MCA TK 5 DIAM Rev. C

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MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág. i

MEMORIA DE CÁLCULO FLOCCULANT STORAGE TANK

Emisión

Fecha

Revisión

Descripción

Por

Rev.

A

12/09/19

0

COORDINACION INTERNA

MS

JG

B

17/09/19

0

APROBACIÓN

MS

JG

C

04/10/19

0

APROBACIÓN

MS

JG

Aprob.

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág. ii

INDICE

ITEM

DESCRIPCION

1.

ALCANCE ................................................................................................... 1

2.

REFERENCIAS .......................................................................................... 2

3.

CODIGOS Y NORMAS ............................................................................... 3

4.

MATERIALES ............................................................................................. 3

5.

BASES DE DISEÑO ................................................................................... 3 5.1

Cargas Aplicables ....................................................................................... 3

5.1.1

Peso propio ................................................................................................ 3

5.1.2

Cargas super impuestas ............................................................................. 4

5.1.3

Cargas Sismicas ......................................................................................... 4

5.1.4

Viento (W)................................................................................................... 7

5.1.5

Sobrecarga de Techo ................................................................................. 8

6.

7.

PAG. N

DISEÑO ESTRUCTURAL ESTANQUE....................................................... 8 6.1

Modelo Estanque ........................................................................................ 8

6.2

Verificacion Pernos de Anclaje y llave de corte........................................... 9

6.2.1

Placa superior y Atiesador silla de Anclaje................................................ 10

6.2.2

Estado Tensional Anillo Placa base .......................................................... 12

6.2.3

Estado Tensional refuerzo manto zona sillas de anclaje ........................... 13

6.2.4

Verificación Pernos de Anclaje y llave de corte......................................... 15

6.3

Cálculo Techo cónico. .............................................................................. 16

6.3.1

Verificación Perfiles Soporte Techumbre .................................................. 16

6.3.2

Verificación espesor Plancha Techumbre. ................................................ 20

6.3.3

Verificación Deformaciones Techumbre ................................................... 21 CONCLUSION .......................................................................................... 21

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág. iii

ANEXO A

ANALISIS SISMICO ESTANQUE DE FLOCULACIÓN

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 1

1.

ALCANCE

El presente documento corresponde a la memoria de cálculo estructural asociada al estanque Flocculant Storage Tank TAG 0390-ZMF-003-17 asociado al proyecto QUEBRADA BLANCA FASE 2, El detalle del estanque se muestra a continuación:

Figura 1.1: Elevación estanque Flocculant Storage Tank

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 2

Figura 1.2: Planta estanque Flocculant storage tank

El sistema de anclaje del estanque vertical se conforma por 12 pernos de 1” ubicados perimetralmente, los cuales están montados en una silla de anclaje formada por pletinas de acero. La filosofía de diseño sísmico adoptada es la indicada en la NCh 2369 vOf 2003 y tiene por objetivo lograr.

2.



Protección de la vida en la industria



Continuidad de la producción en la industria.

REFERENCIAS 1) SNF-QB2-PSU-040 Planta preparación de floculante disposición general Hoja 1 de 2. 2) SNF-QB2-PSU-041 Planta preparación de floculante disposición general Hoja 2 de 2. 3) SNF-QB2-PSU-081 Tank design Storage.

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 3

3.

CODIGOS Y NORMAS Para el diseño del estanque se ha consultado a la siguiente normativa y/o códigos de diseño estructural, en su última edición: 

NCh2369.Of2003 “Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales”.



NCh3171.Of2010 “Diseño combinaciones de carga”.



AISC-2005 “American Institute of Steel Construction. Specifications for Structural Steel Buildings, Allowable Stress Design”



American Petroleum Institute, “Welded Tanks for Oil Storage, API Standard 650”, eleventh edition, USA, 2007.

4.

Estructural

-

Disposiciones

generales

y

MATERIALES Los materiales utilizados para la modelación y cálculos se obtuvieron de acuerdo a lo dispuesto en los criterios de diseño estructural del proyecto, los cuales son: ACERO ESTRUCTURAL Placas de acero que componen Estanque: ASTM A36 Soldadura Electrodo AWS E70XX PERNOS DE ANCLAJE Perno Diámetro Cantidad

5.

BASES DE DISEÑO 5.1

5.1.1

: ASTM A36 : 1 pulg. : 12

Cargas Aplicables Peso propio

Se consideran todas las cargas permanentes ya sean de los materiales resistentes como los removibles y secundarios: 

Para el caso del acero se consideró un peso específico de 7.85 ton/m3.



Para el caso del fluido se considera un peso específico del floculante de 1.0 ton/m3.

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 4



5.1.2

El estanque tiene un revestimiento el cual tiene una carga aplicada de 12 Kg/m2 para la lana mineral y de 3.2 Kg/m2 para la chapa metálica en todo el contorno de este.

Cargas super impuestas

Se considerarán las cargas propias del estanque y las que no son parte de la estructura resistente: 

5.1.3

Estructura de Techo => Se considera una sobrecarga mínima de techo de 122 kg/m2. (API 650 3.10.2.1)

Cargas Sismicas

El análisis sísmico se realiza según la normativa API 650 del año 2007, “Welded Tanks for Oíl Storage, API Standard 650, mediante el método estático. Las fuerzas sísmicas consideradas en el análisis sísmico son las fuerzas de inercia producidas por las masas del estanque de floculación, denominada fuerza impulsiva, y la fuerza convectiva generada por el oleaje del lodo durante un movimiento sísmico. ZONIFICACIÓN SÍSMICA Para lugares que no estén especificados en la norma API 650 del año 2007 la aceleración efectiva de diseño es el valor dado por la norma local del lugar en donde se construirá el estanque. Dado que el estanque se ubicará en la I Región a 165 km al SE de Iquique, la zona sísmica de acuerdo a la NCh2369.Of2003 es la 2, por lo cual la aceleración efectiva correspondiente a zona sísmica 2, igual a 0.3g. TIPO DE SUELO El tipo de suelo a considerar para el diseño del estanque es II según Norma Chilena 2369 Of 2003. COEFICIENTE DE AMORTIGUAMIENTO Para determinar el valor de la fuerza impulsiva se usa ξ=0.02 y para la fuerza convectiva ξ=0.005, de acuerdo a Punto 11.8.8 de la Norma Chilena 2369 Of. 2003. FACTOR DE MODIFICACIÓN. Según NCh 2369 Of 2003 los factores de modificación para un estanque anclado son: R=4

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 5

FACTOR DE IMPORTANCIA El factor de importancia es considerado igual a 1.2 según Norma Chilena 2369, considerando que el estanque se clasifica como grupo sísmico I. De acuerdo al punto 11.8.10 de dicha norma. Tabla 5.1: Factor de importancia estructura, Ítem 4.3.2 NCh 2369 Of 2003. Grupo sísmico de uso

Importancia

I

1.2

II

1.0

III

0.8

COEFICIENTE SÍSMICO Los coeficientes sísmicos tanto para la masa impulsiva, como la convectiva se obtienen de acuerdo con lo especificado en el apéndice E, sección E.4 de la norma API 650 del 2007. (Ver anexo A), considerando como base de cálculo sísmico la NCh 2369 Of 2003. ACCIÓN SISMICA VERTICAL Dado que se estudia la acción sísmica en una estructura de soporte y el sistema de anclaje, el coeficiente sísmico vertical normativo viene dado por 2/3Ci. CARGAS HIDRODINAMICAS Para el presente estado de carga se analizará en un sentido horizontal debido a que la estructura es simétrica La solicitación sísmica es calculada según el apéndice E de la API 650, del año 2007. Esta indica que la fuerza sísmica ejercida por el líquido sobre el estanque viene dada por una fuerza impulsiva, y una convectiva. Los coeficientes y pesos sísmicos obtenidos para estas dos fuerzas son (detalle del cálculo, ver anexo A).  

Peso sísmico impulsivo (Wi)= 83,6 Tonf Peso sísmico convectivo (Wc) =22,6 Tonf

 

Coeficiente sísmico impulsivo ( Ai): 0.24 Coeficiente sísmico convectivo (Ac): min(Ai,Ac) = 0.083

Por lo tanto, las fuerzas sísmicas hidrodinámicas son:  

Vimpulsivo= Ci*Wi*I=24,08 Tonf Vconvectivo=Cc*Wc*I = 2,25Tonf

Estas fuerzas son aplicadas a una altura de (Anexo A):  

Himpulsivo: 2,13 m Hconvectivo: 3,9 m

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 6

En base a estas cargas se obtienen las cargas distribuidas tanto para el modo convectivo como impulsivo

𝑃 = 𝑄𝑐 ∙

𝑃

= 𝑄𝑐 ∙

(6 ∙ ℎ𝑐 − 2 ∙ 𝐻) 𝑇𝑜𝑛 = 0,138 𝑟∙𝜋∙𝐻 𝑚

(4 ∙ 𝐻 − 6 ∙ ℎ𝑐) 𝑇𝑜𝑛 = −0,028 𝑟∙𝜋∙𝐻 𝑚

Para el modo impulsivo se tienen las siguientes cargas distribuidas:

𝑃 = 𝑄𝑖 ∙

𝑃 = 𝑄𝑖 ∙

(6 ∙ ℎ𝑖 − 2 ∙ 𝐻) 𝑇𝑜𝑛 = 0,27 𝑟∙𝜋∙𝐻 𝑚

(4 ∙ 𝐻 − 6 ∙ ℎ𝑖) 𝑇𝑜𝑛 = 0,91 𝑟∙𝜋∙𝐻 𝑚

Por lo cual para cargar al sistema se debe realizar una suma cuadrática dando los siguientes resultados: En la siguiente figura se muestran las presiones aplicadas al estanque según normativa API:

Zona Superior Muro: 𝑃1 =

0 + 0,27 + 0,138 = 0,303

𝑇𝑜𝑛 𝑚

Zona Inferior Muro: 𝑃2 =

0,998 + 0,91 = 1,35

𝑇𝑜𝑛 𝑚

Luego estas cargas se distribuyen de forma cosenoidal al estanque de acuerdo a lo que se muestra en la siguiente figura:

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 7

Para la fuerza sísmica resultante basal en la estructura será la correspondiente a la sumatoria de los cortes sísmicos hidrodinámicos y los asociados a la estructura. (Anexo A) la que da un valor de:  

M0=79,6 Ton. Q0=30,9 Ton-m.

Por lo cual se consideran estas cargas aplicadas al sistema. Nota: el corte basal del sismo se da con la sumatoria de los cortes sísmicos impulsivos, convectivos y los asociados a la estructura (Anexo A). 5.1.4

Viento (W) Para el siguiente estado de carga se realizará una comparación entre la carga sísmica y el viento tomando los siguientes datos.



Presión Básica de la Carga de viento es: q

 

Factor de Forma superficies perpendiculares a la dirección del viento: C Fuerza Horizontal Total del viento aplicado a la estructura 𝑊 Por lo tanto da:

=𝐶

= 100

∙ (𝜋 ∙ 5,0 ∙ 𝐻) ∙ 𝑞

= 13,82𝑇𝑜𝑛

= 1.6

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 8

𝑊

= 13,82 𝑇𝑜𝑛 < 𝑄 = 30,9 𝑇𝑜𝑛

En conclusión el viento no condiciona el diseño de la estructura. 5.1.5

Sobrecarga de Techo Se consideró en la presente modelación la aplicación de una sobrecarga de techo de 122 Kg/m2 según API 650 ítem 3.10.2.1 o de 1 Ton aplicada en la zona más desfavorable de la estructura (cargas de montaje).

6.

DISEÑO ESTRUCTURAL ESTANQUE 6.1

Modelo Estanque

La modelación se hizo mediante el software Staad Pro V.8.i El modelo 3D se realizó mediante elementos finitos (Shell thin y Shell thick) considerando las propiedades mecánicas del acero ASTM A36.

Figura 6.1: Modelación 3D Estanque floculante de 5.5 m de altura.

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 9

6.2

Verificacion Pernos de Anclaje y llave de corte

Las sillas de anclaje se modelan junto con el estanque. Los espesores utilizados para el diseño fueron de los que se muestran en la figura 6.2. Los atiesadores de las sillas de anclajes tienen espesor de 16 mm la placa superior tiene un espesor de 20 mm y el anillo tiene un espesor de 8 mm. Las propiedades del material son las del acero ASTM A36, el cual tiene una tensión de fluencia igual a 2530 kgf/cm2.

Figura 6.2: Modelo de elementos finitos Sillas

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 10

Figura 6.3: Tensiones en Modelo elementos finitos silla de anclaje Staad Pro V.8.i El método utilizado para la verificación de la silla de anclaje es la de tensiones admisibles (ASD), por lo que se debe verificar que las tensiones en las placas sea menor que la tensión admisible del acero ASTM A36, la cual está dada por: 𝜎𝑎𝑑𝑚 = Por lo tanto,

Ω

con Ω = 1.67

𝜎𝑎𝑑𝑚 = 1514.9 6.2.1

𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚

Placa superior y Atiesador silla de Anclaje Placa superior e=20 mm y Atiesador de e=16 mm

La combinación más desfavorable para esta placa es la combinación N°13 El estado tensional de este elemento se muestra en la figura 6.4.

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 11

Figura 6.4: Estado tensional de placa superior silla de anclaje [kgf/cm 2] Para placa base superior la tensión máxima en esta placa ocurre en las cercanías de la conexión con el manto, en la zona comprimida del sistema de anclaje, como se muestra en la figura 6.4. La tensión alcanzada es de 569 kg/cm2, la cual está por debajo de la tensión admisible, por lo tanto, con espesor 20 mm esta placa cumple los requisitos de resistencia. El factor de utilización de esta placa es del 38%. Para el atiesador la tensión máxima en esta placa ocurre en las cercanías del perno, en la zona comprimida del sistema de anclaje, como se muestra en la figura 6.4. La tensión alcanzada es de 569 kgf/cm2, la cual está por debajo de la tensión admisible por lo tanto con espesor 16 mm esta placa cumple los requisitos de resistencia. El factor de utilización de esta placa es del 38%.

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 12

6.2.2

Estado Tensional Anillo Placa base e=8 mm

Figura 6.5: Estado tensional de placa anillo basal [kgf/cm2] Como se muestra en la figura en la zona traccionada del anillo de espesor 8 mm, es donde se tiene la máxima tensión de 356 Kg/cm2, dando un factor de utilización de la placa de 24 %. El ancho del anillo considerado es de 800 mm total considerando 600 mm en la zona interior del estanque y 200 mm hacia el exterior de este.

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 13

6.2.3

Estado Tensional refuerzo manto zona sillas de anclaje

Figura 6.6: Estado tensional refuerzo manto zona sillas de anclajes [kgf/cm2] La tensión máxima del manto ocurre en la zona comprimida del estanque bajo la condición sísmica del sistema de anclaje, como se muestra en la figura 6.6. La tensión alcanzada es de 1136 kgf/cm2, la cual está por debajo de la tensión admisible por lo tanto con espesor de 6 mm cumple los requisitos de resistencia. El factor de utilización de esta placa es del 75%.

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 14

6.2.4

Estado Tensional placa inferior estanque e=6 mm

Figura 6.7: Estado tensional placa inferior estanque [kgf/cm2] La tensión máxima de la placa inferior del estanque de 6 mm de espesor manto ocurre en la zona traccionada del estanque bajo la condición sísmica del sistema de anclaje, como se muestra en la figura 6.7. La tensión alcanzada es de 214 kgf/cm2, la cual está por debajo de la tensión admisible por lo tanto con espesor de 6 mm cumple los requisitos de resistencia. El factor de utilización de esta placa es del 14%.

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 15

6.2.5

Verificación Pernos de Anclaje y llave de corte

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 16

Por lo tanto, se requieren llaves de corte tipo cruz de 20x20x2.0 cm de espesor y profundidad de 22.5 cm. 6.3

Cálculo Techo cónico.

En el presente ítem se mostrará el cálculo de los perfiles necesarios para realizar la suportación de la techumbre del estanque de floculación. Adicionalmente se verificará el espesor requerido de la placa que conforma el techo. Se realizó una modelación 3D de la techumbre dando los siguientes resultados:

Figura 6.8: Modelación techo estanque de Floculación Como se puede observar en la figura 6.7, la estructura se suportación del techo se compone de vigas radiales de perfiles C17.5x12.1 y vigas anulares con perfil de C15x9.17. En la zona que llega el techo al manto del estanque se dispondrá un ángulo laminado de coronamiento de L100x6 laminado. 6.3.1

Verificación Perfiles Soporte Techumbre Como se puede observar en la figura 6.8 y Figura 6.9, los perfiles cumplen con los factores de utilización, por lo cual se toman estos perfiles para la estructura de soporte del techo.

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Figura 6.9: Factores de Utilización Vigas radiales Techumbre (C17.5x12.1)

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 18

Figura 6.10: Factores de Utilización Vigas anulares Techumbre (C15x9.17)

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 19

Figura 6.11: Factores de Utilización Angulo coronamiento apoyo (L100x6 laminado)

Figura 6.12: Detalle tipo llegada a techumbre a perfil coronamiento L100X6

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6.3.2

Verificación espesor Plancha Techumbre. El método utilizado para la verificación de la plancha de la techumbre es la de tensiones admisibles (ASD), por lo que se debe verificar que las tensiones en las placas sea menor que la tensión admisible del acero ASTM A36 dada por: σadm =

Ω

con Ω = 1.67

Por lo tanto, σadm = 1514.9

kgf cm

Figura 6.13: Estado tensional placa techumbre (Kg/cm2) La tensión máxima en esta placa ocurre en el borde exterior del techo del estanque, tal como se muestra en la Figura 6.12. La tensión alcanzada es de 197 kgf/cm2, la cual está por debajo de la tensión admisible, por lo tanto con espesor 6 mm esta placa cumple los requisitos de resistencia. El factor de utilización de esta placa es del 9.8%.

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6.3.3

Verificación Deformaciones Techumbre

La máxima deformación vertical que tiene la estructura es de 2.45 mm, la cual es inferior a la admisible 8.3 mm. (L/300), por lo tanto, cumple con las deformaciones. 7.

CONCLUSION

El sistema de anclaje y sus componentes fueron analizados bajo las combinaciones más desfavorables para las solicitaciones de peso propio, sobrecarga y sismo. Los componentes del sistema de anclaje del estanque cumplen con los requerimientos estructurales de resistencia satisfactoriamente, por lo que con este trabajo se puede asegurar el cumplimiento de la normativa vigente y el comportamiento estructural del sistema de anclaje del estanque ante todas las solicitaciones de cargas, especialmente cargas sísmicas.

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ANEXO A ANALISIS SISMICO ESTANQUE FLOCULACION

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MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 24

MEMORIA DE CALCULO FLOCCULANT STORAGE TANK Pág 25

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