ACCIÓN DEL VIENTO EN LA ESTABILIDAD

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II Conferencia Internacional de Usuarios de ANSYS

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Ingeniería, Desarrollo y Manejo de Información

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30, 31 de Octubre y 1 de Noviembre

ACCIÓN DEL VIENTO EN LA ESTABILIDAD DE LAS PAREDES DE ESTRUCTURAS

CILÍNDRICAS DE PARED DELGADA

C. Cortés Salas1 y H. Sánchez Sánchez2

1Instituto Mexicano del Petróleo

2Sección de Estudios de Posgrado e Investigación ESIA,

Instituto Politécnico Nacional



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RESUMENLas plantas de almacenamiento se encuentran sobre las

costas, lo más cercanos a las instalaciones marinas. Esta situación, obliga a estudiar y revisar de manera precisa los tanques de almacenamiento ante diferentes solicitaciones para determinar márgenes de seguridad adecuados. Además La región del Golfo es considerada como una zona de alto riesgo ante huracanes, por lo que es recomendable realizar análisis de viento en este tipo de estructuras. Siendo, la acción del viento un efecto fundamental, que se vuelve crítico cuando las estructuras se encuentran vacías



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Las estructura cilíndricas de pared delgada son estructuras ampliamente e intensamente utilizadas en las área de las ingenierías: aereo espacial, petrolera, petroquímica, mécanica, civil, estructural, etc.

INTRODUCCION



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Daños reportados en tanques de almacenamiento en otras partes del mundo (Zaya, 1974), indican que las fallas se pueden clasificar en tres categorías principales:

Fallas en los cascarones debido a fractura frágilFallas locales en la cimentación, ubicadas en la parte inferior de los tanques,

esto crea un mayor derrame del contenidoFallas en las paredes del casco debido al pandeo elástico por cargas

externas.

El colapso total puede ocurrir por un solo factor, ó la combinación de los tres factores descritos. En la década de los cincuenta se reportaron fallas en tanques de almacenamiento debido a fracturas de tipo frágil, en esa época se observo que los códigos de diseño no contemplaban este tipo de fallas.

ANTECEDENTES



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Vista de un tanque atmosférico dañado por la acción del viento



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• Las estructuras estudiadas en esta investigación son tanques

cilíndricos metálicos constituidos por varios anillos soldados entre

ellos, de paredes delgadas con espesores variables, respecto a su

altura h(z). El espesor de las placas de acero de las paredes de los

tanques es variable, siendo más grueso en las zonas cercanas al

anillo de cimentación de concreto

R R

Datos del tanqueR = 27.416 m.H = 14.630 m.tpromedio.= 1.9833 cm

DESCRIPCION DEL MODELO



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MODELO DE ANALISIS

Número de Nodos: 10,436Número de Elementos: 3,662



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ELEMENTOS UTILIZADOS PARA EL ANÁLISIS



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Se analizó la estructura para diferentes velocidades de diseño VD de acuerdo a los periodos de retorno que recomienda el MDOC-DV (CF-93), tratando de estudiar la estabilidad de las paredes metálicas del cascarón, mediante el análisis del estado de esfuerzos que generan éstas velocidades, y ver en que caso éstos esfuerzos llegan a rebasar el esfuerzo crítico obtenido mediante la teoría clásica de pandeo, que consideran un cierto nivel de imperfecciones geométricas iniciales obtenidos de trabajos experimentales, y con teorías de falla, como los esfuerzos de Von Mises para establecer márgenes.

La determinación de las cargas de viento que afectan a la estructura se realizómediante lo establecido por el MDOC-DV (CF-93).

Calculo de las cargas de viento



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Presión ActuanteLa presión actuante se determinó de acuerdo al MDOC-DV (CF-93) de la

siguiente manera:

Cpe coeficiente de presión (adimensional)qz presión dinámica

zpez qCp =

)5cos05.04cos1.03cos3.02cos8.0cos4.05.0( βββββ −−+++−= spe KC



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Acciones del Viento



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Esta investigación reporta resultados numéricos sobre la acción del viento analizando de manera detallada el comportamiento de las paredes de tanques de almacenamiento. Para ello se consideraron velocidades regionales correspondientes al Golfo de México y se calculó una distribución de presiones que corresponden al caso de un cuerpo cilíndrico dentro del flujo de viento, con la finalidad de considerar estos efectos que provocan fuerzas y vibraciones transversales en la dirección del flujo sobre estas estructuras.

RESULTADOS NUMÉRICOS



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ANSYS 5.7.1 NODAL SOLUTIONSTEP=1 SUB =10 TIME=1 UX (AVG) RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.284967 SMN =-.167092 SMX =.052059

MN

MX

X

YZ

-.167092 -.142742 -.118392 -.094042 -.069692 -.045342 -.020992 .003358 .027708 .052059

Caso 1, velocidad de viento VD ,periodo de retorno de 10 años .

Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. horizontales Ux.



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ANSYS 5.7.1 ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =10 TIME=1 SEQV (NOAVG)PowerGraphicsEFACET=1DMX =.284967 SMN =.478354 SMX =295.699

MNMXX Y

Z

.478354 33.281 66.083 98.885 131.688 164.49 197.292 230.095 262.897 295 699

Esfuerzos de Von Mises σVM configuración deformada del tanque .




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Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. verticales Uz

ANSYS 5.7.1 NODAL SOLUTIONSTEP=1 SUB =10 TIME=1 UZ (AVG) RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.284967 SMN =-.052779 SMX =.028514

MN MX

X Y

Z

-.052779 -.043746 -.034714 -.025681 -.016649 - 007616



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NODAL SOLUTIONSTEP=1 SUB =10 TIME=1 UX (AVG) RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.384553 SMN =-.226386 SMX =.068727

MN

MX

X

YZ

-.226386 -.193596 -.160806 -.128015 -.095225 -.062434 -.029644 .003147 .035937 .068727



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MNMXX Y

Z

.712629 33.881 67.049 100.218 133.386 166.554 199.723 232.891 266.059 299 228



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MNMX

XY

Z

-.065255 -.052272 -.039289 -.026306 -.013323 - 340E-03



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SUB =10 TIME=1 UX (AVG) RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.438826 SMN =-.260128 SMX =.07714

MN

MX

X

YZ

-.260128 -.222654 -.18518 -.147706 -.110231 -.072757 -.035283 .002191 .039665 .07714



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MNMXX Y

Z

.656092 34.12 67.584 101.048 134.512 167.976 201.439 234.903 268.367 301 831



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MNMX

XY

Z

-.071946 -.05682 -.041695 -.026569 -.011444 003682



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SUB =10 TIME=1 UX (AVG) RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.495815 SMN =-.298775 SMX =.085314

MN

MX

XYZ

-.298775 -.256099 -.213422 -.170746 -.128069 -.085393 -.042716 -.394E-04 .042637 085314



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MNMXX Y

Z .919619 34.75 68.58 102.41 136.24 170.07 203.9 237.731




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RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.495815 SMN =-.078885 SMX =.077432

MNMX

XYZ

-.078885 -.061517 -.044148 -.026779 -.009411 .007958 .025326 .042695 .060063 .077432




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ANSYS 5.7.1 NODAL SOLUTIONSUB =1 TIME=1 UX (AVG) RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =3.924 SMN =-3.538 SMX =.498491

MN

MX

-3.538 -3.089 -2.641 -2.192 -1.744 -1.295 -.846916 -.398447 .050022 .498491



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ANSYS 5.7.1 ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =10 TIME=1 SEQV (NOAVG)PowerGraphicsEFACET=1DMX =3.924 SMN =1.155 SMX =541.174

MNMX

1.155 61.157 121.159 181.161 241.163 301.165 361.167 421.17 481.172 541.174




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ANSYS 5.7.1 NODAL SOLUTIONSUB =1 TIME=1 UZ (AVG) RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =3.924 SMN =-.240629 SMX =1.824 MN

MX

-.240629 -.011213 .218203 .447619 .677035 .906451 1.136 1.365 1.595 1.824




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Estructura fallada debido a la acción del viento



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Resumen de resultados de los análisis realizados para los caso 1 a 5

Periodo de retorno(años)

Desplazamientos horizontales Ux

(cm)

Desplazamientos verticales Uz (cm)

Esfuerzos de VonMises

Kg/cm2

10 -0.164 -0.0166 295.699

50 -0.222 -0.065 299.228

100 -0.26013 -0.072 301.831

200 -0.2988 -0.789 305.395

2000 -3.538 1.824 541.00

Se observa que los desplazamientos horizontales Ux se van incrementado para todos los periodos de retorno considerados, lo que no sucede para el desplazamiento vertical máximo Uz, donde para lo primeros cuatro periodos se presenta un efecto de compresión y para el periodo de Tr=2000años la estructura tiende a levantarse presentándose un desplazamiento de 1.824 cm. Respecto a los esfuerzos máximos de Von Mises, éstos se incrementan paulatinamente para todos los caso, en especial para caso 5, los esfuerzos se incrementan en un 1.83 veces el esfuerzo máximo para el periodo correspondiente de 10 años.



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Se observa que los desplazamientos horizontales Ux se van incrementado para todos los periodos de retorno considerados, lo que no sucede para el desplazamiento vertical máximo Uz, donde para lo primeros cuatro periodos se presenta un efecto de compresión y para el periodo de Tr=2000años la estructura tiende a levantarse presentándose un desplazamiento de 1.824 cm. Respecto a los esfuerzos máximos de Von Mises, éstos se incrementan paulatinamente para todos los caso, en especial para caso 5, los esfuerzos se incrementan en un 1.83 veces el esfuerzo máximo para el periodo correspondiente de 10 años.

CONCLUSIONES

Por otro lado si comparamos estos resultados con el esfuerzo crítico de pandeo elástico, para la condición de presión externa uniforme σcrit = 791.95 kg/cm2 (modo circunferencial n=22), se observa que aún se encuentran por debajo de este valor crítico.



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CONCLUSIONES

El objetivo de este trabajo fue analizar y estudiar, el comportamiento y la estabilidad de estructuras cilíndricas de pared delgada ante diferentes acciones. Este trabajo ha intentado a través de análisis numéricos mediante la técnica del elemento finito, estudiar la influencia de las imperfecciones iniciales de estructuras cilíndricas de pared delgada sometidas a presión externa debido al viento, y estimar las cargas críticas mediante métodos numéricos y analíticos.

A partir de los resultados obtenidos del análisis para los diferentes periodos de retorno, podemos decir que la estructura estudiada con el anillo de rigidez presenta un comportamiento en el cual no se llega a rebasar el esfuerzo crítico de pandeo para presión externa, sin embargo, es necesario realizar estudios mas detallados para la determinación del valor crítico de la distribución de presiones generada por el viento para esta geometría. Por otro lado las configuraciones deformadas obtenidas del análisis representan de manera aceptable el comportamiento real de tanques que han presentado fallas por la acción del viento.



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El estudio reporta resultados numéricos con el fin de estudiar el comportamiento y estabilidad de estructuras cilíndricas, los resultados de estas investigaciones podrían considerarse en el futuro como guía para el diseño y evaluación de tanques, silos y recipientes, con fines de normatividad. Por tanto, con base en de estos resultados propios se pueden sugerir otras alternativas para aumentar o mejorar la capacidad de estas estructuras tan intensamente utilizadas en las diferentes áreas de las ingenierías, como son la presurización y la rigidización, que permiten aumentar la resistencia al pandeo de los cascarones delgados.

CONCLUSIONES

AGRADECIMIENTOS

INSTITUTO MEXICANO DEL PETROLEO

ACCIÓN DEL VIENTO EN LA ESTABILIDAD

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