1. INTRODUCCIÓN. GENERALIDADES DE SILOS...

DISEÑO DE UN SILO CONFORME AL EUROCÓDIGO CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN. GENERALIDADES DE SILOS METÁLICOS

E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 3

CAPÍTULO 1

1. INTRODUCCIÓN. GENERALIDADES DE SILOS METÁLICOS

1.1. Definición general del objetivo del proyecto.

El presente Proyecto Fin de Carrera de la Titulación Ingeniero Industrial de la

Universidad de Sevilla, se enmarca dentro de la realización de una beca de colaboración

en el departamento de Ingeniería del Diseño de la Escuela Técnica Superior de

Ingenieros de Sevilla.

En el transcurso de la citada beca se inició en el departamento una nueva línea de

investigación centrada en el diseño de silos metálicos dentro de la cual se encuadra el

presente proyecto.

Más concretamente, este proyecto trata de analizar la estabilidad frente a pandeo

de un silo metálico compuesto de virolas de espesor variable siguiendo lo dictaminado en

los Eurocódigos 3 - 1.6 y 3 – 4.1 y en el Eurocódigo 1 - 4 mediante el cálculo por

elementos finitos usando el programa Ansys 8.0.



Para este fin, se va a realizar el estudio de un silo existente con una problemática

interesante a la hora de hacer el análisis. Se trata de un silo que fue calculado según la

norma alemana DIN-1055 y que durante su vida útil tuvo un problema de abolladura

(pandeo local) que hizo que se le soldaran perfiles laminados a modo de rigidizadores

verticales en las 4 virolas superiores. Esta nueva configuración también sufrió problemas

de la misma índole en otra zona diferente de la que pandeó localmente con la

configuración inicial. Debido a este nuevo fallo se adoptó una nueva configuración

definitiva alargando los rigidizadores verticales soldados a las 4 virolas superiores hasta la

base del silo. Las características generales del silo se verán con más detalle en el capítulo

dedicado al modelado del problema.

En la segunda parte de este capítulo se hará una breve introducción sobre los

silos en general y los silos metálicos en particular haciendo hincapié en la normativa

aplicable.

En el segundo capítulo se presentará en detalle la definición del silo objeto del

proyecto.

En el tercer capítulo se hará una breve descripción de las acciones aplicables en

silos según la normativa vigente.

En el cuarto capítulo se va a presentar una base teórica sobre el pandeo de

láminas estableciendo las ecuaciones que rigen el fenómeno y los parámetros más

importantes.

En el quinto capítulo se establece el modelo de elementos finitos que va a ser

analizado en Ansys justificando las decisiones tomadas. También se presentarán los

problemas que han servido de ejemplos prácticos para llegar al modelo final y calibrar la

convergencia del programa.

En el sexto capítulo se hace un estudio de las herramientas que posee el

programa Ansys 8.0. para resolver las ecuaciones que se plantean en el capítulo cuarto y

los puntos clave que gobiernan la convergencia de los problemas no lineales.



En el séptimo capítulo se presentan los cálculos definitivos realizados.

En el octavo y último capítulo se analizarán los resultados obtenidos con las

conclusiones finales.

1.2. Silos

Los silos son estructuras que se utilizan para almacenar grandes cantidades de

materiales sólidos a granel. El uso de materiales sólidos a granel en la industria está

ampliamente extendido y la necesidad de almacenarlos en silos normalmente se debe a

que hay que acumularlos en algún sitio que guarde sus propiedades antes de un

transporte o entre diferentes etapas de un proceso de conversión química.

Figura 1.1: “Uso de los silos”

Los silos han sido ampliamente usados desde hace mucho tiempo en industrias

tales como la minería, la generación de energía, siderurgia, canteras, químicas, industria

alimentaria, agricultura...

Sin embargo, pese a que han sido ampliamente usados por un espacio de tiempo

que se remonta a más de dos siglos, muchos de los fenómenos que gobiernan las cargas

que soportan y la manera en que las soportan no se han tenido en cuenta a la hora de

diseñarlos. Si no que, en una gran mayoría de los casos, se han construido basándose en

la experiencia de otros silos que operaban bien o basados en normas antiguas que no

tienen en cuenta los nuevos avances experimentados en los últimos 20 años en cuanto al

cálculo numérico de estructuras mediante elementos finitos.



1.2.1. Clasificación y terminología

Atendiendo al material del que está hecho el silo tenemos diferentes tipos de silo:

de hormigón, plástico, metal... siendo los más usados los silos metálicos, seguidos de los

silos de hormigón. En este proyecto nos centraremos en la problemática de los silos

metálicos.

Dentro de los silos metálicos podemos distinguir otras muchas clasificaciones,

atendiendo a tamaño, geometría de la zona inferior de descarga, complejidad de las

acciones o relación de aspecto. Una clasificación muy usada es según la forma de la

sección del silo por un plano horizontal. Los más extendidos son los silos que presentan

una sección horizontal rectangular o circular, siendo estos últimos los más extendidos

debido al uso eficiente del material que suponen y a su facilidad de construcción. Otra vez

es de reseñar que el silo que será objeto de análisis en este proyecto es de sección

horizontal circular y por tanto está dentro de la tipología más frecuente en los silos.

El Eurocódigo 3 – 4.1 clasifica a los silos metálicos en tres clases según la

fiabilidad estructural:

I. Clase de fiabilidad I ⇒ Silos con capacidad entre 10 y 100 toneladas (El

eurocódigo 3 – 4.1 no cubre el diseño de silos con capacidad por debajo de

10 toneladas).

II. Clase de fiabilidad II ⇒ Todos los silos cubiertos por el eurocódigo 3 – 4.1 y

que estén encuadrados en las otras dos clases.

III. Clase de fiabilidad III ⇒ Cubre varias categorías:

o Silos apoyados directamente sobre el terreno o silos

soportados en una falda contínua extendiéndose hasta el

suelo, con una capacidad superior a las 5000 toneladas.

o Silos con soportes discretos con capacidad superior a las

1000 toneladas.

o Silos con capacidad superior a las 200 toneladas en los que

se da alguna de las siguientes situaciones de diseño:

a) Descarga excéntrica.

b) Carga concentrada localmente.



c) Llenado asimétrico.

La elección de la clase de seguridad debe ser especificada apropiadamente por el

cliente o la autoridad competente con el consejo de un ingeniero. Los riesgos asociados a

las situaciones de diseño no se diferencian de acuerdo con estas clases de fiabilidad, sino

que estas influyen en los factores parciales de mayoración de las acciones que actúan en

los silos.

El silo que se estudiará en el presente proyecto se encuadraría dentro de la clase

de fiabilidad III.

A continuación se muestra una figura designando las partes de un silo estándar

siguiendo la terminología más usada (la de los eurocódigos).

Figura 1.2: “Silo cilíndrico estándar”



1.2.2. Factores clave para el diseño estructural de silos metálicos

En el diseño y en el funcionamiento de silos metálicos podemos encontrarnos con

cuatro problemas clave:

• La integridad estructural del silo puede verse amenazada no sólo por

presiones demasiado altas, sino también por presiones demasiado bajas o

demasiado asimétricas.

• Los sólidos almacenados pueden permanecer suspendidos en el silo,

debido a la formación de arcos, o fluir irregularmente.

• La carga o el tipo de flujo interno del material almacenado puede provocar

segregación en los sólidos.

• La descarga del material puede conducir a fenómenos inaceptables de

ruidos, vibraciones y explosiones internas del material en el silo.

Estos cuatro problemas están relacionados con la geometría del silo, las

propiedades del material almacenado, los flujos de material que se desarrollan durante las

operaciones y otros factores.

Figura 1.3: ”Causas de pérdida de función en silos”



Aunque en este proyecto fin de carrera sólo nos ocupemos del primero de los

cuatro problemas enunciados, habría que prestar atención a los otros fenómenos en la

medida en que afectan el comportamiento resistente del silo.

Normalmente se asume que los silos sólo están amenazados estructuralmente por

altas presiones, sin embargo, las altas presiones no tienen por qué representar un riesgo

para la integridad estructural del silo por sí mismas. Estas deben valorarse dentro de la

forma en que la estructura soporta las cargas, que varía mucho según la geometría,

espesores, presencia de rigidizadores y otros factores. Como se ha mencionado

anteriormente, bajas presiones locales no-simétricas suelen ser bastante más peligrosas

para la integridad estructural que cargas muy altas que sean simétricas. Las razones de

esto no se explican fácilmente, ya que el comportamiento de estructuras laminares bajo

cargas no simétricas es muy complejo. Algunas causas de la existencia de cargas

asimétricas son debidas a características estructurales o de operación bastante evidentes

en el silo (véase la figura 1.4) que deben ser evitadas en la medida de lo posible. Cuando

no sea posible, deben estudiarse con atención los efectos que producen en el

comportamiento portante del silo.

Figura 1.4: “Causas de asimetría en las presiones”



Los sólidos almacenados en el silo pueden quedar suspendidos si ocurre alguno de

los tres fenómenos siguientes:

a. Arqueo (arching) sobre la apertura de la tolva, fenómeno que está muy

relacionado con la cohesión entre las partículas sólidas.

b. Flujo interno (ratholing), este fenómeno (que no tiene una traducción literal al

español) consiste en la formación de un canal que ocupa la altura completa

del material almacenado en el silo, desde la superficie hasta la apertura

inferior de la tolva, lo que lleva consigo una pérdida evidente de capacidad

de almacenamiento en el silo. Este fenómeno también es provocado por la

cohesión del material almacenado.

c. Descarga incompleta.

Una interpretación gráfica aclaratoria de estos fenómenos puede observarse en la

figura 1.5.

Figura 1.5: “Obstrucciones de flujo”

Los problemas asociados a las vibraciones y los ruidos excesivos producidos en la

descarga de los sólidos no han sido tan investigados como los otros antes presentados y

pueden ser debidos a la interacción de varios factores.



Los materiales almacenados por los silos cubren un amplio espectro en lo

referente al tamaño de sus partículas, que va desde micras a unos tamaños de hasta 150

mm de diámetro o más. Esta característica, o más bien la relación área / volumen, junto

con la humedad contenida por el material almacenado determinan en buena medida el

tipo de flujo que va a desarrollar el material en el interior del silo ante operaciones de

carga y descarga (consideraremos que la carga del material se hace por el techo del silo y

que la descarga se realiza por la parte inferior del mismo por efecto de la gravedad sin

ayudas externas).

Los flujos de material que se desarrollan en el interior del silo son importantes, ya

que determinan las acciones internas sobre las paredes del silo que este deberá soportar

estructuralmente.

Podemos clasificar los diferentes tipos de flujo que puede desarrollar el material

almacenado en el silo de la siguiente forma (ver figura 1.6):

a. Flujo en masa: Es aquel en el que todas las partículas almacenadas se

movilizan durante el vaciado.

b. Flujo en embudo: También puede denominarse “flujo de núcleo”. Es aquel

en el que se produce un canal de flujo de material dentro de una zona

confinada por encima de la salida, mientras que el material adyacente a la

pared cercana a la salida permanece quieto. El canal de flujo puede

interseccionar a la sección vertical de la pared del silo, o extenderse hasta

la superficie del material almacenado, en cuyo caso es un “flujo interno”.



Figura 1.6: “Tipos de flujo”

La segregación causada por el flujo se ha resuelto ampliamente [Bates, 1997]

adoptando una geometría de silo de flujo en masa y usando cuidadosos procedimientos

de llenado cuando quiera que la segregación deba ser evitada. El criterio para evaluar

cuándo se da el flujo en masa fue desarrollado en los 1960s por Jenike y otros [Jenike,

1961, 1964] y, aunque se ha investigado para mejorar este criterio [Drescher, 1992], estos

criterios de Jenike para evaluar cuándo se desarrolla el flujo en masa son ampliamente

aceptados y usados hoy en día (véase figura 1.7).

Figura 1.7: “Determinación del flujo. Criterios de Jenike”

En los silos que en los que se desarrolla flujo en masa, el patrón de flujo está bien

definido, y las condiciones para que se consiga este tipo de flujo se cumplen fácilmente si

se adopta una tolva de pendiente y superficie lisa (poca rugosidad) adecuadas.



Los silos en los que se desarrolla flujo en embudo, normalmente conducen a la

segregación del sólido almacenado, por lo que sólo son útiles para albergar sólidos en los

que la segregación no sea un problema. El patrón de flujo en un silo en el que se

desarrolla flujo en embudo sigue siendo un tema en el que se requiere una investigación

en profundidad, ya que las asimetrías que se pueden producir en este patrón de flujo

pueden poner en peligro la integridad estructural del silo [Rotter, 1999].

En resumen, las relaciones entre propiedades del material almacenado y del que

compone la estructura del silo, los procesos de llenado y descarga del silo, los patrones

de flujo desarrollados, las presiones en las paredes, las tensiones estructurales, las

imperfecciones geométricas de fabricación u otra índole y el modo de fallo estructural que

puede darse, son bastante complejas y de hecho no pueden cuantificarse con exactitud

para los casos más complicados. Esto hace que sea necesario seguir un método

ordenado y muy cuidadoso a la hora de diseñar silos metálicos de pared delgada.

1.2.3. Los eurocódigos

Los eurocódigos estructurales son un conjunto de normas para el diseño

estructural y geotécnico de edificios y trabajos de ingeniería civil. Los eurocódigos

aplicables en el diseño y construcción de silos metálicos son el “Eurocódigo 1: Bases de

proyecto y acciones en estructuras. Parte-4: Acciones en silos y depósitos” y el

“Eurocódigo 3: Diseño de Estructuras Metálicas”, más específicamente en su “Parte-4.1:

Silos” y “Parte-1.6: Estructuras Laminares”.

Los eurocódigos surgen ante la necesidad de unificar la normativa vigente de

construcción en el ámbito europeo, que apareció tras la creación de la Unión Europea y la

libre circulación de trabajadores que conlleva. Esto hizo que a finales de los años 1980s y

principio de los años 1990s se iniciara la elaboración de estos eurocódigos con el objetivo

de que en un futuro no muy lejano, en toda la Unión Europea se diseñe y construya bajo

una única y moderna normativa.

Estos eurocódigos no se limitan a recopilar la normativa vigente en los diferentes

países, sino que en su desarrollo han trabajado científicos especialistas de diferentes



países para incorporar los más recientes desarrollos realizados en este campo que,

debido a la aplicación de técnicas numéricas de cálculo como el Método de los Elementos

Finitos, son numerosos y hacen que el “state of the art” que tenemos hoy en día diste

bastante del que había cuando se redactaron muchas de las normas aplicables antes e la

entrada en vigor de los eurocódigos, entre ellas las normas usadas para el diseño y

construcción del silo analizado.

Por todo lo expuesto, resulta claro que a la hora de diseñar y construir un silo

metálico, si queremos que éste tenga un correcto comportamiento estructural y

funcionamiento operativo se deben cumplir las especificaciones y requisitos que se

explicitan en los eurocódigos aplicables, además de apoyarnos en las modernas técnicas

de elementos finitos para el cálculo y verificación de las ecuaciones que en los

eurocódigos se proporcionan.



1.2.4. Ejemplos de silos metálicos

A continuación se presentan algunas imágenes de silos metálicos.

Silo circular con rigidizadores verticales

Silo aéreo

Conjunto de silos rigidizados

Silos de gran tamaño

Silos compuestos por virolas sin rigidizar

Pandeo de un silo (obtenido en un ensayo)

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