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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACION DE INGENIERÍA MECÁNICA

DESARROLLO DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE TANQUES API 650

INCLUYENDO CÁLCULO SÍSMICO DE NORMAS PDVSA

Por: Juan Francisco Molina Rincón

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Febrero de 2013


DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

DESARROLLO DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE TANQUES API 650

INCLUYENDO CÁLCULO SÍSMICO DE NORMAS PDVSA

Por: Juan Francisco Molina Rincón

Realizado con la Asesoría de: Tutor Académico: Prof. Carlos Graciano

Tutor Industrial: Ing. Wilmer Salazar

INFORME DE PASANTÍA Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar

como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Mecánico

Sartenejas, Febrero de 2013

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ACTA DE EVALUACION

Período: Julio-Diciembre Fecha: 18/01/2013 Tipo Pasantía: Pasantía larga ep-3420

Título: Desarrollo de procedimiento de cálculo de tanques API650 incluyendo cálculo sí-smico de normas PDV

Nombres y Apellidos:Juan Francisco Molina Rincón Carnet:07~41227 Carrera: Ingeniería Mecánica 0200

Mota: En caso de inasistencia del Tutor Industrial, el jurado examinador quedará conformado por el Tutor Académico y Jurado, y se solicitará al estudiante la evaluación del Tutor Industrial como referencia, en este caso favor colocar No-3resente en el Acta. Este documento no puede llevar enmienda.

Puerta de Comunidad a Comunidad

Sartenejas, Baruta, Edif. Comunicaciones Telf: (0212) 906.3157al 64 Apartado postal 89000, Zip Code 1 nftñ-A w w w i ¡c.h \ i O

iv


DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

DESARROLLO DE PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DE TANQUES API 650 INCLUYENDO CÁLCULO SÍSMICO DE NORMAS PDVSA

Realizado por: Juan Molina Tutor Académico: Prof. Carlos Graciano

Tutor Industrial: Ing. Wilmer Salazar Fecha: Enero de 2013

RESUMEN

El diseño y cálculo de tanques de almacenamiento de líquido es una actividad muy demandada

en las consultoras de ingeniería, razón por la cual es importante contar con una herramienta que

permita realizar ésta, por ello, el presente trabajo realizado en la empresa Inelectra, consistió en

desarrollar un algoritmo de cálculo que permitiera el diseño de tanques de almacenamiento

cilíndricos, verticales, de acero, de baja y media presión, bajo el uso de la norma API 650

(Edición 2012), considerando el cálculo sísmico establecido por las normas PDVSA JA-221 y FJ-

251. Las constantes modificaciones en la norma API 650 y el hecho de que el programa TANK™

(utilizado en Inelectra) no considera tanto los cambios dados en la última edición de dicha norma,

así como también, el cálculo dado por las normas PDVSA, justifican la importancia de este

trabajo para la empresa. Por lo tanto, se realizó una Hoja de Cálculo en Excel®, mediante la cual

se calcularon 11 tanques de distintos proyectos en los que la empresa se encuentra involucrada.

Los resultados estructurales y sísmicos obtenidos por API 650 fueron validados con el uso del

programa certificado TANK™, mientras que los resultados sísmicos obtenidos por PDVSA se

validaron con un par de ejemplos dados por éstas. Por su parte, el tipo de fijación del tanque

representó una característica fundamental del mismo en el cálculo sísmico, debido a que la

rigidez que le aporta el anclaje al sistema, aumentan significativamente la fuerza y el momento

ejercido sobre el tanque. Por último, se llevó a cabo una comparación entre los resultados

obtenidos, de manera tal que, el cálculo sísmico dado por PDVSA resultó ser más crítico,

riguroso y conservador que el dado por API 650.

PALABRAS CLAVE: Tanque, estabilidad, cálculo, sismo

v

AGRADECIMIENTOS

A Dios, por darme esta vida y una maravillosa compañía en ella.

A mis padres, por brindarme siempre su apoyo incondicional en cada una de las etapas de mi

vida.

A mi hermana, por ser siempre una guía, tanto en lo personal como en lo profesional.

A mi tutor en la empresa, Wilmer Salazar, por su gran voluntad en guiarme a lo largo de todo el

período de pasantía.

A mi tutor en la universidad, Carlos Graciano, por su ayuda en el desarrollo de este trabajo.

A la Universidad Simón Bolívar, por brindarme una excelente formación profesional.

A todas las personas en Inelectra, tanto del Departamento de Mecánica como de Civil, que

estuvieron siempre dispuestos a ayudarme a lo largo de mi estadía en la empresa.

vi

ÍNDICE GENERAL

RESUMEN................................................................................................................................ iv

AGRADECIMIENTOS............................................................................................................ v

INTRODUCCIÓN.................................................................................................................... 1

CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA........................................................... 3

1.1. Historia............................................................................................................................... 3

1.2. Misión................................................................................................................................ 4

1.3. Visión................................................................................................................................. 4

1.4. Valores…………………...……….................................................................................... 4

1.5. Estructura organizativa...................................................................................................... 5

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO..................................................................................... 7

2.1. Definición de tanques......................................................................................................... 7

2.2. Clasificación de los tanques............................................................................................... 7

2.3. Normas aplicables al cálculo de tanques............................................................................ 8

2.4. Estructura de los tanques.................................................................................................... 9

2.4.1 Pared.................................................................................................................................. 9

2.4.2 Fondo................................................................................................................................ 11

2.4.3. Techo............................................................................................................................... 12

2.5. Niveles y capacidades del tanque....................................................................................... 14

2.6. Espectros de respuesta sísmica........................................................................................... 15

2.6.1. Espectro de respuesta de PDVSA JA-221....................................................................... 16

2.6.2. Espectro de respuesta de ASCE 7-10............................................................................... 16

2.6.3. Espectro de respuesta de COVENIN 1756:2001.............................................................. 18

2.6.4. Relación entre espectros de respuesta ASCE 7-10 y COVENIN 1756:2001.................. 18

2.7. Modos convectivo e impulsivo de vibración...................................................................... 20

2.8. Estabilidad del tanque......................................................................................................... 22

2.8.1. Momento sísmico............................................................................................................. 22

2.8.2. Coeficiente de anclaje...................................................................................................... 23

2.8.3. Criterios de estabilidad sísmica de un tanque no anclado............................................... 24

2.8.4. Criterios de estabilidad sísmica de un tanque anclado.................................................... 24

2.8.5. Criterios de estabilidad por viento................................................................................... 25

vii

CAPÍTULO 3. DISEÑO ESTRUCTURAL Y SÍSMICO DE TANQUES.......................... 26

3.1. Procedimiento de cálculo.................................................................................................... 27

3.1.1. Cálculo estructural…………………………................................................................... 27

3.1.2. Cálculo de estabilidad del tanque por viento……………………………………...…….. 29

3.1.3. Cálculo sísmico por API 650……………………........................................................... 29

3.1.4. Cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251............................................................... 32

3.1.5. Cálculo de pernos de anclaje........................................................................................... 35

3.2. Tanques calculados............................................................................................................. 36

CAPÍTULO 4. RESULTADOS DEL CÁLCULO DE TANQUES..................................... 38

4.1. Hoja de Cálculo.................................................................................................................. 38

4.2. Validación del cálculo........................................................................................................ 39

4.2.1. Validación del cálculo estructural................................................................................... 39

4.2.2. Validación del cálculo de estabilidad del tanque por viento……………………………. 40

4.2.3. Validación del cálculo sísmico por API 650……………………………………………. 41

4.2.4. Validación del cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251........................................ 42

4.2.4.1. Comparación con el Ejemplo 1 de norma PDVSA 90615.1.014.....................….…... 43

4.2.4.2. Comparación con el Ejemplo 2 de norma PDVSA 90615.1.014.....................….…... 43

4.3. Comparación de resultados sísmicos obtenidos por API 650 y PDVSA JA-221 y

FJ-251........................................................................................................................................

45

CONCLUSIONES..................................................................................................................... 47

RECOMENDACIONES............................................................................................................ 48

REFENCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................... 49

APÉNDICE A: Valores de los coeficientes de aceleración y velocidad del sitio..................... 50

APÉNDICE B: Ejemplo de la relación sísmica entre ASCE 7-10 y COVENIN 1756:2001.... 52

APÉNDICE C: Cargas de levantamiento sobre los pernos de anclaje………………………... 55

APÉNDICE D: Datos de entrada para el cálculo de los tanques……………………………… 57

APÉNDICE E: Guía para el uso de la Hoja de Cálculo……………………………………..... 60

APÉNDICE F: Resultados estructurales………………………………………………………. 86

APÉNDICE G: Resultados sísmicos………………………………………………………….. 89

viii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3.1: Lista de tanques calculados...................................................................................... 37

Tabla 4.1: Diferencia del cálculo estructural de la Hoja de Cálculo con respecto al del

programa TANK™.....……………………………………………………………………….....

40

Tabla 4.2: Comparación del cálculo de estabilidad del tanque por viento de la Hoja de

Cálculo con respecto al del programa TANK™.....………………………………………….…

41

Tabla 4.3: Diferencia porcentual de los resultados sísmicos obtenidos por la Hoja de

Cálculo con respecto a los del programa TANK™....………………………………………….

42

Tabla 4.4: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo con respecto al Ejemplo

1 de PDVSA F-201....................................................................................................................

43

Tabla 4.5: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo con respecto al Ejemplo

2 de PDVSA F-201....................................................................................................................

44

Tabla 4.6: Diferencia porcentual de los resultados obtenidos por PDVSA JA-221 y FJ-251

con respecto a los de API 650…………………………………………...................................

45

Tabla B.1: Valores que definen el espectro de respuesta de COVENIN 1756:2001 para los

tanques de Petrocedeño………………………………………………………….....................

53

Tabla D.1: Datos de entrada para el cálculo de los tanques…………………………………… 58

Tabla F.1: Resultados estructurales obtenidos por el programa TANK™.....…………………. 87

Tabla F.2: Resultados estructurales obtenidos por la Hoja de Cálculo………………………... 88

Tabla G.1: Resultados sísmicos obtenidos por API 650 con el uso del programa TANK™…. 90

Tabla G.2: Resultados sísmicos obtenidos por API 650 con el uso de la Hoja de Cálculo…… 90

Tabla G.3: Diferencia porcentual de los resultados obtenidos por la Hoja de Cálculo con

respecto a los del programa TANK™....……………………………………………………….

91

Tabla G.4: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo Modificada con

respecto al Ejemplo 2 de PDVSA F-201..................................................................................

91

Tabla G.5: Resultados sísmicos obtenidos por PDVSA JA-221 y FJ-251.......…………….... 92

ix

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1: Logo actual de Inelectra desde el año 2005…........................................................ 3

Figura 1.2: Organigrama de la estructura organizativa de Inelectra........…............................. 6

Figura 2.1: Componentes de un tanque cilíndrico vertical....................................................... 9

Figura 2.2: Configuración de la pared de un tanque................................................................. 10

Figura 2.3: Distribución de presión sobre la pared del tanque y aproximación por el método

de un pie para un anillo.............................................................................................................

11

Figura 2.4: Configuración del fondo de un tanque con placa anular......................................... 12

Figura 2.5: Tipos de techo para tanques.................................................................................... 13

Figura 2.6: Estructura soporte de tanques con techo cónico soportado.................................... 13

Figura 2.7: Niveles y capacidades características del tanque.................................................... 15

Figura 2.8: Espectro de respuesta definido por PDVSA JA-221.............................................. 16

Figura 2.9: Espectro de respuesta definido por ASCE 7-10..................................................... 17

Figura 2.10: Espectro de respuesta definido por COVENIN 1756:2001.................................. 18

Figura 2.11: Representación de los modos de vibración para sismo horizontal....................... 21

Figura 2.12: Altura de la ola sísmica causada por el modo convectivo de vibración del

líquido……………………………………………………………………………………..…...

22

Figura 3.1: Flujograma del cálculo estructural……………………………………………....... 28

Figura 3.2: Flujograma del cálculo de estabilidad por viento……………………….…….…... 29

Figura 3.3: Flujograma del cálculo sísmico por API 650…………………………….……...... 32

Figura 3.4: Flujograma del cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251..........….………... 34

Figura 3.5: Flujograma del cálculo de pernos de anclaje………………………....………....... 36

Figura A.1: Valores del coeficiente de aceleración del sitio.................................................... 51

Figura A.2: Valores del coeficiente de velocidad del sitio....................................................... 51

Figura B.1: Cálculo de los parámetros de entrada de API 650 a partir de los dados por

COVENIN 1756:2001..............………………………………………………………………..

54

Figura C.1: Cargas de levantamiento sobre los pernos de anclaje…………………………..... 56

Figura E.1: Hoja de Cálculo y sus secciones............................................................................ 61

Figura E.2: Encabezado de las páginas del cálculo................................................................... 61

Figura E.3: Datos de entrada y de diseño estructural................................................................ 62

Figura E.4: Selección de espesores de los anillos..................................................................... 64

x

Figura E.5: Selección de espesor de placa anular..................................................................... 64

Figura E.6: Alerta de uso de techo cónico autosoportado........................................................ 65

Figura E.7: Datos de entrada sísmicos por API 650................................................................. 66

Figura E.8: Mensaje de conclusión de estabilidad.................................................................... 68

Figura E.9: Datos de entrada sísmicos por PDVSA JA-221 y FJ-251..................................... 68

Figura E.10: Nota de advertencia en consideración de pernos de anclaje................................ 71

xi

LISTA DE SÍMBOLOS

Coeficiente de aceleración horizontal.

Coeficiente de aceleración convectiva de diseño.

Coeficiente de aceleración espectral impulsivo

Coeficiente de aceleración espectral convectivo.

Coeficiente de aceleración impulsiva de diseño.

Coeficiente de aceleración vertical.

CAP Corrosión admisible de los pernos de anclaje.

D Diámetro del tanque.

Coeficiente de aceleración del sitio.

Factor de presión.

Coeficiente de velocidad del sitio.

I Factor de importancia.

J Coeficiente de anclaje.

Momento ejercido por el peso de la pared.

Momento ejercido por el peso del techo.

Momento ejercido por el peso del líquido.

Momento ejercido por la presión interna.

Momento sísmico en base del tanque por API 650.

Momento sísmico en la base del tanque por PDVSA FJ-251.

Momento por presión del viento.

P Exponente que define la rama descendente del espectro COVENIN 1756:2001.

P Probabilidad de no excedencia del máximo terremoto considerado.

Parámetro de aceleración espectral máxima en un período de 1 segundo.

Parámetro de aceleración espectral de diseño en un período de 1 segundo.

Parámetro de aceleración espectral de diseño en cortos períodos.

Parámetro de aceleración máxima del suelo para sitios no cubiertos por los métodos de

ASCE 7-10.

Parámetro de aceleración espectral máxima en cortos períodos.

T Vida útil de la instalación.

Carga por perno.

xii

Factor de importancia de COVENIN 1756:2001.

Factor de magnificación promedio.

Factor de amplificación espectral.

Coeficiente de amortiguamiento.

Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal.

Diámetro de los pernos.

xiii

LISTA DE ABREVIATURAS

API "American Petroleum Institute"

ASME "American Society of Mechanical Engineers"

COVENIN Comisión Venezolana de normas industriales

HHLL “High High Liquid Level” (nivel muy alto de líquido)

HLL “High Liquid Level” (nivel alto de líquido)

LLL “Low Liquid Level” (nivel bajo de líquido)

LLLL “Low Low Liquid Level” (nivel muy bajo de líquido)

NLL “Normal Liquid Level” (nivel normal de líquido)

PDVSA Petróleos de Venezuela Sociedad Anónima

Psi Pounds per square inch (libras por pulgada cuadrada).

1

INTRODUCCIÓN

Inelectra es una empresa venezolana de ingeniería, procura y construcción en los sectores

petrolero, petroquímico, minero, metalúrgico, entre otros. En éstas y otras industrias son

utilizados distintos tipos de recipientes, entre los cuales se encuentran los tanques, cuya función

es almacenar sustancias líquidas tales como agua, petróleo crudo y sus derivados, entre otros,

para la producción, tratamiento, transporte, refinación, servicios y distribución.

El diseño y cálculo de los tanques de almacenamiento está dado por las normas API, entre las

cuales se encuentra la API 650, éste se puede realizar a través de distintos programas, entre los

cuales se encuentra el software TANK™ que es el utilizado en Inelectra. Sin embargo, las

normas API están en principio formuladas para los Estados Unidos y, en el caso del diseño

sísmico, los parámetros de entrada están dados por mapas únicamente para este país, de manera

tal que se presentan inconvenientes para el análisis en cualquier otra parte del mundo. Sin

embargo, para un tanque en Venezuela, en ocasiones, es necesario realizar dicho estudio bajo la

norma API 650, de manera tal que se debe utilizar la norma COVENIN 1756 que establece lo

requerimientos para el diseño sismorresistente de edificaciones en el país, con el fin de obtener a

través de una relación de espectros de respuesta, los parámetros de entrada al cálculo por API

650. De cualquier modo, para Venezuela, es necesario el uso complementario de otras normas.

Las consultoras de la industria petrolera en Venezuela, como Inelectra, tienen como principal

cliente a PDVSA. Éste plantea ciertas normas propias, entre las cuales se encuentran las

disposiciones generales y requisitos mínimos para el diseño sísmico de tanques ubicados dentro

del territorio nacional. Por esta razón, es de gran importancia incluir el cálculo sísmico dado por

las normas PDVSA JA-221 y FJ-251.

El diseño sísmico del tanque consiste en determinar la estabilidad de éste ante las cargas

producidas por el sismo y establecer si con la estructura calculada, se requiere o no anclar el

mismo. Para ello, se elaboraron unos flujogramas para cada una de las partes del cálculo, así

como también, una Hoja de Cálculo de tanques API 650 incluyendo el diseño sísmico dado por

las normas PDVSA JA-221 y FJ-251. De esta manera, se compararían los resultados obtenidos

2

para cada uno de ellos, con la finalidad de concluir cuál de los dos cálculos es más crítico, severo

y riguroso.

La Hoja de Cálculo se realizó en Excel® debido a que la norma API 650 es actualizada

frecuentemente, de manera tal que, es necesario poder modificar ciertos cálculos o parámetros en

un futuro cercano. Por lo tanto, cualquier usuario con conocimientos básicos de esta herramienta

podría realizarlos directamente, a diferencia de otros programas con un lenguaje más avanzado.

Por su parte, con el desarrollo de los flujogramas para cada una de las partes del cálculo, se deja

planteado el procedimiento para una posible programación en otro lenguaje deseado.

En Inelectra no se contaba con ninguna versión similar a la Hoja de Cálculo desarrollada que

permitiese obtener los resultados estructurales y sísmicos por API 650 y PDVSA que es el

objetivo principal del presente trabajo. Sin embargo, ésta posee ciertas limitaciones en lo que a

los tipos de techo disponibles se refiere, debido a que sólo se consideraron los techos fijos

cónicos.

En lo que al trabajo se refiere, éste se dividió en cuatro capítulos, donde en el primero se

describe la empresa en la cual se realizó el trabajo. En el segundo capítulo se busca dar a conocer

los conceptos fundamentales utilizados para formular y desarrollar el mismo. Luego, en el tercer

capítulo se describe la metodología empleada para el desarrollo de la Hoja de Cálculo.

Posteriormente, en el cuarto capítulo se mostrarán los resultados obtenidos así como sus debidas

validaciones. Por último, se plantearán las conclusiones obtenidas a partir de los resultados y las

recomendaciones a considerar para la optimización del cálculo.

CAPÍTULO I DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA

Inelectra es una empresa venezolana dedicada a la ingeniería, procura y construcción de

instalaciones industriales, ejecutando proyectos de importancia y gran envergadura en Venezuela

y en el exterior. La empresa figura entre las 50 empresas más importantes del mundo en el sector

de energía e hidrocarburos, siendo una de las 3 más grandes de América Latina.

Su campo de trabajo abarca la industria petrolera, petroquímica, minera, metalurgia,

electricidad, telecomunicaciones, infraestructura, transporte masivo, entre otras, donde ofrece

servicios profesionales de consulta y asesoría, estudios de factibilidad, ingeniería conceptual,

ingeniería básica, ingeniería de detalle, gerencia de proyectos, procura, gerencia de procura,

construcción, supervisión y gerencia de construcción, operación de instalación, puesta en marcha

y mantenimiento.

El logo actual de la empresa, desde el año 2005, se muestra en la Figura 2.1:

Figura 1.1: Logo actual de Inelectra desde el año 2005. [1]

1.1. Historia

Inelectra fue fundada en 1968 como una empresa especializada en servicios de ingeniería, para

incluir posteriormente procura, construcción, gerencia de construcción, operación y

mantenimiento. La integración de actividades se ha logrado progresivamente mediante la

capacitación del personal, desarrollo y adquisición de tecnologías, participación en sociedad con

4

firmas extranjeras y, sobre todo, identificando a tiempo las oportunidades y asumiendo los retos

surgidos durante el desarrollo del país. [1]

En sus 44 años, Inelectra ha ejecutado más de 2.500 proyectos integrales para el sector

petrolero, petroquímico, industrial y de transporte, incluyendo proyectos mayores de ingeniería,

procura y construcción de alcance global. Esta gestión representa más de 28 millones de horas-

hombre de servicios profesionales prestados y 80 millones de horas-hombre de construcción. [1]

1.2. Misión

Crear valor para la sociedad en general, cumpliendo con los objetivos de la empresa en forma

eficiente y eficaz, trabajando en equipo y con una clara orientación al logro. Reconocer

constantemente la excelencia entre nuestros empleados. Ser responsables con la seguridad, el

ambiente y las comunidades que nos rodean. [1]

1.3. Visión

Ser la empresa de soluciones integrales en ingeniería y construcción más importante de

América Latina, en el sector de la energía, distinguida por su impecable gestión de riesgo,

rentabilidad, excelencia, calidad, seguridad, honestidad y profesionalismo. [1]

1.4. Valores

En Inelectra se está en búsqueda permanente de la excelencia, creando relaciones perdurables

basadas en la confianza y en los valores corporativos de la empresa: [1]

Transparencia.

Calidad.

Seguridad.

Innovación.

Orientación al Cliente.

Ética.

5

1.5. Estructura organizativa

Inelectra S.A.C.A. basa su estructura en un agrupamiento funcional, el cual presenta una

organización vertical con distintos rangos de decisión. La empresa está conformada por un

conjunto de unidades que actúan como centros organizativos de todas las actividades, con

responsabilidad sobre sus resultados, integrándose bajo cinco unidades operativas principales:

operaciones medulares, negocios internacionales, negocios Venezuela, finanzas y talento

humano.

Dentro de la unidad de operaciones medulares, se encuentra la división de ingeniería, que

comprende, entre otros, al departamento de ingeniería mecánica. Este último es el encargado del

desarrollo de la ingeniería relacionada con los equipos mecánicos, en las áreas de maquinaria,

equipos paquete, tanques de almacenamiento, recipientes a presión e intercambiadores de calor.

Inelectra S.A.C.A. ofrece en esta área el diseño o selección de equipos, especificaciones de los

mismos, evaluaciones de ofertas y revisión de la documentación generada por los fabricantes,

traslado de personal de ingeniería a los talleres de fabricación e inspección de equipos.

La estructura organizativa de Inelectra S.A.C.A. se muestra en la Figura 1.2:

6

Figura 1.2: Organigrama de la estructura organizativa de Inelectra

Presidencia

Finanzas Corporativas

Contraloría Corporativa

Asuntos Públicos

Servicios

Gestión de la Calidad Operaciones

Atención al Accionista

Seguridad, Higiene y Ambiente

Asuntos Legales

Tecnología de Información

Finanzas Proyectos IngenieríaDesarrollo de Negocios

Gestión del Talento

Procura y Construcción Regionales

Gerentes de Ingeniería

Revisiones Técnicas

Telecomunicaciones CONTROLCA Tecnología

Ingeniería de Seguridad y

Estudios

Procesos Ingeniería Mecánica

Diseño Mecánico

Ingeniería Eléctrica

Automatización y Control

Ingeniería Civil

Control de Materiales

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO

En este capítulo se presentan los fundamentos teóricos relacionados con el diseño y cálculo de

un tanque de almacenamiento de líquido.

2.1. Definición de tanques

Los tanques se definen como depósitos diseñados para almacenar una gran variedad de

productos en estado líquido como agua, crudo y sus derivados, así como también en estado sólido

para su uso posterior y comercialización. Forman parte de distintas operaciones en la industria,

entre las cuales se encuentran: [2]

Producción.

Tratamiento.

Transporte.

Refinación.

Distribución.

Servicios.

2.2. Clasificación de los tanques

Los tanques pueden ser de distintas formas (cilíndricos, esféricos y rectangulares), sin embargo,

para el almacenamiento de crudo se dividen de la siguiente manera en lo que a su forma se

refiere: [2]

Tanques cilíndricos verticales: Permite almacenar pequeños volúmenes del producto.

Tanques cilíndricos horizontales: Permite almacenar grandes volúmenes del producto.

8

Los tanques se dividen a su vez de acuerdo a la presión interna que manejan de la siguiente

manera: [2]

Tanques atmosféricos y de baja presión: Presiones manométricas entre 0 y 2,5 psi "pounds

per square inch" (libras por pulgada cuadrada) que equivalen a 0 y 18 kPa.

Tanques de media presión: Presiones manométricas entre 2,5 y 15 psi que equivalen a 18 y

104 kPa.

Presurizados: Son llamados recipientes y manejan presiones manométricas mayores de 15

psi que equivalen a 104 kPa. Su cálculo se lleva a cabo mediante el uso de normas ASME

"American Society of Mechanical Engineers".

2.3. Normas aplicables al cálculo de tanques

El cálculo de tanques de almacenamiento para la industria, se lleva a cabo mediante las

siguientes normas: [2]

API STANDARD 650 : Establece los requisitos mínimos de materiales, diseño, fabricación,

construcción y prueba de tanques de acero, cilíndricos, verticales, sobre tierra, soldados, no

refrigerados y de techo abierto o cerrado. Además, el rango de presión y temperatura

admisible es el siguiente:

- Presión interna: Tanques atmosféricos y baja presión, es decir, entre 0 y 2,5 psi.

- Temperatura máxima de diseño: Acepta temperaturas de hasta 93°C. Puede llegar a

260°C con el uso del Apéndice M, que reduce en una determinada proporción los

esfuerzos admisibles del material dependiendo de la temperatura.

API STANDARD 620: Establece los requisitos mínimos para el diseño y construcción de

tanques de acero al carbono, cilíndricos, verticales, sobre tierra, soldados, refrigerados o no

refrigerados. Además, el rango de presión y temperatura admisible es el siguiente:

- Presión interna: Tanques de media presión, es decir, entre 2,5 y 15 psi.

- Temperatura máxima de diseño: Acepta temperaturas de hasta 121°C.

Otras: Existen otras normas como las API 12D y API 12F que cubren el diseño y

fabricación de tanques de dimensiones y capacidades predeterminadas.

9

2.4. Estructura de los tanques

Los tanques cilíndricos verticales están compuestos de la siguiente manera de acuerdo a la

Figura 2.1:

Pared.

Techo.

Fondo.

Conexiones.

Escaleras y plataformas.

Figura 2.1: Componentes de un tanque cilíndrico vertical.

En la Figura 2.1 se pueden observar la pared, el techo y el fondo de un tanque cilíndrico vertical

que juntos conforman la estructura básica del mismo. Por su parte, las conexiones (bridas, pasos

de hombre, drenajes, entre otras), escaleras de acceso y plataformas indicadas en la misma

representan componentes fundamentales del tanque.

2.4.1. Pared

La pared del tanque es de forma cilíndrica y está constituida por placas que forman anillos

soldados entre sí, para lograr la altura deseada del tanque. Por lo general, la altura de los anillos

es uniforme, de acuerdo a las alturas comerciales disponibles que suelen ser de 1,8 y 2,4 metros.

Dicha configuración de la pared se puede observar en la Figura 2.2:

10

Figura 2.2: Configuración de la pared de un tanque.

De la Figura 2.2 se puede detallar cómo las placas son intercaladas entre anillos, es decir, que

los cordones de soldaduras verticales no coinciden entre un anillo y otro. A su vez, se observa la

ubicación de la escalera en el plano de la pared, así como las boquillas a las cuales se conectan

las tuberías y pasos de hombre que se evitan colocar en medio de las uniones entre placas.

El diseño de la pared de un tanque de media presión se realiza mediante la norma API 650 [3]

en la cual se describen 3 métodos:

Método de un pie: Calcula el espesor de la pared requerido a 1 pie (0,3 m) de la base de

cada anillo del tanque (ver Figura 2.3).

Método del punto variable: Calcula el espesor de la pared de cada anillo en un punto donde

el esfuerzo está muy cerca del circunferencial real, de esta manera optimiza el espesor de las

placas a través de un tanteo que parte del espesor obtenido por el método de un pie.

Método del Apéndice A: Utiliza un esfuerzo admisible fijo y se utiliza sólo para tanques de

pequeña capacidad cuyos valores se encuentran tabulados.

11

Figura 2.3: Distribución de presión sobre la pared del tanque y aproximación por el método de un

pie para un anillo.

De la Figura 2.3 se puede observar la distribución de la presión hidrostática sobre la pared del

tanque, de manera tal que el anillo inferior es el que soporta la mayor presión y por lo tanto, será

el de mayor espesor. A su vez, se observa cómo se toma la presión a 1 pie (0,3 m) y se diseña la

pared a dicha presión uniforme sobre toda la pared.

2.4.2. Fondo

El fondo del tanque puede o no contar con una placa anular que se coloca en la región en la cual

la pared se une al fondo. La placa anular se utiliza para disminuir el efecto de la concentración de

esfuerzos en dicha unión, así como también para aumentar la resistencia al momento de

volcamiento causado por las cargas sísmicas. Por estas razones su uso es recomendado. La

configuración del fondo con la placa anular se muestra en la Figura 2.4:

12

Figura 2.4: Configuración del fondo de un tanque con placa anular.

El fondo con placa anular mostrado en la Figura 2.4, en la cual se incluye la ubicación de los

drenajes y dimensiones mínimas de la placa anular, la cual se une al resto del fondo mediante una

soldadura a solape. [3]

2.4.3. Techo

El techo de un tanque tiene como función evitar el contacto de la sustancia almacenada con el

exterior. Existen tanques abiertos, sin embargo, los tanques de almacenamiento aplicados en la

industria petrolera, son en su mayoría cerrados, los cuales se dividen de la siguiente manera:

Fijos.

- Cónicos: Pueden ser autosoportados o soportados.

- Domo.

Flotantes.

- Internos.

- Externos.

Los tipos de techo mencionados, se muestran en la Figura 2.5

13

Figura 2.5: Tipos de techo para tanques.

Los techos cónicos autosoportados de la Figura 2.5 están apoyados únicamente sobre la pared

del tanque, sin ninguna estructura de soporte, razón por la cual el diámetro de los tanques en los

cuales puede ser utilizado es limitado a aproximadamente 12 metros. Los techos tipo domo

requieren una mayor elaboración que los cónicos autosoportados, pero pueden ser utilizados en

tanques de mayor diámetro. En lo que a los techos cónicos soportados se refiere, éstos requieren

una estructura de soporte como la mostrada en la Figura 2.6 constituida por columnas, “rafters”

(largueros), “girders” (trabes) y cartelas. [4]

Figura 2.6: Estructura soporte de tanques con techo cónico soportado.

Los largueros mostrados en la Figura 2.6 son vigas sobre las cuales se apoyan las láminas del

techo, éstos se soportan a su vez sobre la columna central y sobre los trabes. Éstos últimos son

también vigas unidas a las columnas centrales. Por último, la cartela es el componente que

permite unir los largueros con la pared del tanque.

14

Las pérdidas por evaporación, también conocidas como mermas, se producen en tanques de

techo fijo (no flotantes) cuando ocurren cambios de temperatura o se entra en operación de

llenado o vaciado, debido a que el espacio interior sobre la superficie de líquido es ocupado por

vapores del producto, principalmente por las fracciones más livianas de éste. [5]

Los techos flotantes mostrados en la Figura 2.5 se caracterizan por ser móviles con el nivel del

líquido dentro del tanque a través de guías y sellos que permiten dicho movimiento evitando

exponer el fluido a la atmósfera. Además, estos techos se utilizan para disminuir las pérdidas por

evaporación dentro del tanque (simbolizadas con líneas curvas ascendentes en las otras

configuraciones de techo) debido a que disminuyen considerablemente o eliminan la superficie

libre de líquido. Sin embargo, el techo flotante interno (que está respaldado por uno fijo en el

tope) resulta más efectivo en este aspecto que el externo debido a que no está afectado por el

viento directamente, el cual ejerce una carga de levantamiento sobre los techos flotantes externos,

generando así un efecto de vacío dentro del tanque. [5]

En Venezuela, la Ley, por medio de la Gaceta Oficial número 4.899, determina el tipo de techo

a utilizar en función de ciertas propiedades del fluido a ser almacenado, entre las cuales se

encuentra la presión de vapor, que es aquella a la cual a determinada temperatura, una sustancia

líquida se evapora.

Por último, una parte importante de los tanques, es el sistema de venteo ubicado en el techo,

cuya función es proteger el tanque de una sobrepresión interna liberando ésta a la atmósfera.

Dicho sistema puede tener una gran variedad de configuraciones y puede a su vez encontrarse en

la parte superior de la pared del tanque.

2.5. Niveles y capacidades del tanque

Tanto la estructura del tanque, como la estabilidad sísmica basan su cálculo en una altura de

líquido de diseño que puede ser diferente de acuerdo a las especificaciones dadas.

Independientemente de esto, los niveles y capacidades del tanque que se utilizan en la industria

se representan en la Figura 2.7:

15

Figura 2.7: Niveles y capacidades características del tanque.

La capacidad nominal del tanque mostrada en la Figura 2.7 está dada por la altura total del

tanque (H), mientras que la capacidad útil está dada por los niveles altos y bajos (HLL y LLL) del

mismo. Por su parte las capacidades no útiles superior e inferior, se utilizan como niveles de

seguridad, la primera para evitar que se desborde el líquido y la segunda para evitar que el tanque

se vacíe y a su vez para que brindarle la altura de líquido necesaria para la bomba que puede estar

conectada al tanque por medio de tuberías.

En lo que a la altura de diseño se refiere, la norma sísmica PDVSA FJ-221 [6] establece ésta

como el nivel muy alto de líquido (HHLL), mientras que la norma API 650 [3] plantea la opción

de elegir entre la altura del tanque (H), el nivel muy alto de líquido (HHLL) o cualquier otro nivel

especificado.

2.6. Espectros de respuesta sísmica

El análisis sísmico para tanques se basa en la definición de un espectro de respuesta que

“representa la respuesta máxima de osciladores de un grado de libertad y de un mismo coeficiente

de amortiguamiento, sometidos a una historia de aceleraciones dada, expresada en función del

período” [7]. La norma API 650 [3], la norma PDVSA JA-221 [8] y la norma COVENIN

1756:2001 [7] basan sus cálculos en espectros de respuesta diferentes entre ellos, por lo que se

define cada uno de ellos por separado.

16

2.6.1. Espectro de respuesta de PDVSA JA-221

El espectro de respuesta sísmica de la norma PDVSA JA-221 [8] se muestra en la Figura 2.8:

Figura 2.8: Espectro de respuesta definido por PDVSA JA-221. [8]

De la Figura 2.8 se detalla una meseta de aceleración espectral máxima que representa el caso

más crítico entre los períodos y . A su vez, se observa que la función del espectro está dada

para períodos menores que por determinada función y para períodos mayores a por 2

funciones, una hasta los 3 segundos y la otra a partir de este valor. Dependiendo del valor de

dicho período de oscilación y de los parámetros que definen el espectro se obtiene el coeficiente

de aceleración deseado. Por último, este espectro está dado para un factor de ductilidad igual a 1,

el cual dependiendo de la instalación modificará el cálculo del coeficiente de aceleración para los

distintos períodos y es dado en la especificación de ingeniería. [8]

2.6.2. Espectro de respuesta de ASCE 7-10

El espectro de respuesta sísmica definido por la norma ASCE 7-10 [9] es el utilizado por la

norma API 650 [3] y se muestra en la Figura 2.9:

17

Figura 2.9: Espectro de respuesta definido por ASCE 7-10. [9]

El espectro de respuesta mostrado en la Figura 2.9 se asemeja en su forma al de la Figura 2.8,

caracterizándose por la presencia de una meseta en la cual se obtiene el valor máximo de

aceleración espectral entre los períodos y . Los valores del espectro de respuesta son

afectados por el factor de modificación de respuesta y los parámetros que lo definen están dados

por mapas exclusivamente para los Estados Unidos, razón por la cual, la norma API 650 [3]

propone una aproximación del espectro para cuando se conoce únicamente la aceleración máxima

del terreno, dada por las siguientes ecuaciones:

(Ec. 2.1)

(Ec. 2.2)

El valor de representa la aceleración máxima del terreno y los valores de y

representan los parámetros de aceleraciones de entrada, sin embargo, esta aproximación es

recomendada para lugares donde la forma del espectro de respuesta no está definida, caso opuesto

al de Venezuela.

18

2.6.3. Espectro de respuesta de COVENIN 1756:2001

La norma COVENIN 1756:2001 [7] define el espectro de respuesta sísmica de acuerdo a la

Figura 2.10:

Figura 2.10: Espectro de respuesta definido por COVENIN 1756:2001. [7]

De la Figura 2.10 se detalla una meseta de aceleración espectral máxima que representa el caso

más crítico entre los períodos y que definen el espectro, mientras ambos costados de dicho

intervalo están representados por funciones diferentes. Este espectro de respuesta está dado para

un factor de ductilidad igual a 1 el cual dependiendo de la instalación modificará el cálculo del

coeficiente de aceleración para los distintos períodos. [7]

2.6.4. Relación entre espectros de respuesta ASCE 7-10 y COVENIN 1756:2001

La similitud de los espectros de respuesta entre ASCE 7-10 [9] y COVENIN 1756:2001 [7]

mostrados en las Figuras 2.9 y 2.10 respectivamente, junto a la combinación de probabilidades de

excedencia durante determinada vida útil que manejan ambas normas, permiten mediante la

definición del factor de importancia determinar una relación entre ambos espectros, de manera tal

que se pueden utilizar los parámetros de COVENIN 1756:2001 [7] para entrar al cálculo sísmico

dado por API 650 [3]. Dicha relación se explica de la siguiente manera:

19

El factor de importancia tiene su origen en valores estadísticos que se utilizan en el diseño

sísmico de tanques, dichos valores son: [10]

Probabilidad de excedencia (1-P): Definido como la probabilidad de que se exceda el valor

crítico con el cual se diseña el tanque.

Vida útil (t): Período en el cual se estima que se pueda exceder el valor crítico con el cual se

diseña el tanque.

Período de retorno: Definido como el intervalo de reincidencia del valor crítico con el cual

se diseña el tanque.

Mediante la combinación de estos valores se define entonces el factor de importancia (I) con la

siguiente ecuación: [10]

(Ec. 2.3)

La norma COVENIN 1756:2001 [7] considera para la determinación de la aceleración máxima

del terreno del espectro de diseño, probabilidades de excedencia del 10% en una vida útil de 50

años, de manera tal que el factor de importancia es aproximadamente igual a 1. [10]

(Ec. 2.4)

Por otro lado, la norma ASCE 7-10 [9] (referenciada por API 650 [3]) considera un terremoto

máximo probable para una probabilidad de ocurrencia del 2% en una vida útil de 50 años. Sin

embargo, dicha norma toma en cuenta a su vez un factor de escalamiento del nivel máximo

considerado al nivel de diseño del espectro igual a 2/3, de manera tal que el factor de importancia

es aproximadamente igual a 1. [10]

(Ec. 2.5)

20

Los valores obtenidos por ambas normas son equivalentes, razón por la cual, se pueden

relacionar los valores máximos de los espectros de diseño considerados por cada una de éstas,

caso contrario al de la norma PDVSA JA-221 [8] que maneja probabilidades de excedencia

variables de acuerdo al grado de riesgo de la instalación al definir el espectro de diseño. De esta

manera se obtiene entonces la siguiente relación: [10]

(Ec. 2.6)

De la Ecuación 2.5 el término de la izquierda ( ) representa el valor máximo del espectro de

diseño de la norma ASCE 7-10 [9], mientras que el término de la derecha representa el de la

norma COVENIN 1756:2001 [7], donde , , y son valores tabulados que definen el espectro

de acuerdo a la zona y el tipo de suelo, mientras que se calcula de la siguiente manera: [10]

(Ec. 2.7)

El coeficiente de amortiguamiento ( de la Ecuación 2.6 se encuentra tabulado [6]. Por su

parte el valor de aceleración espectral de diseño , está dado para un período igual a 1 segundo,

por lo tanto se obtiene a partir del espectro de respuesta de COVENIN 1756:2001 [7], calculando

el valor de la aceleración en un período igual a 1. Su cálculo dependerá de la sección del espectro

en la cual se ubique dicho período.

2.7. Modos convectivo e impulsivo de vibración

El estudio sísmico del tanque se basa en el análisis del espectro de diseño que se define como el

espectro de respuesta afectado por el factor de reducción correspondiente al sistema. Para ello, se

consideran dos modos de vibraciones:

Modo convectivo: “es el primer modo de vibración del líquido contenido en el tanque; el

líquido experimenta un movimiento oscilatorio respecto a un eje horizontal que coincide

con el diámetro del tanque”. [6]

21

Modo impulsivo: “es el modo de vibración del sistema tanque-líquido en donde el líquido se

mueve al unísono con el tanque”. [6]

Los modos de vibración se ilustran mediante el uso de la Figura 2.11:

Donde: : Peso impulsivo del líquido. : Peso convectivo del líquido. : Peso del techo. : Peso de la pared. : Centro de acción impulsivo. : Centro de acción convectivo. : Centro de acción del techo : Centro de acción de la pared.

Figura 2.11: Representación de los modos de vibración para sismo horizontal. [6]

De la Figura 2.11 se puede observar cómo la masa se modela unida al tanque rígidamente,

representando el movimiento del líquido como un cuerpo rígido. Por su parte, la masa se

modela unida al tanque de manera flexible mediante un par de resortes, representando el

movimiento oscilatorio del líquido. Para cada una de estas cargas se muestran los centros de

acción, lo cuales son debidamente calculados [6]. Por otro lado se muestran también los pesos y

centros de acción del techo y la pared que se oponen a los efectos sísmicos.

Los denominados coeficientes de aceleración espectral se definen como la fracción de la

aceleración de la gravedad que actúa sobre el tanque como consecuencia de la acción sísmica

representada en un modo convectivo y un modo impulsivo. Del modo impulsivo se obtiene una

aceleración horizontal y una vertical mientras que del modo convectivo se obtiene únicamente

una componente horizontal. [6]

El modo convectivo de vibración del líquido genera una ola sísmica que debe ser menor que al

espacio libre de líquido del tanque, tal como se muestra en la Figura 2.12:

22

Figura 2.12: Altura de la ola sísmica causada por el modo convectivo de vibración del líquido.

La unión del techo con la pared en los tanques se caracteriza por ser una junta frágil, la cual se

diseña para que en caso de una sobrepresión interna, se desprenda el techo antes que se deforme

el tanque. Ahora bien, la ola sísmica representada en la Figura 2.12 no debe impactar el techo ya

que puede romper dicha unión, esto se logra si el espacio libre entre el nivel muy alto de líquido y

la altura del tanque es mayor a la de la ola sísmica en cuestión. [3]

2.8. Estabilidad del tanque

El análisis sísmico de tanques consiste básicamente en determinar si éste es estable o inestable.

La estabilidad se define como la capacidad del tanque de soportar el efecto de la carga sísmica y

la carga de la presión del viento por sí mismo de manera tal de que no se desplace, se levante, ni

se deforme considerablemente, es decir, que la combinación de la geometría y el peso del tanque

sean suficiente para no presentar alteraciones en éste y en los componentes que lo rodean

(tuberías, instrumentación, etc.).

2.8.1. Momento sísmico

El momento sísmico en la base del tanque se define como aquél que ejerce la fuerza del sismo

sobre éste, generado por la combinación de los efectos convectivo e impulsivo. Este momento

actúa de tal forma que puede volcar el tanque, razón por la cual la determinación de su valor es

fundamental para el análisis de estabilidad del tanque y es calculado tanto por la norma API 650

[3] como por la norma PDVSA FJ-251 [6] mediante las siguientes ecuaciones respectivamente:

23

(Ec. 2.8)

(Ec. 2.9)

De estas 2 ecuaciones se puede notar que el cálculo de PDVSA FJ-251 [6] (Ec. 2.9) reduce el

momento en un 80% debido a una superposición de efectos con otras acciones (efectos de cargas

permanentes y efectos de las cargas de servicio y operación) utilizando el método de esfuerzos

admisibles. El resto del cálculo por ambas normas considera las mismas variables.

2.8.2. Coeficiente de anclaje

El peso del tanque y una porción del líquido almacenado generan la resistencia al volcamiento

de éste, y por lo tanto determinan si el momento sísmico desestabiliza o no el tanque, es decir, si

el tanque requiere o no pernos de anclaje. El coeficiente mediante el cual se define la necesidad

de anclaje de acuerdo a la norma API 650 [3] y a la norma PDVSA FJ-251 [6] son los

representados en las siguientes ecuaciones respectivamente:

(Ec. 2.10)

(Ec. 2.11)

El valor del coeficiente de anclaje obtenido para cada una de las normas a partir de ambas

ecuaciones se interpreta de la siguiente manera:

Si J ≤ 1,54 el tanque es estable al volcamiento y no requiere anclaje.

Si J > 1,54 el tanque no es estable al volcamiento y requiere anclaje.

24

2.8.3. Criterios de estabilidad sísmica de un tanque no anclado

Un tanque no anclado debe cumplir los siguientes requisitos para considerarlo estable ante un

sismo: [3]

Coeficiente de estabilidad (J) menor o igual a 1,54.

Esfuerzo longitudinal de compresión en la pared menor o igual al admisible.

Esfuerzo circunferencial en la pared menor o igual al admisible.

Fuerza cortante en la base menor o igual a la admisible.

Fuerza resistente de placa anular menor o igual a la admisible.

Si el tanque no anclado es inestable se debe tomar alguna de las siguientes medidas: [6]

Aumentar el espesor de la placa anular, sin exceder el espesor del primer anillo de la pared.

Aumentar el espesor del primer anillo de la pared.

Modificar dimensiones del tanque, aumentando el diámetro y disminuyendo la altura.

Anclar el tanque.

2.8.4. Criterios de estabilidad sísmica de un tanque anclado

Un tanque anclado debe cumplir los siguientes requisitos para considerarlo estable ante un

sismo: [3]

Esfuerzo longitudinal de compresión en la pared menor o igual al admisible.

Esfuerzo circunferencial en la pared menor o igual al admisible.

Si el tanque anclado es inestable se debe tomar alguna de las siguientes medidas: [6]

Aumentar el espesor de la placa anular, sin exceder el espesor del primer anillo de la pared.

Aumentar el espesor del primer anillo de la pared.

Modificar dimensiones del tanque, aumentando el diámetro y disminuyendo la altura.

25

2.8.5. Criterios de estabilidad por viento

Un tanque no anclado debe cumplir las condiciones establecidas por las siguientes 2 ecuaciones

para ser considerado estable ante la carga ejercida por la presión del viento, de no cumplirlas, se

deberá modificar la geometría de éste o anclarlo. [3]

(Ec. 2.12)

(Ec. 2.13)

Las 2 ecuaciones comparan los momentos ejercidos sobre la base del tanque por el viento ( )

y por la presión interna ( ) con los generados por la carga de la pared ( ), el techo ( ) y

el líquido ( ). La primera ecuación (Ec. 2.12) es más rigurosa que la segunda (Ec. 2.13) debido

a que no toma en cuenta el peso del líquido y considera en su totalidad la presión interna. El

factor de presión ( ) generalmente es igual a 0,4. [3]

CAPÍTULO III DISEÑO ESTRUCTURAL Y SÍSMICO DE TANQUES

Con la finalidad de alcanzar los objetivos planteados, se llevó a cabo un proceso de

investigación bibliográfica de las normas que determinan el cálculo estructural y sísmico de

tanques atmosféricos y de baja presión, estas fueron las siguientes:

El estándar API 650 “Welded Tanks for Oil Storage” (Tanques soldados para el

almacenamiento de crudo), en el cual se establecen los requisitos mínimos para el diseño,

fabricación, construcción de tanques cilíndricos verticales. [3]

El manual de ingeniería de diseño PDVSA FJ-251: Diseño sismorresistente de tanques

metálicos, en el cual se establecen los criterios mínimos para el diseño sísmico de tanques

cilíndricos verticales. [6]

El manual de ingeniería de diseño PDVSA JA-221: Diseño sismorresistente de instalaciones

industriales, en el cual se establecen las disposiciones generales de análisis y diseño para

instalaciones pertenecientes a PDVSA ubicadas en zonas sísmicas dentro del territorio de

Venezuela. [8]

Una vez estudiadas las normas que rigen el cálculo en cuestión, se procedió a programar el

cálculo en Excel®, para lo cual fue necesario familiarizarse con gran parte de las funciones

internas de éste.

Por otro lado, se contaba con el software comercial TANK™, el cual realiza el cálculo

estructural y sísmico del tanque según las normas API 650 [3], de manera tal que se utilizó para

la verificación y comparación del cálculo establecido por ésta.

27

3.1. Procedimiento de cálculo

Una vez revisada cada una de las normas involucradas en el cálculo, se realizó el procedimiento

del mismo, el cual se puede dividir en 5 partes:

Cálculo estructural.

Cálculo de estabilidad del tanque por viento

Cálculo de estabilidad sísmica por API 650.

Cálculo de estabilidad sísmica por PDVSA JA-221 y FJ-251.

Cálculo de pernos de anclaje del tanque.

3.1.1. Cálculo estructural.

El objetivo del cálculo estructural es determinar, para un material dado, los espesores mínimos

requeridos por la estructura para soportar el estado de cargas ejercido por la presión hidrostática

del fluido almacenado, la presión interna y su propio peso. Para ello se establecen los datos de

entrada necesarios:

Dimensiones del tanque.

Niveles del tanque.

Presión interna.

Temperatura máxima de diseño.

Gravedad específica del líquido.

Tolerancias por corrosión de las partes estructurales.

Una vez definidos los datos de entrada, se calculan los espesores mínimos de cada una de las

partes de la estructura del tanque: [3]

Pared: Se utiliza el método de cálculo de un pie.

Fondo y placa anular: Además del espesor, se determina el diámetro del fondo y el ancho

radial necesario de la placa anular.

28

Techo: Los tipos de techos considerados en el presente trabajo son los cónicos soportados y

los cónicos autosoportados.

Por otro lado, se determina a su vez, el módulo de sección mínimo requerido por los

rigidizadores de viento superior e intermedios, para mantener su forma cuando el tanque es

sometido a la presión del viento. [3]

El flujograma desarrollado para el cálculo estructural es el mostrado en la Figura 3.1:

Figura 3.1: Flujograma del cálculo estructural.

Las selecciones manuales indicadas en la Figura 3.1, representan una lista de los espesores

comerciales disponibles para la pared y placa anular, dicha selección es esencial ya que no

necesariamente se utiliza el mínimo requerido. Una vez realizadas estas selecciones e ingresados

Datos de entrada

Rigidizador

de vientoPared Fondo Techo

Espesores

de placas

Espesores

mínimos

(Método de

un pie)

Número de

anillos y

dimensiones

Peso

Espesor

mínimo de

placa anular

Ancho

radial placa

anular

Dimensiones

IntermedioSuperior

Altura

máxima

sin

rigidizar

(Hmax)

Módulo

de

sección

mínimo

Altura

trasformada

de la pared

(Htr)

Peso

Autosoportado Soportado

Espesor de

placas

Espesor de

placas

No

No

Sí

Sí

Peso

Peso

Selección

manual

Selección

manual

Espesor de

placa anular

Módulo de

sección

mínimo

¿Está dentro del

rango admisible?

¿ Cumple el requisito de área unión

pared-techo?

Selección

manual

¿Cumple Htr>

Hmax?

Sí

No es

necesario

No

Aumentar

inclinaciónSoportado

29

los datos de entrada se calculan los valores deseados y en el caso del techo cónico autosoportado

se indica si éste se puede utilizar o no dependiendo del espesor requerido por las placas.

3.1.2. Cálculo de estabilidad del tanque por viento

El cálculo de la estabilidad del tanque se realiza antes las cargas de viento y antes las cargas

producidas por un sismo. En lo que al viento se refiere, se comprueban la Ec. 2.11 y la Ec. 2.12

para determinar la estabilidad del tanque no anclado. [3]

El flujograma desarrollado para el cálculo de la estabilidad por viento se muestra en la Figura

3.2:

Figura 3.2: Flujograma del cálculo de estabilidad por viento.

En la Figura 3.2 se representa como se determina la estabilidad del tanque por viento mediante

la evaluación de las condiciones del tanque no anclado una vez ingresados los datos de entrada.

3.1.3. Cálculo sísmico por API 650

Para realizar el cálculo sísmico definido por la norma API 650 se necesitan conocer los datos de

entrada necesarios, dependientes de las condiciones del sistema: [3]

Datos de entrada

Momentos

involucrados

Tanque Estable

¿Cumple condiciones

de Tanque No

Anclado?

Sí

No

Tanque Inestable

Tanque No

Anclado

Tanque AncladoModificar

dimensiones

30

Parámetros de aceleración máxima y .

Grupo sísmico del tanque de acuerdo a su condición de riesgo.

Tipo de suelo en el cual se ubica el tanque.

Factor de importancia del sistema.


Para el caso de Venezuela, los parámetros de entrada de aceleración espectral y , son

obtenidos mediante la relación entre los espectros de respuesta ASCE 7-10 [9] y COVENIN

1756:2001 [7], definida en el punto 2.6.4 del presente trabajo.

El valor de la aceleración espectral de diseño ( ) se utiliza para calcular el parámetro ,

conociendo el tipo de suelo, utilizando la Figura A.1 mostrada en el Apéndice A del presente

trabajo y la siguiente relación: [9]

(Ec. 3.1)

El coeficiente de aceleración del sitio ( ) de la Ecuación 3.1 es definido por la Figura A.1, por

lo que mediante el uso combinado de ambas, se obtiene el valor del parámetro de entrada .

De manera similar, a partir del valor de aceleración espectral de diseño ( ), se calcula el

parámetro , conociendo el tipo de suelo, utilizando la Figura A.2 mostrada en el Apéndice A y

la siguiente relación: [9]

(Ec. 3.2)

El coeficiente de velocidad del sitio ( ) de la Ecuación 3.2 es definido por la Figura A.1, por lo

que mediante el uso combinado de ambas, se obtiene el valor del parámetro de entrada .

En el Apéndice B se muestra un ejemplo de la relación explicada para obtener los parámetros

de entrada del cálculo por API 650 [3], tomando en cuenta los parámetros definidos por

COVENIN 1756:2001 [7].

31

El cálculo de estabilidad sísmica se empieza estudiando el tanque no anclado, de manera tal que

se determine la necesidad o no de éste, para ello se calculan las siguientes variables: [3]

Coeficiente de aceleración impulsivo: Su valor depende de la condición de anclaje del

tanque y es la razón por la cual se debe analizar primero el tanque como no anclado.

Coeficiente de aceleración convectivo.

Fuerza resistente de la placa anular.

Fuerza cortante sobre la base.

Momento sísmico sobre la base.

Coeficiente de anclaje.

Esfuerzo circunferencial sobre el primer anillo.

Esfuerzo longitudinal de compresión sobre el primer anillo.

Altura de la ola sísmica.

Con los valores calculados, se verifican los criterios de estabilidad sísmica de un tanque no

anclado, definidos en la sección 2.8.3 del presente trabajo. De ser el tanque inestable, se toma

alguna de las medidas ahí propuestas. Si el tanque requiere ser anclado, entonces se calculan: [3]

Coeficiente de aceleración impulsivo.


Fuerza cortante sobre la base.

Momento sísmico sobre la base.




Con los valores calculados, se evalúan los criterios de estabilidad sísmica de un tanque anclado,

definidos en la sección 2.8.4. De ser el tanque inestable, se debe tomar alguna de las medidas ahí

propuestas, debido a que un tanque anclado no puede de ninguna manera ser inestable.

El flujograma desarrollado para el cálculo sísmico por API 650 se muestra en la Figura 3.3:

32

Figura 3.3: Flujograma del cálculo sísmico por API 650.

La selección manual indicada en la Figura 3.3 es esencial en el análisis sísmico ya que los

coeficientes de aceleración cambian, por esta razón, como se explicó anteriormente se selecciona

primero el tanque no anclado para evaluar la estabilidad del mismo. Por otro lado se determina la

altura de la ola sísmica, todo a partir de los datos de entrada.

3.1.4. Cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251

Para el cálculo sísmico definido por las normas PDVSA JA-221 [8] y FJ-251 [6], se deben

definir los datos de entrada necesarios, dependientes de las condiciones del sistema:

Datos de entrada

Fuerza cortante sobre

la base

Esfuerzo circunferencial

Esfuerzo longitudinal de

compresión

Fuerza resistente de placa anular

Coeficiente de Anclaje

Momento sísmico sobre

la base

Tanque No Anclado

Selecciónmanual

Altura de la ola sísmica

Alturas de centros de

acción

Sí

No

Aumentar altura del

tanqueNo

modificar

Tanque Anclado

Coeficientes de aceleración

ConvectivoImpulsivo


ConvectivoImpulsivo

Momento sísmico sobre

la base



compresión

Sí

No

EstableInestable

Cargas actuantes

Anclar el Tanque

Aumentar espesor de placa anular

Aumentar espesor de pared inferior

Modificar diámetro y altura

Estable

Sí

No

Inestable




¿Cumplen valores

admisibles?

¿Cumplen valores

admisibles?

¿Cumple la altura mínima libre?

33

Forma espectral.

Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal.

Factor de ductilidad.

Aceleración característica del peligro sísmico: Proveniente de un mapa. [6]

Valor característico del peligro sísmico: Proveniente de un mapa. [6]

Probabilidad anual de excedencia: Definida a partir del grado de riesgo.

El cálculo de estabilidad sísmica se empieza estudiando el tanque no anclado, de manera tal que

se determine la necesidad o no de éste, para ello se calculan la siguiente serie de valores: [6, 8]

Coeficiente de aceleración impulsivo: Su valor depende de la condición de anclaje del

tanque y es la razón por la cual se debe analizar primero el tanque como no anclado.



Fuerza resistente de la placa anular.

Fuerza cortante reducida sobre la base.

Momento sísmico reducido sobre la base.

Coeficiente de anclaje.




Con los valores calculados, se verifican los criterios de estabilidad sísmica de un tanque no

anclado, definidos en la sección 2.8.3 del presente trabajo. De ser el tanque inestable, se toma

alguna de las medidas ahí propuestas. Si el tanque requiere ser anclado, se calculan entonces los

siguientes valores: [6, 8]

Coeficiente de aceleración impulsivo.



Fuerza cortante reducida sobre la base.

34

Momento sísmico reducido sobre la base.




Con los valores calculados, se evalúan los criterios de estabilidad sísmica de un tanque anclado,

definidos en el punto 2.8.4. De ser el tanque inestable, se debe tomar alguna de las medidas ahí

propuestas, debido a que un tanque anclado no puede de ninguna manera ser inestable.

El flujograma desarrollado para el cálculo sísmico por PDVSA JA-221 [8] y FJ-251 [6] se

muestra en la Figura 3.4:

Figura 3.4: Flujograma del cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251

Datos de entrada

Fuerza cortante

reducida en la

base



compresión


Coeficiente de anclaje

Momento reducido en la

base

Tanque No Anclado

Selecciónmanual

Altura de la ola sísmica

Alturas de centros de

acción

¿Cumple la altura mínima libre?

Sí

No

Aumentar altura del

tanqueNo

modificar

¿Cumplen valores

admisibles?

Tanque Anclado


ConvectivoImpulsivo


ConvectivoImpulsivo

Momento reducido en la

base



compresión

Sí

No

EstableInestable

Cargas actuantes

Anclar el Tanque




Estable

Sí

NoInestable




Vertical Vertical

¿Cumplen valores

admisibles?

35

La selección manual indicada en la Figura 3.4 es esencial en el análisis sísmico ya que los

coeficientes de aceleración cambian, por esta razón, como se explicó anteriormente se selecciona

primero el tanque no anclado para evaluar la estabilidad del mismo. Por otro lado se determina la

altura de la ola sísmica, todo a partir de los datos de entrada.

3.1.5. Cálculo de pernos de anclaje del tanque

La inestabilidad de un tanque trae como consecuencia la necesidad de anclar el mismo, siempre

y cuando las modificaciones de espesores y/o dimensiones del tanque no resulten ser una

solución práctica. El dimensionamiento de los pernos de anclaje se realiza con la mayor de las

cargas listadas en la Figura C.1 mostrada en el Apéndice C, independientemente de cuál haya

sido la causa del requerimiento de anclaje (viento, sismo o cualquier otra).

El número mínimo de pernos necesarios para anclar el tanque depende del diámetro del mismo,

ya que la distancia circunferencial entre anclajes no debe exceder los 3 metros, sin embargo, para

tanques menores de 15 metros de diámetro, dicha distancia no deberá ser mayor a 1,8 metros [3].

De esta manera al dividir el perímetro del tanque entre el espaciamiento mínimo se obtiene el

número mínimo de pernos. Por su parte, dicho número se redondea al múltiplo de 4 superior

inmediato para obtener una distribución equitativa de esfuerzos, esto debido a la división del

plano de la circunferencia del taque en cuatro cuadrantes.

Una vez determinado el número de pernos y la carga máxima de diseño, se calcula el diámetro

de éstos a tracción mediante la siguiente ecuación:

(Ec. 3.3)

El esfuerzo ( ) utilizado para este cálculo es el 80% del esfuerzo cedente del perno [3],

mientras que representa la carga por perno a resistir, de esta manera, tomando en cuenta la

tolerancia por corrosión radial del perno (CAP), se determina el diámetro ( ) de los pernos.

36

El flujograma desarrollado para el cálculo de pernos de anclaje se muestra en la Figura 3.5:

Figura 3.5: Flujograma del cálculo de pernos de anclaje

La selección manual indicada en la Figura 3.5 se realiza conociendo la estabilidad del tanque

dada por el viento y por el sismo. Por otro lado, la opción de considerar el techo frágil permite

tomar o no en consideración dicha condición en el diseño de la unión pared-techo que protege al

tanque de una sobrepresión interna.

3.2. Tanques calculados

Se utilizaron tanques de distintos proyectos actuales en los cuales la empresa Inelectra está

involucrada, para así obtener los resultados a ser analizados, éstos son los mostrados en la Tabla

3.1:

Presión

de diseño

Presión de

prueba

Presión

de fallaPresión de diseño

+

Carga por sismo

Carga por

viento

Carga por perno

Máxima carga de

levantamiento

Presión de

fragilidad

Número mínimo

de pernos

Carga

por sismoPresión de diseño

+

Carga por viento

Diámetro de los

pernos

Estabilidad sísmica PDVSA

Estabilidad sísmica API 650

Estabilidad ante el viento

Selección manual

Tanque No Anclado

Tanque Anclado

Considerar techo frágil

Selección manual

No se calculan los pernos

37

Tabla 3.1: Lista de tanques calculados

Proyecto D

(m) H

(m) Fluido Fijación TAG Cod.

PETROCEDEÑO

33 19 Diluyente No Anclado T-3101 A1 24 20 Agua Limpia No Anclado T-3920 A2 18 9 Agua Contaminada Anclado T-3900 A3 20 15 Agua Sucia Anclado T-3602 A4

REFINERÍA PUERTO LA

CRUZ

11 10 Agua Filtrada Anclado D-8907 B1 8 4 Agua Potable Anclado D-8906 B2 27 15 Agua Desmineralizada Anclado D-8903 B3 40 19 Agua Fresca Anclado D-8901 B4

TERMOZULIA III

27 12 Destilado N° 2 Sucio Anclado 30EGB10BB001 C1 27 12 Destilado N° 2 Limpio Anclado 30EGB20BB001 C2 19 12 Agua Desmineralizada Anclado 30GHC10BB001 C3

Se tienen entonces 4 tanques del proyecto de ampliación de las facilidades de producción de

crudo de Petrocedeño, 4 tanques del proyecto de refinación y mejoramiento de crudos de la

Refinería de Puerto la Cruz y 3 tanques del proyecto de generación de potencia y sistemas de

transmisión de la planta Termozulia III [1]. En la Tabla 3.1 se observan las características

principales de cada uno de éstos, así como el código (Cod.), que se le asignó (última columna) en

el presente trabajo para facilitar el análisis al momento de compararlos.

Los datos de entrada necesarios para el cálculo de cada uno de los tanques se muestran

detalladamente en el Apéndice D. Por último, vale destacar el hecho de que la relación entre los

espectros de respuesta ASCE 7-10 [9] y COVENIN 1756:2001 [7] definida en el punto 2.6.4, se

aplicó únicamente al proyecto Petrocedeño debido a que para éste se especificaban los

parámetros sísmicos dados por esta última, mientras que para los otros 2 proyectos se

especificaban directamente los correspondientes a la norma ASCE 7-10 [9] a través de un estudio

específico del sitio.

CAPÍTULO IV RESULTADOS DEL CÁLCULO DE TANQUES

Los resultados obtenidos se presentarán de la siguiente manera:

Hoja de Cálculo.

Validación del cálculo

- Validación del cálculo estructural.

- Validación del cálculo de estabilidad del tanque por API 650.

- Validación del cálculo de estabilidad del tanque por PDVSA.

Comparación de resultados sísmicos obtenidos por API 650 y PDVSA.

4.1. Hoja de Cálculo

El diseño y programación de la Hoja de Cálculo se realizó de manera tal de que tuviese una

interfaz amigable con el usuario. Por ello, se dividió ésta en 8 secciones:

Presentación.

Estructura.

Viento.

Sismo API.

Sismo PDVSA.

Anclaje.

Resumen.

Detalles.

39

La sección de “Presentación” está destinada para el ingreso de los datos del proyecto y del

tanque a calcular. En las secciones de "Estructura", "Viento", “Sismo API", “Sismo PDVSA" y

“Anclaje" se ingresan los datos de entrada para cada uno de los cálculos y se muestran los

resultados. En la ventana de “Detalles” se encuentran las tablas y figuras de las normas utilizadas,

así como también gran parte de la automatización necesaria de ciertos cálculos. Por su parte, la

hoja de “Resumen” contiene los resultados finales fundamentales de todas las secciones

anteriores.

En el Apéndice E se presenta la guía para el uso de la Hoja de Cálculo, en la cual se explica en

detalle cada una de las secciones que la integran, así como también las características principales

de la misma. Además se ilustra el ejemplo completo para uno de los tanques calculados.

4.2. Validación del cálculo

Con el fin de verificar que los resultados obtenidos por la Hoja de Cálculo sean correctos y

confiables, se compararon éstos con el programa certificado TANK™ y ejemplos de la norma

PDVSA F-201 [11].

4.2.1. Validación del cálculo estructural

Para verificar los resultados estructurales obtenidos por API 650 [3], se compararon éstos con

los dados por el programa certificado TANK™ para los tanques de los distintos proyectos

mencionados en la Tabla 3.1 del presente trabajo. Los resultados obtenidos tanto por el programa

TANK™, como por la Hoja de Cálculo, se presentan en el Apéndice F en las Tablas F.1 y F.2

respectivamente. Con éstas se llevó a cabo la comparación que se realizó calculando la diferencia

de magnitud en los espesores obtenidos por la Hoja de Cálculo con respecto al programa

TANK™. Teniendo esto en cuenta se presenta la Tabla 4.1:

40

Tabla 4.1: Diferencia del cálculo estructural de la Hoja de Cálculo con respecto al del programa TANK™

Espesor A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 Promedio Pared por diseño (mm) 0,0 0,5 0,2 0,1 0,0 0,0 0,0 -0,2 0,0 0,0 0,3 ±0,1

Pared por prueba hidrostática (mm) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,0 0,0 0,1 -0,2 0,0 0,0 0,3 ±0,1

Techo (mm) 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Fondo (mm) 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Placa anular (mm) 0,0 0,0 0,0 -1,1 0,0 0,0 0,0 0,0 -1,1 -1,1 0,0 -0,3 Ancho Placa Anular (mm) 16,0 14,6 0,7 -80,2 16,3 -3,9 26,9 32,0 -35,7 0,3 13,5 ±21,8

La mayor diferencia entre los espesores mínimos calculados por la Hoja de Cálculo y el

programa TANK™, de acuerdo a la Tabla 4.1, es igual a -1,1 milímetros y se da en la placa

anular de los tanques A4, C1 y C2, en los demás ésta es prácticamente nula, razón por la cual se

puede decir que los resultados son aceptables. Por su parte, el cálculo del ancho mínimo de la

placa anular es variable, dando en unos mayor y en otros menor al del programa TANK™, sin

embargo, dichas diferencias se dan sobre valores relativamente altos de aproximadamente 800

milímetros, de manera tal que representan un porcentaje bajo de error (máximo de 10%), por lo

tanto, los valores se consideran igualmente aceptables.

4.2.2. Validación del cálculo de estabilidad del tanque por viento

Para verificar el cálculo de estabilidad del tanque por viento, se compararon éstos con los dados

por el programa certificado TANK™ para los tanques de los distintos proyectos mencionados en

la Tabla 3.1 del presente trabajo. Los resultados obtenidos tanto por el programa TANK™, como

por la Hoja de Cálculo, se presentan en la Tabla 4.2:

41

Tabla 4.2: Comparación del cálculo de estabilidad por viento de la Hoja de Cálculo con respecto al programa TANK™

Tanque

Programa TANK Hoja de Cálculo Diferencia porcentual

Momento por presión del viento

Momento por presión del viento

(N*m) (N*m) A1 5.541.700 4.875.749 -12 A2 2.643.700 2.389.871 -10 A3 798.180 617.492 -23 A4 1.000.700 1.121.742 12 B1 217.750 310.529 43 B2 60.040 61.406 2 B3 2.749.600 3.602.337 31 B4 7.955.200 8.541.819 7 C1 2.807.600 3.944.401 40 C2 2.807.600 3.944.401 40 C3 1.077.500 1.546.959 44

Promedio - - 16

La mayor diferencia en el cálculo del momento producido por la presión del viento, de acuerdo

a la Tabla 4.2, se da en el tanque C3 y es igual al 44%. Ésta se da debido a que la Hoja de Cálculo

considera un factor de exposición para la altura media del tanque y otro para la altura total del

mismo, obteniendo así, en la mayoría de los casos, resultados mayores debido a que el factor de

exposición aumenta con la altura e incrementa directamente el éste momento. La diferencia

porcentual promedio del 16% resulta entonces aceptable, debido a la magnitud de los momentos

comparados.

4.2.3. Validación de cálculo sísmico por API 650

Para verificar el cálculo sísmico por API 650 [3], se compararon éstos con los dados por el

programa certificado TANK™ para los tanques de los distintos proyectos mencionados en la

Tabla 3.1 del presente trabajo. Los resultados obtenidos tanto por el programa TANK™, como

por la Hoja de Cálculo se presentan en el Apéndice G en la Tablas G.1 y G.2 respectivamente.

Con éstas se llevó a cabo la comparación que cual se realizó utilizando las diferencias

porcentuales de los valores obtenidos por la Hoja de Cálculo con respecto a los del programa

TANK™, de esta manera si el valor del programa era 100 y el de la Hoja era 110, la diferencia

sería del 10%. Teniendo esto en cuenta, se presenta la Tabla 4.3:

42

Tabla 4.3: Diferencia porcentual de los resultados obtenidos por la Hoja de Cálculo con respecto a los del programa TANK™

Tanque Aceleración impulsiva

Aceleración convectiva

Fuerza cortante


Momento sísmico


Esfuerzo de compresión

Altura de la ola

A1 0 0 -1 7 -1 0 20 2 A2 0 3 0 17 1 6 36 2 A3 0 2 1 32 1 - 0 2 A4 0 0 -1 55 0 - 60 2 B1 0 1 0 -7 0 - 11 1 B2 0 1 -3 29 -2 - 0 2 B3 0 0 1 -48 1 - -44 1 B4 0 4 1 -46 0 - -33 1 C1 0 0 -1 25 -1 - 50 1 C2 0 0 -1 25 -1 - 50 1 C3 0 1 3 58 3 - 67 2

Promedio 0 1 0 13 0 3 20 2

La mayor diferencia porcentual promedio mostrada en la Tabla 4.3 se da para el esfuerzo de

compresión, representada por un 20% que se justifica por el hecho de que la Hoja de Cálculo

considera la disminución del espesor de la pared por corrosión, mientras que el programa

TANK™ no. Los valores obtenidos para el esfuerzo circunferencial se ven afectados de manera

similar, pero en una menor proporción (13%). Por su parte, el resto de los resultados han sido

exactos con respecto a los del programa TANK™, obteniendo diferencias menores al 3%.

Para comprobar que la diferencia en los esfuerzos sobre la pared del tanque está dada por la

consideración de la corrosión, se obtuvieron los resultados de una Hoja de Cálculo Modificada

que no tomara en cuenta la disminución del espesor de la pared por ésta, tal como en el programa

TANK™. De esta forma, se obtuvieron las diferencias porcentuales en los esfuerzos

circunferenciales y de compresión, presentadas en la Tabla G.3 del Apéndice G, teniendo como

resultado unas diferencias promedio del -11% y -7% respectivamente, las cuales se encuentran

dentro de un rango más aceptable.

4.2.4. Validación del cálculo sísmico por PDVSA JA-221 y FJ-251

Para verificar los resultados sísmicos obtenidos por PDVSA JA-221 [8] y FJ-251 [6], se

compararon éstos con un par de ejemplos dados por la norma PDVSA 90615.1.014 [11]

43

4.2.4.1. Comparación con el Ejemplo 1 de norma PDVSA 90615.1.014

El Ejemplo 1 de PDVSA 90615.1.014 [11] considera un tanque para almacenamiento de agua,

no anclado, de 26 metros de diámetro y 10 metros de altura de líquido. Los resultados obtenidos

se muestran en la Tabla 4.4:

Tabla 4.4: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo con respecto al Ejemplo 1 de PDVSA 90615.1.014

Valores Ejemplo 1 Hoja de Cálculo

Diferencia Porcentual

Aceleración impulsiva 0,632 0,635 0,5 Aceleración convectiva 0,133 0,133 0,0 Aceleración vertical 0,531 0,540 1,7 Peso del tanque (Kg/m) 1.062 1.031 -2,9 Fuerza cortante (Kg) 1.234.911 1.250.810 1,3 Esfuerzo circunferencial (Kg/cm²) 1.978 1.988 0,5 Momento sísmico (Kg*m) 4.964.526 5.024.805 1,2 Coeficiente de anclaje 1,21 1,22 0,8 Esfuerzo de compresión (Kg/cm²) 139 146 5,0 Altura de ola sísmica (m) 1,66 1,66 0,0

La diferencia porcentual mostrada en la Tabla 4.4 representa la desviación que existe entre el

resultado de la Hoja de Cálculo con respecto al del Ejemplo 1 para cada uno de los valores

comparados. Se puede observar que dichas diferencias son todas menores o iguales al 5%, lo cual

representa un porcentaje muy bajo considerando que muchos de los valores se obtienen mediante

gráficas, trayendo como consecuencia errores de apreciación. Precisamente, el esfuerzo de

compresión que representa la máxima diferencia porcentual, depende directamente del valor de la

fuerza de compresión que proviene de una gráfica [6].

4.2.4.2. Comparación con el Ejemplo 2 de PDVSA 90615.1.014

El Ejemplo 2 de PDVSA 90615.1.014 [11] considera un tanque para almacenamiento de agua

contra incendio, anclado, de 11,46 metros de diámetro y 10,20 metros de altura de líquido. Este

ejemplo tiene 2 partes a las cuales se les llamaron 2.A y 2.B, esto debido a que el primer cálculo

44

(2.A) da como resultado un tanque inestable al cual se le modifican los espesores de los anillos

de la pared y se realiza el segundo (2.B). Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 4.5:

Tabla 4.5: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo con respecto al Ejemplo 2 de PDVSA 90615.1.014

Valores Ejemplo 2.A

Hoja de Cálculo


Ejemplo 2.B

Hoja de Cálculo


Aceleración impulsiva 0,833 0,830 0 0,809 0,791 -2 Aceleración convectiva 0,424 0,424 0 0,424 0,424 0 Aceleración vertical 0,652 0,652 0 0,536 0,542 1 Fuerza cortante (Kg) 556.522 546.527 -2 543.182 523.838 -4 Esfuerzo circunferencial (Kg/cm²) 1.232 1.698 38 1.109 1.363 23

Momento sísmico (Kg*m) 2.340.081 2.306.432 -1 2.292.125 2.220.888 -3 Esfuerzo de compresión (Kg/cm²) 424 415 -2 353 340 -4

Esfuerzo de compresión admisible (Kg/cm²) 405 405 0 439 439 0

Altura de ola sísmica (m) 2,33 2,33 0 2,33 2,33 0

La diferencia porcentual mostrada en la Tabla 4.5 representa la desviación que existe entre el

resultado de la Hoja de Cálculo con respecto al del Ejemplo 2 para cada uno de los valores

comparados. Ante todo, se debe observar que el esfuerzo de compresión es mayor al admisible en

el Ejemplo 2.A, razón por la cual el tanque es inestable y se aumentan los espesores de los anillos

de las paredes, obteniendo de esta manera los resultados del Ejemplo 2.B donde dicho esfuerzo es

menor al admisible, siendo así estable. Ahora bien, las diferencias porcentuales se encuentran

dentro de un rango adecuado en cada uno de los valores a excepción del esfuerzo circunferencial,

el cual presenta una diferencia de 38% y 23% para los ejemplos 2.A y 2.B respectivamente.

La diferencia entre el esfuerzo circunferencial de la Hoja de Cálculo y el Ejemplo 2 se debe al

hecho de que éste último no considera la disminución del espesor en la pared del tanque por la

corrosión dada en el cálculo, razón por la cual se comparó con una Hoja de Cálculo Modificada

que tomara en cuenta la misma condición del ejemplo, de manera tal que se pudiese verificar la

confiabilidad del cálculo. De esta forma, se obtuvo la diferencia porcentual en el esfuerzo

circunferencial, presentadas en la Tabla G.4 del Apéndice G, teniendo como resultado unas

45

diferencias promedio del 8% para cada una de las partes del ejemplo, la cual entra dentro de un

rango más aceptable.

4.3. Comparación de resultados sísmicos obtenidos por API 650 y PDVSA JA-221 y FJ-251

Con la finalidad de determinar cuál cálculo sísmico es más crítico, se compararon los resultados

sísmicos de la Hoja de Cálculo obtenidos por API 650 [3] y PDVSA JA-221 [8] y FJ-251 [6] para

los tanques de los distintos proyectos mencionados en la Tabla 3.1 del presente trabajo. Los

resultados obtenidos por ambas normas se presentan en el Apéndice G en la Tablas G.2 y G.5

respectivamente. Con éstas se realizó la comparación, utilizando las diferencias porcentuales de

los valores obtenidos por PDVSA con respecto a los de API 650 [3], de esta manera si el valor de

API 650 [3] era 100 y el de la PDVSA era 80, la diferencia sería del -20%. Teniendo esto en

cuenta, se presenta la Tabla 4.6:

Tabla 4.6: Diferencia porcentual de los resultados obtenidos por PDVSA JA-221 y FJ-251 con respecto a los de API 650



Fuerza cortante


Momento sísmico



Altura de la ola

Tanques No Anclados A1 45 43 15 6 15 15 0 -4 A2 45 42 14 6 14 11 53 -2

Promedio 45 43 15 6 14 13 27 -3 Tanques Anclados

A3 95 43 47 8 43 - 25 -2 A4 128 45 77 9 73 - 50 -2 B1 77 15 39 12 38 - 30 -21 B2 42 58 11 10 14 - 50 9 B3 80 -5 42 10 41 - 40 -35 B4 80 -11 42 10 42 - 25 -36 C1 65 -41 31 6 23 - 17 -41 C2 65 -41 31 7 23 - 17 -41 C3 59 -25 15 2 6 - 0 -41

Promedio 77 ±31 37 8 33 - 28 -23

La Tabla 4.6 separa los tanques no anclados de los anclados, debido a que los factores de

modificación de respuesta cambian y afectan los valores calculados. A su vez, se presentan los

46

valores de desviación promedio de cada uno de los parámetros calculados tanto para tanques

anclados, como no anclados.

En general, todos los valores promedios comparados en la Tabla 4.6, a excepción de la altura de

la ola sísmica, dan diferencias porcentuales positivas, es decir, son mayores los obtenidos a través

del cálculo por PDVSA JA-221 [8] y FJ-251 [6] que por API 650 [3]. La diferencia en la

aceleración impulsiva, fuerza cortante y el momento sísmico, prácticamente se duplica en los

tanques anclados con respecto a los no anclados, esto se debe al aumento del coeficiente

equivalente de amortiguamiento que toma en consideración PDVSA cuando el tanque es anclado,

el cual incrementa radicalmente la aceleración impulsiva que causa el mismo efecto sobre el

momento y la fuerza calculada.

El promedio de la aceleración convectiva para tanques anclados se ve afectado por las

diferencias porcentuales negativas de los tanques de Termozulia III (C1, C2 Y C3) dadas por las

características particulares del sitio, de manera tal que rompen la tendencia con respecto a los

demás, sin embargo, deben ser igualmente considerados. Independientemente de esta variación,

la altura de la ola sísmica calculada por PDVSA FJ-251 [6] es menor. Esto se debe a la diferencia

de criterio entre ambas normas ya que API 650 [3] no considera el factor de modificación de

respuesta en el cálculo de ésta, mientras que la normas PDVSA sí.

Por último, vale destacar el hecho de que todos los resultados presentados están dados para

tanques estables, sean éstos no anclados o anclados cumpliendo los requisitos mencionados en las

secciones 2.8.3 y 2.8.5 para el primer tipo de fijación y, la sección 2.8.4 para el otro.

47

CONCLUSIONES

Los flujogramas desarrollados para cada una de las partes del cálculo, describen el

procedimiento a llevar a cabo, de manera tal que sirven como guía para programar el cálculo

en cualquier otra herramienta distinta a Excel®.

En base a las comparaciones realizadas, se puede decir que mediante el uso de la Hoja de

Cálculo se obtienen resultados confiables con respecto a las normas utilizadas.

Los resultados obtenidos por la Hoja de Cálculo permiten completar gran parte de la Hoja

de Datos de los tanque de almacenamiento de líquido a baja presión que se rigen bajo la

norma API 650.

El cálculo sísmico entre API 650 y PDVSA se diferencia en la determinación de los

coeficientes de aceleración impulsivo y convectivo debido a los distintos parámetros de

entrada. De ahí en adelante, el cálculo es muy similar.

La altura de la ola sísmica calculada por las normas PDVSA es ligeramente menor a la

calculada por API 650.

Las normas sísmicas de PDVSA aumentan significativamente el coeficiente de aceleración

impulsivo cuando el tanque es anclado, debido al incremento de uno de los parámetros que

determinan el espectro de respuesta.

El momento sísmico, la fuerza cortante, el esfuerzo de compresión y el coeficiente de

anclaje obtenido por PDVSA es mayor que el obtenido por API 650, de manera tal que, el

primero es más crítico, severo y riguroso.

48

RECOMENDACIONES

Incluir el diseño estructural del número de columnas, trabes y largueros necesarios para un

techo cónico soportado, así como también los perfiles requeridos para soportar el estado de

cargas ejercido sobre éstos.

Agregar una opción de verificación estructural de un techo cónico soportado, esto debido a

que en ocasiones es necesario comprobar que una estructura dada, soporta el estado de

cargas ejercido sobre ésta.

Añadir la opción del techo tipo domo en el cálculo.

Permitir introducir los datos en la Hoja de Cálculo en cualquier sistema de unidades,

obteniendo de igual manera los resultados.

Agregar el cálculo sísmico considerando los parámetros de entrada dados por la norma

COVENIN 1756:2001, de manera tal que se obtengan las aceleraciones impulsivas y

convectivas utilizando el espectro de respuesta de éste, continuando el cálculo a partir de

este punto a través del procedimiento de las normas sísmicas PDVSA. Esto se plantea

debido a que en gran parte de los proyectos en Venezuela, se especifica el uso de los

parámetros dados por COVENIN 1756:2001 para realizar el análisis sísmico.

49

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Inelectra, “Nuestra Empresa”, [en línea]. Disponible en Internet: http://www.inelectra.com/nuestra-empresa.php, consultado el 16 de Octubre de 2012.

[2] Padrón, L y Ramírez, R., “Taller de Cálculo de Tanques de Almacenamiento según API 650 11va Edición”.

[3] API, “Welded Tanks for Oil Storage”, API 650, Eleventh Edition, Washington D.C., 2012.

[4] Inglesa, “Diseño y Cálculo de Tanques de Almacenamiento”, [en línea]. Disponible en Internet: www.inglesa.com.mx/books/DYCTA.pdf, consultado el 20 de Septiembre de 2012.

[5] CB&I, "Introducción a los Tanques API 650 (I)", [diapositivas de PowerPoint], Octubre de 2012.

[6] PDVSA, “Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”, Manual de Ingeniería de Diseño PDVSA N° FJ-251, Volumen 19, 1999.

[7] COVENIN, “Edificaciones Sismorresistentes Parte 1: Articulado”, COVENIN 1756:2001-1, Fondonorma, Caracas, 2001.

[8] PDVSA, “Diseño Sismorresistente de Instalaciones Industriales”, Manual de Ingeniería de Diseño PDVSA N° JA-221, Volumen 18-1, 1999

[9] ASCE, “Minimun Design Loads for Buildings and Other Structures”, ASCE/SEI 7-10, Virginia, 2010.

[10] Hernández, R., “Interpretación de Normas Sísmicas para Tuberías y Mecánica”, [diapositivas de PowerPoint], Septiembre de 2012.

[11] PDVSA, “Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”, Guía de Ingeniería PDVSA 90615.1.014, Volumen 19, 1999.

[12] PDVSA, "Atmospheric Storage Tanks", Engineering Design Manual PDVSA N° F-201, Volume 19, 2000.

50

APÉNDICE A

Valores de los coeficientes de aceleración y velocidad del sitio

51

Figura A.1: Valores del coeficiente de aceleración del sitio. [3]

Figura A.2: Valores del coeficiente de velocidad del sitio. [3]

52

APÉNDICE B

Ejemplo de la relación sísmica entre ASCE 7-10 y COVENIN 1756:2001

53

La norma COVENIN 1756:2001 [7] define la zona sísmica de acuerdo al municipio en el cual

se encuentra el tanque. El proyecto de ampliación de las facilidades de producción de crudo de

Petrocedeño, está ubicado en el Municipio José Gregorio Monagas, estado Anzoátegui,

Venezuela, de manera tal que se obtienen los valores de la Tabla B.1:

Tabla B.1: Valores que definen el espectro de respuesta de COVENIN 1756:2001 para los tanques de Petrocedeño

Zona sísmica

Tipo de suelo

Forma espectral Ao ϕ T* (s) To (s) Β p α

2 Duros o densos S2 0,15 0,8 0,7 0,175 2,6 1 1

Con los valores obtenidos de la Tabla B.1, se calcula mediante el uso de la Ec. 2.5 el parámetro

de aceleración espectral de diseño ( ):

El valor del parámetro de aceleración espectral ( ) se obtiene ubicando el período de 1

segundo en el espectro de respuesta COVENIN 1756:2001 [7] (Figura 2.10) de acuerdo a los

valores de los períodos T* y To de la Tabla B.1, por lo tanto la ecuación utilizada es la siguiente:

(Ec. B.1)

Teniendo como resultado, considerando el cálculo del parámetro a través de la Ec. 2.7, el

siguiente:

Siguiendo el procedimiento explicado en la sección 3.1.3 del presente trabajo, se obtienen

entonces los parámetros de aceleraciones espectrales de entrada para el cálculo por API 650:

54

Para obtener los valores de los parámetros de entrada ( y ) requeridos por API 650, se

programó un cálculo para este caso en particular mostrado en la Figura B.1, ya que de lo

contrario sería necesario un proceso de tanteo.

D

S2

0,15

1,0

1,0

0,80

2,60

0,03

0,70 s

Factor de amplificación espectral (β*) 3,03

0,363 g

0,254 g

0,25 0,5 0,75 1 1,25

Suelo Ss ≤ 0,25 Ss = 0,50 Ss = 0,75 Ss = 1,0 Ss ≥ 1,25

A 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

B 1 1 1 1 1

C 1,2 1,2 1,1 1 1

D 1,6 1,4 1,2 1,1 1

E 2,5 1,7 1,2 0,9 0,9

F

Sds* 0,267 0,467 0,600 0,733 0,833

Ss: 0,362 g

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Suelo S1 ≤ 0,1 S1 = 0,2 S1 = 0,3 S1 = 0,4 S1 ≥ 0,5

A 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

B 1 1 1 1 1

C 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3

D 2,4 2 1,8 1,6 1,5

E 3,5 3,2 2,8 2,4 2,4

F

Sd1* 0,160 0,267 0,360 0,427 0,500

S1: 0,161 g

S1 (intermedio):0,161

Factor de importancia (α)

Aceleración Sds

Tabla de valores de Fa

Tabla de valores de Fv

0,362Ss (intermedio):

Aceleración Sd1

Período (T*)

Exponente descendente del espectro (p)

Aceleración horizontal máxima (Ao)

Datos de entrada

Datos calculados

Tipo de Suelo

Coeficiente de amortiguamiento (ξ)

Parámetro (β)

Factor de corrección (ϕ)

Forma espectral

Figura B.1: Cálculo de los parámetros de entrada de API 650 a partir de los dados por COVENIN

1756:2001

55

APÉNDICE C

Cargas de levantamiento sobre los pernos de anclaje

56

Figura C.1: Cargas de levantamiento sobre los pernos de anclaje. [3]

57

APÉNDICE D

Datos de entrada para el cálculo de los tanques

58

A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3

Diámetro nominal del tanque (D) m 33,04 24,38 17,50 19,81 10,67 7,62 27,43 39,62 27,43 27,43 19,10

Altura del tanque (H)

m 19,06 19,51 9,30 14,73 9,75 4,27 14,63 18,62 12,06 12,06 12,06

Nivel alto de líquido (HLL) m 16,48 18,80 8,12 12,44 6,90 3,10 13,36 14,94

Nivel muy alto de líquido (HHLL) m 17,39 19,03 9,00 14,03 8,15 3,20 13,51 15,11 11,38 11,38 11,30

Nivel bajo de líquido (LLL) m 2,14 1,77 6,87 6,62 2,16 0,76 0,97 2,03

Nivel muy bajo de líquido (LLLL) m 1,50 1,51 4,16 5,16 1,02 0,56 0,81 1,80 0,60 0,60 0,40

Gravedad específica (G)

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Presión interna de diseño (Pi) KPa 0,5 1,5 1,8 1,8 0,4 0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 5,0

Presión externa de diseño (Pe) KPa 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25

Temperatura mínima del metal

°C 12 12 12 12 20 20 20 20 40 40 40

Temperatura máxima de diseño °C 50 95 95 95 66 66 66 66 40 40 40

Ancho de láminas de la pared m 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 3,0 3,0 3,0

Corrosión admisible al cuerpo (CA) mm 3,0 3,0 3,0 6,0 1,5 1,5 1,5 1,5 3,2 3,2 3,2

Espesor de placas del fondo m 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

Corrosión admisible al fondo (CAF) mm 3,0 3,0 3,0 6,0 1,5 1,5 1,5 1,5 3,2 3,2 3,2

Espesor mínimo del techo

m 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Corrosión admisible al techo (CAT) mm 3,0 3,0 3,0 6,0 1,5 1,5 1,5 1,5 3,2 3,2 3,2

Inclinación del techo (ϴ) ° 10 10 10 10 10 10 4 4 4,8 4,8 4,8

Carga viva sobre el techo (Lr)

KPa 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,3 1,3 1,3

Tipo de techo Cónico Soportado

Cónico Soportado

Cónico Soportado

Cónico Soportado

Cónico Auto-

soportado

Cónico Auto-

soportado

Cónico Auto-

soportado

Cónico Auto-

soportado

Cónico Auto-

soportado

Cónico Auto-

soportado

Cónico Auto-

soportadoDensidad del material (ρ)

Kg/mᶟ 7850 7850 7850 7850 7850 7850 7850 7850 7850 7850 7850

Material A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M A 36M

Anillo 1 mm 22 19 10 16 8 6 25 38 13 13 10

Anillo 2 mm 19 16 8 16 8 6 19 25 10 10 10

Anillo 3 mm 16 16 8 13 7 16 19 8 8 7

Anillo 4 mm 16 13 8 13 6 16 19 6 6 6

Anillo 5 mm 13 13 10 6 13 13

Anillo 6 mm 10 10 8 6 8

Anillo 7 mm 7 8 8 6 8

Anillo 8 mm 7 7 8

Anillo 9 mm 7

Anillo 10 mm

Placa anular mm 16 13 10 13 8 8 8 8 10 10 10

Selección de espesores

Tabla D.1: Datos de entrada para el cálculo de los tanques

Datos de diseño

Datos de proceso

59

A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3

Velocidad del viento (V)

Kmh 90 90 90 90 85 85 85 85 103 103 103

Factor de combinación de

presión (Fp)0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4

Factor de importancia ante el

viento (I)1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,15 1,15 1,15

Tipo de exposición C C C C C C C C D D D

Parámetro de aceleración

espectral (Ss)0,362 0,362 0,362 0,362 1,020 1,020 1,020 1,020 0,450 0,450 0,450

Parámetro de aceleración

espectral (S1)0,161 0,161 0,161 0,161 0,230 0,230 0,230 0,230 0,259 0,259 0,259

Grupo sísmico 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Tipo de suelo D D D D D D D D D D DFactor de

importancia (I)1,25 1,25 1,25 1,25 1,45 1,45 1,45 1,45 1,50 1,50 1,50

Período de transición regional

(TL)

s 4 4 4 4 4 4 4 4 6 6 6

Coeficiente de ajuste (K) 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

Coeficiente de aceleración vertical

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Tipo de fijación No Anclado

No Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado

Coeficiente de roce entre fondo y fundación (μ)

0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4

Forma espectral S2 S2 S2 S2 S1 S1 S1 S1 S2 S2 S2

Grado de riesgo B B B B B C B B C C C

Factor de corrección (ϕ)

0,95 0,95 0,95 0,95 0,90 0,90 0,90 0,90 0,95 0,95 0,95

Factor de Ductilidad (D)

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

Tipo de fijaciónNo

Anclado No AncladoNo

AncladoNo

Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado Anclado


0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4

Aceleración característica del

38 38 38 38 60 60 60 60 26 26 26

Valor característico del peligro sísmico

(Ƴ)4,25 4,25 4,25 4,25 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75 3,75

Probabilidad anual de excedencia (p1)

0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,0005 0,001 0,001 0,0005 0,0005 0,0005

Considerar pernos de anclaje

No No Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí

Material del perno A 36 A 36 A 36 A 36 A 36 A 36 A 36 A 36 A 36

Corrosión admisible del perno (CAP) mm 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5

Considerar techo frágil

Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí

Datos de anclaje

Tabla D.1: Datos de entrada para el cálculo de los tanques (Continuación)

Datos de viento

Datos sísmicos API 650

Datos sísmicos PDVSA

60

APÉNDICE E

Guía para el uso de la Hoja de Cálculo

61

La Hoja de Cálculo está dividida en 8 secciones: Presentación, Estructura, Viento, Sismo (API), Sismo (PDVSA), Anclaje, Resumen y Detalles. Éstas se pueden observar en la Figura E.1:

Figura E.1: Hoja de Cálculo y sus secciones

1. Presentación: En esta sección se ingresa el nombre de quien realiza el cálculo así como el de

quien lo revisa y los siguientes datos que caracterizan el proyecto y el tanque a calcular:

Ciudad, Estado, País, Tipo de tanque, Servicio, Número de TAG, Proyecto, Cliente, Número

de documento y Fecha. Todos estos datos se colocarán automáticamente en el encabezado de

cada página del cálculo, tal como se muestra en la Figura E.2:

TAG:Ubicación:

Cálculo estructural del tanque API 650

Servicio:Proyecto: Nro. de documento:

Fecha:Elaborado por:Revisado por:

Comentarios:

Hoja 1 / 2

Figura E.2: Encabezado de las páginas del cálculo.

Secciones

62

De la Figura E.2 se puede observar a su vez como se deja un espacio para cualquier comentario

que sea necesario realizar en alguna página del cálculo de un tanque.

2. Estructura: Esta sección está compuesta por 2 hojas en las que se realiza el cálculo

estructural del tanque por API 650, ingresando los datos de entrada y de diseño resaltados en

casillas azules, tal como se puede observar en la Figura E.3:

Figura E.3: Datos de entrada y de diseño estructural

Los datos de entrada del proceso son los siguientes:

Diámetro nominal del tanque (m): Se refiere al diámetro interno del mismo y debe ser

menor a 61 metros para poder utilizar el método de un pie para el cálculo de las paredes. [3]

Altura del tanque (m).

Niveles del tanque (m): HHLL, HLL, LLL, LLLL.

Gravedad específica del líquido: Para el diseño, si la densidad es menor a la del agua, se

debe ingresar este valor igual a 1. [12]

Presión interna de diseño (KPa): Debe ser entre 0 y 18 KPa (0 y 2,5 psig) para este tipo de

tanques. [3]

Temperatura máxima de diseñoTemperatura mínima del metal

mm

Datos de entrada

Kg/mᶟ

KPa°mmmm

mmmm

Ver detalles

°C°C

mAncho de láminas de la paredCorrosión admisible al cuerpo (CA)

Espesor de placas del fondoCorrosión admisible al fondo (CAF)

Espesor mínimo del techoCorrosión admisible al techo (CAT)Ángulo de inclinación del techo (ϴ)Carga viva sobre el techo (Lr)Tipo de techo

mm

mm

KPaKPa

mm

Datos de diseño

Ver Tabla de Materiales y Detalles

Pared

Fondo

Techo

General

Diámetro nominal del tanque (D)Altura del tanque (H)Nivel alto de líquido (HLL)Nivel muy alto de líquido (HHLL)Nivel bajo de líquido (LLL)Nivel muy bajo de líquido (LLLL)Gravedad específica (G)Presión interna de diseño (Pi)Presión externa de diseño (Pe)

Densidad del material (ρ)Material (Tabla 5.2b Sec. 5.6.2)

Datos de entrada

Datos de diseño

63

Presión externa de diseño (KPa): Es utilizado para el cálculo del espesor del techo cónico

autosoportado y su valor mínimo es 0,25 KPa, a menos que se cumplan los requisitos de

venteo del Apéndice H. [3]

Temperatura mínima del metal de diseño (°C): Se recomienda que sea 8°C mayor que la

temperatura ambiente promedio más baja durante un día. [3]

Temperatura máxima de diseño (°C): A partir de 93°C se modifica el esfuerzo de diseño de

acuerdo a los factores dados por el Apéndice M. Dicha modificación la realiza la Hoja de

Cálculo automáticamente. Sin embargo, esta temperatura no puede ser mayor a 260°C. [3]

En lo que a los datos de diseño se refiere, éstos son los siguientes:

Ancho de lámina de la pared (m): Este valor depende de las láminas disponibles en el

mercado, sin embargo, el ancho mínimo requerido es de 1,8 m [3], mientras que el de 2,4 m

es el más común.

Espesor de placas de fondo (mm): El valor nominal mínimo nominal sin incluir la tolerancia

por corrosión es de 6 mm. [3]

Espesor mínimo del techo (mm): El valor mínimo recomendado es de 5 mm. [3]

Tolerancias por corrosión de pared, fondo y techo [mm]: Debe ser mayor o igual a 1,5 mm.

[12]

Carga viva sobre el techo (KPa): Es aquella representada por cualquier carga sobre el techo

excluyendo su propio peso. Está dada en forma de presión y el valor mínimo es igual a 1

KPa. [3]

Tipo de techo: Se debe seleccionar para el cálculo si el techo es cónico soportado o

autosoportado. Es recomendable para diámetros mayores a 12 m utilizar techos cónicos

soportados.

Ángulo de inclinación del techo (°): Para techos cónicos autosoportados, éste debe estar

entre 9,5° (2:12) y 37° (9:12) y para cónicos soportados debe ser mayor o igual a 3,6°

(1:16). [3]

Material: Se selecciona el material de las placas a partir de una lista desplegable.

Densidad del material [Kg/m²]: El valor recomendado es de 7850 Kg/m².

64

Una vez ingresados los datos de entrada y de diseño, se deben seleccionar los espesores de los

anillos de las paredes a partir de los espesores mínimos calculados. Dicha selección se realiza a

partir de una lista desplegable que tendrá disponible los espesores comerciales mayores al

mínimo requerido, tal como se puede observar en la Figura E.4:

Figura E.4: Selección de espesores de los anillos

De manera similar, una vez definidos los espesores de la pared, se debe seleccionar el espesor

comercial de la placa anular a partir de una lista desplegable, a partir del valor mínimo requerido,

tal como se muestra en la Figura E.5:

Figura E.5: Selección de espesor de placa anular

65

Una vez realizadas estas selecciones, finaliza el cálculo estructural, sin embargo hay que

verificar si el techo puede ser autosoportado en caso de que ésta haya sido la selección. La Hoja

de Cálculo informa si existe algún inconveniente como el mostrado en la Figura E.6:

°mm inm² ft²

Diseño del techo (Sec. 5.10)

PesoÁrea de superficieEspesor de placas (th)Ángulo de inclinación (ϴ)

Tipo de techo Cónico Autosoportado

313>13+cat

10>1/2+cat

3.369

Espesor de placa Muy Grande (Aumentar inclinación del techo)

Figura E.6: Alerta de uso de techo cónico autosoportado

En el caso presentado en la Figura E.6, el espesor de las placas requerido es mayor a 13 mm

más la corrosión admisible, razón por la cual se debe aumentar el ángulo de inclinación del techo,

tomando en cuenta que si bien la norma permite hasta 37°, generalmente éste no suele ser mayor

a 10°. De lo contrario se debe utilizar un techo cónico soportado.

3. Viento: Esta sección está compuesta por 1 hoja en la cual se ingresan los datos de entrada y

se realizan los cálculos de los rigidizadores y de estabilidad por viento. Los datos de entrada

están, al igual que en la sección de Estabilidad, resaltados en azul y son los siguientes:

Velocidad del viento (Km/h): Es determinado para el sitio en el cual se encuentra el tanque.

Para Venezuela se utiliza un mapa que se encuentra en la sección de Detalles. [7]

Factor de combinación de presión: Es definido como la proporción de la presión de

operación a la presión de diseño y debe mayor o igual a 0,4. [3]

Factor de importancia ante el viento: Debe ser mayor o igual a 1 y está dado por

especificaciones del cliente o por tablas ubicadas en la sección de Detalles. [9]

Tipo de exposición: Se selecciona de una lista desplegable el tipo B, C ó D según

especificaciones del cliente o según una tabla mostrada en la sección de Detalles. [9]

66

4. Sismo (API): Esta sección está compuesta por 3 hojas, en las cuales se ingresan los datos de

entrada y se realiza el cálculo sísmico. Los datos de entrada están, al igual que en las

secciones anteriores, resaltados en azul tal como se muestra en la Figura E.7:

Figura E.7: Datos de entrada sísmicos por API 650

Todos estos datos de entrada se ingresan en la primera hoja de esta sección y son los siguientes:

Parámetro de aceleración espectral máxima ( ): Representa el máximo parámetro de

respuesta de la aceleración espectral considerado en cortos períodos (0,2 segundos). Dicho

valor proviene de un análisis de la zona y el suelo donde se encuentra el tanque y está dado

por el Departamento de Civil o por el cliente. Éste se puede obtener mediante la relación de

espectros de respuesta de ASCE 7-10 [9] y COVENIN 1756:2001 [7] (Sección 2.6.4).

Parámetro de aceleración espectral máxima ( ): Representa el máximo parámetro de

respuesta de la aceleración espectral considerado un período de 1 segundo. Dicho valor

proviene de un análisis de la zona y el suelo donde se encuentra el tanque y está dado por el

Departamento de Civil o por el cliente. Éste se puede obtener ubicando el valor dado en el

espectro de respuesta COVENIN 1756:2001 [7] para dicho valor del período (Sección

3.1.3).

Grupo sísmico: Se selecciona de una lista desplegable entre los grupos 1, 2 y 3 que

dependerá del grado de riesgo del producto almacenado. La tabla para definir éste se

encuentra en la sección de Detalles. [3]

Tipo de suelo: Depende de ciertas características del suelo donde se ubica el tanque, se

selecciona de una lista desplegable entre los tipos A, B, C, D, E y F [3]. Este valor proviene

de datos del proyecto o del Departamento de Civil.

67

Factor de importancia: Dato de origen estadístico que depende de la probabilidad de

ocurrencia y el período de retorno del evento sísmico. Generalmente viene dado por

regulaciones locales, el cliente o por el Departamento de Civil, sin embargo, puede ser

obtenido a través de una tabla mostrada en la sección de Detalles [3]. De cualquier forma,

dicho valor debe ser mayor o igual a 1.

Período de transición regional [s]: El valor recomendado para lugares fuera de los Estados

Unidos es de 4 segundos. [3]

Coeficiente de ajuste: Definido para ajustar la aceleración espectral de 5% a 0,5% de

amortiguamiento. El valor establecido es igual a 1,5 a menos que se especifique lo

contrario. [3]

Coeficiente de aceleración vertical: Debe estar entre 0 y 0,14 veces la aceleración espectral

de diseño (0,14 x ). [3]

Tipo de fijación: Se selecciona a partir de una lista desplegable cuyas opciones son Anclado

y No Anclado. Se debe empezar suponiendo el tanque no anclado para determinar si éste es

estable por sí mismo, de lo contrario, deberá ser anclado. Por su parte, si el tanque requiere

ser anclado por inestabilidad ante el viento o por cualquier otra razón, se debe seleccionar

esta opción para determinar la carga máxima de levantamiento. Esto último como

consecuencia de que los parámetros de modificación de respuesta son diferentes entre

ambos tipos de fijación.

Coeficiente de roce entre fondo y fundación: Debe ser menor o igual a 0,4, en caso de ser

menor se debe justificar. [3]

Por su parte, el estudio de estabilidad del tanque toma en consideración de manera automática

los criterios a cumplir tanto para tanques anclados como no anclado, de manera tal que, en un

recuadro en la tercera hoja de esta sección se observa dicha conclusión como se muestra en la

Figura E.8:

68

56,0 psi55 psi

Esfuerzo longitudinal de compresión admisible (Sec. E.6.2.2):

1,27

El Tanque No Anclado es Inestable

Conclusión de Estabilidad

Esfuerzo longitudinal de compresión admisible (Fc)Máximo esfuerzo longitudinal de compresión (σc)

MPaMPa

No se cumple: fc ≤ Fa. Aumentar espesor de placa anular y/o de primer anillo, modificar dimensiones o Anclar el tanque.

81227924

Estabilidad del tanque

Radio de anclaje (J) (Sec. E.6.2.1.1.1):

= 𝑟

2 𝑠

+

𝑟

1 0.4 + 𝑎 0.4 𝑖

=

Figura E.8: Mensaje de conclusión de estabilidad

En el ejemplo de la Figura E.8 no se cumple el requisito del esfuerzo longitudinal de

compresión por lo que la Hoja de Cálculo muestra tanto este mensaje como los pasos a seguir

para estabilizar el tanque.

5. Sismo (PDVSA): Esta sección está compuesta por 4 hojas, en las cuales se ingresan los datos

de entrada y se realiza el cálculo sísmico. Los datos de entrada están, al igual que en las

secciones anteriores, resaltados en azul tal como se muestra en la Figura E.9:

Figura E.9: Datos de entrada sísmicos por PDVSA JA-221 y FJ-251

Datos de entrada

Datos de entrada provenientes de mapas

cm/s²Aceleración característica del peligro sísmico (a*)Valor característico del peligro sísmico (Ƴ)

Grado de riesgo

Factor de Ductilidad (D)Tipo de fijaciónCoeficiente de roce entre fondo y fundación (μ)

Ver tabla

Ver mapa de ƳVer mapa de a*

Datos de entrada provenientes de mapas

Opción 2:Opción 1:

Datos de entrada de probabilidades, se puede entrar con cualquiera de las 2 opciones:

añosProbabilidad anual de excedencia (p1) Probabilidad de excedencia

durante el período de vida útil (P*)

Vida útil (t)

Datos de entrada

Ver tablas

Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal (ϕ)

Forma espectral

Datos de entrada de probabilidades

69

Todos estos datos se ingresan en la primera hoja de esta sección y son los siguientes:

Forma espectral: Dato proveniente del Departamento de Civil obtenido a partir de las

características del suelo. Se selecciona a partir de una lista desplegable entre las opciones

S1, S2, S3 y S4. A su vez se puede obtener a partir de una tabla mostrada en la sección de

Detalles, que depende de dichas características. [8]

Grado de riesgo: Parámetro que depende del número de personas expuestas en caso de

accidente. Se selecciona de una lista desplegable entre los grados A, B, C y D siendo A el

menor y D el mayor. En la sección de Detalles se muestra las tabla a partir de la cual se

define este parámetro. [8]

Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal: Factor proveniente de una

tabla mostrada en la sección de Detalles dependiente del material del suelo y la forma

espectral [8]. Generalmente es proporcionado por el Departamento de Civil.

Factor de Ductilidad: Característica propia del tanque que afecta la forma del espectro de

respuesta. Este es dado en la especificación de ingeniería correspondiente a la instalación en

referencia. [8]

Tipo de fijación: Se selecciona a partir de una lista desplegable cuyas opciones son Anclado

y No Anclado. Se debe empezar suponiendo el tanque no anclado para determinar si éste es

estable por sí mismo, de lo contrario, deberá ser anclado. Por su parte, si el tanque requiere

ser anclado por inestabilidad ante el viento o por cualquier otra razón, se debe seleccionar

esta opción para determinar la carga máxima de levantamiento. Esto último como

consecuencia de que los parámetros de modificación de respuesta son diferentes entre

ambos tipos de fijación.

Coeficiente de roce entre fondo y fundación: Debe ser menor o igual a 0,4, en caso de ser

menor se debe justificar.

Aceleración característica del peligro sísmico [cm/s²]: Valor obtenido a partir del mapa

sísmico para Venezuela mostrado en la sección de Detalles [8]. En caso de ser una

instalación de grado de riesgo D se deben realizar estudios especiales.

Valor característico del peligro sísmico: Valor obtenido a partir del mapa sísmico para

Venezuela mostrado en la sección de Detalles [8]. En caso de ser una instalación de grado

de riesgo D se deben realizar estudios especiales.

70

En lo que a los datos de entrada de probabilidades se refiere, se puede entrar al cálculo con

cualquiera de las 2 siguientes opciones:

Probabilidad anual de excedencia: Es igual al inverso del período de retorno y es obtenido a

partir de una tabla mostrada en la sección de Detalles. [8]

Vida útil [años] y probabilidad de excedencia durante el período el período de vida útil:

Provenientes de especificaciones o calculados a partir de la probabilidad anual de

excedencia. [8]

Al igual que en el cálculo sísmico por API 650 [3], el estudio de estabilidad del tanque toma en

consideración de forma automática los criterios a cumplir tanto para tanques anclados como no

anclados, de manera tal que, en un recuadro en la cuarta hoja de esta sección se observa una

conclusión similar a la Figura 8 presentada previamente.

6. Anclaje: Esta sección consta de 1 hoja en la cual se ingresan los datos de entrada y se realiza

el cálculo de los pernos de anclaje. Estos datos de entrada son los siguientes:

Considerar pernos de anclaje: Se debe seleccionar si se colocarán o no pernos de anclaje,

dependiendo de las especificaciones del cliente, los cálculos de estabilidad por cargas de

viento y por cargas sísmicas.

Material del perno: Se selecciona a partir de una lista despegable entre los 4 materiales

utilizados para los pernos de anclaje que son los siguientes: A36, A307, A325 y A490.

Corrosión admisible del perno (mm): Esta corrosión es medida radialmente, razón por la

cual se le sumará al radio mínimo que deben tener los pernos de anclaje, es decir, el

diámetro será el mínimo calculado más 2 veces la corrosión admisible.

Considerar techo frágil: Se considera esta condición cuando se diseña para que la unión

pared-techo falle primero que la unión pared-fondo y antes que se deforme el tanque

(fusible mecánico), en caso de una sobrepresión. [3]

El tipo de fijación del cálculo sísmico debe coincidir con la selección de pernos de anclaje, es

decir, si el tanque es anclado, entonces el cálculo sísmico por API 650 [3] y PDVSA JA-221 [8] y

FJ-251 [6] debe estar dado para el tanque anclado y viceversa. En caso de existir una

71

discordancia, la Hoja de Cálculo informa emite una nota sobre ésta, tal como se muestra en la

Figura E.10:

Figura E.10: Nota de advertencia en consideración de pernos de anclaje

En el caso de la Figura E.10 se trata de un tanque anclado cuyo cálculo sísmico está basado en

un tanque no anclado, de manera tal que, el momento sísmico considerado no será el adecuado ya

que éste cambia entre un tipo de fijación y el otro. Por ello, en letras rojas se indica que se debe

seleccionar un tanque anclado en los cálculos sísmicos.

7. Resumen: En esta sección se reportan los resultados más importantes del cálculo estructural

y sísmico en 1 hoja, éstos son:

Altura de los anillos de la pared.

Espesores del techo, fondo, placa anular y anillos de la pared.

Pesos de cada una de las partes del tanque así como el peso en vacío, operación, prueba

hidrostática y del contenido a nivel máximo (HHLL).

Aceleración impulsiva y convectiva.

Fuerza cortante y fuerza resistente de la placa anular.

Momento sísmico y coeficiente de anclaje.

Esfuerzo circunferencial y longitudinal de compresión.


Tipo de fijación del tanque.

Cumplimiento de los criterios de estabilidad del tanque.

Número de pernos y diámetro de los mismos (en caso de ser anclado).

mm in

Considerar pernos de anclaje Sí

Ver materiales

Pernos de anclaje

NOTA: Seleccionar tanque Anclado en cálculos sísmicos

0,0591A 361,50

Considerar techo frágilCorrosión admisible del perno (CAP)Material del perno

Sí

72

8. Detalles: En esta última sección se encuentran gran parte de las tablas y gráficos de las

normas utilizadas, así como también ciertos cálculos secundarios. Todos éstos se encuentran

vinculados a la sección correspondiente de la Hoja de Cálculo a través de hipervínculos, de

manera tal que se puedan observar rápidamente los detalles de algún cálculo y volver al punto

en el que se estaba.

Por último, para ilustrar el uso de la Hoja de Cálculo se presenta en las siguientes páginas un

ejemplo del mismo para el tanque T-3602 del Proyecto Petrocedeño (A4), excluyendo la sección

de Detalles debido a su gran extensión de páginas y al hecho de que no se trabaja sobre ésta.

73

Fecha: Noviembre de 2012Wilmer SalazarJuan Molina

Revisado por:

TAG:Proyecto:

Cliente:

Elaborado por:

PDVSAPetrocedeño

Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414

T-3602

San Diego de CabruticaAnzoáteguiVenezuela

Cálculo de tanques atmosféricos y de baja presión API 650 considerando el cálculo

sísmico de normas PDVSA

Ciudad:Estado:

Servicio: Aguas suciasTipo de tanque:

País:

Baja presión

74

ftin

inin

ininin

mᶟ ftᶟmᶟ ftᶟmᶟ ftᶟmᶟ ftᶟm ft

psipsipsipsi

TAG:Ubicación:


Servicio:Proyecto: Nro. de documento:

Fecha:Elaborado por:Revisado por:

875B-44-13-G-DS-414Noviembre de 2012Juan MolinaWilmer Salazar

PetrocedeñoAguas suciasT-3602San Diego de Cabrutica

Densidad del material (ρ)Material (Tabla 5.2b Sec. 5.6.2)

96.52356.1767.664

Diámetro nominal del tanque (D)Altura del tanque (H)Nivel alto de líquido (HLL)Nivel muy alto de líquido (HHLL)Nivel bajo de líquido (LLL)Nivel muy bajo de líquido (LLLL)Gravedad específica (G)Presión interna de diseño (Pi)Presión externa de diseño (Pe)

Pared

Fondo

Techo

General

Esfuerzo de prueba hidrostática (St)Esfuerzo de diseño (Sd)

Esfuerzo en punto de cedencia (Sy)Esfuerzo a la tensión (Stn)Grupo (Tabla 4.3b)

Altura total de diseño (Ht)Relación D/Ht

Capacidad no útil superiorCapacidad no útil inferiorCapacidad útilCapacidad nominal 4.541

2.7331.591

21714,201,39

152

160.363

Datos de diseño

Ver Tabla de Materiales y Detalles

171250400

MPaMPaMPaMPa

36.26058.016

21.98524.802

lb/ft²

0,2362

m19,81 ft

ftft

3,28084

21,72

m

0,35,22

KPaKPa

mm

lb/ft²

12,44

Propiedades del material

Ancho de láminas de la paredCorrosión admisible al cuerpo (CA)

Espesor de placas del fondoCorrosión admisible al fondo (CAF)

Espesor mínimo del techoCorrosión admisible al techo (CAT)Ángulo de inclinación del techo (ϴ)Carga viva sobre el techo (Lr)Tipo de techo

0,2362

20,9

490

7,870,2362

0,205,00

Kg/mᶟ

6,00

6,006,00

mm

46,60

Capacidades del tanque, altura total de diseño y relación D/H

A 36M

0,25

Kg/mᶟ

KPa°mmmm

mmmm

Ver detalles

54 °F°F

°C°C

1295

m

101,0

7850

Cónico Soportado

203

0,24

Comentarios:

2,40

14,73

Temperatura mínima del metal

mm

Datos de entrada

psig

ftftft

65,0048,3340,8246,02

16,93

1,75

14,036,625,16

1

Hoja 1 / 2

I , II

Temperatura máxima de diseño

6,00

75

mm inm ft

mm inm ftKg lb

inpsiinininftftlb

°mm inm² ft²Kg lb

Hoja: 2 / 2

mmMPammmmmmmmKg

Espesor (tb) Tabla 5.1bEsfuerzo en Anillo 1 (S) Espesor de Anillo 1 (tc)

Ancho radial

Ver detalles

Diseño del techo (Sec. 5.10)

Diseño de la placa anular (Sec. 5.5)

Ver detalles

PesoÁrea de superficieEspesor de placas (th)Ángulo de inclinación (ϴ)

Tipo de techo Cónico Soportado

31.9453131310

0,5123.369

70.427

Diámetro exteriorDiámetro interiorPeso 4.568

18,4619,94

742,001313

Seleccionar Espesor (tb)

8416 0,63

12.2360,5120,51229,2165,4360,56

10.070

(tc)

mm (in)16 (0,630)16 (0,630)13 (0,512)13 (0,512)

(Sec. 5.6.3.2)(td)

Diseño del fondo (Sec. 5.4)

0,26

Espesor por diseño

Espesor (tf)DiámetroPeso 27.914

TOTAL 90.470

Seleccionar Láminas comerciales

18.77718.77715.25415.25411.7329.3851.290

(W)

Peso no corroído

10 (0,394)8 (0,315)8 (0,315)

18,6613

61.53961,230,512

104.222

25.88025.88018.11418.11410.3495.174711

47.275

Kg lb41.39641.39633.62933.62925.86520.6902.845

199.450

2.347323

0,040,10

Peso corroído

(Wg)

Kg11.73911.7398.2168.2164.694

lb

-0,01

7,89

Anillo 5Anillo 6

2,441,08-0,28

14,9013,3711,8310,298,767,225,68Anillo 7

mm in0,590,530,470,410,340,280,22

0,2361,08

Diseño de la pared del tanque (Sec. 5.6.3)

Ver Detalles

AnilloAnillo 1Anillo 2Anillo 3Anillo 4

0,31in

(Sec. 5.6.3.2)(tt)

Espesor por hidrostática

mm

6,535,173,81 0,15

0,20

Altura último anillloEspesor mínimoNúmero de anillos 7

60,33

Comentarios:

TAG: T-3602 Elaborado por: Juan MolinaUbicación: San Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar


Proyecto: Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Servicio: Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012

76

Espesor de pared del último anillo mm inMódulo de sección mínimo (Z) cm³ in³

m ftm ft

<<

Datos de estabilidad ante el viento

AnilloAnillo 1

San Diego de Cabrutica

Comentarios:

Factor de combinación de presión (Fp)Velocidad del viento (V)

Ubicación:

C1

Diseño de Rigidizador de viento superior (Sec. 5.9.6)

76,318 0,315

4,66

424

(Wtr)

Cálculo de altura transformada

Altura máxima sin rigidizadorAltura Transpuesta

Factor de importancia ante el viento (I)Tipo de exposición

Ver mapaVer tablas de valores

56Kmh mph900,4

TOTAL

2.4002.4002.4002.4002.4002.400330

14.730

Anillo 5Anillo 6Anillo 7

Anillo 2Anillo 3Anillo 4

580

in(W)

Altura real

949413

mm94949494

6.378

in17172828549413

251

1.3742.400330

mm

713713

424

86,586,38

0

284,0420,93

Altura de ubicación en

el anillo

Anillo de ubicación

m ft

No se requiere rigidizador intermedio

Ver detalles

Nro de rigidizadores intermediosAltura de las placas transformadas

Módulo de sección mínimo

(Z)cm³ in³m

Altura hasta el techo

Rigidizador

N*mN*mN*mN*mN*m

Diseño de Rigidizador de viento intermedio (Sec. 5.9.7)

Se cumple: Mw + Fp*Mpi < (Mdl+Mf)/2 + MdlrSe cumple: 0,6Mw + Mpi < Mdl/1,5 + Mdlr

Presión del viento sobre la pared (Pws)Presión del viento sobre el techo (Pwr)Momento por presión del viento (Mw)Momento por presión interna (Mpi)Momento por el peso de la pared (Mdl)Momento por el peso del techo (Mdlr)Momento por el peso del líquido (Mf)

5.344.2021.121.742

8.791.731

15.173.9573.104.384

0,24

ft

Estabilidad al volcamiento por cargas de viento (Sec. 5.11.2)

El tanque es estable ante la presión del viento

Resultados de la altura transformada

lb*ftlb*ft

6.017.2473.259.423

8.965.53815.087.228

lb/ft²lb/ft²lb*ftlb*ftlb*ft

0,17 3,64

6.484.4502.289.677

11.191.739

3.941.682827.355

5,11KPaKPa

Hoja 1 / 1

Proyecto:Servicio:TAG:

Cálculo de estabilidad por viento API 650

Nro. de documento:Fecha:Elaborado por:Revisado por:


T-3602Aguas suciasPetrocedeño

77

Proyecto:Servicio:TAG:Ubicación:

gg

s

gTipo de fijación

ggg

sgg

NNNNNNNN/mN/mN/m

m ftm ftm ftm ftm ftm ft

Comentarios:

Parámetro de aceleración espectral máxima (Ss)Parámetro de aceleración espectral máxima (S1)

Anclado

0,3652,161,51

10,26

20,9150,24

8,48

0,3620,161

2D

1,254

1,50

0,4

Coeficiente de aceleración vertical (Av)


856

Coeficiente de velocidad del sitio (Fv)Coeficiente de aceleración del sitio (Fa)

Aceleración pico para estructura rígida (S0)Aceleración espectral de diseño (Sd1)

37.935104.259

3.066.0766.683.873

790.921

8.668

0,145

Cargas consideradas en el cálculo sísmico (Sec. E.6)

lbflbflbf/ftlbf/ftlbf/ft12.486

Factor de modificación impulsivo (Rwi)

Aceleración espectral de diseño (Sds)0,231

Grupo sísmicoTipo de sueloFactor de importancia (I)

9.656.812

1

Peso del tanque y techo sobre la base (wt)Carga por presión interna circunferencial (w int)Resistencia al volcamiento en región anular (wa)Carga del contenido del tanque (Wp)Carga del fondo del tanque (Wf)Carga del techo y adjuntos (Wr)Carga de la pared del tanque y accesorios (Ws)Carga convectiva del líquido (Wc)Carga impulsiva del líquido (Wi)Fuerza cortante sobre la base (V)

24

3.518.192

41.29642.955.628

147.449168.745

Período de transición regional (TL)Coeficiente de ajuste (K)

Gravedad específica efectiva (Ge)

463.76713.638.58329.731.341

Ver detalles

lbflbflbflbflbf

Ver detalles

Centros de acción de las cargas desde el fondo del tanque (Sec. E.6)

Altura hasta centro de acción convectivo (Xc)17,48

Altura hasta centro convectivo sobre losa (Xcs)

Coeficiente del espectro de aceleración convectivo (Ac)Coeficiente del espectro de aceleración impulsivo (Ai)Período natural convectivo del líquido (Tc)Factor de modificación convectivo (Rwc)

Altura hasta centro de gravedad del techo (Xr)Altura hasta centro de gravedad del tanque (Xs)

33,67

5,339,536,37

Altura hasta centro de acción impulsivo (Xi)

27,84Altura hasta centro impulsivo sobre losa (Xis)

33.148

2.830594

31,27

0,0400,1144,7

Aguas suciasT-3602San Diego de Cabrutica

15,31

Hoja 1 / 3

Nro. de documento:Fecha:Elaborado por:Revisado por:

Cálculo sísmico del tanque por norma API 650


Petrocedeño

Datos de cálculo sísmico

Ver Tablas

Factores, parámetros y coeficientes del cálculo sísmico ( Sec. E.4)

78


Hoja: 2 / 3

Ninguna

Advertencia

64924

Fuerza cortante admisible para Tanques No Anclados (Sec. E.7.6)

psi

Se cumple: σt ≤ σadm

1144

146202

Fuerza resistente límite de placa anular para Tanques No Anclados (Sec. E.6.2.1.1.2)

N/mmN/mmMPaMPa

Fuerza circunferencial impulsiva (Ni)

No Aplica

No Aplica

Esfuerzo circunferencial admisible (σadm)Esfuerzo circunferencial total (σt)Fuerza circunferencial convectiva (Nc)

21.22629.306

lbf/inlbf/inpsi

Esfuerzo circunferencial admisible (Sec. E.6.1.4 y E.6.2.4)

San Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar

Comentarios:

Petrocedeño


Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012T-3602 Elaborado por: Juan Molina

79


7,5 psi45 psi

gm ftm ftm ft

Hoja : 3 / 3

10936530


Radio de anclaje (J) (Sec. E.6.2.1.1.1):

13.770.1923.840.022

14.295.593Momento resultante sobre la base (Mrw):Momento convectivo sobre la base (Mc):Momento impulsivo sobre la base (Mi): 18.669.869

5.206.37019.382.216

N*mN*mN*m

N*mN*m

lbf*ftlbf*ftlbf*ft

Momento convectivo sobre la losa (Mcs)Momento sísmico sobre la losa (Ms)

29.365.2815.606.333

29.895.664

N*m

Ver detalles

21.658.7264.135.020

22.049.916

El Tanque Anclado es Estable


Altura de la ola generada por la acción sísmica (Sec. E.7.2)

La altura libre del tanque contiene la ola generada. No hacen falta modificaciones

Esfuerzo longitudinal de compresión admisible (Fc)Máximo esfuerzo longitudinal de compresión (σc)

MPaMPa

Coeficiente de aceleración de la ola (Af) 0,0800,790,560,70

2,60Altura mínima libre para la ola (Tabla E.7)Altura libre del tanque (H-HHLL)

Altura de la ola (δs)

Para tanque anclado se cumple: σc ≤ Fc

1,822,31

0,98

Fecha: Noviembre de 2012

lbf*ftlbf*ftlbf*ft

Momento sísmico (Sec. E.6.1.5)

Momento de sísmico sobre la base (Mrw):

Momento sísmico sobre la losa (Ms):

Esfuerzo longitudinal de compresión admisible (Sec. E.6.2.2):

Momento impulsivo sobre la losa (Mis):

Juan MolinaSan Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar


Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Aguas sucias

Comentarios:

T-3602 Elaborado por:

𝑟 = 𝑖 𝑖 𝑖 + 𝑠 𝑠 + 𝑟 𝑟 2

+ 𝑐 𝑐 𝑐 2

𝑠 = 𝑖 𝑖 𝑖𝑠 + 𝑠 𝑠 + 𝑟 𝑟 2

+ 𝑐 𝑐 𝑐𝑠 2

= 𝑟

2 𝑠

+ 𝑟

1 0.4 + 𝑎 0.4 𝑖 =

80


cm/s²

m

mm

Hoja 1 / 4

Factor de peso convectivo (W2/W) (Fig. 5.1)Factor de altura impulsiva (X1/HL) (Fig. 5.2)Factor de altura convectiva (X2/HL) (Fig. 5.2)Coeficiente de vibración horizontal (Kh) (Fig. 6.1)Coeficiente de vibración vertical (Kv) (Fig. 6.2)

Ver cálculo de KvVer cálculo de Kh

0,00121

Espesor promedio de los anillos (tm) Relación altura / radio (HL/R)Relación díametro / altura (D/HL)

Ver detalles

Factor de peso impulsivo (W1/W) (Fig. 5.1)

Aceleración característica del peligro sísmico (a*)Valor característico del peligro sísmico (Ƴ)

Altura máxima del líquido (HL)

Factor (tm/1000R)Gravedad específica

14,031,411,42

12,00

Grado de riesgo

Factor de Ductilidad (D)Tipo de fijaciónCoeficiente de roce entre fondo y fundación (μ)

BS2

Ver tabla

0,69

Factores y coeficientes de Figuras (FJ-251 - Sec. 5 y 6)

21,0

Anclado0,4

Ver mapa de ƳVer mapa de a*

0,001

384,25

Datos de entrada provenientes de gráficos

Opción 2:Opción 1:

Datos de entrada de probabilidades, se puede entrar con cualquiera de las 2 opciones:

años

Cálculo sísmico del tanque por normas PDVSA

Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012T-3602 Elaborado por: Juan MolinaSan Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar

0,0960,0990,670,380,32

Relaciones y valores fundamentales para el cálculo

Probabilidad anual de excedencia (p1) Probabilidad de excedencia

durante el período de vida útil (P*)

Vida útil (t)

Datos de entrada

Ver tablas

Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal (ϕ)

Forma espectral

Comentarios:

81


sss

sss

Hoja: 2 / 4

Coeficiente de aceleración espectral impulsivo (Ad1)

0,20,8

Coeficiente de amortiguamiento equivalente impulsivo (ξi)Coeficiente de amortiguamiento equivalente convectivo (ξc)Coeficiente de amortiguamiento equivalente vertical (ξv)

0,0300,005

cm/s²

Peso de las paredes (Wp)Peso del techo (Wte)

Cargas consideradas en el cálculo sísmico (FJ-251 - Sec. 5.2)

Factor de amplificación espectral vertical (βv*)

Período del modo impulsivo (T1)Período del modo convectivo (T2)Período de vibración vertical (Tv)

0,1734,6800,179

Períodos de vibración (FJ-251 - Sec. 6)

Coeficiente de aceleración espectral vertical (Adv)Coeficiente de aceleración espectral convectivo (Ad2)

1.389.2922.971.402

2,600,2

0,138

Factor de amplificación espectral impulsivo (βi*)Factor de amplificación espectral convectivo (βc*)

3,034,522,60

Factores de amplificación espectral (JA-221 - Sec. 6.3)

Ver tablas

Coeficiente de aceleración máxima del terreno (Ao)Aceleración máxima del terreno (a) 193

0,197

Aceleración máxima del terreno (JA-221 - Sec. 6.3)

0,2600,0580,161

Coeficientes de aceleración espectral (Ja-221 - Sec. 7)

Peso efectivo convectivo del líquido (W2)Peso efectivo impulsivo del líquido (W1)Peso total del líquido (W)

0,050

Coeficientes de amortiguamiento equivalente (FJ-251 - Sec. 3)

Parámetro y Períodos del espectro (JA-221 - Sec. 6.3)

Parámetro (β) (Tabla 6.1)Período (T°) (Tabla 6.1)Período (T

⁺

) (Tabla 7.1)Período (T*) (Tabla 6.1)

Ver tablas


Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012T-3602 Elaborado por: Juan MolinaSan Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar

4.323.947

47.27517.201

KgKgKgKgKg

Coeficiente de aceleración máxima vertical (Av)

Comentarios:

82


mmmm

Fuerza cortante impulsiva en la base (V1)Fuerza cortante convectiva en la base (V2)Fuerza cortante reducida en la base (Vr)

Hoja: 3 / 4

Se cumple: σ ≤ σadm

Advertencia

Ninguna

Fuerza cortante admisible para Tanques No Anclados

Esfuerzo circunferencial horizontal (σθh)Esfuerzo circunferencial vertical (σθv)Esfuerzo circunferencial máximo (σ)Esfuerzo circunferencial admisible (σadm)

1.619179144

2.056

Kgf/cm²Kgf/cm²Kgf/cm²Kgf/cm²

Esfuerzo circunferencial admisible (FJ-251 - Sec. 7.2 y 9.6)

Altura del centro de acción convectivo W2 (X2)Altura del dentro de acción impulsivo W1 (X1)

Altura del centro de gravedad de la paredes (Xp)Altura del centro de gravedad del techo (Xte)

6,3715,31

9,385,26

No Aplica

No Aplica

Centros de acción de las cargas desde el fondo del tanque (Fj-251 Sec. 5.3)

790.62380.170

635.742

KgfKgfKgf

Fuerzas en la base del tanque (FJ-251 Sec. 7.1.1)

Peso del contenido que resiste el momento de vuelco (WL)Peso circunferencial de la pared y techo sobre ésta (Wt)

4.1831.036 Kg/m

Kg/m

Cargas resistentes al momento de volcamiento (FJ-251 - Sec.9.1)

Fuerza resistente límite de placa anular para Tanques No Anclados (FJ-251 Sec. 9.1)

Juan MolinaSan Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar


Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414

Comentarios:

Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012T-3602 Elaborado por:

83


Momento reducido en la base del tanque:

mm

Hoja: 4 / 4

Altura máxima de oscilación del líquido (h)Altura libre del tanque (H-HL)

0,550,70

Altura máxima de oscilación del líquido (FJ-251 - Sec. 8)


Momento impulsivo en la base (M1)Momento convectivo en la base (M2)Momento reducido en la base (Mr) 3.426.938

751.6234.217.216 Kgf*m

Kgf*mKgf*m

La altura libre contiene la ola generada. No hacen falta modificaciones.

Kgf/mKgf/cm²Kgf/cm²

Ver detalles

El Tanque Anclado es Estable


Esfuerzo de compresión admisible (FJ-251 - Sec. 7.1.3 ; 7.2 y 9.3)

Coeficiente de anclaje (J) (FJ-252 - Sec. 9.2):

Para el tanque anclado se cumple: fc ≤ Fa

1,67

Compresión admisible en el anillo inferior (Fa)Compresión actuante en el anillo inferior (fc)Fuerza de compresión en el anillo inferior (b) 12.150

122426

Momento sísmico (FJ-251 - Sec.7.1.2)

San Diego de Cabrutica Revisado por: Wilmer Salazar

Comentarios:


Petrocedeño Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Aguas sucias Fecha: Noviembre de 2012T-3602 Elaborado por: Juan Molina

𝑟 = 0.8 𝑑1 1 1 + 𝑝 𝑝 + 2

+ 𝑑2 2 2 2

= 𝑟

2 + =

84


mm in

N*m lbf*ft

N lbf

N lbf

N lbf

N lbf

N lbf

N lbf

N lbf

N lbf

lbf

lbfpsiin

Hoja 1 /1

Considerar pernos de anclaje Sí

Ver materiales

Pernos de anclaje

-55.079Presión de diseño (U1)

Cargas que deben resisitir los anclajes por separado. [ Tabla 5-21a (Sec. 5.12) ]

-245.004

276.486

33.618.262

Momento por presión del viento sobre la pared (Mwh) 374.865lbf*ftlbf*ft

lbf*ft

N*mN*m

N*m

14.295.593

24.795.564

Nro. de documento:

186.528

mm

1.398.069

58.25336.260

1 3/4

NMPa

6.218.919

-417.493

6.154.936

829.718

1.383.685

785 * ( 0,4 * Pi + Pwr - 0,08 * th ) * D² + 4 * Mwh / D - W1Presión de diseño + Carga por Viento (U7)

4 * Mmax / D - W2 * ( 1 - 0,4 * Av )Carga por sismo (U6)

785 * ( Pi - 0.08 * th ) * D² - W1

785 * ( 0,4 * Pi - 0,08 * th ) * D² + 4 * Mmax / D - W1 * (1 - 0,4 * Av)Presión de diseño + Carga por Sismo (U8)

Dimensionamiento mínimo de pernos de anclaje (Sec. 5.12)

785 * ( 1,5 * Pf - 0.08 * th )* D² - W3

-93.856

1.398.069

-481.476 -108.240Pwr * D ² * 785 + 4 * Mwh / D - W2Carga por viento (U5)

785 * ( 3 * Pf -0.08 * th ) * D² - W3

-115.690785 * ( Pt - 0.08 * th ) * D² - W1

Presión de falla (U3) -189.124

-514.613Presión de prueba (U2)

Presión de fragilidad (U4)

-42.517

24

Esfuerzo de fluencia de pernos (Syp)

Número mínimo de pernos (nA)

Ver detalles de cargas y valores

N

Diámetro mínimo nominal de los pernos (Dp)

259.12225044,5

Carga por perno (tb)

6.218.919Máxima carga neta de levantamiento (U max)

Momento máximo entre API 650 Y PDVSA (Mmax)

Momento reducido en la base (Mr) PDVSAMomento sobre el anillo (Mrw) API 650 19.382.216

0,0591

33.618.262

Comentarios:

875B-44-13-G-DS-414Fecha: Noviembre de 2012Elaborado por: Juan MolinaRevisado por: Wilmer Salazar

A 361,50

Cálculo de pernos de anclaje


24.795.564

Considerar techo frágilCorrosión admisible del perno (CAP)Material del perno

Sí

Momento por cargas de viento y Momentos sísmicos API 650 y PDVSA

85

m ftm ft

13 mm in Kg lb13 mm in Kg lb13 mm in Kg lb

Kg lb16 mm in Kg lb16 mm in13 mm in Kg lb13 mm in Kg lb10 mm in Kg lb8 mm in Kg lb8 mm in

N lbf

mm in

0,6300,5120,512

Hoja 1 / 1

Espesores de la estructura del tanque Pesos del tanque

31.94527.9144.568

47.27590.470

0,5120,5120,512

0,630

10.070104.222199.450

341.486

1,08

TechoFondoPlaca anular

A 36

PDVSAAPI 650N/AN/AN/AN/ASíSí

N/ARadio de anclajeEsfuerzo de compresiónEsfuerzo circunferencialFuerza cortanteFuerza resistente de placa anularViento (Condición 2)Viento (Condición 1)

Material del perno

N/A

N/ASíSí

N/AN/A

0,3940,315

0,31496

Vacío

En operación (HHLL)En prueba hidrostática (H)

Contenido (HHLL)

14619.382.216

Sistema (SI)

N/A8

0,114

MPa33.618.262

N/A12

0,0403.518.192

41.296N

159N*m

0,0586.236.629

PDVSA0,260

psi

lbf

Sistema (USC)

154.897

4.478.8444.695.874

4.323.947

API 650 PDVSA

lbf

21.22614.295.593

N/A

1.402.0502.812

N/A

lbf/ftpsi

41.03323.029

24.795.564

0,1140,040

790.921

0,2600,058

N/m 2.830

Criterios de estabilidad del Tanque

AncladoEl Tanque es:

ft0,55 1,82 1,80MPa 1.093 1.728Esfuerzo de compresión

Altura de la ola m0,56

N/A

70.42761.539

Diámetro de los pernos

Anillo 7

6.218.919 1.398.069

2444,45 1 3/4

Presión de diseño + Carga por Sismo (U8)


Aceleración impulsivaAceleración convectivaFuerza cortante

Esfuerzo circunferencialMomento sísmico

Máxima carga de levantamiento:

Anclaje

Carga de anclaje

Número de pernos

Radio de anclaje

Revisado por: Wilmer Salazar

Estructura del tanque

Cálculo sísmico

Placa anularFondoTecho

Pared:Anillo 1Anillo 2Anillo 3Anillo 4Anillo 5Anillo 6

A 36MAltura de los anillos de la pared:Altura del último anillo de la pared:

Material de las placas:2,400,33

Tipo de techo: Cónico Soportado

7,87

Pared corroídaPared no corroída

API 650

Resumen del cálculo del tanque API 650 tomando en cuenta el cálculo sísmico de normas PDVSA


Comentarios:


Nro. de documento: 875B-44-13-G-DS-414Fecha: Noviembre de 2012Elaborado por: Juan Molina

9.874.05910.352.523

9.532.573

86

APÉNDICE F

Resultados estructurales

87

Tabla F.1: Resultados estructurales obtenidos por el programa TANK™ Espesores A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 Pared por diseño

Anillo 1 (mm) 20,3 17,9 8,0 14,9 4,1 2,2 12,6 19,5 12,5 12,5 9,6 Anillo 2 (mm) 17,9 16,0 6,6 13,3 3,3 1,6 10,6 16,6 9,9 9,9 7,8 Anillo 3 (mm) 15,4 14,1 5,2 11,8 2,5 - 8,6 13,6 7,4 7,4 6,1 Anillo 4 (mm) 13,0 12,2 3,9 10,2 1,7 - 6,5 10,7 4,8 4,8 4,3 Anillo 5 (mm) 10,6 10,2 - 8,7 - - 4,5 7,8 - - - Anillo 6 (mm) 8,1 8,3 - 7,1 - - 2,5 4,9 - - - Anillo 7 (mm) 5,7 6,4 - - - - - 2,0 - - - Anillo 8 (mm) 3,3 1,3 - - - - - 1,5 - - - Anillo 9 (mm) - - - - - - - - - - - Pared por prueba hidrostática

Anillo 1 (mm) 16,1 13,0 4,3 7,8 2,4 0,6 10,3 16,7 8,7 8,7 6,0 Anillo 2 (mm) 13,9 11,4 3,1 6,4 1,7 0,1 8,5 14,0 6,3 6,3 4,3 Anillo 3 (mm) 11,6 9,7 1,9 5,0 0,9 - 6,6 11,3 3,9 3,9 2,7 Anillo 4 (mm) 9,3 8,0 0,7 3,7 0,2 - 4,7 8,6 1,5 1,5 1,0 Anillo 5 (mm) 7,1 6,4 - 2,3 - - 2,8 5,9 - - - Anillo 6 (mm) 4,8 4,7 - 1,0 - - 0,9 3,2 - - - Anillo 7 (mm) 2,5 3,0 - - - - - 0,5 - - - Anillo 8 (mm) 0,3 1,3 - - - - - 0,0 - - - Anillo 9 (mm) - - - - - - - - - - -

Techo (mm) 9,0 8,0 8,0 11,0 13,9 10,4 6,5 6,5 8,2 8,2 8,2 Fondo (mm) 9,0 9,0 9,0 12,0 7,5 7,5 7,5 7,5 9,2 9,2 9,2 Placa anular (mm) 9,0 9,0 9,0 13,1 7,5 7,5 7,5 7,5 10,3 10,3 9,2 Ancho placa anular (mm) 681 679 706 822 667 960 673 681 724 724 672

Cada uno de los espesores presentados en la Tabla F.1 representa el mínimo requerido por cada

anillo de la pared (por diseño y por prueba hidrostática), el fondo, la placa anular y el techo de

cada uno de los tanques.

88

Tabla F.2: Resultados estructurales obtenidos por la Hoja de Cálculo Espesores A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3 Pared por diseño

Anillo 1 (mm) 20,3 17,9 8,1 14,9 4,1 2,2 12,6 19,5 12,5 12,5 9,9 Anillo 2 (mm) 17,9 16,0 6,7 13,4 3,3 1,6 10,6 16,6 10,0 10,0 8,1 Anillo 3 (mm) 15,5 14,1 5,5 11,8 2,5 - 8,6 13,7 7,4 7,4 6,4 Anillo 4 (mm) 13,1 12,2 4,0 10,3 1,7 - 6,6 10,8 4,9 4,9 4,6 Anillo 5 (mm) 10,6 10,3 - 8,8 0,9 - 4,6 7,9 - - - Anillo 6 (mm) 8,2 8,4 - 7,2 - - 2,6 5 - - - Anillo 7 (mm) 5,8 6,5 - 5,7 - - 0,5 2,1 - - - Anillo 8 (mm) 3,3 4,6 - - - - - -0,9 - - - Anillo 9 (mm) - 2,8 - - - - - - - - - Pared por prueba hidrostática

Anillo 1 (mm) 16,2 13,2 4,5 7,9 2,4 0,64 10,4 16,9 8,7 8,7 6,3 Anillo 2 (mm) 14,0 11,5 3,3 6,5 1,7 0,12 8,5 14,1 6,3 6,3 4,6 Anillo 3 (mm) 11,7 9,8 2,0 5,2 0,9 - 6,6 11,4 3,9 3,9 3,0 Anillo 4 (mm) 9,4 8,2 0,8 3,8 0,2 - 4,8 8,7 1,5 1,5 1,3 Anillo 5 (mm) 7,1 6,5 - 2,4 -0,5 - 2,9 6 - - - Anillo 6 (mm) 4,9 4,8 - 1,1 - - 1 3,2 - - - Anillo 7 (mm) 2,6 3,1 - -0,3 - - -1 0,5 - - - Anillo 8 (mm) 0,3 1,5 - - - - - -2,2 - - - Anillo 9 (mm) - -0,2 - - - - - - - - - Techo (mm) 9,0 8,0 8,0 11,0 13,9 10,4 6,5 6,5 8,2 8,2 8,2 Fondo (mm) 9,0 9,0 9,0 12,0 7,5 7,5 7,5 7,5 9,2 9,2 9,2 Placa anular (mm) 9,0 9,0 9,0 12,0 7,5 7,5 7,5 7,5 9,2 9,2 9,2 Ancho placa anular (mm) 697 694 707 742 683 956 700 713 688 724 685

Cada uno de los espesores presentados en la Tabla F.2 representa el mínimo requerido por cada

anillo de la pared (por diseño y por prueba hidrostática), el fondo, la placa anular y el techo de

cada uno de los tanques.

89

APÉNDICE G

Resultados sísmicos

90

Tabla G.1: Resultados sísmicos obtenidos por API 650 con el uso del programa TANK™



Fuerza cortante (N)


(MPa)

Momento sísmico (N*m)



(MPa)

Altura de la

ola (m)

A1 0,130 0,023 11.312.000 152 75.129.000 0,66 5 0,53 A2 0,130 0,032 8.507.800 132 62.350.000 1,20 11 0,55 A3 0,114 0,043 1.491.700 91 5.487.500 - 4 0,53 A4 0,114 0,040 3.537.403 94 19.361.075 - 5 0,55 B1 0,269 0,094 1.477.900 82 4.859.100 - 9 0,70 B2 0,269 0,107 230.250 24 332.670 - 2 0,57 B3 0,269 0,041 11.816.000 178 61.280.000 - 9 0,78 B4 0,269 0,026 22.377.000 178 130.750.000 - 6 0,73 C1 0,162 0,064 5.647.900 139 26.653.000 - 4 0,85 C2 0,162 0,064 5.647.900 139 26.653.000 - 4 0,85 C3 0,162 0,079 3.523.800 113 16.757.000 - 6 0,91

Tabla G.2: Resultados sísmicos obtenidos por API 650 con el uso de la Hoja de Cálculo



Fuerza cortante (N)


(MPa)




(MPa)

Altura de la ola (m)

A1 0,130 0,023 11.196.955 162 74.625.789 0,66 6 0,54 A2 0,130 0,033 8.510.876 154 63.004.421 1,27 15 0,56 A3 0,114 0,044 1.502.367 120 5.515.296 - 4 0,54 A4 0,114 0,040 3.518.192 146 19.382.216 - 8 0,56 B1 0,269 0,095 1.474.080 76 4.867.408 - 10 0,71 B2 0,269 0,108 223.712 31 326.484 - 2 0,58 B3 0,269 0,041 11.956.345 93 61.996.597 - 5 0,79 B4 0,269 0,027 22.537.950 97 130.763.644 - 4 0,74 C1 0,162 0,064 5.587.658 174 26.435.944 - 6 0,86 C2 0,162 0,064 5.587.658 174 26.435.944 - 6 0,86 C3 0,162 0,080 3.620.106 179 17.211.433 - 10 0,93

De las Tablas G.1 y G.2, se puede decir que la mayor aceleración impulsiva calculada por API

650 se da sobre los tanques de la Refinería de Puerto la Cruz (B1, B2, B3 Y B4), seguida por los

de Termozulia III (C1, C2 y C3) y, por último, los de Petrocedeño (A1, A2, A3 y A4). Por esta

razón si se construyera un tanque de determinadas dimensiones en cada uno de los sitios, las

mayores cargas sísmicas las recibiría el tanque en la Refinería de Puerto la Cruz. De las Tablas

D.1 y D.2, podemos observar a su vez que los tanques C1 y C2 se comportan de manera similar

debido a que tienen las mismas dimensiones.

91

Tabla G.3: Diferencia porcentual de los resultados obtenidos por la Hoja de Cálculo Modificada con respecto a los del programa TANK™



Fuerza cortante


Momento sísmico



Altura de la ola

A1 0 0 -1 -8 -1 0 0 2 A2 0 3 0 -2 1 6 18 2 A3 0 2 1 -7 1 - -25 2 A4 0 0 -1 -3 0 - 0 2 B1 0 1 0 -24 0 - -11 1 B2 0 1 -3 29 -2 - 0 2 B3 0 0 1 -51 1 - -44 1 B4 0 4 1 -47 0 - -33 1 C1 0 0 -1 -6 -1 - 0 1 C2 0 0 -1 -6 -1 - 0 1 C3 0 1 3 7 3 - 17 2

Promedio 0 1 0 -11 0 3 -7 2

Las mayores diferencias de la Tabla G.3 se dan para los esfuerzos circunferenciales y de

compresión, a pesar de haber modificado la Hoja de Cálculo para calcular éstos sin considerar la

reducción de espesor por corrosión. Sin embargo, se encuentran dentro de un rango aceptable de

desviación.

Tabla G.4: Comparación del cálculo sísmico de la Hoja de Cálculo Modificada con respecto al Ejemplo 2 de PDVSA 90615.1.014

Valores Ejemplo 2.A

Hoja de Cálculo

Modificada


Ejemplo 2.B

Hoja de Cálculo

Modificada


Aceleración impulsiva 0,833 0,830 0 0,809 0,791 -2 Aceleración convectiva 0,424 0,424 0 0,424 0,424 0 Aceleración vertical 0,652 0,652 0 0,536 0,542 1 Fuerza cortante (Kg) 556.522 550.775 -1 543.182 527.882 -3 Esfuerzo circunferencial (Kg/cm²) 1.232 1.335 8 1.109 1.196 8

Momento sísmico (Kg*m) 2.340.081 2.336.477 0 2.292.125 2.249.582 -2 Esfuerzo de compresión (Kg/cm²) 424 424 0 353 347 -2

Esfuerzo de compresión admisible (Kg/cm²) 405 405 0 439 439 0

Altura de ola sísmica (m) 2,33 2,33 0 2,33 2,33 0

92

La diferencia porcentual mostrada en la Tabla G.4 representa la desviación que existe entre el

resultado de la Hoja de Cálculo Modificada con respecto al del Ejemplo 2 para cada uno de los

valores comparados. Dichas diferencias porcentuales se encuentran dentro de un rango aceptable

al ser la máxima igual a 8% dada por el esfuerzo circunferencial tanto para el Ejemplo 2.A, como

para el 2.B.

Tabla G.5: Resultados sísmicos obtenidos por PDVSA JA-221 y FJ-251



Fuerza cortante (N)


(MPa)




(MPa)

Altura de la ola

(m)

A1 0,189 0,033 12.855.634 172 85.805.640 0,76 6 0,52 A2 0,189 0,047 9.733.317 164 71.566.824 1,41 23 0,55 A3 0,222 0,063 2.212.948 129 7.871.669 - 5 0,53 A4 0,260 0,058 6.236.629 159 33.618.262 - 12 0,55 B1 0,476 0,109 2.048.492 85 6.702.787 - 13 0,56 B2 0,382 0,171 248.769 34 370.901 - 3 0,63 B3 0,485 0,039 16.955.913 102 87.540.206 - 7 0,51 B4 0,485 0,024 31.951.761 107 185.131.648 - 5 0,47 C1 0,267 0,038 7.345.160 184 32.424.544 - 7 0,51 C2 0,267 0,038 7.345.160 186 32.424.544 - 7 0,51 C3 0,258 0,060 4.149.488 183 18.206.503 - 10 0,55

La aceleración impulsiva calculada por PDVSA JA-221 [8] se comporta de manera similar a la

calculada por API 650 [3], es decir, la mayor se da sobre los tanques de la Refinería de Puerto la

Cruz (B1, B2, B3 Y B4), seguida por los de Termozulia III (C1, C2 y C3) y, por último, los de

Petrocedeño (A1, A2, A3 y A4). Por su parte, los tanques C1 y C2 se comportan de manera

similar debido a que tienen las mismas dimensiones.

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