UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACION DE INGENIERÍA MECÁNICA
DESARROLLO DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE TANQUES API 650
INCLUYENDO CÁLCULO SÍSMICO DE NORMAS PDVSA
Por: Juan Francisco Molina Rincón
INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Febrero de 2013
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
DESARROLLO DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE TANQUES API 650
INCLUYENDO CÁLCULO SÍSMICO DE NORMAS PDVSA
Por: Juan Francisco Molina Rincón
Realizado con la Asesoría de: Tutor Académico: Prof. Carlos Graciano
Tutor Industrial: Ing. Wilmer Salazar
INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Febrero de 2013
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ACTA DE EVALUACION
Período: Julio-Diciembre Fecha: 18/01/2013 Tipo Pasantía: Pasantía larga ep-3420
Título: Desarrollo de procedimiento de cálculo de tanques API650 incluyendo cálculo sí-smico de normas PDV
Nombres y Apellidos:Juan Francisco Molina Rincón Carnet:07~41227 Carrera: Ingeniería Mecánica 0200
Mota: En caso de inasistencia del Tutor Industrial, el jurado examinador quedará conformado por el Tutor Académico y Jurado, y se solicitará al estudiante la evaluación del Tutor Industrial como referencia, en este caso favor colocar No-3resente en el Acta. Este documento no puede llevar enmienda.
Puerta de Comunidad a Comunidad
Sartenejas, Baruta, Edif. Comunicaciones Telf: (0212) 906.3157al 64 Apartado postal 89000, Zip Code 1 nftñ-A w w w i ¡c.h \ i O
iv
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
DESARROLLO DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE TANQUES API 650 INCLUYENDO CÁLCULO SÍSMICO DE NORMAS PDVSA
Realizado por: Juan Molina Tutor Académico: Prof. Carlos Graciano
Tutor Industrial: Ing. Wilmer Salazar Fecha: Enero de 2013
RESUMEN
El diseño y cálculo de tanques de almacenamiento de líquido es una actividad muy demandada
en las consultoras de ingeniería, razón por la cual es importante contar con una herramienta que
permita realizar ésta, por ello, el presente trabajo realizado en la empresa Inelectra, consistió en
desarrollar un algoritmo de cálculo que permitiera el diseño de tanques de almacenamiento
cilíndricos, verticales, de acero, de baja y media presión, bajo el uso de la norma API 650
(Edición 2012), considerando el cálculo sísmico establecido por las normas PDVSA JA-221 y FJ-
251. Las constantes modificaciones en la norma API 650 y el hecho de que el programa TANK™
(utilizado en Inelectra) no considera tanto los cambios dados en la última edición de dicha norma,
así como también, el cálculo dado por las normas PDVSA, justifican la importancia de este
trabajo para la empresa. Por lo tanto, se realizó una Hoja de Cálculo en Excel®, mediante la cual
se calcularon 11 tanques de distintos proyectos en los que la empresa se encuentra involucrada.
Los resultados estructurales y sísmicos obtenidos por API 650 fueron validados con el uso del
programa certificado TANK™, mientras que los resultados sísmicos obtenidos por PDVSA se
validaron con un par de ejemplos dados por éstas. Por su parte, el tipo de fijación del tanque
representó una característica fundamental del mismo en el cálculo sísmico, debido a que la
rigidez que le aporta el anclaje al sistema, aumentan significativamente la fuerza y el momento
ejercido sobre el tanque. Por último, se llevó a cabo una comparación entre los resultados
obtenidos, de manera tal que, el cálculo sísmico dado por PDVSA resultó ser más crítico,
riguroso y conservador que el dado por API 650.
PALABRAS CLAVE: Tanque, estabilidad, cálculo, sismo
v
AGRADECIMIENTOS
A Dios, por darme esta vida y una maravillosa compañía en ella.
A mis padres, por brindarme siempre su apoyo incondicional en cada una de las etapas de mi
vida.
A mi hermana, por ser siempre una guía, tanto en lo personal como en lo profesional.
A mi tutor en la empresa, Wilmer Salazar, por su gran voluntad en guiarme a lo largo de todo el
período de pasantía.
A mi tutor en la universidad, Carlos Graciano, por su ayuda en el desarrollo de este trabajo.
A la Universidad Simón Bolívar, por brindarme una excelente formación profesional.
A todas las personas en Inelectra, tanto del Departamento de Mecánica como de Civil, que
estuvieron siempre dispuestos a ayudarme a lo largo de mi estadía en la empresa.
vi
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN................................................................................................................................ iv
AGRADECIMIENTOS............................................................................................................ v
INTRODUCCIÓN.................................................................................................................... 1
CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA........................................................... 3
1.1. Historia............................................................................................................................... 3
1.2. Misión................................................................................................................................ 4
1.3. Visión................................................................................................................................. 4
1.4. Valores…………………...……….................................................................................... 4
1.5. Estructura organizativa...................................................................................................... 5
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO..................................................................................... 7
2.1. Definición de tanques......................................................................................................... 7
2.2. Clasificación de los tanques............................................................................................... 7
2.3. Normas aplicables al cálculo de tanques............................................................................ 8
2.4. Estructura de los tanques.................................................................................................... 9
2.4.1 Pared.................................................................................................................................. 9
2.4.2 Fondo................................................................................................................................ 11
2.4.3. Techo............................................................................................................................... 12
2.5. Niveles y capacidades del tanque....................................................................................... 14
2.6. Espectros de respuesta sísmica........................................................................................... 15
2.6.1. Espectro de respuesta de PDVSA JA-221....................................................................... 16
2.6.2. Espectro de respuesta de ASCE 7-10............................................................................... 16
2.6.3. Espectro de respuesta de COVENIN 1756:2001.............................................................. 18
2.6.4. Relación entre espectros de respuesta ASCE 7-10 y COVENIN 1756:2001.................. 18
2.7. Modos convectivo e impulsivo de vibración...................................................................... 20
2.8. Estabilidad del tanque......................................................................................................... 22
2.8.1. Momento sísmico............................................................................................................. 22
2.8.2. Coeficiente de anclaje...................................................................................................... 23
2.8.3. Criterios de estabilidad sísmica de un tanque no anclado............................................... 24
2.8.4. Criterios de estabilidad sísmica de un tanque anclado.................................................... 24
2.8.5. Criterios de estabilidad por viento................................................................................... 25
vii
CAPÍTULO 3. DISEÑO ESTRUCTURAL Y SÍSMICO DE TANQUES.......................... 26
3.1. Procedimiento de cálculo.................................................................................................... 27
3.1.1. Cálculo estructural…………………………................................................................... 27
3.1.2. Cálculo de estabilidad del tanque por viento……………………………………...…….. 29
3.1.3. Cálculo sísmico por API 650……………………........................................................... 29
3.1.4. Cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251............................................................... 32
3.1.5. Cálculo de pernos de anclaje........................................................................................... 35
3.2. Tanques calculados............................................................................................................. 36
CAPÍTULO 4. RESULTADOS DEL CÁLCULO DE TANQUES..................................... 38
4.1. Hoja de Cálculo.................................................................................................................. 38
4.2. Validación del cálculo........................................................................................................ 39
4.2.1. Validación del cálculo estructural................................................................................... 39
4.2.2. Validación del cálculo de estabilidad del tanque por viento……………………………. 40
4.2.3. Validación del cálculo sísmico por API 650……………………………………………. 41
4.2.4. Validación del cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251........................................ 42
4.2.4.1. Comparación con el Ejemplo 1 de norma PDVSA 90615.1.014.....................….…... 43
4.2.4.2. Comparación con el Ejemplo 2 de norma PDVSA 90615.1.014.....................….…... 43
4.3. Comparación de resultados sísmicos obtenidos por API 650 y PDVSA JA-221 y
FJ-251........................................................................................................................................
45
CONCLUSIONES..................................................................................................................... 47
RECOMENDACIONES............................................................................................................ 48
REFENCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................... 49
APÉNDICE A: Valores de los coeficientes de aceleración y velocidad del sitio..................... 50
APÉNDICE B: Ejemplo de la relación sísmica entre ASCE 7-10 y COVENIN 1756:2001.... 52
APÉNDICE C: Cargas de levantamiento sobre los pernos de anclaje………………………... 55
APÉNDICE D: Datos de entrada para el cálculo de los tanques……………………………… 57
APÉNDICE E: Guía para el uso de la Hoja de Cálculo……………………………………..... 60
APÉNDICE F: Resultados estructurales………………………………………………………. 86
APÉNDICE G: Resultados sísmicos………………………………………………………….. 89
viii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1: Lista de tanques calculados...................................................................................... 37
Tabla 4.1: Diferencia del cálculo estructural de la Hoja de Cálculo con respecto al del
programa TANK™.....……………………………………………………………………….....
40
Tabla 4.2: Comparación del cálculo de estabilidad del tanque por viento de la Hoja de
Cálculo con respecto al del programa TANK™.....………………………………………….…
41
Tabla 4.3: Diferencia porcentual de los resultados sísmicos obtenidos por la Hoja de
Cálculo con respecto a los del programa TANK™....………………………………………….
42
Tabla 4.4: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo con respecto al Ejemplo
1 de PDVSA F-201....................................................................................................................
43
Tabla 4.5: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo con respecto al Ejemplo
2 de PDVSA F-201....................................................................................................................
44
Tabla 4.6: Diferencia porcentual de los resultados obtenidos por PDVSA JA-221 y FJ-251
con respecto a los de API 650…………………………………………...................................
45
Tabla B.1: Valores que definen el espectro de respuesta de COVENIN 1756:2001 para los
tanques de Petrocedeño………………………………………………………….....................
53
Tabla D.1: Datos de entrada para el cálculo de los tanques…………………………………… 58
Tabla F.1: Resultados estructurales obtenidos por el programa TANK™.....…………………. 87
Tabla F.2: Resultados estructurales obtenidos por la Hoja de Cálculo………………………... 88
Tabla G.1: Resultados sísmicos obtenidos por API 650 con el uso del programa TANK™…. 90
Tabla G.2: Resultados sísmicos obtenidos por API 650 con el uso de la Hoja de Cálculo…… 90
Tabla G.3: Diferencia porcentual de los resultados obtenidos por la Hoja de Cálculo con
respecto a los del programa TANK™....……………………………………………………….
91
Tabla G.4: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo Modificada con
respecto al Ejemplo 2 de PDVSA F-201..................................................................................
91
Tabla G.5: Resultados sísmicos obtenidos por PDVSA JA-221 y FJ-251.......…………….... 92
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Logo actual de Inelectra desde el año 2005…........................................................ 3
Figura 1.2: Organigrama de la estructura organizativa de Inelectra........…............................. 6
Figura 2.1: Componentes de un tanque cilíndrico vertical....................................................... 9
Figura 2.2: Configuración de la pared de un tanque................................................................. 10
Figura 2.3: Distribución de presión sobre la pared del tanque y aproximación por el método
de un pie para un anillo.............................................................................................................
11
Figura 2.4: Configuración del fondo de un tanque con placa anular......................................... 12
Figura 2.5: Tipos de techo para tanques.................................................................................... 13
Figura 2.6: Estructura soporte de tanques con techo cónico soportado.................................... 13
Figura 2.7: Niveles y capacidades características del tanque.................................................... 15
Figura 2.8: Espectro de respuesta definido por PDVSA JA-221.............................................. 16
Figura 2.9: Espectro de respuesta definido por ASCE 7-10..................................................... 17
Figura 2.10: Espectro de respuesta definido por COVENIN 1756:2001.................................. 18
Figura 2.11: Representación de los modos de vibración para sismo horizontal....................... 21
Figura 2.12: Altura de la ola sísmica causada por el modo convectivo de vibración del
líquido……………………………………………………………………………………..…...
22
Figura 3.1: Flujograma del cálculo estructural……………………………………………....... 28
Figura 3.2: Flujograma del cálculo de estabilidad por viento……………………….…….…... 29
Figura 3.3: Flujograma del cálculo sísmico por API 650…………………………….……...... 32
Figura 3.4: Flujograma del cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251..........….………... 34
Figura 3.5: Flujograma del cálculo de pernos de anclaje………………………....………....... 36
Figura A.1: Valores del coeficiente de aceleración del sitio.................................................... 51
Figura A.2: Valores del coeficiente de velocidad del sitio....................................................... 51
Figura B.1: Cálculo de los parámetros de entrada de API 650 a partir de los dados por
COVENIN 1756:2001..............………………………………………………………………..
54
Figura C.1: Cargas de levantamiento sobre los pernos de anclaje…………………………..... 56
Figura E.1: Hoja de Cálculo y sus secciones............................................................................ 61
Figura E.2: Encabezado de las páginas del cálculo................................................................... 61
Figura E.3: Datos de entrada y de diseño estructural................................................................ 62
Figura E.4: Selección de espesores de los anillos..................................................................... 64
x
Figura E.5: Selección de espesor de placa anular..................................................................... 64
Figura E.6: Alerta de uso de techo cónico autosoportado........................................................ 65
Figura E.7: Datos de entrada sísmicos por API 650................................................................. 66
Figura E.8: Mensaje de conclusión de estabilidad.................................................................... 68
Figura E.9: Datos de entrada sísmicos por PDVSA JA-221 y FJ-251..................................... 68
Figura E.10: Nota de advertencia en consideración de pernos de anclaje................................ 71
xi
LISTA DE SÍMBOLOS
Coeficiente de aceleración horizontal.
Coeficiente de aceleración convectiva de diseño.
Coeficiente de aceleración espectral impulsivo
Coeficiente de aceleración espectral convectivo.
Coeficiente de aceleración impulsiva de diseño.
Coeficiente de aceleración vertical.
CAP Corrosión admisible de los pernos de anclaje.
D Diámetro del tanque.
Coeficiente de aceleración del sitio.
Factor de presión.
Coeficiente de velocidad del sitio.
I Factor de importancia.
J Coeficiente de anclaje.
Momento ejercido por el peso de la pared.
Momento ejercido por el peso del techo.
Momento ejercido por el peso del líquido.
Momento ejercido por la presión interna.
Momento sísmico en base del tanque por API 650.
Momento sísmico en la base del tanque por PDVSA FJ-251.
Momento por presión del viento.
P Exponente que define la rama descendente del espectro COVENIN 1756:2001.
P Probabilidad de no excedencia del máximo terremoto considerado.
Parámetro de aceleración espectral máxima en un período de 1 segundo.
Parámetro de aceleración espectral de diseño en un período de 1 segundo.
Parámetro de aceleración espectral de diseño en cortos períodos.
Parámetro de aceleración máxima del suelo para sitios no cubiertos por los métodos de
ASCE 7-10.
Parámetro de aceleración espectral máxima en cortos períodos.
T Vida útil de la instalación.
Carga por perno.
xii
Factor de importancia de COVENIN 1756:2001.
Factor de magnificación promedio.
Factor de amplificación espectral.
Coeficiente de amortiguamiento.
Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal.
Diámetro de los pernos.
xiii
LISTA DE ABREVIATURAS
API "American Petroleum Institute"
ASME "American Society of Mechanical Engineers"
COVENIN Comisión Venezolana de normas industriales
HHLL “High High Liquid Level” (nivel muy alto de líquido)
HLL “High Liquid Level” (nivel alto de líquido)
LLL “Low Liquid Level” (nivel bajo de líquido)
LLLL “Low Low Liquid Level” (nivel muy bajo de líquido)
NLL “Normal Liquid Level” (nivel normal de líquido)
PDVSA Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima
Psi Pounds per square inch (libras por pulgada cuadrada).
1
INTRODUCCIÓN
Inelectra es una empresa venezolana de ingeniería, procura y construcción en los sectores
petrolero, petroquímico, minero, metalúrgico, entre otros. En éstas y otras industrias son
utilizados distintos tipos de recipientes, entre los cuales se encuentran los tanques, cuya función
es almacenar sustancias líquidas tales como agua, petróleo crudo y sus derivados, entre otros,
para la producción, tratamiento, transporte, refinación, servicios y distribución.
El diseño y cálculo de los tanques de almacenamiento está dado por las normas API, entre las
cuales se encuentra la API 650, éste se puede realizar a través de distintos programas, entre los
cuales se encuentra el software TANK™ que es el utilizado en Inelectra. Sin embargo, las
normas API están en principio formuladas para los Estados Unidos y, en el caso del diseño
sísmico, los parámetros de entrada están dados por mapas únicamente para este país, de manera
tal que se presentan inconvenientes para el análisis en cualquier otra parte del mundo. Sin
embargo, para un tanque en Venezuela, en ocasiones, es necesario realizar dicho estudio bajo la
norma API 650, de manera tal que se debe utilizar la norma COVENIN 1756 que establece lo
requerimientos para el diseño sismorresistente de edificaciones en el país, con el fin de obtener a
través de una relación de espectros de respuesta, los parámetros de entrada al cálculo por API
650. De cualquier modo, para Venezuela, es necesario el uso complementario de otras normas.
Las consultoras de la industria petrolera en Venezuela, como Inelectra, tienen como principal
cliente a PDVSA. Éste plantea ciertas normas propias, entre las cuales se encuentran las
disposiciones generales y requisitos mínimos para el diseño sísmico de tanques ubicados dentro
del territorio nacional. Por esta razón, es de gran importancia incluir el cálculo sísmico dado por
las normas PDVSA JA-221 y FJ-251.
El diseño sísmico del tanque consiste en determinar la estabilidad de éste ante las cargas
producidas por el sismo y establecer si con la estructura calculada, se requiere o no anclar el
mismo. Para ello, se elaboraron unos flujogramas para cada una de las partes del cálculo, así
como también, una Hoja de Cálculo de tanques API 650 incluyendo el diseño sísmico dado por
las normas PDVSA JA-221 y FJ-251. De esta manera, se compararían los resultados obtenidos
2
para cada uno de ellos, con la finalidad de concluir cuál de los dos cálculos es más crítico, severo
y riguroso.
La Hoja de Cálculo se realizó en Excel® debido a que la norma API 650 es actualizada
frecuentemente, de manera tal que, es necesario poder modificar ciertos cálculos o parámetros en
un futuro cercano. Por lo tanto, cualquier usuario con conocimientos básicos de esta herramienta
podría realizarlos directamente, a diferencia de otros programas con un lenguaje más avanzado.
Por su parte, con el desarrollo de los flujogramas para cada una de las partes del cálculo, se deja
planteado el procedimiento para una posible programación en otro lenguaje deseado.
En Inelectra no se contaba con ninguna versión similar a la Hoja de Cálculo desarrollada que
permitiese obtener los resultados estructurales y sísmicos por API 650 y PDVSA que es el
objetivo principal del presente trabajo. Sin embargo, ésta posee ciertas limitaciones en lo que a
los tipos de techo disponibles se refiere, debido a que sólo se consideraron los techos fijos
cónicos.
En lo que al trabajo se refiere, éste se dividió en cuatro capítulos, donde en el primero se
describe la empresa en la cual se realizó el trabajo. En el segundo capítulo se busca dar a conocer
los conceptos fundamentales utilizados para formular y desarrollar el mismo. Luego, en el tercer
capítulo se describe la metodología empleada para el desarrollo de la Hoja de Cálculo.
Posteriormente, en el cuarto capítulo se mostrarán los resultados obtenidos así como sus debidas
validaciones. Por último, se plantearán las conclusiones obtenidas a partir de los resultados y las
recomendaciones a considerar para la optimización del cálculo.
CAPÍTULO I DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA
Inelectra es una empresa venezolana dedicada a la ingeniería, procura y construcción de
instalaciones industriales, ejecutando proyectos de importancia y gran envergadura en Venezuela
y en el exterior. La empresa figura entre las 50 empresas más importantes del mundo en el sector
de energía e hidrocarburos, siendo una de las 3 más grandes de América Latina.
Su campo de trabajo abarca la industria petrolera, petroquímica, minera, metalurgia,
electricidad, telecomunicaciones, infraestructura, transporte masivo, entre otras, donde ofrece
servicios profesionales de consulta y asesoría, estudios de factibilidad, ingeniería conceptual,
ingeniería básica, ingeniería de detalle, gerencia de proyectos, procura, gerencia de procura,
construcción, supervisión y gerencia de construcción, operación de instalación, puesta en marcha
y mantenimiento.
El logo actual de la empresa, desde el año 2005, se muestra en la Figura 2.1:
Figura 1.1: Logo actual de Inelectra desde el año 2005. [1]
1.1. Historia
Inelectra fue fundada en 1968 como una empresa especializada en servicios de ingeniería, para
incluir posteriormente procura, construcción, gerencia de construcción, operación y
mantenimiento. La integración de actividades se ha logrado progresivamente mediante la
capacitación del personal, desarrollo y adquisición de tecnologías, participación en sociedad con
4
firmas extranjeras y, sobre todo, identificando a tiempo las oportunidades y asumiendo los retos
surgidos durante el desarrollo del país. [1]
En sus 44 años, Inelectra ha ejecutado más de 2.500 proyectos integrales para el sector
petrolero, petroquímico, industrial y de transporte, incluyendo proyectos mayores de ingeniería,
procura y construcción de alcance global. Esta gestión representa más de 28 millones de horas-
hombre de servicios profesionales prestados y 80 millones de horas-hombre de construcción. [1]
1.2. Misión
Crear valor para la sociedad en general, cumpliendo con los objetivos de la empresa en forma
eficiente y eficaz, trabajando en equipo y con una clara orientación al logro. Reconocer
constantemente la excelencia entre nuestros empleados. Ser responsables con la seguridad, el
ambiente y las comunidades que nos rodean. [1]
1.3. Visión
Ser la empresa de soluciones integrales en ingeniería y construcción más importante de
América Latina, en el sector de la energía, distinguida por su impecable gestión de riesgo,
rentabilidad, excelencia, calidad, seguridad, honestidad y profesionalismo. [1]
1.4. Valores
En Inelectra se está en búsqueda permanente de la excelencia, creando relaciones perdurables
basadas en la confianza y en los valores corporativos de la empresa: [1]
Transparencia.
Calidad.
Seguridad.
Innovación.
Orientación al Cliente.
Ética.
5
1.5. Estructura organizativa
Inelectra S.A.C.A. basa su estructura en un agrupamiento funcional, el cual presenta una
organización vertical con distintos rangos de decisión. La empresa está conformada por un
conjunto de unidades que actúan como centros organizativos de todas las actividades, con
responsabilidad sobre sus resultados, integrándose bajo cinco unidades operativas principales:
operaciones medulares, negocios internacionales, negocios Venezuela, finanzas y talento
humano.
Dentro de la unidad de operaciones medulares, se encuentra la división de ingeniería, que
comprende, entre otros, al departamento de ingeniería mecánica. Este último es el encargado del
desarrollo de la ingeniería relacionada con los equipos mecánicos, en las áreas de maquinaria,
equipos paquete, tanques de almacenamiento, recipientes a presión e intercambiadores de calor.
Inelectra S.A.C.A. ofrece en esta área el diseño o selección de equipos, especificaciones de los
mismos, evaluaciones de ofertas y revisión de la documentación generada por los fabricantes,
traslado de personal de ingeniería a los talleres de fabricación e inspección de equipos.
La estructura organizativa de Inelectra S.A.C.A. se muestra en la Figura 1.2:
6
Figura 1.2: Organigrama de la estructura organizativa de Inelectra
Presidencia
Finanzas Corporativas
Contraloría Corporativa
Asuntos Públicos
Servicios
Gestión de la Calidad Operaciones
Atención al Accionista
Seguridad, Higiene y Ambiente
Asuntos Legales
Tecnología de Información
Finanzas Proyectos IngenieríaDesarrollo de Negocios
Gestión del Talento
Procura y Construcción Regionales
Gerentes de Ingeniería
Revisiones Técnicas
Telecomunicaciones CONTROLCA Tecnología
Ingeniería de Seguridad y
Estudios
Procesos Ingeniería Mecánica
Diseño Mecánico
Ingeniería Eléctrica
Automatización y Control
Ingeniería Civil
Control de Materiales
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
En este capítulo se presentan los fundamentos teóricos relacionados con el diseño y cálculo de
un tanque de almacenamiento de líquido.
2.1. Definición de tanques
Los tanques se definen como depósitos diseñados para almacenar una gran variedad de
productos en estado líquido como agua, crudo y sus derivados, así como también en estado sólido
para su uso posterior y comercialización. Forman parte de distintas operaciones en la industria,
entre las cuales se encuentran: [2]
Producción.
Tratamiento.
Transporte.
Refinación.
Distribución.
Servicios.
2.2. Clasificación de los tanques
Los tanques pueden ser de distintas formas (cilíndricos, esféricos y rectangulares), sin embargo,
para el almacenamiento de crudo se dividen de la siguiente manera en lo que a su forma se
refiere: [2]
Tanques cilíndricos verticales: Permite almacenar pequeños volúmenes del producto.
Tanques cilíndricos horizontales: Permite almacenar grandes volúmenes del producto.
8
Los tanques se dividen a su vez de acuerdo a la presión interna que manejan de la siguiente
manera: [2]
Tanques atmosféricos y de baja presión: Presiones manométricas entre 0 y 2,5 psi "pounds
per square inch" (libras por pulgada cuadrada) que equivalen a 0 y 18 kPa.
Tanques de media presión: Presiones manométricas entre 2,5 y 15 psi que equivalen a 18 y
104 kPa.
Presurizados: Son llamados recipientes y manejan presiones manométricas mayores de 15
psi que equivalen a 104 kPa. Su cálculo se lleva a cabo mediante el uso de normas ASME
"American Society of Mechanical Engineers".
2.3. Normas aplicables al cálculo de tanques
El cálculo de tanques de almacenamiento para la industria, se lleva a cabo mediante las
siguientes normas: [2]
API STANDARD 650 : Establece los requisitos mínimos de materiales, diseño, fabricación,
construcción y prueba de tanques de acero, cilíndricos, verticales, sobre tierra, soldados, no
refrigerados y de techo abierto o cerrado. Además, el rango de presión y temperatura
admisible es el siguiente:
- Presión interna: Tanques atmosféricos y baja presión, es decir, entre 0 y 2,5 psi.
- Temperatura máxima de diseño: Acepta temperaturas de hasta 93°C. Puede llegar a
260°C con el uso del Apéndice M, que reduce en una determinada proporción los
esfuerzos admisibles del material dependiendo de la temperatura.
API STANDARD 620: Establece los requisitos mínimos para el diseño y construcción de
tanques de acero al carbono, cilíndricos, verticales, sobre tierra, soldados, refrigerados o no
refrigerados. Además, el rango de presión y temperatura admisible es el siguiente:
- Presión interna: Tanques de media presión, es decir, entre 2,5 y 15 psi.
- Temperatura máxima de diseño: Acepta temperaturas de hasta 121°C.
Otras: Existen otras normas como las API 12D y API 12F que cubren el diseño y
fabricación de tanques de dimensiones y capacidades predeterminadas.
9
2.4. Estructura de los tanques
Los tanques cilíndricos verticales están compuestos de la siguiente manera de acuerdo a la
Figura 2.1:
Pared.
Techo.
Fondo.
Conexiones.
Escaleras y plataformas.
Figura 2.1: Componentes de un tanque cilíndrico vertical.
En la Figura 2.1 se pueden observar la pared, el techo y el fondo de un tanque cilíndrico vertical
que juntos conforman la estructura básica del mismo. Por su parte, las conexiones (bridas, pasos
de hombre, drenajes, entre otras), escaleras de acceso y plataformas indicadas en la misma
representan componentes fundamentales del tanque.
2.4.1. Pared
La pared del tanque es de forma cilíndrica y está constituida por placas que forman anillos
soldados entre sí, para lograr la altura deseada del tanque. Por lo general, la altura de los anillos
es uniforme, de acuerdo a las alturas comerciales disponibles que suelen ser de 1,8 y 2,4 metros.
Dicha configuración de la pared se puede observar en la Figura 2.2:
10
Figura 2.2: Configuración de la pared de un tanque.
De la Figura 2.2 se puede detallar cómo las placas son intercaladas entre anillos, es decir, que
los cordones de soldaduras verticales no coinciden entre un anillo y otro. A su vez, se observa la
ubicación de la escalera en el plano de la pared, así como las boquillas a las cuales se conectan
las tuberías y pasos de hombre que se evitan colocar en medio de las uniones entre placas.
El diseño de la pared de un tanque de media presión se realiza mediante la norma API 650 [3]
en la cual se describen 3 métodos:
Método de un pie: Calcula el espesor de la pared requerido a 1 pie (0,3 m) de la base de
cada anillo del tanque (ver Figura 2.3).
Método del punto variable: Calcula el espesor de la pared de cada anillo en un punto donde
el esfuerzo está muy cerca del circunferencial real, de esta manera optimiza el espesor de las
placas a través de un tanteo que parte del espesor obtenido por el método de un pie.
Método del Apéndice A: Utiliza un esfuerzo admisible fijo y se utiliza sólo para tanques de
pequeña capacidad cuyos valores se encuentran tabulados.
11
Figura 2.3: Distribución de presión sobre la pared del tanque y aproximación por el método de un
pie para un anillo.
De la Figura 2.3 se puede observar la distribución de la presión hidrostática sobre la pared del
tanque, de manera tal que el anillo inferior es el que soporta la mayor presión y por lo tanto, será
el de mayor espesor. A su vez, se observa cómo se toma la presión a 1 pie (0,3 m) y se diseña la
pared a dicha presión uniforme sobre toda la pared.
2.4.2. Fondo
El fondo del tanque puede o no contar con una placa anular que se coloca en la región en la cual
la pared se une al fondo. La placa anular se utiliza para disminuir el efecto de la concentración de
esfuerzos en dicha unión, así como también para aumentar la resistencia al momento de
volcamiento causado por las cargas sísmicas. Por estas razones su uso es recomendado. La
configuración del fondo con la placa anular se muestra en la Figura 2.4:
12
Figura 2.4: Configuración del fondo de un tanque con placa anular.
El fondo con placa anular mostrado en la Figura 2.4, en la cual se incluye la ubicación de los
drenajes y dimensiones mínimas de la placa anular, la cual se une al resto del fondo mediante una
soldadura a solape. [3]
2.4.3. Techo
El techo de un tanque tiene como función evitar el contacto de la sustancia almacenada con el
exterior. Existen tanques abiertos, sin embargo, los tanques de almacenamiento aplicados en la
industria petrolera, son en su mayoría cerrados, los cuales se dividen de la siguiente manera:
Fijos.
- Cónicos: Pueden ser autosoportados o soportados.
- Domo.
Flotantes.
- Internos.
- Externos.
Los tipos de techo mencionados, se muestran en la Figura 2.5
13
Figura 2.5: Tipos de techo para tanques.
Los techos cónicos autosoportados de la Figura 2.5 están apoyados únicamente sobre la pared
del tanque, sin ninguna estructura de soporte, razón por la cual el diámetro de los tanques en los
cuales puede ser utilizado es limitado a aproximadamente 12 metros. Los techos tipo domo
requieren una mayor elaboración que los cónicos autosoportados, pero pueden ser utilizados en
tanques de mayor diámetro. En lo que a los techos cónicos soportados se refiere, éstos requieren
una estructura de soporte como la mostrada en la Figura 2.6 constituida por columnas, “rafters”
(largueros), “girders” (trabes) y cartelas. [4]
Figura 2.6: Estructura soporte de tanques con techo cónico soportado.
Los largueros mostrados en la Figura 2.6 son vigas sobre las cuales se apoyan las láminas del
techo, éstos se soportan a su vez sobre la columna central y sobre los trabes. Éstos últimos son
también vigas unidas a las columnas centrales. Por último, la cartela es el componente que
permite unir los largueros con la pared del tanque.
14
Las pérdidas por evaporación, también conocidas como mermas, se producen en tanques de
techo fijo (no flotantes) cuando ocurren cambios de temperatura o se entra en operación de
llenado o vaciado, debido a que el espacio interior sobre la superficie de líquido es ocupado por
vapores del producto, principalmente por las fracciones más livianas de éste. [5]
Los techos flotantes mostrados en la Figura 2.5 se caracterizan por ser móviles con el nivel del
líquido dentro del tanque a través de guías y sellos que permiten dicho movimiento evitando
exponer el fluido a la atmósfera. Además, estos techos se utilizan para disminuir las pérdidas por
evaporación dentro del tanque (simbolizadas con líneas curvas ascendentes en las otras
configuraciones de techo) debido a que disminuyen considerablemente o eliminan la superficie
libre de líquido. Sin embargo, el techo flotante interno (que está respaldado por uno fijo en el
tope) resulta más efectivo en este aspecto que el externo debido a que no está afectado por el
viento directamente, el cual ejerce una carga de levantamiento sobre los techos flotantes externos,
generando así un efecto de vacío dentro del tanque. [5]
En Venezuela, la Ley, por medio de la Gaceta Oficial número 4.899, determina el tipo de techo
a utilizar en función de ciertas propiedades del fluido a ser almacenado, entre las cuales se
encuentra la presión de vapor, que es aquella a la cual a determinada temperatura, una sustancia
líquida se evapora.
Por último, una parte importante de los tanques, es el sistema de venteo ubicado en el techo,
cuya función es proteger el tanque de una sobrepresión interna liberando ésta a la atmósfera.
Dicho sistema puede tener una gran variedad de configuraciones y puede a su vez encontrarse en
la parte superior de la pared del tanque.
2.5. Niveles y capacidades del tanque
Tanto la estructura del tanque, como la estabilidad sísmica basan su cálculo en una altura de
líquido de diseño que puede ser diferente de acuerdo a las especificaciones dadas.
Independientemente de esto, los niveles y capacidades del tanque que se utilizan en la industria
se representan en la Figura 2.7:
15
Figura 2.7: Niveles y capacidades características del tanque.
La capacidad nominal del tanque mostrada en la Figura 2.7 está dada por la altura total del
tanque (H), mientras que la capacidad útil está dada por los niveles altos y bajos (HLL y LLL) del
mismo. Por su parte las capacidades no útiles superior e inferior, se utilizan como niveles de
seguridad, la primera para evitar que se desborde el líquido y la segunda para evitar que el tanque
se vacíe y a su vez para que brindarle la altura de líquido necesaria para la bomba que puede estar
conectada al tanque por medio de tuberías.
En lo que a la altura de diseño se refiere, la norma sísmica PDVSA FJ-221 [6] establece ésta
como el nivel muy alto de líquido (HHLL), mientras que la norma API 650 [3] plantea la opción
de elegir entre la altura del tanque (H), el nivel muy alto de líquido (HHLL) o cualquier otro nivel
especificado.
2.6. Espectros de respuesta sísmica
El análisis sísmico para tanques se basa en la definición de un espectro de respuesta que
“representa la respuesta máxima de osciladores de un grado de libertad y de un mismo coeficiente
de amortiguamiento, sometidos a una historia de aceleraciones dada, expresada en función del
período” [7]. La norma API 650 [3], la norma PDVSA JA-221 [8] y la norma COVENIN
1756:2001 [7] basan sus cálculos en espectros de respuesta diferentes entre ellos, por lo que se
define cada uno de ellos por separado.
16
2.6.1. Espectro de respuesta de PDVSA JA-221
El espectro de respuesta sísmica de la norma PDVSA JA-221 [8] se muestra en la Figura 2.8:
Figura 2.8: Espectro de respuesta definido por PDVSA JA-221. [8]
De la Figura 2.8 se detalla una meseta de aceleración espectral máxima que representa el caso
más crítico entre los períodos y . A su vez, se observa que la función del espectro está dada
para períodos menores que por determinada función y para períodos mayores a por 2
funciones, una hasta los 3 segundos y la otra a partir de este valor. Dependiendo del valor de
dicho período de oscilación y de los parámetros que definen el espectro se obtiene el coeficiente
de aceleración deseado. Por último, este espectro está dado para un factor de ductilidad igual a 1,
el cual dependiendo de la instalación modificará el cálculo del coeficiente de aceleración para los
distintos períodos y es dado en la especificación de ingeniería. [8]
2.6.2. Espectro de respuesta de ASCE 7-10
El espectro de respuesta sísmica definido por la norma ASCE 7-10 [9] es el utilizado por la
norma API 650 [3] y se muestra en la Figura 2.9:
17
Figura 2.9: Espectro de respuesta definido por ASCE 7-10. [9]
El espectro de respuesta mostrado en la Figura 2.9 se asemeja en su forma al de la Figura 2.8,
caracterizándose por la presencia de una meseta en la cual se obtiene el valor máximo de
aceleración espectral entre los períodos y . Los valores del espectro de respuesta son
afectados por el factor de modificación de respuesta y los parámetros que lo definen están dados
por mapas exclusivamente para los Estados Unidos, razón por la cual, la norma API 650 [3]
propone una aproximación del espectro para cuando se conoce únicamente la aceleración máxima
del terreno, dada por las siguientes ecuaciones:
(Ec. 2.1)
(Ec. 2.2)
El valor de representa la aceleración máxima del terreno y los valores de y
representan los parámetros de aceleraciones de entrada, sin embargo, esta aproximación es
recomendada para lugares donde la forma del espectro de respuesta no está definida, caso opuesto
al de Venezuela.
18
2.6.3. Espectro de respuesta de COVENIN 1756:2001
La norma COVENIN 1756:2001 [7] define el espectro de respuesta sísmica de acuerdo a la
Figura 2.10:
Figura 2.10: Espectro de respuesta definido por COVENIN 1756:2001. [7]
De la Figura 2.10 se detalla una meseta de aceleración espectral máxima que representa el caso
más crítico entre los períodos y que definen el espectro, mientras ambos costados de dicho
intervalo están representados por funciones diferentes. Este espectro de respuesta está dado para
un factor de ductilidad igual a 1 el cual dependiendo de la instalación modificará el cálculo del
coeficiente de aceleración para los distintos períodos. [7]
2.6.4. Relación entre espectros de respuesta ASCE 7-10 y COVENIN 1756:2001
La similitud de los espectros de respuesta entre ASCE 7-10 [9] y COVENIN 1756:2001 [7]
mostrados en las Figuras 2.9 y 2.10 respectivamente, junto a la combinación de probabilidades de
excedencia durante determinada vida útil que manejan ambas normas, permiten mediante la
definición del factor de importancia determinar una relación entre ambos espectros, de manera tal
que se pueden utilizar los parámetros de COVENIN 1756:2001 [7] para entrar al cálculo sísmico
dado por API 650 [3]. Dicha relación se explica de la siguiente manera:
19
El factor de importancia tiene su origen en valores estadísticos que se utilizan en el diseño
sísmico de tanques, dichos valores son: [10]
Probabilidad de excedencia (1-P): Definido como la probabilidad de que se exceda el valor
crítico con el cual se diseña el tanque.
Vida útil (t): Período en el cual se estima que se pueda exceder el valor crítico con el cual se
diseña el tanque.
Período de retorno: Definido como el intervalo de reincidencia del valor crítico con el cual
se diseña el tanque.
Mediante la combinación de estos valores se define entonces el factor de importancia (I) con la
siguiente ecuación: [10]
(Ec. 2.3)
La norma COVENIN 1756:2001 [7] considera para la determinación de la aceleración máxima
del terreno del espectro de diseño, probabilidades de excedencia del 10% en una vida útil de 50
años, de manera tal que el factor de importancia es aproximadamente igual a 1. [10]
(Ec. 2.4)
Por otro lado, la norma ASCE 7-10 [9] (referenciada por API 650 [3]) considera un terremoto
máximo probable para una probabilidad de ocurrencia del 2% en una vida útil de 50 años. Sin
embargo, dicha norma toma en cuenta a su vez un factor de escalamiento del nivel máximo
considerado al nivel de diseño del espectro igual a 2/3, de manera tal que el factor de importancia
es aproximadamente igual a 1. [10]
(Ec. 2.5)
20
Los valores obtenidos por ambas normas son equivalentes, razón por la cual, se pueden
relacionar los valores máximos de los espectros de diseño considerados por cada una de éstas,
caso contrario al de la norma PDVSA JA-221 [8] que maneja probabilidades de excedencia
variables de acuerdo al grado de riesgo de la instalación al definir el espectro de diseño. De esta
manera se obtiene entonces la siguiente relación: [10]
(Ec. 2.6)
De la Ecuación 2.5 el término de la izquierda ( ) representa el valor máximo del espectro de
diseño de la norma ASCE 7-10 [9], mientras que el término de la derecha representa el de la
norma COVENIN 1756:2001 [7], donde , , y son valores tabulados que definen el espectro
de acuerdo a la zona y el tipo de suelo, mientras que se calcula de la siguiente manera: [10]
(Ec. 2.7)
El coeficiente de amortiguamiento ( de la Ecuación 2.6 se encuentra tabulado [6]. Por su
parte el valor de aceleración espectral de diseño , está dado para un período igual a 1 segundo,
por lo tanto se obtiene a partir del espectro de respuesta de COVENIN 1756:2001 [7], calculando
el valor de la aceleración en un período igual a 1. Su cálculo dependerá de la sección del espectro
en la cual se ubique dicho período.
2.7. Modos convectivo e impulsivo de vibración
El estudio sísmico del tanque se basa en el análisis del espectro de diseño que se define como el
espectro de respuesta afectado por el factor de reducción correspondiente al sistema. Para ello, se
consideran dos modos de vibraciones:
Modo convectivo: “es el primer modo de vibración del líquido contenido en el tanque; el
líquido experimenta un movimiento oscilatorio respecto a un eje horizontal que coincide
con el diámetro del tanque”. [6]
21
Modo impulsivo: “es el modo de vibración del sistema tanque-líquido en donde el líquido se
mueve al unísono con el tanque”. [6]
Los modos de vibración se ilustran mediante el uso de la Figura 2.11:
Donde: : Peso impulsivo del líquido. : Peso convectivo del líquido. : Peso del techo. : Peso de la pared. : Centro de acción impulsivo. : Centro de acción convectivo. : Centro de acción del techo : Centro de acción de la pared.
Figura 2.11: Representación de los modos de vibración para sismo horizontal. [6]
De la Figura 2.11 se puede observar cómo la masa se modela unida al tanque rígidamente,
representando el movimiento del líquido como un cuerpo rígido. Por su parte, la masa se
modela unida al tanque de manera flexible mediante un par de resortes, representando el
movimiento oscilatorio del líquido. Para cada una de estas cargas se muestran los centros de
acción, lo cuales son debidamente calculados [6]. Por otro lado se muestran también los pesos y
centros de acción del techo y la pared que se oponen a los efectos sísmicos.
Los denominados coeficientes de aceleración espectral se definen como la fracción de la
aceleración de la gravedad que actúa sobre el tanque como consecuencia de la acción sísmica
representada en un modo convectivo y un modo impulsivo. Del modo impulsivo se obtiene una
aceleración horizontal y una vertical mientras que del modo convectivo se obtiene únicamente
una componente horizontal. [6]
El modo convectivo de vibración del líquido genera una ola sísmica que debe ser menor que al
espacio libre de líquido del tanque, tal como se muestra en la Figura 2.12:
22
Figura 2.12: Altura de la ola sísmica causada por el modo convectivo de vibración del líquido.
La unión del techo con la pared en los tanques se caracteriza por ser una junta frágil, la cual se
diseña para que en caso de una sobrepresión interna, se desprenda el techo antes que se deforme
el tanque. Ahora bien, la ola sísmica representada en la Figura 2.12 no debe impactar el techo ya
que puede romper dicha unión, esto se logra si el espacio libre entre el nivel muy alto de líquido y
la altura del tanque es mayor a la de la ola sísmica en cuestión. [3]
2.8. Estabilidad del tanque
El análisis sísmico de tanques consiste básicamente en determinar si éste es estable o inestable.
La estabilidad se define como la capacidad del tanque de soportar el efecto de la carga sísmica y
la carga de la presión del viento por sí mismo de manera tal de que no se desplace, se levante, ni
se deforme considerablemente, es decir, que la combinación de la geometría y el peso del tanque
sean suficiente para no presentar alteraciones en éste y en los componentes que lo rodean
(tuberías, instrumentación, etc.).
2.8.1. Momento sísmico
El momento sísmico en la base del tanque se define como aquél que ejerce la fuerza del sismo
sobre éste, generado por la combinación de los efectos convectivo e impulsivo. Este momento
actúa de tal forma que puede volcar el tanque, razón por la cual la determinación de su valor es
fundamental para el análisis de estabilidad del tanque y es calculado tanto por la norma API 650
[3] como por la norma PDVSA FJ-251 [6] mediante las siguientes ecuaciones respectivamente:
23
(Ec. 2.8)
(Ec. 2.9)
De estas 2 ecuaciones se puede notar que el cálculo de PDVSA FJ-251 [6] (Ec. 2.9) reduce el
momento en un 80% debido a una superposición de efectos con otras acciones (efectos de cargas
permanentes y efectos de las cargas de servicio y operación) utilizando el método de esfuerzos
admisibles. El resto del cálculo por ambas normas considera las mismas variables.
2.8.2. Coeficiente de anclaje
El peso del tanque y una porción del líquido almacenado generan la resistencia al volcamiento
de éste, y por lo tanto determinan si el momento sísmico desestabiliza o no el tanque, es decir, si
el tanque requiere o no pernos de anclaje. El coeficiente mediante el cual se define la necesidad
de anclaje de acuerdo a la norma API 650 [3] y a la norma PDVSA FJ-251 [6] son los
representados en las siguientes ecuaciones respectivamente:
(Ec. 2.10)
(Ec. 2.11)
El valor del coeficiente de anclaje obtenido para cada una de las normas a partir de ambas
ecuaciones se interpreta de la siguiente manera:
Si J ≤ 1,54 el tanque es estable al volcamiento y no requiere anclaje.
Si J > 1,54 el tanque no es estable al volcamiento y requiere anclaje.
24
2.8.3. Criterios de estabilidad sísmica de un tanque no anclado
Un tanque no anclado debe cumplir los siguientes requisitos para considerarlo estable ante un
sismo: [3]
Coeficiente de estabilidad (J) menor o igual a 1,54.
Esfuerzo longitudinal de compresión en la pared menor o igual al admisible.
Esfuerzo circunferencial en la pared menor o igual al admisible.
Fuerza cortante en la base menor o igual a la admisible.
Fuerza resistente de placa anular menor o igual a la admisible.
Si el tanque no anclado es inestable se debe tomar alguna de las siguientes medidas: [6]
Aumentar el espesor de la placa anular, sin exceder el espesor del primer anillo de la pared.
Aumentar el espesor del primer anillo de la pared.
Modificar dimensiones del tanque, aumentando el diámetro y disminuyendo la altura.
Anclar el tanque.
2.8.4. Criterios de estabilidad sísmica de un tanque anclado
Un tanque anclado debe cumplir los siguientes requisitos para considerarlo estable ante un
sismo: [3]
Esfuerzo longitudinal de compresión en la pared menor o igual al admisible.
Esfuerzo circunferencial en la pared menor o igual al admisible.
Si el tanque anclado es inestable se debe tomar alguna de las siguientes medidas: [6]
Aumentar el espesor de la placa anular, sin exceder el espesor del primer anillo de la pared.
Aumentar el espesor del primer anillo de la pared.
Modificar dimensiones del tanque, aumentando el diámetro y disminuyendo la altura.
25
2.8.5. Criterios de estabilidad por viento
Un tanque no anclado debe cumplir las condiciones establecidas por las siguientes 2 ecuaciones
para ser considerado estable ante la carga ejercida por la presión del viento, de no cumplirlas, se
deberá modificar la geometría de éste o anclarlo. [3]
(Ec. 2.12)
(Ec. 2.13)
Las 2 ecuaciones comparan los momentos ejercidos sobre la base del tanque por el viento ( )
y por la presión interna ( ) con los generados por la carga de la pared ( ), el techo ( ) y
el líquido ( ). La primera ecuación (Ec. 2.12) es más rigurosa que la segunda (Ec. 2.13) debido
a que no toma en cuenta el peso del líquido y considera en su totalidad la presión interna. El
factor de presión ( ) generalmente es igual a 0,4. [3]
CAPÍTULO III DISEÑO ESTRUCTURAL Y SÍSMICO DE TANQUES
Con la finalidad de alcanzar los objetivos planteados, se llevó a cabo un proceso de
investigación bibliográfica de las normas que determinan el cálculo estructural y sísmico de
tanques atmosféricos y de baja presión, estas fueron las siguientes:
El estándar API 650 “Welded Tanks for Oil Storage” (Tanques soldados para el
almacenamiento de crudo), en el cual se establecen los requisitos mínimos para el diseño,
fabricación, construcción de tanques cilíndricos verticales. [3]
El manual de ingeniería de diseño PDVSA FJ-251: Diseño sismorresistente de tanques
metálicos, en el cual se establecen los criterios mínimos para el diseño sísmico de tanques
cilíndricos verticales. [6]
El manual de ingeniería de diseño PDVSA JA-221: Diseño sismorresistente de instalaciones
industriales, en el cual se establecen las disposiciones generales de análisis y diseño para
instalaciones pertenecientes a PDVSA ubicadas en zonas sísmicas dentro del territorio de
Venezuela. [8]
Una vez estudiadas las normas que rigen el cálculo en cuestión, se procedió a programar el
cálculo en Excel®, para lo cual fue necesario familiarizarse con gran parte de las funciones
internas de éste.
Por otro lado, se contaba con el software comercial TANK™, el cual realiza el cálculo
estructural y sísmico del tanque según las normas API 650 [3], de manera tal que se utilizó para
la verificación y comparación del cálculo establecido por ésta.
27
3.1. Procedimiento de cálculo
Una vez revisada cada una de las normas involucradas en el cálculo, se realizó el procedimiento
del mismo, el cual se puede dividir en 5 partes:
Cálculo estructural.
Cálculo de estabilidad del tanque por viento
Cálculo de estabilidad sísmica por API 650.
Cálculo de estabilidad sísmica por PDVSA JA-221 y FJ-251.
Cálculo de pernos de anclaje del tanque.
3.1.1. Cálculo estructural.
El objetivo del cálculo estructural es determinar, para un material dado, los espesores mínimos
requeridos por la estructura para soportar el estado de cargas ejercido por la presión hidrostática
del fluido almacenado, la presión interna y su propio peso. Para ello se establecen los datos de
entrada necesarios:
Dimensiones del tanque.
Niveles del tanque.
Presión interna.
Temperatura máxima de diseño.
Gravedad específica del líquido.
Tolerancias por corrosión de las partes estructurales.
Una vez definidos los datos de entrada, se calculan los espesores mínimos de cada una de las
partes de la estructura del tanque: [3]
Pared: Se utiliza el método de cálculo de un pie.
Fondo y placa anular: Además del espesor, se determina el diámetro del fondo y el ancho
radial necesario de la placa anular.
28
Techo: Los tipos de techos considerados en el presente trabajo son los cónicos soportados y
los cónicos autosoportados.
Por otro lado, se determina a su vez, el módulo de sección mínimo requerido por los
rigidizadores de viento superior e intermedios, para mantener su forma cuando el tanque es
sometido a la presión del viento. [3]
El flujograma desarrollado para el cálculo estructural es el mostrado en la Figura 3.1:
Figura 3.1: Flujograma del cálculo estructural.
Las selecciones manuales indicadas en la Figura 3.1, representan una lista de los espesores
comerciales disponibles para la pared y placa anular, dicha selección es esencial ya que no
necesariamente se utiliza el mínimo requerido. Una vez realizadas estas selecciones e ingresados
Datos de entrada
Rigidizador
de vientoPared Fondo Techo
Espesores
de placas
Espesores
mínimos
(Método de
un pie)
Número de
anillos y
dimensiones
Peso
Espesor
mínimo de
placa anular
Ancho
radial placa
anular
Dimensiones
IntermedioSuperior
Altura
máxima
sin
rigidizar
(Hmax)
Módulo
de
sección
mínimo
Altura
trasformada
de la pared
(Htr)
Peso
Autosoportado Soportado
Espesor de
placas
Espesor de
placas
No
No
Sí
Sí
Peso
Peso
Selección
manual
Selección
manual
Espesor de
placa anular
Módulo de
sección
mínimo
¿Está dentro del
rango admisible?
¿ Cumple el requisito de área unión
pared-techo?
Selección
manual
¿Cumple Htr>
Hmax?
Sí
No es
necesario
No
Aumentar
inclinaciónSoportado
29
los datos de entrada se calculan los valores deseados y en el caso del techo cónico autosoportado
se indica si éste se puede utilizar o no dependiendo del espesor requerido por las placas.
3.1.2. Cálculo de estabilidad del tanque por viento
El cálculo de la estabilidad del tanque se realiza antes las cargas de viento y antes las cargas
producidas por un sismo. En lo que al viento se refiere, se comprueban la Ec. 2.11 y la Ec. 2.12
para determinar la estabilidad del tanque no anclado. [3]
El flujograma desarrollado para el cálculo de la estabilidad por viento se muestra en la Figura
3.2:
Figura 3.2: Flujograma del cálculo de estabilidad por viento.
En la Figura 3.2 se representa como se determina la estabilidad del tanque por viento mediante
la evaluación de las condiciones del tanque no anclado una vez ingresados los datos de entrada.
3.1.3. Cálculo sísmico por API 650
Para realizar el cálculo sísmico definido por la norma API 650 se necesitan conocer los datos de
entrada necesarios, dependientes de las condiciones del sistema: [3]
Datos de entrada
Momentos
involucrados
Tanque Estable
¿Cumple condiciones
de Tanque No
Anclado?
Sí
No
Tanque Inestable
Tanque No
Anclado
Tanque AncladoModificar
dimensiones
30
Parámetros de aceleración máxima y .
Grupo sísmico del tanque de acuerdo a su condición de riesgo.
Tipo de suelo en el cual se ubica el tanque.
Factor de importancia del sistema.
Coeficiente de aceleración vertical.
Para el caso de Venezuela, los parámetros de entrada de aceleración espectral y , son
obtenidos mediante la relación entre los espectros de respuesta ASCE 7-10 [9] y COVENIN
1756:2001 [7], definida en el punto 2.6.4 del presente trabajo.
El valor de la aceleración espectral de diseño ( ) se utiliza para calcular el parámetro ,
conociendo el tipo de suelo, utilizando la Figura A.1 mostrada en el Apéndice A del presente
trabajo y la siguiente relación: [9]
(Ec. 3.1)
El coeficiente de aceleración del sitio ( ) de la Ecuación 3.1 es definido por la Figura A.1, por
lo que mediante el uso combinado de ambas, se obtiene el valor del parámetro de entrada .
De manera similar, a partir del valor de aceleración espectral de diseño ( ), se calcula el
parámetro , conociendo el tipo de suelo, utilizando la Figura A.2 mostrada en el Apéndice A y
la siguiente relación: [9]
(Ec. 3.2)
El coeficiente de velocidad del sitio ( ) de la Ecuación 3.2 es definido por la Figura A.1, por lo
que mediante el uso combinado de ambas, se obtiene el valor del parámetro de entrada .
En el Apéndice B se muestra un ejemplo de la relación explicada para obtener los parámetros
de entrada del cálculo por API 650 [3], tomando en cuenta los parámetros definidos por
COVENIN 1756:2001 [7].
31
El cálculo de estabilidad sísmica se empieza estudiando el tanque no anclado, de manera tal que
se determine la necesidad o no de éste, para ello se calculan las siguientes variables: [3]
Coeficiente de aceleración impulsivo: Su valor depende de la condición de anclaje del
tanque y es la razón por la cual se debe analizar primero el tanque como no anclado.
Coeficiente de aceleración convectivo.
Fuerza resistente de la placa anular.
Fuerza cortante sobre la base.
Momento sísmico sobre la base.
Coeficiente de anclaje.
Esfuerzo circunferencial sobre el primer anillo.
Esfuerzo longitudinal de compresión sobre el primer anillo.
Altura de la ola sísmica.
Con los valores calculados, se verifican los criterios de estabilidad sísmica de un tanque no
anclado, definidos en la sección 2.8.3 del presente trabajo. De ser el tanque inestable, se toma
alguna de las medidas ahí propuestas. Si el tanque requiere ser anclado, entonces se calculan: [3]
Coeficiente de aceleración impulsivo.
Coeficiente de aceleración convectivo.
Fuerza cortante sobre la base.
Momento sísmico sobre la base.
Esfuerzo circunferencial sobre el primer anillo.
Esfuerzo longitudinal de compresión sobre el primer anillo.
Altura de la ola sísmica.
Con los valores calculados, se evalúan los criterios de estabilidad sísmica de un tanque anclado,
definidos en la sección 2.8.4. De ser el tanque inestable, se debe tomar alguna de las medidas ahí
propuestas, debido a que un tanque anclado no puede de ninguna manera ser inestable.
El flujograma desarrollado para el cálculo sísmico por API 650 se muestra en la Figura 3.3:
32
Figura 3.3: Flujograma del cálculo sísmico por API 650.
La selección manual indicada en la Figura 3.3 es esencial en el análisis sísmico ya que los
coeficientes de aceleración cambian, por esta razón, como se explicó anteriormente se selecciona
primero el tanque no anclado para evaluar la estabilidad del mismo. Por otro lado se determina la
altura de la ola sísmica, todo a partir de los datos de entrada.
3.1.4. Cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251
Para el cálculo sísmico definido por las normas PDVSA JA-221 [8] y FJ-251 [6], se deben
definir los datos de entrada necesarios, dependientes de las condiciones del sistema:
Datos de entrada
Fuerza cortante sobre
la base
Esfuerzo circunferencial
Esfuerzo longitudinal de
compresión
Fuerza resistente de placa anular
Coeficiente de Anclaje
Momento sísmico sobre
la base
Tanque No Anclado
Selecciónmanual
Altura de la ola sísmica
Alturas de centros de
acción
Sí
No
Aumentar altura del
tanqueNo
modificar
Tanque Anclado
Coeficientes de aceleración
ConvectivoImpulsivo
Coeficientes de aceleración
ConvectivoImpulsivo
Momento sísmico sobre
la base
Esfuerzo circunferencial
Esfuerzo longitudinal de
compresión
Sí
No
EstableInestable
Cargas actuantes
Anclar el Tanque
Aumentar espesor de placa anular
Aumentar espesor de pared inferior
Modificar diámetro y altura
Estable
Sí
No
Inestable
Aumentar espesor de placa anular
Aumentar espesor de pared inferior
Modificar diámetro y altura
¿Cumplen valores
admisibles?
¿Cumplen valores
admisibles?
¿Cumple la altura mínima libre?
33
Forma espectral.
Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal.
Factor de ductilidad.
Aceleración característica del peligro sísmico: Proveniente de un mapa. [6]
Valor característico del peligro sísmico: Proveniente de un mapa. [6]
Probabilidad anual de excedencia: Definida a partir del grado de riesgo.
El cálculo de estabilidad sísmica se empieza estudiando el tanque no anclado, de manera tal que
se determine la necesidad o no de éste, para ello se calculan la siguiente serie de valores: [6, 8]
Coeficiente de aceleración impulsivo: Su valor depende de la condición de anclaje del
tanque y es la razón por la cual se debe analizar primero el tanque como no anclado.
Coeficiente de aceleración convectivo.
Coeficiente de aceleración vertical.
Fuerza resistente de la placa anular.
Fuerza cortante reducida sobre la base.
Momento sísmico reducido sobre la base.
Coeficiente de anclaje.
Esfuerzo circunferencial sobre el primer anillo.
Esfuerzo longitudinal de compresión sobre el primer anillo.
Altura de la ola sísmica.
Con los valores calculados, se verifican los criterios de estabilidad sísmica de un tanque no
anclado, definidos en la sección 2.8.3 del presente trabajo. De ser el tanque inestable, se toma
alguna de las medidas ahí propuestas. Si el tanque requiere ser anclado, se calculan entonces los
siguientes valores: [6, 8]
Coeficiente de aceleración impulsivo.
Coeficiente de aceleración convectivo.
Coeficiente de aceleración vertical.
Fuerza cortante reducida sobre la base.
34
Momento sísmico reducido sobre la base.
Esfuerzo circunferencial sobre el primer anillo.
Esfuerzo longitudinal de compresión sobre el primer anillo.
Altura de la ola sísmica.
Con los valores calculados, se evalúan los criterios de estabilidad sísmica de un tanque anclado,
definidos en el punto 2.8.4. De ser el tanque inestable, se debe tomar alguna de las medidas ahí
propuestas, debido a que un tanque anclado no puede de ninguna manera ser inestable.
El flujograma desarrollado para el cálculo sísmico por PDVSA JA-221 [8] y FJ-251 [6] se
muestra en la Figura 3.4:
Figura 3.4: Flujograma del cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251
Datos de entrada
Fuerza cortante
reducida en la
base
Esfuerzo circunferencial
Esfuerzo longitudinal de
compresión
Fuerza resistente de placa anular
Coeficiente de anclaje
Momento reducido en la
base
Tanque No Anclado
Selecciónmanual
Altura de la ola sísmica
Alturas de centros de
acción
¿Cumple la altura mínima libre?
Sí
No
Aumentar altura del
tanqueNo
modificar
¿Cumplen valores
admisibles?
Tanque Anclado
Coeficientes de aceleración
ConvectivoImpulsivo
Coeficientes de aceleración
ConvectivoImpulsivo
Momento reducido en la
base
Esfuerzo circunferencial
Esfuerzo longitudinal de
compresión
Sí
No
EstableInestable
Cargas actuantes
Anclar el Tanque
Aumentar espesor de placa anular
Aumentar espesor de pared inferior
Modificar diámetro y altura
Estable
Sí
NoInestable
Aumentar espesor de placa anular
Aumentar espesor de pared inferior
Modificar diámetro y altura
Vertical Vertical
¿Cumplen valores
admisibles?
35
La selección manual indicada en la Figura 3.4 es esencial en el análisis sísmico ya que los
coeficientes de aceleración cambian, por esta razón, como se explicó anteriormente se selecciona
primero el tanque no anclado para evaluar la estabilidad del mismo. Por otro lado se determina la
altura de la ola sísmica, todo a partir de los datos de entrada.
3.1.5. Cálculo de pernos de anclaje del tanque
La inestabilidad de un tanque trae como consecuencia la necesidad de anclar el mismo, siempre
y cuando las modificaciones de espesores y/o dimensiones del tanque no resulten ser una
solución práctica. El dimensionamiento de los pernos de anclaje se realiza con la mayor de las
cargas listadas en la Figura C.1 mostrada en el Apéndice C, independientemente de cuál haya
sido la causa del requerimiento de anclaje (viento, sismo o cualquier otra).
El número mínimo de pernos necesarios para anclar el tanque depende del diámetro del mismo,
ya que la distancia circunferencial entre anclajes no debe exceder los 3 metros, sin embargo, para
tanques menores de 15 metros de diámetro, dicha distancia no deberá ser mayor a 1,8 metros [3].
De esta manera al dividir el perímetro del tanque entre el espaciamiento mínimo se obtiene el
número mínimo de pernos. Por su parte, dicho número se redondea al múltiplo de 4 superior
inmediato para obtener una distribución equitativa de esfuerzos, esto debido a la división del
plano de la circunferencia del taque en cuatro cuadrantes.
Una vez determinado el número de pernos y la carga máxima de diseño, se calcula el diámetro
de éstos a tracción mediante la siguiente ecuación:
(Ec. 3.3)
El esfuerzo ( ) utilizado para este cálculo es el 80% del esfuerzo cedente del perno [3],
mientras que representa la carga por perno a resistir, de esta manera, tomando en cuenta la
tolerancia por corrosión radial del perno (CAP), se determina el diámetro ( ) de los pernos.
36
El flujograma desarrollado para el cálculo de pernos de anclaje se muestra en la Figura 3.5:
Figura 3.5: Flujograma del cálculo de pernos de anclaje
La selección manual indicada en la Figura 3.5 se realiza conociendo la estabilidad del tanque
dada por el viento y por el sismo. Por otro lado, la opción de considerar el techo frágil permite
tomar o no en consideración dicha condición en el diseño de la unión pared-techo que protege al
tanque de una sobrepresión interna.
3.2. Tanques calculados
Se utilizaron tanques de distintos proyectos actuales en los cuales la empresa Inelectra está
involucrada, para así obtener los resultados a ser analizados, éstos son los mostrados en la Tabla
3.1:
Presión
de diseño
Presión de
prueba
Presión
de fallaPresión de diseño
+
Carga por sismo
Carga por
viento
Carga por perno
Máxima carga de
levantamiento
Presión de
fragilidad
Número mínimo
de pernos
Carga
por sismoPresión de diseño
+
Carga por viento
Diámetro de los
pernos
Estabilidad sísmica PDVSA
Estabilidad sísmica API 650
Estabilidad ante el viento
Selección manual
Tanque No Anclado
Tanque Anclado
Considerar techo frágil
Selección manual
No se calculan los pernos
37
Tabla 3.1: Lista de tanques calculados
Proyecto D
(m) H
(m) Fluido Fijación TAG Cod.
PETROCEDEÑO
33 19 Diluyente No Anclado T-3101 A1 24 20 Agua Limpia No Anclado T-3920 A2 18 9 Agua Contaminada Anclado T-3900 A3 20 15 Agua Sucia Anclado T-3602 A4
REFINERÍA PUERTO LA
CRUZ
11 10 Agua Filtrada Anclado D-8907 B1 8 4 Agua Potable Anclado D-8906 B2 27 15 Agua Desmineralizada Anclado D-8903 B3 40 19 Agua Fresca Anclado D-8901 B4
TERMOZULIA III
27 12 Destilado N° 2 Sucio Anclado 30EGB10BB001 C1 27 12 Destilado N° 2 Limpio Anclado 30EGB20BB001 C2 19 12 Agua Desmineralizada Anclado 30GHC10BB001 C3
Se tienen entonces 4 tanques del proyecto de ampliación de las facilidades de producción de
crudo de Petrocedeño, 4 tanques del proyecto de refinación y mejoramiento de crudos de la
Refinería de Puerto la Cruz y 3 tanques del proyecto de generación de potencia y sistemas de
transmisión de la planta Termozulia III [1]. En la Tabla 3.1 se observan las características
principales de cada uno de éstos, así como el código (Cod.), que se le asignó (última columna) en
el presente trabajo para facilitar el análisis al momento de compararlos.
Los datos de entrada necesarios para el cálculo de cada uno de los tanques se muestran
detalladamente en el Apéndice D. Por último, vale destacar el hecho de que la relación entre los
espectros de respuesta ASCE 7-10 [9] y COVENIN 1756:2001 [7] definida en el punto 2.6.4, se
aplicó únicamente al proyecto Petrocedeño debido a que para éste se especificaban los
parámetros sísmicos dados por esta última, mientras que para los otros 2 proyectos se
especificaban directamente los correspondientes a la norma ASCE 7-10 [9] a través de un estudio
específico del sitio.
CAPÍTULO IV RESULTADOS DEL CÁLCULO DE TANQUES
Los resultados obtenidos se presentarán de la siguiente manera:
Hoja de Cálculo.
Validación del cálculo
- Validación del cálculo estructural.
- Validación del cálculo de estabilidad del tanque por API 650.
- Validación del cálculo de estabilidad del tanque por PDVSA.
Comparación de resultados sísmicos obtenidos por API 650 y PDVSA.
4.1. Hoja de Cálculo
El diseño y programación de la Hoja de Cálculo se realizó de manera tal de que tuviese una
interfaz amigable con el usuario. Por ello, se dividió ésta en 8 secciones:
Presentación.
Estructura.
Viento.
Sismo API.
Sismo PDVSA.
Anclaje.
Resumen.
Detalles.
39
La sección de “Presentación” está destinada para el ingreso de los datos del proyecto y del
tanque a calcular. En las secciones de "Estructura", "Viento", “Sismo API", “Sismo PDVSA" y
“Anclaje" se ingresan los datos de entrada para cada uno de los cálculos y se muestran los
resultados. En la ventana de “Detalles” se encuentran las tablas y figuras de las normas utilizadas,
así como también gran parte de la automatización necesaria de ciertos cálculos. Por su parte, la
hoja de “Resumen” contiene los resultados finales fundamentales de todas las secciones
anteriores.
En el Apéndice E se presenta la guía para el uso de la Hoja de Cálculo, en la cual se explica en
detalle cada una de las secciones que la integran, así como también las características principales
de la misma. Además se ilustra el ejemplo completo para uno de los tanques calculados.
4.2. Validación del cálculo
Con el fin de verificar que los resultados obtenidos por la Hoja de Cálculo sean correctos y
confiables, se compararon éstos con el programa certificado TANK™ y ejemplos de la norma
PDVSA F-201 [11].
4.2.1. Validación del cálculo estructural
Para verificar los resultados estructurales obtenidos por API 650 [3], se compararon éstos con
los dados por el programa certificado TANK™ para los tanques de los distintos proyectos
mencionados en la Tabla 3.1 del presente trabajo. Los resultados obtenidos tanto por el programa
TANK™, como por la Hoja de Cálculo, se presentan en el Apéndice F en las Tablas F.1 y F.2
respectivamente. Con éstas se llevó a cabo la comparación que se realizó calculando la diferencia
de magnitud en los espesores obtenidos por la Hoja de Cálculo con respecto al programa
TANK™. Teniendo esto en cuenta se presenta la Tabla 4.1:
40
Tabla 4.1: Diferencia del cálculo estructural de la Hoja de Cálculo con respecto al del programa TANK™
Espesor A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 Promedio Pared por diseño (mm) 0,0 0,5 0,2 0,1 0,0 0,0 0,0 -0,2 0,0 0,0 0,3 ±0,1
Pared por prueba hidrostática (mm) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,1 -0,2 0,0 0,0 0,3 ±0,1
Techo (mm) 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Fondo (mm) 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Placa anular (mm) 0,0 0,0 0,0 -1,1 0,0 0,0 0,0 0,0 -1,1 -1,1 0,0 -0,3 Ancho Placa Anular (mm) 16,0 14,6 0,7 -80,2 16,3 -3,9 26,9 32,0 -35,7 0,3 13,5 ±21,8
La mayor diferencia entre los espesores mínimos calculados por la Hoja de Cálculo y el
programa TANK™, de acuerdo a la Tabla 4.1, es igual a -1,1 milímetros y se da en la placa
anular de los tanques A4, C1 y C2, en los demás ésta es prácticamente nula, razón por la cual se
puede decir que los resultados son aceptables. Por su parte, el cálculo del ancho mínimo de la
placa anular es variable, dando en unos mayor y en otros menor al del programa TANK™, sin
embargo, dichas diferencias se dan sobre valores relativamente altos de aproximadamente 800
milímetros, de manera tal que representan un porcentaje bajo de error (máximo de 10%), por lo
tanto, los valores se consideran igualmente aceptables.
4.2.2. Validación del cálculo de estabilidad del tanque por viento
Para verificar el cálculo de estabilidad del tanque por viento, se compararon éstos con los dados
por el programa certificado TANK™ para los tanques de los distintos proyectos mencionados en
la Tabla 3.1 del presente trabajo. Los resultados obtenidos tanto por el programa TANK™, como
por la Hoja de Cálculo, se presentan en la Tabla 4.2:
41
Tabla 4.2: Comparación del cálculo de estabilidad por viento de la Hoja de Cálculo con respecto al programa TANK™
Tanque
Programa TANK Hoja de Cálculo Diferencia porcentual
Momento por presión del viento
Momento por presión del viento
(N*m) (N*m) A1 5.541.700 4.875.749 -12 A2 2.643.700 2.389.871 -10 A3 798.180 617.492 -23 A4 1.000.700 1.121.742 12 B1 217.750 310.529 43 B2 60.040 61.406 2 B3 2.749.600 3.602.337 31 B4 7.955.200 8.541.819 7 C1 2.807.600 3.944.401 40 C2 2.807.600 3.944.401 40 C3 1.077.500 1.546.959 44
Promedio - - 16
La mayor diferencia en el cálculo del momento producido por la presión del viento, de acuerdo
a la Tabla 4.2, se da en el tanque C3 y es igual al 44%. Ésta se da debido a que la Hoja de Cálculo
considera un factor de exposición para la altura media del tanque y otro para la altura total del
mismo, obteniendo así, en la mayoría de los casos, resultados mayores debido a que el factor de
exposición aumenta con la altura e incrementa directamente el éste momento. La diferencia
porcentual promedio del 16% resulta entonces aceptable, debido a la magnitud de los momentos
comparados.
4.2.3. Validación de cálculo sísmico por API 650
Para verificar el cálculo sísmico por API 650 [3], se compararon éstos con los dados por el
programa certificado TANK™ para los tanques de los distintos proyectos mencionados en la
Tabla 3.1 del presente trabajo. Los resultados obtenidos tanto por el programa TANK™, como
por la Hoja de Cálculo se presentan en el Apéndice G en la Tablas G.1 y G.2 respectivamente.
Con éstas se llevó a cabo la comparación que cual se realizó utilizando las diferencias
porcentuales de los valores obtenidos por la Hoja de Cálculo con respecto a los del programa
TANK™, de esta manera si el valor del programa era 100 y el de la Hoja era 110, la diferencia
sería del 10%. Teniendo esto en cuenta, se presenta la Tabla 4.3:
42
Tabla 4.3: Diferencia porcentual de los resultados obtenidos por la Hoja de Cálculo con respecto a los del programa TANK™
Tanque Aceleración impulsiva
Aceleración convectiva
Fuerza cortante
Esfuerzo circunferencial
Momento sísmico
Coeficiente de anclaje
Esfuerzo de compresión
Altura de la ola
A1 0 0 -1 7 -1 0 20 2 A2 0 3 0 17 1 6 36 2 A3 0 2 1 32 1 - 0 2 A4 0 0 -1 55 0 - 60 2 B1 0 1 0 -7 0 - 11 1 B2 0 1 -3 29 -2 - 0 2 B3 0 0 1 -48 1 - -44 1 B4 0 4 1 -46 0 - -33 1 C1 0 0 -1 25 -1 - 50 1 C2 0 0 -1 25 -1 - 50 1 C3 0 1 3 58 3 - 67 2
Promedio 0 1 0 13 0 3 20 2
La mayor diferencia porcentual promedio mostrada en la Tabla 4.3 se da para el esfuerzo de
compresión, representada por un 20% que se justifica por el hecho de que la Hoja de Cálculo
considera la disminución del espesor de la pared por corrosión, mientras que el programa
TANK™ no. Los valores obtenidos para el esfuerzo circunferencial se ven afectados de manera
similar, pero en una menor proporción (13%). Por su parte, el resto de los resultados han sido
exactos con respecto a los del programa TANK™, obteniendo diferencias menores al 3%.
Para comprobar que la diferencia en los esfuerzos sobre la pared del tanque está dada por la
consideración de la corrosión, se obtuvieron los resultados de una Hoja de Cálculo Modificada
que no tomara en cuenta la disminución del espesor de la pared por ésta, tal como en el programa
TANK™. De esta forma, se obtuvieron las diferencias porcentuales en los esfuerzos
circunferenciales y de compresión, presentadas en la Tabla G.3 del Apéndice G, teniendo como
resultado unas diferencias promedio del -11% y -7% respectivamente, las cuales se encuentran
dentro de un rango más aceptable.
4.2.4. Validación del cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251
Para verificar los resultados sísmicos obtenidos por PDVSA JA-221 [8] y FJ-251 [6], se
compararon éstos con un par de ejemplos dados por la norma PDVSA 90615.1.014 [11]
43
4.2.4.1. Comparación con el Ejemplo 1 de norma PDVSA 90615.1.014
El Ejemplo 1 de PDVSA 90615.1.014 [11] considera un tanque para almacenamiento de agua,
no anclado, de 26 metros de diámetro y 10 metros de altura de líquido. Los resultados obtenidos
se muestran en la Tabla 4.4:
Tabla 4.4: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo con respecto al Ejemplo 1 de PDVSA 90615.1.014
Valores Ejemplo 1 Hoja de Cálculo
Diferencia Porcentual
Aceleración impulsiva 0,632 0,635 0,5 Aceleración convectiva 0,133 0,133 0,0 Aceleración vertical 0,531 0,540 1,7 Peso del tanque (Kg/m) 1.062 1.031 -2,9 Fuerza cortante (Kg) 1.234.911 1.250.810 1,3 Esfuerzo circunferencial (Kg/cm²) 1.978 1.988 0,5 Momento sísmico (Kg*m) 4.964.526 5.024.805 1,2 Coeficiente de anclaje 1,21 1,22 0,8 Esfuerzo de compresión (Kg/cm²) 139 146 5,0 Altura de ola sísmica (m) 1,66 1,66 0,0
La diferencia porcentual mostrada en la Tabla 4.4 representa la desviación que existe entre el
resultado de la Hoja de Cálculo con respecto al del Ejemplo 1 para cada uno de los valores
comparados. Se puede observar que dichas diferencias son todas menores o iguales al 5%, lo cual
representa un porcentaje muy bajo considerando que muchos de los valores se obtienen mediante
gráficas, trayendo como consecuencia errores de apreciación. Precisamente, el esfuerzo de
compresión que representa la máxima diferencia porcentual, depende directamente del valor de la
fuerza de compresión que proviene de una gráfica [6].
4.2.4.2. Comparación con el Ejemplo 2 de PDVSA 90615.1.014
El Ejemplo 2 de PDVSA 90615.1.014 [11] considera un tanque para almacenamiento de agua
contra incendio, anclado, de 11,46 metros de diámetro y 10,20 metros de altura de líquido. Este
ejemplo tiene 2 partes a las cuales se les llamaron 2.A y 2.B, esto debido a que el primer cálculo
44
(2.A) da como resultado un tanque inestable al cual se le modifican los espesores de los anillos
de la pared y se realiza el segundo (2.B). Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 4.5:
Tabla 4.5: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo con respecto al Ejemplo 2 de PDVSA 90615.1.014
Valores Ejemplo 2.A
Hoja de Cálculo
Diferencia Porcentual
Ejemplo 2.B
Hoja de Cálculo
Diferencia Porcentual
Aceleración impulsiva 0,833 0,830 0 0,809 0,791 -2 Aceleración convectiva 0,424 0,424 0 0,424 0,424 0 Aceleración vertical 0,652 0,652 0 0,536 0,542 1 Fuerza cortante (Kg) 556.522 546.527 -2 543.182 523.838 -4 Esfuerzo circunferencial (Kg/cm²) 1.232 1.698 38 1.109 1.363 23
Momento sísmico (Kg*m) 2.340.081 2.306.432 -1 2.292.125 2.220.888 -3 Esfuerzo de compresión (Kg/cm²) 424 415 -2 353 340 -4
Esfuerzo de compresión admisible (Kg/cm²) 405 405 0 439 439 0
Altura de ola sísmica (m) 2,33 2,33 0 2,33 2,33 0
La diferencia porcentual mostrada en la Tabla 4.5 representa la desviación que existe entre el
resultado de la Hoja de Cálculo con respecto al del Ejemplo 2 para cada uno de los valores
comparados. Ante todo, se debe observar que el esfuerzo de compresión es mayor al admisible en
el Ejemplo 2.A, razón por la cual el tanque es inestable y se aumentan los espesores de los anillos
de las paredes, obteniendo de esta manera los resultados del Ejemplo 2.B donde dicho esfuerzo es
menor al admisible, siendo así estable. Ahora bien, las diferencias porcentuales se encuentran
dentro de un rango adecuado en cada uno de los valores a excepción del esfuerzo circunferencial,
el cual presenta una diferencia de 38% y 23% para los ejemplos 2.A y 2.B respectivamente.
La diferencia entre el esfuerzo circunferencial de la Hoja de Cálculo y el Ejemplo 2 se debe al
hecho de que éste último no considera la disminución del espesor en la pared del tanque por la
corrosión dada en el cálculo, razón por la cual se comparó con una Hoja de Cálculo Modificada
que tomara en cuenta la misma condición del ejemplo, de manera tal que se pudiese verificar la
confiabilidad del cálculo. De esta forma, se obtuvo la diferencia porcentual en el esfuerzo
circunferencial, presentadas en la Tabla G.4 del Apéndice G, teniendo como resultado unas
45
diferencias promedio del 8% para cada una de las partes del ejemplo, la cual entra dentro de un
rango más aceptable.
4.3. Comparación de resultados sísmicos obtenidos por API 650 y PDVSA JA-221 y FJ-251
Con la finalidad de determinar cuál cálculo sísmico es más crítico, se compararon los resultados
sísmicos de la Hoja de Cálculo obtenidos por API 650 [3] y PDVSA JA-221 [8] y FJ-251 [6] para
los tanques de los distintos proyectos mencionados en la Tabla 3.1 del presente trabajo. Los
resultados obtenidos por ambas normas se presentan en el Apéndice G en la Tablas G.2 y G.5
respectivamente. Con éstas se realizó la comparación, utilizando las diferencias porcentuales de
los valores obtenidos por PDVSA con respecto a los de API 650 [3], de esta manera si el valor de
API 650 [3] era 100 y el de la PDVSA era 80, la diferencia sería del -20%. Teniendo esto en
cuenta, se presenta la Tabla 4.6:
Tabla 4.6: Diferencia porcentual de los resultados obtenidos por PDVSA JA-221 y FJ-251 con respecto a los de API 650
Tanque Aceleración impulsiva
Aceleración convectiva
Fuerza cortante
Esfuerzo circunferencial
Momento sísmico
Coeficiente de anclaje
Esfuerzo de compresión
Altura de la ola
Tanques No Anclados A1 45 43 15 6 15 15 0 -4 A2 45 42 14 6 14 11 53 -2
Promedio 45 43 15 6 14 13 27 -3 Tanques Anclados
A3 95 43 47 8 43 - 25 -2 A4 128 45 77 9 73 - 50 -2 B1 77 15 39 12 38 - 30 -21 B2 42 58 11 10 14 - 50 9 B3 80 -5 42 10 41 - 40 -35 B4 80 -11 42 10 42 - 25 -36 C1 65 -41 31 6 23 - 17 -41 C2 65 -41 31 7 23 - 17 -41 C3 59 -25 15 2 6 - 0 -41
Promedio 77 ±31 37 8 33 - 28 -23
La Tabla 4.6 separa los tanques no anclados de los anclados, debido a que los factores de
modificación de respuesta cambian y afectan los valores calculados. A su vez, se presentan los
46
valores de desviación promedio de cada uno de los parámetros calculados tanto para tanques
anclados, como no anclados.
En general, todos los valores promedios comparados en la Tabla 4.6, a excepción de la altura de
la ola sísmica, dan diferencias porcentuales positivas, es decir, son mayores los obtenidos a través
del cálculo por PDVSA JA-221 [8] y FJ-251 [6] que por API 650 [3]. La diferencia en la
aceleración impulsiva, fuerza cortante y el momento sísmico, prácticamente se duplica en los
tanques anclados con respecto a los no anclados, esto se debe al aumento del coeficiente
equivalente de amortiguamiento que toma en consideración PDVSA cuando el tanque es anclado,
el cual incrementa radicalmente la aceleración impulsiva que causa el mismo efecto sobre el
momento y la fuerza calculada.
El promedio de la aceleración convectiva para tanques anclados se ve afectado por las
diferencias porcentuales negativas de los tanques de Termozulia III (C1, C2 Y C3) dadas por las
características particulares del sitio, de manera tal que rompen la tendencia con respecto a los
demás, sin embargo, deben ser igualmente considerados. Independientemente de esta variación,
la altura de la ola sísmica calculada por PDVSA FJ-251 [6] es menor. Esto se debe a la diferencia
de criterio entre ambas normas ya que API 650 [3] no considera el factor de modificación de
respuesta en el cálculo de ésta, mientras que la normas PDVSA sí.
Por último, vale destacar el hecho de que todos los resultados presentados están dados para
tanques estables, sean éstos no anclados o anclados cumpliendo los requisitos mencionados en las
secciones 2.8.3 y 2.8.5 para el primer tipo de fijación y, la sección 2.8.4 para el otro.
47
CONCLUSIONES
Los flujogramas desarrollados para cada una de las partes del cálculo, describen el
procedimiento a llevar a cabo, de manera tal que sirven como guía para programar el cálculo
en cualquier otra herramienta distinta a Excel®.
En base a las comparaciones realizadas, se puede decir que mediante el uso de la Hoja de
Cálculo se obtienen resultados confiables con respecto a las normas utilizadas.
Los resultados obtenidos por la Hoja de Cálculo permiten completar gran parte de la Hoja
de Datos de los tanque de almacenamiento de líquido a baja presión que se rigen bajo la
norma API 650.
El cálculo sísmico entre API 650 y PDVSA se diferencia en la determinación de los
coeficientes de aceleración impulsivo y convectivo debido a los distintos parámetros de
entrada. De ahí en adelante, el cálculo es muy similar.
La altura de la ola sísmica calculada por las normas PDVSA es ligeramente menor a la
calculada por API 650.
Las normas sísmicas de PDVSA aumentan significativamente el coeficiente de aceleración
impulsivo cuando el tanque es anclado, debido al incremento de uno de los parámetros que
determinan el espectro de respuesta.
El momento sísmico, la fuerza cortante, el esfuerzo de compresión y el coeficiente de
anclaje obtenido por PDVSA es mayor que el obtenido por API 650, de manera tal que, el
primero es más crítico, severo y riguroso.
48
RECOMENDACIONES
Incluir el diseño estructural del número de columnas, trabes y largueros necesarios para un
techo cónico soportado, así como también los perfiles requeridos para soportar el estado de
cargas ejercido sobre éstos.
Agregar una opción de verificación estructural de un techo cónico soportado, esto debido a
que en ocasiones es necesario comprobar que una estructura dada, soporta el estado de
cargas ejercido sobre ésta.
Añadir la opción del techo tipo domo en el cálculo.
Permitir introducir los datos en la Hoja de Cálculo en cualquier sistema de unidades,
obteniendo de igual manera los resultados.
Agregar el cálculo sísmico considerando los parámetros de entrada dados por la norma
COVENIN 1756:2001, de manera tal que se obtengan las aceleraciones impulsivas y
convectivas utilizando el espectro de respuesta de éste, continuando el cálculo a partir de
este punto a través del procedimiento de las normas sísmicas PDVSA. Esto se plantea
debido a que en gran parte de los proyectos en Venezuela, se especifica el uso de los
parámetros dados por COVENIN 1756:2001 para realizar el análisis sísmico.
49
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Inelectra, “Nuestra Empresa”, [en línea]. Disponible en Internet: http://www.inelectra.com/nuestra-empresa.php, consultado el 16 de Octubre de 2012.
[2] Padrón, L y Ramírez, R., “Taller de Cálculo de Tanques de Almacenamiento según API 650 11va Edición”.
[3] API, “Welded Tanks for Oil Storage”, API 650, Eleventh Edition, Washington D.C., 2012.
[4] Inglesa, “Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento”, [en línea]. Disponible en Internet: www.inglesa.com.mx/books/DYCTA.pdf, consultado el 20 de Septiembre de 2012.
[5] CB&I, "Introducción a los Tanques API 650 (I)", [diapositivas de PowerPoint], Octubre de 2012.
[6] PDVSA, “Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”, Manual de Ingeniería de Diseño PDVSA N° FJ-251, Volumen 19, 1999.
[7] COVENIN, “Edificaciones Sismorresistentes Parte 1: Articulado”, COVENIN 1756:2001-1, Fondonorma, Caracas, 2001.
[8] PDVSA, “Diseño Sismorresistente de Instalaciones Industriales”, Manual de Ingeniería de Diseño PDVSA N° JA-221, Volumen 18-1, 1999
[9] ASCE, “Minimun Design Loads for Buildings and Other Structures”, ASCE/SEI 7-10, Virginia, 2010.
[10] Hernández, R., “Interpretación de Normas Sísmicas para Tuberías y Mecánica”, [diapositivas de PowerPoint], Septiembre de 2012.
[11] PDVSA, “Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”, Guía de Ingeniería PDVSA 90615.1.014, Volumen 19, 1999.
[12] PDVSA, "Atmospheric Storage Tanks", Engineering Design Manual PDVSA N° F-201, Volume 19, 2000.
50
APÉNDICE A
Valores de los coeficientes de aceleración y velocidad del sitio
51
Figura A.1: Valores del coeficiente de aceleración del sitio. [3]
Figura A.2: Valores del coeficiente de velocidad del sitio. [3]
52
APÉNDICE B
Ejemplo de la relación sísmica entre ASCE 7-10 y COVENIN 1756:2001
53
La norma COVENIN 1756:2001 [7] define la zona sísmica de acuerdo al municipio en el cual
se encuentra el tanque. El proyecto de ampliación de las facilidades de producción de crudo de
Petrocedeño, está ubicado en el Municipio José Gregorio Monagas, estado Anzoátegui,
Venezuela, de manera tal que se obtienen los valores de la Tabla B.1:
Tabla B.1: Valores que definen el espectro de respuesta de COVENIN 1756:2001 para los tanques de Petrocedeño
Zona sísmica
Tipo de suelo
Forma espectral Ao ϕ T* (s) To (s) Β p α
2 Duros o densos S2 0,15 0,8 0,7 0,175 2,6 1 1
Con los valores obtenidos de la Tabla B.1, se calcula mediante el uso de la Ec. 2.5 el parámetro
de aceleración espectral de diseño ( ):
El valor del parámetro de aceleración espectral ( ) se obtiene ubicando el período de 1
segundo en el espectro de respuesta COVENIN 1756:2001 [7] (Figura 2.10) de acuerdo a los
valores de los períodos T* y To de la Tabla B.1, por lo tanto la ecuación utilizada es la siguiente:
(Ec. B.1)
Teniendo como resultado, considerando el cálculo del parámetro a través de la Ec. 2.7, el
siguiente:
Siguiendo el procedimiento explicado en la sección 3.1.3 del presente trabajo, se obtienen
entonces los parámetros de aceleraciones espectrales de entrada para el cálculo por API 650:
54
Para obtener los valores de los parámetros de entrada ( y ) requeridos por API 650, se
programó un cálculo para este caso en particular mostrado en la Figura B.1, ya que de lo
contrario sería necesario un proceso de tanteo.
D
S2
0,15
1,0
1,0
0,80
2,60
0,03
0,70 s
Factor de amplificación espectral (β*) 3,03
0,363 g
0,254 g
0,25 0,5 0,75 1 1,25
Suelo Ss ≤ 0,25 Ss = 0,50 Ss = 0,75 Ss = 1,0 Ss ≥ 1,25
A 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8
B 1 1 1 1 1
C 1,2 1,2 1,1 1 1
D 1,6 1,4 1,2 1,1 1
E 2,5 1,7 1,2 0,9 0,9
F
Sds* 0,267 0,467 0,600 0,733 0,833
Ss: 0,362 g
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Suelo S1 ≤ 0,1 S1 = 0,2 S1 = 0,3 S1 = 0,4 S1 ≥ 0,5
A 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8
B 1 1 1 1 1
C 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3
D 2,4 2 1,8 1,6 1,5
E 3,5 3,2 2,8 2,4 2,4
F
Sd1* 0,160 0,267 0,360 0,427 0,500
S1: 0,161 g
S1 (intermedio):0,161
Factor de importancia (α)
Aceleración Sds
Tabla de valores de Fa
Tabla de valores de Fv
0,362Ss (intermedio):
Aceleración Sd1
Período (T*)
Exponente descendente del espectro (p)
Aceleración horizontal máxima (Ao)
Datos de entrada
Datos calculados
Tipo de Suelo
Coeficiente de amortiguamiento (ξ)
Parámetro (β)
Factor de corrección (ϕ)
Forma espectral
Figura B.1: Cálculo de los parámetros de entrada de API 650 a partir de los dados por COVENIN
1756:2001
55
APÉNDICE C
Cargas de levantamiento sobre los pernos de anclaje
56
Figura C.1: Cargas de levantamiento sobre los pernos de anclaje. [3]
57
APÉNDICE D
Datos de entrada para el cálculo de los tanques
58
A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3
Diámetro nominal del tanque (D) m 33,04 24,38 17,50 19,81 10,67 7,62 27,43 39,62 27,43 27,43 19,10
Altura del tanque (H)
m 19,06 19,51 9,30 14,73 9,75 4,27 14,63 18,62 12,06 12,06 12,06
Nivel alto de líquido (HLL) m 16,48 18,80 8,12 12,44 6,90 3,10 13,36 14,94
Nivel muy alto de líquido (HHLL) m 17,39 19,03 9,00 14,03 8,15 3,20 13,51 15,11 11,38 11,38 11,30
Nivel bajo de líquido (LLL) m 2,14 1,77 6,87 6,62 2,16 0,76 0,97 2,03
Nivel muy bajo de líquido (LLLL) m 1,50 1,51 4,16 5,16 1,02 0,56 0,81 1,80 0,60 0,60 0,40
Gravedad específica (G)
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
Presión interna de diseño (Pi) KPa 0,5 1,5 1,8 1,8 0,4 0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 5,0
Presión externa de diseño (Pe) KPa 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25
Temperatura mínima del metal
°C 12 12 12 12 20 20 20 20 40 40 40
Temperatura máxima de diseño °C 50 95 95 95 66 66 66 66 40 40 40
Ancho de láminas de la pared m 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 3,0 3,0 3,0
Corrosión admisible al cuerpo (CA) mm 3,0 3,0 3,0 6,0 1,5 1,5 1,5 1,5 3,2 3,2 3,2
Espesor de placas del fondo m 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
Corrosión admisible al fondo (CAF) mm 3,0 3,0 3,0 6,0 1,5 1,5 1,5 1,5 3,2 3,2 3,2
Espesor mínimo del techo
m 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5
Corrosión admisible al techo (CAT) mm 3,0 3,0 3,0 6,0 1,5 1,5 1,5 1,5 3,2 3,2 3,2
Inclinación del techo (ϴ) ° 10 10 10 10 10 10 4 4 4,8 4,8 4,8
Carga viva sobre el techo (Lr)
KPa 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,3 1,3 1,3
Tipo de techo Cónico Soportado
Cónico Soportado
Cónico Soportado
Cónico Soportado
Cónico Auto-
soportado
Cónico Auto-
soportado
Cónico Auto-
soportado
Cónico Auto-
soportado
Cónico Auto-
soportado
Cónico Auto-
soportado
Cónico Auto-
soportadoDensidad del material (ρ)
Kg/mᶟ 7850 7850 7850 7850 7850 7850 7850 7850 7850 7850 7850
Material A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M
Anillo 1 mm 22 19 10 16 8 6 25 38 13 13 10
Anillo 2 mm 19 16 8 16 8 6 19 25 10 10 10
Anillo 3 mm 16 16 8 13 7 16 19 8 8 7
Anillo 4 mm 16 13 8 13 6 16 19 6 6 6
Anillo 5 mm 13 13 10 6 13 13
Anillo 6 mm 10 10 8 6 8
Anillo 7 mm 7 8 8 6 8
Anillo 8 mm 7 7 8
Anillo 9 mm 7
Anillo 10 mm
Placa anular mm 16 13 10 13 8 8 8 8 10 10 10
Selección de espesores
Tabla D.1: Datos de entrada para el cálculo de los tanques
Datos de diseño
Datos de proceso
59
A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3
Velocidad del viento (V)
Kmh 90 90 90 90 85 85 85 85 103 103 103
Factor de combinación de
presión (Fp)0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
Factor de importancia ante el
viento (I)1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,15 1,15 1,15
Tipo de exposición C C C C C C C C D D D
Parámetro de aceleración
espectral (Ss)0,362 0,362 0,362 0,362 1,020 1,020 1,020 1,020 0,450 0,450 0,450
Parámetro de aceleración
espectral (S1)0,161 0,161 0,161 0,161 0,230 0,230 0,230 0,230 0,259 0,259 0,259
Grupo sísmico 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
Tipo de suelo D D D D D D D D D D DFactor de
importancia (I)1,25 1,25 1,25 1,25 1,45 1,45 1,45 1,45 1,50 1,50 1,50
Período de transición regional
(TL)
s 4 4 4 4 4 4 4 4 6 6 6
Coeficiente de ajuste (K) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
Coeficiente de aceleración vertical
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Tipo de fijación No Anclado
No Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado
Coeficiente de roce entre fondo y fundación (μ)
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
Forma espectral S2 S2 S2 S2 S1 S1 S1 S1 S2 S2 S2
Grado de riesgo B B B B B C B B C C C
Factor de corrección (ϕ)
0,95 0,95 0,95 0,95 0,90 0,90 0,90 0,90 0,95 0,95 0,95
Factor de Ductilidad (D)
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
Tipo de fijaciónNo
Anclado No AncladoNo
AncladoNo
Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado
Coeficiente de roce entre fondo y fundación (μ)
0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4
Aceleración característica del
38 38 38 38 60 60 60 60 26 26 26
Valor característico del peligro sísmico
(Ƴ)4,25 4,25 4,25 4,25 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75
Probabilidad anual de excedencia (p1)
0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,0005 0,001 0,001 0,0005 0,0005 0,0005
Considerar pernos de anclaje
No No Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí
Material del perno A 36 A 36 A 36 A 36 A 36 A 36 A 36 A 36 A 36
Corrosión admisible del perno (CAP) mm 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
Considerar techo frágil
Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí
Datos de anclaje
Tabla D.1: Datos de entrada para el cálculo de los tanques (Continuación)
Datos de viento
Datos sísmicos API 650
Datos sísmicos PDVSA
60
APÉNDICE E
Guía para el uso de la Hoja de Cálculo
61
La Hoja de Cálculo está dividida en 8 secciones: Presentación, Estructura, Viento, Sismo (API), Sismo (PDVSA), Anclaje, Resumen y Detalles. Éstas se pueden observar en la Figura E.1:
Figura E.1: Hoja de Cálculo y sus secciones
1. Presentación: En esta sección se ingresa el nombre de quien realiza el cálculo así como el de
quien lo revisa y los siguientes datos que caracterizan el proyecto y el tanque a calcular:
Ciudad, Estado, País, Tipo de tanque, Servicio, Número de TAG, Proyecto, Cliente, Número
de documento y Fecha. Todos estos datos se colocarán automáticamente en el encabezado de
cada página del cálculo, tal como se muestra en la Figura E.2:
TAG:Ubicación:
Cálculo estructural del tanque API 650
Servicio:Proyecto: Nro. de documento:
Fecha:Elaborado por:Revisado por:
Comentarios:
Hoja 1 / 2
Figura E.2: Encabezado de las páginas del cálculo.
Secciones
62
De la Figura E.2 se puede observar a su vez como se deja un espacio para cualquier comentario
que sea necesario realizar en alguna página del cálculo de un tanque.
2. Estructura: Esta sección está compuesta por 2 hojas en las que se realiza el cálculo
estructural del tanque por API 650, ingresando los datos de entrada y de diseño resaltados en
casillas azules, tal como se puede observar en la Figura E.3:
Figura E.3: Datos de entrada y de diseño estructural
Los datos de entrada del proceso son los siguientes:
Diámetro nominal del tanque (m): Se refiere al diámetro interno del mismo y debe ser
menor a 61 metros para poder utilizar el método de un pie para el cálculo de las paredes. [3]
Altura del tanque (m).
Niveles del tanque (m): HHLL, HLL, LLL, LLLL.
Gravedad específica del líquido: Para el diseño, si la densidad es menor a la del agua, se
debe ingresar este valor igual a 1. [12]
Presión interna de diseño (KPa): Debe ser entre 0 y 18 KPa (0 y 2,5 psig) para este tipo de
tanques. [3]
Temperatura máxima de diseñoTemperatura mínima del metal
mm
Datos de entrada
Kg/mᶟ
KPa°mmmm
mmmm
Ver detalles
°C°C
mAncho de láminas de la paredCorrosión admisible al cuerpo (CA)
Espesor de placas del fondoCorrosión admisible al fondo (CAF)
Espesor mínimo del techoCorrosión admisible al techo (CAT)Ángulo de inclinación del techo (ϴ)Carga viva sobre el techo (Lr)Tipo de techo
mm
mm
KPaKPa
mm
Datos de diseño
Ver Tabla de Materiales y Detalles
Pared
Fondo
Techo
General
Diámetro nominal del tanque (D)Altura del tanque (H)Nivel alto de líquido (HLL)Nivel muy alto de líquido (HHLL)Nivel bajo de líquido (LLL)Nivel muy bajo de líquido (LLLL)Gravedad específica (G)Presión interna de diseño (Pi)Presión externa de diseño (Pe)
Densidad del material (ρ)Material (Tabla 5.2b Sec. 5.6.2)
Datos de entrada
Datos de diseño
63
Presión externa de diseño (KPa): Es utilizado para el cálculo del espesor del techo cónico
autosoportado y su valor mínimo es 0,25 KPa, a menos que se cumplan los requisitos de
venteo del Apéndice H. [3]
Temperatura mínima del metal de diseño (°C): Se recomienda que sea 8°C mayor que la
temperatura ambiente promedio más baja durante un día. [3]
Temperatura máxima de diseño (°C): A partir de 93°C se modifica el esfuerzo de diseño de
acuerdo a los factores dados por el Apéndice M. Dicha modificación la realiza la Hoja de
Cálculo automáticamente. Sin embargo, esta temperatura no puede ser mayor a 260°C. [3]
En lo que a los datos de diseño se refiere, éstos son los siguientes:
Ancho de lámina de la pared (m): Este valor depende de las láminas disponibles en el
mercado, sin embargo, el ancho mínimo requerido es de 1,8 m [3], mientras que el de 2,4 m
es el más común.
Espesor de placas de fondo (mm): El valor nominal mínimo nominal sin incluir la tolerancia
por corrosión es de 6 mm. [3]
Espesor mínimo del techo (mm): El valor mínimo recomendado es de 5 mm. [3]
Tolerancias por corrosión de pared, fondo y techo [mm]: Debe ser mayor o igual a 1,5 mm.
[12]
Carga viva sobre el techo (KPa): Es aquella representada por cualquier carga sobre el techo
excluyendo su propio peso. Está dada en forma de presión y el valor mínimo es igual a 1
KPa. [3]
Tipo de techo: Se debe seleccionar para el cálculo si el techo es cónico soportado o
autosoportado. Es recomendable para diámetros mayores a 12 m utilizar techos cónicos
soportados.
Ángulo de inclinación del techo (°): Para techos cónicos autosoportados, éste debe estar
entre 9,5° (2:12) y 37° (9:12) y para cónicos soportados debe ser mayor o igual a 3,6°
(1:16). [3]
Material: Se selecciona el material de las placas a partir de una lista desplegable.
Densidad del material [Kg/m²]: El valor recomendado es de 7850 Kg/m².
64
Una vez ingresados los datos de entrada y de diseño, se deben seleccionar los espesores de los
anillos de las paredes a partir de los espesores mínimos calculados. Dicha selección se realiza a
partir de una lista desplegable que tendrá disponible los espesores comerciales mayores al
mínimo requerido, tal como se puede observar en la Figura E.4:
Figura E.4: Selección de espesores de los anillos
De manera similar, una vez definidos los espesores de la pared, se debe seleccionar el espesor
comercial de la placa anular a partir de una lista desplegable, a partir del valor mínimo requerido,
tal como se muestra en la Figura E.5:
Figura E.5: Selección de espesor de placa anular
65
Una vez realizadas estas selecciones, finaliza el cálculo estructural, sin embargo hay que
verificar si el techo puede ser autosoportado en caso de que ésta haya sido la selección. La Hoja
de Cálculo informa si existe algún inconveniente como el mostrado en la Figura E.6:
°mm inm² ft²
Diseño del techo (Sec. 5.10)
PesoÁrea de superficieEspesor de placas (th)Ángulo de inclinación (ϴ)
Tipo de techo Cónico Autosoportado
313>13+cat
10>1/2+cat
3.369
Espesor de placa Muy Grande (Aumentar inclinación del techo)
Figura E.6: Alerta de uso de techo cónico autosoportado
En el caso presentado en la Figura E.6, el espesor de las placas requerido es mayor a 13 mm
más la corrosión admisible, razón por la cual se debe aumentar el ángulo de inclinación del techo,
tomando en cuenta que si bien la norma permite hasta 37°, generalmente éste no suele ser mayor
a 10°. De lo contrario se debe utilizar un techo cónico soportado.
3. Viento: Esta sección está compuesta por 1 hoja en la cual se ingresan los datos de entrada y
se realizan los cálculos de los rigidizadores y de estabilidad por viento. Los datos de entrada
están, al igual que en la sección de Estabilidad, resaltados en azul y son los siguientes:
Velocidad del viento (Km/h): Es determinado para el sitio en el cual se encuentra el tanque.
Para Venezuela se utiliza un mapa que se encuentra en la sección de Detalles. [7]
Factor de combinación de presión: Es definido como la proporción de la presión de
operación a la presión de diseño y debe mayor o igual a 0,4. [3]
Factor de importancia ante el viento: Debe ser mayor o igual a 1 y está dado por
especificaciones del cliente o por tablas ubicadas en la sección de Detalles. [9]
Tipo de exposición: Se selecciona de una lista desplegable el tipo B, C ó D según
especificaciones del cliente o según una tabla mostrada en la sección de Detalles. [9]
66
4. Sismo (API): Esta sección está compuesta por 3 hojas, en las cuales se ingresan los datos de
entrada y se realiza el cálculo sísmico. Los datos de entrada están, al igual que en las
secciones anteriores, resaltados en azul tal como se muestra en la Figura E.7:
Figura E.7: Datos de entrada sísmicos por API 650
Todos estos datos de entrada se ingresan en la primera hoja de esta sección y son los siguientes:
Parámetro de aceleración espectral máxima ( ): Representa el máximo parámetro de
respuesta de la aceleración espectral considerado en cortos períodos (0,2 segundos). Dicho
valor proviene de un análisis de la zona y el suelo donde se encuentra el tanque y está dado
por el Departamento de Civil o por el cliente. Éste se puede obtener mediante la relación de
espectros de respuesta de ASCE 7-10 [9] y COVENIN 1756:2001 [7] (Sección 2.6.4).
Parámetro de aceleración espectral máxima ( ): Representa el máximo parámetro de
respuesta de la aceleración espectral considerado un período de 1 segundo. Dicho valor
proviene de un análisis de la zona y el suelo donde se encuentra el tanque y está dado por el
Departamento de Civil o por el cliente. Éste se puede obtener ubicando el valor dado en el
espectro de respuesta COVENIN 1756:2001 [7] para dicho valor del período (Sección
3.1.3).
Grupo sísmico: Se selecciona de una lista desplegable entre los grupos 1, 2 y 3 que
dependerá del grado de riesgo del producto almacenado. La tabla para definir éste se
encuentra en la sección de Detalles. [3]
Tipo de suelo: Depende de ciertas características del suelo donde se ubica el tanque, se
selecciona de una lista desplegable entre los tipos A, B, C, D, E y F [3]. Este valor proviene
de datos del proyecto o del Departamento de Civil.
67
Factor de importancia: Dato de origen estadístico que depende de la probabilidad de
ocurrencia y el período de retorno del evento sísmico. Generalmente viene dado por
regulaciones locales, el cliente o por el Departamento de Civil, sin embargo, puede ser
obtenido a través de una tabla mostrada en la sección de Detalles [3]. De cualquier forma,
dicho valor debe ser mayor o igual a 1.
Período de transición regional [s]: El valor recomendado para lugares fuera de los Estados
Unidos es de 4 segundos. [3]
Coeficiente de ajuste: Definido para ajustar la aceleración espectral de 5% a 0,5% de
amortiguamiento. El valor establecido es igual a 1,5 a menos que se especifique lo
contrario. [3]
Coeficiente de aceleración vertical: Debe estar entre 0 y 0,14 veces la aceleración espectral
de diseño (0,14 x ). [3]
Tipo de fijación: Se selecciona a partir de una lista desplegable cuyas opciones son Anclado
y No Anclado. Se debe empezar suponiendo el tanque no anclado para determinar si éste es
estable por sí mismo, de lo contrario, deberá ser anclado. Por su parte, si el tanque requiere
ser anclado por inestabilidad ante el viento o por cualquier otra razón, se debe seleccionar
esta opción para determinar la carga máxima de levantamiento. Esto último como
consecuencia de que los parámetros de modificación de respuesta son diferentes entre
ambos tipos de fijación.
Coeficiente de roce entre fondo y fundación: Debe ser menor o igual a 0,4, en caso de ser
menor se debe justificar. [3]
Por su parte, el estudio de estabilidad del tanque toma en consideración de manera automática
los criterios a cumplir tanto para tanques anclados como no anclado, de manera tal que, en un
recuadro en la tercera hoja de esta sección se observa dicha conclusión como se muestra en la
Figura E.8:
68
56,0 psi55 psi
Esfuerzo longitudinal de compresión admisible (Sec. E.6.2.2):
1,27
El Tanque No Anclado es Inestable
Conclusión de Estabilidad
Esfuerzo longitudinal de compresión admisible (Fc)Máximo esfuerzo longitudinal de compresión (σc)
MPaMPa
No se cumple: fc ≤ Fa. Aumentar espesor de placa anular y/o de primer anillo, modificar dimensiones o Anclar el tanque.
81227924
Estabilidad del tanque
Radio de anclaje (J) (Sec. E.6.2.1.1.1):
= 𝑟
2 𝑠
+
𝑟
1 0.4 + 𝑎 0.4 𝑖
=
Figura E.8: Mensaje de conclusión de estabilidad
En el ejemplo de la Figura E.8 no se cumple el requisito del esfuerzo longitudinal de
compresión por lo que la Hoja de Cálculo muestra tanto este mensaje como los pasos a seguir
para estabilizar el tanque.
5. Sismo (PDVSA): Esta sección está compuesta por 4 hojas, en las cuales se ingresan los datos
de entrada y se realiza el cálculo sísmico. Los datos de entrada están, al igual que en las
secciones anteriores, resaltados en azul tal como se muestra en la Figura E.9:
Figura E.9: Datos de entrada sísmicos por PDVSA JA-221 y FJ-251
Datos de entrada
Datos de entrada provenientes de mapas
cm/s²Aceleración característica del peligro sísmico (a*)Valor característico del peligro sísmico (Ƴ)
Grado de riesgo
Factor de Ductilidad (D)Tipo de fijaciónCoeficiente de roce entre fondo y fundación (μ)
Ver tabla
Ver mapa de ƳVer mapa de a*
Datos de entrada provenientes de mapas
Opción 2:Opción 1:
Datos de entrada de probabilidades, se puede entrar con cualquiera de las 2 opciones:
añosProbabilidad anual de excedencia (p1) Probabilidad de excedencia
durante el período de vida útil (P*)
Vida útil (t)
Datos de entrada
Ver tablas
Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal (ϕ)
Forma espectral
Datos de entrada de probabilidades
69
Todos estos datos se ingresan en la primera hoja de esta sección y son los siguientes:
Forma espectral: Dato proveniente del Departamento de Civil obtenido a partir de las
características del suelo. Se selecciona a partir de una lista desplegable entre las opciones
S1, S2, S3 y S4. A su vez se puede obtener a partir de una tabla mostrada en la sección de
Detalles, que depende de dichas características. [8]
Grado de riesgo: Parámetro que depende del número de personas expuestas en caso de
accidente. Se selecciona de una lista desplegable entre los grados A, B, C y D siendo A el
menor y D el mayor. En la sección de Detalles se muestra las tabla a partir de la cual se
define este parámetro. [8]
Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal: Factor proveniente de una
tabla mostrada en la sección de Detalles dependiente del material del suelo y la forma
espectral [8]. Generalmente es proporcionado por el Departamento de Civil.
Factor de Ductilidad: Característica propia del tanque que afecta la forma del espectro de
respuesta. Este es dado en la especificación de ingeniería correspondiente a la instalación en
referencia. [8]
Tipo de fijación: Se selecciona a partir de una lista desplegable cuyas opciones son Anclado
y No Anclado. Se debe empezar suponiendo el tanque no anclado para determinar si éste es
estable por sí mismo, de lo contrario, deberá ser anclado. Por su parte, si el tanque requiere
ser anclado por inestabilidad ante el viento o por cualquier otra razón, se debe seleccionar
esta opción para determinar la carga máxima de levantamiento. Esto último como
consecuencia de que los parámetros de modificación de respuesta son diferentes entre
ambos tipos de fijación.
Coeficiente de roce entre fondo y fundación: Debe ser menor o igual a 0,4, en caso de ser
menor se debe justificar.
Aceleración característica del peligro sísmico [cm/s²]: Valor obtenido a partir del mapa
sísmico para Venezuela mostrado en la sección de Detalles [8]. En caso de ser una
instalación de grado de riesgo D se deben realizar estudios especiales.
Valor característico del peligro sísmico: Valor obtenido a partir del mapa sísmico para
Venezuela mostrado en la sección de Detalles [8]. En caso de ser una instalación de grado
de riesgo D se deben realizar estudios especiales.
70
En lo que a los datos de entrada de probabilidades se refiere, se puede entrar al cálculo con
cualquiera de las 2 siguientes opciones:
Probabilidad anual de excedencia: Es igual al inverso del período de retorno y es obtenido a
partir de una tabla mostrada en la sección de Detalles. [8]
Vida útil [años] y probabilidad de excedencia durante el período el período de vida útil:
Provenientes de especificaciones o calculados a partir de la probabilidad anual de
excedencia. [8]
Al igual que en el cálculo sísmico por API 650 [3], el estudio de estabilidad del tanque toma en
consideración de forma automática los criterios a cumplir tanto para tanques anclados como no
anclados, de manera tal que, en un recuadro en la cuarta hoja de esta sección se observa una
conclusión similar a la Figura 8 presentada previamente.
6. Anclaje: Esta sección consta de 1 hoja en la cual se ingresan los datos de entrada y se realiza
el cálculo de los pernos de anclaje. Estos datos de entrada son los siguientes:
Considerar pernos de anclaje: Se debe seleccionar si se colocarán o no pernos de anclaje,
dependiendo de las especificaciones del cliente, los cálculos de estabilidad por cargas de
viento y por cargas sísmicas.
Material del perno: Se selecciona a partir de una lista despegable entre los 4 materiales
utilizados para los pernos de anclaje que son los siguientes: A36, A307, A325 y A490.
Corrosión admisible del perno (mm): Esta corrosión es medida radialmente, razón por la
cual se le sumará al radio mínimo que deben tener los pernos de anclaje, es decir, el
diámetro será el mínimo calculado más 2 veces la corrosión admisible.
Considerar techo frágil: Se considera esta condición cuando se diseña para que la unión
pared-techo falle primero que la unión pared-fondo y antes que se deforme el tanque
(fusible mecánico), en caso de una sobrepresión. [3]
El tipo de fijación del cálculo sísmico debe coincidir con la selección de pernos de anclaje, es
decir, si el tanque es anclado, entonces el cálculo sísmico por API 650 [3] y PDVSA JA-221 [8] y
FJ-251 [6] debe estar dado para el tanque anclado y viceversa. En caso de existir una
71
discordancia, la Hoja de Cálculo informa emite una nota sobre ésta, tal como se muestra en la
Figura E.10:
Figura E.10: Nota de advertencia en consideración de pernos de anclaje
En el caso de la Figura E.10 se trata de un tanque anclado cuyo cálculo sísmico está basado en
un tanque no anclado, de manera tal que, el momento sísmico considerado no será el adecuado ya
que éste cambia entre un tipo de fijación y el otro. Por ello, en letras rojas se indica que se debe
seleccionar un tanque anclado en los cálculos sísmicos.
7. Resumen: En esta sección se reportan los resultados más importantes del cálculo estructural
y sísmico en 1 hoja, éstos son:
Altura de los anillos de la pared.
Espesores del techo, fondo, placa anular y anillos de la pared.
Pesos de cada una de las partes del tanque así como el peso en vacío, operación, prueba
hidrostática y del contenido a nivel máximo (HHLL).
Aceleración impulsiva y convectiva.
Fuerza cortante y fuerza resistente de la placa anular.
Momento sísmico y coeficiente de anclaje.
Esfuerzo circunferencial y longitudinal de compresión.
Altura de la ola sísmica.
Tipo de fijación del tanque.
Cumplimiento de los criterios de estabilidad del tanque.
Número de pernos y diámetro de los mismos (en caso de ser anclado).
mm in
Considerar pernos de anclaje Sí
Ver materiales
Pernos de anclaje
NOTA: Seleccionar tanque Anclado en cálculos sísmicos
0,0591A 361,50
Considerar techo frágilCorrosión admisible del perno (CAP)Material del perno
Sí
72
8. Detalles: En esta última sección se encuentran gran parte de las tablas y gráficos de las
normas utilizadas, así como también ciertos cálculos secundarios. Todos éstos se encuentran
vinculados a la sección correspondiente de la Hoja de Cálculo a través de hipervínculos, de
manera tal que se puedan observar rápidamente los detalles de algún cálculo y volver al punto
en el que se estaba.
Por último, para ilustrar el uso de la Hoja de Cálculo se presenta en las siguientes páginas un
ejemplo del mismo para el tanque T-3602 del Proyecto Petrocedeño (A4), excluyendo la sección
de Detalles debido a su gran extensión de páginas y al hecho de que no se trabaja sobre ésta.
73
Fecha: Noviembre de 2012Wilmer SalazarJuan Molina
Revisado por:
TAG:Proyecto:
Cliente:
Elaborado por:
PDVSAPetrocedeño
Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414
T-3602
San Diego de CabruticaAnzoáteguiVenezuela
Cálculo de tanques atmosféricos y de baja presión API 650 considerando el cálculo
sísmico de normas PDVSA
Ciudad:Estado:
Servicio: Aguas suciasTipo de tanque:
País:
Baja presión
74
ftin
inin
ininin
mᶟ ftᶟmᶟ ftᶟmᶟ ftᶟmᶟ ftᶟm ft
psipsipsipsi
TAG:Ubicación:
Cálculo estructural del tanque API 650
Servicio:Proyecto: Nro. de documento:
Fecha:Elaborado por:Revisado por:
875B-44-13-G-DS-414Noviembre de 2012Juan MolinaWilmer Salazar
PetrocedeñoAguas suciasT-3602San Diego de Cabrutica
Densidad del material (ρ)Material (Tabla 5.2b Sec. 5.6.2)
96.52356.1767.664
Diámetro nominal del tanque (D)Altura del tanque (H)Nivel alto de líquido (HLL)Nivel muy alto de líquido (HHLL)Nivel bajo de líquido (LLL)Nivel muy bajo de líquido (LLLL)Gravedad específica (G)Presión interna de diseño (Pi)Presión externa de diseño (Pe)
Pared
Fondo
Techo
General
Esfuerzo de prueba hidrostática (St)Esfuerzo de diseño (Sd)
Esfuerzo en punto de cedencia (Sy)Esfuerzo a la tensión (Stn)Grupo (Tabla 4.3b)
Altura total de diseño (Ht)Relación D/Ht
Capacidad no útil superiorCapacidad no útil inferiorCapacidad útilCapacidad nominal 4.541
2.7331.591
21714,201,39
152
160.363
Datos de diseño
Ver Tabla de Materiales y Detalles
171250400
MPaMPaMPaMPa
36.26058.016
21.98524.802
lb/ft²
0,2362
m19,81 ft
ftft
3,28084
21,72
m
0,35,22
KPaKPa
mm
lb/ft²
12,44
Propiedades del material
Ancho de láminas de la paredCorrosión admisible al cuerpo (CA)
Espesor de placas del fondoCorrosión admisible al fondo (CAF)
Espesor mínimo del techoCorrosión admisible al techo (CAT)Ángulo de inclinación del techo (ϴ)Carga viva sobre el techo (Lr)Tipo de techo
0,2362
20,9
490
7,870,2362
0,205,00
Kg/mᶟ
6,00
6,006,00
mm
46,60
Capacidades del tanque, altura total de diseño y relación D/H
A 36M
0,25
Kg/mᶟ
KPa°mmmm
mmmm
Ver detalles
54 °F°F
°C°C
1295
m
101,0
7850
Cónico Soportado
203
0,24
Comentarios:
2,40
14,73
Temperatura mínima del metal
mm
Datos de entrada
psig
ftftft
65,0048,3340,8246,02
16,93
1,75
14,036,625,16
1
Hoja 1 / 2
I , II
Temperatura máxima de diseño
6,00
75
mm inm ft
mm inm ftKg lb
inpsiinininftftlb
°mm inm² ft²Kg lb
Hoja: 2 / 2
mmMPammmmmmmmKg
Espesor (tb) Tabla 5.1bEsfuerzo en Anillo 1 (S) Espesor de Anillo 1 (tc)
Ancho radial
Ver detalles
Diseño del techo (Sec. 5.10)
Diseño de la placa anular (Sec. 5.5)
Ver detalles
PesoÁrea de superficieEspesor de placas (th)Ángulo de inclinación (ϴ)
Tipo de techo Cónico Soportado
31.9453131310
0,5123.369
70.427
Diámetro exteriorDiámetro interiorPeso 4.568
18,4619,94
742,001313
Seleccionar Espesor (tb)
8416 0,63
12.2360,5120,51229,2165,4360,56
10.070
(tc)
mm (in)16 (0,630)16 (0,630)13 (0,512)13 (0,512)
(Sec. 5.6.3.2)(td)
Diseño del fondo (Sec. 5.4)
0,26
Espesor por diseño
Espesor (tf)DiámetroPeso 27.914
TOTAL 90.470
Seleccionar Láminas comerciales
18.77718.77715.25415.25411.7329.3851.290
(W)
Peso no corroído
10 (0,394)8 (0,315)8 (0,315)
18,6613
61.53961,230,512
104.222
25.88025.88018.11418.11410.3495.174711
47.275
Kg lb41.39641.39633.62933.62925.86520.6902.845
199.450
2.347323
0,040,10
Peso corroído
(Wg)
Kg11.73911.7398.2168.2164.694
lb
-0,01
7,89
Anillo 5Anillo 6
2,441,08-0,28
14,9013,3711,8310,298,767,225,68Anillo 7
mm in0,590,530,470,410,340,280,22
0,2361,08
Diseño de la pared del tanque (Sec. 5.6.3)
Ver Detalles
AnilloAnillo 1Anillo 2Anillo 3Anillo 4
0,31in
(Sec. 5.6.3.2)(tt)
Espesor por hidrostática
mm
6,535,173,81 0,15
0,20
Altura último anillloEspesor mínimoNúmero de anillos 7
60,33
Comentarios:
TAG: T-3602 Elaborado por: Juan MolinaUbicación: San Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar
Cálculo estructural del tanque API 650
Proyecto: Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Servicio: Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012
76
Espesor de pared del último anillo mm inMódulo de sección mínimo (Z) cm³ in³
m ftm ft
<<
Datos de estabilidad ante el viento
AnilloAnillo 1
San Diego de Cabrutica
Comentarios:
Factor de combinación de presión (Fp)Velocidad del viento (V)
Ubicación:
C1
Diseño de Rigidizador de viento superior (Sec. 5.9.6)
76,318 0,315
4,66
424
(Wtr)
Cálculo de altura transformada
Altura máxima sin rigidizadorAltura Transpuesta
Factor de importancia ante el viento (I)Tipo de exposición
Ver mapaVer tablas de valores
56Kmh mph900,4
TOTAL
2.4002.4002.4002.4002.4002.400330
14.730
Anillo 5Anillo 6Anillo 7
Anillo 2Anillo 3Anillo 4
580
in(W)
Altura real
949413
mm94949494
6.378
in17172828549413
251
1.3742.400330
mm
713713
424
86,586,38
0
284,0420,93
Altura de ubicación en
el anillo
Anillo de ubicación
m ft
No se requiere rigidizador intermedio
Ver detalles
Nro de rigidizadores intermediosAltura de las placas transformadas
Módulo de sección mínimo
(Z)cm³ in³m
Altura hasta el techo
Rigidizador
N*mN*mN*mN*mN*m
Diseño de Rigidizador de viento intermedio (Sec. 5.9.7)
Se cumple: Mw + Fp*Mpi < (Mdl+Mf)/2 + MdlrSe cumple: 0,6Mw + Mpi < Mdl/1,5 + Mdlr
Presión del viento sobre la pared (Pws)Presión del viento sobre el techo (Pwr)Momento por presión del viento (Mw)Momento por presión interna (Mpi)Momento por el peso de la pared (Mdl)Momento por el peso del techo (Mdlr)Momento por el peso del líquido (Mf)
5.344.2021.121.742
8.791.731
15.173.9573.104.384
0,24
ft
Estabilidad al volcamiento por cargas de viento (Sec. 5.11.2)
El tanque es estable ante la presión del viento
Resultados de la altura transformada
lb*ftlb*ft
6.017.2473.259.423
8.965.53815.087.228
lb/ft²lb/ft²lb*ftlb*ftlb*ft
0,17 3,64
6.484.4502.289.677
11.191.739
3.941.682827.355
5,11KPaKPa
Hoja 1 / 1
Proyecto:Servicio:TAG:
Cálculo de estabilidad por viento API 650
Nro. de documento:Fecha:Elaborado por:Revisado por:
875B-44-13-G-DS-414Noviembre de 2012Juan MolinaWilmer Salazar
T-3602Aguas suciasPetrocedeño
77
Proyecto:Servicio:TAG:Ubicación:
gg
s
gTipo de fijación
ggg
sgg
NNNNNNNN/mN/mN/m
m ftm ftm ftm ftm ftm ft
Comentarios:
Parámetro de aceleración espectral máxima (Ss)Parámetro de aceleración espectral máxima (S1)
Anclado
0,3652,161,51
10,26
20,9150,24
8,48
0,3620,161
2D
1,254
1,50
0,4
Coeficiente de aceleración vertical (Av)
Coeficiente de roce entre fondo y fundación (μ)
856
Coeficiente de velocidad del sitio (Fv)Coeficiente de aceleración del sitio (Fa)
Aceleración pico para estructura rígida (S0)Aceleración espectral de diseño (Sd1)
37.935104.259
3.066.0766.683.873
790.921
8.668
0,145
Cargas consideradas en el cálculo sísmico (Sec. E.6)
lbflbflbf/ftlbf/ftlbf/ft12.486
Factor de modificación impulsivo (Rwi)
Aceleración espectral de diseño (Sds)0,231
Grupo sísmicoTipo de sueloFactor de importancia (I)
9.656.812
1
Peso del tanque y techo sobre la base (wt)Carga por presión interna circunferencial (w int)Resistencia al volcamiento en región anular (wa)Carga del contenido del tanque (Wp)Carga del fondo del tanque (Wf)Carga del techo y adjuntos (Wr)Carga de la pared del tanque y accesorios (Ws)Carga convectiva del líquido (Wc)Carga impulsiva del líquido (Wi)Fuerza cortante sobre la base (V)
24
3.518.192
41.29642.955.628
147.449168.745
Período de transición regional (TL)Coeficiente de ajuste (K)
Gravedad específica efectiva (Ge)
463.76713.638.58329.731.341
Ver detalles
lbflbflbflbflbf
Ver detalles
Centros de acción de las cargas desde el fondo del tanque (Sec. E.6)
Altura hasta centro de acción convectivo (Xc)17,48
Altura hasta centro convectivo sobre losa (Xcs)
Coeficiente del espectro de aceleración convectivo (Ac)Coeficiente del espectro de aceleración impulsivo (Ai)Período natural convectivo del líquido (Tc)Factor de modificación convectivo (Rwc)
Altura hasta centro de gravedad del techo (Xr)Altura hasta centro de gravedad del tanque (Xs)
33,67
5,339,536,37
Altura hasta centro de acción impulsivo (Xi)
27,84Altura hasta centro impulsivo sobre losa (Xis)
33.148
2.830594
31,27
0,0400,1144,7
Aguas suciasT-3602San Diego de Cabrutica
15,31
Hoja 1 / 3
Nro. de documento:Fecha:Elaborado por:Revisado por:
Cálculo sísmico del tanque por norma API 650
875B-44-13-G-DS-414Noviembre de 2012Juan MolinaWilmer Salazar
Petrocedeño
Datos de cálculo sísmico
Ver Tablas
Factores, parámetros y coeficientes del cálculo sísmico ( Sec. E.4)
78
Proyecto:Servicio:TAG:Ubicación:
Hoja: 2 / 3
Ninguna
Advertencia
64924
Fuerza cortante admisible para Tanques No Anclados (Sec. E.7.6)
psi
Se cumple: σt ≤ σadm
1144
146202
Fuerza resistente límite de placa anular para Tanques No Anclados (Sec. E.6.2.1.1.2)
N/mmN/mmMPaMPa
Fuerza circunferencial impulsiva (Ni)
No Aplica
No Aplica
Esfuerzo circunferencial admisible (σadm)Esfuerzo circunferencial total (σt)Fuerza circunferencial convectiva (Nc)
21.22629.306
lbf/inlbf/inpsi
Esfuerzo circunferencial admisible (Sec. E.6.1.4 y E.6.2.4)
San Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar
Comentarios:
Petrocedeño
Cálculo sísmico del tanque por norma API 650
Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012T-3602 Elaborado por: Juan Molina
79
Proyecto:Servicio:TAG:Ubicación:
7,5 psi45 psi
gm ftm ftm ft
Hoja : 3 / 3
10936530
Estabilidad del tanque
Radio de anclaje (J) (Sec. E.6.2.1.1.1):
13.770.1923.840.022
14.295.593Momento resultante sobre la base (Mrw):Momento convectivo sobre la base (Mc):Momento impulsivo sobre la base (Mi): 18.669.869
5.206.37019.382.216
N*mN*mN*m
N*mN*m
lbf*ftlbf*ftlbf*ft
Momento convectivo sobre la losa (Mcs)Momento sísmico sobre la losa (Ms)
29.365.2815.606.333
29.895.664
N*m
Ver detalles
21.658.7264.135.020
22.049.916
El Tanque Anclado es Estable
Conclusión de Estabilidad
Altura de la ola generada por la acción sísmica (Sec. E.7.2)
La altura libre del tanque contiene la ola generada. No hacen falta modificaciones
Esfuerzo longitudinal de compresión admisible (Fc)Máximo esfuerzo longitudinal de compresión (σc)
MPaMPa
Coeficiente de aceleración de la ola (Af) 0,0800,790,560,70
2,60Altura mínima libre para la ola (Tabla E.7)Altura libre del tanque (H-HHLL)
Altura de la ola (δs)
Para tanque anclado se cumple: σc ≤ Fc
1,822,31
0,98
Fecha: Noviembre de 2012
lbf*ftlbf*ftlbf*ft
Momento sísmico (Sec. E.6.1.5)
Momento de sísmico sobre la base (Mrw):
Momento sísmico sobre la losa (Ms):
Esfuerzo longitudinal de compresión admisible (Sec. E.6.2.2):
Momento impulsivo sobre la losa (Mis):
Juan MolinaSan Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar
Cálculo sísmico del tanque por norma API 650
Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Aguas sucias
Comentarios:
T-3602 Elaborado por:
𝑟 = 𝑖 𝑖 𝑖 + 𝑠 𝑠 + 𝑟 𝑟 2
+ 𝑐 𝑐 𝑐 2
𝑠 = 𝑖 𝑖 𝑖𝑠 + 𝑠 𝑠 + 𝑟 𝑟 2
+ 𝑐 𝑐 𝑐𝑠 2
= 𝑟
2 𝑠
+ 𝑟
1 0.4 + 𝑎 0.4 𝑖 =
80
Proyecto:Servicio:TAG:Ubicación:
cm/s²
m
mm
Hoja 1 / 4
Factor de peso convectivo (W2/W) (Fig. 5.1)Factor de altura impulsiva (X1/HL) (Fig. 5.2)Factor de altura convectiva (X2/HL) (Fig. 5.2)Coeficiente de vibración horizontal (Kh) (Fig. 6.1)Coeficiente de vibración vertical (Kv) (Fig. 6.2)
Ver cálculo de KvVer cálculo de Kh
0,00121
Espesor promedio de los anillos (tm) Relación altura / radio (HL/R)Relación díametro / altura (D/HL)
Ver detalles
Factor de peso impulsivo (W1/W) (Fig. 5.1)
Aceleración característica del peligro sísmico (a*)Valor característico del peligro sísmico (Ƴ)
Altura máxima del líquido (HL)
Factor (tm/1000R)Gravedad específica
14,031,411,42
12,00
Grado de riesgo
Factor de Ductilidad (D)Tipo de fijaciónCoeficiente de roce entre fondo y fundación (μ)
BS2
Ver tabla
0,69
Factores y coeficientes de Figuras (FJ-251 - Sec. 5 y 6)
21,0
Anclado0,4
Ver mapa de ƳVer mapa de a*
0,001
384,25
Datos de entrada provenientes de gráficos
Opción 2:Opción 1:
Datos de entrada de probabilidades, se puede entrar con cualquiera de las 2 opciones:
años
Cálculo sísmico del tanque por normas PDVSA
Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012T-3602 Elaborado por: Juan MolinaSan Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar
0,0960,0990,670,380,32
Relaciones y valores fundamentales para el cálculo
Probabilidad anual de excedencia (p1) Probabilidad de excedencia
durante el período de vida útil (P*)
Vida útil (t)
Datos de entrada
Ver tablas
Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal (ϕ)
Forma espectral
Comentarios:
81
Proyecto:Servicio:TAG:Ubicación:
sss
sss
Hoja: 2 / 4
Coeficiente de aceleración espectral impulsivo (Ad1)
0,20,8
Coeficiente de amortiguamiento equivalente impulsivo (ξi)Coeficiente de amortiguamiento equivalente convectivo (ξc)Coeficiente de amortiguamiento equivalente vertical (ξv)
0,0300,005
cm/s²
Peso de las paredes (Wp)Peso del techo (Wte)
Cargas consideradas en el cálculo sísmico (FJ-251 - Sec. 5.2)
Factor de amplificación espectral vertical (βv*)
Período del modo impulsivo (T1)Período del modo convectivo (T2)Período de vibración vertical (Tv)
0,1734,6800,179
Períodos de vibración (FJ-251 - Sec. 6)
Coeficiente de aceleración espectral vertical (Adv)Coeficiente de aceleración espectral convectivo (Ad2)
1.389.2922.971.402
2,600,2
0,138
Factor de amplificación espectral impulsivo (βi*)Factor de amplificación espectral convectivo (βc*)
3,034,522,60
Factores de amplificación espectral (JA-221 - Sec. 6.3)
Ver tablas
Coeficiente de aceleración máxima del terreno (Ao)Aceleración máxima del terreno (a) 193
0,197
Aceleración máxima del terreno (JA-221 - Sec. 6.3)
0,2600,0580,161
Coeficientes de aceleración espectral (Ja-221 - Sec. 7)
Peso efectivo convectivo del líquido (W2)Peso efectivo impulsivo del líquido (W1)Peso total del líquido (W)
0,050
Coeficientes de amortiguamiento equivalente (FJ-251 - Sec. 3)
Parámetro y Períodos del espectro (JA-221 - Sec. 6.3)
Parámetro (β) (Tabla 6.1)Período (T°) (Tabla 6.1)Período (T
⁺
) (Tabla 7.1)Período (T*) (Tabla 6.1)
Ver tablas
Cálculo sísmico del tanque por normas PDVSA
Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012T-3602 Elaborado por: Juan MolinaSan Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar
4.323.947
47.27517.201
KgKgKgKgKg
Coeficiente de aceleración máxima vertical (Av)
Comentarios:
82
Proyecto:Servicio:TAG:Ubicación:
mmmm
Fuerza cortante impulsiva en la base (V1)Fuerza cortante convectiva en la base (V2)Fuerza cortante reducida en la base (Vr)
Hoja: 3 / 4
Se cumple: σ ≤ σadm
Advertencia
Ninguna
Fuerza cortante admisible para Tanques No Anclados
Esfuerzo circunferencial horizontal (σθh)Esfuerzo circunferencial vertical (σθv)Esfuerzo circunferencial máximo (σ)Esfuerzo circunferencial admisible (σadm)
1.619179144
2.056
Kgf/cm²Kgf/cm²Kgf/cm²Kgf/cm²
Esfuerzo circunferencial admisible (FJ-251 - Sec. 7.2 y 9.6)
Altura del centro de acción convectivo W2 (X2)Altura del dentro de acción impulsivo W1 (X1)
Altura del centro de gravedad de la paredes (Xp)Altura del centro de gravedad del techo (Xte)
6,3715,31
9,385,26
No Aplica
No Aplica
Centros de acción de las cargas desde el fondo del tanque (Fj-251 Sec. 5.3)
790.62380.170
635.742
KgfKgfKgf
Fuerzas en la base del tanque (FJ-251 Sec. 7.1.1)
Peso del contenido que resiste el momento de vuelco (WL)Peso circunferencial de la pared y techo sobre ésta (Wt)
4.1831.036 Kg/m
Kg/m
Cargas resistentes al momento de volcamiento (FJ-251 - Sec.9.1)
Fuerza resistente límite de placa anular para Tanques No Anclados (FJ-251 Sec. 9.1)
Juan MolinaSan Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar
Cálculo sísmico del tanque por normas PDVSA
Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414
Comentarios:
Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012T-3602 Elaborado por:
83
Proyecto:Servicio:TAG:Ubicación:
Momento reducido en la base del tanque:
mm
Hoja: 4 / 4
Altura máxima de oscilación del líquido (h)Altura libre del tanque (H-HL)
0,550,70
Altura máxima de oscilación del líquido (FJ-251 - Sec. 8)
Estabilidad del tanque
Momento impulsivo en la base (M1)Momento convectivo en la base (M2)Momento reducido en la base (Mr) 3.426.938
751.6234.217.216 Kgf*m
Kgf*mKgf*m
La altura libre contiene la ola generada. No hacen falta modificaciones.
Kgf/mKgf/cm²Kgf/cm²
Ver detalles
El Tanque Anclado es Estable
Conclusión de Estabilidad
Esfuerzo de compresión admisible (FJ-251 - Sec. 7.1.3 ; 7.2 y 9.3)
Coeficiente de anclaje (J) (FJ-252 - Sec. 9.2):
Para el tanque anclado se cumple: fc ≤ Fa
1,67
Compresión admisible en el anillo inferior (Fa)Compresión actuante en el anillo inferior (fc)Fuerza de compresión en el anillo inferior (b) 12.150
122426
Momento sísmico (FJ-251 - Sec.7.1.2)
San Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar
Comentarios:
Cálculo sísmico del tanque por normas PDVSA
Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012T-3602 Elaborado por: Juan Molina
𝑟 = 0.8 𝑑1 1 1 + 𝑝 𝑝 + 2
+ 𝑑2 2 2 2
= 𝑟
2 + =
84
Proyecto:Servicio:TAG:Ubicación:
mm in
N*m lbf*ft
N lbf
N lbf
N lbf
N lbf
N lbf
N lbf
N lbf
N lbf
lbf
lbfpsiin
Hoja 1 /1
Considerar pernos de anclaje Sí
Ver materiales
Pernos de anclaje
-55.079Presión de diseño (U1)
Cargas que deben resisitir los anclajes por separado. [ Tabla 5-21a (Sec. 5.12) ]
-245.004
276.486
33.618.262
Momento por presión del viento sobre la pared (Mwh) 374.865lbf*ftlbf*ft
lbf*ft
N*mN*m
N*m
14.295.593
24.795.564
Nro. de documento:
186.528
mm
1.398.069
58.25336.260
1 3/4
NMPa
6.218.919
-417.493
6.154.936
829.718
1.383.685
785 * ( 0,4 * Pi + Pwr - 0,08 * th ) * D² + 4 * Mwh / D - W1Presión de diseño + Carga por Viento (U7)
4 * Mmax / D - W2 * ( 1 - 0,4 * Av )Carga por sismo (U6)
785 * ( Pi - 0.08 * th ) * D² - W1
785 * ( 0,4 * Pi - 0,08 * th ) * D² + 4 * Mmax / D - W1 * (1 - 0,4 * Av)Presión de diseño + Carga por Sismo (U8)
Dimensionamiento mínimo de pernos de anclaje (Sec. 5.12)
785 * ( 1,5 * Pf - 0.08 * th )* D² - W3
-93.856
1.398.069
-481.476 -108.240Pwr * D ² * 785 + 4 * Mwh / D - W2Carga por viento (U5)
785 * ( 3 * Pf -0.08 * th ) * D² - W3
-115.690785 * ( Pt - 0.08 * th ) * D² - W1
Presión de falla (U3) -189.124
-514.613Presión de prueba (U2)
Presión de fragilidad (U4)
-42.517
24
Esfuerzo de fluencia de pernos (Syp)
Número mínimo de pernos (nA)
Ver detalles de cargas y valores
N
Diámetro mínimo nominal de los pernos (Dp)
259.12225044,5
Carga por perno (tb)
6.218.919Máxima carga neta de levantamiento (U max)
Momento máximo entre API 650 Y PDVSA (Mmax)
Momento reducido en la base (Mr) PDVSAMomento sobre el anillo (Mrw) API 650 19.382.216
0,0591
33.618.262
Comentarios:
875B-44-13-G-DS-414Fecha: Noviembre de 2012Elaborado por: Juan MolinaRevisado por: Wilmer Salazar
A 361,50
Cálculo de pernos de anclaje
PetrocedeñoAguas suciasT-3602San Diego de Cabrutica
24.795.564
Considerar techo frágilCorrosión admisible del perno (CAP)Material del perno
Sí
Momento por cargas de viento y Momentos sísmicos API 650 y PDVSA
85
m ftm ft
13 mm in Kg lb13 mm in Kg lb13 mm in Kg lb
Kg lb16 mm in Kg lb16 mm in13 mm in Kg lb13 mm in Kg lb10 mm in Kg lb8 mm in Kg lb8 mm in
N lbf
mm in
0,6300,5120,512
Hoja 1 / 1
Espesores de la estructura del tanque Pesos del tanque
31.94527.9144.568
47.27590.470
0,5120,5120,512
0,630
10.070104.222199.450
341.486
1,08
TechoFondoPlaca anular
A 36
PDVSAAPI 650N/AN/AN/AN/ASíSí
N/ARadio de anclajeEsfuerzo de compresiónEsfuerzo circunferencialFuerza cortanteFuerza resistente de placa anularViento (Condición 2)Viento (Condición 1)
Material del perno
N/A
N/ASíSí
N/AN/A
0,3940,315
0,31496
Vacío
En operación (HHLL)En prueba hidrostática (H)
Contenido (HHLL)
14619.382.216
Sistema (SI)
N/A8
0,114
MPa33.618.262
N/A12
0,0403.518.192
41.296N
159N*m
0,0586.236.629
PDVSA0,260
psi
lbf
Sistema (USC)
154.897
4.478.8444.695.874
4.323.947
API 650 PDVSA
lbf
21.22614.295.593
N/A
1.402.0502.812
N/A
lbf/ftpsi
41.03323.029
24.795.564
0,1140,040
790.921
0,2600,058
N/m 2.830
Criterios de estabilidad del Tanque
AncladoEl Tanque es:
ft0,55 1,82 1,80MPa 1.093 1.728Esfuerzo de compresión
Altura de la ola m0,56
N/A
70.42761.539
Diámetro de los pernos
Anillo 7
6.218.919 1.398.069
2444,45 1 3/4
Presión de diseño + Carga por Sismo (U8)
Fuerza resistente de placa anular
Aceleración impulsivaAceleración convectivaFuerza cortante
Esfuerzo circunferencialMomento sísmico
Máxima carga de levantamiento:
Anclaje
Carga de anclaje
Número de pernos
Radio de anclaje
Revisado por: Wilmer Salazar
Estructura del tanque
Cálculo sísmico
Placa anularFondoTecho
Pared:Anillo 1Anillo 2Anillo 3Anillo 4Anillo 5Anillo 6
A 36MAltura de los anillos de la pared:Altura del último anillo de la pared:
Material de las placas:2,400,33
Tipo de techo: Cónico Soportado
7,87
Pared corroídaPared no corroída
API 650
Resumen del cálculo del tanque API 650 tomando en cuenta el cálculo sísmico de normas PDVSA
Proyecto:Servicio:TAG:Ubicación:
Comentarios:
PetrocedeñoAguas suciasT-3602San Diego de Cabrutica
Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Fecha: Noviembre de 2012Elaborado por: Juan Molina
9.874.05910.352.523
9.532.573
86
APÉNDICE F
Resultados estructurales
87
Tabla F.1: Resultados estructurales obtenidos por el programa TANK™ Espesores A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 Pared por diseño
Anillo 1 (mm) 20,3 17,9 8,0 14,9 4,1 2,2 12,6 19,5 12,5 12,5 9,6 Anillo 2 (mm) 17,9 16,0 6,6 13,3 3,3 1,6 10,6 16,6 9,9 9,9 7,8 Anillo 3 (mm) 15,4 14,1 5,2 11,8 2,5 - 8,6 13,6 7,4 7,4 6,1 Anillo 4 (mm) 13,0 12,2 3,9 10,2 1,7 - 6,5 10,7 4,8 4,8 4,3 Anillo 5 (mm) 10,6 10,2 - 8,7 - - 4,5 7,8 - - - Anillo 6 (mm) 8,1 8,3 - 7,1 - - 2,5 4,9 - - - Anillo 7 (mm) 5,7 6,4 - - - - - 2,0 - - - Anillo 8 (mm) 3,3 1,3 - - - - - 1,5 - - - Anillo 9 (mm) - - - - - - - - - - - Pared por prueba hidrostática
Anillo 1 (mm) 16,1 13,0 4,3 7,8 2,4 0,6 10,3 16,7 8,7 8,7 6,0 Anillo 2 (mm) 13,9 11,4 3,1 6,4 1,7 0,1 8,5 14,0 6,3 6,3 4,3 Anillo 3 (mm) 11,6 9,7 1,9 5,0 0,9 - 6,6 11,3 3,9 3,9 2,7 Anillo 4 (mm) 9,3 8,0 0,7 3,7 0,2 - 4,7 8,6 1,5 1,5 1,0 Anillo 5 (mm) 7,1 6,4 - 2,3 - - 2,8 5,9 - - - Anillo 6 (mm) 4,8 4,7 - 1,0 - - 0,9 3,2 - - - Anillo 7 (mm) 2,5 3,0 - - - - - 0,5 - - - Anillo 8 (mm) 0,3 1,3 - - - - - 0,0 - - - Anillo 9 (mm) - - - - - - - - - - -
Techo (mm) 9,0 8,0 8,0 11,0 13,9 10,4 6,5 6,5 8,2 8,2 8,2 Fondo (mm) 9,0 9,0 9,0 12,0 7,5 7,5 7,5 7,5 9,2 9,2 9,2 Placa anular (mm) 9,0 9,0 9,0 13,1 7,5 7,5 7,5 7,5 10,3 10,3 9,2 Ancho placa anular (mm) 681 679 706 822 667 960 673 681 724 724 672
Cada uno de los espesores presentados en la Tabla F.1 representa el mínimo requerido por cada
anillo de la pared (por diseño y por prueba hidrostática), el fondo, la placa anular y el techo de
cada uno de los tanques.
88
Tabla F.2: Resultados estructurales obtenidos por la Hoja de Cálculo Espesores A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 Pared por diseño
Anillo 1 (mm) 20,3 17,9 8,1 14,9 4,1 2,2 12,6 19,5 12,5 12,5 9,9 Anillo 2 (mm) 17,9 16,0 6,7 13,4 3,3 1,6 10,6 16,6 10,0 10,0 8,1 Anillo 3 (mm) 15,5 14,1 5,5 11,8 2,5 - 8,6 13,7 7,4 7,4 6,4 Anillo 4 (mm) 13,1 12,2 4,0 10,3 1,7 - 6,6 10,8 4,9 4,9 4,6 Anillo 5 (mm) 10,6 10,3 - 8,8 0,9 - 4,6 7,9 - - - Anillo 6 (mm) 8,2 8,4 - 7,2 - - 2,6 5 - - - Anillo 7 (mm) 5,8 6,5 - 5,7 - - 0,5 2,1 - - - Anillo 8 (mm) 3,3 4,6 - - - - - -0,9 - - - Anillo 9 (mm) - 2,8 - - - - - - - - - Pared por prueba hidrostática
Anillo 1 (mm) 16,2 13,2 4,5 7,9 2,4 0,64 10,4 16,9 8,7 8,7 6,3 Anillo 2 (mm) 14,0 11,5 3,3 6,5 1,7 0,12 8,5 14,1 6,3 6,3 4,6 Anillo 3 (mm) 11,7 9,8 2,0 5,2 0,9 - 6,6 11,4 3,9 3,9 3,0 Anillo 4 (mm) 9,4 8,2 0,8 3,8 0,2 - 4,8 8,7 1,5 1,5 1,3 Anillo 5 (mm) 7,1 6,5 - 2,4 -0,5 - 2,9 6 - - - Anillo 6 (mm) 4,9 4,8 - 1,1 - - 1 3,2 - - - Anillo 7 (mm) 2,6 3,1 - -0,3 - - -1 0,5 - - - Anillo 8 (mm) 0,3 1,5 - - - - - -2,2 - - - Anillo 9 (mm) - -0,2 - - - - - - - - - Techo (mm) 9,0 8,0 8,0 11,0 13,9 10,4 6,5 6,5 8,2 8,2 8,2 Fondo (mm) 9,0 9,0 9,0 12,0 7,5 7,5 7,5 7,5 9,2 9,2 9,2 Placa anular (mm) 9,0 9,0 9,0 12,0 7,5 7,5 7,5 7,5 9,2 9,2 9,2 Ancho placa anular (mm) 697 694 707 742 683 956 700 713 688 724 685
Cada uno de los espesores presentados en la Tabla F.2 representa el mínimo requerido por cada
anillo de la pared (por diseño y por prueba hidrostática), el fondo, la placa anular y el techo de
cada uno de los tanques.
89
APÉNDICE G
Resultados sísmicos
90
Tabla G.1: Resultados sísmicos obtenidos por API 650 con el uso del programa TANK™
Tanque Aceleración impulsiva
Aceleración convectiva
Fuerza cortante (N)
Esfuerzo circunferencial
(MPa)
Momento sísmico (N*m)
Coeficiente de anclaje
Esfuerzo de compresión
(MPa)
Altura de la
ola (m)
A1 0,130 0,023 11.312.000 152 75.129.000 0,66 5 0,53 A2 0,130 0,032 8.507.800 132 62.350.000 1,20 11 0,55 A3 0,114 0,043 1.491.700 91 5.487.500 - 4 0,53 A4 0,114 0,040 3.537.403 94 19.361.075 - 5 0,55 B1 0,269 0,094 1.477.900 82 4.859.100 - 9 0,70 B2 0,269 0,107 230.250 24 332.670 - 2 0,57 B3 0,269 0,041 11.816.000 178 61.280.000 - 9 0,78 B4 0,269 0,026 22.377.000 178 130.750.000 - 6 0,73 C1 0,162 0,064 5.647.900 139 26.653.000 - 4 0,85 C2 0,162 0,064 5.647.900 139 26.653.000 - 4 0,85 C3 0,162 0,079 3.523.800 113 16.757.000 - 6 0,91
Tabla G.2: Resultados sísmicos obtenidos por API 650 con el uso de la Hoja de Cálculo
Tanque Aceleración impulsiva
Aceleración convectiva
Fuerza cortante (N)
Esfuerzo circunferencial
(MPa)
Momento sísmico (N*m)
Coeficiente de anclaje
Esfuerzo de compresión
(MPa)
Altura de la ola (m)
A1 0,130 0,023 11.196.955 162 74.625.789 0,66 6 0,54 A2 0,130 0,033 8.510.876 154 63.004.421 1,27 15 0,56 A3 0,114 0,044 1.502.367 120 5.515.296 - 4 0,54 A4 0,114 0,040 3.518.192 146 19.382.216 - 8 0,56 B1 0,269 0,095 1.474.080 76 4.867.408 - 10 0,71 B2 0,269 0,108 223.712 31 326.484 - 2 0,58 B3 0,269 0,041 11.956.345 93 61.996.597 - 5 0,79 B4 0,269 0,027 22.537.950 97 130.763.644 - 4 0,74 C1 0,162 0,064 5.587.658 174 26.435.944 - 6 0,86 C2 0,162 0,064 5.587.658 174 26.435.944 - 6 0,86 C3 0,162 0,080 3.620.106 179 17.211.433 - 10 0,93
De las Tablas G.1 y G.2, se puede decir que la mayor aceleración impulsiva calculada por API
650 se da sobre los tanques de la Refinería de Puerto la Cruz (B1, B2, B3 Y B4), seguida por los
de Termozulia III (C1, C2 y C3) y, por último, los de Petrocedeño (A1, A2, A3 y A4). Por esta
razón si se construyera un tanque de determinadas dimensiones en cada uno de los sitios, las
mayores cargas sísmicas las recibiría el tanque en la Refinería de Puerto la Cruz. De las Tablas
D.1 y D.2, podemos observar a su vez que los tanques C1 y C2 se comportan de manera similar
debido a que tienen las mismas dimensiones.
91
Tabla G.3: Diferencia porcentual de los resultados obtenidos por la Hoja de Cálculo Modificada con respecto a los del programa TANK™
Tanque Aceleración impulsiva
Aceleración convectiva
Fuerza cortante
Esfuerzo circunferencial
Momento sísmico
Coeficiente de anclaje
Esfuerzo de compresión
Altura de la ola
A1 0 0 -1 -8 -1 0 0 2 A2 0 3 0 -2 1 6 18 2 A3 0 2 1 -7 1 - -25 2 A4 0 0 -1 -3 0 - 0 2 B1 0 1 0 -24 0 - -11 1 B2 0 1 -3 29 -2 - 0 2 B3 0 0 1 -51 1 - -44 1 B4 0 4 1 -47 0 - -33 1 C1 0 0 -1 -6 -1 - 0 1 C2 0 0 -1 -6 -1 - 0 1 C3 0 1 3 7 3 - 17 2
Promedio 0 1 0 -11 0 3 -7 2
Las mayores diferencias de la Tabla G.3 se dan para los esfuerzos circunferenciales y de
compresión, a pesar de haber modificado la Hoja de Cálculo para calcular éstos sin considerar la
reducción de espesor por corrosión. Sin embargo, se encuentran dentro de un rango aceptable de
desviación.
Tabla G.4: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo Modificada con respecto al Ejemplo 2 de PDVSA 90615.1.014
Valores Ejemplo 2.A
Hoja de Cálculo
Modificada
Diferencia Porcentual
Ejemplo 2.B
Hoja de Cálculo
Modificada
Diferencia Porcentual
Aceleración impulsiva 0,833 0,830 0 0,809 0,791 -2 Aceleración convectiva 0,424 0,424 0 0,424 0,424 0 Aceleración vertical 0,652 0,652 0 0,536 0,542 1 Fuerza cortante (Kg) 556.522 550.775 -1 543.182 527.882 -3 Esfuerzo circunferencial (Kg/cm²) 1.232 1.335 8 1.109 1.196 8
Momento sísmico (Kg*m) 2.340.081 2.336.477 0 2.292.125 2.249.582 -2 Esfuerzo de compresión (Kg/cm²) 424 424 0 353 347 -2
Esfuerzo de compresión admisible (Kg/cm²) 405 405 0 439 439 0
Altura de ola sísmica (m) 2,33 2,33 0 2,33 2,33 0
92
La diferencia porcentual mostrada en la Tabla G.4 representa la desviación que existe entre el
resultado de la Hoja de Cálculo Modificada con respecto al del Ejemplo 2 para cada uno de los
valores comparados. Dichas diferencias porcentuales se encuentran dentro de un rango aceptable
al ser la máxima igual a 8% dada por el esfuerzo circunferencial tanto para el Ejemplo 2.A, como
para el 2.B.
Tabla G.5: Resultados sísmicos obtenidos por PDVSA JA-221 y FJ-251
Tanque Aceleración impulsiva
Aceleración convectiva
Fuerza cortante (N)
Esfuerzo circunferencial
(MPa)
Momento sísmico (N*m)
Coeficiente de anclaje
Esfuerzo de compresión
(MPa)
Altura de la ola
(m)
A1 0,189 0,033 12.855.634 172 85.805.640 0,76 6 0,52 A2 0,189 0,047 9.733.317 164 71.566.824 1,41 23 0,55 A3 0,222 0,063 2.212.948 129 7.871.669 - 5 0,53 A4 0,260 0,058 6.236.629 159 33.618.262 - 12 0,55 B1 0,476 0,109 2.048.492 85 6.702.787 - 13 0,56 B2 0,382 0,171 248.769 34 370.901 - 3 0,63 B3 0,485 0,039 16.955.913 102 87.540.206 - 7 0,51 B4 0,485 0,024 31.951.761 107 185.131.648 - 5 0,47 C1 0,267 0,038 7.345.160 184 32.424.544 - 7 0,51 C2 0,267 0,038 7.345.160 186 32.424.544 - 7 0,51 C3 0,258 0,060 4.149.488 183 18.206.503 - 10 0,55
La aceleración impulsiva calculada por PDVSA JA-221 [8] se comporta de manera similar a la
calculada por API 650 [3], es decir, la mayor se da sobre los tanques de la Refinería de Puerto la
Cruz (B1, B2, B3 Y B4), seguida por los de Termozulia III (C1, C2 y C3) y, por último, los de
Petrocedeño (A1, A2, A3 y A4). Por su parte, los tanques C1 y C2 se comportan de manera
similar debido a que tienen las mismas dimensiones.