A3-1

A3 DESCRIPCIÓN DEL ESTANQUE

GEOMETRÍA DEL ESTANQUE V401-A

Diámetro interno del estanque, D 21.50 [m]

Radio interno del estanque, R 10.75 [m]

16.70 [m]

20.47 [m]

Altura máxima del líquido, H 15.17 [m]

Altura de rebose, 1.53 [m]

Volumen máximo de líquido, 5,507

Peso total del líquido a contener, 9,913

Espesor de la plancha anular bajo el manto, 16.0 [mm]

Número de anillos 8 [un]

bt

LW

LV

rh

A3-2

ESPECIFICACIÓN DEL MATERIAL

Tipo de material ASTM-A36

2,500

4,080

Peso específico del acero, 7.85

Módulo de elasticidad del acero, 2.1E+06

Módulo de Poisson del acero carbono, 0.3 [adm]

DATOS DEL FLUIDO

Nombre H2S04 ( 98% )

Peso específico, 1.8

PESO PROPIO DEL ESTANQUE

147.7 [ton]

31.9 [ton]

8.5 [ton]

22.4 [ton]

210.51 [ton]

PROPIEDADES DEL SUELO DE FUNDACIÓN

Módulo de elasticidad del suelo de fundación, Es 650

Módulo de Poisson del suelo de fundación. 0.3 [adm]

Módulo de corte del relleno compactado, Gs 250

Densidad del relleno compactado, 2,100

Ángulo de fricción interna del relleno compactado, 40 [grad.]

s

sρ

lγ

acγ

a cE

A3-3

ESPESORES Y PESOS DE PLANCHAS

27.0 [mm]

7.0 [mm]

11.0 [mm]

16.0 [mm]

Anillo

1 210 27 30.064

2 210 23 25.610

3 210 20 22.269

4 210 18 20.042

5 210 15 16.702

6 210 12 13.362

7 210 10 11.135

8 200 8 8.484

Peso de los elementos auxiliares del estanque

Descripción Peso [ton]

Viga superior 0.14

Viga radial 5.51

Viga inferior 0.86

Plataformas 2.00

Total 8.51

Tabla A3 - 1 Espesores y pesos de las planchas del estanque V401-A

Ancho cm

Espesor mm

Peso ton

Tabla A3 - 2 Detalle del peso de los accesorios del estanque V401-A

A3-4

A4-5

A4

A4.1 INTRODUCCIÓN

A4.2 DESCRIPCIÓN DEL CÓDIGO API - 650/98

En esta parte del estudio, se desarrolla el análisis sísmico del

El código estadounidense API 650/98, en el apéndice “E” entrega la

pauta para el diseño sísmico de estanques de acero soldado, soportados

directo a piso. Al igual que la norma chilena Nch. 2369 oficial del 2003, el

código API 650/98, considera válido el modelo de Housner, el que propone

El estanque en estudio, está diseñado para almacenar ácido sulfúrico

en altas concentraciones, pese a esto se utiliza el código API 650/98, el que

entrega las pautas para el análisis sísmico de estanques destinados a

almacenar petróleo. Es habitual que se utilice el código API 650/98 para el

A4-6

A4.3 COEFICIENTE SÍSMICO HORIZONTAL IMPULSIVO

impulsivo, (ver tabla 6 - 2)

Zona Sísmica Coeficiente sísmico horizontal impulsivo

1 0.16

2 0.24

3 0.32

0.24 [adm]

Tabla A4 - 1: Determinación del coeficiente sísmico horizontal

HI(Nch)C =

La normativa nacional entrega la metodología para determinar el

coeficiente sísmico horizontal del modo impulsivo, el que debe ser igual al

coeficiente sísmico máximo dado por la norma chilena Nch 2369, este

coeficiente depende de: la zona sísmica, el factor de modificación de

La norma NCh. 2369 de 2003, recomienda un factor de modificación

de respuesta, R(Nch) = 4.0 y un factor de amortiguamiento para los estanques

de acero soldado, (Nch) igual a 0.02. Además, el estanque en estudio se

encuentra emplazado en las instalaciones de Codelco Norte, Chuquicamata,

correspondiente a una zona sísmica 2, según la normativa nacional. La tabla

A4-7

A4.4 COEFICIENTE SÍSMICO HORIZONTAL CONVECTIVO

(6.2)

= 0.3 g

(Ver tabla 6 - 3)

Zona Sísmica

1 0.2 g

2 0.3 g

3 0.4 g

= 9.8 aceleración de gravedad;

Tabla A4 - 2 Determinación de la aceleración efectiva máxima A0.

Valor de la aceleración máxima efectiva ,

0A

g2

m

seg

0A

0 2

mA = 9.8 0.3 = 2.94

seg

Para determinar el coeficiente sísmico horizontal convectivo, la

normativa nacional establece que se debe utilizar la expresión 6.2, la que

está en función del periodo fundamental de vibración del líquido, T*. El valor

0,4n'0

*(Nch) c(Nch)

HC(Nch)

0

2,75 A T 0.05

g R T ξC , es igual al mayor valor de:

A 0.1

g

2

m

seg

A4-8

= 2.94

= 4.0 [adm]

(Ver tabla 6 - 5)

T´ (segundos) n

I 0.20 1.00

II 0.35 1.33

III 0.62 1.80

IV 1.35 1.80

T´ = 0.35 [seg]

n = 1.33 [adm] parámetro relativo al suelo de fundación

obtenido de la tabla A4 -3;

Tabla A4 - 3: Determinación de los parámetros que dependen del tipo de suelo

Tipo de suelo

0A2

m

seg

0 2

mA = 9.8 0.3 = 2.94

seg

factor de modificación de respuesta para los

De acuerdo al estudio de mecánica de suelo practicado bajo la

fundación del estanque, el suelo corresponde a: “arena densa con grado de

compactación igual a 95% del valor proctor modificado”, este tipo de suelo se

(Nch)R

A4-9

= 0.005 [adm]

Cálculo del periodo fundamental en la dirección de análisis, T*.

(3.4)

D/H = 1.42 [adm] razón de forma; 1.42 [adm]

c(Nch)ξ

0.5T* = 1.81k D

donde:

T* : periodo fundamental del líquido, en segundos;

D : diámetro interno del estanque, en metros;

D 21.5

H 15.17

A4-10

k = 0.59 [adm] parámetro k, obtenido de la figura A4-1

valorizando la expresión 3.4, se tiene:

[seg]

= 4.95 [seg]

Luego, de la expresión 6.2 se obtiene:

0.015 [adm]

0.03 [adm] Coeficiente sísmico horizontal convectivo

A4.5 COEFICIENTE SÍSMICO VERTICAL

T*

0.5T* = 1.81 0.59 (21.5 ) = 4.95

La norma Nch.of 2369 indica: “Si la norma de diseño de estanque

HC(Nch)C

1.33 0,4

HC(Nch)

0

2,75 0.3 9.8 0.35 0.05 =

9.8 4.0 4.95 0.005C

A 0.1 0.03 [adm]

g

A4-11

0.16 [adm]

El código API 650/98, no utiliza el coeficiente sísmico vertical.

A4.6 ANÁLISIS DE VOLCAMIENTO

A4.6.1 MOMENTO VOLCANTE

(6.3)

CÁLCULO DE LOS TÉRMINOS DE LA EXPRESIÓN 6.3

[ton]

donde:

= 9,913 [ton] peso total del líquido contenido en el estanque;

= 1.8 peso específico del ácido sulfúrico;

v(Nch) HI(Nch)C = 2/3*C

Para determinar el momento volcante aplicado en la base del

LW

2

L l

DW = π H γ

4

2

L

21.5W = 15.17 1.8 = 9,913

4

l3

ton

m

volcante (Nch) HI(Nch) w w HI(Nch) t t HI(Nch) i i HC(Nch) c cM = I C P X + C P X + C W X + C W X )

A4-12

H = 15.17 [m] altura máxima del contenido del estanque;

D = 21.50 [m] diámetro interno del estanque;

Pesos impulsivo, Wi y peso convectivo, Wc

= 0.68 [adm] razón de masa impulsiva;

[ton]

i

L

W

W

l3

ton

m

ii L

L

WW = W = 9,913 0.68 = 6,740

W

El peso de la porción impulsiva, Wi y convectiva, W

multiplicando el peso total del líquido por las razones W

A4-13

= 6,741 [ton] peso impulsivo del contenido del estanque;

= 0.32 [adm] razón de masa convectiva;

[ton]

= 3,172 [ton] peso convectivo del contendido del estanque;

= 22.40 [ton]

= 147.7 [ton]

Altura de los centroides de masa

tP

wP

c

L

W

W

iW

cW

cc L

L

WW = W = 9,913 0.32 = 3,172

W

El valor Pt, debe considerar el peso propio del techo del estanque

más la sobrecarga de nieve, sin embargo, el estanque en estudio está

De acuerdo al código API 650/98, las alturas desde la base del

estanque, a los centroides de las fuerzas sísmicas laterales aplicadas a W

A4-14

H = 15.17 [m] altura máxima del líquido;

= 0.38 [adm]

= 5.76 [m] altura del centroide del peso impulsivo;

= 0.66 [adm]

= 10.0 [m] altura del centroide del peso convectivo;

= 8.35 [m] altura del centroide del peso del manto;

= 18.59 [m] altura del coentroide del peso del techo;

iX

H

cX

H

iX

cX

tX

wX

cc

XX = H = 15.17 0.66 = 10.01 [m]

H

ii

XX = H = 15.17 0.38 = 5.76 [m]

H

mw

H 16.7X = = = 8.35 [m]

2 2

t mt m

H - H 20.4-16.7X = H =16.7+ = 18.59 [m]

2 2

A4-15

= 16.70 [m] altura del manto;

= 20.47 [m] altura total del estanque;

= 1.2 [adm]

Resumiendo los valores, se tiene:

= 147.7 [ton] peso del manto del estanque;

= 31.9 [ton] peso del fondo del estanque;

= 8.5 [ton]

= 22.4 [ton]

El estanque en análisis contiene ácido sulfúrico, el cual es esencial en

el proceso minero, además su contenido es peligroso para la población y el

medio ambiente. De acuerdo a lo anterior, el estanque se clasifica en la

WP

SP

0P

tP

La norma chilena Nch. 2369, entrega diferentes valores para el

(Nch)I

mH

tH

A4-16

= 210.5 [ton]

= 1.2 [adm] coeficiente de importancia;

= 0.24 [adm] coeficiente sísmico horizontal impulsivo;

= 0.03 [adm] coeficiente sísmico horizontal convectivo;

El momento volcante está dado por la siguiente expresión:

(6.3)

295.92 [ton-m]

99.92 [ton-m]

### 9,325 [ton-m]

Factor de Zona Sísmica,

recomendado por el “Criterio de

Diseño Civil Estructural”, CD7-

00E, de Codelco Norte,

Gerencia de Proyectos, en la

sección 10.1.3, Coeficientes

Sísmico, el que indica: “

TP

HI(Nch)C

(Nch)I

HI(Nch) w wC P X = 0.24 147.7 8.35

HI(Nch) w wC P X =

HI(Nch) t tC P X =

HI(Nch) t tC P X = 0.24 22.4 18.59

HI(Nch) i iC W X =

HI(Nch) i iC W X = 0.24 6,740 5.765

volcante (Nch) HI(Nch) w w HI(Nch) t t HI(Nch) i i HC(Nch) c cM =I C P X + C P X + C W X + C W X )

HC(Nch)C

A4-17

951.6 [ton-m]

Luego, el momento volcante sísmico es igual a:

12,807 [ton-m]

A4.6.2 VERIFICACIÓN DEL VOLCAMIENTO

HC(Nch) c cC W X =

HC(Nch) c cC W X = 0.03 3,172.3 10.0

volcanteM =1.2 (295.92 + 99.92 + 9,325 + 951.6)

volcanteM

A4-18

(6.6)

donde:

:

:

(3.5)

= 16.0 [mm]

L b byw = 99t F GH 196GHD

bt

De acuerdo al código API 650/98, para los estanques no anclados, el

peso máximo líquido que puede ser usado para resistir el volcamiento,

depende de: el espesor y la tensión de fluencia de la plancha anular ubicada

El estanque en estudio no está anclado, luego el peso máximo del

líquido, en N/m, que puede ser usado para resistir el volcamiento, está dado

volcante2

L t

M < 1.57

D (w + w )

Lw

tw

A4-19

G = 1.80 [adm] gravedad específica del líquido;

D = 21.50 [m] diámetro interno del estanque;

H = 15.17 [m] altura máxima de llenado;

= 245.17 [Mpa]

Reemplazando en la expresión 3.5, se tiene:

129,603 [N/m]

115,067 Valor máximo a utilizar.

Como 1N = 0.102 kgf, se tiene:

= 11.73 [t/m circ.]

byF

Lw = 99 16 245,17 1.8 15.17

Lw

Lw

Lw 196GHD = 196 1.8 15.17 21.5 = 115,067

N/m

N/m

A4-20

(3.6)

= 22.40 [ton] peso del techo más sobrecarga de nieve;

= 147.67 [ton] peso propio del manto;

w tt

P + c Pw =

πD

tP

wP

A4-21

c = 100%

2.52 [t/m circ.]

= 2.52 [t/m circ.]

(6.6)

Evaluando la expresión 6.6, se obtiene:

NO cumple

tw

t

147.7+1.0 22.4w = =

π 21.5

volcante2

L t

M < 1.57

D (w +w )

parámetro que cuantifica la porción del peso

del techo que descarga sobre el manto. El

peso de la estructura del estanque y la

volcante2 2

L t

M 12,807 1.57

D (w + w ) 21.5 (11.73 2.52)

A4-22

A4.6.3 DISEÑO DE LOS PERNOS DE ANCLAJE

Diseño a la tracción de los pernos de anclaje:

(3.12)

: fuerza de trabajo del anclaje. [Fuerza / Longitud de manto]

32.8 [ton/m]

32,749 [kg/m]

N = 130 [un] cantidad de puntos de anclajes;

= 2 [un] cantidad de pernos por punto de anclaje;

= 0.5196 [m]

T = 17,015 [kgf] fuerza de tracción en cada silla de anclaje;

Los pernos de anclajes deben ser dimensionados para resistir la

fuerza de trabajo de anclaje, Fma. Para el caso de los estanques anclados, la

volcantema t2

1.273MF = - w

D

maF

ma 2

1.273 12,807F = - 2.52

21.5

maF =

maF =

cD

c

πD π 21.5D = = = 0.5196

N 130

pn

ma cT = F D = 32,749 0.5196 = 17,015

tn

A4-23

= 260 [un] cantidad de pernos de anclajes en el estanque;

= 1 7/8 [pulg] diámetro del perno de anclaje seleccionado;

= 17.81 área transversal de cada perno de anclaje;

= 0.478 esfuerzo de tracción en cada perno;

= 1.5 esfuerzo admisible a la tracción;

OK

Verificación al corte del perno de anclaje:

AA

tσ

admσ 0.6 2500 1500

p

2 22

A

πD π 4.76A = = = 17.81 [cm ]

4 4

tp A

T 17,015σ = = 478

n A 2 17.81

Nota: El criterio de diseño de elementos de acero en tracción se basa en un

factor de seguridad FS = 1.66 aplicado a la tracción de fluencia del material,

de modo que se considera admisible una tracción de trabajo de:

t admσ σ

Para verificar los pernos de anclaje al corte, se debe cumplir que el

esfuerzo de trabajo al corte no sobrepase el valor admisible,

Además de acuerdo a la normativa nacional, el diseño de los pernos de

anclaje se debe hacer de modo que 1/3 del número de pernos sean capaces

admσ

2

kgf

cm

2

ton

cm

2

ton

cm

2

kgf

cm

tn

t pn = n N = 2 130 = 260 [un]

A4-24

= 2,104.6 [ton]

= 0.682 esfuerzo de corte solicitante;

= 0.7 tensión admisible al corte;

OK

Verificación interacción tracción-corte

0.603

= 603.1

= 477.6 esfuerzo de tracción en cada perno;

477.6

Tq

A p

Q 2,104.6= 0.682

11 2 17.81 2602A n33

q qadmσ σ

,.

p A

T

n At t adm

tp A

T 17,015σ

n A 2 17.81

2

,t.adm

2

ton1.83 1.8

cm

σ es igual al menor valor de:

ton 1.41

cm

q

,. 1.83 - 1.8 1.83 - 1.8 0.682 =t adm q

,t.admσ

qσ

qadmσ

TQ

tσ

2

ton

cm

2

ton

cm

2

ton

cm

2

ton

cm

2

kgf

cm

2

kgf

cm

A4-25

OK

A4.6.4 ANÁLISIS DE VOLCAMIENTO PARA EL ESTANQUE ANCLADO

Propiedades del anillo de fundación

h = 1.5 [m] alto;

Lb = 1.5 [m] ancho;

= 2.3 peso específico del hormigón;

= 5.18 [t/m circ.]

5.18 [t/m circ.]

(6.7)

1.43 < 1.57 OK

El factor de seguridad al volcamiento, se obtiene de la expresión 6.9a.

Hγ

bw

volcante2

L t b

M < 1.57

D (w + w + w )

bw = 1.5 1.5 2.3 =

tp A

T 17,015σ

n A 2 17.81

,

t t.admσ σ

volcante2 2

L t b

M 12,807 =

D (w +w +w ) 21.5 (11.73 2.52 5.18)

2

ton

m

2

kgf

cm

2

L t bresistente

volcamientovolcante volcante

D 21.5w + w + w 11.73 2.52 5.18M 2 2FS = =

M M 12,807

A4-26

1.1 [adm]

1.1 OK

A4.7 ESFUERZO DE CORTE BASAL

(6.14)

2,104.6

A4.7.1 ANÁLISIS DE DESLIZAMIENTO

(6.12)

donde:

= 10,473 [ton]

= 40 [gr]

NOTA: El código API-650/98 considera un FS al volcamiento igual a 1.0

La norma chilena Nch. 2369 complementada con el código API

650/98, establecen que el esfuerzo de corte basal, debe ser calculado según

la expresión 6.14. El esfuerzo de corte basal total, QT, debe considerar las

ton

T (Nch) HI(Nch) w HI(Nch) t HI(Nch) i HC(Nch) cQ = I [C P + C P + C W + C W ]

TQ = 1.2 [0.24 147.7 + 0.24 22.4 + 0.24 6,740 + 0.03 3,172.3]

TQ =

c total aF = W tg + A c

totalW

peso propio total de estanque más el peso de

su contenido, para el caso de estanques sin

2

L t bresistente

volcamientovolcante volcante

D 21.5w + w + w 11.73 2.52 5.18M 2 2FS = =

M M 12,807

volcamientoFS = adm

total T L HW = P + W +πDγ hLb = 210.5+9,913+ 21.5 2.3 1.5 1.5 = 10,473

A4-27

tg = 0.84 [adm]

= 0.4 [adm] valor máximo para el coeficiente de roce;

= 0 cohesión efectiva del suelo de fundación;

= 2,104.6 [ton] esfuerzo de corte horizontal sísmico;

A = 363.1

(6.13)

4,189

2,104.6

OK , por lo tanto el estanque no se desliza.

2.0 OK

A4.8 ANÁLISIS DE FALLA LOCAL A LA TENSIÓN DE COMPRESIÓN

cF = 10,473 0.4 + 363.1 0

ton

TQ = ton

c TF > Q

cdeslizamiento

T

F 4,189FS = =

Q 2,104.6

c total adeslizamiento

T

F W + A cFS = =

Q TQ

2m

cF = 10,473 0.4 =

TQ

2

ton

m

adm

2D 21.5A = = = 363

4 4

2m

A4-28

(3.9)

37.79 [t/m]

b = 377.9 [kgf/cm]

139.96

b = 377.9 [kgf/cm] fuerza de compresión máxima sobre el manto;

= 27 [cm]

(3.10)

volcantet 2

1.273Mb = w +

D

bw1

b 377.9F =

t 0.1* 27

El código API 650/98, toma en cuenta el efecto de la presión interna

del fluido contenido en el estanque para determinar el esfuerzo admisible de

w1t

La fuerza máxima de compresión longitudinal, b, se divide por el

espesor del manto para determinar el esfuerzo solicitante de compresión, F

[kgf/cm2]

w1a

83 tF =

D

2

1.273 12,807b = 2.52 +

21.5

A4-29

(3.11)

Luego:

17.3

80.9 [Mpa]

824.8 [kgf/cm2]

Finalmente:

OK.

tensión de compresión < tensión admisible de compresión

A4.9 ALTURA DE LA ONDA CONVECTIVA

2 2 2 2w1GHD /t =1.8 15.17 21.5 /27

b aF < F

w1a

83 tF = + 7.5 G H

2.5 D

aF =

a

83 27F = + 7.5 1.8 15.17

2.5 21.5

aF =

A4-30