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
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