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APUNTES ABOVEGROUND STORAGE TANKS-Myers

CAPITULO I 1.2.2. Physical properties of stored liquids (pg 11 pdf) Cuan mayor sea la densidad del líquido, se requiere menor espesor de la pared del tanque. Internal and external pressure (pg 14) La presión interna admisible en un contenedor es 15 psig, aquellos que exceden este límite son contenedores a presión (pressure vessels) y son estudiados por ASME Boiler and Pressure Vessel Code. Para propósitos prácticos, la presión interna en los tanques no debe exceder este límite. La presión externa puede producir grandes daños en los tanques porque la superficie exterior de estos es muy grande. Una presión externa muy grande puede causar el pandeo de las paredes o el colapso total de la estructura. Existen casos en los que fuertes vientos generados por huracanes producen estas fallas. 1.4 Componentes principales de los tanques (pg 15) No se puede clasificar a los tanques bajo un solo criterio como forma y tipo de cubierta; pero muchos códigos los clasifican de acuerdo a su presión de vapor de la sustancia almacenada o según al diseño de la presión interna, que es el método mayormente empleado por los códigos de diseño. En gran medida, la presión de vapor determina la forma y el tipo de tanque utilizado. Algunos de los componentes clave que determinan el tipo de tanque son descritos a continuación. 1.4.1. Tanques con cubierta fija (fixed roof tanks) (pg 15) Las cubiertas y fondos (bottoms) relativamente planos no se prestan a mucha presión interna. A medida que la presión interna crece, los constructores de tanques utilizan domos o esferas. En términos de espesor requerido, la esfera es la forma más económica para almacenaje de presión interna, pero generalmente es más difícil de fabricar que la cubierta tipo domo o paraguas (dome or umbrela roof tanks). Tanques con cubierta cónica. Son cáscaras cilíndricas con un eje vertical de simetría. El fondo es usualmente plano y la parte superior tiene la forma de un cono poco alto (shallow cone). Estos son los tanques más ampliamente utilizados para almacenar cantidades relativamente grandes de fluido. Típicamente tienen vigas de cubierta y vigas de soporte, excepto en tanques con diámetros pequeños. Tanques con cubierta tipo sombrilla. Estos tanques son muy similares a aquellos con cubierta tipo cono, pero esta parece una sombrilla. Usualmente se construyen en tanques con diámetro no mayor que 60 ft (18.3 m). Su estructura puede ser autosoportada, es decir que no se requiere columnas como en el caso de las cubiertas tipo cono. Tanques con cubierta tipo domo. Son similares a los tanques con cubierta tipo sombrilla, excepto que la superficie del domo tiene una forma más esférica comparada a las secciones segmentadas del tipo sombrilla. Tanques con cubierta tipo dome de aluminio geodésico (aluminum geodesic). Estos tanques se están volviendo más populares. Además de ser económicos, ofrecen una resistencia superior a la corrosión y

pueden ser estructuras con luces grandes, sin necesidad de soportes internos. (¿Existirá este tipo de tanques en el Perú?). 1.4.3. Base de los tanques (pg 19) Los cierres del tanque cilíndrico (cubierta y base) son una función muy importante en la presión interna del tanque. Debido a que la base del tanque está sujeta diferentes condiciones, varios tipos de bases han sido desarrolladas. Los tanques de base plana parecen planos, pero usualmente tienen diseñada una pequeña pendiente y forma, son clasificados como sigue: Planos (Flat), Cono (cone up), Cono invertido (cone down), una pendiente (single slope). Ya que el sedimento se acumula en la base del tanque, y la corrosión es más propensa en esta región, el diseño de la base es muy importante. Plano. Para tanques con diámetro menor a 20-30 ft (6.1 - 9.1 m) se utiliza una base plana. Colocar una pequeña pendiente en el fondo no genera ningún beneficio, entonces son fabricados tan cercanamente planos como la práctica lo permite. (LOS MODELOS EXPERIMENTALES TIENEN BASE PLANA, será porque adoptaron modelos de tanques reales pequeños?, pero el modelo de Park proviene de un tanque grande y la base del modelo aparentemente es plana, al menos no hacen énfasis en la base del tanque). Cono. Tiene un punto más alto en el centro al coronar la fundación. La pendiente de la base del tanque es 0.8-1.7%, entonces, el fondo parece plano, pero la sustancia almancenada tiende a drenarse hacia el borde, de donde puede ser fácilmente removida (me interesa tratar este tipo de fondo). Cono invertido. Se drena el líquido hacia el centro del tanque, donde se ubica un sumidero, que transporta la sustancia por medio de una tubería enterrada hacia otro sumidero en la periferia del tanque. El modelo es efectivo pero muy complejo, además mucho más propenso a la corrosión (Desecho este tipo de fondo). Pendiente única. El fondo del tanque tiene una pendiente única que significa un punto más bajo donde se acumulará la sustancia almacenada, que podrá ser fácilmente removida. Como la pendiente es constante, la diferencia de alturas puede ser muy grande, entonces usualmente se limita el diámetro del tanque a 100 ft. (Desechado) Fondos cónicos. Este tipo de tanques son muy costosos y son utilizados en tanques pequeños o para la industria química (Desechado) 1.6 Consideraciones de ingeniería 1.6.1 Materiales de construcción (pg 20) Los tanques son construidos basados en el costo del material, facilidad de la fabricación, resistencia a la corrosión, compatibilidad con el fluido almacenado, disponibilidad del material. El acero inoxidable (stainless Steel) es un material importante para los tanques con líquidos corrosivos. Aunque su costo es más elevado que el acero, tiene la misma facilidad de construcción y disponibilidad que el acero de carbono (carbon Steel or mild Steel). Ya no es común construir tanques de aluminio, han sido reemplazados por el acero inoxidable y por el acero al níquel.

Los tanques de concreto han sido utilizados principalmente para el almacenamiento de agua. Sin embargo, por motivo de su elevado costo, hoy en día no son muy comunes. (importante para no estudiar tanques de Concreto) 1.6.2 Criterio de selección de tanques (pg 21) La selección de tanques es un complicado proceso, que se puede resumir con orden en la figura 1.11 (pg 21). Aunque la presión de vapor es un factor muy importante para seleccionar un tanque, la tabla 1.3 clasifica a los tanques de acuerdo a la sustancia química almacenada, y la presión que deben resistir de acuerdo a esta (atmosférica, baja y alta). También influye la selección del material, sistemas de prevención de la corrosión, y requerimientos ambientales. Al mismo tiempo influye la disponibilidad de espacio y los requisitos de la autoridad contra incendios. 1.8 Prevención de salpicaduras y fugas Esta lectura conviene si se quiere encontrar mayores motivos para prevenir estos problemas.

CAPITULO II. Códigos, estándares y regulaciones Puede revisarse este capítulo para conocer las instituciones que regulan las especificaciones sobre tanques. Principalemente: API, ASME y contra incendios (firing).

CAPITULO V. Fundaciones en tanques 5.1.2 Códigos y estándares Existen muchos códigos utilizados por el diseñador de tanques. Uno de los más útiles es el ACI 318. El Uniform Building Code (UBC) también proporciona una guía y principios para el diseño de fundaciones. Una referencia muy útil se encuentra en API 650 Apéndice B, también en API 620, que proporciona una guía específica sobre el diseño de fundaciones para tanques de almacenamiento. 5.3 Tipos de fundaciones en tanques Los tipos más comunes de fundaciones, de acuerdo al costo, en orden ascendente son: 1° Suelo compactado 2° Anillo de piedra chancada 3° Anillo de concreto (Concrete ringwall) 4° Losa 5° Soportado con pilotes 5.3.1. Fundación de anillo de concreto (pg 81) Puede verse en detalle en la fig. 5.1. Es utilizada en tanques con diámetro mayor a 30 ft (9.1 m). Es la fundación de concreto armado con mayor costo-efectividad para tanques de grandes diámetros grandes. Varias de sus ventajas hacen que su uso sea amplio. Dentro sus principales características: -

Su criterio de diseño debe ser cuidadosamente elaborado debido a las diferentes condiciones de carga, especialmente en tanques anclados. Existe mayor información en la sección de cargas de diseño.

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Utilizados para tanques con diámetro superior a 30 ft (9.1m). Adecuados cuando se requiere resistencia al uplift. Proporciona una fuerza variable que resiste el uplift a través del ajuste del ancho del anillo. Es relativamente costoso.

5.3.2. Anillo de piedra chancada (pg 83) Esta fundación fig 5.2, es construida porque es mucho más económica que el anillo de fundación de concreto. Sin embargo, tiene muchas de las ventajas del anterior tipo de fundación. Sus características son: -

Pueden ser utilizados para cualquier tamaño de tanque. No proporciona una buena base sobre la cual trabajar, así como lo hace el anillo de concreto. Permite la infiltración de humedad bajo la periferia de la base del tanque. A diferencia del anillo de concreto, es más apropiado para suelos blandos, pero potencialmente puede presentar asentamiento a lo largo del borde. Sujeto a asentamiento del borde y asentamiento diferencial de la cáscara. Significativamente menos costoso que el anillo de fundación de concreto.

5.3.3. Fundación de suelo compactado (pg 84) Debe aplicarse donde exista buena capacidad portante del suelo. La superficie es removida hasta una profundidad de 3 a 6 in y es rellenada con arena o relleno granular. Sus características son: -

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No es adecuado cuando el tanque debe diseñarse contra el uplift porque el anclaje no puede ser colocado con facilidad. Sin embargo, con el apropiado diseño, se pueden utilizar anclajes de suelo helicoidal (helicoidal soil anchors). La fundación tiende a ser lavada por lluvias. La corrosión en la cara inferior de la tapa del tanque es más imprevisible que otros tipos de material de fundación. Si el suelo es bueno, puede aplicarse en cualquier tamaño de tanque. Puede sufrir asentamiento local. El costo es bajo.

5.3.4. Fundaciones tipo losa (pg 84) Puede verse en la fig. 5.3. Tiene las mismas ventajas que el anillo de concreto, pero está limitado a diámetros de tanques menores a 30 ft (9.1 m). El borde de la losa está limitado usualmente para proporcionar anclaje. Su elevado costo limita el tamaño de los tanques para los que puede ser aplicado. Puede ser utilizado para todo tipo de tanques, incluso para los que requieren diseño contra uplift. 5.3.5. Fundación con pilotes (pg 85) Usualmente encontrada donde la capacidad portante en suelos es baja, que es más común en regiones cercanas a ríos o bahías. 5.4 Principios de diseño 5.4.2. Condiciones de carga para el diseño

5.4.2.1. Carga muerta (pg 85) La carga muerta está comprendida por los componentes de la estructura del tanque. El líquido almacenado corresponde a la carga viva. Cargas de columnas Esto aplica para columnas que soportan la cubierta del tanque. En regiones donde existen sismos, las columnas no solamente están sujetas a cargas verticales sino también a cargas laterales, producidas por el olejae del líquido (sloshing); y la aceleración lateral de la columna puede producir importantes esfuerzos de flexión. La combinación de los esfuerzos axiales y de flexión frecuentemente conducirán al pandeo de la columna. 5.4.2.2. Cargas vivas Carga hidrostática. La capacidad de presión del suelo puede limitar la altura del tanque. De acuerdo al autor (Myers), durante el sismo, el efecto del sloshing incrementa la presión hidrodinámica en el fondo del tanque (¿solamente en el fondo?). Estas fuerzas transitorias generadas en la fundación pueden ser calculadas con las fórmulas indicadas en la sección de cargas sísmicas. 5.4.3. Anclaje (pg 89) El anclaje es utilizado para mantener el tanque abajo durante el uplift producto del momento de volteo generado por el viento, momento de volteo por sismo, o presión interna. El sistema de anclaje es el que limita las fuerzas de uplift. El sistema está compuesto por la conexión fundación-anclaje, el anclaje, y la conexión anclaje-cáscara (Shell) ó la silla de anclaje (silla de anclaje). Los modos de fallas pueden ser categorizados como: -

Problemas de la fundación Arranque del anclaje Falla por corte de la fundación Fallas de la silla y el tanque Rasgado del anclaje de la cáscara (pared del tanque) (Weld failure) Falla de la parte superior de la silla Rasgado de la cáscara (tank Shell) Fallas de los pernos Fluencia de los pernos Arranque de los pernos

Los pernos de anclaje deben ser diseñados de manera que proporcionen ductilidad durante la falla del sistema de anclaje. Esto minimiza la probabilidad del rasgado de la pared del tanque, la pérdida de anclaje, o de estos dos efectos en forma simultánea. Debe diseñarse los pernos de manera que ingresen en fluencia antes que la silla. Los pernos también tienen que ingresar a la fluencia antes que sean arrancados de la fundación (pullo ut). Los criterios más importantes presentados por los códigos de diseño son:

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Comúnmente, muchos códigos y estándares indican un diámetro mínimo de los pernos de anclaje de 1”, y por causa de la corrosión este llega a 1-1/4”. Mientras más se incremente el diámetro del perno, mayor es la incidencia en los costos. Los anclajes no deben ser colocados a mayor distancia de 10 ft (3.048 m). El número y tamaño de los pernos puede ser determinado con la tabla 5.3.

5.4.4. Diseño de la silla de anclaje (Anchor chair design, pg 90) El diseño de la silla de anclaje está basado en el procedimiento desarrollado en la referencia 11 (Useful information on the design of plate structures pg 92). Si la silla funciona de acuerdo al diseño, entonces los pernos alcanzarán la fluencia antes que la cáscara o la silla. Sin embargo, se anticipa que la cáscara experimentará una fluencia local antes que los pernos fallen. Ya que el esfuerzo máximo decrece en la cáscara a medida que la distancia respecto a la silla aumenta, esta fluencia local no es tomada en cuenta como un problema. La figura 5.7 muestra las cargas y el criterio de diseño que pude ser utilizado de acuerdo con la referencia 1 (Fundación del tanque de almacenamiento de aceite pg 91) para el diseño de sillas de anclaje.