acciÓn del viento en la estabilidad de las paredes de ... · placas del techo, así mismo prevenir...

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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C. ACCIÓN DEL VIENTO EN LA ESTABILIDAD DE LAS PAREDES DE ESTRUCTURAS CILÍNDRICAS DE PARED DELGADA Héctor Sánchez Sánchez 1 y Carlos Cortés Salas 2 RESUMEN En este trabajo se realizo un estudio sobre la acción del viento en la estabilidad de paredes de tanques de almacenamiento de gran capacidad, para ello se consideraron velocidades regionales correspondientes al Golfo de México y se calculo una distribución de presiones que corresponden al caso de un cuerpo cilíndrico dentro del flujo de viento, con la finalidad de considerar los efectos de vórtices alternantes que provocan fuerzas y vibraciones transversales en la dirección del flujo sobre estas estructuras. Mediante modelado numérico empleando el método de los elementos finitos, se analizo una estructura axisimétrica y la distribución de presiones fue obtenida para diferentes periodos de retorno, la cual fue discretizada tratando de representar la variación de presiones y succiones alrededor de las paredes del tanque. Obteniendo así un estado de esfuerzos, y deformaciones las cuales se aproximan a una configuración real como lo muestran algunos casos reportados en la literatura. ABSTRACT In this work it has been carried out a study on the action of the wind in the stability of walls of tanks of storage of great capacity, for they have been considered it regional speeds corresponding to the Gulf of Mexico and a distribution of pressures has been calculated that they correspond to the case of a cylindrical body inside the flow of wind, with the purpose of considering the effects of alternating vortexes that cause forces and traverse vibrations in the address of the flow on these structures. By means of modeling numeric using the method of the finite elements, a structure axisymmetrical has been analyzed and the distribution of pressures has been obtained for different periods of return, which was modeling trying to represent the variation of pressures and suctions around the walls of the tank. Obtaining this way a state of efforts, and deformations which approach to a real configuration as they show it some cases reported in the literature. INTRODUCCIÓN Se sabe que el viento induce vibraciones en este tipo de tanques, el fenómeno de excitación inducida por el viento, causada por el efecto de los vórtices de Von Karman (ver figura 1), se manifiesta en un daño severo en la estructura del tanque; en algunas instancias ocurre la falla completa de éste a velocidades de viento mucho menores que para las que fue diseñado. El daño se presenta en forma de ondas circunferenciales, axiales, en una combinación multimodal de ellas o el colapso completo. En el caso de tanques cerrados, es necesario prevenir el levantamiento del fondo del tanque debido al momento ocasionado por la fuerza de viento en las placas del techo, así mismo prevenir el pandeo de las placas superiores debido a las fuerzas de succión del viento, y el vacío interior alrededor del perímetro del tanque. Las estructuras axisimétricas son estructuras altamente utilizadas en las áreas de las ingenierías, civil, estructural, mecánica, petrolera, aerospacial, etc. La gran variedad y disparidad que presentan este tipo de estructuras sometidas a diferentes acciones no permite establecer procedimientos detallados de validez general, por consiguiente, es necesario que el ingeniero tenga una visión ó panorama claro de los principios básicos que rigen la respuesta de este tipo de estructuras y los criterios de diseño en que se basan los procedimientos establecidos por los códigos de diseño. Por lo tanto, esto implica aplicar estos principios 1 Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIA, Instituto Politécnico Nacional, U. P. Adolfo López Mateos, Gustavo A. Madero, 07738, México, D. F., Tel: 5-729-6000 ext. 53087; e-mail: [email protected] 2 Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Lázaro Cárdenas No. 152, Apto. Postal 14-805, 07730 México, D. F., Tel: 3003- 7262, Fax. 3003-7225; e-mail: [email protected] 861 172

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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C.

ACCIÓN DEL VIENTO EN LA ESTABILIDAD DE LAS PAREDES DE ESTRUCTURAS CILÍNDRICAS DE PARED DELGADA

Héctor Sánchez Sánchez1 y Carlos Cortés Salas2

RESUMEN En este trabajo se realizo un estudio sobre la acción del viento en la estabilidad de paredes de tanques de almacenamiento de gran capacidad, para ello se consideraron velocidades regionales correspondientes al Golfo de México y se calculo una distribución de presiones que corresponden al caso de un cuerpo cilíndrico dentro del flujo de viento, con la finalidad de considerar los efectos de vórtices alternantes que provocan fuerzas y vibraciones transversales en la dirección del flujo sobre estas estructuras. Mediante modelado numérico empleando el método de los elementos finitos, se analizo una estructura axisimétrica y la distribución de presiones fue obtenida para diferentes periodos de retorno, la cual fue discretizada tratando de representar la variación de presiones y succiones alrededor de las paredes del tanque. Obteniendo así un estado de esfuerzos, y deformaciones las cuales se aproximan a una configuración real como lo muestran algunos casos reportados en la literatura.

ABSTRACT In this work it has been carried out a study on the action of the wind in the stability of walls of tanks of storage of great capacity, for they have been considered it regional speeds corresponding to the Gulf of Mexico and a distribution of pressures has been calculated that they correspond to the case of a cylindrical body inside the flow of wind, with the purpose of considering the effects of alternating vortexes that cause forces and traverse vibrations in the address of the flow on these structures. By means of modeling numeric using the method of the finite elements, a structure axisymmetrical has been analyzed and the distribution of pressures has been obtained for different periods of return, which was modeling trying to represent the variation of pressures and suctions around the walls of the tank. Obtaining this way a state of efforts, and deformations which approach to a real configuration as they show it some cases reported in the literature.

INTRODUCCIÓN Se sabe que el viento induce vibraciones en este tipo de tanques, el fenómeno de excitación inducida por el viento, causada por el efecto de los vórtices de Von Karman (ver figura 1), se manifiesta en un daño severo en la estructura del tanque; en algunas instancias ocurre la falla completa de éste a velocidades de viento mucho menores que para las que fue diseñado. El daño se presenta en forma de ondas circunferenciales, axiales, en una combinación multimodal de ellas o el colapso completo. En el caso de tanques cerrados, es necesario prevenir el levantamiento del fondo del tanque debido al momento ocasionado por la fuerza de viento en las placas del techo, así mismo prevenir el pandeo de las placas superiores debido a las fuerzas de succión del viento, y el vacío interior alrededor del perímetro del tanque. Las estructuras axisimétricas son estructuras altamente utilizadas en las áreas de las ingenierías, civil, estructural, mecánica, petrolera, aerospacial, etc. La gran variedad y disparidad que presentan este tipo de estructuras sometidas a diferentes acciones no permite establecer procedimientos detallados de validez general, por consiguiente, es necesario que el ingeniero tenga una visión ó panorama claro de los principios básicos que rigen la respuesta de este tipo de estructuras y los criterios de diseño en que se basan los procedimientos establecidos por los códigos de diseño. Por lo tanto, esto implica aplicar estos principios

1 Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIA, Instituto Politécnico Nacional, U. P. Adolfo López Mateos, Gustavo A. Madero, 07738, México, D. F., Tel: 5-729-6000 ext. 53087; e-mail: [email protected] 2 Instituto Mexicano del Petróleo, Eje Lázaro Cárdenas No. 152, Apto. Postal 14-805, 07730 México, D. F., Tel: 3003-7262, Fax. 3003-7225; e-mail: [email protected]

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teóricos junto con un buen juicio ó criterio ingenieril para determinar los métodos de análisis mas adecuados para cada caso particular.

Figure 1. Propagación de los Vórtices turbulentos naturales en cuerpos cilíndricos

ANTECEDENTES Los tanques de almacenamiento que se emplean en la industria petrolera para almacenar el crudo y sus derivados, son estructuras de gran capacidad y que por sus características geométricas se clasifican dentro de las estructuras de pared delgada, difiriendo de aquellas consideradas de paredes rígidas. Por otro lado, dado que las zonas de gran producción de crudo en nuestro país se encuentran ubicadas principalmente en el Golfo de México y esencialmente en la Bahía de Campeche, Las plantas de almacenamiento por consiguiente 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 esta 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. Por lo que, la acción del viento como un efecto fundamental, que se vuelve crítico cuando las estructuras se encuentran vacías. Daños en tanques Daños reportados en tanques de almacenamiento en otras partes del mundo (Zaya, 1974), indican que las fallas se pueden clasificar en tres categorías principales: 1. 2.

3.

Fallas en los cascarones debido a fractura frágil Fallas locales en la cimentación, ubicadas en la parte inferior de los tanques, esto crea un mayor derrame del contenido Fallas 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. Por otra parte, en nuestro país no existe un reglamento especifico para estructuras civiles que cubra detalladamente el diseño de estas estructuras, esta situación es similar en algunos otros países, dado que no existen códigos que cubran una gran gama de estructuras a las que se enfrenta el ingeniero diseñador de estructuras industriales y civiles. No obstante, en el Manual de Diseño de Obras Civiles de la Comisión Federal de Electricidad - Diseño por Viento "MDOC-DV (CF-93)", se dan recomendaciones para el análisis por viento de diferentes estructuras. Por lo que, los resultados que se presentan en este trabajo, se relacionan directamente con el punto 3 (fallas en las paredes del casco debido al pandeo elástico por cargas externas, ver fig. 2), es decir se ha estudiado un tanque de almacenamiento de gran capacidad ante la acción de viento para diferentes periodos de retorno considerados en el MDOC-DV (CF-93).

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Además, a pesar de saber que el pandeo en cascarones es un problema típico por el hecho de ser estructuras de paredes muy delgadas, fuertemente sensibles a las imperfecciones geométricas entre otros factores, aún hasta hoy se sigue invirtiendo demasiado por tratar de entender mejor este fenómeno.

Figura 2. Vista de un tanque atmosférico dañado por la acción del viento

ESTRUCTURAS ESTUDIADAS Descripción del modelo

R R

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

Figura 3. Datos de un tanque atmosférico de almacenamiento La estructura estudiada es un tanque atmosférico cilíndrico metálico constituido por varios anillos soldados entre ellos. El espesor de las placas de acero de las paredes de los tanques es variable, respecto a su altura h(z), siendo más grueso en las zonas cercanas al anillo de cimentación de concreto (ver figs.3. y 4.a).

MODELO DE ANALISIS El trabajo se llevó a cabo mediante modelos numéricos de análisis, empleando el Método de los Elementos Finitos (FEM) con ayuda del programa Ansys 5.7, tomando en cuenta las características mecánicas del material, la teoría de grandes deformaciones. Con el objeto de estudiar el comportamiento de las paredes del cascarón cilíndrico ante diferentes condiciones de viento. De la biblioteca de elementos con que cuenta el programa Ansys se tomaron los siguientes elementos, shell63, el cual tiene la capacidad de membrana como de flexión, permitiendo cargas normales como en su plano, este elemento cuenta con 6 grados de libertad en

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cada nodo (Ux, Uy, Uz, Rotx, Roty y Rotz), incluye dentro de la ley de comportamiento del material la capacidad de endurecimiento por deformación (tensión) y permite grandes deformaciones, este se utilizó para los elementos del fondo en su opción de cuadrilátero y triangular para las paredes del tanque.

Figura 4.a. Vista de un tanque atmosférico de almacenamiento

También se uso el elemento contac52 (gap), el cual representa a dos superficies que pueden mantener o romper el contacto físico y deslizamiento entre una y otra, es capaz de soportar solo compresión en la dirección normal y cortante, el elemento tiene tres grados de libertad por nodo. Para generar la malla del modelo (figura 4.b), se utilizaron las mediciones obtenidas de un levantamiento hecho a la envolvente del tanque en estudio, estas se incorporaron al modelo, mediante un archivo, el cual tiene datos de los puntos medidos en sus tres componentes, X, Y y Z.

Figura 4.b. Modelo de Elementos Finitos de la Estructura Analizada Calculo de las cargas de viento 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 realizó mediante lo establecido por el MDOC-DV (CF-93). Para definir las cargas de viento que afectan a la estructura en cuestión se procede a su clasificación. 1. Clasificación de la estructura.

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a) Según su importancia y de acuerdo con las recomendaciones del manual, para un tanque de almacenamiento esta será del grupo A.

b) De acuerdo con el tipo de respuesta esta será clasificada como 1. 2. Determinación de la velocidad de diseño VD.

RtD V*F*FV α= ec. 1Donde:

tF es un factor que depende de la topografía del sitio

αF factor que toma en cuenta el efecto combinado de las características de la exposición local, del tamaño de la construcción y de la variación de la velocidad con la altura.

RV Velocidad regional.

a) Categoría del terreno que le corresponde por ser una zona costera, localizada en Dos Bocas,

Tabasco es 1. b) La clase de estructura según el tamaño es C, al tener una dimensión mayor de 50 m., el

tanque tiene un diámetro de 54.832 m. c) La velocidad regional se muestra en la tabla 1 para diferentes periodos de retorno.

Tabla 1. Velocidad regional para diferentes periodos de retorno

Periodo de Retorno VR (Km/h) 2000 200 200 160 100 150 50 140 10 120

Se tomaron las isotacas más desfavorables cercanas al sitio de interés, las velocidades están tomadas a una altura de 10 m, para una categoría de terreno tipo 2, con lapsos de promediación de 3 seg. 3. Factor de exposición αF

RZC F*FF =α ec. 2Donde:

Fc factor de influencia del tamaño FRZ factor de variación de la velocidad del viento con la altura z en función de la rugosidad del

terreno. Debido a que la estructura es de la clase C, se obtiene un factor Fc = 0.90. El factor de variación de la velocidad del viento se determina mediante las siguientes ecuaciones:

α

δ

= 10561.FRZ si 10≤z

α

δ

= z.FRZ 561 si δ≤≤ z10

561.FRZ = si δ≥z

ec. 3

Donde: δ altura media de l construcción α exponente de forma de la variación

Las variables δ y α están en función de la rugosidad del terreno y del tamaño de la construcción, y de la categoría 1 y la clase C se tiene los siguientes parámetros.

245=δ 1050.=α

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Por lo que para una altura de 10 m tendremos la siguiente FRZ

1050

24510561

.

RZ .F

= 1151.FRZ =

y 115190 .*.F =α 0041.F =α

4. Factor de terreno FT , debido a que se localiza en un litoral plano, FT=1.1 5. Una vez obtenidos los factores correspondientes se calculan las velocidades de diseño para los diferentes

periodos de retorno.

Tabla 2. Velocidades de diseño VD para los diferentes periodos de retorno Periodo de Retorno VR VD

2000 200 220.88200 160 176.70100 150 165.6650 140 154.6210 120 132.53

6. Presiones dinámicas. La presión que ejerce la velocidad de viento sobre la superficie de la estructura se determina de acuerdo a la ecuación 4.

200480 Dz V*G*.q = ec. 4 Se considero que la temperatura media es de 28 °C y 760 mm hg, por localizarse al nivel medio del mar.

t*.G+

=2733920 Ω

ec. 5

donde : Ω es la presión barométrica a la altitud del sitio de interés t es la temperatura media

Por lo que:

282737603920

+= *.G 990.0=G

2990000480 Dz V*.*.q = 20047520 Dz V*.q =

La siguiente tabla resume las diferentes presiones para los periodos de retorno correspondientes.

Tabla 3. Resumen de velocidades y presiones Periodo de Retorno VR VD qz

2000 200 220.88 231.84200 160 176.70 148.38100 150 165.66 130.4150 140 154.62 113.6010 120 132.53 83.46

La siguiente grafica muestra la variación de las velocidades de viento para diferentes alturas y velocidades de diseño.

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Figura 5. Variación de la Velocidad en función de la altura para diferentes periodos de retorno

Presión actuante pz La presión actuante se determinó de acuerdo al MDOC-DV (CF-93) de la siguiente manera:

zpez qCp = ec. 6Donde:

Cpe coeficiente de presión (adimensional) qz presión dinámica

Figura 6. Variación del coeficiente Cpe

El coeficiente de presión se determina de acuerdo a la forma estructural, en este caso Cpe es el coeficiente de presión exterior de la pared del tanque cilíndrico. Para la relación h/D=14.6030/54.382=0.267>0.25 por lo que Cpe es aplicable, y varia de la siguiente forma, donde β es el ángulo que varia de 0 a 360° (ver fig. 6).

)cos.cos.con.cos.cos..(KC spe βββββ 50504103302804050 −−+−+−= ec. 7

Para el modelo de análisis, la presión actuante pz fue calculada para cada uno de los nodos de la estructura considerando la variación, de la velocidad de diseño VD respecto a la altura h y al ángulo β, como se muestra en las figuras 7ª y 7b.

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a. Elevación b. planta

Figura 7. Acción del de viento sobre el tanque para la condición vacía de la estructura

RESUMEN DE RESULTADOS En esta parte se presentan los resultados numéricos obtenidos del análisis de elemento finito considerando la distribución de presiones como se muestra en la figura 7. Los estados de esfuerzos así como sus configuraciones deformadas del tanque fueron obtenidos para cada condición de carga, a partir de los análisis numéricos, así como con los esfuerzos máximos obtenidos a partir de la teoría de falla de Von Mises.

( ) ( ) ( )[ ] 21

213

232

2212

1

−+−+−= σσσσσσσ VM

ec. 8

Resultados de los análisis realizados

Resultados numéricos que corresponden al caso 1, donde la velocidad de viento VD se considero para un periodo de retorno de 10 años (ver figuras 8.a, b y c).

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

ANSYS 5.7.1 ELEMENT SOLUSTEP=1 SUB =10 TIME=1 SEQV (NOAVGPowerGraphicsEFACET=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

Figura 8.a. Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. horizontales Ux.

Figura 8.b. Esfuerzos de Von Mises σVM configuración deformada del tanque

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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

Figura 8.c. Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. verticales Uz Resultados numéricos que corresponden al caso 2, donde la velocidad de viento VD se considero para un periodo de retorno de 50 años (ver figuras. 9.a, b y c).

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

ANSYS 5.7.1 ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =10 TIME=1 SEQV (NOAVG)PowerGraphicsEFACET=1DMX =.384553 SMN =.712629 SMX =299.228

MNMXX Y

Z

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

Figura 9.a. Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. horizontales Ux.

Figura 9.b. Esfuerzos de Von Mises σVM configuración deformada del tanque.

ANSYS 5.7.1 NODAL SOLUTIONSTEP=1 SUB =10 TIME=1 UZ (AVG) RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.384553 SMN =-.065255 SMX =.051591

MNMX

XY

Z

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

Figura 9.c. Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. verticales Uz Resultados numéricos que corresponden al caso 3, donde la velocidad de viento VD se considero para un periodo de retorno de 100 años (ver figuras. 10.a, b y c).

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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

ANSYS 5.7.1 ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =10 TIME=1 SEQV (NOAVG)PowerGraphicsEFACET=1DMX =.438826 SMN =.656092 SMX =301.831

MNMXX Y

Z

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

Figura 10.a. Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. horizontales Ux.

Figura 10.b. Esfuerzos de Von Mises σVM configuración deformada del tanque

ANSYS 5.7.1 NODAL SOLUTIONSTEP=1 SUB =10 TIME=1 UZ (AVG) RSYS=0PowerGraphicsEFACET=1AVRES=MatDMX =.438826 SMN =-.071946 SMX =.064184

MNMX

XY

Z

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

Figura 10.c. Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. verticales Uz Resultados numéricos que corresponden al caso 4, donde la velocidad de viento VD se considero para un periodo de retorno de 200 años (ver figuras. 11.a, b y c).

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

MN

MX

X

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

ANSYS 5.7.1 ELEMENT SOLUTIONSTEP=1 SUB =10 TIME=1 SEQV (NOAVG)PowerGraphicsEFACET=1DMX =.495815 SMN =.919619 SMX =305.391

MNMXX Y

Z .919619 34.75 68.58 102.41 136.24 170.07 203.9 237.731

Figura 11.a. Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. horizontales Ux.

Figura 11.c. Esfuerzos de Von Mises σVM configuración deformada del tanque

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

MNMX

XYZ

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

Figura 11.b. Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. verticales Uz

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Resultados numéricos que corresponden al caso 5, donde la velocidad de viento VD se considero para un periodo de retorno de 200 años (ver figuras. 12.a, b y c).

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

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

Figura 12.a. Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. horizontales Ux.

Figura 12.b. Configuración deformada del tanque, valores máximos de los desp. verticales Uz

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

Figura 12.c. – Esfuerzos de Von Mises σVM

configuración deformada del tanque Figura 13. Estructura fallada debido a la acción

del viento

DISCUSIÓN, CONCLUSIONES Y COMENTARIOS 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. En esta parte se hace una discusión de los resultados numéricos desarrollados en este trabajo.

Tabla 4. Resumen de resultados de loa análisis realizados para los caso 1 a 5 Periodo de retorno

(años) Desplazamientos

horizontales Ux (cm) Desplazamientos

verticales Uz (cm) Esfuerzos de Von Mises

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

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XIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puebla, Pue., México 2002

De la tabla 4 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 presntándose 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. 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. Conclusiones y comentarios 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 (ver figs. 12 y 13). 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.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo de investigación fue realizado en Sección de Estudios de Posgrado e Investigación SEPI de la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura ESIA (UZ), en colaboración con el IMP.

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