manual de la hoja de excel
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PROYECTO DE ESTÁNDARES DE EQUIPOS DE MANEJO DE MATERIALES
PROYECTO N° 1032
Nº 10000-5-MC-001
10000-5-MC-001
HOJA DE CÁLCULO - TANQUES SEGÚN NORMA API 650
Rev. A
APROBADO POR:
Gerente de Proyecto
Jefe de Proyecto Esteban Ríos Pita
Revisión Hecho Por Descripción Fecha Revisado AprobadoA C. Bermúdez Emitido para coordinación 26/10/10 E. Rios Pita E. Rios PitaB Emitido para aprobación A. Padilla J. Córdova
COMENTARIOS DEL CLIENTE:
10000-DTRev:NZAApr:WSS
Rev:0 19/09/06
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HOJA DE CÁLCULO - TANQUES SEGÚN NORMA API 650MEMORIA DE CÁLCULO
Fecha: 26/10/10
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ÍNDICE
1. OBJETIVO..................................................................................................................................3
2. DESCRIPCIÓN...........................................................................................................................3
3. DISEÑO......................................................................................................................................4
3.1. TANQUES..................................................................................................................................4
3.2. TECHO.......................................................................................................................................5
3.3. VIGAS PRINCIPALES................................................................................................................6
3.4. MOMENTOS..............................................................................................................................9
3.5. PERFILES..................................................................................................................................9
3.6. COLUMNAS.............................................................................................................................10
3.7. TUBOS.....................................................................................................................................10
3.8. MATERIALES...........................................................................................................................11
3.9. VIENTO....................................................................................................................................11
3.10. SISMO....................................................................................................................................11
3.11. VIGA TOPE............................................................................................................................13
3.12. VIGA TOPE 2.........................................................................................................................14
4. ANEXOS...................................................................................................................................14
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1. OBJETIVO.
Esta hoja de cálculo se ha hecho basada en la norma API 650 undécima edición de Junio del 2007 con la finalidad principalmente de ahorrar tiempo al momento de diseñar tanques a base de planchas soldadas para almacenamiento de aceite que correspondan a la norma mencionada. También para obtener hojas de cálculo estandarizadas y ordenadas para presentar al cliente.
Antes de ingresar a la hoja de cálculo se recomienda verificar que el diseño cumpla todas las condiciones para poder aplicar la norma API 650.
2. DESCRIPCIÓN.
La hoja de cálculo generada para el diseño de Tanques según la norma API 650 tiene 12 pestañas, en cada una de estas pestañas se ingresan datos para el diseño de ciertas partes específicas del tanque o para la comprobación por algunos efectos específicos como sismo o viento. Las pestañas son:
Tanque Techo Vigas Principales Momentos Perfiles Columnas Tubos Materiales Viento Sismo Viga Tope Viga Tope 2
No es necesario desarrollar el diseño del tanque en el orden en el que están las pestañas pero es recomendable.
En general la hoja de cálculo está diseñada para trabajar con unidades inglesas, sin embargo hay algunos datos que se deben ingresar en las unidades del Sistema Internacional, a la derecha de las celdas que contienen datos numéricos se indica las unidades correspondientes.
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3. DISEÑO.
3.1. TANQUES.
La pestaña Tanques se divide en cuatro secciones:
Geometría del Tanque Datos Diseño del Casco Pesos
En la sección Geometría del Tanque se debe ingresar como dato.
Ancho y Longitud de plancha a utilizar en m. Diámetro del tanque Altura del tanque Pendiente en el Fondo Pendiente en el Techo Velocidad del viento en mph Espesor del techo en pulgadas Espesor del fondo en pulgadas.
Con estos datos se calculara la cantidad de planchas horizontales y verticales, la capacidad total del tanque, la velocidad del viento en km/h. El número de columnas de los anillos se define en la pestaña Vigas principales, sin embargo se muestran en esta hoja a manera de resumen.
NOTA: Para ingresar el dato de Pendiente en el Fondo y Pendiente en el techo tener en cuenta las recomendaciones que hace la norma API 650 en las secciones 5.4.4 y 5.10.4.1.
En la sección Datos se debe ingresar:
Gravedad Específica del líquido Margen por corrosión. (in) Margen por corrosión en el fondo (in) Material
Con estos datos se calculara el diámetro y altura del tanque en pies y el número de virolas o de anillos. Con los datos del material se obtendrán lo esfuerzos de fluencia, de diseño y de prueba. Por último se obtendrá la altura del primer anillo y el radio nominal del tanque en pulgadas. En el caso del espesor mínimo del tanque, se calculará de acuerdo al diámetro del tanque como lo especifica la norma.
En la sección Diseño del Casco se debe ingresar:
Los espesores de plancha comerciales que sean superiores a los obtenidos por el cálculo de presión de diseño y de presión hidrostática y mayores que el espesor mínimo seleccionado en la sección Datos.
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En esta sección se calcula el espesor mínimo de cada anillo del tanque por el método de un pie especificado en la sección 5.6.3 de la norma API 650. Luego de que la hoja calcula el espesor mínimo es necesario ingresar el espesor comercial para calcular el peso de cada virola o anillo del tanque.
NOTA: Tener en cuenta que el método de un pie no puede ser utilizado para tanques que tengan más de 200 ft (61 m) de diámetro.
En la sección Pesos:
En esta sección no es necesario ingresar datos, la hoja de cálculo muestra un resumen de los pesos en kilogramos de las planchas en el techo, las viguetas, las vigas principales, accesorios y también del peso de planchas del fondo, las columnas, el capitel y la viga tope.
3.2. TECHO.
La pestaña Techo se divide en tres secciones:
Cargas de Diseño para Estructura Soporte del Techo Viguetas de Techo (Rafters) Viguetas Radiales
En la sección Cargas de Diseño para Estructuras Soporte del Techo se deben indicar:
la carga muerta (lb/ft2) la carga viva
La carga muerta es el propio peso de las planchas del techo incluyendo el margen por corrosión en lb/pie2 para lo que se considerará la densidad del acero como 490 lb/ft3 (7850 kg/m3). La carga viva según la sección 5.2.1 de la norma API 650 debe ser por lo menos 20 lb/ft2. Con estos datos se calculará la carga total de diseño del techo.
En la sección Viguetas de Techo (Rafters) se debe ingresar:
Espesor mínimo del alma Espaciamiento max. Anillo exterior Espaciamiento max. Anillo interior Ø arriostres viguetas anillos N° de viguetas anillo exterior, real N° de viguetas anillo intermedio, real N° de viguetas anillo interior, real
NOTA: Para los valores solicitados en esta sección existen recomendaciones en la sección 5.10.4 de la norma API 650 sin embargo quedan a consideración del propio diseñador.
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El cálculo de la distancia entre la columna 1 y el casco y entre columnas se hace asumiendo que están igualmente espaciados como se muestra en la Figura Nº 3.. El número de viguetas calculadas en el anillo exterior, intermedio e interior es el valor mínimo posible, sin embargo el valor real lo tendrá que decidir el diseñador interrelacionándolo con el número de viguetas principales. Luego con este dato real del número de viguetas en los anillos se calcula el espaciamiento real en los anillos, que debe ser menor que los valores máximos ingresados anteriormente.
Figura Nº 3.: Ejemplo de tanque con dos anillos intermedios.
En la sección Viguetas Radiales:
En esta sección no es necesario ingresar ningún dato, la hoja de cálculo verificará que los perfiles seleccionados para el anillo exterior, el anillo intermedio y el anillo interior tengan la resistencia suficiente para asumir la carga, serán comprobados por flexión y por corte. Los perfiles serán seleccionados en la pestaña Perfiles.
3.3. VIGAS PRINCIPALES.
La pestaña Vigas Principales se divide en dos secciones:
Diseño de Vigas Principales Vigas Principales
En la sección Diseño de Vigas Principales se debe indicar:
Forma del anillo 1 Número de lados anillo 1 Forma del anillo 2 Número de lados del anillo 2
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En esta sección el diseñador debe definir que geometría se usará para el primer y segundo anillo, se debe ingresar la forma y el número de lados. En este caso se está usando para el primer anillo un dodecágono (12 lados) y para el segundo anillo un hexágono (6 lados). Como se muestra en la Figura Nº 3..
Figura Nº 3.: Vista de planta del techo con dos anillos intermedios.
Con estos datos se calculará el numero de viguetas Vg1 soportadas por el anillo 1, el número de viguetas Vg2 soportadas por el anillo 1, la distancia entre las viguetas Vg1, distancia entre R y primera Vg1, distancia entre las viguetas Vg2 y distancia entre R y primera Vg2.
Para el anillo 2 se calculará lo mismo que para el anillo 1, el número de viguetas Vg2 soportadas, N° de viguetas Vg3 soportadas, distancia entre las viguetas Vg2, distancia entre R y primera Vg2, distancia entre las viguetas Vg3 y distancia entre R y primera Vg3.
En la Figura Nº 3. se observa el diseño de vigas principales y de viguetas presentado como ejemplo en la hoja de cálculo.
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Figura Nº 3.: Vista de planta del techo con dos anillos intermedios.
En la sección Vigas Principales:
En esta sección no es necesario que se ingrese ningún dato, la hoja de cálculo verificará que los perfiles seleccionados para las vigas principales que conforman el anillo 1 y 2 tengan la resistencia suficiente como para resistir la carga a la que están expuestos. Los perfiles serán comprobados por fuerza cortante y momento flector. Los perfiles deben seleccionarse en la pestaña Perfiles.
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3.4. MOMENTOS.
En esta pestaña no es necesario que se ingrese ningún dato. La hoja de cálculo calculará los momentos producidos en el medio de las vigas, que es la zona más crítica. La tabla se divide en dos columnas, la primera calcula los momentos para las vigas V1, que forman el dodecágono y la segunda columna calcula los momentos para las vigas V2, que forman el hexágono. Los momentos calculados en la columna Debido a Pe, son los momentos originados por las reacciones de las viguetas radiales exteriores y los momentos calculados en la columna Debido a Pi, son los momentos originados por las reacciones de las viguetas radiales interiores. Por ejemplo para las vigas V1, las viguetas radiales exteriores son Vg1 (anillo exterior) y las viguetas radiales interiores son las Vg2 (anillo intermedio).
En la figura siguiente se muestra un DCL de una de las vigas V1.
Figura Nº 3.: DCL de una viga V1.
3.5. PERFILES.
La pestaña perfiles se divide en dos secciones:
La parte superior muestra una tabla con las principales características de los perfiles seleccionados para conformar las viguetas radiales Vg1, Vg2, Vg3 y las vigas principales V1 y V2.
En la parte inferior se muestra una tabla con los principales perfiles utilizados para las aplicaciones mencionadas anteriormente, es recomendable usar los perfiles más comerciales que están resaltados de color verde encendido.
En esta pestaña solo se debe ingresar datos en la tabla superior. Se debe llenar las celdas pintadas de amarillo, se debe poner como dato el número que identifica el perfil seleccionado para cada aplicación. El número que identifica cada perfil es el que se encuentra a la izquierda de cada perfil en la tabla inferior.
Luego de haber seleccionado los perfiles se actualizarán las pestañas Techo y Vigas Principales para comprobar los perfiles seleccionados por fuerza cortante y por flexión. Con la finalidad de no estar cambiando a las pestañas Techo y Viga para comprobar hay un cuadro a la derecha donde se indica el Fb, Sx y S de cada perfil seleccionado para verificar si cumple con la aplicación en la misma pestaña.
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3.6. COLUMNAS.
La pestaña columnas se divide en cuatro secciones:
Diseño de la Columna C1 (1er Anillo) Diseño de la Columna C2 (2do Anillo) Diseño de la Columna Central C3 Diseño del Capitel Central
En las primeras tres secciones que se refieren al diseño de las Columnas del primero, segundo y tercer anillo, no se debe ingresar ningún dato, la hoja de cálculo verificará si las columnas seleccionadas cumplen de acuerdo al máximo esfuerzo de compresión admisible especificado en la norma. La selección de los tubos para las columnas se hace en la pestaña Tubos.
En la sección inferior que se refiere al Diseño del Capitel Central se debe ingresar:
Diámetro real t real
En las columnas de la izquierda se calculará el diámetro mínimo, que depende del espaciamiento entre vigas y el número de vigas, con este dato el diseñados debe ingresar el diámetro real, que debe superar al diámetro mínimo calculado.
En las columnas de la derecha se calculará el espesor mínimo del capitel para que soporte los esfuerzos de flexión generado por las vigas. Con este dato del espesor mínimo el diseñador deberá ingresar el espesor real del capitel. Luego se procederá a verificar el capitel por corte.
3.7. TUBOS
La pestaña Tubos se divide en dos secciones:
En la parte superior hay una tabla similar a la tabla ubicada en la pestaña perfiles. El diseñador solo debe llenar la primera y la segunda fila de las columnas C1, C2 y C3. El resto de columnas que se refiere al espesor, diámetro exterior, interior, área, longitud, r y peso específico será obtenido de la tabla inferior.
En la tabla inferior se encuentra listado los tubos más utilizados para esta aplicación, de acuerdo al diámetro y al Schedule en la tabla se encuentra el espesor de la tubería y se sacan los datos para completar la tabla superior.
3.8. MATERIALES
En la pestaña materiales se encuentra una tabla con los materiales más comunes para la fabricación de tanques mostrando los valores del máximo esfuerzo por fluencia, el máximo esfuerzo permisible por diseño y el máximo esfuerzo permisible de prueba.
El material se selecciona en la pestaña Tanque y los valores se obtienen justamente de esta tabla en la pestaña Materiales, al seleccionar algún material disponible en la tabla.
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3.9. VIENTO
En esta pestaña se verifica la estabilidad del diseño del tanque con respecto al viento, en caso de que el tanque no sea suficientemente estable se procederá a diseñar los anclajes necesarios. En esta pestaña solo se debe ingresar el dato del momento debido a alguna presión interna en el caso que la hubiera. Es posible también que por algún motivo en especial se considere necesario modificar la presión de viento considerada por el API 650 de 18 lb/pie2.
Para que se llegue a la conclusión que el Tanque no requiere anclajes es necesario que se cumplan las dos condiciones de la parte inferior de la hoja de cálculo:
Figura Nº 3.: Condiciones para que estabilidad del tanque con respecto al Viento.
3.10. SISMO
La pestaña Sismo verificará la estabilidad del diseño del tanque con respecto a un sismo dependiendo de la ubicación geográfica en la que se ubicará el tanque. La pestaña Sismo se divide en tres secciones:
Estabilidad al Volteo Verificación por Compresión Anclajes
En la sección de Estabilidad al Volteo hay que ingresar algunos datos, que se recomienda sean consultados con un Ing. Civil para verificarlos. Los datos a ingresar son los siguientes.
Site Class
En la página E-8 de la normal API-650 se encuentra un cuadro en el que se presentan las definiciones de los tipos de suelo, de acuerdo a la información que se tiene del proyecto debe identificarse el tipo de suelo en el que se instalará el tanque.
Parámetro de aceleración, período 1 seg S1
El parámetro S1 es un parámetro de aceleración espectral en un periodo de 1 segundo que da como dato el método ASCE 7, sin embargo el Perú no está definido bajo el método ASCE 7 y es necesario hacer una equivalencia con la Norma Peruana. En el caso de un suelo bueno se considera este parámetro S1=0.60
Parámetro de aceleración, cortos periodos Ss
El parámetro Ss es un parámetro de aceleración espectral en cortos periodos (0.2 segundos). Este es un dato del método ASCE 7 al igual que el parámetro anterior. En el caso de suelo bueno para hacer una equivalencia con la Norma Peruana se usa el valor Ss=1.5
Coeficiente de aceleración Fa
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El coeficiente de aceleración Fa se selecciona de la tabla E-1 y depende del Site Class o Clase de Suelo que se haya seleccionado y del valor Ss utilizado para el cálculo.
Coeficiente de aceleración Fv
El coeficiente de aceleración Fv se selecciona de la tabla E-2 y depende del Site Class o Clase de Suelo que se haya seleccionado y del valor S1 utilizado para el cálculo.
Coeficiente de Importancia I
El coeficiente de Importancia se selecciona de la Tabla E-5 y depende del Grupo de Uso Sísmico (Seismic Use Group). Existen tres grupos de Usos Sísmicos y se definen para su identificación en la sección E3 de la norma API 650.
Factor de reducción para el modo inductivo Rwi.
El factor Rwi se selecciona de la tabla E-4 y depende si el tanque es anclado o no. Para empezar con el diseño se debe asumir que no necesita anclajes y en caso no se verifique esta condición, se vuelve a calcular con el valor correcto.
Factor de escala del nivel de diseño Q
El factor de escala de nivel Q es 2/3 cuando se usa el cálculo con valores del método ASCE 7 o equivalentes, por lo tanto en el ejemplo se ha tomado ese valor. Sin embargo el factor Q puede ser 1 en el caso de usar otra norma.
Coeficiente para ajustar la aceleración espectral K
Este coeficiente como dice la norma API 650 debe ser considerado como 1.5 a menos que se especifique de otra manera por alguna característica especial.
Factor de reducción para el modo convectivo Rwc.
El factor Rwc se selecciona de la tabla E-4 y depende si el tanque es anclado o no. Para empezar con el diseño se debe asumir que no necesita anclajes y en caso que no se verifique esta condición se vuelve a calcular con el valor correcto. Aceleración espectral en cualquier periodo Sa
Este coeficiente de aceleración es un dato del método ASCE 7, para utilizar una equivalencia con la Norma Peruana se utiliza para suelo bueno el valor Sa=0.4
Coeficiente de Aceleración vertical Av
Cuando se especifique explícitamente en la Hoja de Datos del tanque se debe considerar los efectos de la aceleración vertical actuando en ambas direcciones, hacia arriba y hacia abajo, combinada con los efectos laterales de la aceleración. En el caso de considerarse esta aceleración el valor es igual a 0.14SDS o mayor de acuerdo al método ASCE 7.
Carga de volcadura por presión interna Wint
Es la carga de volcadura calculada ocasionada por alguna presión interna del fluido dentro del tanque por unidad de longitud circunferencial.
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Luego de haber ingresado todos los datos necesarios en esta sección de la pestaña Sismo, la hoja de cálculo calculará el Ratio de Anclaje (J), dependiendo de este valor se llegará a la conclusión si el tanque requiere o no requiere anclajes para ser estable al volteo por fuerzas sísmicas.
En la sección Verificación por Compresión no se debe ingresar ningún dato. La hoja de cálculo calculará el máximo esfuerzo de compresión longitudinal, calculará el máximo esfuerzo de compresión admisible Fc, y comprobará que el esfuerzo calculado sea menor que el admisible y que el Fc cumpla con la condición de ser menos que 0.5 Fy.
En la sección Anclajes se debe ingresar:
Cantidad de diseño pernos de anclaje. Diámetro de los pernos de anclaje.
De acuerdo al espaciamiento máximo entre pernos de anclaje que define la norma la hoja de cálculo calcula la cantidad mínima de pernos, de acuerdo a esto el diseñador debe ingresar la cantidad de diseño de pernos de anclaje. Luego la hoja calculará la tensión de cada perno considerando la cantidad de diseño de los pernos. Por último se debe ingresar el diámetro de los pernos de anclaje para que el esfuerzo a la tensión sea menor que 0.8Fy.
NOTA: Se debe buscar un equilibrio entre el número de pernos y el diámetro de los pernos, no es recomendable usar muy pocos pernos de diámetro muy grande ni usar gran cantidad de pernos de diámetro muy pequeño.
3.11. VIGA TOPE
Esta pestaña se divide en dos secciones:
Viga Tope Viga intermedia
En la sección Viga Tope se calcula el módulo de sección requerido y de acuerdo a la geometría para ver si es adecuado para el tanque a diseñar. En la sección Viga Tope se deben ingresar los siguientes datos:
a b t t shell c Perfil a usar
Los datos a ingresar en esta sección son principalmente geométricos y dependen del perfil a utilizar, que según la norma API 650 debe ser mínimo un perfil L 2 ½ x 2 ½ x ¼, y del montaje seleccionado para el anillo. En la hoja de cálculo se muestra un esquema del montaje para facilitar el ingreso de datos. Una vez definida la geometría, en esta sección se calculará el peso y la distancia entre soportes.
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En la sección Vigas Intermedias no se debe ingresar ningún dato. La hoja de cálculo con los datos ingresados en la sección Viga Tope calculará la altura máxima sin atiesador, luego la altura transformada y comparando estos valores se llegará a la conclusión si el tanque requiere o no una viga intermedia.
3.12. VIGA TOPE 2
Esta pestaña calcula exactamente los mismos datos que la pestaña Viga Tope, pero se utiliza otro montaje para comparar.
4. ANEXOS.
- Hoja de Cálculo Tanque de Ácido Sulfúrico 13400 TM