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Diseño del Tanque Para Dilución de Agua Hipersalada

CALCULO PRELIMINAR DEL DISEÑO COMPLETO DEL TANQUE (NO DEFINITIVO)

Se hace una mezcla de agua Hipersalada que se obtiene de la evaporadora de agua de mar de la Planta Termoeléctrica con agua salada, directamente del mar para así obtener una mezcla con una salinidad adecuada para regresarse al mar.

La concentración de sales del Agua Hipersalada es de 35gr de Sal por cada 400 ml.

Hacemos una relación de 1:3; un litro de agua Hipersalada y 3 litros de Agua de Mar.

AGUA GRAMOS HIPER. DE SAL 400 ml---------35gr

600 ml---------52.5 gr

1000 ml--------87.5 gr

Total de gramos de sal por cada Litro de Agua Hipersalada es igual a 87.5gr.

Le agregamos 1 Litro de Agua de Mar con una Concentración de 35 gr por Litro.

87.5 gr + 35 gr =122.5 gr/2 lts de agua =61.25 gr de sal en 2 Litros de Mezcla

61.25 gr + 35gr = 96.25 gr/3 lts de agua = 32.08 gr de sal en 3 litros de Mezcla

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VOLUMEN DE LA MEZCLA

175 m3 de Agua Hipersalada

525 m3 de Agua de Mar

Vt=700 m3 de Agua –Mezcla

700 m3 x 1000 lts x __1 gal_ x __ pie3__ = 184,940.55 pie3 m3 3.785 lts 7.48 g

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

GRAFICA DE SALINIDAD DEL AGUAGRAMOS

DE

SAL

LITROS DE AGUA

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Cálculos Para el Diseño del Tanque Aplicamos la Formula: = π ; Si D=3H Entonces: = 1/4 (3 )

Despejamos H:

= 14 π(9) = 184,940.55/0.785(9) = 15.18 = 4.6 : = 3 = 3(15.18) = 45.54 = 13.8 SEHACENDOSCONSIDERACIONESNUEVASENELCALCULO

1. Para una carga de 2 horas 2. Hacer Relación D=2H

Aplicar: = π y D=2H

Entonces el = 700 2 = 1400 = 49,449.34

= 1/4 (4) = 49,449.34/0.785(4) = 25.06 = 7.59 = 2 = 2(25.06) = 51.2 = 15.51

Para el diseño del tanque se usaran aproximadamente placas entre 5’x15’ y 5’x20’; en el desarrollo del diseño se indicaran las que serán utilizadas (Estas dimensiones de placas fueron tomadas del entonces existente manual de Monterrey para Constructores).

NOTA: para el diseño del tanque se usaran placas de 5’x20’ con peso aproximado de 5.783 Kg/pie2 (peso obtenido del Manual de Monterrey).

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DATOS

D=51.2 Pies H=25.06 Pies ρagua mar=64.45 lb/pie3

Esoldadura= 80% Strabajo mat.=20,000 lb/plg2 Ccorrosión=1/32 plg Cálculo de Espesores El espesor de la pared por condición de diseño, se calcula con base al nivel del líquido, tomando la densidad relativa del fluido establecido por el usuario. El espesor por condiciones de prueba hidrostática se obtiene considerando el mismo nivel de diseño, pero ahora utilizando la densidad relativa del agua. Cuando sea posible, el tanque podrá ser llenado con agua para la prueba hidrostática, pero si esto no es posible y el cálculo del espesor por condiciones de prueba hidrostática es mayor que el calculado por condiciones de diseño, deberá usarse el obtenido por condiciones de prueba hidrostática. = ( − 1)2 +

= 64.45 (25.06 − 1)(51.2 )(12 / )2(0.80) 20,000 144 + 132

= 0.23 1"8 = 0.125 1"8 = 0.125

_________________ 1"4 = 0.25

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CALCULAMOS LAS NUEVAS DIMENSIONES

Si usamos placas de 5’x20’ la altura se ajustara a 25 pies; es decir el tanque tendrá 5 hileras de placas, por lo tanto se calculan las nuevas dimensiones del tanque. = π = 25 49,449.34 = π( ) (25 ) = 49,449.340.785(25 ) = 50.19

SE VUELVE A CALCULAR EL ESPESOR

Los espesores especificados en la tabla son los indicados y están basados en una cimentación que proporcione un soporte uniforme debajo de toda la placa anular. La cimentación debe estar bien compactada para evitar esfuerzos adicionales en la placa anular. El espesor nominal de la placa está en referencia a la construcción del tanque. El espesor especificado está basado en los requerimientos de erección.

= ( − 1)2 +

= 64.45 (25 − 1)(50.19 )(12 / )2(0.80) 20,000 144 + 132

= 0.23 = 0.23 1"8 = 0.125 1"8 = 0.125

_________________ 1"4 = 0.25

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CALCULAMOS t2

= 64.45 (25 − 5)(50.19 )(12 / )2(0.80) 20,000 144 + 132

= 0.19 " = 0.125 " = 0.125

_________________ 1"4 = 0.25

CALCULAMOS t3

= 64.45 (25 − 10)(50.19 )(12 / )2(0.80) 20,000 144 + 132

= 0.15 1"16 = 0.0625 " = 0.125

_________________ 3"16 = 0.187 CALCULAMOS t4

= 64.45 (25 − 15)(50.19 )(12 / )2(0.80) 20,000 144 + 132

= 0.11 " = 0.0625

" = 0.0625

" = 0.125

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CALCULAMOS t5

= 64.45 (25 − 20)(50.19 )(12 / )2(0.80) 20,000 144 + 132

= 0.073 " = 0.0625

" = 0.0625

_________________ 1"8 = 0.125

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Cálculo del Número de Placas del Envolvente

Circunferencia del envolvente = = 3.1416(50.19 ) = 157.67

Con placas de 5’x20’ colocadas en forma vertical (acostadas)

No. Placas= 157.67 pies = 7.88 Placas; 20 pies Placas de 5’x20’ y Sobra un hueco de 12.12 pies; Hueco de 12 pies y 1.2 plg. Numero de huecos = 5 L= 12.12x5 = 60.6 pies Placas Necesarias Para Cubrir el hueco de 60.6 pies No. Placas= 60.6 pies = 3.03 Placas de 5’x20’ 20 pies Las placas se colocan como ladrillos de casa habitación; es decir que no coincidan los cordones de soldadura vertical.

Número Total de Placas del Envolvente

HILERA NUMERO DE PLACAS

DIMENSIONES MEDIDA DEL HUECO

ESPESOR (plg.)

1 7 5’x20’ 12.12’ 5/16 2 7 5’x20’ 12.12’ 5/16 3 7 5’x20’ 12.12’ ¼ 4 7 5’x20’ 12.12’ 3/16 5 7 5’x20’ 12.12’ 3/16

Los huecos se llenan con placas de 5’x15’ o 5’x20’ dependiendo de las dimensiones comerciales existentes en el mercado.

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Accesorios del Envolvente

• Boquillas Todos los tanques de almacenamiento deberán estar provistos de boquillas, las que a continuación se enlistan como las mínimas requeridas que deberán ser instaladas en los tanques de almacenamiento. 1.- Entrada (s) de producto (s). 2.- Salida (s) de producto (s). 3.- Drene (con o sin sumidero). 4.- Venteo (s). 5.- Entrada (s) de hombre. 6.- Conexiones para indicador y/o control de nivel.

• Entrada Hombre y Accesorios. Los tanques de almacenamiento contarán, por lo menos con una entrada hombre en el cuerpo o en el techo con la finalidad de poder realizar limpieza, revisiones o reparaciones en el interior del tanque. Los registros que se coloquen en la pared del tanque.

Cálculo del Diseño de los Diámetros de las Boquillas de Alimentación del Agua Hipersalada y Agua de Mar.

Flujo del Agua Hipersalada

= 3502 ℎ = 175 ℎ (3.3) ℎ3600 = 1.74

= = . = 0.43 = . . = 8.88

Se utilizaran dos boquillas para la entrada del flujo de Agua Hipersalada de 9 pulgadas cada una.

Flujo del Agua de Mar

= 10502 ℎ = 525 ℎ (3.3) ℎ3600 = 5.24

= = . = 1.31 = . . = 15.50

Se utilizaran dos boquillas para la entrada del flujo de Agua de Mar de 8 pulgadas cada una.

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Ejemplo de Especificaciones de la Soldadura Para el Envolvente

La separación entre placa y placa de soldadura tope siempre es igual a 1/4’ Para espesores de placa de 1/4’.

1. Tamaño de la soldadura (ancho) es igual a ¼”. 2. Dimensiones de la superficie de las placas de centro a centro es igual a

¼”. 3. Longitud del cordón Vertical es de 15’ x 20’ y horizontal es de 5’ y 15’. 4. Separación de los cordones de centro a centro:

− Ancho de la placa + ¼’ = 5.25 pies − Largo de la placa + ¼’ = 20.25 pies

Longitud Total de Cordones = 7 20 = 140 6= 840 + 72.72 ℎ = 912.72 = 8 5 = 40 5ℎ = 200 = 200

Total de Electrodos Utilizados

ELECTRODOS VERTICALES HORIZONTALES7018-3/32 3650 Pzas. 800 Pzas.

Cantidad: Utilizaremos 4 electrodos 7018-1/8 por cada pie longitud de Soldadura que se aplique.

Costos: La soldadura se vende comercialmente por kilogramos, el costo es de $68.50 la 7018 y $60.50 la 6011.

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Diseño del Fondo del Tanque

El diseño del fondo de los tanques de almacenamiento depende de las siguientes consideraciones: Los cimientos usados para soportar el tanque, el método que se utilizará para desalojar el producto almacenado, el grado de sedimentación de sólidos en suspensión, la corrosión del fondo y el tamaño del tanque. Lo que nos conduce al uso de un fondo plano, donde la resistencia permisible del suelo deberá ser por lo menos de 1,465 Kg / cm2 (3,000lb / pie2). Los fondos de tanques de almacenamiento cilíndricos verticales son generalmente fabricados de placas de acero con un espesor menor al usado en el cuerpo. Esto es posible para el fondo, porque se encuentra soportado por una base de concreto, arena o asfalto, los cuales soportarán el peso de la columna del producto; además, la función del fondo es lograr la hermeticidad para que el producto no se filtre por la base.

Figura del Fondo

La otra mitad del fondo ocupa exactamente el mismo número de placas que la mitad calculada ya que es asimétrico.

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Número Total de Placas a Utilizar en el Fondo

5 Placas Horizontales+7.5 Placas Verticales= 12.5 (2) = 25 Placas

HILERA NUMERO DE PLACAS

DIMENSIONES ESPESOR (plg.)

1(HORIZONTAL) 5 5’x15’ ¼’ 2(HORIZONTAL) 2 1/2 5’x15’ ¼’ 3(VERTICAL) 5 5’x20’ ¼’

Cálculo de las Longitudes de las Cuerdas

1. Cuerda No.1

B= R - A1 = 2√2 −

B= 25.095 pies – 10pies = 2 2(15.095)(25.095) − (15.095)

B= 15.095 pies = 46.03

R=25.095 pies

2. Cuerda No. 2

B= R - A1 = 2√2 −

B= 25.095 pies – 25pies = 2 2(0.095)(25.095) − (0.095)

B= 0.095 pies = 4.36

R=25.095 pies

Accesorios del Fondo

• Drenes y Sumideros. Los tanques de almacenamiento también deberán contar con una boquilla por lo menos para el drenado de lodos, la cual podrá estar al ras del fondo.

• Pozo de Drenaje o Canal.

No lleva escalera marina en espiral, la escala para medir el nivel del fluido puede ser digitalizado.

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Ejemplo de Especificaciones de la Soldadura Para el Fondo

La separación entre placa y placa de soldadura tope siempre es igual a 1/4’ Para espesores de placa de 1/4’.

1. Tamaño de la soldadura (ancho) es igual a ¼”. 2. Dimensiones de la superficie de las placas de centro a centro es igual a

¼”. 3. Longitud del cordón Vertical es de 15’ x 20’ y horizontal es de 5’ y 15’. 4. Separación de los cordones de centro a centro:

− Ancho de la placa + ¼’ = 5.25 pies − Largo de la placa + ¼’ = 20.25 pies

Longitud Total de Cordones = 165 (2) =330 Pies = 149 (2) =298 Pies

Total de Electrodos Utilizados

ELECTRODOS VERTICALES HORIZONTALES7018-3/32 1320 Pzas. 1192 Pzas.

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Diseño de la Tapa

Como se hizo mención anteriormente, los tanques de almacenamiento pueden clasificarse por el tipo de cubierta en: De techos fijos, de techos flotantes y sin techo. Dentro de los techos fijos tenemos tres tipos: cónicos, de domo y de sombrilla, los cuales pueden ser autosoportados o soportados por estructura (para el caso de techos cónicos de tanques de gran diámetro). El techo cónico es una cubierta con la forma y superficie de un cono recto. El tipo domo es un casquete esférico, y el de tipo sombrilla, es un polígono regular curvado por el eje vertical. Los techos autosoportados ya sean tipo cónico, domo, o sombrilla, tienen la característica de estar apoyados únicamente en el envolvente, calculados y diseñados para que su forma geométrica, en combinación con el espesor mínimo requerido, absorben la carga generada por su propio peso más las cargas vivas, a diferencia de los techos soportados que contarán con una estructura que soporten dichas cargas. En este caso se hace el análisis como si la tapa tuviera la figura de un cono; esto debido al ángulo de inclinación que tendrá como pendiente.

DATOS__ h=2.19 pies AL= πrg g= 25.19 pies d= 50.19 pies

SE CALCULA EL AREA Abase cil.= π r2 AL= 3.1416x25.095X25.19 Abase cil.= 3.1416 (25.095 pie)2 AL= 1,985.94 pies2 = 23,831.28 plg2 Abase cil. = 1,977.66 pies. Abase cil. = 23,731.95 plg Diferencia = 8.28 pie2 El área de placas se incrementará para la tapa en 8.28 pies2, es decir, la tapa tendrá un radio de 25.095 pie y altura de 2.18 pie.

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Como el fondo del tanque requiere realmente de 25 placas de las cuales 10 son de 5’x20’ y 15 de 5’x15’, se incrementarán 8.28 pie2 de área para formar el cono (tapa). Pendiente = 1/12 X = 25.095 = 25.19 pie 0.9961 Tan θ= 1/12 = 0.08 Sen 5° = y ___ 25.19 pies θ= arctan 0.08 = 4.67°≈ 5° y = (25.19) (0.087) Cos 5° = 25.095 y = 2.19 pies = 26.29 plg. X La distribución de placas en la tapa superior, es similar al del fondo solo adicionándole 8.28 pie2 que se repartirá en la superficie de la unión Tapa-Envolvente, para formar el cono. El material de construcción puede ser Acero Comercial por que no estará en contacto directo con el fluido y administrándole una capa de pintura anticorrosiva. Figura de la Tapa

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Cálculo del Área de la Tapa El diseño y cálculo de la estructura involucra los esfuerzos de flexión y corte, producidos por una carga uniformemente repartida ocasionada por el peso de las placas del techo, trabes y largueros, debido a lo cual las placas del techo se consideran vigas articuladas. Las columnas para soportar la estructura del techo se seleccionan a partir de perfiles estructurales, o puede usarse tubería de acero. Cuando se usa tubería de acero, debe proveerse ésta de drenes y venteos; la base de la misma será provista de topes soldados al fondo para prevenir desplazamientos laterales. Las uniones de la estructura deben estar debidamente ensambladas mediante tornillos, remaches o soldadura, para evitar que las uniones puedan tener movimientos no deseados. Se selecciona un polígono de 5 lados, y considerando que cada 15 o 20 pies de radio de la tapa debe colocarse un polígono regular y el número de lados se determina de acuerdo al número de travesaños. AT= 1977.66 pie2 % Aumentado =__8.29__ x 100 = 0.4 8.28____ 1985.99 1985.99 pie2 El peso de la placa se obtiene con el manual de Monterrey PESO DE PLACA DE ¼” = 4.626 kg/pie2 = 10.16 lb/pie2

HILERA NÚMERO DE PLACAS

DIMENSIONES ESPESOR (plg.)

1(HORIZONTAL) 5 5’x15’ ¼ 2(HORIZONTAL) 2 1/2 5’x15’ ¼ 3(VERTICAL) 5 5’x20’ ¼

Número de Travesaños Externos Espaciamiento entre travesaños externos = Strabajo= 18,000 lb/plg2 = " ( , / ). / P = Cv + CM = 35.17 lb/pie2 = 0.24 lb/plg2 = 96.82 Se cierra a 97 plg que es el espaciamiento entre cada travesaño exterior.

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Número de Travesaños NTRAV. = πd = (3.1416) (50.19 pie) (12 plg) = 19.50 trav. l 97 plg. Se cierra a 20 travesaños para tener un polígono regular de 5 lados. La forma exterior de la placa anular debe ser circular y por el interior tendrá la forma de un polígono regular con el número de lados igual a la cantidad de segmentos que conforman el anillo. Polígono de 5 Lados con 4 Travesaños por Lado

Cálculo del espaciamiento real de los travesaños sobre el envolvente lreal= πd=3.1416(50.19 pie) = 7.88 pie = 94.6 plg. l 20 Longitud del Lado del Polígono

N= Número de lados = 2 ( )( ) R= Nuevo Radio = 2(25.14 ) ( )( ) = 8.73 = 104.77 Área del Fondo = = 50.28 d2 = 50.28 pie

= d1= 50.19 pie

Se incrementa en 0.09 pie el diámetro del fondo, que ahora será el de la tapa.

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Espaciamiento de Travesaños Exteriores Sobre el Lado del Polígono =104.774 = 26.19

Espaciamiento de Travesaños Sobre el Envolvente L= 94.6 plg. Número de Travesaños Exteriores = = " ( , / ). / = 96.82

Número de Travesaños Interiores NTRAV. INT = πd = (3.1416) (25.14pie) (12 plg) = 9.78 trav. l 96.82 plg. Se cierra a 15 travesaños, es decir, a 3 travesaños por lado. Separación Real SEP.REAL = 104.77 plg = 34.92 plg 3 Cálculo de Travesaños Exteriores

1. Carga por cada travesaño exterior CV = 25 lb/pie2 CM=10.17 lb/pie2

35.17 lb/pie2 = 422.04 lb/plg2 Área Total del Cono At = 1985.99 pie2

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Peso Total de la Tapa Ptt = 35.17 lb/pie2 (1985.99 pie2) = 69,847.26 lb Área del Ánulo AA = ¼ π (d1

2 – d22)

AA = ¼ (3.1416)(50.282 -25.142) AA = 1489.16 pie2 = 17,869.97 plg Área del Círculo Interno ACI = ¼ π d2

ACI = ¼ (3.1416)(25.142) ACI = 496.38 pie2 Peso total__ =69,847.26 lb= 46.23 lb/pie2

Área Anular 1489.16 pie2

Peso por cada Travesaño Exterior Peso = 69847.26= 3,492.36 lb/trav. 20 Carga por Cada Pie Lineal de Cada Travesaño Exterior Carga = 3,492.36 lb/trav.= 277.83 lb/pie Wtext. = 277.83 lb/pie 12.57 pies Pasos

• M = w l2 = (277.83 lb/pie)(12.57 pie)2 = 5,487.31 lb. Pie = 65, 847.75 lb.plg 8 8

Z = M/S = 65,847.75 lb. Plg__= 3.65 plg3 = SM.S

18, 000.00 lb/plg2

• SELECCIÓN DEL PERFIL W= 50 lb/pie Z = 3.8 plg3 C20= 13’x4 ‘ R= 0.48 plg.

El perfil seleccionado es el perfil correcto, obtenido del Apéndice G de Brounell y Young en la pagina 353.

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Comprobación

• M = w l2 = (327.83 lb/pie)(12.57 pie)2 = 6,474.83 lb.Pie = 77, 698.11 lb.plg 8 8

• Z = M/S = 77,698.11 lb. Plg__= 4.31 plg3 = SM.S

18, 000.00 lb/plg2

La diferencia se encuentra entre un 5 y 10 % para la nueva Z; entonces es un travesaño correcto.

Diseño de Travesaños Exteriores Carga Total = 69,897.26 lb. ACI = 496.38 pie2

Carga Total= 69,847.26 lb = 1,688.55 lb/plg2

ACI 496.38 pie2 Carga Total del Área Anular = 46.23 lb/ pie2 Carga Total de la Tapa = 69,847.26 lb Área Total de la Tapa = 23,831.28 plg2/144 pie2=165.5 Pie2

Carga Total=69,847.26 lb= 2.93 lb/plg2

Área 23,831.28 plg2

Peso del área anular PAA = 2.93 lb/plg2 (17,869.92 plg) = 52,358.86 lb Peso del Círculo Interno PCI = 69,847.26 lb – 52,358.86 lb = 17,488.40 lb Peso que Carga Cada Travesaño Pt = 17,488.40 lb= 1,165.89 lb/trav. 15 Peso por Unidad Lineal del Travesaño Exterior WTRAV.= 1,165.89 = 92.75 lb/pie2 = 1113 lb/plg2 12.57

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Carga por Pie Cuadrado de la Tapa = 69,847.261985.99 2 = 35.16

Carga del Círculo = (496.38 2) 35.16 = 17,452.72

Carga Interna por el Lado del Polígono = , . = , . = 1,745.27 /

= 25.79 (12.57) 1448 = 73,349.03 .

= 73,349.0318,000 = 4.07

Se selecciona el perfil del apéndice G de Brounell y Young página 353 = 33.9 C1= 15’x3’ 3/8

R=0.50plg

Esto da como resultado que se seleccionó el perfil correcto. Carga de Cada Travesaño Exterior = 1,165.89 / . Carga Sobre el Lado del Polígono por Travesaño Exterior = 1,165.89 (4)2 = 2,331.78

Carga que Transmite el Travesaño Exterior = 1,746.56 lb

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Peso de Travesaños Interiores

= 1,746.56 + 3 33.9 (12.57 )2 = 1,512.46

Carga que Soporta el Lado del Polígono por Travesaños Exteriores e Interiores

Ñ = 2,331.78 + 1,512.46 =3,844.24 lb Carga Lineal Por el Lado del Polígono = 3,844.24 totales

Longitud del Lado del Polígono = 2 = 14.74

Comprobación = = (3.1416)(25 ) = . = 15.7

Con la comprobación se obtiene un resultado mayor, lo cual quiere decir que se está en lo correcto debido a que los datos que utilizan para los cálculos son los datos del arco y en el cálculo de la longitud del lado del polígono se utilizan los datos de la cuerda del envolvente. Carga por Pie del lado del Polígono = 3,844.2414.74 = 260.80 12

W= 21.73 lb/plg

= 21.73 (14.74) (144 )8 = 84,982.04 .

Se usa un perfil de: Z=4.7 plg3 W=18 lb/pie C= 6” Datos seleccionados en el apéndice G página 360, lo cual indica que se seleccionó un perfil correcto; por lo tanto se dice que así serán los 5 lados del polígono.

40

Columnas Laterales Carga Teórica = = 18,0001 + 18000

RELACION: = 170 =

5° = 5° = .

= ( 5°)(12.57 ) = 1.09 Longitud de la Columna Lateral Altura de la Columna ℎ = 25 + 1.09 = 26.09 = 26.09170 12 = 1.84

Selección del perfil en el apéndice G de Brounell y Young página 355 r= 1.87 plg W= 14.75 lb/pie a= 1.29 plg2

= 18,0001 + (26.09)18,000(1.87) 144 = 6,923.07

Peso Real que le Transmite la Mitad de Cada Lado del Polígono a Cada Columna = 3,844.241.29 = 2,980.03

Este resultado indica que el peso real que soportará la columna es de 2,980.03 lb/plg2, mientras que el diseño puede soportar un peso de 6,923.07 lb/plg2; por lo tanto se tiene un diseño correcto, estos datos son iguales para las 5 columnas del tanque.

41

Columna Central = 1,746.56 lb Carga que Recibe la Columna Central = (1,746.57 )(5 )2 = 4,366.42

= 170 = = . ( ) = 1.91

Longitud de la Columna Central = + ℎ = 2.19 + 25 = 27.19 Se selecciona perfil en la página 360 del apéndice G de Brounell y Young. r=1.99 plg. W= 16.5 lb/pie a=4.80 plg2

Peso Teórico de la Columna Central = 18,0001 + (27.19)18,000(1.99) 144 = 7,228.91

Peso Real de la Columna Central = 4,366.424.8 = 909.67

Se seleccionó un perfil correcto ya que la columna soportará realmente 909.67 lb/plg2; mientras que el diseño teórico soporta 7,228.91 lb/plg2. Como se encuentra muy sobrado el diseño se deberá hacer un ajuste para el ahorro de material.