CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

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1 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

2 1.1 OBJETIVO DEL PROYECTO El presente Proyecto Final de Carrera consiste en el diseño, cálculo y construcción de un silo metálico cilíndrico y sus componentes de sujeción, teniendo como localización la ciudad de Sevilla. Este proyecto, que ha sido elaborado bajo la tutela del profesor Jose Manuel Galán Fernandez, profesor titular del departamento de Ingeniería del Diseño de la Escuela Superior de Ingenieros de Sevilla, se basa en un problema práctico de diseñar y construir un silo según el Eurocódigo. La idea es almacenar unas 500 toneladas de cemento. Se realizaran los cálculos del silo bajo diferentes hipótesis de carga y se diseñará los espesores de chapa cumpliendo las especificaciones de seguridad. El silo se apoyará en una estructura metálica dejando paso en su interior para que los camiones puedan ser cargados directamente desde el silo. silo. El proyecto se compones de ocho capítulos, más un anexo con los planos del En la siguiente parte de este capítulo veremos las partes generales de un silo y la normativa a seguir. En el segundo capítulo, realizaremos un pre dimensionamiento del silo. En el tercer capítulo se verán las diferentes cargas que vamos a aplicar y la forma de calcularlas. En el cuarto capítulo, realizaremos las hipótesis de cargas y los esfuerzos que provocan en el silo. Además se introducen las tablas de resultados. En el quinto capítulo se presentan los cálculos resistentes y las distintas comprobaciones. En el sexto capítulo, se presentará el techo del silo y el anillo rigidizador, que es una de las partes más solicitadas de tensiones y se realizaran las respectivas comprobaciones. En el séptimo capítulo se desarrollará la estructura completa y la cimentación utilizando como programa de cálculo de estructuras CYPE. En el octavo y último capítulo, se analizará las conclusiones finales. 2 CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN

3 1.2 DEFINICIÓN DE SILO El término Silo que vamos a tratar en este proyecto se define como estructura de grandes dimensiones y diferentes secciones que sirven para almacenar grandes cantidades de material sólido a granel. El uso de materiales sólidos a granel en la industria está ampliamente extendido y la necesidad de almacenarlos en silos normalmente se debe a que hay que acumularlos en algún sitio que guarde sus propiedades antes de un transporte o entre diferentes etapas de un proceso de conversión química. Los silos han sido ampliamente usados desde hace mucho tiempo en industrias tales como la minería, la generación de energía, siderurgia, canteras, químicas, industria alimentaria, agricultura... Sin embargo, pese a que han sido ampliamente usados por un espacio de tiempo que se remonta a más de dos siglos, muchos de los fenómenos que gobiernan las cargas que soportan y la manera en que las soportan no se han tenido en cuenta a la hora de diseñarlos. Si no que, en una gran mayoría de los casos, se han construido basándose en la experiencia de otros silos que operaban bien o basados en normas antiguas que no tienen en cuenta los nuevos avances experimentados en los últimos 20 años en cuanto al cálculo numérico de estructuras mediante elementos finitos. Atendiendo al material del que está hecho el silo tenemos diferentes tipos de silo: de hormigón, plástico, metal... siendo los más usados los silos metálicos, seguidos de los silos de hormigón. En este proyecto nos centraremos en la problemática de los silos metálicos. Dentro de los silos metálicos podemos distinguir otras muchas clasificaciones, atendiendo a tamaño, geometría de la zona inferior de descarga, complejidad de las acciones o relación de aspecto. Una clasificación muy usada es según la forma de la sección del silo por un plano horizontal. Los más extendidos son los silos que presentan una sección horizontal rectangular o circular, siendo estos últimos los más extendidos debido al uso eficiente del material que suponen y a su facilidad de construcción. CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN 3

4 1.3 ELEMENTOS DE UN SILO Un silo metálico de sección circular consta de varios elementos (Fig. 1.3) que pasan a ser definidos a continuación: La tolva es una pieza de transición por debajo de la pared vertical. Se usa para conducir el material ensilado hacia la salida. En este proyecto se consideran tolvas cónicas. La transición es el punto en que tolva y pared vertical se unen. El faldón es la continuación de la pared vertical que parte de la base de la misma hacia abajo. No tiene contacto alguno con los sólidos almacenados. Un anillo rigidizador es un elemento rigidizador local que se coloca alrededor de la circunferencia del silo a una altura dada de la pared vertical. No tiene rigidez en el plano meridional, si en el radial. Un soporte rigidizador es un rigidizador circular que recibe compresiones circunferenciales, y tiene rigidez tanto en el plano radial como en el circunferencial. Fig 1.3: COMPONENTES DE UN SILO 4 CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN

5 1.4 CLISIFICACION DE SILOS SEGÚN EUROCODIGO Hoy en día podemos encontrar diferentes tipos de silos según el material con el que están construidos, como hormigón, plástico o metálicos. Este proyecto se centra en la construcción de un silo metálico que además es el material más utilizado para su construcción. Dentro de los silos metálicos podemos volver a hacer una nueva clasificación en función de tamaño, geometría de descarga, complejidad de las acciones Los silos más comunes, hoy día, son aquellos de secciones circulares y rectangulares, siendo los primeros los más utilizados por su facilidad de construcción y el que desarrollaremos en el presente proyecto. Los silos de acero, cada uno con tamaño y características diferentes, representan un reto cada vez diferente para el diseñador. De ahí que en el Eurocódigo [ENV ] se separen en diferentes clases de fiabilidad, definidas a continuación: CLASES DE FIABILIDAD Clase 3 DESCIPCIÓN Silos apoyados en el suelo o sobre un faldón en contacto con el suelo y una capacidad por encima de las 5000 toneladas. Silos apoyados sobre columnas con una capacidad por encima de las 1000 toneladas. Silos con capacidad por encima de las 200 toneladas y alguna de las siguientes situaciones de diseño: (a) Descarga excéntrica (b) Carga concentrada localmente (c) Llenado asimétrico Clase 2 Todos lo silos cubiertos por Eurocodigo 3 Parte 4.1 y no situados en otra clase CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN 5

6 Clase 1 Silos comprendidos entre capacidades de 10 y 100 toneladas Tabla 1.4 Clases de Fiabilidad Silos con capacidades inferiores a las 10 toneladas no son cubiertos por Eurocodigo 3 Parte 4.1 La elección de la clase de seguridad debe ser especificada apropiadamente por el cliente o la autoridad competente con el consejo de un ingeniero. Los riesgos asociados a las situaciones de diseño no se diferencian de acuerdo con estas clases de fiabilidad, sino que estas influyen en los factores parciales de mayoración de las acciones que actúan en los silos. Según las dimensiones de nuestro silo, la capacidad de almacenamiento y la situación de carga y descarga, estamos ante un silo de Clase PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Variabilidad de las propiedades de materiales Las propiedades de los materiales ensilados pueden variar de lote en lote y quedan definidas en términos de una media y una desviación típica (Fig. 3.1). Debido a las particularidades que se dan en el diseño de silos no es suficiente con tomar un valor extremo (se tiende a utilizar el máximo), sino que se hace necesario identificar aquellos valores con una probabilidad máxima y mínima. Para alguna de las propiedades tabuladas en el Anexo A se muestran el percentil 10 y 90 6 CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN

7 Fig 1.5: Probabilidad de ocurrencia de los valores de una propiedad Las propiedades de los principales materiales granulares se encuentran tabuladas en el anexo A, tabla extraída de [Rotter, 2001]1. En ella encontraremos los valores de peso específico, coeficiente de rozamiento interno etc, ya tabulados. Peso específico γ El peso específico se obtiene de multiplicar la densidad por la aceleración de la gravedad. Es un valor muy importante a la hora del diseño. γ = ρ g Coeficiente de rozamiento de la pared μ Está directamente relacionado con el ángulo de rozamiento de la pared φ! : μ = tanφ! En la tabla del anexo A se dan valores del coeficiente de rozamiento de la pared para cuatro categorías de pared, de menos rugosa (D1) a mas rugosa (D4). Estas categorías de pared están relacionadas con las partículas que almacenan, así en la siguiente tabla se detallan los materiales que típicamente se almacenan con cada tipo de pared: CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN 7

8 Tabla 1.5: Clasificación de paredes según acabado superficial Ángulo efectivo de rozamiento interno φ! No debe confundirse con el ángulo de rozamiento de la pared (a secas), se separan a efectos de simplificar algunas ecuaciones. Este ángulo mide la facilidad del material para deslizarse una vez que está almacenado en el silo. Coeficiente de empuje lateral λ Me da la relación entre la presión horizontal cerca de la pared y la presión vertical. 1.6 Almacenamiento de Cemento El material que vamos a ensilar es cemento. Éste se suministra en sacos de papel o a granel. En los países industrializados una gran parte del cemento se transporta a granel hasta el consumidos, en containers sobre un camión. Esto tiene ciertas ventajas: De tipo económico: La Tn. De cemento a granel es más barata que la Tn. en sacos, por supresión de los sacos y evitar su manipulación en el ensacado, carga en fábrica y descarga en obra. También disminuyen las pérdidas en el transporte (1% contra 3% en transporte por sacos). 8 CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN

9 De mejora de las condiciones humanas de trabajo. Se evita el polvo. De tipo técnico. Se evita la humedad al almacenarlo sin protección y al ras del suelo con la consiguiente pérdida de resistencia. Permite una racionalización en los sistemas de dosificación del cemento en la hormigoneras, automatizando éstas operaciones y suprimiendo mano de obra. CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN 9