TANQUE DE ALMACANAMIENTO

INSTALACIONES INDUSTRIALES

KORSIC, María Paula

ROMANO, Georgina Alejandra

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.

Se clasifican en:– Cilíndricos Horizontales.– Cilíndricos Verticales de Fondo Plano.

Tanques Cilíndricos Horizontales

• Son de volúmenes relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas de corte y flexión.

• Se usan para almacenar volúmenes pequeños.

Tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano

• Permiten almacenar grandes cantidades volumétricas con un costo bajo.

• 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.

PLANEAMIENTO

• Se plantea la necesidad de almacenar 2000ton de aceite de microalgas en tanques de acero.

• Para este diseño de utilizara la norma API-650 (Construcción de tanques para almacenamiento de aceites)

• El tanque tendrá un diámetro de 17.4m y una altura de 10m

API - 650

• Tanques verticales, cilíndricos, sobre el nivel, abiertos o con techo, soldados y para presiones cercanas a la atmosférica, no refrigerados y con temperatura máxima de 90ºC.

• Tanques cuyo fondo total esta uniformemente apoyado.

ESPECIFICACIONES DEL COMPRADOR

• Capacidad y limitaciones de dimensiones del tanque• Requerimientos de protección por sobrellenado• Temperatura de diseño• Características del fluido• Peso especifico del fluido• Sobreespesor de corrosión• Velocidad del viento, sismo• Magnitud y dirección de las cargas externas• Consideraciones para fundiciones, ensayos de

dureza

DATOS PARA EL CALCULO

• Capacidad Nominal = 2000 Toneladas de aceite de microalgas

• Densidad = 924 kg/m3

• Volumen Total = 2300 m3 • Diámetro interior = 17.4m • Altura = 10m• Material = ASTM A-283-C • Zona sísmica = 0

DISEÑO DEL TANQUE

• CALCULO DEL CUERPOEspesor de las placas del cuerpo

• CALCULO DEL FONDOEspesor de la placa del fondo

• DISEÑO ESTRUCTURAL DEL TECHOCalculo del número de larguerosCalculo de la longitud de los largueros Selección del perfil para los larguerosCalculo de la longitud de los trabesSelección del perfil para las trabesColumnasSelección del perfil para las columnasSelección del perfil de coronamiento

CALCULO DEL CUERPO

• Las dimensiones de las placas que se pueden adquirir en los distintos espesores son de 7.62m x 1.83m (25ft x 6ft). Por lo que: – Cantidad de anillos = H / 1.83 = 10 / 1.83 = 5.46 => 6 anillos– Ancho de placas = H / (Nº de Anillos) = 10 / 6 = 1.666m

El espesor mínimo de las placas del cuerpo del tanque es de 6 mm y el cuerpo se calcula con el método de un pie.

Método de un pie• Consiste en seleccionar el mayor valor entre los resultados obtenidos de las siguientes ecuaciones:

CSd

G).H(D.td

3094

St

G).H(D.tt

3094

Donde:

td = Espesores por condiciones de diseño (mm)tt = Espesor por prueba hidrostática (mm)D = Diámetro nominal del tanque (m) H = Altura de diseño del nivel del líquido (m) G = Densidad relativa del líquido a almacenar o del agua para cálculo por prueba hidrostáticaCA = Corrosión Admisible (mm)Sd= Esfuerzo permisible por condiciones de diseño (MPa) (Tabla)St = Esfuerzo permisible por condiciones de prueba hidrostática (MPa) (Tabla)

Espesor del cuerpo

ANILLO Altura (m) Perímetro (m) Espesor (m)

1 1,666 54,64 0,008

2 1,666 54,64 0,008

3 1,666 54,64 0,006

4 1,666 54,64 0,006

5 1,666 54,64 0,006

6 1,666 54,64 0,006

CALCULO DEL FONDO

Según lo especificado en la tabla anterior, Espesor 1° ANILLO = 8 < 19 mm.

MPaMPaSh

t

).H(D.Sh

19099

3094

El espesor mínimo a usar en el fondo es de 6mm.

DISEÑO ESTRUCTURAL DEL TECHO

• Los tanques de almacenamiento pueden clasificarse por el tipo de cubierta en:– De techos fijos:– Cónicos– De domo– De sombrilla

Estos pueden ser autosoportados o soportados por estructuras (para el caso de techos cónicos de tanques de gran diámetro).

• De techos flotantes • Sin techo

• Los techos cónicos soportados se usan generalmente para tanques de gran diámetro, los cuales consisten en un cono formado a partir de placas soldadas a traslape, soportadas por una estructura, compuesta de columnas, trabes y largueros. Las trabes formarán polígonos regulares múltiplos de cinco y en cada arista de estos se colocará una columna. Los polígonos compuestos por trabes se encargarán de soportar los largueros.

• Las juntas de las placas del techo estarán soldadas a traslape por la parte superior con un filete continuo a lo largo de la unión, la cual tendrá un ancho igual al espesor de las placas.

• Es recomendable que la pendiente del techo sea de 1:16, aunque puede ser mayor o menor si se lo especifica.

l

)N/(NDsenn

2360

Donde:

n = Número de largueros.l = Espacio máximo entre largueros (cm.).N = Número de lados del polígono.D = Diámetro del círculo donde está circunscrito el polígono o diámetro nominal del tanque en (cm.)

Se considera que cada larguero soporta la carga producida por el peso de las placas que forman el techo más una carga viva mínima de 1.2KPa.

Debido a que el diámetro es considerable, el techo es cónico soportado. (Se ha

establecido que el espesor del techo es 6mm y la pendiente de 1:16).

Calculo del número de largueros

La carga por el peso del techo + carga viva =1662 Pa. Sabiendo que el espaciado máximo entre largueros es de 1.915m se puede determinar la cantidad de largueros exteriores como:

5289151

417

9151.

m.

m.

m.

perimetroN

Al tener que existir una distribución homogénea de los largueros, se necesitan 30 largueros exteriores y la estructura tiene forma pentagonal (6 largueros por trabe)

La relación entre el diámetro nominal del tanque y el diámetro del círculo donde se circunscribirá el polígono estructural es de 3:1.

15438136761

1697

6761

1697

5

85

853

417

3

.m.

m.

m.

poligonodelptocircunscriDerioresintuerosarglNro

m.

cos

m.

poligonodelladosNrocos

poligonoeleninscriptoDpoligonodelptocircunscriD

m.m.alminDno

poligonoeleninscriptoD

Numero de largueros:• Numero de largueros externos = 30• Numero de largueros internos = 15

Calculo de la longitud de los largueros

El larguero exterior e interior de mayores longitudes son el 1 y el 4 respectivamente. Teniendo en cuenta la pendiente de 1:16 del techo, las longitudes reales entre los apoyos de estos largueros son:

m.))/(cos(tan

m.

))/(cos(tan.

alminDnoL

m.))/(cos(tan

m.

))/(cos(tan.

alminDnoL

90521616

417

16164

81151613

417

16131

11

11

Longitud de los largueros

Longitud de los largueros interiores = 2.905mLongitud de los largueros exteriores = 5.811m

Perfil para los largueros

El ancho promedio sobre el larguero interior es:

m.m.D

Wce i 215115

417

15

El ancho promedio de los largueros exteriores es:

m.

D/DWciWce

Wm 215123030

3

2

La carga del larguero es:

Donde:

ω = carga del larguero

Cm + Cv = carga por el peso del techo + carga viva = 1662Pa

Wm)CvCm(

mNmPaWmCvCm /2018215.1*1662)(

• Se adopta un perfil UNP 120 que posee las siguientes características:– Perfil: UNP 120– Material: ASTM A 36– Peso lineal: 131.5 N/m– Momento de inercia (I): 3.64x10-6 m4

– Modulo de resistencia de la sección (wy): 6.07x10-5 m3

• Se verifico que el perfil cumpliera con las especificaciones de diseño.

• Los pernos deben resistir una fuerza minima de 6.25KN cortante, un perno ASTM A307-M12 puede resistir de manera satisfactoria una carga cortante de 6.5KN.

Calculo de la longitud de los trabes

• Los trabes dado el arreglo pentagonal tienen la siguiente longitud:

m.tanm.poligonodelladosNro

tanDL poligonoeleninscriptot 21445

85

Perfil para las trabes Las trabes son diseñadas para absorber las cargas concentradas que producen los largueros que son consideradas como carga uniforme siempre y cuando existan cuatro o más largueros en cada trabe, caso contrario se calcula como una viga con cargas puntuales. Como en este caso existen 9 largueros apoyados en cada trabe se asume que la carga esta uniformemente distribuida, y se calcula según:

t

L

L

nI'ww

Donde:

w = carga uniformemente repartida sobre el trabew’ = carga máxima sobre el larguero = 2.15KN/mIL = Longitud del larguero / 2 = 5.811m / 2 = 2.906mn = Numero de largueros que se apoyan por trabe = 9Lt = Longitud del trabe = 4.214m

Con la ecuación anterior se tiene que: w = 13.34KN/m

• Se selecciono y comprobó el siguiente perfil:– Perfil: HEA 160– Material: ASTM A-36– Peso lineal: 297.92 N/m– Momento de inercia (I): 1.673x10-5 m4– Modulo de resistencia de la sección (wy): 2.201x10-4

m3– Relación L/b = 4.214m/0.152m = 27

Columnas

• Para la selección de las columnas se tienen las siguientes longitudes:– Columna central: 10m– Columna del polígono: 9.46m

• Para los cuales el radio de giro debe ser: r = Lc/180– Lc = Longitud de la columna

• Columna central: 5.56cm• Columna del polígono: 5.25cm

Perfil para las columnas

• Se puede seleccionar una combinación de perfiles o tubos para la columna. En este caso:– Tubo: 8” (Esp.1/4”)– Material: ASTM A-53– Peso lineal: 328.14 N/m– Momento de inercia (I): 2.4x10-5 m4– Área: 4.244x10-3 m2– Radio de giro: 7.52x10-2 m– Modulo de elasticidad (E): 2x1011 N/m2

Perfil de coronamiento • Todos los tanques deben contar con un perfil o anillo de

coronamiento ubicado en la parte superior del cuerpo. Este es de suma importancia porque, además de soportar el peso del techo, rigidaza al cuerpo evitando una posible deformación u ovalamiento en la parte superior del cuerpo, además de lograr un sello entre el cuerpo y el techo.

• El perfil de coronamiento para tanques que tengan un techo soportado estará de acuerdo a lo mostrado en las figuras del anexo VI, y se considerará como una junta frágil, que no es capaz de resistir presión interna por lo que tendrá un venteo según lo especifica API 2000.

• Se optara por un perfil del tipo L (ángulo) de 3”x3”x3/8” – Material F-24 según IRAM-IAS U503/03.

VERIFICACION DE ESTABILIDAD POR SISMO

• Calculo del momento de volteoCalculo de la masa efectiva contenida en el tanqueCalculo del centroide de la fuerza sísmicaCalculo de los coeficientes de fuerzas lateralesCalculo de la resistencia a la volcadura

• Calculo de compresión del cuerpoCalculo para tanques no ancladosCalculo de la compresión máxima permisible del cuerpo

Los movimientos telúricos son un tema muy especial dentro del diseño de tanques verticales de almacenamiento, sobre todo con un alto grado de sismicidad. Estos movimientos telúricos provocan dos tipos de reacciones en el tanque:– Los movimientos de alta frecuencia provocan un movimiento

lateral del terreno donde está instalado el tanque.– Los movimientos de baja frecuencia provocan un movimiento de

masa del líquido contenido, provocando oleaje dentro del tanque.

Calculo del momento de volteo El momento de volteo deberá determinarse mediante la siguiente expresión:

)XWC XWC WrHtC WsXs(C ZI M 22211111

M = Momento de volteo (Kgm)Z = Coeficiente sísmico = 0.013 (Anexo I)I = Factor de rigidez = 1 para todos los tanques excepto cuando un incremento en este factor es especificado por el usuario. Se recomienda que este factor no exceda de 1.5 que es el máximo valor que se puede aplicarC1, C2 = Coeficiente de fuerza lateral sísmicaWs = Peso total del cuerpo del tanque (Kg)Xs = Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centro de gravedad de este (m)Wr = Peso total del techo del tanque más una carga viva especificada por el usuario (Kg)Ht = Altura total del cuerpo del tanque (m)W1 = Peso de la masa efectiva contenida en el tanque que se mueve al unísono con el cuerpo del tanque (Kg)X1 = Altura desde el fondo del cuerpo del tanque al centroide de la fuerza lateral sísmica aplicada a W1 (m)W2 = Peso efectivo de la masa contenida por el tanque que se mueve en el primer oleaje (Kg)X2 = Altura desde el fondo del tanque al centroide de la fuerza sísmica lateral aplicada a W2 (m)

Calculo de la masa efectiva contenida en el tanque

D/H = 17.4m / 10m = 1.74

Wt = 2300ton = 20848KN

t

t1

WH

D.W

W

H

D.

H

D.tanh

W

21801

8660

8660

2

KNKN.*.W

KNKN.*.

.*.tanhW1

83042084874121801

12290208487418660

7418660

2

Calculo del centroide de la fuerza sísmica

H

H

D.

senh

H

D.

H

D.

cosh

X

.H

DParaH

H

D..X

.H

DParaH.X

673673

1673

1

3331094050

33313750

2

1

1

D/H = 17.4m / 10m = 1.74

Como D/H > 1.333

m.m

.

.senh

.

..

.cosh

X

m.m*.X

285610

741

673

741

673

1741

673

1

753103750

2

1

Calculo de los coeficientes de fuerzas

laterales • El coeficiente C1 de fuerza lateral será 0.6.• El coeficiente C2 de la fuerza lateral será determinado por la

función del periodo natural T y las condiciones del terreno donde se sitúa el tanque.

T

S.C 7502 22 3753

T

S.C Cuando T < 4.5 Cuando T > 4.5

Donde:S = factor de amplificaciónT = periodo natural de la ondulación en segundos = K = factor determinado en la Figura y la relación D/H o por la siguiente ecuacion:

5860

10

417683

5780.

m

m..

tanh

.K

s..*.*.T 444175860811

Los terrenos se clasifican en tres tipos, de acuerdo con su rigidez:– Tipo I: Terrenos firmes; como tepetate, arenisca medianamente cementada,

arcilla muy compacta o suelo con características similares.

– Tipo II: Suelo de baja rigidez; como arenas no cementadas o limos de mediana o alta compacidad, arcillas de mediana compacidad o suelos de características similares.

– Tipo III: Arcillas blandas muy compresibles.

Como T < 4.5 →

Considerando un suelo de tipo I → S = 1

170434

17502 .

..C

Peso total del cuerpo del tanque → Ws = 280.4KNAltura desde el fondo del cuerpo del tanque al centro de gravedad → Xs = H/2 = 5m

Peso total del techo del tanque mas una carga viva → Wr = 385.01KNAltura total del cuerpo del tanque → Ht = 10mAplicando la ecuación del momento de volteo por sismo tenemos: M = 516.57KN.m