FUNDACION PARA TANQUE API-620 CON PRESIN INTERNA EN ZONA SISMICA IV Ingeniero Civil Julio Cueto TECNA Estudios y Proyectos de Ingeniera S.A. Ciudad de Buenos Aires RESUMEN Se presenta el diseo estructural de la fundacin de un tanque API-620 para almacenamiento de nafta liviana ubicado en una Zona Ssmica IV segn el reglamento INPRES-CIRSOC 103. Se trata de un tanque de acero con una capacidad nominal de almacenamiento de 5000 m, siendo su dimetro de 20,00 m, su altura de 20.40 m y su presin interna de operacin de 0.045 MPa. Entre las particularidades del diseo de la fundacin se destacan los efectos causados por la presin interna de operacin del tanque en combinacin con las cargas de viento y las cargas ssmicas definidas por la norma API-620. Se analizaron las distintas alternativas posibles para la fundacin adoptndose finalmente un anillo circular con zapata de hormign con relleno de suelo interior. Se presentan los criterios adoptados para el diseo y conclusiones del mismo. Abstract The structural design of the foundation of a tank API-620 for light gasoline storage located in a Seismic Zone IV according to regulation INPRES-CIRSOC 103 is presented. The welded steel tank has a nominal capacity of storage of 5000 m, being its diameter 20.00 ms, their height 20,40 ms and their internal pressure of operation 0,045 MPa. Between the particularitities of the design of the foundation the effects caused by the internal pressure of operation of the tank in combination with the wind loads and the seismic loads defined by norm API-620 stand out. The different possible alternatives for the foundation were analyzed finally being adopted a circular ring with concrete shoe with stuffed of inner ground. The criteria adopted for the design and conclusions of the same one appear.

INTRODUCCIN Se trata la fundacin de un tanque de acero soldado diseando con la norma API-6201 con fondo plano destinado al almacenamiento de nafta liviana. Debido la tensin de vapor del producto almacenado, es necesario considerar en el diseo del tanque y de su fundacin una presin interior de 0.45 kg/cm. El emplazamiento del tanque es en zona ssmica IV segn CIRSOC 1032 por lo que se analizar el efecto de dicha presin interior en combinacin con la carga ssmica en el tanque. Debido a que en el CIRSOC 103 no se encuentra tipificada este tipo de estructura, se utilizar la carga ssmica definida en la norma API-620 de aplicacin en este tipo de tanques. La norma API-620 cubre el diseo y construccin de grandes tanques de acero soldados, de baja presin, que tienen un eje vertical de revolucin y que almacenan en su interior gases o vapores, o lquidos con gases o vapores por encima del nivel de lquido. Es de destacar la alta fuerza de levantamiento que se transmite a la fundacin a travs de la envolvente del tanque producto de la presin interior y que acta en forma permanente. Dicha fuerza de levantamiento permanente debe combinarse con las fuerzas de levantamiento debidas al sismo o al viento. La fuerza total de levantamiento debe ser contrarrestada por la fundacin del tanque. La figura 1 muestra un esquema del tanque con sus principales caractersticas.

Figura 1 Esquema del tanque y su fundacin. Principales caractersticas:

Capacidad de almacenamiento: V = 5000 m Dimetro del tanque: D = 20.00 m Altura total: H = 20.40 m Altura de la envolvente: Ht = 17.65 m Tipo de producto a almacenar: Nafta ligera Presin interna de diseo: Pr = 0.045 Mpa Densidad de producto almacenado: r = 770 kg/m Ubicacin: Zona Ssmica IV (CIRSOC 103)

D = 20.00m

H = 20.40m

ALTERNATIVAS DE FUNDACIN Los tanques de fondo plano pueden dividirse en general como tanques anclados a la fundacin en su permetro o como tanques no anclados a la fundacin en su permetro. En general la fundacin que se adopte debe proveer un plano estable para el soporte del tanque, proveer adecuado drenaje, limitar el asentamiento total y diferencial no permitiendo un asentamiento excesivo en el permetro del tanque debido a las cargas transmitidas por la envolvente del tanque sobre la fundacin. Entre las fundaciones tpicamente usadas se pueden encontrar: Terrapln de suelo seleccionado compactado sin anillo: usadas en tanques no anclados cuando las cargas transmitidas por la envolvente pueden ser soportadas por el terrapln. Terrapln de suelo seleccionado compactado con anillo de hormign: usadas en grandes tanques no anclados cuando las cargas transmitidas por la envolvente superan las tensiones admisibles del terrapln; y en tanques anclados en donde adems se necesita contrarrestar las fuerzas de levantamiento. Entre otras ventajas, el anillo de hormign provee una mejor distribucin de la carga concentrada transmitida por la envolvente, provee una adecuada base para la construccin del tanque, retiene en forma adecuada el material de relleno bajo del fondo del tanque y minimiza la humedad bajo el tanque. La desventaja es que tiene poca flexibilidad ante asentamientos diferenciales provocando altas tensiones en el acero del fondo del tanque. Terrapln de suelo seleccionado compactado con anillo de hormign y zapata: usada en tanques anclados sometidos a elevadas fuerzas de levantamiento en su permetro. Debido al peso necesario para contrarrestar el levantamiento, y a medida que el anillo de hormign se hace de mayor espesor, es conveniente realizar una zapata en el anillo y considerar el aporte del suelo sobre la zapata. Terrapln de suelo seleccionado con anillo de piedra: usadas en tanques no anclados como alternativa al anillo de hormign. Posee la ventaja adicional de ser ms flexible ante asentamientos diferenciales. Como desventaja presenta una mayor dificultad su construccin para lograr un plano de nivelacin para la construccin del tanque dentro de las tolerancias admisibles. Plateas de fundacin: Se usan en tanques anclados y no anclados cuando la carga del tanque debe ser distribuida en un rea mayor a la del tanque debido a la capacidad portante de suelo bajo el tanque. Plateas de fundacin con pilotes: Se usan en tanques anclados y no anclados cuando el nivel de suelo resistente se encuentra a mayor profundidad en donde no resulta conveniente hacer un reemplazo de suelo.

FUNDACIN ADOPTADA De entre las distintas alternativas posibles para la fundacin, se adopt finalmente un anillo circular con zapata de hormign con relleno interior de suelo seleccionado compactado segn se muestra en la figura 2. Para la seleccin de la fundacin se tuvo en cuenta la elevada fuerza de levantamiento de la fundacin producto de la presin interna en combinacin con la carga de sismo o de viento, la elevada capacidad portante del suelo en el lugar de implantacin, y el ahorro de hormign producto de usar una zapata en lugar de un anillo de gran espesor. La Figura 2 muestra el detalle del anillo con zapata adoptado.

Figura 2 Anillo de hormign con zapata. Se describir a continuacin los principales aspectos tenidos en cuenta para el diseo de la fundacin. Se describirn las cargas actuantes como las combinaciones de carga que deben considerarse en el diseo. CARGAS ACTUANTES SOBRE EL ANILLO DE HORMIGN Hiptesis consideradas:

- Se analizar en forma de cuerpo libre las cargas actuantes sobre una seccin tpica de la fundacin dada su simetra de revolucin.

- Se adopt que la presin en el fondo acta sobre una superficie definida por un ngulo a=2/3f, siendo f el ngulo de rozamiento interno del suelo de relleno seleccionado compactado.

- La presin vertical en el fondo del tanque produce una presin horizontal con direccin radial sobre el anillo de fundacin definida por el coeficiente de empuje en reposo del suelo Ko.

Cargas Gravitatorias: Peso propio de todos los componentes del tanque incluidas plataformas, etc.: Wr = Peso propio del techo o cubierta del tanque. Ws = Peso propio de la envolvente del tanque. Wf = Presin por peso propio del fondo del tanque. Peso de la fundacin de hormign: Wh Peso del suelo sobre la zapata de fundacin:

Wsi = Peso de la cua de suelo interior Wse = Peso de la cua de suelo exterior Presin radial del suelo sobre el anillo de hormign:

Wfo = Ko x Wf (1) En la Figura 3 se muestra un esquema con todas las cargas gravitatorias actuantes en el anillo de hormign con zapata.

Figura 3 Esquema de cargas gravitatorias.

WSi

Wf

WfO = Ko x Wf

Ws

Wr

WH

WSe

Cargas de Operacin: Presin hidrosttica en el fondo del tanque debida al lquido contenido (Figura 4): Wliq = Hliqmax x G (2)

Presin radial del suelo sobre el anillo de hormign (Figura 5): Woliq = Ko x Wliq (3) Siendo: Hliqmax: altura mxima de lquido en operacin. G = Peso especfico del lquido contenido.

Figura 4 Carga debida a la presin hidrosttica del lquido en operacin.

Figura 5 Carga debida a la presin hidrosttica del lquido en operacin.

Hliqmax

Wliq

Wliq

Woliq

a

Presin en el fondo debida a la presin de operacin (Figura 6): Pr = Presin de operacin Presin radial del suelo sobre el anillo de hormign (Figura 7): WoPr = Pr x Ko (4) Fuerza de levantamiento por metro de anillo de fundacin (Figura 7):

4PrPr4

Pr

2

PrDT

D

D

T =

=p

p

(5)

Figura 6 Presin interior en el tanque.

Figura 7 Cargas debidas a la presin interior en el tanque.

Pr

Pr

WoPr

a

TPr

La presin operacin interna del tanque acta con bajo o nulo nivel de lquido por lo que debe considerarse con el tanque lleno y con el tanque vaco. Segn se observa en la figura 6, la presin interior actuando sobre el techo del tanque provoca tracciones en la envolvente del tanque que son transmitidas al anillo de fundacin a travs de anclajes. Para el caso analizado de Pr = 0.045 MPa y D=20m, Tpr = 225000 N/m Cargas de Sismo La accin ssmica se determin segn la norma API-620 Apndice L, de aplicacin para tanques de acero soldados con fondo plano. Es de resaltar que la carga ssmica obtenida con la norma API-620 es una carga de servicio y no ltima. El procedimiento de diseo ssmico considera los siguientes dos modos de respuesta del tanque y del lquido contenido:

- La respuesta de la envolvente y la cubierta del tanque en conjunto con la porcin del lquido que se mueve al unsono con la envolvente, de relativa alta frecuencia de respuesta.

- El modo fundamental de oleaje del lquido contenido, de relativa baja frecuencia de respuesta. Las fuerzas asociadas con estos modos son usualmente llamadas fuerzas impulsivas y fuerzas convectivas respectivamente. El diseo requiere la determinacin de la masa hidrodinmicamente asociada con cada modo, las fuerzas laterales y el momento de volcamiento aplicado a la envolvente resultado de la accin ssmica. El momento de vuelco debido al sismo a nivel del fondo del tanque dado por la norma API 620 se define con la siguiente frmula:

(6) La fuerza horizontal debida al sismo o corte es:

( )221111 WCWCWrCWsCIZQE +++= (7) Siendo:

Z = 0.40, Factor de zona ssmica. I = 1, Factor de importancia. Ws = 1170000 N, Peso de la envolvente. Xs = 8.75 m, Altura del centro de masa de Ws. Wr = 340000 N, Peso de la cubierta o techo. Ht = 17.50 m, Altura de la envolvente del tanque. W1 = Peso de la masa efectiva de lquido contenido que se mueve con la

envolvente (fuerza impulsiva).

( )22211111 XWCXWCHtWrCXSWSCIZM E +++=

W2 = Peso de la masa efectiva de lquido contenido asociada al primer modo de oleaje (fuerza convectiva).

X1 = Altura del centro de masa de W1. X2 = Altura del centro de masa de W2. C1 = Coeficiente de fuerza lateral para la fuerza impulsiva. C2 = Coeficientes de fuerza lateral para la fuerza convectiva.

Para la zona ssmica IV de Argentina se adopt el valor de Z correspondiente a la Zona Ssmica 4 definida en la norma API 620, resultando Z=0.40. De la Figura 5 sacada de la norma API 620, se pueden obtener los valores de W1, W2, X1 y X2 en funcin de la relacin D/H, siendo H = Hliqmax (Figura 4) y D el dimetro del tanque.

Figura 5 Valores de W1, W2, X1 y X2 segn API 620 Puede observarse que a medida que la relacin D/H aumenta el peso de lquido W1 asociado a la fuerza impulsiva disminuye mientras que el peso de lquido W2 asociado a la fuerza convectiva aumenta. Los valores de X1 y X2 disminuyen a medida que aumenta D/H. Para el clculo del coeficiente de fuerza lateral C1, la norma API-620 establece: C1 = 0.60 , para todos los tanques (8) Para el clculo del coeficiente de fuerza lateral C2, la norma API-620 establece:

TSC = 75.02 para 5.4T (9)

2375.32T

SC = para 5.4>T (10)

siendo: S = Coeficiente en funcin del tipo de suelo que vara entre 1 para rocas o suelos

duros a 2 para suelos blandos.

75.10

5.0DkT = perodo natural del primer modo de oleaje. (11)

El valor de k se obtiene de la curva de la Figura 6 obtenida de la API-620 en funcin de la relacin D/H:

Figura 6 Curva para obtener el factor k segn API-620 Se calcular a continuacin los valores para el tanque analizado: Siendo: WT = 43710000 N , Peso total de la masa contenida. H = Hliqmax = 17.20 m, Altura mxima del lquido en operacin. D = 20.00 m , Dimetro del tanque. D/H = 1.2

De los grficos: W1/Wt = 0.74 W1 = 32117000 N

W2/Wt = 0.27 W2 = 11593000 N

X1/H = 0.35 X1 = 6.71 m

X2/H = 0.63 X2 = 12.00 m k = 0.59

S = 1.2 para suelo denso con espesor mayor a 60m. Segn clculo: T = 4.78 s C2 = 0.18

El momento de vuelco ser: NmM E @ 65480000 La fuerza ssmica total ser: NQE @ 8900000 Para obtener la traccin y compresin mxima en el anillo de fundacin se adopt una distribucin lineal de fuerzas en el anillo segn permite la norma API-620 como se muestra en la Figura 7.

Figura 7 Distribucin lineal de la fuerzas debidas al momento ssmico ME. La traccin mxima en el anillo debida al sismo es:

mN

DMT EE @

= 208000273.1 2max (11)

Carga de Viento La carga de viento se calcul de acuerdo al Reglamento CIRSOC 1023, Accin del Viento sobre las Construcciones. Del lugar de implantacin y tipo de construccin se obtuvieron los valores:

Velocidad de referencia: b = 22.5 m/s

Coeficiente de velocidad probable: Cp = 2.13

Rugosidad del terreno: Tipo II Velocidad bsica de diseo: V = Cp x b = 47.9 m/s Presin dinmica bsica: 22 /1410613.0 mNVqo ==

Coeficiente de reduccin: cd = 1 Coeficiente de altura: en forma simplificada se adopt:

cz1 = 0.673 para z < 10.00 m cz2 =0.86 para 10.00 m < z < 20.00 m

Presin dinmica de clculo: qz = qo x cz x cd qz1 = 950 N/m para z < 10.00 m

TEmax

D

qz2 = 1210 N/m para 10.00 m < z < 20.00 m Segn el Captulo 7 del CIRSOC 103: ho = 20.40 m , altura total del tanque d = 20.00 m , dimetro del tanque l = ho / d = 1.01 , relacin de dimensiones go = 0.9 , coeficiente de forma segn Figura 22 de CIRSOC 102 Accin de conjunto para construcciones cerradas estancas:

cEo = 0.45 , coeficiente global bsico de empuje segn Tabla 16 del CIRSOC 102.

cE = go x cEo = 0.41 , coeficiente global de empuje total. rea de referencia A:

A1 = 200m para z < 10.00 m A2 = 190.7m para 10.00 m < z

Fuerza de empuje:

E1 = cE x qz1 x A1 = 76950 N E2 = cE x qz2 x A2 = 93453 N Empuje total: Et = E1 + E2 = 170400 N Momento de vuelco debido al viento: MV = E1 x hA1 + E2 x hA2 = 1768000 Nm Siendo hA1 y hA2 las alturas de aplicacin de E1 y E2 segn la Figura 8. La traccin mxima transmitida al anillo de hormign debido al viento es:

mN

DMT VV @

= 5630

273.12max (12)

Adoptando una distribucin lineal de esfuerzos en forma similar a la accin ssmica (Figura 7).

Figura 8 Accin del viento sobre el tanque Otras Cargas No sern analizadas pero deben considerarse una carga de nieve y una sobrecarga sobre la cubierta del tanque. Clculo de la fuerza resistente al levantamiento La fuerza resistente al levantamiento R corresponde a la sumatoria de todas las fuerzas que actan sobre el anillo de fundacin en direccin contraria a la fuerza de levantamiento T (Ver Figuras 3, 5 y 7). R = Wse + Wsi + Wh + Ws + Wr + Wf + Wliq + Pr (13) COMBINACIONES DE CARGA Solo se mostrarn las principales combinaciones de carga que indica la norma API-620: Combinacin 1 - Tanque lleno en operacin + sismo. Debe considerarse el tanque en operacin lleno hasta el nivel mximo de lquido sumado a la accin del sismo. Para el caso analizado la fuerza de levantamiento mxima es: Tt1 = Top + TEmax = 225000 N/m + 208000 N/m Tt = 433000 N/m (14) R1 = Wse + Wsi + Wh + Ws + Wr + Wf + Wliq + Pr (15)

E1

E2

A1

A2

hA1

hA2

Combinacin 2 - Tanque vaco en operacin + viento. Debe considerarse el tanque vaco con una presin interior igual a 1.25 veces la presin de diseo Pr sumado a la accin del viento. Tt2 = Top + TEmax = 1.25 x 225000 N/m + 5630 N/m Tt = 286880 N/m (16) R2 = Wse + Wsi + Wh + Ws + Wr + Wf + 1.25 x Pr (17) Combinacin 3 - Prueba hidrulica: Debe considerarse el tanque lleno de agua hasta el nivel de prueba hidrulica definido ms una presin de prueba hidrulica predefinida (en general 1.25 veces la presin de diseo). CRITERIOS DE DISEO Y VERIFICACIONES Presin admisible en el terreno La presin en el fondo del tanque que se transmite directamente al suelo debe ser menor que la tensin admisible del suelo compactado colocado en el interior del anillo. La presin en el suelo bajo la zapata en el sector de compresin debe ser menor que la tensin admisible del suelo para acciones dinmicas de viento o sismo. Seguridad al volcamiento La seguridad al volcamiento debe ser mayor a 2 para las combinaciones 1 y 2.

( )0.25.0

++++++

ovolcamient

sesirsfT

MWWWhWWWW

D (18)

Seguridad al levantamiento La traccin mxima debe ser contrarrestada mediante: el peso de la envolvente y la cubierta, el peso del anillo de hormign, el peso del suelo sobre la zapata, y la presin en el fondo del tanque sobre el rea de influencia de la zapata, con un adecuado coeficiente de seguridad. Se verificar que en cada punto del anillo:

5.1TtR (19)

Debe tenerse en cuenta para las combinaciones 1 y 2 que si bien: Tt1 > Tt2, los valores R1 > R2. Esto se debe a que en la combinacin 1 el tanque se encuentra lleno y puede considerarse la columna hidrosttica del lquido contenido sobre la fundacin como favorable. Por lo tanto habr que calcular la seguridad al levantamiento R/T en cada caso. Seguridad al deslizamiento Si bien el tanque se encuentra anclado al anillo se verificar que el peso vertical total por el coeficiente de rozamiento entre el fondo y el suelo sea menor la carga total horizontal producto del sismo o el viento. El coeficiente de rozamiento vara segn los materiales utilizados y segn la norma API 620 no debe ser mayor que 0.4. 0.4 x (Wf + Wliq) < Qviento o Qsismo (20) ANILLO DE HORMIGN Anclajes La fuerza de traccin vertical debe transmitirse al anillo de hormign mediante un adecuado sistema de anclaje con suficiente longitud de empotramiento de las armaduras a ambos lados del plano potencial de falla, previndose adems las armaduras correspondientes para transmitir la fuerza de traccin a la parte inferior de la fundacin. Traccin circunferencial La presin horizontal transmitida por el suelo confinado sobre el anillo de hormign produce la siguiente traccin circunferencial para la cual se deben prever armaduras: Tc = Ph x D / 2 (21)

Figura 9 Traccin circunferencial en el anillo de hormign

TC

TC

Ph

Zapata de hormign Debe preverse en la zapata armadura inferior y superior para tomar la flexin radial producida por las cargas actuantes. Torsin en el anillo Debido a la excentricidad de todas las fuerzas actuantes sobre el anillo, se produce una torsin para la cual debe preverse las armaduras correspondientes. La armadura calculada por torsin debe sumarse a las armaduras ya calculadas.

Referencias:

1 API STANDARD 620, TENTH EDITION, February 2002 Design and Construction of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks.

2 REGLAMENTO CIRSOC 103, Edicin Agosto 1991 Normas Argentinas

para las construcciones sismorresistentes.

3 REGLAMENTO CIRSOC 102, Edicin Diciembre 1988 Accin del viento sobre las construcciones.