INTERACCIÓN FLUIDO - ESTRUCTURA EN UN TANQUE CON PAREDES RECTAS. Sánchez Sánchez Héctor 1 y Matías Domínguez Adelaido I. 2

Transcripción

1 INTERACCIÓN FLUIDO - ESTRUCTURA EN UN TANQUE CON PAREDES RECTAS Sánchez Sánchez Héctor 1 y Matías Domínguez Adelaido I. 2 1 Sección de Estudios de Posgrado e Investigación ESIA, Instituto Politécnico Nacional 2 ESIME, U. P. Ticoman Instituto Politécnico Nacional

2 RESUMEN The Virtual Engineering Company Desde décadas pasadas se han reportado daños en tanques atmosféricos de almacenamiento, principalmente cerca del fondo del tanque. Producido por un momento de volteo que aparece debido a restricción de las paredes en la base. Los tanques de almacenamiento son estructuras que requieren criterios de análisis que difieren de aquellos utilizados en edificios; debido a su naturaleza y su comportamiento, ya que se necesita considerar además, los efectos hidrodinámicos que actúan sobre las paredes y el fondo del recipiente. En esta investigación se ha estudiado un tanque de paredes rectas, en cual se han hecho análisis de interacción fluido-estructura, sus paredes ínter - actúan con el fluido que esta contenido en el mismo. Todo el sistema se encuentra sometido a una aceleración lateral, simulando el movimiento de un sismo.

3 INTRODUCCION The Virtual Engineering Company En bien sabido que los tanques son estructuras que requieren el uso de criterios de análisis sísmico diferentes de aquellos utilizados en estructuras convencionales; debido a su comportamiento se necesita considerar además de los efectos inerciales impulsivos, los efectos hidrodinámicos convectivos sobre las paredes y el fondo del recipiente. Se ha considerado la hipótesis de paredes rígidas, sin embargo, los daños observados debido a los sismos, en trabajos experimentales e investigaciones posteriores han mostrado que la flexibilidad de las paredes de los tanques tiene una influencia en la respuesta ante estas excitaciones.

4 ANTECEDENTES The Virtual Engineering Company Los daños reportados a causa de sismos, en décadas pasadas, en tanques atmosféricos de almacenamiento se refieren principalmente al fondo de tanques soldados. Estos daños se pueden clasificar en cuatro categorías generales: pandeo en las placas en las paredes del casco y del fondo del tanque, donde se espera que aparezcan los máximos esfuerzos de compresión axial, como resultado de la fuerza que genera el momento de volteo. El pandeo se presenta de forma más frecuentemente, por presencia de grandes deformaciones de las paredes del tanque hacia el exterior de este, y en el fondo de las placas del mismo, extendiéndose parcial ó completamente alrededor del tanque, denominado a estas deformaciones tipo pata de elefante. Los daños se han limitado generalmente a tanques sin anclaje.

5 ANTECEDENTES The Virtual Engineering Company daño en tuberías y otros accesorios conectados al tanque durante un movimiento de suelo. daños debidos a fallas en la cimentación, fallas debidas a tuberías rotas y fallas debidas a cargas intensas. Modelo Dinámico del Tanque con Fluido, apoyado en el suelo Oscilación de la superficie del Líquido Superficie Estable d max. W H

6 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En esta investigación se estudia el comportamiento hidrostático e hidrodinámico de tanques rectangulares (de paredes rectas metálicas de espesor constante), por lo que se ha puesto principal interés en analizar la influencia que tiene el fluido sobre las paredes del tanque, que actúa con distribuciones no uniformes sobre las superficies, provocando esfuerzos y deformaciones en toda la estructura. También se realizó un análisis modal del fluido para observar el oleaje en los diferentes modos. Donde se utilizaron grados de libertad maestros en la superficie del fluido en la dirección paralela a la altura del tanque. Se aplicó una aceleración lateral simulando el movimiento del sismo

7 MODELADO DE LAS ESTRUCTURAS Se muestra el modelado numérico que fue utilizado para realizar el análisis estructural, empleado el método de elemento finito, para conocer el comportamiento fluido - estructuras. Los análisis fueron posibles mediante el programa de cómputo ANSYS versión 6.1. Se usaron acoplamiento de nodos coincidentes en los grados de libertad apropiados. La estructura esta simplemente apoyada en la base y el espesor de la pared es de m Características geométricas L=10m de longitud h=6m de altura y b=5m de ancho.

8 ELEMENTOS FINITOS Y MATERIAL The Virtual Engineering Company UTILIZADOS EN EL ANALISIS FLUID80 GL ux,uy,uz Propiedades del fluido (agua) β = E+10 N/m 2 Módulo de compresibilidad DENS = N seg 2 /m 2 SONC = m/seg Velocidad del sonido SHELL63 GL ux,uy,uz,rotx,roty,rotz Propiedades de la estructura EX = 0.206E+12 N/m 2 Modulo de elasticidad NUXY = 0.30 Módulo de Poisson DENS = N seg 2 /m 2

9 RESULTADOS COMPORTAMIENTO HIDROSTÁTICO Distribución de la presión hidrostática respecto a la altura h del tanque

10 RESULTADOS COMPORTAMIENTO HIDRODINÁMICO Distribución de presión hidrodinámica con una aceleración a x del tanque

11 Interacción fluido-estructura. The Virtual Engineering Company Desplazamiento del fluido Vista superior

12 Interacción fluido-estructura The Virtual Engineering Company Desplazamiento del fluido en forma vectorial

13 Desplazamiento vectorial. Vista lateral.

14 Interacción fluido estructura

15 DEFORMACIÓN DEL TANQUE VACIO SOMETIDO A UNA ACELERACIÓN a x

16 RESULTADOS DEL ANÁLISIS DINÁMICO MODAL DEL FLUIDO Modo uno del fluido

17 Modo 2 del fluido

18 Modo 5 del fluido

19 SISTEMA FLUIDO - ESTRUCTURA Reacciones sobre las paredes del tanque debido a las presiones del fluido

20 CONCLUSIONES The Virtual Engineering Company ESTE TRABAJO PRESENTA RESULTADOS REFERENTES A LA INTERACCIÓN FLUIDO ESTRUCTURA BAJO LA PRESIÓN INTERNA DE UN FLUIDO EN MOVIMIENTO. SE OBSERVA UNA DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES EN EL TANQUE, QUE CORRESPONDE AL COMPORTAMIENTO TEORICO DEL FLUIDO SOBRE LAS PAREDES DEL TANQUE. PARA LA CONDICIÓN DE TANQUE VACIO SE TIENE UNA MAYOR DEFORMACIÓN DE LA PLACA EN LAS PAREDES CORTAS, AUNQUE ÉSTA ES PEQUEÑA COMPARADA CON LA MÁXIMA DEFORMACIÓN DEL TANQUE CON INTERACCIÓN CON EL MOVIMIENTO DEL FLUIDO. POR OTRO LADO, ES INTERESANTE OBSERVAR QUE CUANDO HAY INTERACCIÓN FLUIDO ESTRUCTURA SE PRODUCE UNA MAYOR DEFORMACIÓN DE LAS PAREDES LARGAS QUE EN LAS PAREDES CORTAS, DEBIDO A SU RIGIDEZ.

21 CONCLUSIONES The Virtual Engineering Company DE ACUERDO CON LOS RESULTADOS, NO APARECE LA DEFORMACIÓN CERCA DE LA BASE, EL CUAL ES CARACTERISTICO EN TANQUES AXISIMETRICOS. ESTOS RESULTADOS MUESTRAN QUE LA HIPÓTESIS DE PAREDES RÍGIDAS, QUE SE HACEN EN TANQUES POR SIMPLICIDAD, PUEDE SER ERRÓNEA, YA QUE EN REALIDAD, INFLUYE LA FLEXIBILIDAD DE LA PARED. ESTE COMPORTAMIENTO TIENE INFLUENCIA EN LA RESPUESTA ANTE EXCITACIONES SÍSMICAS. RESPECTO AL COMPORTAMIENTO HIDRODINÁMICO, SE OBSERVA QUE LOS MODOS DE VIBRACIÓN DEL FLUIDO REPRESENTAN EL POSIBLE OLEAJE QUE SE PUEDA PRESENTAR ANTE UNA EXCITACIÓN SÍSMICA

22 Animación 1 fluido-estructura The Virtual Engineering Company