1. INTRODUCCIÓN. GENERALIDADES DE SILOS METÁLICOS

Transcripción

1 CAPÍTULO 1 1. INTRODUCCIÓN. GENERALIDADES DE SILOS METÁLICOS 1.1. Definición general del objetivo del proyecto. El presente Proyecto Fin de Carrera de la Titulación Ingeniero Industrial de la Universidad de Sevilla, se enmarca dentro de la realización de una beca de colaboración en el departamento de Ingeniería del Diseño de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla. En el transcurso de la citada beca se inició en el departamento una nueva línea de investigación centrada en el diseño de silos metálicos dentro de la cual se encuadra el presente proyecto. Más concretamente, este proyecto trata de analizar la estabilidad frente a pandeo de un silo metálico compuesto de virolas de espesor variable siguiendo lo dictaminado en los Eurocódigos y y en el Eurocódigo 1-4 mediante el cálculo por elementos finitos usando el programa Ansys 8.0. E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 3

2 Para este fin, se va a realizar el estudio de un silo existente con una problemática interesante a la hora de hacer el análisis. Se trata de un silo que fue calculado según la norma alemana DIN-1055 y que durante su vida útil tuvo un problema de abolladura (pandeo local) que hizo que se le soldaran perfiles laminados a modo de rigidizadores verticales en las 4 virolas superiores. Esta nueva configuración también sufrió problemas de la misma índole en otra zona diferente de la que pandeó localmente con la configuración inicial. Debido a este nuevo fallo se adoptó una nueva configuración definitiva alargando los rigidizadores verticales soldados a las 4 virolas superiores hasta la base del silo. Las características generales del silo se verán con más detalle en el capítulo dedicado al modelado del problema. En la segunda parte de este capítulo se hará una breve introducción sobre los silos en general y los silos metálicos en particular haciendo hincapié en la normativa aplicable. proyecto. En el segundo capítulo se presentará en detalle la definición del silo objeto del En el tercer capítulo se hará una breve descripción de las acciones aplicables en silos según la normativa vigente. En el cuarto capítulo se va a presentar una base teórica sobre el pandeo de láminas estableciendo las ecuaciones que rigen el fenómeno y los parámetros más importantes. En el quinto capítulo se establece el modelo de elementos finitos que va a ser analizado en Ansys justificando las decisiones tomadas. También se presentarán los problemas que han servido de ejemplos prácticos para llegar al modelo final y calibrar la convergencia del programa. En el sexto capítulo se hace un estudio de las herramientas que posee el programa Ansys 8.0. para resolver las ecuaciones que se plantean en el capítulo cuarto y los puntos clave que gobiernan la convergencia de los problemas no lineales. E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 4

3 En el séptimo capítulo se presentan los cálculos definitivos realizados. En el octavo y último capítulo se analizarán los resultados obtenidos con las conclusiones finales Silos Los silos son estructuras que se utilizan para almacenar grandes cantidades de materiales sólidos 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. Figura 1.1: Uso de los silos 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. E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 5

4 Clasificación y terminología 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. Otra vez es de reseñar que el silo que será objeto de análisis en este proyecto es de sección horizontal circular y por tanto está dentro de la tipología más frecuente en los silos. El Eurocódigo clasifica a los silos metálicos en tres clases según la fiabilidad estructural: I. Clase de fiabilidad I Silos con capacidad entre 10 y 100 toneladas (El eurocódigo no cubre el diseño de silos con capacidad por debajo de 10 toneladas). II. Clase de fiabilidad II Todos los silos cubiertos por el eurocódigo y que estén encuadrados en las otras dos clases. III. Clase de fiabilidad III Cubre varias categorías: o Silos apoyados directamente sobre el terreno o silos soportados en una falda contínua extendiéndose hasta el suelo, con una capacidad superior a las 5000 toneladas. o Silos con soportes discretos con capacidad superior a las 1000 toneladas. o Silos con capacidad superior a las 200 toneladas en los que se da alguna de las siguientes situaciones de diseño: a) Descarga excéntrica. b) Carga concentrada localmente. E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 6

5 c) Llenado asimétrico. 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. El silo que se estudiará en el presente proyecto se encuadraría dentro de la clase de fiabilidad III. A continuación se muestra una figura designando las partes de un silo estándar siguiendo la terminología más usada (la de los eurocódigos). Figura 1.2: Silo cilíndrico estándar E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 7

6 Factores clave para el diseño estructural de silos metálicos En el diseño y en el funcionamiento de silos metálicos podemos encontrarnos con cuatro problemas clave: La integridad estructural del silo puede verse amenazada no sólo por presiones demasiado altas, sino también por presiones demasiado bajas o demasiado asimétricas. Los sólidos almacenados pueden permanecer suspendidos en el silo, debido a la formación de arcos, o fluir irregularmente. La carga o el tipo de flujo interno del material almacenado puede provocar segregación en los sólidos. La descarga del material puede conducir a fenómenos inaceptables de ruidos, vibraciones y explosiones internas del material en el silo. Estos cuatro problemas están relacionados con la geometría del silo, las propiedades del material almacenado, los flujos de material que se desarrollan durante las operaciones y otros factores. Figura 1.3: Causas de pérdida de función en silos E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 8

7 Aunque en este proyecto fin de carrera sólo nos ocupemos del primero de los cuatro problemas enunciados, habría que prestar atención a los otros fenómenos en la medida en que afectan el comportamiento resistente del silo. Normalmente se asume que los silos sólo están amenazados estructuralmente por altas presiones, sin embargo, las altas presiones no tienen por qué representar un riesgo para la integridad estructural del silo por sí mismas. Estas deben valorarse dentro de la forma en que la estructura soporta las cargas, que varía mucho según la geometría, espesores, presencia de rigidizadores y otros factores. Como se ha mencionado anteriormente, bajas presiones locales no-simétricas suelen ser bastante más peligrosas para la integridad estructural que cargas muy altas que sean simétricas. Las razones de esto no se explican fácilmente, ya que el comportamiento de estructuras laminares bajo cargas no simétricas es muy complejo. Algunas causas de la existencia de cargas asimétricas son debidas a características estructurales o de operación bastante evidentes en el silo (véase la figura 1.4) que deben ser evitadas en la medida de lo posible. Cuando no sea posible, deben estudiarse con atención los efectos que producen en el comportamiento portante del silo. Figura 1.4: Causas de asimetría en las presiones E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 9

8 Los sólidos almacenados en el silo pueden quedar suspendidos si ocurre alguno de los tres fenómenos siguientes: a. Arqueo (arching) sobre la apertura de la tolva, fenómeno que está muy relacionado con la cohesión entre las partículas sólidas. b. Flujo interno (ratholing), este fenómeno (que no tiene una traducción literal al español) consiste en la formación de un canal que ocupa la altura completa del material almacenado en el silo, desde la superficie hasta la apertura inferior de la tolva, lo que lleva consigo una pérdida evidente de capacidad de almacenamiento en el silo. Este fenómeno también es provocado por la cohesión del material almacenado. c. Descarga incompleta. figura 1.5. Una interpretación gráfica aclaratoria de estos fenómenos puede observarse en la Figura 1.5: Obstrucciones de flujo Los problemas asociados a las vibraciones y los ruidos excesivos producidos en la descarga de los sólidos no han sido tan investigados como los otros antes presentados y pueden ser debidos a la interacción de varios factores. E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 10

9 Los materiales almacenados por los silos cubren un amplio espectro en lo referente al tamaño de sus partículas, que va desde micras a unos tamaños de hasta 150 mm de diámetro o más. Esta característica, o más bien la relación área / volumen, junto con la humedad contenida por el material almacenado determinan en buena medida el tipo de flujo que va a desarrollar el material en el interior del silo ante operaciones de carga y descarga (consideraremos que la carga del material se hace por el techo del silo y que la descarga se realiza por la parte inferior del mismo por efecto de la gravedad sin ayudas externas). Los flujos de material que se desarrollan en el interior del silo son importantes, ya que determinan las acciones internas sobre las paredes del silo que este deberá soportar estructuralmente. Podemos clasificar los diferentes tipos de flujo que puede desarrollar el material almacenado en el silo de la siguiente forma (ver figura 1.6): a. Flujo en masa: Es aquel en el que todas las partículas almacenadas se movilizan durante el vaciado. b. Flujo en embudo: También puede denominarse flujo de núcleo. Es aquel en el que se produce un canal de flujo de material dentro de una zona confinada por encima de la salida, mientras que el material adyacente a la pared cercana a la salida permanece quieto. El canal de flujo puede interseccionar a la sección vertical de la pared del silo, o extenderse hasta la superficie del material almacenado, en cuyo caso es un flujo interno. E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 11

10 Figura 1.6: Tipos de flujo La segregación causada por el flujo se ha resuelto ampliamente [Bates, 1997] adoptando una geometría de silo de flujo en masa y usando cuidadosos procedimientos de llenado cuando quiera que la segregación deba ser evitada. El criterio para evaluar cuándo se da el flujo en masa fue desarrollado en los 1960s por Jenike y otros [Jenike, 1961, 1964] y, aunque se ha investigado para mejorar este criterio [Drescher, 1992], estos criterios de Jenike para evaluar cuándo se desarrolla el flujo en masa son ampliamente aceptados y usados hoy en día (véase figura 1.7). Figura 1.7: Determinación del flujo. Criterios de Jenike En los silos que en los que se desarrolla flujo en masa, el patrón de flujo está bien definido, y las condiciones para que se consiga este tipo de flujo se cumplen fácilmente si se adopta una tolva de pendiente y superficie lisa (poca rugosidad) adecuadas. E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 12

11 Los silos en los que se desarrolla flujo en embudo, normalmente conducen a la segregación del sólido almacenado, por lo que sólo son útiles para albergar sólidos en los que la segregación no sea un problema. El patrón de flujo en un silo en el que se desarrolla flujo en embudo sigue siendo un tema en el que se requiere una investigación en profundidad, ya que las asimetrías que se pueden producir en este patrón de flujo pueden poner en peligro la integridad estructural del silo [Rotter, 1999]. En resumen, las relaciones entre propiedades del material almacenado y del que compone la estructura del silo, los procesos de llenado y descarga del silo, los patrones de flujo desarrollados, las presiones en las paredes, las tensiones estructurales, las imperfecciones geométricas de fabricación u otra índole y el modo de fallo estructural que puede darse, son bastante complejas y de hecho no pueden cuantificarse con exactitud para los casos más complicados. Esto hace que sea necesario seguir un método ordenado y muy cuidadoso a la hora de diseñar silos metálicos de pared delgada Los eurocódigos Los eurocódigos estructurales son un conjunto de normas para el diseño estructural y geotécnico de edificios y trabajos de ingeniería civil. Los eurocódigos aplicables en el diseño y construcción de silos metálicos son el Eurocódigo 1: Bases de proyecto y acciones en estructuras. Parte-4: Acciones en silos y depósitos y el Eurocódigo 3: Diseño de Estructuras Metálicas, más específicamente en su Parte-4.1: Silos y Parte-1.6: Estructuras Laminares. Los eurocódigos surgen ante la necesidad de unificar la normativa vigente de construcción en el ámbito europeo, que apareció tras la creación de la Unión Europea y la libre circulación de trabajadores que conlleva. Esto hizo que a finales de los años 1980s y principio de los años 1990s se iniciara la elaboración de estos eurocódigos con el objetivo de que en un futuro no muy lejano, en toda la Unión Europea se diseñe y construya bajo una única y moderna normativa. Estos eurocódigos no se limitan a recopilar la normativa vigente en los diferentes países, sino que en su desarrollo han trabajado científicos especialistas de diferentes E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 13

12 países para incorporar los más recientes desarrollos realizados en este campo que, debido a la aplicación de técnicas numéricas de cálculo como el Método de los Elementos Finitos, son numerosos y hacen que el state of the art que tenemos hoy en día diste bastante del que había cuando se redactaron muchas de las normas aplicables antes e la entrada en vigor de los eurocódigos, entre ellas las normas usadas para el diseño y construcción del silo analizado. Por todo lo expuesto, resulta claro que a la hora de diseñar y construir un silo metálico, si queremos que éste tenga un correcto comportamiento estructural y funcionamiento operativo se deben cumplir las especificaciones y requisitos que se explicitan en los eurocódigos aplicables, además de apoyarnos en las modernas técnicas de elementos finitos para el cálculo y verificación de las ecuaciones que en los eurocódigos se proporcionan. E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 14

13 Ejemplos de silos metálicos A continuación se presentan algunas imágenes de silos metálicos. Silo circular con rigidizadores verticales Silo aéreo Conjunto de silos rigidizados Silos de gran tamaño Silos compuestos por virolas sin rigidizar Pandeo de un silo (obtenido en un ensayo) E.T.S. INGENIEROS, UNIVERSIDAD DE SEVILLA 15