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7/22/2019 Informe 3-Pasantía RFEng_Rev1
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Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá - Facultad de
Ingeniería
2013-I
Informe de pasantía –Ingeniero Proyectista
Diseño de recipientes a presión bajo código ASME
Sec. VIII Div. 1 y API 650
Gustavo Alejandro Ospina - COD. 234310
Presentado a: Ing. Miguel Baquero
Junio 26/2013
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CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS ..............................................................................................................................................2
ANÁLISIS DE UNA CHIMENEA ........................................................................................................................3
CENTRALES TÉRMICAS................................................................................................................................3
CICLO DE RANKINE......................................................................................................................................3
DISEÑO DE LA CHIMENEA: CÓDIG O ASME STS-1 Steel Stacks .............................................................5
Altura de la chi men ea ................................................................................................................................8
DISEÑO PARA CARGAS DE VIE NTO ...........................................................................................................9
3-SEC GUST SPEED. Velocidad del Viento básico.....................................................................................10
IMPORTANCE FACTOR. COEFICIENTE DE IMPORTANCIA ........................................................................12
EXPOSURE CATEGORY . Categoría de rugosidad deL terreno. .................................................................12
FIRST MODE FREQUENCY (fundamental frequency). Frecuencia fundamental ......................................13
Espesor de lámina ...................................................................................................................................17
Razón de amortiguamiento ...............................................................................................................18
Coeficiente de exposición a la presión de velocidad Kz ..........................................................................19
Factor topográfico Kzt .............................................................................................................................19
Presión de velocidad qz...........................................................................................................................20
COEFICIENTE DE FUERZA Cf.....................................................................................................................20
CÁLCULO DE UNA PASARELA IND USTRIAL .................................................................................................24
NORMATIVIDAD APLICABLE: Engineering equipment and materials users a ssociation ................24
CÁLCULO DE LA VIGA................................................................................................................................25
ANÁLISIS FEM ............................................................................................................................................28
BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................................................................35
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LISTA DE FIGURAS
Fig. 1. Representación esquemática de una central térmica. (1).......................................................................3
Fig. 2. Esquema del Ciclo de Rankine. (2)...........................................................................................................4
Fig. 3. Construcción e instalación de una chimenea de acero. (4) .....................................................................5
Fig. 4. Estructura del código ASME STS. .............................................................................................................6
Fig. 5. Velocidad del viento básico en Colombia. (5)........................................................................................11
Fig. 6. Valores del coeficiente de importancia. (5) ...........................................................................................12
Fig. 7. Clasificación de las vibraciones mecánicas. ...........................................................................................13
Fig. 8. Frecuencia fundamental y sobretonos de una onda. (6).......................................................................14 Fig. 9. Elementos básicos de un sistema oscilatorio. (7) ..................................................................................14
Fig. 10. Parámetros para el cálculo del periodo aproximado Ta. (5) ...............................................................16
Fig. 11. Espesores mínimos de lámina para chimeneas en función de su diámetro. (8) .................................17
Fig. 12. Razones de amortiguamiento según ASME STS-1. (8) .........................................................................18
Fig. 13. Característica de la respuesta de un sistema de 2º orden. (9) ............................................................18
Fig. 14.Coeficientes de exposición Kz. (8) ..........................................................................................................0
Fig. 15. Efecto del factor topográfico Kzt. (8)...................................................................................................19
Fig. 16. Tabla de coeficientes de fuerza. (8).....................................................................................................20
Fig. 17. Esquema de una escalera para montaje en campo. (9) ......................................................................24
Fig. 18. Equivalentes de carga para vigas. (10) ................................................................................................26
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ANÁLISIS DE UNA CHIMENEA
Se requiere realizar el cálculo estructural de una chimenea de 1m de diámetro y una longitud de 30m. Se
contextualizará brevemente el funcionamiento de la chimenea dentro de la instalación, y se procederá a
explicar el procedimiento para el diseño estructural realizado.
CENTRALES TÉRMICAS
Fig. 1. Representación esquemática de una central térmica. (1)
CICLO DE RANKINE
Las centrales térmicas convencionales producen electricidad a partir de combustibles fósiles como carbón,
fueloil o gas natural, mediante un ciclo termodinámico de agua-vapor, más exactamente, el Ciclo de
Rankine, es en el quemador de la caldera donde se producen los gases que deben ser evacuados por la
chimenea.
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Fig. 2. Esquema del Ciclo de Rankine. (2)
Una chimenea cumple en una central térmica las siguientes funciones:
1. Dispersar los gases de combustión y reducir localmente la influencia negativa de estos gases en el
aire. Por esta razón las chimeneas suelen tener una altura considerable.
En muchos casos, los gases emitidos no son más que vapor de agua, sin embargo, en la gran mayoría de
los casos, los gases son perjudiciales para el ambiente. Un ejemplo común el es dióxido de azufre SO2.
Este gas es emitido en muchos procesos industriales , especialmente los que queman carbón para
producir energía. El dióxido de azufre es particularmente perjudicial, ya que se mezcla con el agua del
aire para formar ácido sulfúrico H2SO4 formando lluvia ácida.
Todo gas que sale de una chimenea se llama emisión. Lo deseable es disminuir la cantidad, y efecto
negativo de las emisiones, hay básicamente 3 formas de hacerlo:
a. Reducir la cantidad de energía obtenida a partir del carbón , en favor de energías más limpias
(hídrica, eólica, solar, nuclear, etc). Sin embargo, estos métodos son a menudo más costosos que la
obtenión a partir del carbón, y crean otro conjunto de problemas como por ejemplo, los desechos
nuleares.
b. Poner filtros, depuradores y otras tecnologías en las chimeneas para retirar la polución perjudicialemitida por la chimenea. Sin embargo, estas tecnologías aumentan el costo de la energía a la
industria, y este costo adicional termina trasladándose a los consumidores.
c. Aumentar la altura de las chimeneas. Esto no reduce las emisiones, pero las libera más alto en la
atmósfera, donde las corrientes de viento superiores pueden dispersar los contaminantes lejos del
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suelo. Sin embargo, hay naturalmente un límite para la altura máxima que puede alcanzarse con
las chimeneas, además, su mantenimiento es costoso.
2. Proveer el tiro o arrastre necesario para el funcionamiento del hogar de la caldera, con el fin de
poderle suministrar el aire necesario para la combustión del combustible, y arrastrar los gases
quemados al exterior. El tiro puede ser natural o mecánico.o Tiro natural: Es producido térmicamente. La chimenea crea una diferencia de presión
cuyo valor depende de la altura de la boca de la chimenea y de la diferencia media de
temperatura entre los gases quemados contenidos en la chimenea y la del aire del
exterior.
El tiro natural no consume energía mecánica, y está indicado en pequeñas centrales,
cuando la carga no varía considerablemente, o en donde las calderas no han de desarrollar
grandes producciones de vapor con gran rapidez. (3)
o Tiro mecánico: Es producido mediante inyectores de vapor o ventiladores.
Las necesidad del tiro en el sistema se debe a la resistencia al paso del aire y gases
quemados que aparece en conductos, lecho de combustible, tipo e instalación de la
caldera, precalentadores de aire, recuperadores y la velocidad de combustión requerida
entre otras.
DISEÑO DE LA CHIMENEA: CÓDIGO ASME STS-1 STEEL STACKS
El código ASME-STS de diseño de chimeneas de acero apareció en el año 1978 con el objetivo deestandarizar el diseño, fabricación y emplazamiento de las chimeneas y sus accesorios.
Fig. 3. Construcción e instalación de una chimenea de acero. (4)
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El diseño de chimeneas es complejo debido a la susceptibilidad que tienen a fallar debido a vibraciones inducidas
por viento y por sismo, junto con la corrosión y la erosión.
A continuación se presenta la estructura del código ASME-STS.
Fig. 4. Estructura del código ASME STS.
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Las siguientes, son algunas consideraciones básicas a tener en cuenta, requeridas por el código ASME STS:
Corrosión admisible 1/16’’ a 1/8’’
Material Pueden utilizarse los mismos que en ASME Sec. VIII.
Aislamiento interno Es requerido si hay vapores o elementos corrosivos
en el gas de salida.
Si la temperatura interna supera las temperaturas
admisibles para el acero empleado ASME Sec. II
Parte D.
Aislamiento externo Si el aire cirundante alcanza su punto de rocío (dew
point) Tgdp en la superficie externa de la chimenea.
Por regla general, si Ts<Tgdp+10°C, se requiere
aislamiento externo.
Consultar las condiciones ambientales (posibles
agentes corrosivos en el aire circundante).
Soldadura Deben tenerse en cuenta los coeficientes de
dilatación térmica a temperaturas mayores a 200°C
Creep Es un fenómeno de deformación permanente bajo
carga a alta temperatura. Para el acero SA-36 la
temperatura de creep es de 400°C.
Recubrimiento (pintura) Las chimeneas construidas de acero al carbón
pueden requerir pintura para proteger el acero, por
estética, y para satisfacer normas de seguridad
aérea.
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Es importante tener en cuenta que hay aceros de
baja aleación que tiene suficiente resistencia a la
corrosión como para no requerir pintura en ciertos
entornos corrosivos, como el SA-242 y el SA-588,
además de los aceros inoxidables y algunos de alta
aleación.
Las pinturas se clasifican básicamente como:
Basadas en aceite, alquídicas, fenólicas y vinílicas.
ALTURA DE LA CHIMENEA
La acción causante de la circulación de los gases, y necesaria para vencer los rozamientos, expresada en
kg/m2 es igual a la altura de la chimenea h en metros, multiplicada por la diferencia de densidades del aire
exterior ρa y la densidad media de los gases quemados ρg.
La presión equivalente a 1cm de agua expresada en kg/m2 valdrá 100. D es el peso de 1m3 de agua a la
temperatura de los gases quemados en la chimenea.
El tiro (diferencia de presión) teórico en centímetros de columna de agua cmH2O vale entonces:
La densidad del aire exterior y la media de los gases quemados puede calcularse mediante el modelo de los
gases ideales:
Donde
P: Presión absoluta
V: Volúmen=1m3
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n: Moles de gas=44,24mol (en 1m3)
M: Masa molar aire=28,97g/mol
R=29,29kg/°C para el aire y los gases de combustión.
T: Temperatura absoluta
B=Presión barométrica en mmHg
P/R= 13,6B/29,29=0,464B
En unidades inglesas, la fórmula para el tiro natural queda de la siguiente manera:
Donde:
B: Presión barométrica (atmosférica) [inHg]
: Tiro natural de la chimenea [inH2O]
: Altura de la chimenea [ft]
: Temperatura ambiente absoluta [°R]
: Temperatura promedio absoluta del gas [°R]
DISEÑO PARA CARGAS DE VIENTO
El diseño estructural de la chimenea fue realizado con el software Codeware Compress. Se presentará a
continuación la obtención de los datos de entrada para dicho cálculo, con una breve explicación de cada
parámetro. Estos parámetros son requeridos por el código ASCE 7-10 ( American Society of Civil Engineers) y
la norma NSR-10.
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Una chimenea sometida a cargas de viento puede modelarse como una viga en voladizo bajo una carga
uniformemente distribuida.
PRESIÓN DEL VIENTO DE DISEÑO
La presión ejercida por el viento sobre la chimenea puede obtenerse a partir de la siguiente expresión que
es función de la velocidad del viento y factores de forma y altura.
Fig. 5. Presión de estancamiento del viento en función de su velocidad. (5)
Donde:
qs [lb/ft2]: Presión de estancamiento del viento a la altura estándar de 30ft.
Cq: Coeficiente de presión (factor de forma)=1 para chimeneas redondas.
Ce: Altura combinada, exposición y coeficiente del factor por ráfagas.
Fig. 6.Valores del coeficiente Ce para varias alturas de chimenea.
La categoría C es la condición más severa, con terreno plano y abierto que se extiende 0,5mi o más desde la
chimenea. Las grandes plantas petroquímicas están en esta categoría.
3-SEC GUST SPEED . VELOCIDAD DEL VIENTO BÁSICO
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3-sec gust speed. Es la máxima velocidad que puede alcanzar una ráfaga de manera sostenida durante 3
segundos con una probabilidad de 1/50 de ser excedida en un año. Esta es la velocidad del viento de diseño.
Para el Reglamento Colombiano Sismoresistente NSR-10 esta velocidad se denomina velocidad básica del
viento, y se obtiene de la siguiente figura del Título B- cargas:
Se utilizará la velocidad básica para la región 4, V=120km/h.
Fig. 7. Velocidad del viento básico en Colombia. (6)
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IMPORTANCE FACTOR. COEFICIENTE DE IMPORTANCIA
En la NSR-10 A2.5.1 se asigna el coeficiente de importancia según el grupo de uso al que pertenezca la
estructura.
• Grupo IV. Edificaciones indispensables.
• Grupo III. Edificaciones de atención a la comunidad.
• Grupo II. Edificaciones indispensables.
• Grupo I. Estructuras de ocupación normal
Fig. 8. Valores del coeficiente de importancia. (6)
Los tanques y estructuras metálicas en refinerías son clasificados a menudo dentro del Grupo I, si no son un
suministro vital. De este modo I=1,0.
EXPOSURE CATEGORY . CATEGORÍA DE RUGOSIDAD DEL TERRENO.
La categoría de exposición se determina con base en la rugosidad del terreno. Esta rugosidad es estimada,
según la topografía natural, la vegetación y el tamaño de las estructuras circundantes, según la descripción
dada en en inciso B.6.5.6 Exposición de la norma NSR-10, las cuales son equivalentes a las de ASCE 7-10: (6)
• Rugosidad de terreno B. Áreas urbanas, boscosas u otros terrenos con numerosas obstrucciones
de tamaño igual o mayor al de una vivienda unifamiliar y con poca separación entre ellas.
• Rugosidad de terreno C. Terreno abierto con pocas obstrucciones y con alturas inferiores a 9,0m.
Esta categoría incluye campos planos abiertos, praderas y todas las superficies acuáticas propensasa huracanes.
• Rugosidad de terreno D. Áreas planas y no obstruidas y superficies acuáticas por fuera de regiones
propensas a huracanes.
Las refinerías generalmente están ubicadas en terrenos tipo C. Esta será la rugosidad utilizada en el cálculo.
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FIRST MODE FREQUENCY (FUNDAMENTAL FREQUENCY) . FRECUENCIA FUNDAMENTAL
VIBRACIONES MECÁNICAS
Fig. 9. Clasificación de las vibraciones mecánicas.
UN ACERCAMIENTO DESDE LA MÚSICA
La frecuencia fundamental se define como la mínima frecuencia de una forma periódica de onda. Por
ejemplo, cuando se toca una cuerda de guitarra, esta empezará a moverse hacia arriba y hacia abajo
cíclicamente a cierta velocidad. Esta velocidad es la frecuencia de la vibración. Esta frecuencia se mide en
ciclos de movimiento por segundo o Hz. En el caso de los instrumentos musicales, las cuerdas no vibran
solamente a su longitud total, también lo hacen la mitad, un tercio, un cuerto, etc de su longitud. Estas
vibraciones adicionales ocurren a una frecuencia mayor que la vibración original o fundamental pero tienen
menos fuerza. En el caso del sonido, los humanos no escuchamos cada vibración individualmente, en
cambio, escuchamos los sonidos de las vibraciones sucesivas sobrepuestas. Cada instrumento tiene un
patrón particular, y esto es lo que les da su sonido particular a cada uno.
De una manera simplificada, los tonos que escuchamos son una combinación de la onda fundamental con
sus armónicos como se esquematiza en la figura siguiente de la pulsación de una cuerda de guitarra:
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Fig. 10. Frecuencia fundamental y sobretonos de una onda. (7)
MODELO MECÁNICO DE UNA ESTRUCTURA SOMETIDA A FUERZA EXTERNA
Se presenta a continuación de manera resumida la solución de la función de transferencia de una estructura
sometida a una fuerza externa. Este modelo es válido tanto para sismo como para viento, teniendo en
cuanta el sentido de los desplazamientos.
Fig. 11. Elementos básicos de un sistema oscilatorio. (8)
Puede obtenerse la ecuación diferencial de la masa sísmica M a partir de la segunda Ley de Newton dando
como resultado:
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Donde M es la masa de la estructura, k es la constante del resorte y B el coeficiente de amortiguamiento.
Con condiciones iniciales:
Aplicando la transformada de Laplace se obtiene la función de transferencia del sistema:
Donde es la frecuencia de resonancia de la estructura, y la razón de
amortiguamiento.
A partir de este modelo matemático general para una estructura sometida a sismo, pueden interpretarse
con mayor claridad los parámetros de cálculo sísmico de las normas NSR-10 y ASCE 7-10.
La frecuencia fundamental fo, puede obtenerse a partir del periodo fundamental T.
El periodo fundamental de una estructura es el tiempo que esta toma en dar un ciclo completo cuando
experimenta vibración no forzada. De este periodo depende la fuerza que experimentará la estructura ante
el impulso sísmico o de viento.
Mediante la ecuación A.4.2-3 de la NSR-10 puede calcularse el periodo fundamental aproximado de una
estructura.
Donde,
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Periodo fundamental aproximado.
: Coeficiente que depende del tipo de edificio según la tabla A.4.2-1NSR-10
h: Altura de la estructura
α: Exponente según el tipo de estructura según la tabla A.4.2-1NSR-10.
Fig. 12. Parámetros para el cálculo del periodo aproximado Ta. (6)
La chimenea podría considerarse resistente a momento, no adherida a componentes estructurales másrígidos.
Luego,
=0,072
h=30m
α=0,8
Ta=0,072*30^0,8=1,09s
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ESPESOR DE LÁMINA DEL CUERPO
Para definir el espesor de la pared de la chimenea, el código ASME-STS ofrece 2 criterios. El primero, es el
espesor mínimo en función del diámetro, sin incluir corrosión admisible.
Fig. 13. Espesores mínimos de lámina para chimeneas en función de su diámetro. (9)
El código también tiene un espesor máximo dado por la siguiente expresión:
Ecuación 4.6 ASME STS-1
Para el caso que se está analizando, D=1m=39in=3,25ft, SA-36, Módulo de Young E=2,9x10^7
Utilizando estos 2 criterios, el espesor a seleccionar debe estar en el siguiente rango:
Previendo corrosión admisible, y siendo relativamente conservador, se seleccionó t=5/16’’=0,3125’’.
Modelo mecánico de una estructura sometida a desplazamiento sísmico
En general, un sistema vibratorio consiste de un resorte (como medio de almacenamiento de energía
potencial), una masa o inercia (como medio de almacenamiento de energía cinética) y un amortiguador
(como medio por el cual la energía se disipa gradualmente).
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RAZÓN DE AMORTIGUAMIENTO
La razón de amortiguamiento determina el comportamiento del sistema oscilante. Un sistema amortiguado
puede tener los siguientes comportamientos según su razón de amortiguamiento:
Subamortiguado
Críticamente amortiguado
Subamortiguado
No amortiguado
Fig. 14. Razones de amortiguamiento según ASME STS-1. (9)
Dado que las razones de amortiguamiento dadas son meores a la unidad, se trata de un sistema
subamortiguado de segundo orden, según se mostró anteriormente, y tendrá la siguiente respuesta en el
dominio del tiempo.
Fig. 15. Característica de la respuesta de un sistema de 2º orden. (10)
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COEFICIENTE DE EXPOSICIÓN A LA PRESIÓN DE VELOCIDAD KZ
Una vez conocida la altura de la chimenea y su categoría de
exposición, puede consultarse el coeficiente de exposición Kz.
Para el presente caso, h 90ft, Categoría de exposición: B, se
tiene Kz 0,96.
FACTOR TOPOGRÁFICO KZT
Fig. 17. Efecto del factor topográfico Kzt. (9)
Este factor debe ser como mínimo 1.0, y se introduce para tener en cuenta con más precisión los efectos
que tiene el relieve circundante a la estructura sobre el perfil de velocidad del viento, el cuál puede ser
acelerado por montículos. Para efectos prácticos puede tomarse Kzt=1,0.
Fig. 16.Coeficientes de exposición Kz. (9)
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PRESIÓN DE VELOCIDAD QZ
Donde:
V: Velocidad de ráfaga de viento de 3s [mph]
I: Factor de importancia según grupo de uso de la estructura
Kzt: Factor topográfico según relieve circundante.
Kz: Factor de exposición de presión de velocidad
qz: Presión de velocidad [psf]
COEFICIENTE DE FUERZA CF
El coeficiente de fuerza se obtiene a partir de la forma de la sección transversal (poligonal o circular), el tipo
de superficie, la relación de esbeltez h/D y la presión de velocidad qz.
Fig. 18. Tabla de coeficientes de fuerza. (9)
h/D=98ft/3,25ft=30
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Interpolando en la tabla se obtiene Cf 0,8.
Con los anteriores valores, se tiene completos los valores de entrada para el cálculo mediante software. Los
resultados obtenidos se presentan anexos al presente informe.
DISEÑO PARA SISMO
Para realizar un diseño sismoresistente mediante software, deben comprenderse, y tulizarse correctamente
los siguientes parámetros de entrada:
1. Ubicar el sitio donde será instalado el equipo
Fig. 19. Acelerograma de Colombia para la aceleración pico efectiva Aa. (6)
La ubicación del equipo en servicio permite obtener os valores apropiados de aceleración pico Aa y
velocidad pico Av. La ubicación será el campo petrolero de Castilla en el Meta, luego, los valores de
aceleración y velocidad son Aa=0,3 y Av=0,4.
2. Determinar el valor de las aceleraciones espectrales.
RESPUESTA ESPECTRAL DE PERIODOS CORTOS. ESPECTRO ELÁSTICO DE
ACELERACIONES SA.
El valor de Sa representa la máxima aceleración horizontal, expresada en un porcentaje de la gravedad, a
que se ve sometido un sistema de un grado de libertad, con un período de vibración T; se define en funciónde la «aceleración pico efectiva», Aa. (11)
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Fig. 20. Aceleración espectral para T=0,1s (izquierda) y 1,0s (derecha) (14)
Las aceleraciones espectrales pueden ser especificadas para diferentes frecuencias de oscilación, y
diferentes grados de amortiguamiento, aunque en la práctica se reporta al 5% de amortiguamiento.
Las aclaraciones espectrales describen la máxima aceleración sobre un oscilador armónico amortiguado en
un terremoto, moviéndose en una dirección.
CLASIFICACIÓN DEL SUELO
El cliente informa que el suelo es tipo D, que satisface las condiciones indicadas en el figura tomada del
NSR-10.
Fig. 21. Perfiles de suelo según NSR-10. (6)
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COEFICIENTES DE AMPLIFICACIÓN EN SITIO
Conocidos Ss y S1, se pueden relacionar con el perfil del suelo del lugar de operación final, para seleccionar
apropiadamente sus valores a partir de la siguiente tabla:
Fig. 22. Coeficiente Fa de aceleración en periodos cortos (6).
Para el presente caso, el tipo de perfil es D, y Aa=0,3, luego, Fa=1,2.
Fig. 23. Coeficiente de amplificación que afeta la aceleración en la zona de periodos intermedios. (6)
Para el presente caso, el tipo de perfil es D, y Av=0,3, luego, Fa=1,8.
Con estos datos de entrada seleccionados, según el tipo de suelo y acelerogramas, pueden realizarse los
cálculos sísmicos mediante el software Compress. Los resultados se presentan en el Anexo I de este
informe.
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CÁLCULO DE UNA PASARELA INDUSTRIAL
Fig. 24. Esquema de una escalera para montaje en campo. (12)
Se requiere elaborar la cotización para una escalera como la mostrada en la figura. Se dispone de la
ingeniería básica y deben hacerse el diseño; selección de perfiles estructurales y uniones atornilladas.
A continuación se presenta el procedimiento que se utilizó para la solución del problema.
NORMATIVIDAD APLICABLE: ENGINEERING EQUIPMENT AND MATERIALS USERS
ASSOCIATION
La Engineering Equipment and Materials Users Association EEMUA es una asociación inglesa que desarrolla
estándares para plantas térmicas, plataformas offshore, terminales de almacenamiento e instalaciones
industriales en general. La EEMUA una asociación colaboradora de la institución de estándares británicos
British Standards Institution BSI y participa en la elaboración de estándares con otras agencias como el
American Petroleum Institute API.
La EEMUA tiene el código Factory stairways, ladders and handrails. Esta publicación ofrece
recomendaciones y detalles típicos para el diseño y construcción de escaleras y pasarelas industriales.
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De esta norma se extraen algunos detalles faltantes para la definición de las dimensiones y cargas básicas
para pasarelas de plantas de producción.
• Ancho entre barandas: Mínimo 600mm, preferiblemente 800mm.
• Barandas: Todas las escaleras deben ser protegidas en cada lado con una baranda a menos que la
altura total de la escalera sea menor a 500mm.
Todas las plataformas y pasarelas deben tener barandas. [8.6]
• Cargas sobre el piso
o Carga distribuida: 3.0 kN/m2 [8.8 Tabla 7]
o Carga puntual: 1.0 kN (en un cuadrado de 300mm de lado) [8.8 Tabla 7]
• Cargas laterales sobre las barandas.
o Servicio ligero, acceso limitado a una persona: 0,36kN/m [10.2 Tabla 8]
• Deflexión máxima: 10mm o 1/200 de la luz. La que sea menor.
• Altura de las barandas: 900mm a 1000mm
o Si las barandas son utilizadas como barreras, es decir, no solo como pasamanos sino para
protección contra caída, la altura no debe ser menor a 1100mm.
• Tamaño mínimo de tornillos: 16mm [10.3 Tabla 9]
• Espesor mínimo de perfiles rectangulares de barandas: 4.0 mm
• Lado mínimo de perfiles rectangulares de barandas: 38.1 mm x 38. 1 mm
CÁLCULO DE LA VIGA
Con la tabla de equivalentes de carga concentrada, se obtienen las constantes para calcular el momento
máximo y deflexión máxima en la viga.
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Fig. 25. Equivalentes de carga para vigas. (13)
En la siguiente hoja de cálculo se resumen los datos de diseño utilizados y los cálculos básicos realizados
para la pasarela, implementando las fórmulas para el cálculo de vigas dadas en la especificación AISC.
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ANÁLISIS FEM
La estructura metálica se modeló en Autodesk Inventor mediante la herramienta de creación de bastidores.
Una vez creado un boceto con los ejes de los elementos estructurales, se asignan a cada eje creado el perfil
deseado. En este caso, se analizarán perfiles C 4 X 7.25.
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Una vez cargada la geometría, puede hacerse el análisis FEM.:
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La deflexión máxima a la carga de diseño de 4mm es menor a la deflexión máxima de 1/200 de la longitud
recomendada en el código de la EEMUA, que para este caso sería de 18mm.
DISCUSIÓN SOBRE EL TRABAJO REALIZADO
Durante la pasantía realizada durante el presente semestre, se realizaron los cálculos de los siguientes
equipos:
Separador trifásico de petróleo Φ2,6m x 10m 150psi@160ªF
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Demister para separador trifásico de petróleo 0.12m^3/s gas húmedo
Desaireador para patín de medición de petróleo 1360psi@200ªF
Knock-out drum atmosférico Φ0,6m x 1,6m 0psi@150ºF
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Tanque acumulador de aire seco 5000gal Φ2m x 5,8m 175psi@150ºF
Tanque receptor estabilizador Φ0,8m x 3,0m 100psi@250ºF
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Cercha para cubierta de techo de oficinas (6 cerchas)
En la elaboración de estos diseños, se realiza un gran número de iteraciones que deben hacerse, probando
varios espesores de lámina en el cuerpo, espesor de cordones de soldadura, ángulos de envolvente de
silletas, inercia de anillos de refuerzo, eficiencias de juntas, diámetros y espesor de bocas de conexiones,
refuerzos de conexiones, etc. Esto hace que en la presentación del diseño final, puedan quedar valores
antiguos que ya no corresponden al diseño actualizado.
Se encontró con esta experiencia, que es de suma importancia hacer una revisión final más detallada de las
memorias de cálculo con respecto a la hoja de especificaciones y pliegos del cliente y los planos finales de
fabricación.
Una revisión de estos aspectos puede tener el siguiente orden:
Verificación de la tabla de conexiones (Nozzle Schedule) para asegurar que los diámetros, espesor de
pared del cuello y tipo de boca (tubo, lámina rolada o coupling) sean correctos y conformes a los planos de
fabricación.
Tabla de espesores (thickness summary). Aquí deben revisarse los espesores mínimos calculados con
respecto a los nominales selccionados, que la corrosión admisible sea igual (al menos en cuerpo y cabezas
es lo usual), y también se haya aplicado a las conexiones de ser requerido. Además puede revisarse aquí
que la eficiencia de junta seleccionada (0.7 a 1,0) sea acorde al nivel de radiografiado requerido ej, RT3.
Espesor mínimo por código. En este punto se cometen errores comúnmente, pues debe seleccionarse en
función del fluido que contenga (3/32’’ para tanques de aire, 1/16’’ para otros fluidos por el artículo UG-
16(b) Minimum pressure of Retailing components del código ASME.
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El programa Codeware Compress, permite hacer el cálculo de los tanques por cargas de viento, sin embargo
es importante tener a mano, y seleccionar correctamente los datos de entrada, como se indicó en el
presente informe. Es clave solicitar el lugar de operación del equipo, preguntando si estará en refinería o a
campo abierto (esto afecta los coeficientes topográficos Ktz del càlculo por viento) y es necesario tener a
mano los acelerogramas sísmicos de Colombia, provistos en el Estudio General de Amenaza Sísmica 2009 de
la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica así como los mapas de Velocidad del Viento en Superficie de
Colombia disponibles en http://www.upme.gov.co/Docs/MapaViento/CAPITULO1.pdf .
En el caso de las simulaciones con elementos finitos siempre es importante comparar con respecto a
valores obtenidos por cálculos manuales, ya que pueden obtenerse valores erróneos producto de no
especificar adecuadamente las restricciones, por ejemplo, y las simulaciones en estos casos, pueden
alejarse de la situación real de carga.
También es importante antes de comenzar un diseño, consultar diseños de la competencia y normas. Este
ejercicio a menudo conduce a estándares que no son comúnmente aplicados en Colombia, como es el caso
de las normas inglesas EEMUA, que pueden ofrecer indicaciones adicionales para llegar a un mejor diseño.
BIBLIOGRAFÍA
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de%20las%20fuerzas%20sismicas.htm.
12. Protección Colectiva. Pasarelas de seguridad. [En línea] [Citado el: 20 de Junio de 2013.]
http://proteccioncolectiva.com/slide-view/pasarela-de-seguridad-homologadas/.
13. AISC. Manual of Steel Construction. EEUU : American Institute of Steel Construction Inc., 2005, 4, págs.
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14. Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. Estudio General de Amenaza Sísmica 2009. Colombia :
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