. En techos autosoportados esta fuerza es transmitida al
cilindro a travs de la unin cilindro- techo. La figura 11 representa el tipo de deformacin
producida sobre la unin cilindro- techo a consecuencia del peso y carga viva. Se observa
que esta zona tiende a incrementar su dimetro y por lo tanto se generan esfuerzos de
traccin. La figura 12 muestra un modelo de elementos finitos donde se aprecia que los
esfuerzos en la unin cilindro- techo y los sectores cercanos son positivos. La condicin de
resistencia mecnica del anillo, que asegura que los esfuerzos estn por debajo de lo
admisible, se traduce en un valor mnimo de la seccin del anillo de compresin. Segn el
API 650, para techos cnicos autosoportados debe cumplirse que:
A m D2
3,000sinh
Donde:
: rea resistente del anillo de compresin (pulg2).A
: Dimetro del tanque (pies).D
: ngulo de inclinacin del techoh
Esta breve exposicin de los aspectos ms saltantes involucrados en el diseo de la unin
cilindro- techo, permite apreciar la importancia de prestar adecuada atencin a este punto,
para asegurar que dicha unin se comportar de la manera requerida. En ocasiones ser
necesario garantizar un rea mnima de la unin y en otras por el contrario deber asegurase
que sea menor a un determinado valor. En el diagrama de flujo de figura 13 se resumen los
criterios de lmites mximo y mnimo de esta unin, de acuerdo al tipo de techo y
requerimiento.
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4.- Conclusiones
El territorio peruano tiene vastas reas donde es probable la ocurrencia de movimientos
ssmicos. Principalmente la costa, regin donde se concentra la mayor actividad econmica
nacional. La norma API 650, aplicable al de tanques de almacenamiento incluye, en su
apndice E, pautas para el diseo ssmico de tanques de almacenamiento. Este apndice es
de uso obligatorio segn la legislacin peruana.
El apndice E fue adicionado a la norma API 650 en 1978, por lo cual es muy probable que
muchos tanques construidos antes de ese ao y que se encuentran en zonas ssmicas sean
en realidad inestables y que por ende se encuentren en situacin de riesgo en el evento de
un movimiento ssmico.
La unin cilindro- techo de un tanque de almacenamiento merece cuidadosa atencin
durante la etapa de diseo, para asegurar que esta se comportar de la manera requerida.
Esta unin puede soportar esfuerzos de compresin o de traccin a consecuencia de las
cargas transmitidas desde el techo al cilindro. Entre ellas se tienen el peso propio del techo,
la presin interna y la carga viva sobre el mismo.
Los tanques se disean corrientemente para que la unin cilindro- techo se comporte como
un punto dbil , en caso de sobrepresin interna. En este caso la unin debe fallar antes que
se produzcan daos mayores en el tanque. De acuerdo con la legislacin peruana est
mtodo de alivio de emergencia es el preferido.
En tanques con techos autosoportados y en tanques con techos soportados de pequeo
dimetro, es prcticamente imposible el diseo de uniones dbiles, por lo cual es necesario
recurrir a otras formas de alivio.
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Figura 1: Modelo de masas convectiva e impulsiva.
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Figura 3: Distribucin de presiones hidrulicas en las paredes del tanque
Figura 4: Defecto tipo pata de elefante
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Figura 5: Diseo tpico de anclaje para tanques de almacenamiento
Figura 6: rea resistente de la unin cilindro- techo
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Relacin H/D cumple con
tabla 1?
Cumple con API
650 Ap. E?
Cumple con
mtodo de Manos?
Puede reducirse altura de lquido?
Tanque es estable
Tanque es estable
Tanque es estable
Tanque es estable
Reducir altura operativa
Efectuar modificaciones
Si
Si
Si
Si
No
No
No
No
Figura 7: Diagrama de flujo para evaluacin de tanques existentes a cargas ssmicas
Figura 8: Deformacin del tanque por presin interna
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Figura 9: Diagrama tpico de esfuerzos en la unin cilindro- techo por presin interna.
1020
3040
5060
7080
90100
Dimetro (pies)
0
50
100
150
200
Altu
ra (
pies
)
incl 0.75/12
incl 2/12
Figura 10: Relacin H/D para factibilidad de unin dbil.
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Figura 11: Deformacin del tanque por peso propio del techo y carga viva
Figura 12: Diagrama tpico de esfuerzos en la unin cilindro- techo por peso propio y carga
viva en techos cnicos autosoportados.
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Techo autosoportado?
Presin interior mayor
al peso del techo?
Se requiere
unin dbil?
A>Amin
A>Amin
A
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