DISEÑO DE UN SILO - ESTRUCTURA METALICA
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Este documento trata sobre el diseño estructural de silos. Se divide en varias secciones: la clasificación de los silos según su tamaño, geometría, patrón de flujo y material estructural; el cálculo de las presiones sobre las paredes basado en el Eurocódigo 1; y el análisis y diseño estructural de silos circulares y no circulares, incluyendo el diseño de tolvas, vigas perimetrales, apoyos y uniones. El objetivo es desarrollar métodos para calcular las cargas en silos de
![OBJETIVOS/CONTENIDO
Desarrollar el cálculo de las cargas debidas al
material almacenado en los silos de acero. Describir el
diseño estructural de los tipos más usuales.
Cw coeficiente amplificador de la presión debida al
rozamiento sobre las pare- des
dc diámetro característico de la sección transversal
(figura 5)
E
módulo de elasticidad
e
valor mayor entre ei y e o
ei
excentricidad debida al relleno (figura 5)
CONOCIMIENTOS PREVIOS
Ninguno.
LECCIONES AFINES
eo excentricidad entre el eje del silo y el eje de la boca
de descarga (figura 5)
Ninguna.
fcr
RESUMEN
En esta lección se desarrolla el cálculo de las
cargas debidas al material almacenado en los silos de
acero, así como el diseño estructural de los tipos más
usuales. Los métodos para el cálculo de las cargas se
basan en las reglas dadas en el Eurocódigo 1 [1] y las guías
para el diseño estructural se han obtenido de numerosas
experiencias. El diseño de tolvas es un tema complicado
que incluye el análisis de láminas delgadas, estudio de
chapas rigidizadas, en las que las car-gas que actúan sobre
ellas tienen unos valores inciertos. Esta lección se limita a
una visión general de métodos sencillos y prácticos de
diseño para los tipos más frecuentes de silos.
ABREVIATURAS
tensión crítica de pandeo
Fp
carga horizontal debida al material alma- cenado
en un silo de pared circular
Frb
fuerza sobre el anillo (viga en la unión entre
tolva y silo)
h
altura, medida desde la boca de descarga a la
línea de superficie equivalente (figura 5).
k
coeficiente de pandeo de la chapa
Ks relación entre las presiones horizontal y vertical
lh
altura de la pared de la tolva, medida desde el
eje (figura 8)
ph presión horizontal debida al material almacenado
a, b dimensiones de la pared
pho presión horizontal en la base del silo
A
área de la sección transversal de la pared vertical
pn presión normal a la pared inclinada de la tolva
C
coeficiente de pandeo
pp
Cb coeficiente amplificador de la presión sobre el
fondo
Ch coeficiente amplificador de la presión
horizontal
presión específica
pps presión específica (en silos de acero no rigidizados)
ps
presión de caída
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![INTRODUCCIÓN
1.
INTRODUCCIÓN
Los silos se utilizan, en una amplia gama de la
industria, para almacenar sólidos en canti- dades muy
variables. Pueden ser de acero, de hormigón armado o de
otros materiales y su descarga puede, así mismo, ser por
gravedad o utilizando procedimientos mecánicos. Los silos
de acero son de diversos tipos que van desde estructuras
formadas por chapas rigidizadas, a láminas. Su
sustentación es muy diversa, apoya- dos en pilares, en su
contorno, colgados, etc.. Los silos de fondo plano suelen
sustentarse directamente en la cimentación.
Esta lección se concentra en el diseño de silos
Clase 1 y 2, aunque las comprobaciones son aplicables a
los de Clase 3.
Para el proyecto se pueden distinguir los siguientes
pasos:
i.
Determinar las características del flujo del
material.
ii.
Determinar la geometría del silo con el fin de que
posea la capacidad necesaria. Obtener un patrón
de flujo de caracterís- ticas adecuadas y por tanto
aceptables, que aseguren una descarga fiable.
Pueden utilizarse alimentadores mecáni- cos
especiales.
Clase 1 Silos pequeños cuya capacidad es menor de
100 toneladas. Su cons- trucción es sencilla y
robusta, tenien- do en general reservas
sustanciales de resistencia.
iii.
Estimar las cargas que actúan sobre el silo, tanto
debidas al material almacena- do como a otras
tales como el viento, ins- talaciones auxiliares,
térmicas, etc..
Clase 2 Silos de capacidad intermedia (de
100 t a 1000 t). Pueden diseñarse mediante
cálculos manuales senci- llos. Hay que
garantizar el flujo de cargas y presiones que
den resulta- dos fiables.
iv.
Cálculo y detalles de la estructura.
Para el diseño estructural los silos se cla- sifican,
de acuerdo con el sistema BMHB [2], en las clases o
categorías siguientes:
Clase 3 Silos grandes (de capacidades supe- riores a
1000 t). Se requieren cono- cimientos
especializados con el fin de prevenir los
problemas debidos a la incertidumbre
relativos a la distri- bución de cargas y
presiones. Están justificados análisis más
sofistica- dos, tales como elementos finitos,
etc..
Clase 4 Silos con descarga excéntrica, en los que la
excentricidad de la salida eo>0,25 d c.
El silo debe estar definido antes de proce- der al
cálculo. Las cargas debidas al material almacenado
dependen, entre otras variables, del patrón de flujo, de las
propiedades del material y de la geometría. Los métodos de
análisis estructu- ral y de diseño dependen, pues,
fundamentalmen- te de la geometría y del patrón de flujo. No
deben subestimarse las etapas i, ii en el proyecto. El
Eurocódigo 1, Parte 4 [1] proporciona reglas sim- plificadas
para su diseño bajo el punto de vista fun- cional así como la
estimación de las cargas sobre las paredes. Estas reglas se
exponen en el capítu- lo 3 de esta lección. El Eurocódigo 3,
Parte 4 [3] da normas específicas y detalladas para el cálculo
estructural. Este reglamento aún no está completo pero
pueden obtenerse ciertas guías en publica- ciones técnicas
[2, 4 16]. Los capítulos 4 y 5 de esta lección resumen la
práctica existente en dise- ño estructural y proporciona guías
para los tipos más frecuentes.
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![CLASIFICACIÓN DE LOS SILOS
tolvas cónicas u otras for- mas,
únicamente a efecto de diseño
estructural. Cuando no es claro el
tipo de flujo deben comprobarse
ambos.
2.3
Material
estructural
La mayoría de los silos son
de acero u hormigón ar- mado. La
elección depende, bajo el punto de
vista econó- mico, de los costes de
mate- riales, de la fabricación y montaje. Hay otros factores tales como
el espacio disponible.
Las ventajas principales de los silos de acero frente a
los de hormigón son:
Flujo interno
Flujo mágico
Flujo de embudo
Figura 2 Patrones de flujo
el material fluye por un canal central y, por tanto, el último
que entra el primero que sale.
El tipo de flujo depende de la inclinación de las
paredes de la tolva y del coeficiente de rozamiento de
material contra las paredes. El flujo de masa ocurre
cuando las paredes de la tolva son altas e individuales
mientras que el embudo aparece en silos compactos con
pare- des de tolva poco inclinadas. El Eurocódigo [1]
presenta un método gráfico (mostrado en la figura 3) para
determinar el patrón de flujo en
Ángulo de rozamiento entre
paredes de la tolva
w
40
Los
inconvenientes principales de los
silos y tolvas de acero son la
necesidad de mantenimiento
con- tra la corrosión y desgaste, que harán preci-
60
Flujo mágico o
flujo de tunel puede
existir entre estos límites
Flujo de
embudo
30
50
Flujo de embudo
40
Flujo mágico o de túnel
puede existir entre
estos límites
30
20
10
• si su estructura es atornillada son relativa- mente
fáciles de desmontar y trasladar a otro lugar.
Ángulo de rozamiento entre
paredes de la tolva
w
60
50
• los silos y tolvas de acero pequeños y medianos
pueden ser prefabricados con un tiempo de montaje
considerablemente infe- rior;
20
Flujo mágico
0
90 80 70 60 50 40 30
Ángulo de inclinación de la pared de la tolva
10
Flujo masivo
0
90 80 70 60 50 40 30
Ángulo de inclinación de la pared de la tolva
Figura 3 Método gráfico para la determinación del patrón de flujo
so, en este caso, el
forrado de las paredes
y posibilidad de crear agua
de condensación que puede
dañar
los
productos
almacena- dos sensibles a
la hu- medad tales como
gra- nos, etc..
La
elección de
material estructural depende también de su
33](https://image.slidesharecdn.com/trabajodesilo-131105155234-phpapp02/85/DISENO-DE-UN-SILO-ESTRUCTURA-METALICA-8-320.jpg)
![CÁLCULO DE LAS PRESIONES
3.
CÁLCULO DE LAS
PRESIONES SOBRE LAS
PAREDES
3.1
Generalidades
La mayoría de teorías existentes para el cálculo de
cargas del material almacenado en silos parten del
supuesto de que la distribución de presiones alrededor del
perímetro es unifor- me a cualquier profundidad. En
realidad, siem- pre existe una no-uniformidad de la carga.
Esto puede ser consecuencia de imperfecciones en las
paredes, de la influencia de técnicas de lle- nado no
concéntricas, o de agujeros de descar- ga posicionados
excéntricamente respecto al centro del mismo.
La presión ejercida por el material alma- cenado
sobre la pared del silo es distinta cuando el material fluye
que cuando está estacionario. El estado tensional mientras
el material está alma- cenado cambia al empezar a fluir y
las paredes del contenedor están sometidas a altas presiones localizadas de corta duración. Estudios de
investigación han identificado dos tipos de alta presión
durante la descarga. La primera se conoce como presión
de caída, sucede al inicio del flujo y sólo es significativa en
la tolva. El segundo tipo de presión elevada se atribuye a
una reorientación local de la tensión dentro del material que
fluye cuando pasa por las imperfec- ciones de las paredes.
El no tener en cuenta, en el diseño, la carga nouniforme es la principal causa de fallos en los silos.
Presenta problemas par ticulares en silos circulares
diseñados para resistir única- mente las fuerzas como
membrana. Las presio- nes debidas a la descarga
excéntrica son irregu- lares y pueden ser superiores o
inferiores a la presión uniforme calculada utilizando las
teorías clásicas.
Aunque se han identificado elevadas pre- siones de
descarga y sus causas fundamenta- les, son difíciles de
cuantificar. Por ello es fre- cuente, entre los proyectistas,
multiplicar la presión estática calculada por una
constante
obtenida a partir de datos experimentales.
Tradicionalmente se ha aplicado este factor empírico a la
presión estática sin tener en cuen- ta la respuesta
estructural del silo. Como las presiones de descarga
únicamente afectan áreas locales, producen una variación
de presión que puede originar una condición de tensión en
la pared peor que la originada por una elevada presión
uniforme. O sea que suponer una pre- sión elevada pero
constante a cualquier nivel no tiene por qué estar en el
lado de la seguridad.
3.2 Eurocódigo 1 - Reglas para el
Cálculo de las Cargas
debidas al Material
Almacenado
El Eurocódigo 1 [1] da reglas detalladas para el
cálculo de las cargas debidas al material almacenado en
los silos, sujetas a las limitacio- nes siguientes:
• La excentricidad de la entrada y la salida se limita a
0,25 dc donde d c es el diámetro del contenedor o la
longitud del lado más corto.
• El impacto de las cargas durante el llenado son
pequeñas.
• Los dispositivos de descarga no tienen influencia en
la distribución de las presiones.
• El material almacenado fluye libremente y presenta
una baja cohesión.
Existen reglas para el cálculo de cargas en silos
esbeltos, compactos y homogéneos. Las cuatro cargas
siguientes están especificadas y pueden definirse utilizando
las abreviaturas que muestra la figura 5.
• carga horizontal y rozamiento en la pared
• carga puntual
• carga de la tolva
• carga de caída](https://image.slidesharecdn.com/trabajodesilo-131105155234-phpapp02/85/DISENO-DE-UN-SILO-ESTRUCTURA-METALICA-10-320.jpg)
![que los diseñados para presiones puntuales y
una presión simétrica inferior.
Eje
Superficie equivalente
Zona de
pared
vertical
ph
z
Las cargas debidas a la tolva
consisten en una distribución lineal de
presiones y una carga instantánea. Esta carga
instantánea únicamente se aplica en la
transición en el caso de flujo de masa.
pw
h
ei
pv
Zona de
transición
pn
Tolva
3.2.1
pt
eo
La presión horizontal a cual- quier
profundidad del silo se calcula mediante la
clásica teoría de Janssen. Janssen consideró
el equilibrio vertical de una porción horizontal a
través del material almacenado en un contenedor (figura 6) y obtuvo la siguiente relación:
Presiones
Geometría
dc
·C
L
Plano central
dc
dc
C
L
A( v + d v) + U Ks
Plano central
dc
C
L
v
dz = Adz
Plano central
+A
·C: Eje vertical d
c
L
Figura 5 Formas de silos mostrando las anotaciones de dimensiones y presiones
Las cargas horizontales (pht) y de rozamiento en la
pared (pwt) iniciales son uniformes a cualquier profundidad
del silo. Se multiplican por un coeficiente constante para
compensar las
desviaciones de la presión durante la descarga. Se añade a
la carga simétrica una carga puntual para simular el efecto
de una carga no-simétrica. Debido a la complejidad del
análisis estructural de láminas que incorporan carga
puntual, el Eurocódigo [1] permite la utilización de una distribución de presión simétrica para el cálculo de
contenedores con diámetro inferior a 5 m. La presión
simétrica se aumenta para compensar la presión puntual, y
fruto de ello es el diseño de contenedores seguros pero
más conservadores
(1)
v
Con la reorganización y solu- ción de
la ecuación diferencial de pri- mer orden se
obtiene la ecuación de Janssen para la
presión vertical p v a
Secciones transversales
36
Presión horizontal y
presión de fricción de
la pared
v
Ks
v
z
Ks v
dz v
+d v
Figura 6 Tensiones en una franja horizontal del silo](https://image.slidesharecdn.com/trabajodesilo-131105155234-phpapp02/85/DISENO-DE-UN-SILO-ESTRUCTURA-METALICA-11-320.jpg)
![CÁLCULO DE LAS PRESIONES
la profundidad z, la presión horizontal pht y la
presión debida a la fricción en la pared pwt:
pv
A
U Ks
1
e
ZK s
P w (z) = o P wf (z)dz =
U
A
A
z
(2)
ph = Ks pv
(4)
z - z o (i- e
El método de Reimbert [6] es una posible
alternativa al de Janssen para el cálculo de pre- siones
estáticas. Sin embargo, no está incluido en el Eurocódigo
[1].
(3)
pw = ph
U
(- z/zd
La precisión del método depende de la selección
de un valor para la relación entre la presión horizontal y la
presión vertical Ks y del coeficiente de fricción de la pared
.
Las presiones en las paredes del silo varí- an
debido a que se llenan con materiales que pueden
presentar propiedades distintas en momentos distintos.
Cuando los sólidos almace- nados pulen o hacen más
rugosas las paredes pueden dar lugar a cambios de
presión. Por lo tanto, deberían proyectarse teniendo
presentes varias condiciones. El Eurocódigo tiene en cuanta esta situación y proporciona un rango de pro- piedades
para los materiales más comúnmente almacenados [1]. Las
propiedades del material se seleccionan para obtener el
valor de carga más adverso. La presión horizontal más
desfavo- rable se obtiene cuando Ks presenta el valor
máximo y el mínimo. La carga de fricción en la pared se
da cuando y Ks presentan ambas valores máximos. Las
propiedades del material pueden determinarse por ensayo
o tomando los valores de la tabla 4.1 del Eurocódigo.
En contenedores de paredes onduladas debe
darse un margen para valores de más elevados debido al
efecto del material almacena- do en las ondulaciones.
Para mayor facilidad el Eurocódigo pro- porciona
una fórmula para el cálculo de la fuerza de compresión axial
en el silo debida a la presión de fricción de la pared a
cualquier profundidad. La compresión axial por unidad de
perímetro a una profundidad z es igual a la integral de la
pre- sión debida al rozamiento sobre la pared, cuyo valor
es:
3.2.2 Coeficiente de amplificación de la
presión debido al efecto de llenado
y descarga
La presión calculada mediante la teoría de Janssen
para las presiones debidas a la carga y descarga se
multiplica por unos coeficientes empíricos que tienen en
cuenta las siguientes condiciones:
i.
Carga de corrección para el llenado.
ii.
Incremento uniforme de presión para la
descarga.
iii.
Carga de corrección para la descarga. Para mayor
simplicidad del proyecto estructural, el Eurocódigo 1 da una regla alternativa
simplificada para obtener la carga de correc- ción
debidas al efecto de llenado y descarga.
i.
a. Carga de corrección para el llena- do:
tolvas sin rigidizadores
Las presiones determinadas mediante la ecuación de
Janssen se incrementan mediante una carga localizada o carga
de “corrección” para com- pensar la distribución asimétrica de
las presiones. La carga de corrección es obligada para
compen- sar las presiones asimétricas que la experiencia
indica que tienen lugar en todas las tolvas. La nouniformidad de la presión depende principal- mente de la
excentricidad de la entrada a la tolva, del método de llenado y
de la anisotropía del mate- rial almacenado. La carga de
corrección aumenta con la excentricidad del llenado. La figura
5 mues- tra la aparición de desplazamiento horizontal del
material debido a la excentricidad del llenado. Depende del
tipo de dispositivo de llenado y debe estimarse antes de
calcular la carga de corrección.
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![Presiones debidas al Impacto
Cuando en la carga aparecen elementos de
grandes dimensiones pueden originarse presiones elevadas
debidas al impacto. A menos que haya material suficiente
para amortiguar dicho efecto, es preciso proporcionar una
protección especial a las paredes de la tolva. El colapso de
los arcos naturales que pueden formarse en el material
almacenado y la retención del flujo también pueden originar
presiones de impacto elevadas. Para minimizar este efecto
debe estu- diarse la geometría del silo.
Para prevenir las explosiones, el Euro- código 1
recomienda un mantenimiento y limpie- za adecuados y la
exclusión de fuentes de ignición.
Asientos Diferenciales
A menudo tienen lugar grandes asientos en el
llenado de los silos, particularmente la pri- mera vez y debe
tenerse en cuenta el efecto de dichos asientos diferenciales
en el caso de grupos de silos. Dichos asientos pueden
originar agotamiento de la estructura por pandeo, en particular en los casos de silos de acero no rigidiza- dos.
Carga y Descarga Rápidas
Acciones Sísmicas
La descarga rápida de masas sólidas con una
permeabilidad a los gases relativamente baja puede
inducir presiones negativas (succión interna) en la tolva. El
llenado rápido puede ori- ginar una mayor consolidación,
con los efectos que se han descrito más arriba.
El Eurocódigo 1 proporciona reglas para el
cálculo de los efectos del sismo, aunque tie- nen carácter
provisional. Estas indicaciones salen fuera del objetivo de
esta lección.
Materiales Pulverulentos
Instalaciones de Descarga Mecánica
El llenado rápido de materiales pulveru- lentos
puede airear el material y originar una dis- minución
temporal de densidad, adherencia, fric- ción interna y
fricción de pared. En un caso extremo, la presión de un
material aireado alma- cenado puede llegar a ser la
hidrostática.
Las instalaciones de descarga mecánica pueden
originar distribución asimétrica de las presiones, incluso
cuando se considera que dejan salir el material
almacenado de forma uni- forme. En el proyecto debe
tenerse en cuenta, la influencia de la instalación de
descarga mecáni- ca, en las presiones sobre la pared.
Carga del Viento
Cargas en el Techo
En el Eurocódigo 1, Parte 2[17] se dan métodos
para el cálculo de cargas del viento en silos, que no se
tratan en esta lección. Los efec- tos del viento son
especialmente críticos durante el período de montaje.
Los techos de los silos actúan sobre las paredes,
produciendo en las mismas un empuje y una compresión
axil, que deben tenerse en cuenta en el proyecto. El
proyecto de techos para los silos se incluye en esta lección.
Explosiones del Material Almacenado
Combinaciones de Carga
El Eurocódigo 1, Parte 4[1] recomienda que los silos
para almacenamiento de materiales que pueden explotar
deben proyectarse para resistir el efecto de la explosión o
poseer un volu- men suficiente para amortiguar dicho efecto.
La tabla 1 del Eurocódigo indica una serie de mate- riales
que pueden originar explosiones. También proporciona guías
generales para el proyecto [14].
Muchos silos, durante la mayor parte de su vida
operativa, están trabajando en las condi- ciones de máxima
capacidad y con el material previsto en el proyecto. En
éstos, el Eurocódigo indica que este estado de carga debe
combinar- se, con un coeficiente desde el 0 al 90%, con
otro tipo de carga, con el fin de conseguir la
42](https://image.slidesharecdn.com/trabajodesilo-131105155234-phpapp02/85/DISENO-DE-UN-SILO-ESTRUCTURA-METALICA-17-320.jpg)
![4.
ANÁLISIS Y DISEÑO
ESTRUCTURAL
4.1
Selección de la Forma del
Silo
En la etapa de diseño, se estudia la geo- metría del
silo y se tienen en cuenta los costes de las distintas formas
estructurales. Los costes de materiales, fabricación,
montaje y transporte influyen en la selección de la forma de
la estruc- tura. Los silos de acero suelen tener una sección
transversal rectangular o circular. Los silos circu- lares
suelen ser más económicas que los rec- tangulares porque
las paredes circulares están sometidas a cargas de tracción
como membrana mientras que las rectangulares lo hacen a
fle- xión, con un rendimiento menos eficaz. Los silos
rectangulares necesitan, aproximadamente, 2,5 veces más
acero que silos circulares de la misma capacidad.
Los rectangulares tienden a ser estructu- ras
fuertemente rigidizadas, mientras que las cir- culares a
menudo no están rigidizadas, excepto en la parte superior y
en la transición con la tolva los silos rectangulares,
generalmente, tienen grandes reservas de resistencia.
En general, este no es el caso en los silos circulares, por lo
que hay que tener presente en el proyecto los efectos
debidos a las sobrecargas, así como el estudio del pandeo
de las paredes.
4.2
Las presiones en las paredes vertical e inclinadas
se calculan utilizando los sistemas establecidos en el
apartado 3. El diseño estruc- tural se presenta a
continuación.
4.2.1 Chapas de Pared
Los silos no circulares tienden a ser estructuras
fuertemente rigidizadas, como se muestra en la figura 9.
Las cargas de material en el silo se aplican directamente a
las chapas de las paredes, y se transmiten a los
rigidizadores. Las paredes están sujetas a flexión y
tracción. Las fuerzas debidas al rozamiento producen una
compresión vertical sobre las paredes y, debido a la
rigidez de los nudos y a los apoyos, una fle- xión en el
plano de las paredes.
Básicamente, existen dos enfoques para el análisis
del sistema estructural. O se analiza el silo como un
conjunto de componentes aislados o como una
construcción continua. La mayoría de
manuales
recomiendan el primer enfoque. Las paredes se diseñan
en unas determinadas condiciones de contorno y se
desprecia la inte-
Diseño de Silos No Circulares
X
X
La figura 9 muestra un típico silo rigidiza- do no
circular. Para el diseño estructural deben seguirse los
siguientes pasos:
Y
• selección de los sistemas de apoyo, de rigi- dización
de las uniones,
Y
Sección X
• diseño de las chapas que conforman las paredes,
• diseño de la rigidización vertical y horizontal incluyendo
la viga perimetral en la transición,
Sección Y Alzado
• diseño de los soportes.
del extremo
Sección transversal
Figura 9 Rigidización típica en un silo rectangular: [11]
44](https://image.slidesharecdn.com/trabajodesilo-131105155234-phpapp02/85/DISENO-DE-UN-SILO-ESTRUCTURA-METALICA-19-320.jpg)
![No se dan tablas para el análisis de chapas
trapezoidales, por lo que las paredes de la tolva se
analizan como chapas rectan- gulares idealizadas y sus
dimensiones se cal- culan a partir de las fórmulas dadas
en la figu- ra 10.
Los dos métodos que se han descrito dan lugar a
dimensionamientos conservadores debi- do a la geometría
de la chapa y a las condicio- nes de entorno supuestas.
Mediante la utiliza- ción de técnicas numéricas como el
método de elementos finitos para analizar la interacción de
las varias barras de la placa sujetas a cargas en el plano y
fuera de él puede lograrse una mayor precisión.
4.2.2 Inestabilidad de la Placa
Es poco probable que el pandeo sea el que decida
el espesor de pared de las placas analizadas según la
teoría de la flecha pequeña. Por ello, en general se adopta
un análisis de estabilidad conservador y se calcula la carga
de pandeo elástica crítica suponiendo que las úni- cas
cargas que actúan están en el plano de la chapa. La carga
de pandeo elástica crítica puede calcularse a partir de la
ecuación:
fcr =
k 2E
12 (1
2)
b
2
mente por rigidizadores verticales, pero incorpo- ra
rigidizadores horizontales en la transición y en la par te
superior del silo. Los rigidizadores verti- cales en las
paredes verticales se proyectan para sopor tar las
acciones debidas a las presio- nes horizontales y verticales
provenientes del material almacenado actuando sobre las
chapas que forman las mismas. Los rigidizadores que
soportan la tolva están solicitados por las reac- ciones del
apoyo y cargas normales a la pared del material
almacenado, como se muestra en la figura 11. Puede que
también haga falta consi- derar las fuerzas de tracción
actuando sobre la viga perimetral.
El rigidizador horizontal en la parte supe- rior de la
tolva se proyecta para soportar la reacción en A de las
cargas horizontales de la pared vertical. Las cargas
horizontales incluyen las del material almacenado y las
cargas del viento.
Las cargas debidas a la tolva se transmi- ten,
generalmente, a una viga perimetral en la transición. Esta
viga debe soportar el peso de la tolva y transmitir las
cargas del silo a los sopor- tes. Al principio del llenado, la
viga perimetral actúa como un marco a compresión. Está
solici- tado por fuerzas dirigidas hacia el centro del ani- llo
debidas a la tolva. Al continuar el llenado, las
(16)
A
t
Se supone que la chapa está libremen- te
apoyada en los cuatro bordes, y que está sometida a una
carga uniforme o que aumen- ta de forma lineal. Si hace
falta, puede calcu- larse la resistencia al pandeo de
una chapa de perfil plano compensando por la resistencia adicional debida a la presión lateral del material
almacenado y a la resistencia post- pandeo [4].
Pv1
h1
Ph1
Frb
B
Pv2
Ph2
h2
Ph
Pv3
O
C
4.2.3 Proyecto de Rigidizadores
La figura 9 muestra una disposición de
rigidizadores típica. Está constituida principal-
46
a
b
Figura 11 Cargas y reacciones en un silo](https://image.slidesharecdn.com/trabajodesilo-131105155234-phpapp02/85/DISENO-DE-UN-SILO-ESTRUCTURA-METALICA-21-320.jpg)
![tos simplificados. En muchos casos estos proce- dimientos
no son modelos precisos del compor- tamiento del silo, y se
requiere un proyecto muy cuidadoso para prevenir el
agotamiento.
• magnitud y forma de las imperfecciones de la pared,
• la distribución de la carga de rozamiento en la pared,
• la magnitud de la presión interna,
4.3.2 Tensión en la pared cilíndrica
• las propiedades elásticas del material alma- cenado,
En silos de menos de 5 m de diámetro las tensiones
circunferenciales de pared pueden, en una primera
aproximación, estimarse de forma sencilla pero
conservadora utilizando la distribu- ción simétrica de
presiones en vez de la carga de corrección presentada en el
apartado 3.2.2 y la teoría de membrana de las láminas. La
teoría de membrana supone que la pared del silo únicamente está sujeta a fuerzas de tracción. La ten- sión en la
tolva debe calcularse en la parte inferior y en su unión con el
cilindro del modo siguiente:
• las uniones,
th = phe r
(18)
El espesor de pared resultante debe
aumentarse para tener en cuenta los factores debidos a las
tensiones en las mismas, la corro- sión y el desgaste, y
para garantizar su seguri- dad frente al pandeo. (En la
lección 19 se dan factores de eficacia de la conexión para
uniones soldadas).
La teoría de la membrana sólo es válida en la
determinación de las tensiones de pared en zonas lejos de
discontinuidades tales como cam- bios en el espesor de la
pared, en los soportes o en los rigidizadores. Se han de
tomar precaucio- nes especiales en función del tipo de
soporte
requerido. Estas precauciones se analizan en los apartados
4.3.4 a 4.3.6.
4.3.3 Pandeo de la pared
El modo de fallo más frecuente en los silos de
acero cilíndricos es el pandeo de la pared sometido a
compresión axil. Esta compre- sión axil puede ser debida a
las cargas combi- nadas de la fricción en la pared, de las
debidas al techo y de las del equipo adicional. La tensión
de pandeo elástica de la pared del silo está influenciada por
los siguientes factores:
• los soportes del silo.
Puede estudiarse el efecto del pandeo mediante
sencillos cálculos manuales, siempre que las paredes,
apoyos y uniones del silo se hayan estudiado
cuidadosamente
para
prevenir
desplazamientos
significativos fuera del plano, que pueden conducir a fallo
por pandeo.
Se han propuesto diversos métodos para el cálculo
de la tensión de pandeo elástica críti- ca, métodos
resumidos por Rotter [13]. Un enfo- que sencillo y
conservador es adoptar la tensión crítica elástica clásica
multiplicada por un coefi- ciente de seguridad empírico .
Et
fcr = 0,605
r
(19)
donde = 0,15
La influencia de la presión lateral se des- precia y
se supone que la lámina está comprimi- da axialmente de
manera uniforme.
Puede utilizarse la ecuación (19) con sufi- ciente
seguridad si la repartición de la carga es uniforme (por
ejemplo, si se utiliza la distribución de las presiones
conservadora dadas en el Eurocódigo 1) y los apoyos se
hayan estudiado de modo que se eviten tensiones
significativas fuera de plano y deformaciones en la pared.
Para prevenir el pandeo, deben tenerse en cuenta los
siguientes factores a la hora de proyectar las paredes de
silos cilíndricos:](https://image.slidesharecdn.com/trabajodesilo-131105155234-phpapp02/85/DISENO-DE-UN-SILO-ESTRUCTURA-METALICA-23-320.jpg)
![8
ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL
• Los silos pueden calcularse de forma menos
conservadora mediante la aplicación de la distribución
de presiones de correc- ción. La carga de corrección
resulta de una distribución asimétricas de las
presiones alrededor de la pared del silo, y correspondiendo con rápidos cambios circunferencia- les de
tensión. Se requiere un análisis rigu- roso de la
lámina que compone la pared del silo, ya que los
métodos de cálculo manua- les sencillos no son
válidos para un análisis preciso.
• Pueden obtenerse ahorros mayores tenien- do en
cuenta el incremento de la resistencia de la pared del
silo debido a la presión late- ral del material
almacenado. La tracción en la tolva resultante de la
presión lateral redu- ce la sensibilidad a las
imperfecciones del pandeo bajo compresión axil y
aumenta la resistencia al pandeo. Se han
desarrollado métodos para incluir la influencia de la
pre- sión interna en la resistencia al pandeo [15]. Los
proyectistas han sido reacios a utilizar estas
consideraciones debido al elevado número de tipos
de fallos por pandeo de silos de acero y a la
necesidad de garanti- zar que la capa estacionaria de
material almacenado adyacente a la pared del silo
debe tener un espesor adecuado. En silos con
descarga excéntrica no puede garanti- zarse esta
circunstancia en toda la pared, por lo que puede que
no se produzca nin- gún incremento en la resistencia
al pandeo.
dos mediante procesos distintos pueden presentar
resistencias al pandeo muy distin- tas. En los silos
con grandes imperfeccio- nes debe reducirse la
tensión crítica. Las recomendaciones ECCS [15]
proporcionan reglas para la reducción de la
resistencia dependiendo del tipo y tamaño de las
imperfecciones.
•
En los silos construidos mediante uniones
atornilladas con chapas asolapadas, la resistencia al
pandeo se reduce por debajo del valor utilizado en el
caso de soldadura a tope. Las uniones
circunferenciales dan lugar a excentricidades de la
compresión axil, lo que provoca deformaciones
asimétri- cas desestabilizadoras, tensiones de compresión circunferenciales y tensiones loca- les de
flexión.
• Los pilares pueden inducir tensiones de fle- xión
elevadas en la pared del silo. Estas pueden influir en
una zona a una distancia varias veces el diámetro
medido a partir del apoyo. Puede reducirse el
problema exten- diendo los soportes hasta la altura
total del silo (entonces los soportes pueden aguantar directamente las cargas del techo). Si los
sopor tes no se continúan hasta la parte superior del
silo, puede utilizarse un análisis de flexión de la
lámina para determinar las tensiones inducidas en la
pared, viga peri- metral y rigidizadores asociados.
Pandeo debido a Carga del Viento
•
Normalmente, las paredes cilíndricas no tie- nen
rigidizadores verticales. El tamaño físi- co de las
abolladuras locales es pequeño, por lo que sería
necesario colocar los rigidi- zadores longitudinales a
poca distancia unos de otros para prevenir el pandeo.
Los rigidizadores circunferenciales no tienen ningún
efecto especial en la resistencia al pandeo bajo
compresión axil.
• La tensión de crítica de pandeo se reduce con las
imperfecciones de la superficie. El número y tamaño
de estos defectos, a su vez, depende del proceso de
fabricación. Cilindros aparentemente idénticos
fabrica-
Las ECCS [15] y BS 2654 [16] dan recomendaciones para el proyecto de cilindros que resistan
presiones externas. Generalmente se dispone en la parte
superior del silo un marco, ya sea mediante un techo fijo o
un rigidizador en la parte superior del cilindro. En grandes
silos, puede resultar económico rigidizar la sección del silo
circular. Esta rigidización incrementa la resis- tencia al
pandeo debida al viento pero no la de tracción
circunferencial o la compresión meridio- nal, excepto
localmente. Los rigidizadores cir- cunferenciales deben
colocarse en la parte exte- rior de la tolva para evitar
disminución y uniformidad en el flujo. Las tolvas de acero
son](https://image.slidesharecdn.com/trabajodesilo-131105155234-phpapp02/85/DISENO-DE-UN-SILO-ESTRUCTURA-METALICA-24-320.jpg)
![más susceptibles al pandeo por el viento duran- te la
construcción que cuando están en servicio, porque en este
caso el techo y la viga perimetral en la transición
proporcionan una mayor rigidez frente al pandeo.
4.3.4 Fondo y tolva
Cuando la pared del silo está rígidamente
conectada al forjado plano que forma el fondo, tienen lugar
elevadas tensiones en la unión entre ellos. Estas tensiones
pueden reducirse median- te una unión que permita
movimientos o proyec- tando la pared del silo de forma que
no se pro- duzcan sobretensiones. Los fondos planos
deben proyectarse para soportar la presión verti- cal
calculada a partir de la ecuación (8).
Las tolvas cónicas se calculan como membranas a
tracción. Para el cálculo del espe- sor de la pared y el
detalle de la unión, hay que tener en cuenta las tensiones
meridional y cir- cunferenciales en la misma. La tensión
meridio- nal tm, se calcula a partir de la presión vertical de
descarga pv en la transición y el peso, tanto del material en
la tolva como del propio de la norma, W.
tm =
pv r
W
+
2 cos (90 – )
2 r cos (90 – )
(20)
4.3.5 Viga perimetral en la
transición
La transición entre el cilindro y el cono (silo y tolva)
puede efectuarse mediante diferen- tes sistemas, algunos
de los cuales se muestran en la figura 12. La tolva está
sometida a unas fuerzas hacia el interior y hacia abajo que
indu- cen una compresión circunferencial sobre la viga
perimetral en la transición. Esta viga debe com- probarse
para evitar el colapso plástico y el pan- deo. Es práctica
usual calcular vigas perimetra- les apoyadas de modo
continuo para resistir las componentes horizontales de la
tensión tm debi- da a la tolva. Esta puede ser reducida al
tener en cuenta la acción horizontal de la parte cilíndrica.
La viga perimetral tiene que soportar las cargas verticales y
transmitirlas a los soportes.
Un resumen de las fuerzas que actúan en la viga
perimetral en la transición sería:
• carga vertical debida al rozamiento del material
sobre la pared en el cilindro;
• carga hacia fuera de la presión horizon- tal sobre
el cilindro;
• fuerzas debidas a la acción sobre la
tolva considerada como membrana;
La tensión en la tolva th se calcula a partir de la
presión normal a la pared durante la des- carga, y es igual
a:
th =
pr
cos (90 )
–
(21)
Deben tenerse en cuenta también los efectos de
los equipos auxiliares para la descar- ga mecánica y la
influencia de los apoyos en las tensiones en las paredes de
la tolva. No existen métodos de cálculo manuales fiables
para cono- cer las tensiones locales debidas a la influencia
de los pilares, por lo que para obtener una pre- dicción
fiable ha de recurrirse al análisis por ele- mentos finitos.
Figura 12 Vigas perimetrales de transición típica: [9]
50](https://image.slidesharecdn.com/trabajodesilo-131105155234-phpapp02/85/DISENO-DE-UN-SILO-ESTRUCTURA-METALICA-25-320.jpg)
![5.
RESUMEN FINAL
• El Eurocódigo 1 proporciona reglas simplifi- cadas
para el proyecto funcional de silos y el cálculo de
cargas en los tipos más comu- nes.
• Las cargas no uniformes deben tenerse muy en
cuenta en el proyecto.
• Los silos no circulares son estructuras fuer- temente
rigidizadas proyectadas para soportar cargas a
flexión. En general se diseñan de forma
conservadora.
• En el proyecto de silos circulares el pandeo de la
pared es uno de los efectos más sig- nificativo.
• Pueden proyectarse de forma conservadora tolvas
circulares y no circulares mediante métodos sencillos
de cálculo manual.
• Los apoyos, uniones, rigidizadores, etc., deben
estudiarse detalladamente, con el fin de disminuir al
máximo posible la existencia de tensiones y
deformaciones fuera del plano.
6.
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52
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[17] Eurocode 1: ”Basis of design and actions on structures,
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1991-2-1, CEN (in preparation).](https://image.slidesharecdn.com/trabajodesilo-131105155234-phpapp02/85/DISENO-DE-UN-SILO-ESTRUCTURA-METALICA-27-320.jpg)
DISEÑO DE UN SILO - ESTRUCTURA METALICA
- 1. PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERU ESCUELA DE POSGRADO MAESTRÍA EN INGENIERÍA MECANICA 2011 DISEÑO DE SILO FREDY ALAN CCARITA CRUZ DISEÑO DE CONSTRUCCIONES SOLDADAS 04/11/2011
- 2. ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2. CLASIFICACIÓN DE LOS SILOS 2.1. Tamaño y Geometría 2.2. Patrón de Flujo 2.3. Material Estructural 3. CÁLCULO DE LAS PRESIONES SOBRE LAS PAREDES 3.1. Generalidades 3.2. Euro código 1 – Reglas para el cálculo de las cargas debidas al material almacenado 3.2.1 Presión horizontal y presión de fricción de la pared 3.2.2 Coeficiente de amplificación de la presión debido al efecto de llenado y descarga 3.2.3 Cargas en la tolva y en el fondo 3.3. Otras consideraciones respecto a la carga 4. ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL 4.1 Selección de la forma del silo 4.2 Diseño de silos no circulares 4.2.1 Chapas de pared 4.2.2 Inestabilidad de la placa 4.2.3 Proyecto de rigidizadores 4.2.4 Estructura de apoyo 4.3 Proyecto de tolvas circulares 4.3.1 Introducción 4.3.2 Tensión en la pared cilíndrica 4.3.3 Pandeo de la pared 4.3.4 Fondo y tolva 4.3.5 Viga perimetral en la transición 4.3.6 Apoyos 4.3.7 Uniones 5. RESUMEN FINAL 6. BIBLIOGRAFÍA
- 3. SISTEMAS ESTRUCTURALES Diseño Estructural de Silos Página | 1
- 4. OBJETIVOS/CONTENIDO Desarrollar el cálculo de las cargas debidas al material almacenado en los silos de acero. Describir el diseño estructural de los tipos más usuales. Cw coeficiente amplificador de la presión debida al rozamiento sobre las pare- des dc diámetro característico de la sección transversal (figura 5) E módulo de elasticidad e valor mayor entre ei y e o ei excentricidad debida al relleno (figura 5) CONOCIMIENTOS PREVIOS Ninguno. LECCIONES AFINES eo excentricidad entre el eje del silo y el eje de la boca de descarga (figura 5) Ninguna. fcr RESUMEN En esta lección se desarrolla el cálculo de las cargas debidas al material almacenado en los silos de acero, así como el diseño estructural de los tipos más usuales. Los métodos para el cálculo de las cargas se basan en las reglas dadas en el Eurocódigo 1 [1] y las guías para el diseño estructural se han obtenido de numerosas experiencias. El diseño de tolvas es un tema complicado que incluye el análisis de láminas delgadas, estudio de chapas rigidizadas, en las que las car-gas que actúan sobre ellas tienen unos valores inciertos. Esta lección se limita a una visión general de métodos sencillos y prácticos de diseño para los tipos más frecuentes de silos. ABREVIATURAS tensión crítica de pandeo Fp carga horizontal debida al material alma- cenado en un silo de pared circular Frb fuerza sobre el anillo (viga en la unión entre tolva y silo) h altura, medida desde la boca de descarga a la línea de superficie equivalente (figura 5). k coeficiente de pandeo de la chapa Ks relación entre las presiones horizontal y vertical lh altura de la pared de la tolva, medida desde el eje (figura 8) ph presión horizontal debida al material almacenado a, b dimensiones de la pared pho presión horizontal en la base del silo A área de la sección transversal de la pared vertical pn presión normal a la pared inclinada de la tolva C coeficiente de pandeo pp Cb coeficiente amplificador de la presión sobre el fondo Ch coeficiente amplificador de la presión horizontal presión específica pps presión específica (en silos de acero no rigidizados) ps presión de caída Página | 2
- 5. pt pv presión debida al rozamiento en la tolva (figura 5) presión vertical debida al material ensila- do (figura 5) pvf presión vertical en el silo lleno pvo presión vertical en la base del silo una vez lleno DEFINICIONES Silo. Estructura cilíndrica o prismática, de paredes verticales, que pueden utilizarse para el almacenamiento de materiales. Silo esbelto. Aquel que cumple h/dc 1,5. Silo compacto. El que cumple h/dc 1,5. Tolva. Depósito pw presión debida al rozamiento sobre las paredes del silo (figura 5) con paredes inclinadas de forma tronco-cónicas o tronco-piramidal. Puede servir como fondo de un silo. r radio Transición. Sección de unión del silo con la tolva. s longitud a lo largo de la superficie de la zona afectada por la carga puntual (s= 0,2 dc) Fondo plano de un silo. Se denomina siem- pre que las paredes forman un ángulo con la horizontal 20 . t espesor de la pared (figura 5) th tensión en el zuncho Nivel equivalente. Nivel superficial para el mismo volumen de material almacenado que en la superficie real (figura 5). U perímetro interior del silo W peso del contenido de la tolva z altura medida por debajo del nivel equivalente zo parámetro usado para el cálculo de las cargas ángulo que mide la inclinación de la pared de la tolva sobre la horizontal (figura 5) coordenada angular coeficiente amplificador debido a la caida de la carga densidad del material ensilado coeficiente de rozamiento sobre las pare- des para el cálculo de la presión ángulo rozamiento interno w ángulo de rozamiento sobre las paredes de la tolva para la evaluación del flujo Patrón de flujo. Modelo que depende del comportamiento del material en su descarga. Existen tres patrones: de masa, de embudo e interno (figura 2). Flujo de masa. Es aquel en el que todas las partículas almacenadas se mueven durante la descarga (figura 2). Flujo de embudo (o flujo central). Cuando se desarrolla un perfil en U del material que fluye con una zona confinada por encima de la salida y el material adyacente a la pared en la zona cercana de la salida permanece estacio- nario. El canal de flujo puede llegar en su inter- sección con las paredes verticales del silo o llegar a la superficie del material (figura 2). Flujo interno. Es aquel en el que el canal de flujo se extiende hasta la superficie del mate- rial almacenado (figura 2). Carga de caída. Es una carga local en la transición durante la descarga. Carga específica. Carga local que actúa sobre una zona de la pared del silo. 30 Página | 3
- 6. INTRODUCCIÓN 1. INTRODUCCIÓN Los silos se utilizan, en una amplia gama de la industria, para almacenar sólidos en canti- dades muy variables. Pueden ser de acero, de hormigón armado o de otros materiales y su descarga puede, así mismo, ser por gravedad o utilizando procedimientos mecánicos. Los silos de acero son de diversos tipos que van desde estructuras formadas por chapas rigidizadas, a láminas. Su sustentación es muy diversa, apoya- dos en pilares, en su contorno, colgados, etc.. Los silos de fondo plano suelen sustentarse directamente en la cimentación. Esta lección se concentra en el diseño de silos Clase 1 y 2, aunque las comprobaciones son aplicables a los de Clase 3. Para el proyecto se pueden distinguir los siguientes pasos: i. Determinar las características del flujo del material. ii. Determinar la geometría del silo con el fin de que posea la capacidad necesaria. Obtener un patrón de flujo de caracterís- ticas adecuadas y por tanto aceptables, que aseguren una descarga fiable. Pueden utilizarse alimentadores mecáni- cos especiales. Clase 1 Silos pequeños cuya capacidad es menor de 100 toneladas. Su cons- trucción es sencilla y robusta, tenien- do en general reservas sustanciales de resistencia. iii. Estimar las cargas que actúan sobre el silo, tanto debidas al material almacena- do como a otras tales como el viento, ins- talaciones auxiliares, térmicas, etc.. Clase 2 Silos de capacidad intermedia (de 100 t a 1000 t). Pueden diseñarse mediante cálculos manuales senci- llos. Hay que garantizar el flujo de cargas y presiones que den resulta- dos fiables. iv. Cálculo y detalles de la estructura. Para el diseño estructural los silos se cla- sifican, de acuerdo con el sistema BMHB [2], en las clases o categorías siguientes: Clase 3 Silos grandes (de capacidades supe- riores a 1000 t). Se requieren cono- cimientos especializados con el fin de prevenir los problemas debidos a la incertidumbre relativos a la distri- bución de cargas y presiones. Están justificados análisis más sofistica- dos, tales como elementos finitos, etc.. Clase 4 Silos con descarga excéntrica, en los que la excentricidad de la salida eo>0,25 d c. El silo debe estar definido antes de proce- der al cálculo. Las cargas debidas al material almacenado dependen, entre otras variables, del patrón de flujo, de las propiedades del material y de la geometría. Los métodos de análisis estructu- ral y de diseño dependen, pues, fundamentalmen- te de la geometría y del patrón de flujo. No deben subestimarse las etapas i, ii en el proyecto. El Eurocódigo 1, Parte 4 [1] proporciona reglas sim- plificadas para su diseño bajo el punto de vista fun- cional así como la estimación de las cargas sobre las paredes. Estas reglas se exponen en el capítu- lo 3 de esta lección. El Eurocódigo 3, Parte 4 [3] da normas específicas y detalladas para el cálculo estructural. Este reglamento aún no está completo pero pueden obtenerse ciertas guías en publica- ciones técnicas [2, 4 16]. Los capítulos 4 y 5 de esta lección resumen la práctica existente en dise- ño estructural y proporciona guías para los tipos más frecuentes. Página | 4
- 7. 2. CLASIFICACIÓN DE LOS SILOS En lo que se refiere al diseño, se clasifi- can según el tamaño, la geometría, el patrón de flujo de descarga, del material almacenado, del tipo estructural. Más adelante se analiza la importancia de cada uno de estos parámetros en el cálculo: 2.1 Tamaño y Geometría El tamaño y geometría dependen de los requerimientos funcionales tales como el volu- men de almacenamiento, el sistema y forma de descarga, las propiedades del material almace- nado, el espacio disponible, consideraciones de tipo económico, etc.. Normalmente el depósito está constituido por una forma vertical (silo) con un fondo plano o con un fondo de paredes incli- nadas (tolva). Suelen tener una sección trans- versal circular, cuadrada, poligonal. La figura 1 muestra figuras típicas de silos y tolvas. Los silos cilíndricos son estructuras más eficaces que los prismáticos bajo el punto de La relación entre la altura del silo y su diá- metro influye en las cargas que produce el material almacenado. El Eurocódigo los clasifica en esbel- tos cuando h/dc > 1,5 y compactos si h/dc 1,5. Las tolvas son generalmente tronco-cóni- cas, tronco-piramidales u otras formas. Las tol- vas troncopiramidales son más fáciles de cons- truir aunque pueden presentar problemas en el flujo de descarga debido a la acumulación del material en las esquinas. Las salidas pueden ser concéntricas o excéntricas. Deben evitarse en lo posible las descargas excéntricas ya que es más difícil evaluar la distribución de presiones y puede presentar problemas de solidificaciones del material almacenado. El ángulo de inclina- ción de las paredes de las tolvas se adopta con el fin de obtener una descarga continua que proporcione el flujo de material deseado. 2.2 (d) Silo de flujo masivo Figura 1 Típicas geometrías de contenedores 32 El tamaño del silo lo determina la relación entre la alimentación y la descarga, dependien- do así mismo de la cantidad de material a alma- cenar. Descargas muy rápidas requieren tolvas de paredes muy inclinadas y altas. Los silos de fondo plano se utilizan cuando la velocidad de descarga que se necesita es baja, el tiempo de almacenamiento es largo y el volumen de mate- rial es grande. (b) Depósito de tolva (a) Silo cuadrado con tolva piramidal (c) Flujo de embebido en silo cilíndrico con tolva vista de coste estructural. En cuanto a capacidad de almacenamiento de un silo de sección cua- drada, almacena un 27% más que uno cilíndrico de diámetro igual al lado del anterior. Si el silo tiene fondo plano su capacidad de almacena- miento es máximo para la misma altura. Patrón de Flujo El Eurocódigo 1 describe dos tipos de flujo, que se muestran en la figura 2. Son el flujo de masa y el flujo de embudo. La presión de la descarga está influenciada por dichos patrones y, por tanto, debe asegurarse dicho patrón antes del cálculo de las cargas debidas al material almacenado. En el caso de flujo de masa, todo el contenido fluye como una masa única y el flujo sucede de manera que el material que entra primero sale primero. En silos de flujo de embudo
- 8. CLASIFICACIÓN DE LOS SILOS tolvas cónicas u otras for- mas, únicamente a efecto de diseño estructural. Cuando no es claro el tipo de flujo deben comprobarse ambos. 2.3 Material estructural La mayoría de los silos son de acero u hormigón ar- mado. La elección depende, bajo el punto de vista econó- mico, de los costes de mate- riales, de la fabricación y montaje. Hay otros factores tales como el espacio disponible. Las ventajas principales de los silos de acero frente a los de hormigón son: Flujo interno Flujo mágico Flujo de embudo Figura 2 Patrones de flujo el material fluye por un canal central y, por tanto, el último que entra el primero que sale. El tipo de flujo depende de la inclinación de las paredes de la tolva y del coeficiente de rozamiento de material contra las paredes. El flujo de masa ocurre cuando las paredes de la tolva son altas e individuales mientras que el embudo aparece en silos compactos con pare- des de tolva poco inclinadas. El Eurocódigo [1] presenta un método gráfico (mostrado en la figura 3) para determinar el patrón de flujo en Ángulo de rozamiento entre paredes de la tolva w 40 Los inconvenientes principales de los silos y tolvas de acero son la necesidad de mantenimiento con- tra la corrosión y desgaste, que harán preci- 60 Flujo mágico o flujo de tunel puede existir entre estos límites Flujo de embudo 30 50 Flujo de embudo 40 Flujo mágico o de túnel puede existir entre estos límites 30 20 10 • si su estructura es atornillada son relativa- mente fáciles de desmontar y trasladar a otro lugar. Ángulo de rozamiento entre paredes de la tolva w 60 50 • los silos y tolvas de acero pequeños y medianos pueden ser prefabricados con un tiempo de montaje considerablemente infe- rior; 20 Flujo mágico 0 90 80 70 60 50 40 30 Ángulo de inclinación de la pared de la tolva 10 Flujo masivo 0 90 80 70 60 50 40 30 Ángulo de inclinación de la pared de la tolva Figura 3 Método gráfico para la determinación del patrón de flujo so, en este caso, el forrado de las paredes y posibilidad de crear agua de condensación que puede dañar los productos almacena- dos sensibles a la hu- medad tales como gra- nos, etc.. La elección de material estructural depende también de su 33
- 9. Altura Horizontal ph Vertical pv Geometría. Las paredes de los silos están sometidas a cargas horizontales y verticales. Las cargas verticales son debidas al rozamiento del material sobre las paredes y las horizontales debidas al empuje del material. Los silos de hormigón arma- do hay que tener especial cuidado en el cálculo de los esfuerzos debido a los empujes y las tracciones correspondientes. En los silos metálicos, en particular los de sección circular, los empujes transversales son soportados mediante un esfuer- zo de tracción de la virola. En estos silos hay que tener en cuenta los efectos del pandeo debidos a las cargas verticales. La figura 4 indica la varia- ción de las presiones horizontales y verticales en función de la altura. A partir de una cierta profun- didad la variación de la presión horizontal es des- preciable. Los silos de hormigón son más eficaces Presión Figura 4 Distribución de las presiones horizontales y verticales en función de la altura del material almacenado para casos de silos altos y los metálicos cuando son poco profundos.
- 10. CÁLCULO DE LAS PRESIONES 3. CÁLCULO DE LAS PRESIONES SOBRE LAS PAREDES 3.1 Generalidades La mayoría de teorías existentes para el cálculo de cargas del material almacenado en silos parten del supuesto de que la distribución de presiones alrededor del perímetro es unifor- me a cualquier profundidad. En realidad, siem- pre existe una no-uniformidad de la carga. Esto puede ser consecuencia de imperfecciones en las paredes, de la influencia de técnicas de lle- nado no concéntricas, o de agujeros de descar- ga posicionados excéntricamente respecto al centro del mismo. La presión ejercida por el material alma- cenado sobre la pared del silo es distinta cuando el material fluye que cuando está estacionario. El estado tensional mientras el material está alma- cenado cambia al empezar a fluir y las paredes del contenedor están sometidas a altas presiones localizadas de corta duración. Estudios de investigación han identificado dos tipos de alta presión durante la descarga. La primera se conoce como presión de caída, sucede al inicio del flujo y sólo es significativa en la tolva. El segundo tipo de presión elevada se atribuye a una reorientación local de la tensión dentro del material que fluye cuando pasa por las imperfec- ciones de las paredes. El no tener en cuenta, en el diseño, la carga nouniforme es la principal causa de fallos en los silos. Presenta problemas par ticulares en silos circulares diseñados para resistir única- mente las fuerzas como membrana. Las presio- nes debidas a la descarga excéntrica son irregu- lares y pueden ser superiores o inferiores a la presión uniforme calculada utilizando las teorías clásicas. Aunque se han identificado elevadas pre- siones de descarga y sus causas fundamenta- les, son difíciles de cuantificar. Por ello es fre- cuente, entre los proyectistas, multiplicar la presión estática calculada por una constante obtenida a partir de datos experimentales. Tradicionalmente se ha aplicado este factor empírico a la presión estática sin tener en cuen- ta la respuesta estructural del silo. Como las presiones de descarga únicamente afectan áreas locales, producen una variación de presión que puede originar una condición de tensión en la pared peor que la originada por una elevada presión uniforme. O sea que suponer una pre- sión elevada pero constante a cualquier nivel no tiene por qué estar en el lado de la seguridad. 3.2 Eurocódigo 1 - Reglas para el Cálculo de las Cargas debidas al Material Almacenado El Eurocódigo 1 [1] da reglas detalladas para el cálculo de las cargas debidas al material almacenado en los silos, sujetas a las limitacio- nes siguientes: • La excentricidad de la entrada y la salida se limita a 0,25 dc donde d c es el diámetro del contenedor o la longitud del lado más corto. • El impacto de las cargas durante el llenado son pequeñas. • Los dispositivos de descarga no tienen influencia en la distribución de las presiones. • El material almacenado fluye libremente y presenta una baja cohesión. Existen reglas para el cálculo de cargas en silos esbeltos, compactos y homogéneos. Las cuatro cargas siguientes están especificadas y pueden definirse utilizando las abreviaturas que muestra la figura 5. • carga horizontal y rozamiento en la pared • carga puntual • carga de la tolva • carga de caída
- 11. que los diseñados para presiones puntuales y una presión simétrica inferior. Eje Superficie equivalente Zona de pared vertical ph z Las cargas debidas a la tolva consisten en una distribución lineal de presiones y una carga instantánea. Esta carga instantánea únicamente se aplica en la transición en el caso de flujo de masa. pw h ei pv Zona de transición pn Tolva 3.2.1 pt eo La presión horizontal a cual- quier profundidad del silo se calcula mediante la clásica teoría de Janssen. Janssen consideró el equilibrio vertical de una porción horizontal a través del material almacenado en un contenedor (figura 6) y obtuvo la siguiente relación: Presiones Geometría dc ·C L Plano central dc dc C L A( v + d v) + U Ks Plano central dc C L v dz = Adz Plano central +A ·C: Eje vertical d c L Figura 5 Formas de silos mostrando las anotaciones de dimensiones y presiones Las cargas horizontales (pht) y de rozamiento en la pared (pwt) iniciales son uniformes a cualquier profundidad del silo. Se multiplican por un coeficiente constante para compensar las desviaciones de la presión durante la descarga. Se añade a la carga simétrica una carga puntual para simular el efecto de una carga no-simétrica. Debido a la complejidad del análisis estructural de láminas que incorporan carga puntual, el Eurocódigo [1] permite la utilización de una distribución de presión simétrica para el cálculo de contenedores con diámetro inferior a 5 m. La presión simétrica se aumenta para compensar la presión puntual, y fruto de ello es el diseño de contenedores seguros pero más conservadores (1) v Con la reorganización y solu- ción de la ecuación diferencial de pri- mer orden se obtiene la ecuación de Janssen para la presión vertical p v a Secciones transversales 36 Presión horizontal y presión de fricción de la pared v Ks v z Ks v dz v +d v Figura 6 Tensiones en una franja horizontal del silo
- 12. CÁLCULO DE LAS PRESIONES la profundidad z, la presión horizontal pht y la presión debida a la fricción en la pared pwt: pv A U Ks 1 e ZK s P w (z) = o P wf (z)dz = U A A z (2) ph = Ks pv (4) z - z o (i- e El método de Reimbert [6] es una posible alternativa al de Janssen para el cálculo de pre- siones estáticas. Sin embargo, no está incluido en el Eurocódigo [1]. (3) pw = ph U (- z/zd La precisión del método depende de la selección de un valor para la relación entre la presión horizontal y la presión vertical Ks y del coeficiente de fricción de la pared . Las presiones en las paredes del silo varí- an debido a que se llenan con materiales que pueden presentar propiedades distintas en momentos distintos. Cuando los sólidos almace- nados pulen o hacen más rugosas las paredes pueden dar lugar a cambios de presión. Por lo tanto, deberían proyectarse teniendo presentes varias condiciones. El Eurocódigo tiene en cuanta esta situación y proporciona un rango de pro- piedades para los materiales más comúnmente almacenados [1]. Las propiedades del material se seleccionan para obtener el valor de carga más adverso. La presión horizontal más desfavo- rable se obtiene cuando Ks presenta el valor máximo y el mínimo. La carga de fricción en la pared se da cuando y Ks presentan ambas valores máximos. Las propiedades del material pueden determinarse por ensayo o tomando los valores de la tabla 4.1 del Eurocódigo. En contenedores de paredes onduladas debe darse un margen para valores de más elevados debido al efecto del material almacena- do en las ondulaciones. Para mayor facilidad el Eurocódigo pro- porciona una fórmula para el cálculo de la fuerza de compresión axial en el silo debida a la presión de fricción de la pared a cualquier profundidad. La compresión axial por unidad de perímetro a una profundidad z es igual a la integral de la pre- sión debida al rozamiento sobre la pared, cuyo valor es: 3.2.2 Coeficiente de amplificación de la presión debido al efecto de llenado y descarga La presión calculada mediante la teoría de Janssen para las presiones debidas a la carga y descarga se multiplica por unos coeficientes empíricos que tienen en cuenta las siguientes condiciones: i. Carga de corrección para el llenado. ii. Incremento uniforme de presión para la descarga. iii. Carga de corrección para la descarga. Para mayor simplicidad del proyecto estructural, el Eurocódigo 1 da una regla alternativa simplificada para obtener la carga de correc- ción debidas al efecto de llenado y descarga. i. a. Carga de corrección para el llena- do: tolvas sin rigidizadores Las presiones determinadas mediante la ecuación de Janssen se incrementan mediante una carga localizada o carga de “corrección” para com- pensar la distribución asimétrica de las presiones. La carga de corrección es obligada para compen- sar las presiones asimétricas que la experiencia indica que tienen lugar en todas las tolvas. La nouniformidad de la presión depende principal- mente de la excentricidad de la entrada a la tolva, del método de llenado y de la anisotropía del mate- rial almacenado. La carga de corrección aumenta con la excentricidad del llenado. La figura 5 mues- tra la aparición de desplazamiento horizontal del material debido a la excentricidad del llenado. Depende del tipo de dispositivo de llenado y debe estimarse antes de calcular la carga de corrección. 37
- 13. La carga de corrección es distinta para tolvas de acero no rigidizado (membrana) y tol- vas de acero rigidizado y hormigón (no-membra- na) debido a la diferencia de respuesta a la carga que presentan estas estructuras. La tensión máxima en las paredes de las tolvas rigidizadas depende de la magnitud de la presión, mientras que las tolvas de acero no rigidizadas son más sensibles a la variación de la presión. Para tolvas de acero rigidizadas, se aplican dos cargas de corrección en dos áreas cuadradas de la pared diametralmente opuestas, con una longitud de lado de cada una de ellas de s = 0,2dc (figuras 7a y 7b). Las cargas son simétricas y permiten La presión de corrección se calcula: pp = 0,2 phf La presión actúa sobre una altura s, donde: s = 0,2dc i. (a) Alzado pp pp s (b) Planta de la pared de un silo circular pp pp le (c) Planta de silo circular de pared delgada Figura 7 Carga de corrección 38 (5) (6) Debe aplicarse este efecto a distintos niveles de la pared de la tolva para determinar el caso de carga más desfavorable, que da lugar a las máximas tensiones en la pared. Para simplificar, el Eurocódigo permite que, en tolvas rigidizadas, la carga de corrección se aplique a media altura de las paredes verticales, así como la utilización de este porcentaje de aumento en las tensiones de la pared a todo el silo. Esta regla simplificada no puede utilizarse para grupos de silos. pp s h cálculos relativamente sencillos de los momentos de flexión inducidos en la estructura. b. Carga de corrección para el llena- do: tolvas sin rigidizadores Las tolvas de acero de membrana son muy sensibles a la variación de la presión y para tenerla en cuenta se supone una distribución cosenoidal de la distribución de las presiones. El patrón de presiones que muestra la figura 7c se extiende a toda la tolva. La presión es hacia fuera en una cara y hacia dentro en la otra, y somete la lámina a una flexión global. La influencia más importante de la carga indicada es el aumento de la compresión axil en la base de la tolva. El incremento puede calcu- larse fácilmente utilizando la teoría de flexión de la viga y suponiendo como elemento global de flexión a la tolva. Para calcular el esfuerzo de compresión axial debe calcularse la fuerza hori- zontal total de la carga de corrección a partir de:
- 14. CÁLCULO DE LAS PRESIONES donde pps = pp cos y pp y s se calculan mediante las ecuaciones (5) y (6) respectivamente. Este factor debe considerarse aplicado o a una profundidad zo por debajo de la superficie equivalente o a media altura de las paredes verticales, la que dé la carga más elevada, donde zo = A Ks U La presión de corrección introduce ten- sión de flexión local en la tolva, en el nivel que se considera. Estas tensiones de flexión son difíci- les de calcular y se requiere un análisis de la estructura por elementos finitos. Para simplificar el cálculo se utiliza una distribución de las presiones que se describe a continuación como alternativa a la presión de corrección. ii. Para simplicidad del proyecto estructural, el Eurocódigo 1 permite la utilización de un coeficiente en las presiones uniformes de descarga para compensar los incrementos de tensión debidos a presiones asimétricas. El coeficiente se calcula a partir del amplificador de la carga de corrección y proporciona una regla sencilla pero conservadora que puede utilizarse en vez de la presión de corrección. Para llenado y descarga, la presión normal en la pared calculada utilizando la ecuación (3) se multiplica por 1 + 0,4 y la fricción en la pared por 1 + 0,3 . 3.2.3 Cargas en la tolva y en el fondo Los fondos planos se definen como fon- dos de silo donde < 20 . La presión vertical pvf varía a través del fondo, pero en silos esbeltos se puede suponer que la presión es constante e igual a: Incremento uniforme de presión para la descarga Para el cálculo de las presiones uniformes debidas a la descarga, las presiones estáticas se multiplican por dos coeficientes (Cw y Ch). Ch aumenta la presión horizontal y Cw aumenta la presión vertical. Ch varía dependiendo del mate- rial almacenado. El Eurocódigo proporciona valores que van de 1,3 para el trigo a 1,45 para la harina y polvo de cenizas. Cw se toma como 1,1 para todos los materiales almacenados. Estos coeficientes se han seleccionado a partir de la experiencia y de los resultados de los ensa- yos. iii. Carga uniforme incrementada. Una alternativa a la corrección pvf = 1,2 p v (8) donde pv se calcula mediante la ecuación (2). Debe tenerse en cuenta que, en tolvas no esbeltas, la variación de presión en el fondo de las mismas puede influir en el proyecto, por lo que se proyectan teniendo en cuenta dicha varia- ción. Cargas en las paredes inclinadas de la tolva Carga de corrección para la descarga La carga de corrección para la descarga se calcula de la misma forma que para la carga. Se utilizan las presiones horizontales para la descarga que se han descrito en ii. Además, la excentricidad e se toma como la mayor entre las excentricidades de llenado y de salida (véase figura 5). El Eurocódigo 1 considera que la pared inclinada, donde > 20 , está sometida a una presión normal pn y a una fuerza de fricción pt por unidad de superficie. Las paredes del siste- ma de alimentación soportan todo el peso del material almacenado en la tolva, menos el que soportan por fricción las paredes verticales. Para definir la carga en la tolva hay que conocer la presión vertical en la transición entre silo y tolva. 9
- 15. En el Eurocódigo 1 se han adoptado fórmulas empíricas para el cálculo de las presiones nor- males y de fricción en las paredes de la tolva, obtenidas a partir de una serie de ensayos en tolvas piramidales. Los ensayos muestran que es aceptable suponer una distribución variable linealmente desde el valor correspondiente en el silo en la línea de transición con la tolva, al existente en la salida. La presión normal a la pared de la tolva p n es igual a: lh ps = 2 p ho (9) (14) donde pho )x pn = pn3 + p n2 + (p n1 - p n2 el material pasa de un estado estático (presión activa) a uno dinámico (presión pasiva). El Eurocódigo 1 proporciona un valor empírico ps muy aproximado para la carga instantánea: es la presión horizontal la base del silo (véase figura 8) se toma como normal a las pare- des de la tolva a una distancia igual a 0,2 dc y hacia abajo. ps donde x es una longitud entre 0, y lh (figu- ra 8) y: pn1 = pn2 pn3 pvo (Cb cos2 + 1,5 sen2 ) (10) = Cb pvo cos2 = 3,0 A Ks U (11) (12) El concepto de carga instantánea únicamente se aplica a silos de flujo másico. En las tolvas de flujo en embudo esta carga será parcial o totalmente absorbida por la capa de material estacionario, por lo que no es tan importante como en las tolvas de flujo másico. La transición entre silo y tolva está solicitada a compresión debido a las cargas de la tolva. La carga instan- tánea actúa en dirección contraria a la anterior- mente indicada, por lo que aumentaría la carga que puede soportar la tolva durante la descarga (esta carga instantánea puede no actuar, por lo tanto, no debe utilizarse en el proyecto). donde Cb es constante e igual a 1,2 pvo es la presión vertical que actúa en la tran- sición, calculada según la ecuación de Janssen. el valor de la presión de fricción en la pared p t viene dado por: p t = pn lh x (13) Carga instantánea Al comienzo de la descarga se han medi- do presiones elevadas en las tolvas para el caso de flujo másico debido al cambio en el estado de tensión del material almacenado. A este cambio se le suele llamar apertura y origina una carga instantánea en la transición. Tiene lugar cuando pn3 pho pt 90- pn1 ps pn3 pn2 0,2dc Figura 8 Cargas en la tolva
- 16. CÁLCULO DE LAS PRESIONES… 3.3 Otras consideraciones respecto a la Carga La distribución de las presiones puede estar afectada por factores que pueden incre- mentar o disminuir las cargas en las paredes. Estos factores son difíciles de cuantificar, y son más significativos en unas tolvas que en otras. A continuación se muestran una serie de ellos. Variación de Temperatura El material almacenado limita la contrac- ción térmica de la pared de la tolva. La magnitud del incremento de presión lateral resultante depen- de de la disminución de la temperatura, de la dife- rencia entre el coeficiente de temperatura de la pared y el del material almacenado, del número de cambios de temperatura, de la rigidez del sólido almacenado y de la rigidez de la pared de la tolva. Consolidación La consolidación del material almacenado puede ser debida a la eliminación de aire que hace que las partículas se compacten (lo que representa un problema en materiales pulverulen- tos), a la inestabilidad física causada por cambios de la humedad y temperatura superficiales, a la inestabilidad química causada por cambios quími- cos en la superficie de las partículas o a la vibra- ción del contenido del silo. Para determinar de forma precisa las presiones en la pared hay que conocer la variación de la densidad del sólido con la profundidad y el ángulo de rozamiento interno. Contenido de Humedad Un aumento en el contenido de humedad del material almacenado puede aumentar las fuerzas de cohesión o formar enlaces entre las partículas de substancias solubles en agua. Para el cálculo de las presiones, el ángulo de rozamiento contra las paredes debe determinarse utilizando el material más seco y/o el más húmedo que deberemos almacenar. Un aumento de humedad también puede originar el hinchado del sólido almacenado, y debe tenerse en cuenta en el proyecto. Segregación Las partículas de material almacenado con una amplia gama de densidades, tamaños y formas tienden a segregarse. Cuánto mayor sea la altura o caída libre en el llenado, mayor será la segregación. La segregación puede originar áreas de material denso. Lo que es peor, puede que las partículas rugosas vayan a un lado de la tolva y las más finas y adherentes vayan al otro. Entonces puede formarse un perfil en U excén- trico que conduce a cargas asimétricas en la pared. La concentración de partículas finas puede causar bloqueos en el flujo. Degradación Un sólido puede degradarse durante el llenado. Las partículas pueden romperse o redu- cirse de tamaño debido al impacto, la agitación y el rozamiento. Las tolvas para almacenamiento del contenido del silo representan un problema particular. La degradación del material origina un campo de variación de presiones que tiende a la hidrostática. Corrosión Los sólidos almacenados pueden atacar químicamente la estructura, alterando el ángulo de rozamiento contra la pared y la flexibilidad de la misma. La corrosión depende de las características químicas del material almacena- do y del contenido de humedad. Típicamente, se incrementa el espesor de pared proyectado para compensar la corrosión. Este incremento depende del tiempo de vida proyectado para el silo. Abrasión Partículas granulares grandes como los minerales pueden desgastar la superficie de la pared, originando problemas similares a los descritos para la corrosión. Puede revestirse la pared estructural, tomando las precauciones pertinentes con el fin de garantizar que la deformación de la pared no dañe el revestimiento. Los revestimientos se fabrican con materiales como el acero inoxidable o el polipropileno. 4
- 17. Presiones debidas al Impacto Cuando en la carga aparecen elementos de grandes dimensiones pueden originarse presiones elevadas debidas al impacto. A menos que haya material suficiente para amortiguar dicho efecto, es preciso proporcionar una protección especial a las paredes de la tolva. El colapso de los arcos naturales que pueden formarse en el material almacenado y la retención del flujo también pueden originar presiones de impacto elevadas. Para minimizar este efecto debe estu- diarse la geometría del silo. Para prevenir las explosiones, el Euro- código 1 recomienda un mantenimiento y limpie- za adecuados y la exclusión de fuentes de ignición. Asientos Diferenciales A menudo tienen lugar grandes asientos en el llenado de los silos, particularmente la pri- mera vez y debe tenerse en cuenta el efecto de dichos asientos diferenciales en el caso de grupos de silos. Dichos asientos pueden originar agotamiento de la estructura por pandeo, en particular en los casos de silos de acero no rigidiza- dos. Carga y Descarga Rápidas Acciones Sísmicas La descarga rápida de masas sólidas con una permeabilidad a los gases relativamente baja puede inducir presiones negativas (succión interna) en la tolva. El llenado rápido puede ori- ginar una mayor consolidación, con los efectos que se han descrito más arriba. El Eurocódigo 1 proporciona reglas para el cálculo de los efectos del sismo, aunque tie- nen carácter provisional. Estas indicaciones salen fuera del objetivo de esta lección. Materiales Pulverulentos Instalaciones de Descarga Mecánica El llenado rápido de materiales pulveru- lentos puede airear el material y originar una dis- minución temporal de densidad, adherencia, fric- ción interna y fricción de pared. En un caso extremo, la presión de un material aireado alma- cenado puede llegar a ser la hidrostática. Las instalaciones de descarga mecánica pueden originar distribución asimétrica de las presiones, incluso cuando se considera que dejan salir el material almacenado de forma uni- forme. En el proyecto debe tenerse en cuenta, la influencia de la instalación de descarga mecáni- ca, en las presiones sobre la pared. Carga del Viento Cargas en el Techo En el Eurocódigo 1, Parte 2[17] se dan métodos para el cálculo de cargas del viento en silos, que no se tratan en esta lección. Los efec- tos del viento son especialmente críticos durante el período de montaje. Los techos de los silos actúan sobre las paredes, produciendo en las mismas un empuje y una compresión axil, que deben tenerse en cuenta en el proyecto. El proyecto de techos para los silos se incluye en esta lección. Explosiones del Material Almacenado Combinaciones de Carga El Eurocódigo 1, Parte 4[1] recomienda que los silos para almacenamiento de materiales que pueden explotar deben proyectarse para resistir el efecto de la explosión o poseer un volu- men suficiente para amortiguar dicho efecto. La tabla 1 del Eurocódigo indica una serie de mate- riales que pueden originar explosiones. También proporciona guías generales para el proyecto [14]. Muchos silos, durante la mayor parte de su vida operativa, están trabajando en las condi- ciones de máxima capacidad y con el material previsto en el proyecto. En éstos, el Eurocódigo indica que este estado de carga debe combinar- se, con un coeficiente desde el 0 al 90%, con otro tipo de carga, con el fin de conseguir la 42
- 18. CÁLCULO DE LAS PRESIONES… carga más desfavorable en los estados límites de servicio y últimos. Cada carga (por ejemplo car- gas debidas al material almacenado, carga de viento, etc.) debe considerarse como predomi- nante y combinarse con las otras cargas con el fin de conseguir el estado pésimo de diseño. 4
- 19. 4. ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL 4.1 Selección de la Forma del Silo En la etapa de diseño, se estudia la geo- metría del silo y se tienen en cuenta los costes de las distintas formas estructurales. Los costes de materiales, fabricación, montaje y transporte influyen en la selección de la forma de la estruc- tura. Los silos de acero suelen tener una sección transversal rectangular o circular. Los silos circu- lares suelen ser más económicas que los rec- tangulares porque las paredes circulares están sometidas a cargas de tracción como membrana mientras que las rectangulares lo hacen a fle- xión, con un rendimiento menos eficaz. Los silos rectangulares necesitan, aproximadamente, 2,5 veces más acero que silos circulares de la misma capacidad. Los rectangulares tienden a ser estructu- ras fuertemente rigidizadas, mientras que las cir- culares a menudo no están rigidizadas, excepto en la parte superior y en la transición con la tolva los silos rectangulares, generalmente, tienen grandes reservas de resistencia. En general, este no es el caso en los silos circulares, por lo que hay que tener presente en el proyecto los efectos debidos a las sobrecargas, así como el estudio del pandeo de las paredes. 4.2 Las presiones en las paredes vertical e inclinadas se calculan utilizando los sistemas establecidos en el apartado 3. El diseño estruc- tural se presenta a continuación. 4.2.1 Chapas de Pared Los silos no circulares tienden a ser estructuras fuertemente rigidizadas, como se muestra en la figura 9. Las cargas de material en el silo se aplican directamente a las chapas de las paredes, y se transmiten a los rigidizadores. Las paredes están sujetas a flexión y tracción. Las fuerzas debidas al rozamiento producen una compresión vertical sobre las paredes y, debido a la rigidez de los nudos y a los apoyos, una fle- xión en el plano de las paredes. Básicamente, existen dos enfoques para el análisis del sistema estructural. O se analiza el silo como un conjunto de componentes aislados o como una construcción continua. La mayoría de manuales recomiendan el primer enfoque. Las paredes se diseñan en unas determinadas condiciones de contorno y se desprecia la inte- Diseño de Silos No Circulares X X La figura 9 muestra un típico silo rigidiza- do no circular. Para el diseño estructural deben seguirse los siguientes pasos: Y • selección de los sistemas de apoyo, de rigi- dización de las uniones, Y Sección X • diseño de las chapas que conforman las paredes, • diseño de la rigidización vertical y horizontal incluyendo la viga perimetral en la transición, Sección Y Alzado • diseño de los soportes. del extremo Sección transversal Figura 9 Rigidización típica en un silo rectangular: [11] 44
- 20. ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL racción entre las chapas. Esta solución está orientada al caso de silos de chapas planas. Una solución más económica podría ser utilizar cha- pas de perfil onduladas. En este caso, la pared b/a p es la presión normal media viene dada en las tablas 1 y 2. 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 3,0 4,0 >5,0 0,048 0,063 0,075 0,086 0,095 0,108 0,119 0,123 0,125 Tabla 1 para chapas con cantos simplemente apoyados b/a 1,0 1,25 0,0513 0,0665 1,5 0,0757 1,75 2,0 0,0817 >2,5 0,0829 0,0833 Tabla 2 para chapas con bordes fijos del silo se diseña teniendo en cuenta las características geométricas correspondientes a la sección del perfil ondulado. La presión sobre las paredes se soporta, en parte por la acción de la chapa a flexión y, en parte, por la acción como membrana. Las pare- des del silo se analizan generalmente utilizando la teoría de la pequeña flecha. Las flechas de la pared son pequeñas (menores que el espesor de la chapa) y, por ello, en el proyecto es aceptable suponer que la carga se soporta enteramente mediante flexión de la chapa. Generalmente se utilizan tres métodos de cálculo. Las paredes de chapas entre rigidizadores con una relación apa- rente superior a dos a uno se analizan como vigas que sólo se flectan en una dirección. Se considera como una viga continua con luz entre rigidizadores apoyada en los extremos. Las chapas con una relación aparente menor que dos a uno se proyectan a partir de datos tabulados (placas). El momento flector máximo para chapas con bordes simplemente apoyados o bordes fijos, viene dado por: a 2a/3 h - a/6 h (a) a2 aeq beq h a1 (b) aeq = Mmax = pa2 b (15) beq = h - donde ayb son las dimensiones de chapa más corta y más larga respectivamente 2a2 (2a1 + a2) 3 (a1 + a2) a2 (a2 - a1) 6 (a1 + a2) Figura 10 Placa rectangular equivalente a una planta tra- pezoidal 45
- 21. No se dan tablas para el análisis de chapas trapezoidales, por lo que las paredes de la tolva se analizan como chapas rectan- gulares idealizadas y sus dimensiones se cal- culan a partir de las fórmulas dadas en la figu- ra 10. Los dos métodos que se han descrito dan lugar a dimensionamientos conservadores debi- do a la geometría de la chapa y a las condicio- nes de entorno supuestas. Mediante la utiliza- ción de técnicas numéricas como el método de elementos finitos para analizar la interacción de las varias barras de la placa sujetas a cargas en el plano y fuera de él puede lograrse una mayor precisión. 4.2.2 Inestabilidad de la Placa Es poco probable que el pandeo sea el que decida el espesor de pared de las placas analizadas según la teoría de la flecha pequeña. Por ello, en general se adopta un análisis de estabilidad conservador y se calcula la carga de pandeo elástica crítica suponiendo que las úni- cas cargas que actúan están en el plano de la chapa. La carga de pandeo elástica crítica puede calcularse a partir de la ecuación: fcr = k 2E 12 (1 2) b 2 mente por rigidizadores verticales, pero incorpo- ra rigidizadores horizontales en la transición y en la par te superior del silo. Los rigidizadores verti- cales en las paredes verticales se proyectan para sopor tar las acciones debidas a las presio- nes horizontales y verticales provenientes del material almacenado actuando sobre las chapas que forman las mismas. Los rigidizadores que soportan la tolva están solicitados por las reac- ciones del apoyo y cargas normales a la pared del material almacenado, como se muestra en la figura 11. Puede que también haga falta consi- derar las fuerzas de tracción actuando sobre la viga perimetral. El rigidizador horizontal en la parte supe- rior de la tolva se proyecta para soportar la reacción en A de las cargas horizontales de la pared vertical. Las cargas horizontales incluyen las del material almacenado y las cargas del viento. Las cargas debidas a la tolva se transmi- ten, generalmente, a una viga perimetral en la transición. Esta viga debe soportar el peso de la tolva y transmitir las cargas del silo a los sopor- tes. Al principio del llenado, la viga perimetral actúa como un marco a compresión. Está solici- tado por fuerzas dirigidas hacia el centro del ani- llo debidas a la tolva. Al continuar el llenado, las (16) A t Se supone que la chapa está libremen- te apoyada en los cuatro bordes, y que está sometida a una carga uniforme o que aumen- ta de forma lineal. Si hace falta, puede calcu- larse la resistencia al pandeo de una chapa de perfil plano compensando por la resistencia adicional debida a la presión lateral del material almacenado y a la resistencia post- pandeo [4]. Pv1 h1 Ph1 Frb B Pv2 Ph2 h2 Ph Pv3 O C 4.2.3 Proyecto de Rigidizadores La figura 9 muestra una disposición de rigidizadores típica. Está constituida principal- 46 a b Figura 11 Cargas y reacciones en un silo
- 22. ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL fuerzas de compresión se combinan con las de tracción que origina la presión lateral ejercida por el material almacenado. La figura 11 muestra las cargas resultantes. La fuerza que actúa en la viga perimetral se calcula tomando momentos respecto al punto 0. Frb = 1 h2 pv 1 2a a + pv 2 + p v 3a –_p 2 3 h2 2 h2 h2 _ ph 3 – 2 (17) 3 ph2 y p h3 son las componentes horizontales de la presión calculada como normal a la pared de la tolva utilizando la ecuación (9). La viga perimetral también tiene que soportar: • Carga vertical debido al rozamiento contra las paredes del silo. • Esfuerzos de compresión axiales que se originan a causa de la flexión de las chapas de la pared. • Tracción axial debida a reacciones de las paredes adyacentes. 4.3 Proyecto de Tolvas Circulares 4.3.1 Introducción El espesor de pared de las tolvas circula- res se selecciona después de verificar las defor maciones debidas a fuerzas de tracción circunferenciales y la estabilidad frente al pandeo. El espesor de la pared de la mayoría de los silos depende de las comprobaciones frente al pandeo, aunque a veces es la tensión en la transi- ción entre silo y tolva la que lo define. La mayor parte de los silos cilíndricos únicamente tienen dos rigidizadores, uno en la transición y otro en la parte superior. Pueden utilizarse rigidizadores adicionales para resistir la carga del viento. Las tolvas cónicas no suelen estar rigidizadas. Esta sección describe los métodos bási- cos de diseño y analiza cada uno de sus compo- nentes críticos. Los principales pasos del pro- yecto son: • Determinación preliminar del tamaño de las paredes del silo y de la tolva. • Pandeo de la pared del silo. • Torsión debida a la excentricidad cualquiera de las fuerzas anteriores. de 4.2.4 Estructura de apoyo En general, la estructura de apoyo de los silos está situada en la viga perimetral. Las pare- des, en silos pequeños, soportan todas las car- gas. Este tipo de soporte es frecuente en los silos circulares, pero en los cuadrados general- mente se siguen colocando soportes desde la viga perimetral de la transición hasta la parte superior de la estructura. Su función es la de soportar las cargas verticales del silo y propor- cionar resistencia al pandeo. Generalmente se coloca una viga perimetral en la parte superior de la tolva para proporcionar una rigidez adicional frente a las fuerzas horizontales. La estructu- ra de soporte se arriostra para proporcionar estabilidad contra las fuerzas laterales aplicadas externamente o las debidas a cargas no simétri- cas. • Determinación de los rigidizadores teniendo en cuenta las tensiones de pared y el pan- deo. • Proyecto de los soportes considerando la influencia de las tensiones en la pared y el pandeo. Ensayos recientes han mostrado las limi- taciones que las reglas de diseño simplificadas tienen y han resaltado las zonas del proyecto que pueden requerir un estudio más detallado. Estas partes incluyen las elevadas tensiones localizadas en la zona de soporte y sus alrededores y la influencia de las cargas asimétricas en las tensiones de pared. En silos muy grandes se recomienda un análisis detallado de la estructu- ra mediante elementos finitos. Puede que esto no sea posible para la mayoría de proyectos de silos debido a factores económicos, por lo que el proyecto se lleva a cabo utilizando procedimien- 47
- 23. tos simplificados. En muchos casos estos proce- dimientos no son modelos precisos del compor- tamiento del silo, y se requiere un proyecto muy cuidadoso para prevenir el agotamiento. • magnitud y forma de las imperfecciones de la pared, • la distribución de la carga de rozamiento en la pared, • la magnitud de la presión interna, 4.3.2 Tensión en la pared cilíndrica • las propiedades elásticas del material alma- cenado, En silos de menos de 5 m de diámetro las tensiones circunferenciales de pared pueden, en una primera aproximación, estimarse de forma sencilla pero conservadora utilizando la distribu- ción simétrica de presiones en vez de la carga de corrección presentada en el apartado 3.2.2 y la teoría de membrana de las láminas. La teoría de membrana supone que la pared del silo únicamente está sujeta a fuerzas de tracción. La ten- sión en la tolva debe calcularse en la parte inferior y en su unión con el cilindro del modo siguiente: • las uniones, th = phe r (18) El espesor de pared resultante debe aumentarse para tener en cuenta los factores debidos a las tensiones en las mismas, la corro- sión y el desgaste, y para garantizar su seguri- dad frente al pandeo. (En la lección 19 se dan factores de eficacia de la conexión para uniones soldadas). La teoría de la membrana sólo es válida en la determinación de las tensiones de pared en zonas lejos de discontinuidades tales como cam- bios en el espesor de la pared, en los soportes o en los rigidizadores. Se han de tomar precaucio- nes especiales en función del tipo de soporte requerido. Estas precauciones se analizan en los apartados 4.3.4 a 4.3.6. 4.3.3 Pandeo de la pared El modo de fallo más frecuente en los silos de acero cilíndricos es el pandeo de la pared sometido a compresión axil. Esta compre- sión axil puede ser debida a las cargas combi- nadas de la fricción en la pared, de las debidas al techo y de las del equipo adicional. La tensión de pandeo elástica de la pared del silo está influenciada por los siguientes factores: • los soportes del silo. Puede estudiarse el efecto del pandeo mediante sencillos cálculos manuales, siempre que las paredes, apoyos y uniones del silo se hayan estudiado cuidadosamente para prevenir desplazamientos significativos fuera del plano, que pueden conducir a fallo por pandeo. Se han propuesto diversos métodos para el cálculo de la tensión de pandeo elástica críti- ca, métodos resumidos por Rotter [13]. Un enfo- que sencillo y conservador es adoptar la tensión crítica elástica clásica multiplicada por un coefi- ciente de seguridad empírico . Et fcr = 0,605 r (19) donde = 0,15 La influencia de la presión lateral se des- precia y se supone que la lámina está comprimi- da axialmente de manera uniforme. Puede utilizarse la ecuación (19) con sufi- ciente seguridad si la repartición de la carga es uniforme (por ejemplo, si se utiliza la distribución de las presiones conservadora dadas en el Eurocódigo 1) y los apoyos se hayan estudiado de modo que se eviten tensiones significativas fuera de plano y deformaciones en la pared. Para prevenir el pandeo, deben tenerse en cuenta los siguientes factores a la hora de proyectar las paredes de silos cilíndricos:
- 24. 8 ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL • Los silos pueden calcularse de forma menos conservadora mediante la aplicación de la distribución de presiones de correc- ción. La carga de corrección resulta de una distribución asimétricas de las presiones alrededor de la pared del silo, y correspondiendo con rápidos cambios circunferencia- les de tensión. Se requiere un análisis rigu- roso de la lámina que compone la pared del silo, ya que los métodos de cálculo manua- les sencillos no son válidos para un análisis preciso. • Pueden obtenerse ahorros mayores tenien- do en cuenta el incremento de la resistencia de la pared del silo debido a la presión late- ral del material almacenado. La tracción en la tolva resultante de la presión lateral redu- ce la sensibilidad a las imperfecciones del pandeo bajo compresión axil y aumenta la resistencia al pandeo. Se han desarrollado métodos para incluir la influencia de la pre- sión interna en la resistencia al pandeo [15]. Los proyectistas han sido reacios a utilizar estas consideraciones debido al elevado número de tipos de fallos por pandeo de silos de acero y a la necesidad de garanti- zar que la capa estacionaria de material almacenado adyacente a la pared del silo debe tener un espesor adecuado. En silos con descarga excéntrica no puede garanti- zarse esta circunstancia en toda la pared, por lo que puede que no se produzca nin- gún incremento en la resistencia al pandeo. dos mediante procesos distintos pueden presentar resistencias al pandeo muy distin- tas. En los silos con grandes imperfeccio- nes debe reducirse la tensión crítica. Las recomendaciones ECCS [15] proporcionan reglas para la reducción de la resistencia dependiendo del tipo y tamaño de las imperfecciones. • En los silos construidos mediante uniones atornilladas con chapas asolapadas, la resistencia al pandeo se reduce por debajo del valor utilizado en el caso de soldadura a tope. Las uniones circunferenciales dan lugar a excentricidades de la compresión axil, lo que provoca deformaciones asimétri- cas desestabilizadoras, tensiones de compresión circunferenciales y tensiones loca- les de flexión. • Los pilares pueden inducir tensiones de fle- xión elevadas en la pared del silo. Estas pueden influir en una zona a una distancia varias veces el diámetro medido a partir del apoyo. Puede reducirse el problema exten- diendo los soportes hasta la altura total del silo (entonces los soportes pueden aguantar directamente las cargas del techo). Si los sopor tes no se continúan hasta la parte superior del silo, puede utilizarse un análisis de flexión de la lámina para determinar las tensiones inducidas en la pared, viga peri- metral y rigidizadores asociados. Pandeo debido a Carga del Viento • Normalmente, las paredes cilíndricas no tie- nen rigidizadores verticales. El tamaño físi- co de las abolladuras locales es pequeño, por lo que sería necesario colocar los rigidi- zadores longitudinales a poca distancia unos de otros para prevenir el pandeo. Los rigidizadores circunferenciales no tienen ningún efecto especial en la resistencia al pandeo bajo compresión axil. • La tensión de crítica de pandeo se reduce con las imperfecciones de la superficie. El número y tamaño de estos defectos, a su vez, depende del proceso de fabricación. Cilindros aparentemente idénticos fabrica- Las ECCS [15] y BS 2654 [16] dan recomendaciones para el proyecto de cilindros que resistan presiones externas. Generalmente se dispone en la parte superior del silo un marco, ya sea mediante un techo fijo o un rigidizador en la parte superior del cilindro. En grandes silos, puede resultar económico rigidizar la sección del silo circular. Esta rigidización incrementa la resis- tencia al pandeo debida al viento pero no la de tracción circunferencial o la compresión meridio- nal, excepto localmente. Los rigidizadores cir- cunferenciales deben colocarse en la parte exte- rior de la tolva para evitar disminución y uniformidad en el flujo. Las tolvas de acero son
- 25. más susceptibles al pandeo por el viento duran- te la construcción que cuando están en servicio, porque en este caso el techo y la viga perimetral en la transición proporcionan una mayor rigidez frente al pandeo. 4.3.4 Fondo y tolva Cuando la pared del silo está rígidamente conectada al forjado plano que forma el fondo, tienen lugar elevadas tensiones en la unión entre ellos. Estas tensiones pueden reducirse median- te una unión que permita movimientos o proyec- tando la pared del silo de forma que no se pro- duzcan sobretensiones. Los fondos planos deben proyectarse para soportar la presión verti- cal calculada a partir de la ecuación (8). Las tolvas cónicas se calculan como membranas a tracción. Para el cálculo del espe- sor de la pared y el detalle de la unión, hay que tener en cuenta las tensiones meridional y cir- cunferenciales en la misma. La tensión meridio- nal tm, se calcula a partir de la presión vertical de descarga pv en la transición y el peso, tanto del material en la tolva como del propio de la norma, W. tm = pv r W + 2 cos (90 – ) 2 r cos (90 – ) (20) 4.3.5 Viga perimetral en la transición La transición entre el cilindro y el cono (silo y tolva) puede efectuarse mediante diferen- tes sistemas, algunos de los cuales se muestran en la figura 12. La tolva está sometida a unas fuerzas hacia el interior y hacia abajo que indu- cen una compresión circunferencial sobre la viga perimetral en la transición. Esta viga debe com- probarse para evitar el colapso plástico y el pan- deo. Es práctica usual calcular vigas perimetra- les apoyadas de modo continuo para resistir las componentes horizontales de la tensión tm debi- da a la tolva. Esta puede ser reducida al tener en cuenta la acción horizontal de la parte cilíndrica. La viga perimetral tiene que soportar las cargas verticales y transmitirlas a los soportes. Un resumen de las fuerzas que actúan en la viga perimetral en la transición sería: • carga vertical debida al rozamiento del material sobre la pared en el cilindro; • carga hacia fuera de la presión horizon- tal sobre el cilindro; • fuerzas debidas a la acción sobre la tolva considerada como membrana; La tensión en la tolva th se calcula a partir de la presión normal a la pared durante la des- carga, y es igual a: th = pr cos (90 ) – (21) Deben tenerse en cuenta también los efectos de los equipos auxiliares para la descar- ga mecánica y la influencia de los apoyos en las tensiones en las paredes de la tolva. No existen métodos de cálculo manuales fiables para cono- cer las tensiones locales debidas a la influencia de los pilares, por lo que para obtener una pre- dicción fiable ha de recurrirse al análisis por ele- mentos finitos. Figura 12 Vigas perimetrales de transición típica: [9] 50
- 26. ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL • torsión debida a la excentricidad de cualquiera de las fuerzas anteriores; cargas a transmitir a los soportes pueden trans- mitirse mediante rigidizadores. • acciones de las cargas transmitidas a los soportes. Estas fuerzas producen: En el caso de silos de poco diámetro o de diámetro característico dc < 7 m, las paredes del silo pueden prolongarse hasta la cimentación y apoyar de forma continua. • una compresión axil como resultante de las acciones hacia afuera y hacia aden- tro; 4.3.7 Uniones • cortadura y flexión en los soportes; • flexión local de la lámina; • torsión debida a la excentricidad de la lámina y las cargas de los soportes. Las paredes pueden unirse mediante sol- dadura o tornillos. Cuando se utilizan uniones atornilladas, los proyectistas deben tener en cuenta la reducción de la resistencia al pandeo de la pared de la tolva, debido a las uniones por solape. Las uniones se proyectan para soportar las tensiones meridional y circunferencial en el cilindro (silo) y la tolva, como se ha descrito ante- riormente. Las tensiones de compresión circunferen- ciales en la vía perimetral en la transición de las tolvas de flujo másico, disminuyen debido al efecto de carga rápida. De no conocerse exacta- mente la magnitud de este efecto de carga rápi- da, sus efectos beneficiosos no se tienen en cuenta en el proyecto. En muchos casos, tanto parte de la pared de la tolva como del silo, soportan las cargas como componentes de la viga perimetral y, por consiguiente, deben proyectarse para ello. Para tolvas soportadas con zócalos, como prolonga- ción de la pared del silo, la mencionada pared proporciona resistencia suficiente y no hace falta la viga perimetral. 4.3.6 Apoyos La figura 13 muestra distintos tipos de apoyos de silos. Los silos soportados mediante columnas presentan un estado tensional muy complicado en las zonas de pared del silo, alre- dedor del soporte. Este estado de tensiones es menos complicado cuando los pilares se hacen llegar a la parte superior de la tolva. El incre- mento de tensiones en la pared pueden reducir- se mediante un cuidadoso proyecto del apoyo de la columna. La distancia entre el soporte y la pared del silo debe ser la menor posible y las Figura 13 Columnas típicas 51 Página | 24
- 27. 5. RESUMEN FINAL • El Eurocódigo 1 proporciona reglas simplifi- cadas para el proyecto funcional de silos y el cálculo de cargas en los tipos más comu- nes. • Las cargas no uniformes deben tenerse muy en cuenta en el proyecto. • Los silos no circulares son estructuras fuer- temente rigidizadas proyectadas para soportar cargas a flexión. En general se diseñan de forma conservadora. • En el proyecto de silos circulares el pandeo de la pared es uno de los efectos más sig- nificativo. • Pueden proyectarse de forma conservadora tolvas circulares y no circulares mediante métodos sencillos de cálculo manual. • Los apoyos, uniones, rigidizadores, etc., deben estudiarse detalladamente, con el fin de disminuir al máximo posible la existencia de tensiones y deformaciones fuera del plano. 6. BIBLIOGRAFÍA [1] Eurocode 1: ”Basis of design and actions on structures, Part 4, Actions in silos and tanks”, ENV 1991-4, CEN (en prensa). [2] British Materials Handling Board, “Silos - Draft design code”, 1987. [3] Eurocode 3: ”Design of steel structures“: Part 4, Tanks, Silos and Pipelines, CEN (en prepara- ción). [4] National Coal Board, “The design of coal pre- paration plants”, UK National Coal Board Code of Practice, 1970. [5] Gaylord, E. H. and Gaylord, C. N., “Design of steel bins for storage of bulk solids”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1984. 52 [6] Reimbert, M. and Reimbert, A., “Silos: Theory and practice”, Trans Tech Publications, 1987. [7] Troitsky, M. S., “On the structural analysis of rectangular steel bins”, Powder and Bulk Solids Technology, Vol 4, No. 4, 1980, pp 19-25. [8] Trahiar, N. S. et al, “Structural design of steel bins for bulk solids”, Australian Institute of Steel Construction, 1983. [9] The University of Sydney, “Design of steel bins for the storage of bulk solids”, Postgraduate professional development course, 1985. [10] Lambert, F. W., ”The theory and practical design of bunkers”, The British Construction Steelwork Association Limited, 1968. [11] Safarian, S. S. and Harris, E. C., “Handbook of concrete engineering - Silos and Bunkers”, Van Nostrand Reinhold Co., New York, 1974. [12] Wozniak, S., ”Silo design” in Structural Engineers Handbook. [13] Rotter, J. M. et al, “A survey of recent buc- kling research on steel silos”. Steel structures - recent research advances and their applications to design, ed M. Pavlovic, Elsevier applied scien- ce, London, 1986. [14] Building Research Establishment, “Dust Explosions”, BRE TIL 613, 1984. [15] European Convention of Constructional Steelwork (ECCS), European recommendations for steel construction: Buckling of shells, 4th edn. [16] BS 2654:BS 2654: 1989, “Manufacture of vertical steel welded non-refrigerated storage tanks with buttwelded shells for the petroleum industry”. British Standards Institution, London, 1989. [17] Eurocode 1: ”Basis of design and actions on structures, Part 2, Wind loads on buildings”, ENV 1991-2-1, CEN (in preparation).
- 28. DISEÑO ESTRUCTURAL DE SILO – 650KN Memoria de Cálculo
- 29. C DISEÑO DE UN SILO 1.- INTRODUCCION Y AMBITO En este ejercicio aplicatibo se trata del cálculo de un silo cilíndrico de acero con fondo plano, como se muestra en la figura 1. Es una de las muchas formas tratadas en la lección 19.2 “'Diseño Estructural de Silos”' y en este caso específico se considera como base del diseño, su utilización como almacenamiento de material granulado a granel como un cilindro de chapa y estructuralmente unido mediante soldadura. El mecanismo de llenado se proyecta para evitar cualquier excentricidad importante del material almacenado, y se distribuye concéntricamente desde el fondo del silo. Las cargas debidas al material almacenado se calculan de acuerdo con las normas del Eurocódigo 1 y el proyecto estructural por medio de las fórmulas indicadas en la lección 19.2. El ejemplo se limita al cálculo de las cargas debidas al material almacenado y al diseño del cilindro. No se incluye el estudio del tipo de flujo ni el proyecto estructural de elementos tales como la cubierta o los cimientos. 1.1.- DETALLES DE DISEÑO Capacidad Total Ct 650kN Peso es pesifico del material γ1 29.3 α1 40° α2 25° Presion de Diseño Pd 4500Pa Temperatura to 65 ° Angulo de Cono β 40deg Angulo de Techo θ 100deg Angulo de Reposo (Angulo de Friccion del Material) Angulo de Friccion sobre el Acero kN m 3 1.2.- DIMENSIONES Ct Volumen Total (V t ) Vt Diametro dc 2.65m Relacion de Esbeltes e1 2.5 1.3.- MATERIAL Acero Estructural ASTM - A36 γ1 22.184 m 3
- 30. 1.4.- DIMENSIONES DEL SILO Para determinar las dimensiones del silo tomaremos en cuenta la relacion de esbeltes de 1.8 y ademas un volumen libre del 10% Vt 22.18 m 3 dc h1 h2 h3 dc tan( 20°) 2 e1 dc 0.1 Vt 2.218 m 3 Volumen libre 10 % 2.65 m h Vlibre 6.625 m 0.482 m 3.3m dc tan( 65°) 2 2.841 m v1 π tan( 20°) dc 3 0.887 m 24 2 v2 v3 π dc h2 18.201 m 4 π tan( 65°) dc 3 3 5.224 m 24 VTOTAL 3 3 Vlibre Vt 24.403 m v1 v2 v3 VCALCULADO 3 24.312 m 3 CONCLUSION Para nuestro caso las dimensiones del silo seran las siguientes con una relacion de esbeltes de 1.8 Diametro de Cilindro dc 2.65 m Altura de cilindro h2 3.3 m Altura de tolva h3 2.841 m altura total h 6.625 m h1 h2 h3
- 31. 2.- PROPIEDADES DEL MATERIAL ALMACENADO Las propiedades del material almacenado, utilizado para el cálculo de las cargas que actúan sobre la estructura, se toman de la tabla 1 del Eurocódigo 1, Parte 4 y son las siguientes: Densidad kN 3 m 29.3 γ1 Coeficiente de Rozamiento contra las paredes μ ks Relacion Precion horizontal - Presion Vertical 0.4 0.55 Las propiedades del acero considerado en esta estructura son: σF N 240 E 2 210 mm ASTM - A36 kN 2 mm Acero de calidad para la construcción de estructuras. Fácilmente soldable y trabajo a condiciones de carga mediana, muy bueno para mineral. 3.- CLASIFICACION DEL SILO Para clasificar el silo debemos de determinar su capacidad 2 Cs dc π hγ 1 2 Cs Capacidad del Silo (C.s) 1070.62 ( kN) El silo puede estar clasificado en Clase 1, con capacidad menor a 1000 kN y es preciso garantizar el tipo de flujo, con el fin de asegurar unas presiones sobre las paredes reales. Conseguir esta garantía de un modo detallado está por encima del alcance del capítulo 19 que la da como resuelto. El fondo del silo es plano y dadas sus características se corresponde con un patrón de flujo de chimenea. h dc 2.5 Silo esbelto
- 32. 4.- CARGAS DEBIDO AL MATERIAL ALMACENADO 4.1.- CARGAS DE LLENADO Presión vertical sobre el fondo del silo γ 1 A pv 2 A dc π 2 5.515 m 0.9U μ ks 2 1 e U h ks μ U A dc 8.325 m 2 2 π Para tener en cuenta la viabilidad inherente de las propiedades de los materiales granulares y poder obtener valores que representan las propiedades extremas de los materiales se deben de aplicar los valores de conversion de 0.9 y 1.15 a los valores de μ y ks, de este modo para calcular las presiones maximas se emplearan las siguientes combinaciones: Max Ph para ks 1.15 ksm y μ 0.9 μ m Max Pv para ks 0.9 ksm y μ 0.9 μ m Max Pw para ks 1.15 ksm y μ 1.15 μ m 4.1.1. - PRESION VERTICAL (Pv) ks1 0.9 ks 0.495 μ1 0.9 μ 0.36
- 33. γ 1 A 1 e Pvmax1 h ks1 μ 1 U 90.597 kN 2 A μ 1 ks1 U m kN 2 m Pvmax1 90.597 4.1.2. - PRESION HORIZONTAL (Ph) Presión horizontal sobre el fondo del silo Phfmax μ2 1.15 μ 0.46 ks2 0.9 ks 0.495 con estos valores nos da un Pvmax2 Pvmax2 γ 1 A 1 e h ks2 μ 2 U A μ 2 ks2 U m kN 2 m Pvmax2 Phmax 76.503 kN 2 76.503 ks2 Pvmax2 kN 2 m 37.869 4.1.3. - PRESION EN FRICCION DE LA PARED (Pw) Presión debida al rozamiento contra la pared del fondo del silo μ3 1.15 μ 0.46 ks3 1.15 ks 0.632 con estos valores nos da un Pvmax3 Pvmax3 γ 1 A 1 e h ks3 μ 3 U A μ 3 ks3 U Pvmax3 63.081 kN 2 m kN 2 m 63.081
- 34. Pwmax μ 3 ks3 Pvmax3 kN 2 m 18.353 4.2.- CARGAS DEVIDO A LA DESCARGA Las presiones debidas a la descarga se componen de una carga fija y una carga libre denominada carga específica. Carga Fija Presión horizontal De donde: ch 1.3 Coeficiente Amplificador de la carga horizontal Phe ch Phmax kN 2 m 49.23 Presión debida al rozamiento contra las paredes De donde: cw 1.1 coeficiente amplificador debido a la presión contra las paredes Pwe cw Pwmax kN 2 m 20.189 Carga Libre Pueden utilizarse las reglas específicas. Sin embargo, con el fin de simplificar el diseño y dado que dc<5 m, puede utilizarse el método simplificado (cláusula 4.2.3: Eurocódigo 1: Parte 4) para calcular las presiones adicionales debido a la descarga. Presión horizontal total debido a la descarga de acuerdo con el método simplificado. Para calcular las presiones totales debido a la descarga mediante el método simplificado es habitual llevar a cabo un cálculo preliminar de la fuerza de tracción periférica en el fondo del silo. El espesor de la pared lo dimensiona, normalmente, el pandeo vertical de la misma.
- 35. 4.3 .- ESPESOR DE PARED Fuerza de tracción periférica por unidad de longitud De donde: γQ 1.5 Factor de Seguridad th γ Q Phe dc 2 th t N mm 97.844 σF 0.408 ( mm) Si se utiliza una soldadura a tope con penetración total y tomando un factor de eficacia de la unión de 0.85 t t1 0.48 ( mm) 0.85 Para facilitar la fabricación y el montaje, el espesor mínimo será de 3 mm. t1. dc t1. 4mm 662.5 662.5 200 El silo se clasifica como de pared delgada. La presión horizontal total en la base del silo es: β1 1 para el caso de llenado y descarga concéntricos Phes Phe 1 0.1β 1 kN 2 m 54.15 La presión total por rozamiento contra las paredes es: Pwes Pwe 1 0.2β 1 kN 2 m 24.23
- 36. 4.- COMPROBACION FRENTE AL PANDEO La tensión de compresión vertical en la base del silo es igual a la suma de todas las cargas verticales que actúan sobre la pared. El silo tomado como ejemplo no incluye cubierta ni ningún equipo auxiliar por lo que las únicas fuerzas verticales se deben a la presión por rozamiento del material almacenado. La compresión axial en la base del silo es igual a la suma de las anteriores presiones por rozamiento contra la pared. Las presiones debidas a la descarga por rozamiento contra la pared se suman y nos dan el caso de carga más desfavorable: Según el Eurocódigo 1: Parte 4, cláusula 4.2.1. de donde: cw z 1.1 h (1 0.2 β ) 1.14 zo A ks3 μ 3 U 2.277 m 6.625 m Pwesrecalculado z z z z 1 e o A o cw ( 1 0.2β ) γ 1 U N 108.822 mm El esfuerzo axil circunferencial unitario es igual al esfuerzo axil multiplicado por un coeficiente de seguridad para tener en cuenta las cargas variables, que según el Eurocódigo 1: Parte 2. Pwd γ Q Pwesrecalculado N mm 163.234 De acuerdo con el espesor indicado anteriormente de 4 mm da una tensión de Pwd 4 N mm 40.808 La tensión crítica de pandeo es: fcr t1. 57.532 N 2 dc mm 2 0.15 0.605 E Por consiguiente el espesor minimo debe de ser 4mm
- 37. 5.- VERIFICACION POR RESISTENCIA DE MATERIALES Phmax.1 t γ 1 h kN 2 m 194.113 dc r 2 1.325 m 4mm σ1 Phmax.1 r t 2 t N 2 mm σ2 32.15 N 2 mm σ2 32.15 σ1 64.3 σ1 64.3 τ max Phmax.1 r σ2 σ1 2 N 2 mm N 2 mm N 2 mm 32.15 Aplicando la teoria de falla de von misses tenemos lo siguiente σ1 0 0 64.3 0 0 0 σ2 0 0 32.15 0 0 0 0 0 0 0 σeq σeq N mm2 σ 2 σ 2 σ σ 2 1 2 1 N 2 mm 55.685 σF N 2 mm 240 Como se puede observar el esfuerzo equivalente es menor que el esfuerzo de fluencia por tanto se comprueba por resistencia de materiales que el espesor seleccionado esta bien calculado con un facto de seguridad de 4.3 σeq σF
- 38. DISEÑO DE ESTRUCTURA BASE CALCULO DE SOPORTES BASE POR PANDEO Los soportes de nuestro silo sera 4 perfiles que deben de sar capaces de soportar las 650KN de pero necesario Datos Ct - Carga Total 650 ( kN) Ct P - Carga unitaria por pata L1 - Longitud - Disposicion : Empotrado - Articualdo k 162.5 ( kN) 4 5.6m 0.7 - Peso del Silo Ps 20kN - Perfil seleccionado W200 x 100 - Propiedades de perfil seleccionado Area Ix 2 12700mm d 229mm 4 113000000mm - Material : Acero Estructural ASTM - A36 E1 200GPa Modulo de Elasticidad σY 250MPa Resistencia a la Fluencia Paso 1.- Para la columna de extremo empotrado y articulado, el factor de fijacion de los extremos es K=0.7, y su longitud efectiva sera: k 0.7 Le k L1 rx 32.5mm Paso 2.- Radio de Giro segun tabla xxx ry 23.5mm 3.92 m
- 39. Paso 3.- Relacion de Esbeltez k L1 166.809 ry Paso 4.- Cacule la constante de columna 2 Cc 2 π E1 125.664 σY Paso 5.- Como la relacion k L1 ry Cc entonces la columna es corta, para este caso se empleara la formula de J.B. JOHNSON para calcular la carga critica: Pcr 2 Area σY 1 kL1 σY ry 2 4 π E1 Pcr 377.756( kN) 377.76 ( kN) Para nuestro caso tenemos una carga por columna de P= 162.5kN, lo cual nos da un factor de seguridad de: fs Pcr P Ps 2.07 CONCLUSION .- Para nuestro silo con una capacidad de 650kN sera necesario utilizar como base de soporte una el perfil W 200X100 de acero estructural ASTM -A36 que sera lo suficientemente capaz de resistir la carga del silo incluido el peso con una facto de seguridad de 2.07
- 40. CALCULO DE SOLDADURA La disposicion del calculo de nuestra soldadura, sera en la base del silo con el cilindro respectivo, siendo este un cordon lateral con union a solape, utilizaremos el EUROCODIGO para determinar el cordon de soldadura DATOS a1 5mm F1 P L2 502mm Ps β 1. 182.5 ( kN) F1 τa 0.7 0 σn σeq1 τn 2 σeq1 σeq1 3.3 ( MPa) 2 a1 L1 β 1. σn 3.95 ( MPa) σY 2 3 τ n σY 2 τa 0 250 ( MPa) Es correcto por onsiguiente no falla