ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DISEÑO Y ESTANDARIZACIÓN DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE CEMENTO PARA UNA CAPACIDAD DE 50 T-M PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO MEDIAVILLA CHANCUSIG GERARDO DANIEL [email protected] VALVERDE REYES CHRISTIAN LEONARDO [email protected] DIRECTOR: ING. CARLOS OSWALDO BALDEÓN VALENCIA MDI [email protected] CO-DIRECTOR: ING. MAURICIO BOLÍVAR CELY VÉLEZ [email protected] Quito, Julio 2014 I DECLARACIÓN Nosotros, Mediavilla Chancusig Gerardo Daniel y Valverde Reyes Christian Leonardo, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad intelectual correspondiente a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente. Mediavilla Chancusig Gerardo Daniel Valverde Reyes Christian Leonardo II CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Mediavilla Chancusig Gerardo Daniel y Valverde Reyes Christian Leonardo, bajo mi supervisión. Ing. Carlos Baldeón DIRECTOR DEL PROYECTO Ing. Mauricio Cely CODIRECTOR DEL PROYECTO III AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios por darme la salud para continuar con mis estudios a lo largo de la carrera y culminar la misma con éxito. A mi familia por estar siempre junto a mí alentándome y brindándome todo su amor, cariño , comprensión y apoyo incondicional en los momentos más duros que he vivido al inicio y durante mi vida universitaria. A la Facultad de Ingeniería Mecánica y sus profesores que durante la carrera supieron darme principios de investigación y hacerme notar que nunca es suficiente solo lo escrito en un pizarrón. Al Ingeniero Carlos Baldeón quien supo colaborarnos en los momentos exactos para culminar el presente Proyecto de Titulación. Al Ingeniero Mauricio Cely por su colaboración y consejos para culminar con éxito el presente proyecto por su amistad y humildad. A mi amigo y compañero de Tesis Christian Valverde quien me ha demostrado una vez más su esfuerzo y dedicación que fue importante para culminar este proyecto con éxito. GERARDO Agradezco a Dios por regalarme salud e inteligencia a lo largo de mi vida A mis queridos padres por su paciencia, amor y cuidados. Sin su apoyo sin duda esto no habría sido posible. A mis queridos hermanos Daniel y Mayra, por su alegría y fuerza juvenil. A mí sobrino Leonardo por llenar de alegría mi vida. A Brigitte, por ser un soporte y apoyo en los momentos más difíciles a lo largo de esta dura travesía A la Facultad de Ingeniería Mecánica y todos quien forman parte de ella. Agradezco sus enseñanzas y consejos que formaron en mi un mejor ser humano. Al ingeniero Carlos Baldeón y al ingeniero Mauricio Cely por sus enseñanzas, colaboración y consejos en la elaboración de este proyecto A mi amigo y compañero Gerardo por su esfuerzo y dedicación a este proyecto. Sin duda sin tu compromiso esto habría sido mucho más difícil. CHRISTIAN IV DECICATORIA A mi madre la Sra. María Esther Chancusig Casa, quién sola supo sacar adelante a sus seis hijos, madrecita mía has hecho tanto por mí, todo este esfuerzo es insignificante frente a todas tus acciones por esto y muchas cosas más usted se merece mi total respeto y admiración. A mi hermana Marcela Mediavilla, quién a su corta edad se puso al frente de la familia buscando así mejores días para todos, por tu ayuda hoy escribo estas palabras con alegría y amor. A mi hermana Ximena Mediavilla, que supo darme ejemplo de ser trabajador, fuerte y de no decaer por más duro que sea el camino, gracias por enseñarme a ser un hombre útil en el hogar y la sociedad. A mi hermana Yessenia Mediavilla, de ti aprendí a ser persistente, tener fortaleza y saber que aunque no se tenga un centavo en el bolsillo debes seguir adelante esforzándote para conseguir las metas propuestas. A mi hermana Ligia Mediavilla, tú me has enseñado que por la familia uno debe ser valiente, arriesgado, decidido y destacado en las labores profesionales. A mi hermano Fernando Mediavilla, me siento orgulloso de ti de que estés peleando con coraje y dedicación por tus sueños sigue adelante nunca te dejare solo. A mis sobrinos Kenny, Esteban y Luciana, ustedes llegaron a darle una gran alegría a la familia y a mí un impulso más para ser cada día mejor, ustedes tendrán mi respaldo incondicional siempre. A Jenny Hernández, por tus consejos, por brindarme tu calor y amor incondicional llegaste a mi vida en el momento adecuado, te amo. Todo este esfuerzo está dedicado a todos ustedes gracias por ser mi fuerza, inspiración, coraje y orgullo GERARDO V Dedico este proyecto a mis abuelos que en cada conversación me han regalado sabiduría. Sin sus consejos hoy no estuviera aquí. A mi querida madre América, que con su tierna mano formó en mi la perseverancia y la paciencia. Gracias por levantarme cuando he caído. Usted sabia que este día llegaría, aún cuando tantas veces lo dude. A mi padre Leonardo, junto a usted aprendí el significado de trabajo duro y sacrificio constante. Finalmente padre lo hemos logrado. A Daniel y Mayra. Ustedes han sido compañeros de incontables noches de trabajo silencioso y de importantes enseñanzas. A mi sobrino Leonardo, tus sonrisas han llenado mi vida de alegría. A Brigitte, tu fuerza me inspira a ser mejor, tu voluntad me alienta. Gracias por caminar esta senda conmigo. Gracias por vivir conmigo tantas las alegrías y llantos. A mis profesores y amigos Carlos Valladares y Juan Antonio Serrano, que supieron mostrarme el camino de la superación. A Fabián Noboa, siempre creyó mí y encontró las palabras que me alentaron a seguir adelante. A mis tíos, por ver en mí capacidades que desconocía. Gracias por su apoyo moral a lo largo de estos años. Y finalmente a todos mis compañeros y amigos, con quienes pase tatos momentos en alegría y tristeza. CHRISTIAN VI CONTENIDO CONTENIDO ......................................................................................................... VI CONTENIDO DE TABLAS .................................................................................... XI CONTENIDO DE FIGURAS ................................................................................ XIII CAPÍTULO I ........................................................................................................... 1 1. GENERALIDADES .................................................................................. 1 1.1. TANQUES DE ALMACENAMIENTO ....................................................... 1 1.2. TIPOS DE TANQUES ............................................................................. 1 1.2.1. SEGÚN LA FORMA Y DISPOSICIÓN DE SUS EJES DE SIMETRÍA ...... 1 1.2.2. SEGÚN LA PRESIÓN .............................................................................. 2 1.2.3. SEGÚN LA TEMPERATURA DE ALMACENAMIENTO ........................... 2 1.2.4. SEGÚN LA UNIÓN DE LAS LÁMINAS .................................................... 3 1.2.5. SEGÚN LA CAPACIDAD DE MOVILIZARSE........................................... 3 1.2.6. SEGÚN EL PRODUCTO ALMACENADO ................................................ 4 1.2.7. SEGÚN EL TIPO DE TECHO PETRÓLEO Y SUS DERIVADOS .......... 10 1.2.8. SEGÚN EL TIPO TAPA PARA SÓLIDOS EN GENERAL ...................... 14 CAPITULO II ........................................................................................................ 20 2. CEMENTO: PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO .......................... 20 2.1. RESEÑA HISTORIA .............................................................................. 20 2.1.1. HISTORIA DEL CEMENTO PORTLAND ............................................... 20 2.2. DEFINICIÓN DEL CEMENTO ............................................................... 22 2.2.1. TIPOS DE CEMENTOS ......................................................................... 22 2.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL CEMENTO ..................... 26 2.3.1. COMPUESTOS PRINCIPALES DEL CEMENTO................................... 27 2.3.2. REQUISITOS FÍSICOS Y QUÍMICOS DEL CEMENTO ......................... 30 CAPÍTULO III ....................................................................................................... 38 3. ESTANDARIZACIÓN Y ALTERNATIVAS ............................................. 38 VII 3.1. ESTANDARIZACIÓN ............................................................................ 38 3.2. OBJETIVO Y BENEFICIOS DE LA ESTANDARIZACIÓN ................... 38 3.2.1. OBJETIVO .............................................................................................. 38 3.2.2. BENEFICIOS DE LA ESTANDARIZACIÓN............................................ 40 3.3. CRITERIOS DE ESTANDARIZACIÓN .................................................. 40 3.3.1. DIMENSIONES COMUNES ................................................................... 41 3.3.2. MATERIAL EMPLEADO ......................................................................... 41 3.3.3. USO DEL SISTEMA MÉTRICO DE MEDIDA ......................................... 41 3.3.4. EL CÁLCULO Y PROCESO DE DISEÑO .............................................. 41 3.3.5. GEOMETRÍA Y PROCESO DE FABRICACIÓN .................................... 42 3.4. ALTERNATIVAS DE DISEÑO ............................................................... 42 CAPÍTULO IV ....................................................................................................... 50 4. PARÁMETROS DE DISEÑO ................................................................. 50 4.1. PESO ESPECÍFICO DEL CEMENTO ................................................... 50 4.2. DIÁMETRO DEL SILO .......................................................................... 51 4.3. ÁNGULO DE INCLINACIÓN DE LA TOLVA [ɵ ] .................................... 51 4.4. ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNO DEL MATERIAL [β] ...................... 51 4.5. ÁNGULO DE FRICCIÓN MATERIAL – PARED [ᶲ ] .............................. 53 4.6. DIÁMETRO DE LA BOCA DE SALIDA ................................................. 53 4.7. TIPOS DE FLUJO ................................................................................. 54 4.7.1. FLUJO MÁSICO ..................................................................................... 54 4.7.2. FLUJO DE CONDUCTO Ó TUBULAR ................................................... 55 4.7.3. REQUISITOS QUE DEBE CUMPLIR UN SISTEMA .............................. 57 4.8. TEORÍAS DE LOS ESPECIALISTAS MÁS IMPORTANTES ............... 58 4.8.1. WALKER ................................................................................................ 58 4.8.2. TEORÍA DEL EMPUJE DE TIERRAS DE COULOMB Y RANKINE ....... 60 4.8.3. TEORÍA DE KOVTUM Y PLATANOV .................................................... 61 VIII 4.8.4. MÉTODO DE JANSSEN ........................................................................ 62 4.8.5. NORMAS DIN 1055 (1964) ALEMANIA ................................................. 64 4.8.6. NUEVA NORMA ALEMANA PARA EL CÁLCULO DE SILOS 1986 ...... 68 4.8.7. PRESIONES LATERALES SEGÚN EL DR. RAVANET ......................... 72 CAPÍTULO V ........................................................................................................ 76 5. CÁLCULOS Y DISEÑO ......................................................................... 76 5.1. DIN 1055 (ACCIONES EN SILOS Y TANQUES) .................................. 76 5.2. ASME SECCIÓN II ................................................................................ 76 5.3. ASME SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1 ........................................................ 77 5.4. PRESIONES EJERCIDAS EN EL SILO ................................................ 78 5.4.1. PRESIONES DE LLENADO ................................................................... 78 5.4.2. PRESIONES SOBRE LA TOLVA ........................................................... 81 5.5. EUROCÓDIGO UNE-ENV_1991-49 ..................................................... 83 5.5.1. PRESIÓN POR FRICCIÓN EN LA PARED DEL SILO ........................... 83 5.5.2. PRESIÓN HORIZONTAL EN LA ZONA DE TRANSICIÓN .................... 84 5.5.3. PRESIÓN LOCAL DE VACIADO ............................................................ 84 5.5.4. PRESIÓN HORIZONTAL DE VACIADO ................................................ 84 5.5.5. PRESIÓN VERTICAL DE VACIADO ...................................................... 85 5.5.6. PRESIÓN ADICIONAL PARA SILOS CON FLUJOS MÁSICOS ............ 85 5.5.7. PRESIÓN ESTÁTICA GENERADA POR LA COLUMNA ....................... 85 5.6. PRESIÓN DE DISEÑO .......................................................................... 86 5.6.1. PRESIÓN DE OPERACIÓN ................................................................... 86 5.6.2. PRESIÓN DE DISEÑO ........................................................................... 86 5.7. CÁLCULO PARA DETERMINAR EL ESPESOR DE PARED ............... 87 5.8. CÁLCULO DE ESPESORES DE LA ENVOLVENTE ............................ 88 5.9. ENVOLVENTES CILÍNDRICAS ............................................................ 89 5.9.1. ESFUERZO CIRCUNFERENCIAL ......................................................... 89 IX 5.9.2. ESFUERZO LONGITUDINAL................................................................. 90 5.10. CÁLCULO DE ESPESORES DE LA TAPA ........................................... 91 5.11. CÁLCULO DE ESPESORES DE LA SECCIÓN CÓNICA (TOLVA) ...... 93 5.12. CÁLCULO SE ESFUERZOS PRINCIPALES EN EL CUERPO ............. 94 5.12.1. CÍRCULO DE MOHR ............................................................................. 94 5.12.2. ÁNGULO DE ORIENTACIÓN................................................................. 96 5.12.3. FACTORES DE SEGURIDAD ................................................................ 98 5.13. ESFUERZOS ACTUANTES EN LA TOLVA DE SILO ........................... 99 5.13.1. ESFUERZO TRANSVERSAL ............................................................... 101 5.13.2. ESFUERZO LONGITUDINAL............................................................... 101 5.13.3. ESFUERZO DE TRACCIÓN ................................................................ 101 5.14. DISEÑO DE COLUMNAS.................................................................... 102 5.14.1. COLUMNAS SUJETAS A CARGAS AXIALES ..................................... 102 5.14.2. DISEÑO POR ESFUERZOS PERMISIBLES ....................................... 103 5.14.3. CURVA DE EULER .............................................................................. 104 5.14.4. FACTOR DE SEGURIDAD................................................................... 106 5.14.5. CÁLCULOS .......................................................................................... 107 5.15. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LAS OREJAS DE IZAJE .................... 118 5.15.1. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA PLACA DE RESPALDO ................ 120 5.15.2. ÁREA DE SOLDADURA EN OREJAS DE IZAJE ................................. 120 5.16. DISEÑO DE CONEXIONES SOLDADAS............................................ 121 5.16.1. JUNTA A TOPE .................................................................................... 121 5.16.2. DISEÑO DE JUNTAS A FILETE .......................................................... 124 5.16.3. DISEÑO DE PLACA BASE................................................................... 125 5.17. DISEÑO DE PERNOS DE ANCLAJE .................................................. 128 5.17.1. CÁLCULO DE LONGITUD DEL PERNO DE ANCLAJE ...................... 129 5.18. PLACAS DE MÉNSULA ...................................................................... 130 X 5.19. REQUERIMIENTOS PARA ESCALERAS ........................................... 131 5.20. CÁLCULO DE REFUERZO DE REGISTRO DE HOMBRE ................. 132 5.21. CÁLCULO DE TAPA PLANA PARA EL REGISTRO DE HOMBRE .... 135 CAPÍTULO VI ..................................................................................................... 138 6. PROCEDIMIENTOS DE FABRICACIÓN Y MONTAJE ....................... 138 6.1. PROCESOS DE FABRICACIÓN ......................................................... 138 6.1.1. PROCESOS DE TRAZADO ................................................................. 139 6.1.2. PROCESOS DE CORTE ...................................................................... 139 6.1.3. CONFORMADO POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA ............................ 141 6.1.4. PROCESOS DE SOLDADURA ............................................................ 142 6.1.5. PRUEBA HIDROSTÁTICA ................................................................... 146 6.1.6. PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE .................................................. 146 6.1.7. PROCESO DE PINTURA ..................................................................... 149 6.2. PROCESOS DE MONTAJE ................................................................ 151 6.2.1. SECUENCIA DE MONTAJE................................................................ 151 CAPITULO VII .................................................................................................... 154 7. ANÁLISIS DE COSTOS ...................................................................... 154 7.1. COSTO ................................................................................................ 154 7.1.1. CLASIFICACIÓN DE COSTOS ............................................................ 154 7.2. ANÁLISIS DE LOS PRECIOS UNITARIOS ......................................... 156 7.2.1. COSTOS DIRECTOS ........................................................................... 157 7.2.2. COSTOS INDIRECTOS ....................................................................... 160 7.2.3. COSTO TOTAL DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO .................... 162 CONCLUSIONES............................................................................................... 163 RECOMENDACIONES ...................................................................................... 165 BIBLIOGRAFÍA Y SITIOS WEB ......................................................................... 166 XI CONTENIDO DE TABLAS Tabla 1-1: Clasificación de tanques de almacenamiento ....................................... 4 Tabla 1-2: Tipo de tapas ...................................................................................... 16 Tabla 2-1: Tipos de cemento ................................................................................ 25 Tabla 2-2: Equivalencias entre normas ................................................................ 26 Tabla 2-3: Composición del cemento ................................................................... 27 Tabla 2-4: Resumen de los compuestos del cemento .......................................... 29 Tabla 2-5: Requisitos físicos- químicos ................................................................ 37 Tabla 3-1: Tipos de tapas ventajas y desventajas ................................................ 43 Tabla 3-2: Criterios de selección de la tapa del recipiente ................................... 44 Tabla 3-3: Evaluación de alternativas según el primer criterio ............................. 44 Tabla 3-4: Evaluación de alternativas según el segundo criterio.......................... 44 Tabla 3-5: Evaluación de alternativas según el tercer criterio .............................. 45 Tabla 3-6: Conclusión de la selección .................................................................. 45 Tabla 3-7: Tipo de entrada de hombre: ventajas y desventajas ........................... 46 Tabla 3-8: Criterios de selección para la entrada de hombre ............................... 46 Tabla 3-9: Evaluación de las alternativas según el primer criterio........................ 47 Tabla 3-10: Evaluación de las alternativas según el segundo criterio .................. 47 Tabla 3-11: Evaluación de alternativas según el tercer criterio ............................ 47 Tabla 3-12: Evaluación de alternativas según el cuarto criterio ........................... 47 Tabla 3-13: Conclusión de selección .................................................................... 48 Tabla 3-14: Análisis de linea de descarga ............................................................ 48 Tabla 4-1: Ángulos de fricción material-pared ...................................................... 52 Tabla 4-2: Caracteristicas de los tipos deflujo ...................................................... 56 Tabla 5-1: Partes del código ASME sección VIII .................................................. 77 Tabla 5-2: Factor de forma ................................................................................. 109 Tabla 5-3: Factor entorno/altura ......................................................................... 109 Tabla 5-4: Especificaciones generales perfiles IPE laminados en caliente ........ 117 Tabla 5-5: Dimensiones de las orejas de izaje ................................................... 119 Tabla 5-6: Tipos de soldadura a tope ................................................................. 124 Tabla 6-1: Rendimiento de pintura según aplicación .......................................... 150 Tabla 7-1: Costos de materia prima ................................................................... 157 Tabla 7-2: Costos de fabricación de pernos y placas ......................................... 158 XII Tabla 7-3: Costos de montaje ............................................................................ 159 Tabla 7-4: Costo de mano de obra ..................................................................... 159 Tabla 7-5: Costos de tratamiento superficial ...................................................... 160 Tabla 7-6: Costo directo total ............................................................................. 160 Tabla 7-7: Costos indirectos ............................................................................... 161 Tabla 7-8: Costo de transporte ........................................................................... 161 Tabla 7-10: Costo indirecto total......................................................................... 162 Tabla 7-11: Costos totales.................................................................................. 162 XIII CONTENIDO DE FIGURAS Figura 1-1: Tanque de almacenamiento de agua ................................................... 6 Figura 1-2: Ensamblaje de planchas de pared ....................................................... 7 Figura 1-3: Detalle de impermeabilización entre planchas ..................................... 7 Figura 1-4: Tanque domiciliario .............................................................................. 8 Figura 1-5: Tanque de fondo cónico ....................................................................... 9 Figura 1-6: Tanque atmosférico con techo flotante .............................................. 11 Figura 1-7: Silo de tránsito ................................................................................... 11 Figura 1-8: Tanque atmosférico de techo fijo ...................................................... 13 Figura 4-1: Flujo másico de un material pulverulento ........................................... 55 Figura 4-2: Flujo de conducto o tubular ................................................................ 56 Figura 4-3: Diagrama de aumento de presión vs longitud del silo ........................ 58 Figura 4-4: Elemento diferencial de Janssen ....................................................... 63 Figura 5-1: Presiones existentes en el silo ........................................................... 79 Figura 5-2: Presiones ejercidas sobre la tolva...................................................... 82 Figura 5-3: Esfuerzos circunferenciales y longitudinales ...................................... 90 Figura 5-4: Tapa toriesférica ................................................................................ 91 Figura 5-5: Sección cónica (tolva) ........................................................................ 93 Figura 5-6: Esfuerzos principales representados en sus ejes ............................. 97 Figura 5-7: Representación de esfuerzos principales .......................................... 98 Figura 5-8: Presiones actuantes sobre las paredes de la tolva .......................... 100 Figura 5-9: Curva de Euler ................................................................................. 104 Figura 5-10: Diagrama de la carga de viento ..................................................... 110 Figura 5-11: Diagrama de cuerpo libre ............................................................... 111 Figura 5-12: Relaciones de rigidez ..................................................................... 113 Figura 5-13: Forma de un perfil IPE ................................................................... 118 Figura 5-14: Tipos de juntas y sus geometrías................................................... 122 Figura 5-15: Partes de una soldadura a filete..................................................... 125 Figura 5-16: Placa base ..................................................................................... 126 Figura 5-17: Perno de anclaje ............................................................................ 128 Figura 5-18: Ménsulas ........................................................................................ 130 Figura 5-19: Entrada de hombre ........................................................................ 132 Figura 6-1: Efecto de cizalla ............................................................................... 140 XIV Figura 6-2: Rolado de un cono ........................................................................... 142 Figura 6-3: Acabado metal blanco...................................................................... 148 Figura 6-4. Pluma de izaje.................................................................................. 152 XV RESUMEN El presente Proyecto de Titulación se enfoca al “Diseño y Estandarización de Tanques de Almacenamiento de Cemento para una Capacidad de 50 Toneladas”, mismo que se compone de siete capítulos. A continuación se pasará a indicar brevemente en qué consiste cada capítulo. En el capítulo I se da a conocer las generalidades acerca de los tanques de almacenamiento, tipos y una clasificación de para posteriormente proceder a elegir el tipo de tanque más adecuado y definir los distintos parámetros y material correspondiente para realizar el diseño. Las propiedades físicas y químicas del cemento se expone en el capítulo II, así como también el comportamiento que este material pulverulento presenta. Además también describe la clasificación de los diferentes tipos de cemento. El capítulo III estandarización y alternativas, muestra una serie de matrices en las cuales se ha detallado las distintas partes del tanque de almacenamiento, de tal manera que se pueda elegir a cabalidad los componentes del mismo teniendo en cuenta el aspecto técnico – económico. El capítulo IV contiene parámetros de diseño, es el capítulo fundamental para proceder a realizar los correspondientes cálculos estructurales para el tanque de almacenamiento, en este apartado se definen parámetros como: ángulos de fricción internos del material, ángulos de fricción formado entre el cemento y la pared del material que lo almacena, el diámetro del tanque de almacenamiento, el ángulo de inclinación de la tolva, etc. Todos los cálculos pertinentes para el diseño del tanque de almacenamiento se encuentran en el capítulo V .Los cálculos se realizan partiendo de las propiedades mecánicas que presenta el acero ASTM A 516 Gr. 70 que es el ideal para recipientes de este tipo, así como también de las presiones que se generan producto de la entrada y salida del material almacenado. Los distintos procesos necesarios tanto para la fabricación así como también para el montaje del tanque de almacenamiento se encuentan definidos en el capítulo XVI VI. El capítulo hace referencia a los procesos de soldadura, corte, conformado mecánico, etc. En el capítulo VII se detalla la lista de materiales y su costo. Finalmente se da a conocer las conclusiones y recomendaciones más importantes del presente proyecto. XVII PRESENTACIÓN El presente proyecto tiene como objetivo general “Diseñar y estandarizar un prototipo de tanque de almacenamiento de cemento para una capacidad de 50 tm”, que sea capaz de satisfacer las necesidades que poseen las distintas industrias del país. En la actualidad los tanques de almacenamiento de cemento no tienen establecido un estándar, es decir: no tienen un régimen de construcción, de uso de materiales, de parámetros de diseño, consideraciones de diseño, etc. De aquí surge la necesidad de establecer un prototipo de tanque para el almacenamiento de cemento, puesto que al no tomar en cuenta las consideraciones antes nombradas, los tanques de almacenamiento de cemento han venido presentando problemas al momento de su operación, acortando así su vida útil en las empresas y por consiguiente generando mayores gastos a las mismas por dichos inconvenientes. El prototipo propuesto en este proyecto de titulación abarca todas las consideraciones necesarias para realizar el correcto diseño de los tanques de almacenamiento de cemento, garantizando su correcta operación. También se ha establecido los procesos de fabricación y montaje del tanque de almacenamiento teniendo en cuenta el aspecto técnico-económico. Para establecer el diseño correspondiente se ha seleccionado el material que es adecuado para recipientes sometidos a presión interna y que en la actualidad no presenta mayor complicación en ser importado al país; dicho material es el Acero ASTM A-516 Gr. 70, mismo que presenta excelentes propiedades mecánicas. El diseño, los procedimientos de soldadura, montaje, estandarización y parámetros de diseño se han llevado a cabo empleando normas y códigos vigentes como: AWS D1.1, DIN 1055, EUROCÓDIGO, CÓDIGO ASME SECCIÓN II, CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII, MANUAL DEL ASIC y la NORMA API 650. 1 CAPÍTULO I 1. GENERALIDADES En este capítulo se realizará un análisis de los recipientes de almacenamiento, su clasificación según diferentes criterios y sus principales características basado en sus conceptos y descripciones.El estudio de estos elementos nace de la demandacreciente que la industria presenta por estos equipos, debido a su utilidad en el trasporte, producción, manipulación, almacenamiento y procesos de transformación de líquidos, gases y sólidos como se plantea en este trabajo. Generalmente los recipientes de almacenamiento son asociados a fluidos y diferentes procesos industriales que llevan a la obtención de sus derivados o como contenedores que facilita el almacenamiento y manipulación para un uso en condiciones controladas. Sin embargo, existen aplicaciones no tan comunes donde los productos son elementos sólidos de pequeñas dimensiones comparadas con las de los contenedores o incluso de elementos pulverulentos como el cemento,este análisis será base para la futura selección de alternativas, posterior cálculo y dimensionamiento. 1.1. TANQUES DE ALMACENAMIENTO Se define como un tanque de almacenamiento a toda estructura capaz de retener productos de diferentes densidades y estados. Sus formas son variadas, y es común encontrarlos en forma cilíndrica1. 1.2. TIPOS DE TANQUES La selección de un tanque de almacenamiento está en función del tipo de producto a acopiar, a la cantidad requerida, presión y temperatura. Dentro de estas condiciones se puede citar los siguientes tipos de tanques: 1.2.1. SEGÚN LA FORMA Y DISPOSICIÓN DE SUS EJES DE SIMETRÍA Según los ejes de simetría son horizontales, verticales o esféricos y según su geometría pueden ser: Cilíndricos 1 Acosta, M.(1994). Diseño, Fabricación y Erección de Tanques de Almacenamiento para la Industria Petrolera.(Tesis inédita de ingeniería). Escuela Politécnica Nacional, Quito. 2 Prismáticos Esféricos Elípticos, etc 1.2.2. SEGÚN LA PRESIÓN 1.2.2.1. Tanques a presión atmosférica Si la presión de trabajo del recipiente es muy cercana o incluso igual a la presión atmosférica. No se usará este tipo de tanques cuando el producto almacenado sea un fluido y cuyo punto de ebullición sea muy cercano a la temperatura ambiente2. 1.2.2.2. Tanques a bajas presiones Usados para que la presión mayoritaria sea la exterior del recipiente. Las presiones internas no llegan a ser iguales a la presión atmosférica 2. 1.2.2.3. Recipientes a presión Se denomina como recipiente de presión a cualquier recipiente constituido generalmente por una envolvente, con la capacidad de contener mayoritariamente a un fluido en cualquier estado y de cualquier densidad, cuyas condiciones de temperatura y/o presión son diferentes a las del medio ambiente. Estos contenedores pueden ser usados para procesar, transportar o almacenar sus contenidos. De manera general son recipientes que superan la presión atmosférica y que alcanzan altas presiones acompañadas de variaciones de temperaturas para una mayor eficiencia en cuanto sus puntos de operación. Por ejemplo en el almacenamiento de gases, o en calderas2. 1.2.3. SEGÚN LA TEMPERATURA DE ALMACENAMIENTO Esta clasificación se la realiza tomando en cuenta como referencia térmica la temperatura ambiente2. Altas temperaturas: Recipientes donde el almacenamientos supera los 93ºC según la Norma API 650 2 León, J.(2001). Diseño y calculo de recipientes a presión.(Edición 2001). Ingesa. Recuperado de http://es.scribd.com/doc/17247549/diseno-y-calculo-derecipientes-a-presion 3 Temperatura ambiente: Para temperaturas menores a 93ºC y mayores a 0ºC Bajas temperaturas: Tanques diseñados para temperaturas bajo los 0ºC. (aplicaciones de Criogenia) 1.2.4. SEGÚN LA UNIÓN DE LAS LÁMINAS 1.2.4.1. Tanques soldados Son tanques cuyo proceso de unión entre láminas es la soldadura, a través de un proceso en específico. Los tanques pequeños suelen ser ensamblados en plantas y luego son transportados a los lugares de operación. Sin embargo los de gran vólumen son fabricados en el sitio mismo de instalación. Estos tanques son sometidos a numerosas pruebas e inspecciones donde se comprueba la calidad de la soldadura para garantizar su perfecta unión. Son tanques que se usan en instalaciones permanentes debido a que su desmontaje significaría la destrucción del mismo o un complicado proceso en un nuevo ensamblaje3. 1.2.4.2. Tanques atornillados o empernados Son tanques utilizados en instalaciones provisionales debido a su facilidad para ser ensamblados y desarmados. En la industria petrolera son usados para capacidades entre 30 y 100 000 barriles3. 1.2.4.3. Tanques remachados Son tanques de una capacidad importante que varía entre 240 a 134 000 barriles según las normas API. Son usados para el almacenamiento de petróleo en las concesiones y patios de tanques3. 1.2.5. SEGÚN LA CAPACIDAD DE MOVILIZARSE 1.2.5.1. Estacionarios Son tanques diseñados para operar en condiciones fijas y con capacidades aproximadas de 80 metros cúbicos. Son transportables siempre y cuando se use un medio externo como grúas, camiones, etc3. 3 Oria, L. (2008). Diseño y calculo de recipientes a presión, Recuperado:http://www.webaero.net/ingenieria/equipos/Estaticos/Presurizados/Bibliografia _Documentacion/previsualizacion/prev_ORIA_Dise%C3%B1o%20de%20recipientes%20a%20pre sion.pdf 4 1.2.5.2. Transportables Son tanques fácilmente transportables debido a que tiene medios que proporciona movilidad propia3. 1.2.5.3. Tanques empernados Los que están constituidos en un punto fijo pero de manera temporal y para poder trasladarlos es necesario desmontarlos4. 1.2.6. SEGÚN EL PRODUCTO ALMACENADO Tabla 1-1: Clasificación de tanques de almacenamiento Tanques de almacenamiento de agua Bebederos Domiciliarios Tanques elevados + torres metálicas Silos cónicos Tanques para almacenamientos Silos de fondo plano de granos Silos secadores Silos de transito: cemento, carbonato de calcio, balanceados, etc. Eje horizontal: para melaza, Tanques de almacenamiento de crudo transporte de agua, gasolina, diesel. Eje vertical: rectangulares para brea, asfalto. Tanques tipo salchicha Tanques de almacenamiento de Tanques esféricos: para gases contener diferentes gases en cantidades importantes. FUENTE:LOS AUTORES 4 León, J.(2001). Diseño y calculo de recipientes a presión.(Edición 2001). Ingesa. Recuperado recipientes-a-presion de http://es.scribd.com/doc/17247549/diseno-y-calculo-de- 5 1.2.6.1. Tanques de almacenamiento de agua De forma general un tanque de almacenamiento para agua está conformado por láminas de acero corrugado y galvanizado, estos se emplean para formar los anillos de la cédula de almacenamiento, las láminas llevan en sus extremos varios agujeros con el fin de permitir el traslape con otra lámina formando de esta manera el cuerpo del tanque4. Se suele emplear pernos de alta resistencia grado 5 u 8 en las juntas. Normalmente se emplean arandelas metálicas cóncavas y convexas con la finalidad de facilitar el ajuste de los elementos4. Conforme aumenta la altura de agua represada se podría establecer una variación de espesor de la lámina de acero para optimizar el diseño. La unión empernada y traslapada al mismo tiempo brindará rígidez adicional a las paredes del cuerpo del tanque que recibirá un flujo turbulento en la captación 4. Las planchas para pared presentan una geometría ondulatoria que se establecerá dependiendo del diámetro y altura del tanque, obteniéndose así mayor firmeza en la estructura del tanque4. Los tanques corrugados y galvanizados presentan las siguientes ventajas: Versatilidad de construcción Las planchas serán ensambladas rápidamente entre ellas mediante pernos, motivo por el cual su ensamble no demorará tanto a diferencia de otros tanques. Rapidez de montaje Un tanque empernado presenta soluciones emergentes de agua, el montaje se realizará en corto tiempo y sin necesidad de contar con una mano de obra especializada. No existen gastos en control de calidad Debido a la no existencia de soldaduras, no existirá gasto adicional en el control de calidad. La única inspección requerida es la comprobación de la fuerza de ajuste aplicada a la junta mediante un torquimetro4. 6 Limpieza y mantenimiento Los tanques para almacenamiento de agua comúnmente reciben un tratamiento superficial. Debido al previo tratamiento superficial las paredes y techo del depósito pueden ser limpiadas sin ningún problema, incluso resisten operaciones de cepillado5. Figura 1-1: Tanque de almacenamiento de agua FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM En el figura 1-1 se puede apreciar un tanque compuesto por dos anillos con junta emperanda. El techo cónico cubre al recipiente de almacenamiento. 5 Primer seminario Nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM 7 Figura 1-2: Ensamblaje de planchas de pared FUENTE:Primer seminario Nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM Figura 1-3: Detalle de impermeabilización entre planchas FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM 1.2.6.1.1. Tanques bebederos A continuación se presentará las principales características de este tipo de tanques: Generalmente tienen poca altura y gran diámetro. Estos tanques presentan un borde redondeado en su parte superior reduciendo así la posibilidad de corte del cuello de los animales. Fácil montaje y mantenimiento. No se necesita personal calificado. 8 Fácil transporte de las partes que componen el tanque. Estos tanques son empleados principalmente en la industria ganadera y en criaderos de peces, camaroneras y tanques de floculación5. 1.2.6.1.2. Tanques domiciliarios Estos tanques generalmente presentan poca capacidad de volumen, y además son de peso ligero. Son de un solo cuerpo. Tapa superior desmontable. Se emplea tubería de media pulgada en la salida del fondo. El accesorio para la carga se realiza mediante tubería de media pulgada ubicada en un costado del tanque5. Cuenta con accesorios a los costados para transporte manual. Resistencia a la manipulación, transporte e impacto. Figura 1-4: Tanque domiciliario FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM 1.2.6.1.3. Tanques elevados + torres metálicas Son depósitos que se encuentran sobre el nivel del terreno natural, generalmente son soportados por columnas y pilotes. Son de gran importancia en sistemas de distribución de agua tanto industrial como artesanal5. 9 1.2.6.2. Tanques para almacenamiento de granos A continuación se presentará la subdivisión de este tipo de tanques: 1.2.6.2.1. Silos de fondo cónico Están diseñados para plantas procesos. Su fondo cónico generalmente es de 45º. Permite almacenar cualquier tipo de grano que fluya libremente. La descarga se realiza por gravedad. Se utiliza principalmente en procesos de limpieza, secado y almacenamiento de por corto tiempo. Aptos para temperar granos, airearlos y transitarlos5. Figura 1-5: Tanque de fondo cónico FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM 10 1.2.6.2.2. Silos de fondo plano Ideal para almacenamiento de granos, cereales por largos periodos. Presenta un fondo plano ranurado con ductos de aireación, permitiendo de esta manera mantener los productos a temperatura y humedad óptima5. 1.2.6.2.3. Silos secadores Permiten almacenar el grano directamente después de la cosecha. Emplea unidades de aire caliente y equipos metálicos de agitación, reduciendo de esta manera la humedad existente en el grano 5. 1.2.6.2.4. Silos de tránsito Este tipo de silos se subdividen en: a) Silos para Balanceados Fondo cónico a 60º facilita la descarga de productos mezclados, harinas, granulados o productos con agregados de melaza. Generalmente estos silos son diseñados para una gran capacidad. b) Silos para Cemento Este es el tipo de silo en el cual se basará el presente proyecto, desarrollando posteriormente su diseño5. 1.2.7. SEGÚN EL TIPO DE TECHO PETRÓLEO Y SUS DERIVADOS 1.2.7.1. Techo Flotante Los techos tipo flotantes generalmente son empleados en sistemas para el almacenamiento de productos que contienen un elevado punto de destilación como es el caso de los combustibles en general5. 11 Figura 1-6: Tanque atmosférico con techo flotante FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM Figura 1-7: Silo de tránsito FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM 12 Clasificación de techos flotantes: Tipo Bandeja Tipo Pontón Tipo de Cubierta Doble 1.2.7.1.1. Tipo bandeja Fue uno de los primeros techos que se empleo en tanques de almacenamiento, su costo es relativamente bajo, actualmente ya no se usan debido a que no presentan buena estabilidad en zonas de elevada precipitación 5. 1.2.7.1.2. Tipo pontón Este tipo de techo evita que se genere evaporación por debajo de la cubierta, es empleado en tanques cuyos diámetro está entre 18 y 90 metros, su sistema de flotación consiste de pontones anulares, los mismos que irán variando de acuerdo al diámetro del techo y de una cubierta simple ubicada en el centro. El pontón cuenta con una cámara de aire la cual permite la flotación pero además funciona como medio aislante. La característica de este techo es atrapar los vapores en el centro de la cubierta para que estos funcionen como capa aislante hasta que se condensen5. 1.2.7.1.3. Tipo de cubierta doble Este tipo de tanque evita que se produzca el fenómeno de evaporacióngracias a su doble cubierta, son los techos más seguros y costosos actualmente, generalmente se emplean en tanques que superan los 90 metros de diámetro. El diseño de este tipo de techo es el más seguro ya que por su diseño se mantiene a flote a pesar de que mantiene sus pontones inundados, esto se da debido a la cámara de aire formada entre las cubiertas, este caso es similar al anterior, es decir la cámara de aire también funciona como capa aislante reduciendo así la evaporación del producto contenido 5. 1.2.7.2. Techo fijo Son empleados en tanques para almacenamiento de líquidos. Dentro del país se usan con mayor frecuencia los siguientes tipos de techo5. 13 Figura 1-8: Tanque atmosférico de techo fijo FUENTE: Tesis: Elaboración del procedimiento para la certificación de tanques atmosféricos para almacenamiento de crudo. Techo Soportante Techo Autosoportante 1.2.7.2.1. Techo autosoportante Este tipo de techo se emplea en tanques de almacenamiento que poseen un diámetro de hasta 24 pies5 (7315mm). 1.2.7.2.2. Techo soportante Este tipo de techo necesariamente empleará por lo menos una columna central si llega a poseer un diámetro de 80 pies5 (24384mm). 1.2.7.2.3. Techos tipo domo auto soportado Posee una superficie que es aproximadamente esférica y se encuentra apoyado en su periferia5. 1.2.7.2.4. Techo auto soportado tipo paraguas Es una variación del techo tipo domo de tal forma que cualquier sección horizontal es un polígono regular de múltiples lados, sustentados en su propia periferia 5. 14 1.2.8. SEGÚN EL TIPO TAPA PARA SÓLIDOS EN GENERAL Cuando se hacen referencia a recipientes de forma cilíndrica es necesario indicar que estos recipientes deben constar de tapas en sus extremos mismas que cumplirán con el diseño establecido. A continuación se dan a conocer los siguientes tipos de tapas6. Planas Planas con Ceja Únicamente Abombadas Abombadas con Ceja Invertida Toriesféricas Semielípticas Semiesféricas 80-10 Cónicas Toricónicas 1.2.8.1. Tapas planas Son empleadas para cerrar recipientes que están sujetos generalmente a presión atmosférica, en algunos casos se suelen emplear en recipientes a elevada presión y también se utilizan como fondos de tanques de almacenamiento de grandes dimensiones. Su costo por el tipo de tapa es bastante bajo6. 1.2.8.2. Tapas planas con ceja Son empleadas al igual que las anteriores para tanques atmosféricos, el costo de las tapas tipo ceja es relativamente bajo, a diferencia de los anteriores este tiene un límite dimensional máximo de 6 metros de diámetro6. 1.2.8.3. Tapas únicamente abombadas Son utilizadas en recipientes de presión manométrica relativamente bajas, también suelen emplearse para soportar presiones relativamente altas previo a esto es necesario realizar un análisis de concentración de esfuerzos en el caso de 6 León, J.(2001). Diseño y calculo de recipientes a presión.(Edición 2001). Ingesa. Recuperado de http://es.scribd.com/doc/17247549/diseno-y-calculo-derecipientes-a-presion 15 que exista un cambio brusco de direcciones. El costo de este tipo de tapas es bajo6. 1.2.8.4. Tapas abombadas con ceja invertida El uso de este tipo de tapas es limitado debido a que su proceso de fabricación es complicado, como consecuencia de ello el costo es elevado 6. 1.2.8.5. Tapas toriesféricas Este tipo de tapas son las más empleados en el campo industrial ya que su costo de fabricación es bajo y también debido a que soporta elevadas presiones manométricas, la característica principal de este tipo de tapas es que el radio de abombado es aproximado al diámetro. Se pueden fabricar desde 0.3 hasta 6 metros6. 1.2.8.6. Tapas semielípticas Normalmente son empleadas cuando el espesor de la tapa toriesférica es relativamente alto, las tapas de tipo semielípticas son fabricadas bajo un proceso de troquelado soporta mayor presión que las torieféricas. Su costo de fabricación es alto6. 1.2.8.7. Tapa semiesférica Son usadas para soportar presiones críticas. Su silueta describe una media circunferencia perfecta, se caracteriza por no tener un límite dimensional para su fabricación. Su costo de fabricación es alto6. 1.2.8.8. Tapas 80 - 10 Este tipo de tapas se caracterizan por tener un radio de abombado igual al 80% del diámetro y un radio de esquina o radio de nudillo igual al 10% del diámetro 6. 1.2.8.9. Tapa cónicas Se usan generalmente en fondos en los cuales existiese acumulación de sólidos y como transiciones en cambios de diámetro de recipientes cilíndricos. Son empleadas comúnmente en torres fraccionadoras o de destilación. En este tipo de tapa no existe límite con respecto a las dimensiones para su proceso de fabricación, su única limitación consiste en que el ángulo de vértice no debe ser mayor a 60 grados. Las tapas con un ángulo mayor a 60 grados deben ser calculadas como tapas planas6. 16 1.2.8.10. Tapas toricónicas A diferencia de las tapas cónicas, este tipo de tapas tienen en su diámetro mayor un radio de transición que no debe ser menor al 6% del diámetro mayor ó 3 veces el espesor6. Tabla 1-2: Tipo de tapas TIPOS DE TAPA Tapa plana Plana con ceja Únicamente abombada Abombada con ceja invertida Toriesferica 17 Tabla 1-2: Tipos de Tapas (Continuación) Semielíptica Semiesférica Tapa 80-10 Cónica 18 Tabla 1-2: Tipos de Tablas (Continuación) Toricónica Abombada con ceja plana FUENTE:http://es.scribd.com/doc/74197620/Diseno-Y-Calculo-de-Recipientes-a-Presion-Juan-Manuel-Leon-Estrada 19 A continuación se presenta el cuadro 1-1, que trata sobre la clasificación el de tipos de los tanques de almacenamiento. . Cuadro 1-1: Clasificación de los recipientes a presión FUENTE: LOS AUTORES 20 CAPITULO II 2. CEMENTO: PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO 2.1. RESEÑA HISTORIA Desde tiempos muy antiguos la humanidad ha buscado contar con un material que le permita la construcción de obras civiles; tales como viviendas, templos, acueductos entre otros con el fin de mejorar la calidad de vida de una población. Fue en la zona norte de Chile donde aparecieron las primeras obras de piedra mismas que estaban unidas por un conglomerante hidráulico proveniente de la calcinación de algas, antiguamente formó parte en la construcción de paredes de las chozas utilizadas para vivienda. Los egipcios emplearon morteros de yeso y cal en sus edificaciones. En la antigua Grecia se usaban pastas de origen volcánicos compuestas principalmente por arcilla, yeso y cal que servía como medio pegante en sus construcciones. En Roma aparece una primera versión de cemento la cual denominaron como “opus caementitium”, que del latín al español es traducible como obra cementicia. Los romanos llamaban así a una mezcla de grava y otros materiales similares al hormigón que utilizaban para fabricar los morteros. Para el año 27 A.C Agripa construye el Panteón en Roma en base a hormigón, posteriormente un incendio produjo su declive. En el año 120 de nuestra era fue reconstruido por orden de Adriano. Con el paso del tiempo no sufrió mayores daños, sino más bien fueron visibles alrededor del año 609, a partir del cual paso a ser la Iglesia de Santa María de Los Mártires. Su cúpula de 44 metros de Luz se encuentra construida en hormigón y posee un lucernario el cual se encuentra situado en la parte superior.7 2.1.1. HISTORIA DEL CEMENTO PORTLAND Hasta el siglo XVIII los yesos y cales hidráulicas se habían establecido como únicos conglomerantes a emplearse en la construcción, y es justamente en 7 http://www.uclm.es/area/ing_rural/trans_const/cementos_rc08.pdf 21 estesiglo donde crecen las inquietudes e investigaciones relacionadas con el cemento8. En 1758 John Smeaton, ingeniero de Yorkshire (Inglaterra) fue el encargado de la reconstrucción del faro de Eddystone, localizado en la costa de Cornish. Durante la reconstrucción encontró que los morteros constituidos por adición de puzolanaa una caliza y una alta porción de arcilla, eran los que mejor comportamiento daban frente la acción de aguas marinas. Además determino que la presencia de arcilla en las cales mejoraban su comportamiento acelerando su velocidad de fraguado y haciéndolas insolubles completamente en agua una vez endurecidas8. En 1817 Vicat establece el sistema de fabricación para el cemento que aún permanece vigente, razón por la cual es considerado el padre del cemento. Sus trabajos marcaron la pauta para la fabricación del cemento usando moliendas conjuntas de arcillas y calizas en proporciones adecuadas8. 1824 Joseph Aspdin, constructor de Inglaterra, patentaba el nombre de cemento Portland, el cual era un material pulverulento, que al ser mezclado con agua y arena, formaba un conglomerado de aspecto parecido a las calizas de la isla de Portland8. Para el año 1838 Brunel emplea por primera vez el cemento proveniente de la fábrica de Aspdin, en la cual se había logrado la sinterización parcial del mismo mediante la elección de un temperatura adecuada de cocción 8. Apartir del año 1900 los cementos se imponen en el mercado para la realización de cualquier tipo de obra8. Sin embargo con forme se iba refinando los medios de unión, también iban creciendo las inquietudes del correcto almacenamiento de dicho material, y es justamente esta inquietud la que perdura en el tiempo y se convierte en el motivo de este proyecto8. 8 http://www.lemona.biz/EL%20CEMENTO-1/historia%20del%20CEMENTO.pdf 22 2.2. DEFINICIÓN DEL CEMENTO El cemento es un aglomerante formado principalmente por caliza, arcilla, yeso y aditivos calcinados que atraviesan un proceso de molienda mediante el cual se unifica su contextura y granulometría. El yeso es el que proporciona la propiedad de fraguar al contacto con el agua. La mezcla comúnmente denominada concreto hace referencia a la unión de material petreo (arena y grava) con el cemento9. 2.2.1. TIPOS DE CEMENTOS Los cementos se pueden clasificar según diferentes criterios que relacionan sus propiedades de fraguado, resistencia en seco, ambiente de trabajo entre otros 9. Previo a la clasificación de los tipos de cemento se definirá el Clinker como componente predominante en el proceso de fabricación 9. Clinker de cemento Portland: resultan de la calcinar mezclas constituidas de arcillas y calizas, hasta lograr la combinación completa de sus componentes. Este es el principal elemento que compone el cemento9. Clinker de cemento de aluminato de calcio: este clinker tiene un contenido mínimo del 36% de alúmina de la mezcla total. Se lo obtiene por fusión de calizas y bauxitas9. 2.2.1.1. Cemento portland Este tipo de cemento es producido mediante la pulverización de clinker, comúnmente se lo conoce como cemento hidráulico cuyos principales componentes son silicatos de calcios hidráulicos. Contiene una o más formas de sulfatos de Calcio, que son añadidos durante la molienda 9. El cemento Portland se obtiene de la combinación de los siguientes componentes: CEMENTO PORTLAND CLINKER 9 + YESO + CALIZA (máx. 5%) http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion4.Tipos.CEMENTOS.pdf 23 Existen cementos Portland Adicionados9 CLINKER + YESO + MINERALES ADICIONADOS Los minerales adicionados que se emplean en este tipo de cementos son: Puzolanas, escorias de alto horno además de materiales que mejoran la matriz9. La subdivisión de los cementos portland es la siguiente: 2.2.1.1.1. Cemento portland tipo 1 Este tipo de cemento es usado en obras de concreto en general cuando no se haya especificado el tipo de cemento. (Edificios, conjuntos habitacionales, etc). Libera más calor de hidratación respecto a los otros9. Se define como calor de hidratación al calor que se desprende de la interacción del cemento con el agua, incluso puede darse con agua en forma de vapor, por lo que se necesita protegerlo en sacos o en silos. 2.2.1.1.2. Cemento portland tipo II Es destinado para obras de concreto en general y obras expuestas al trabajo moderado de sulfatos, o donde se requiera un calor de hidratación moderado, por ejemplo puentes y tuberías de concreto9. 2.2.1.1.3. Cemento portland tipo III Alta resistencia inicial y rapidez de fraguado. Este tipo de cemento es empleado cuando la estructura de cemento debe recibir cargas lo antes posible, es decir, puede recibir cargas inmediatamente después de haber realizado la fundición de la estructura cementicia9. 2.2.1.1.4. Cemento portland tipo IV Debido a su bajo calor de hidratación es empleado para evitar dilataciones durante el fraguado9. 2.2.1.1.5. Cemento portland tipo V Es empleado cuando se requiere elevada resistencia a ambientes húmedos con presencia de sulfatos. (Canales, alcantarillas, obras portuarias)9 24 2.2.1.2. Cementos portland tipos puzolánicos A continuación se definen algunos términos que permitirán una mejor compresión de este tipo de cementos10. Puzolana: son sustancias naturales conformadas básicamente por sílice o sílicoaluminosa o por combinación de las mismas. Las puzolanas al amasarse con agua no se endurecen por si mismas, pero al encontrarse finamente molidas la reacción se hace posible a temperatura ambiente10. Puzolanas Naturales: Es un material de origen volcánico o de rocas sedimentarias con composición química y mineralogía adecuada10. Puzolanas Naturales Calcinadas: son igualmente de origen volcánico, arcillas pizarras o rocas sedimentarias activadas por tratamientos térmicos.10 2.2.1.2.1. Cemento portland puzolánico tipo IP En este tipo de cemento la puzolana es del 15 al 40% del total10. 2.2.1.2.2. Cemento portland puzolánico tipo I(PM) La presencia de Puzolana es menor al 15%10 2.2.1.2.3. Cemento portland puzolánico tipo P El contenido de la puzolana es mayor al 40% en este caso10. 2.2.1.3. Cementos especiales Cemento Portland Blanco Cemento para albañilería Cemento aluminoso Cemento compuestos11 2.2.1.3.1. Cemento portland blanco: el color blanco se debe a que contiene un porcentaje muy bajo de oxido férrico por lo cual tiene una tonalidad grisácea11. 2.2.1.3.2. Cemento para albañilería: están compuestos por clinker de cemento portland, componentes inorgánicos y de ser necesario se puede agregar aditivos por ejemplo pigmentos11. 2.2.1.3.3. Cemento aluminoso:también conocido como cemento fundido debido a que la temperatura en el horno alcanza valores de 1600 ºC consiguiendo de esta 10 http://www.uclm.es/area/ing_rural/trans_const/cementos_rc08.pdf 11 www.slideshare.net 25 manera la fusión de sus componentes. Es producido a partir de bauxita con impurezas de oxido férrico, oxido de titanio y silicio. Adicionalmente se suele añadir calcáreo o carbonato de calcio11. 2.2.1.3.4. Cementoscompuestos: es un conglomerante hidráulico que contiene como principal constituyente al clinker portland, pequeñas cantidades de sulfato de calcio y adiciones de minerales en un 35%. Una vez endurecido es completamente estable y resistente incluso bajo el agua12. A continuación se presenta la tabla resumen de los tipos de cemento estudiados en este capítulo. Tabla 2-1: Tipos de cemento TIPOS DE CEMENTO Portland Tipo I Portland Tipo II Portland Portland Tipo III Portland Tipo IV Portland Tipo V Portland Tipos Puzolánicos Portland Puzolánico Tipo IP Portland Puzolánico Tipo I(PM) Portland Puzolánico Tipo P Portland Blanco Cementos Cemento para albañilería Especiales Cemento aluminoso Cemento compuestos REALIZADO POR: LOS AUTORES En Ecuador se emplea otro tipo de designación según la Normativa NTE-INEN 2380, que guarda concordancia con las nominaciones empleadas según la norma ASTM C1157. A continuación en la tabla 2-2, se presenta las equivalencias entre normativas12. 12 www.slideshare.net 26 Tabla 2-2: Equivalencias entre normas TIPO Portland NORMATIVAS ASTM C1157 NTE-INEN 2380 Portland Tipo I Tipo GU Portland Tipo II Tipo MH Portland Tipo III Tipo HE Portland Tipo IV Tipo HS y Tipo LH Portland Tipo V Tipo GU(HS) REALIZADO POR: LOS AUTORES 2.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL CEMENTO En este apartado se describirán el conjunto de propiedades que determinan el comportamiento del cemento13. El clinker del cemento portland es el constituyente más influyente en cuanto a las propiedades del cemento. Para ello es necesario tomar en cuenta que el clinker está compuesto por un grupo de diferentes minerales13. A continuación se detalla los constituyentes mineralógicos, que influyen en forma cuantitativa y cualitativa en las propiedades básicas del cemento13. 13 http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion6.PropiedadesCEMENTOS.pdf 27 Tabla 2-3: Composición del cemento COMPOSICIÓN DEL CEMENTO FORMULA O NOMBRE SÍMBOLO COMPOSICIÓN PROPIEDADES QUÌMICO COMPOSICIÓN PRINCIPAL Cal CaO 58-67% Sílice SiO2 16-26% Alúmina Al2O3 4-8% Oxido de Hierro Fe2O3 2-5% MgO 1-5% Na2O+ K2O 1% SO3 0,1-2,5% Oxido de Magnesio Álcalis Anhídrido Sulfúrico Fraguado Resistencia Calor de hidratación Estabilidad de volumen COMPOSICIÓN SECUNDARIA Silicato tricálcio (Alita) Silicato Dicálcico (Belita) Aluminato Tricálcico C3S=3CaO·SiO2 50-70% C2S=2CaO·SiO2 15-30% C3A=3CaO·Al2O3 5-10% Y durabilidad(resisten cia Química) Ferro Aluminato C4AF=4CaO·Al2O3· tetracálcico Fe2O3 5-15% FUENTE: http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion6.PropiedadesCEMENTOS.pdf 2.3.1. COMPUESTOS PRINCIPALES DEL CEMENTO Silicato Tricálcico (C3S) A esta fase se denomina “alita” y conforma entre el 50 al 70% del clinker. Por lo general al hidratarse se endurece rápidamente. Este compuesto es el que provoca el inicio del fraguado aportando resistencia a Largo y corto plazo. En cuanto mayor sea el porcentaje de C3S mayor será la resistencia14. Silicato Dicálcico (C2S) 28 A esta fase se denomina “belita” y conforma entre el 15 al 30% del clinker. Por lo general al hidratarse se endurece lentamente. Este compuesto es el que provoca el que contribuye al aumento de la resistencia a edades mayores a 7 días14 Fotografía 2-1: Vista microscópica O3C y O2C FUENTE: Pacasmayo, Cemento y sus Aplicaciones, Presentaciones PDF Aluminato Tricálcico (C3A) Constituye aproximadamente del 5 al 10% del clinker. Este compuesto es el responsable del desarrollo de las resistencias muy tempranas y al fraguado por la gran cantidad de calor que es liberada durante los primeros días de hidratación y endurecimiento. Sin embargo presenta flaqueza a la acción de sulfatos 14. Ferroaluminato Tetracálcico (C4AF) Constituye del 5 al 15% del clinker, su hidratación se realiza de forma espontánea. Aporta con baja resistencia debido que su formación reduce la temperatura de clinkerización14. 14 https://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&cad=rja&ved=0CEYQ FjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.dino.com.pe%2Fdownload%2F%3Ffile%3D100611_Cemento_y_ sus_aplicaciones.pdf&ei=4mN2Ur_JApLksASvkYHwBA&usg=AFQjCNEjsg29qP0xC2t1qxAXu2BY zLsu-g&sig2=QfccLjEoadKic1MpRcdB-w&bvm=bv.55819444,d.dmg 29 Fotografía 2-2: Vista microscópica de todos los compuestos del clinker FUENTE: Pacasmayo, Cemento y sus Aplicaciones, Presentaciones PDF En resumen las formas en las que aportan los compuestos principales son: Tabla 2-4: Resumen de los compuestos del cemento FASE VELOCIDAD DE CALOR DE DESARROLLO DE HIDRATACIÓN HIDRATACIÓN RESISTENCIA C3S Rápida Alto (120 cal/gr) Rápido y prolongado C2S Lenta Bajo (62 cal/gr) Lento y muy prolongado C3A Muy rápida Muy alto (207 cal/gr) Muy rápido y de corta duración C4AF Rápida Moderado (100/cal/gr) Lento y poco significativo FUENTE: LOS AUTORES 30 2.3.2. REQUISITOS FÍSICOS Y QUÍMICOS DEL CEMENTO 2.3.2.1. Requisitos físicos 2.3.2.1.1. Resistencia a la compresión Para determinar la resistencia a la compresión se emplean probetas cúbicas de 50 mm de lado, preparados con mortero consistente de una parte de cemento y 2,75 partes de arena estándar15. Las probetas son curadas durante un día y luego se las retira del molde para ser inmersos en agua de cal, hasta su posterior ensayo que puede ser 3, 7 y 28 días15. 2.3.2.1.2. Tiempo de fraguado Se denomina como fraguado la perdida de la plasticidad por parte de una mezcla cementícia en un determinado grado arbitrario. Su medida cuantitativa se obtiene mediante la penetración de una aguja en la pasta de cemento15. 2.3.2.1.3. Expansión en autoclave Permite determinar una posible expansión potencial que suele ser producto de una hidratación tardía de oxido de calcio (CaO) y oxido de magnesio (MgO), como consecuencia de un exceso de uno de estos componentes o de los dos a la vez15. Su verificación se la realiza en una cámara húmeda de autoclave en la cual se introduce una probeta de 25 mm de sección transversal cuadrada y 250 mm de longitud. En esta cámara permanece 24 horas alcanzando presión y temperatura específicas. Luego de esto se mide la expansión producida. Este ensayo se lo realiza bajo la norma ASTM C 151-00 “Método estándar de ensayo para expansión en autoclave del cemento portland”15. 15 http://digital.csic.es/bitstream/10261/5425/1/Blanco_Varela_IETCC.pdf 31 Fotografía 2-3: Probetas de ensayo Imagen 2-1: Probeta para ensayo con autoclave FUENTE: https://www.google.com.ec/?gfe_rd=cr&ei=PAOiU9z9NerO8gf414CYDQ&gws_rd=ssl#q=astm+c+151 Un autoclave es un recipiente que trabaja a presión, manómetros, termómetros y otros aditamentos que permite que el equipo trabaje en los puntos de P y T especificados15. 32 Fotografía 2-4: Autoclave FUENTE: https://www.google.com.ec/?gfe_rd=cr&ei=PAOiU9z9NerO8gf414CYDQ&gws_rd=ssl#q=astm+c+151 2.3.2.1.4. Calor de hidratación Es el calor generado en el momento de la reacción del cemento y el agua. Se denomina como un proceso exotérmico. El calor de hidratación toma un papel muy importante cuando se trata de estructuras de gran volumen. Una velocidad elevada causa la acumulación de esfuerzos perjudiciales que son evidentes en las fisuras que presenta el concreto15. 2.3.2.1.5. Granulometría del cemento Se define por granulometría a la distribución de los diferentes tamaños de los granos que componen un material pulverulento. En el cemento su granulometría define una buena parte de sus propiedades debido a que el tamaño de los granos que conforman el material permite determinar su comportamiento por ejemplo su resistencia. Una distribución homogénea incrementa las propiedades sobre todo las de corto plazo. La finura de los cementos se determina por diferentes métodos entre los que están el tamizado, arrastre por aire, la clasificación por rayos laser o por sedimentación de partículas. El más simple de usar es el tamizado. Una muestra de cemento pasa por una serie de tamices normalizados cuya abertura o luz es estándar y cada vez más pequeña a medida que se desciende. El resultado se expresa como porcentaje de masa retenida en el tamiz16. 33 Sin embargo, en la mayoría de los casos la finura se determina también por el método Blaine, basado en la permeabilidad al aire de un lecho de cemento, expresándose el resultado como superficie específica en cm 2/g.16 Los demás procedimientos son muy poco usados. Esta propiedad definirá en gran manera el flujo de descarga del cemento en etapas posteriores debido a que su finura alterará el ángulo de descarga propio del cemento. Si su distribución granulométrica es de tendencia fina el ángulo de descarga es menor que el de tendencia gruesa16. 2.3.2.1.6. Densidad y peso específico La densidad es una relación entre la masa y el volumen que ocupa dicha masa. Ante la carencia de valores que cuantifiquen estas dos importantes propiedades se ha realizado un ensayo sencillo para determinar su medida 16. Para determinar la densidad del cemento y su peso específico se ha empleado un recipiente construido en madera de las siguientes dimensiones internas: Largo: 10 cm Ancho: 10 cm Altura: 10 cm Obteniéndose así una caja con un volumen igual a 1000 cm 3. A continuación se presentará los datos y cálculos pertinentes para la obtención de lo estipulado anteriormente, además de ello para obtener una densidad más exacta se ha decido tomar tres medidas de masa en distintos laboratorios de la Institución 16. 16 Labahn/ Kohlhaas (Labahn/Kohlhaas, 1985), PRONTUARIO DEL CEMENTO; Editorial Reverté, España, 1985, pag 195. 34 ENSAYO 1 LABORATORIO DE ANÁLISIS DE ESFUERZOS Y VIBRACIONES EPN “Facultad de Ingeniería Mecánica” ENSAYO 2 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS EPN “Facultad de Ingeniería Química” ENSAYO 3 LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA EPN “Facultad de Ingeniería Química” 35 A continuación con las densidades obtenidas en cada ensayo se procederá determinar la densidad promedio del cemento para luego pasar a determinar su peso específico. A continuación se muestra la expresión que permite determinar en general el peso específico de una sustancia. Dónde: El peso específico del cemento lo expresaremos en: 36 Fotografía 2-5: Medición de masa en el LAEV FUENTE: LOS AUTORES Fotografía 2-6: Medición de masa en el laboratorio de química orgánica FUENTE: LOS AUTORES 2.3.2.2. Requisitos químicas 2.3.2.2.1. Oxido de magnesio Cristaliza como una forma primitiva del magnesio (magnesia). Esta cristalización incrementa el volumen produciendo grietas que fisura al concreto 17. 2.3.2.2.2. Pérdida por ignición Debido al almacenamiento incorrecto y prolongado del cemento se da un incremento en la hidratación o carbonatación, produciendo el envejecimiento del producto, causando baja resistencia y alto tiempo de fraguado 17. 37 En la tabla 2.5 se aprecia un resumen de los requisitos físicos y químicos que debe cumplir el cemento. Estos requisitos están establecidos por la norma INEN 238017. Tabla 2-5: Requisitos físicos- químicos REQUISITOS Resistencia a la compresión Tiempo de fraguado FÍSICOS Expansión en autoclave Calor de hidratación QUÍMICOS Óxido de magnesio Pérdida por Ignición REALIZADO POR: LOS AUTORES 17 http://www.ancap.com.uy/docs_concursos/ARCHIVOS/2%20LLAMADOS%20FINALIZADOS/RE F%2029_2011%20%20%20FISCAL%20PLANTA%20%28MINAS%29/MATERIAL%20DE%20EST UDIO/CURSO%20ABRIL%202007-2.PDF 38 CAPÍTULO III 3. ESTANDARIZACIÓN Y ALTERNATIVAS 3.1. ESTANDARIZACIÓN La estandarización se refiere al conjunto de actividades mediante las cuales se establece un patrón a seguir para la elaboración, montaje, inspección y mantenimiento. De tal manera se cumplan las especificaciones, normas, códigos y procedimientos, independientemente de la persona que se encuentre a cargo para el desarrollo de un determinado proceso. Obteniéndose así una reducción de costos y una homogenización de la calidad de cualquier producto a fabricarse 18. Para entender la importancia de la estandarización, es preciso comprender primero las diferencias entre proceso y procedimientos, los cuales muchas veces pueden llegar a confundirse18. Proceso: es el conjunto de actividades que relacionan entradas y salidas. Procedimiento: es la forma especificada para llevar a cabo el proceso. Como se ve, el procedimiento describe de manera detallada al proceso. El proceso engloba el todo; el procedimiento especifica las partes18. 3.2. OBJETIVO Y BENEFICIOS DE LA ESTANDARIZACIÓN 3.2.1. OBJETIVO Establecer bajo un mismo régimen los procesos de fabricación, para generar un producto de calidad uniforme y que genere bajo costo en dicho proceso. Los regímenes serán dictados por las normas, códigos y documentación industrial vigentes18. 18 http://www.contactopyme.gob.mx/Cpyme/archivos/metodologias/FP20071323/dos_presentaciones_capaciatacion/elemento3/estandarizacion.pdf 39 Para cumplir con la estandarización se debe cumplir con la certificación de maquinaria, equipos, materiales, personales y procedimientos. El proceso de estandarización es vital ya que permite mantener las mismas condiciones de entrada y salida, obteniendo como resultado un mismo producto. A continuación se presenta un cuadro que resume el proceso de estandarización para la realización de cualquier artículo19 ESTANDARIZAR Condiciones Materiales y Equipos Métodos Procedimientos Conocimientos y Habilidades FUENTE:http://www.contactopyme.gob.mx/Cpyme/archivos/metodologias/FP20071323/dos_presentaciones_capaciatacion/elemento3/estandarizacion.pdf 19 http://www.contactopyme.gob.mx/Cpyme/archivos/metodologias/FP20071323/dos_presentaciones_capaciat acion/elemento3/estandarizacion.pdf 40 3.2.2. BENEFICIOS DE LA ESTANDARIZACIÓN A continuación se darán a conocer los beneficios de la estandarización: Permite preservar el conocimiento y experiencia. Es posible medir el desempeño del proceso. Establece indicadores que permiten relacionar las causas y efectos (acciones – resultados). Suministran bases de datos que permiten el mantenimiento y la mejora continua del articulo. Proporciona una base para el entrenamiento o capacitación del personal involucrado. Realizar diagnósticos y auditorias del trabajo desempeñado para la obtención del producto. Reducción de errores en el proceso de trabajo. Facilita la intercambiabilidad en casos de refacciones. Minimiza los tiempos de fabricación y los costos de producción. Permite obtener certificaciones internacionales (por ejemplo estampe ASME). Permite utilizar procedimientos calificados repetidamente (por ejemplo: soldadura) 3.3. CRITERIOS DE ESTANDARIZACIÓN La estandarización tiene cabida si las actividades son repetitivas como ya se mencionó en apartados anteriores como por ejemplo, los procedimientos de diseño y construcción, debido a que por este medio se pretende lograr un lenguaje común20. Para este documento se tomarán en cuenta criterios que permitan una fácil cuantificación20 20 http://www.contactopyme.gob.mx/Cpyme/archivos/metodologias/FP2007- 1323/dos_presentaciones_capaciatacion/elemento3/estandarizacion.pdf 41 3.3.1. DIMENSIONES COMUNES Las dimensiones de las láminas requeridas serán basadas en la información de las láminas existentes en el mercado nacional, debido a que de esta manera se puede cuantificar el número de láminas que se usarían según las dimensiones de las mismas para la construcción del silo20. 3.3.2. MATERIAL EMPLEADO El material empleado debe ser estandarizado debido a que los procesos de diseño se relacionan íntimamente. Los comportamientos y resistencias que se analizan son propiedades del material y varían de un material a otro inclusive de una colada a otra. Sin embargo, si caben los comentarios pertinentes como una guía de recomendaciones para que el material seleccionado sea el más adecuado a la necesidad del diseño. En este caso se empleara el acero ASTM 516 grado 70; que es el material usado propiamente para recipientes a presión 20. El empleo de seguimientos del material dentro de los procesos de fabricación y montaje, permite obtener certificaciones y estampas que entregan los entes que regulan a través de normas, siendo esto un medio mediante el cual se comprueba la estandarización de un proceso20. 3.3.3. USO DEL SISTEMA MÉTRICO DE MEDIDA Las dimensiones en Ecuador son una mezcla de unidades del sistema inglés y del sistema métrico internacional así, no es nada raro el uso de elementos indistintamente, por ejemplo llaves de boca de tresoctavos usadas para pernos de diez milímetros21. En este documentos se tratará la equivalencia de los dos sistemas pero siempre tratando con mayor empeño las unidades del sistema internacional21. 3.3.4. EL CÁLCULO Y PROCESO DE DISEÑO El cálculo y proceso de diseño debe ser estandarizado para proporcionar de una manera adecuada un conjunto de pasos que permitan desarrollar el diseño con la 21 http://www.contactopyme.gob.mx/Cpyme/archivos/metodologias/FP2007- 1323/dos_presentaciones_capaciatacion/elemento3/estandarizacion.pdf 42 independencia necesaria del personal que se encargue de esta tarea. Además de esta parte nace la relación vinculante con la geometría y las decisiones del proceso de fabricación siempre buscando la optimización de recursos y tiempos21. 3.3.5. GEOMETRÍA Y PROCESO DE FABRICACIÓN Con el proceso de producción se hace referencia al conjunto de pasos que se deberán seguir para un cumplir con los parámetros de diseño estipulados y de la cual se desprende una relación con la geometría22. La geometría que será seleccionada más adelante deberá cumplir con ciertas características como son estética, funcionalidad, y bajos costos, además de que su proceso de producción deberá ser capaz de reproducirse con la mayor facilidad posible. La geometría es quizás el factor más enlazado con los demás criterios debido a que al cambiarla, también ocurre un cambio en el número de láminas, en las juntas de unión, etc22. Dentro de la geometría del tanque hay que tomar en cuenta factores limitantes en ella como la comercialización del silo. Esto debido a que un silo presenta esta necesidad de movilidad, sus dimensiones deberán ser tales que permitan su traslado en vehículos de carga pesada. De aquí que su diámetro no podrá exceder los tres metros como un parámetro de diseño impuesto desde este momento22. 3.4. ALTERNATIVAS DE DISEÑO En este apartado se describirán las opciones de diseño tomando en cuenta que el elemento a diseñar debe cumplir ciertos parámetros, como capacidad, facilidades constructivas, de limpieza, facilidad para el llenado y descarga entre otras23. Para una correcta selección se irán analizando el recipiente dividiéndolo en varias partes y presentando alternativas a esta subdivisión, con ventajas y desventajas de cada una de las opciones. Para realizar un mejor análisis, se va a seguir el método propuesto en el libro Diseño Concurrente del Dr. Carles Riba. El método se basa en la comparación cuantitativa de los criterios de selección, dando mayor prioridad a los criterios que mayor peso tengan después de este estudio 23. 22 23 Los autores Riba, C.(2002). Diseño Concurrente, [versión PDF], Madrid 43 La primera parte a analizar será el techo del recipiente. Tabla 3-1: Tipos de tapas ventajas y desventajas Tipo de Tapa Toriesféricas Ventaja Desventaja Facilidad de construcción Presión menores a las Bajo costo de fabricación tapas semielípticas Resiste elevadas presiones manométricas Alto uso industrial Semielípticas Semiesférica Altos espesores de material Altos costos Mayor presión construcción No tiene limite dimensional Altos para su fabricación fabricación Soporta presiones criticas Geometría robusta costos de de REALIZADO POR: LOS AUTORES Para la selección de la mejor alternativa, con base al análisis anterior, se escogen los siguientes criterios: Facilidad de fabricación>Facilidad de montaje =Costo de Fabricación Para una mejor interpretación cabe decir que la comparación entre criterios se lo hace en sentido horizontal. Si es mayor la premisa lateral que la vertical entonces, el valor correspondiente en la matriz es 1, si por el contrario fuera menor entonces el valor es de 0. Pero si tuviera una valoración igual le corresponde 0,5. Bajo estas consideraciones se realiza la matriz de valoración. Cabe señalar que al sumatorio total horizontal se suma 1 para evitar que algún criterio se quede con un valor de cero. Una vez hecho esto se realiza una ponderación para determinar criterio de mayor peso dentro del futuro diseño. Con estas premisas,desde la tabla 3-2, hasta la tabla 3-5 se muestra el proceso de selección de una de las alternativas24. 24 Riba, C.(2002). Diseño Concurrente, [versión PDF], Madrid 44 Tabla 3-2: Criterios de selección de la tapa del recipiente CRITERIOS Facilidad de Facilidad Costo de fabricación de Montaje Fabricación ∑+1 Ponderación 1 1 3,0 0,50 0,5 1,5 0,25 1,5 0,25 6,0 1,00 Facilidad de fabricación Facilidad de Montaje Costo de Fabricación 0 0 0,5 Suma FUENTE: LOS AUTORES Por simplificar se llamará solución 1,2,3 a cada una como sigue: Solución 1 Toriesféricas Solución 2 Semielípticas Solución 3 Semiesférica Tapa Toriesférica>Tapa Semielíptica >Tapa Semiesférica Tabla 3-3: Evaluación de alternativas según el primer criterio Facilidad de fabricación Solución 1 Solución 2 Solución 3 Solución 1 0 0 Solución 2 Solución 3 ∑+1 Ponderación 1 1 1 3,0 2,0 1,0 6,0 0,50 0,33 0,17 1 0 Suma FUENTE: LOS AUTORES Tapa Toriesférica=Tapa Semielíptica >Tapa Semiesférica Tabla 3-4: Evaluación de alternativas según el segundo criterio Facilidad de montaje Solución 1 Solución 2 Solución 3 Solución 1 0,5 0 Solución 2 Solución 3 ∑+1 Ponderación 0,5 1,0 1,0 2,5 2,5 1,0 6,0 0,42 0,42 0,17 1,00 0 Suma FUENTE: LOS AUTORES 45 Tapa Toriesférica>Tapa Semielíptica >Tapa Semiesférica Tabla 3-5: Evaluación de alternativas según el tercer criterio Costo de Solución 1 Solución 2 Solución 3 Fabricación 1 Solución 1 Solución 2 0 Solución 3 0 ∑+1 Ponderación 1 3,0 0,55 0,5 1,5 0,27 Suma 1,0 5,5 0,18 1 0 FUENTE: LOS AUTORES La Tabla 3-6 presenta en conclusión cual será la solución que mejor se ajuste según los criterios que fueron tomados. Tabla 3-6: Conclusión de la selección Conclusiones Solución 1 Solución 2 Solución 3 Facilidad de Facilidad Costo de fabricación de montaje fabricación 0,25 0,10 0,14 0,17 0,10 0,07 0,08 0,04 0,05 Suma ∑ Prioridad 0,49 0,34 0,17 1,00 1 2 3 FUENTE: LOS AUTORES En conclusión la tapa del recipiente de almacenamiento será de forma toriesférica24. A pesar de que el cuerpo del recipiente puede ser de diferentes formas la mejor elección será una circular debido a que los cilindros absorben de una mejor manera los esfuerzos que se presentan por el almacenamiento. Ahora aplicando el mismo método de evaluación de criterios, se valorará la entrada del hombre considerando que deberá necesariamente tener una entrada superior, que será destinada a la toma de muestras, limpieza y mantenimiento, además de la medición manual de nivel. Por lo tanto las opciones son las mostradas en la Tabla 3-724. 46 Tabla 3-7: Tipo de entrada de hombre: ventajas y desventajas Tipo de Puerta Ventaja Circular Desventaja Espacio reducido El corte debe ser de Están normados para muy alta calidad recipientes petroleros Número grande de pernos Semielíptica Vertical Se ajusta con la presión interna Número de pernos reducido Facilidad de Montaje y Desmontaje Geometría de gran exactitud Facilidad de construcción Requiere de Gran masa, por lo tanto empaques y ajustes pesadas adicionales Facilidad de montaje y desmontaje REALIZADO POR: LOS AUTORES Los criterios de selección para esta parte del recipiente son: Seguridad>Costo>Funcionalidad>Facilidad de construcción Tabla 3-8: Criterios de selección para la entrada de hombre CRITERIOS SEGURIDAD COSTO FUNCIONALIDAD Seguridad Costo 0 Funcionalidad 0 0 Facilidad de construcción 0 0 1 1 1 FACILIDAD DE CONSTRUCCIÓN ∑+1 Ponderación 1 1 4 3 0,44 0,33 1 2 0,22 1 0,11 9 1,00 0 Suma FUENTE: LOS AUTORES 47 Solución 1: Circular Solución 2: semieliptica Vertical Solución 3: Solución 2> Solución 1> Solución 3 Tabla 3-9: Evaluación de las alternativas según el primer criterio SEGURIDAD Solución 1 Solución 1 Solución 2 Solución 3 Solución 2 Solución 3 ∑+1 Ponderación 0 1 1 2 3 1 Suma 6 0,33 0,50 0,17 1 1 0 0 FUENTE: LOS AUTORES Solución 2> Solución 3> Solución 1 Tabla 3-10: Evaluación de las alternativas según el segundo criterio COSTO Solución 1 Solución 1 Solución 2 Solución 3 1 1 Solución 2 Solución 3 ∑+1 Ponderación 0 0 1 1 3 2 6 0,17 0,50 0,33 1,00 0 Suma FUENTE: LOS AUTORES Solución 3> Solución 2> Solución 1 Tabla 3-11: Evaluación de alternativas según el tercer criterio FUNCIONALIDAD Solución 1 Solución 1 Solución 2 Solución 3 1 1 Solución 2 Solución 3 ∑+1 Ponderación 0 0 0 1 2 3 Suma 6 0,17 0,33 0,50 1,00 1 FUENTE: LOS AUTORES Solución 3> Solución 1> Solución 2 Tabla 3-12: Evaluación de alternativas según el cuarto criterio FACILIDAD DE CONSTRUCCIÓN Solución 1 Solución 2 Solución 3 FUENTE: LOS AUTORES Solución 1 0 1 Solución 2 Solución 3 ∑+1 Ponderación 1 0 0 2 1 3 Suma 6 0,33 0,17 0,50 1,00 1 48 Tabla 3-13: Conclusión de selección Conclusiones SEGURIDAD COSTO FUNCIONALIDAD FACILIDAD DE CONSTRUCCIÓN ∑ 0,15 0,22 0,07 0,06 0,17 0,11 0,04 0,07 0,11 0,04 0,02 0,06 0,3 0,5 0,4 Suma 1 Solución 1 Solución 2 Solución 3 Ponderación FUENTE: LOS AUTORES La siguiente parte a analizarse es la tolva de descarga que será cónica debido a que de esta manera se facilita la descarga. Sin embargo es fundamental decir que los fenómenos que se presentan en esta parte serán analizados en el capítulo IV de este documento24. Por otra parte la línea de carga del recipiente puede ser de dos diferentes maneras por lo que se ha considerado que no es necesario seguir el método anteriormente usado. Para esta parte se realizará solo un cuadro comparativo y con ello se escogerá la mejor de las dos opciones24. Tabla 3-14: Análisis de linea de descarga Línea de carga Por la tapa Ventaja Desventaja Garantiza un llenado uniforme Mayor altura de Seguridad en la descarga descarga Ayuda de la gravedad en el Necesidad de un bomba momento de entrada del de mayor capacidad material Menos posibilidades de segregación del material Menor Altura de la línea de descarga Facilidad de Montaje y Desmontaje Por la pared FUENTE: LOS AUTORES Posibilidad de un volcamiento por acumulación del cemento en un determinado sector Posible segregación de material 3 1 2 49 Los elementos como escaleras, y soportería se irán definiendo conforme se avance en el diseño. Sin embargo, la forma aproximada del recipiente sería como la mostrada en la fotografía 3-124. Fotografía 3-1: Forma aproximada del silo FUENTE: http://www.mamet-sa.com/productos%20-%20carrocerias%20y%20tanques.htm 50 CAPÍTULO IV 4. PARÁMETROS DE DISEÑO En este capítulo se establecerá los parámetros necesarios que posteriormente serán de gran utilidad para el desarrollo del diseño y cálculo estructural del silo. A continuación se pueden citar los siguientes25: Peso específico del cemento Diámetro del silo Ángulo de inclinación de la tolva Ángulo de fricción material – pared Ángulo de fricción interno del material Diámetro de boca de descarga de la tolva 4.1. PESO ESPECÍFICO DEL CEMENTO Se entiende como peso específico a la relación existente entre el peso de una sustancia y su volumen, en el sistema internacional sus unidades se expresan en N/m3. Para el caso de estudio como se mostro en el capítulo II, la sustancia a analizarse y emplearse para el presente proyecto es el cemento 25. A continuación se muestra la expresión que permite determinar el peso específico de una sustancia. *g Dónde: 25 ASME, Codigo ASME sección VII, división I. Ec (4.1) 51 4.2. DIÁMETRO DEL SILO Para diseñar el silo se ha determinado que el diámetro no deberá ser mayor a 3 metros debido a que en el país no se cuenta con transporte cuyo ancho de plataforma sea mayor al valor establecido, es decir se estandariza el diámetro del silo con la finalidad de obtener ventaja en la comercialización del mismo26. Dónde: 4.3. ÁNGULO DE INCLINACIÓN DE LA TOLVA [ɵ ] El ángulo de inclinación de la tolva ocupa un papel importante ya que permite descargar el material pulverulento (cemento) de forma adecuada; es decir permite obtener un flujo de vaciado óptimo, de tal manera que se evite una compactación inútil del material almacenado misma que no permitiría obtener lo solicitado26. En el caso del almacenamiento de materiales granulares, harina, pulverulentos, etc. Se ha establecido un ángulo de inclinación de tolva igual a 60º, el cual permite una descarga del material de forma adecuada27. Dónde: 4.4. ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNO DEL MATERIAL [β] En la actualidad el sector industrial se encuentra trabajando con materiales pulverulentos, mismos que presentan una granulometría que oscila en amplios valores dando así origen a segregaciones durante el llenado ya que las partículas gruesas tienen tendencia a rodar hacia las paredes, mientras que las partículas 26 Ravanet, J. (1992). Silos. España: Editorial Limusa Primer Seminario de Tanques de Almacenamiento EPN, 1981. Acero de los Andes 27 52 finas se quedan en el centro de la celda y estas a su vez son compactadas por las gruesas durante el llenado28. El ángulo de fricción interno del material es de suma importancia ya que permite determinar el tipo de flujo que se puede obtener, el cual puede ser másico o de conducto, el flujo de conducto también es conocido como flujo tubular28. Si el ángulo de rozamiento interno es mayor a el ángulo de pared se hace posible la obtenciónde un flujo másico, en el caso opuesto se tendrá un flujo de conducto.Esto debido a que es mucho más fácil el deslizamiento en el seno del producto que entre el producto almacenado y las paredes que lo contienen 28. El ángulo de fricción interno se puede determinar mediante el empleo de una celda de cizalla y sometiendo al producto a una serie de fuerzas normales y acontinuación los esfuerzos de cizalla28. A continuación se detallan los valores de ángulos de fricción entre el material almacenado y la pared, y de igual manera el ángulo de fricción interno en el material almacenado. Los valores máximos y mínimos de Ángulos de fricción interno y material-pared para diversos materiales se encuentran tabulados en la tabla 4-1 28. Tabla 4-1: Ángulos de fricción material-pared Ángulo de fricción material-pared Material Harina Cemento Cenizas Coque Mineral de Hierro Arena Seca Piedra Machacada Máximo [º] 40 29 40 36 40 38 38 Mínimo [º] 30 22,5 36 25 36 27 27 Ángulo de fricción interno Máximo [º] 45 40 40 41 46 45 45 Mínimo [º] 35 30 35 37 43 38 40 FUENTE:Diseño de un Silo Cilíndrico Metálico para el Almacenamiento de Materiales Granulares, pag: 27 28 http://www.qualicer.org/recopilatorio/ponencias/pdf/0013041s.pdf 53 4.5. ÁNGULO DE FRICCIÓN MATERIAL – PARED [ᶲ ] Al igual que el ángulo de fricción en el material, el ángulo de fricción entre el material y la pared del silo también es importante ya que de este ángulo depende el tipo de flujo que se producirá en la celda durante el vaciado; es decir contribuye a determinar el tipo de flujo28. El ángulo de fricción con la pared se puede determinar colocando un cubo con el material a estudiar sobre una placa, la placa debe ser elevada a distintos ángulos hasta lograr que esta empiece a deslizar, el ángulo de inclinación de la placa indica cual es el ángulo de fricción o rozamiento con la pared28. 4.6. DIÁMETRO DE LA BOCA DE SALIDA Conjuntamente se presenta en función del flujo del material y de la inversa del factor de flujo del sistema, en el punto de corte de ambas representaciones se cumple la condición de flujo. Lo cual quiere decir que en ese punto la tensión máxima a cizalla a la cual está sometido el polvo es equivalente a la resistencia mecánica del lecho, a esta tensión se la denomina tensión crítica y su valor es de gran utilidad para poder determinar el diámetro mínimo para la salida del silo. Para un silo cónico de forma con abertura circular el tamaño del diámetro de la boca de salida se lo determina mediante la siguiente expresión 28: D 2 60 0 * CAS CAS g Ec (4.2) Dónde: D: diámetro del orificio de salida [m] : ángulo entre la vertical y la pared del siloen la zona de descarga [ grados] CAS: tensión crítica [Pa] ρ: densidad del material a ensilarse [kg/m3] 54 4.7. TIPOS DE FLUJO La existencia de un tipo de flujo o dígase de otro dependerá de la naturaleza del sólido pulverulento así como también del recipiente que lo contiene 28. Anteriormente se ha estado haciendo referencia al tipo de flujo que se puede obtener en función de los ángulos de fricción, acontinuación se detallará de mejor manera los flujos que puede obtenerse durante la descarga del material del silo 28. La descarga de un material pulverulento puede ser de los siguientes tipos: Flujo Másico Flujo de Conducto ó Tubular 4.7.1. FLUJO MÁSICO A diferencia del flujo de conducto este se caracteriza por lograr que todo el material se mueva a la vez durante la descarga, el material pegado a las paredes de desliza sobre estas vaciándose así junto con el resto28. Al iniciar la descarga cada una de las partículas se mueve, el material que inicialmente entra al silo es el primero en descargarse del mismo. La descarga de un silo en flujo másico no se detiene por la formación de canales puesto que todo el material se mueve a la vez28. Las tensiones que aparecen en el silo durante la descarga son predecibles razón por lo cual puede diseñarse para que no se formen arcos que cause interrupciones. El caudal de descarga y la densidad son menos variables con respecto al flujo tubular. En efecto que todo el material se mueva a la vez provoca un cierto mezclado el cual permite obtener una homogenización de polvo a la salida. En unos casos los silos de flujo másico son empleados para mezcla de sólidos28. El flujo másico se obtiene cuando el ángulo de fricción interno es mayor al ángulo de fricción entre el material y la pared del silo28. 55 Figura 4-1: Flujo másico de un material pulverulento FUENTE: http://www.qualicer.org/recopilatorio/ponencias/pdf/0013041s.pdf 4.7.2. FLUJO DE CONDUCTO Ó TUBULAR Este tipo de flujo consiste en la formación de un conducto o canal el cual se encuentra alineado con la boca de salida o descarga del silo, esta rodeado por una zona en la cual el material permanece inicialmente estático 28. Durante la descarga del material, si este es poco cohesivo la parte más alta pegada a las paredes se va desmoronando mientras va alimentando al canal central28. Al tener un flujo de descarga de tipo tubular es importante considerar que todo el material no se encuentra moviendo a la vez, razón por la cual provoca que el caudal a la salida del silo y la densidad aparente sufran modificaciones durante el transcurso de operación. Incluso cuando el silo se ha vaciado casi completamente existe en su interior material que aún no ha sido removido en su totalidad el cual a su vez causa una disminución en la capacidad efectiva del silo, los restos acumulados pueden cambiar sus propiedades generando así problemas de otra índole28. 56 El flujo tubular es obtenido cuando el ángulo de fricción entre el material y la pared del silo es mayor al ángulo de fricciónformado en el interior del material29. Figura 4-2: Flujo de conducto o tubular FUENTE:http://www.qualicer.org/recopilatorio/ponencias/pdf/0013041s.pdf En la tabla 4-2 se resumen las características de los tipos de flujo analizados en este apartado. Tabla 4-2: Caracteristicas de los tipos deflujo CARACTERISTICAS DE LOS TIPOS DE FLUJOS Flujo másico Flujo tubular La altura necesaria para la misma Elimina la posibilidad de obstrucción de flujo capacidad es menor Minimiza los efectos de segregación por Las presiones que soportan las tamaños paredes son más bajas Renovación del material(no existen zonas La abrasión sobre las paredes es muertas) menor Flujo uniforme y fácil de controlar La densidad del lecho de polvo a la descarga es prácticamente constante Se aprovecha toda la capacidad de almacenamiento FUENTE:Diseño de Silos y Tolvas para el almacenamiento de de materiales pulverulentos. Problemas asociados a la operación de descarga; J.L. Amorós, G. Mallol, E. Sánchez, J. García; página: 3 29 Ravanet, J.(1983).Silos flujo de vaciado de sólidos. Formación de bóvedas. Efectos. España. Limusa. 57 4.7.3. REQUISITOS QUE DEBE CUMPLIR UN SISTEMA Es importante analizar el comportamiento del material almacenado (cemento), observar lo que sucede al momento que este entra en contacto con la pared del silo durante la descarga30. Cuando el material se encuentra en lo más alto del silo esta sin compactar en ese momento la distribución de presión es cero, ya que sobre él no actúa ninguna presión. Al instante en que el material empieza a ser descargado empieza a compactarse debido a que la presión empieza a actuar sobre el material, lo cual provoca unaumentando de la presión interna representativa conforme aumenta la profundidad, medida desde la parte superior del silo, hasta aproximadamente al final del cuerpo de sección cilíndrica donde permanece prácticamente constante. En la intersección entre la pared vertical y la inclinada (tolva) la presión incrementa de manera abrupta y a partir de ese punto esta va disminuyendo progresivamente conforme el material se acerca a la boca de descarga de la tolva30. La resistencia mecánica a la cizalla de un material experimenta en estas condiciones una variación de presión similar, ya que esta propiedad del lecho de polvo es función de la compactación la cual a su vez depende de la presión a la cual está sometido el material. Por lo tanto, durante la descarga la resistencia mecánica a la cizalladel material sufrirá cambios según su posición en el silo 30. Al referirse a materiales pulverulentos hay que tener en cuenta que también debe considerarse que el material está sometido en todo momento a una tensión máxima de cizalla cuya magnitud también depende de su posición en el silo 30. A continuación se presentan ilustraciones en las cuales se puede notar como en todo momento la tensión máxima de cizalla a la que esta sometido el elemento de polvo es mayor que la resistencia mecánica a la cizalla, mediante lo cual se puede determinar que durante la descarga del silo no podrá formarse bóvedas que impidan el flujo30. 30 Ravanet, J. (1992). Silos. España: Editorial Limusa 58 Figura 4-3: Diagrama de aumento de presión vs longitud del silo FUENTE: Diseño de Silos y Tolvas para el almacenamiento de de materiales pulverulentos. Problemas asociados a la operación de descarga; J.L. Amorós, G. Mallol, E. Sánchez, J. García; página: 4 Dónde: f: es la distribución de presiones en la carga del material s: es el perfil del silo p: es la distribución de presiones en la descarga del material 4.8. TEORÍAS DE LOS ESPECIALISTAS MÁS IMPORTANTES A continuación se citara las teorías expuestas por varios expertos para el diseño de silos vérticales31. 4.8.1. WALKER Para establecer su teoría empleo como base la información acerca del círculo de Mohr definiendo de esta manera las presiones máximas y mínimas existentes en un silo, su teoría dio los mismos resultados obtenidos anteriormente por Jenike (E.E.U.U.)31 31 Ravanet, J. (1992). Silos. España: Editorial Limusa 59 Walker al igual que Jenike definió los siguientes puntos: Familia de Planos de rotura de pared. Plano de rotura de pared y plano efectivo de rotura. El factor de flujo31. 4.8.1.1. Factor de flujo Un alto valor de factor de flujo indicará un material de flujo con baja cohesión, mientras que un valor de bajo factor de flujo indicará una elevada cohesión del producto almacenado y por lo tanto un flujo pobre31. Walker estableció un elemento en equilibrio para el cálculo de presiones laterales. Durante el vaciado del producto almacenado aparecen esfuerzos suplementarios debido al estado elasto – plástico del mismo31. Walker determinó este fenómeno indicando que la relación entre presiones horizontales y verticales cerca de la pared es31: 1 sin 2 1 sin 2 Ec (4.3) Además Walker llego a establecer los siguientes tipos de flujo: Flujo de embudo Flujo de Tapón Flujo másico A continuación se resalta la información para flujo másico que se supone es el más idóneo debido a que este tipo de flujo evita interrupciones debido a la presencia de bóvedas31. Las direcciones de los esfuerzos principales máximo y mínimo se encuentran en el plano vertical normal a la sección más cercana a la pared con lo cual se decide el arrastre del material. El material por definición de flujo másico desliza a lo largo de la pared. 60 Los esfuerzos verticales sobre un plano horizontal pueden ser considerados constantes31. Walker resumió su teoría acerca de productos cohesivos de la siguiente manera: Las tolvas deben ser de gran inclinación y lisa. La mejor tolva teórica es aquella cuyo factor de flujo crítico esté por debajo del factor crítico del material. Es decir, los esfuerzos del material van disminuyendo a la salida de la misma, por otro lado el factor de flujo crítico de la tolva disminuye con la inclinación de la tolva31. 4.8.2. TEORÍA DEL EMPUJE DE TIERRAS DE COULOMB Y RANKINE Esta teoría es válida hasta una profundidad h, la cual es determinada por la posición del plano de fractura que pasa por el límite de la superficie de la cara opuesta31. h a t 45 tan Ec (4.4) /2 Dónde: A esta altura le corresponde una expresión: Ph: presión normal a la pared correspondiente a la altura h en kg/m2 : peso específico kg/m3 A partir de altura h la presión sigue unaley distinta de tipo exponencial y de tal manera que para una altura h vale: Ph / L tan [1 exp zh ] Ec (4.5) 61 Dónde: z tan 2 45 – 2 L/ tan ta Ec (4.6) 4.8.3. TEORÍA DE KOVTUM Y PLATANOV Para finales del año 1959 los autores realizaron un resumen en base a los ensayos realizados en tres silos cilíndricos durante el llenado y vaciado de los mismos. Durante los ensayos realizados llevaron a cabo la toma de medidas de presiones laterales y presiones sobre el fondo, como resultado se obtuvo que durante el llenado las presiones incrementan de forma exponencial 31. Durante el vaciado el incremento de presiones verticales es representativo, y disminuye en las proximidades de la tolva. Estas presiones tienen carácter pulsante y una gran amplitud de vibración en las paredes, las mismas que van disminuyendo gradualmente hacia el centro de la celda. El incremento máximo de presión durante el vaciado fue de 2,32 veces mayor que la obtenida por la fórmula de Janssen que hace referencia al grado en reposo31. Se realizó una comparación entre presiones tomando como referencia un silo de 6.05 m de diámetro, aquellas que fueron obtenidas por Kovtum y Platanov fueron 1.28 veces mayor a los valores de Janssen31. A raíz de los ensayos efectuados, los autores dividen a un silo en tres partes y definidas por H1, H2 Y H331. H1: No presenta problema de formación de bóvedas, las presiones laterales se calculan usando la ecuación de Rankine. La altura de esta zona es igual al 62 diámetro multiplicado por la tangente del ángulo en reposo del producto ensilado31. H2: es la altura intermedia y se caracteriza por formar arco, en esta zona se presentan los mayores valores de presiones laterales y verticales y presenta un coeficiente de sobrepresión de 2,32. Esta altura es igual a la diferencia entre la altura total y la suma de las zonas 1 y 331. H3: esta zona inferior está formada por el grano inmovilizado contra las paredes y tolva. Debido a ello se obtiene un cambio en la transferencia de los esfuerzos de la corriente del producto ensilado a las paredes de la celda. Esta zona presenta los valores más pequeños de presiones laterales ya que son transmitidas a la masa de producto en reposo, que a su vez amortigua y transmite a las paredes de una forma uniforme31. La altura de esta última sección es igual a la mitad de la diferencia entre el diámetro de la celda y de la boca de salida multiplicados por la tangente del ángulo de rozamiento interno31. 4.8.4. MÉTODO DE JANSSEN Fue el primer método para el cálculo de silos en ser desarrollado, en 1895. H. A. Janssen estudió las presiones estáticas debido al material almacenado en silos. Su teoría se basa en el equilibrio de una sección diferencial del silo con el material en reposo. Con este análisis consiguió derivar la expresión para la presión vertical del material, la presión lateral y la fuerza de fricción en la pared del silo. Su método es fácil de llevar a cabo, no es preciso el uso de ordenador para determinar estas fuerzas. Es también uno de los métodos más empleados para el análisis de estas fuerzas y está recomendado por la mayoría de las normativas vigentes para el cálculo de silos32. 32 http://expertoensilos.blogspot.com/2007/10/undcima-entrega.html 63 Figura 4-4: Elemento diferencial de Janssen FUENTE: http://expertoensilos.blogspot.com/2007/10/undcima-entrega.html Janssen llego a determinar las siguientes expresiones: q * YO [1 exp( e Y / Yo)] p k Yo Vy Dónde: Ec (4.7) k *q Ec (4.8) 1 sen 1 sen Ec (4.9) R *k Ec (4.10) R *Y *Y q Ec (4.11) , 64 4.8.5. NORMAS DIN 1055 (1964) ALEMANIA Con el pasar de los años se vio la necesidad de establecer un cálculo adecuado para silos, ya que anteriormente se había obtenido problemas bastante representativos por no determinar de forma adecuada las presiones existentes en la celda y tolva del silo33. Los conocimientos actuales son distintos y requieren amplios estudios posteriores, donde las condiciones reales no sean suficientemente conocidas, deberán ser tomadas en consideración de normas de seguridad33. Se define como silo a un depósito prismático o cilíndrico. Producto almacenado es aquel que va a ser ensilado ya sea de forma granular o pulverulento en que la cohesión es pequeña con respecto al rozamiento interno. Mediante los productos pulverulentos cohesivos se tiene un nuevo concepto de diseño y cálculo de silos para el almacenaje de este tipo de productos33. Definición y Cargas A continuación se definirá lo siguiente: 33 Ravanet, J. (1992). Silos. España: Editorial Limusa 65 Para un producto granular con diámetro medio del gránulo de 0.2 mm se aplica lo siguiente33: Ángulo de rozamiento durante el llenado: Ángulo de rozamiento durante el Vaciado: Para productos pulverulentos de diámetro medio del gránulo de 0,06 mm se emplean los siguientes valores: El ángulo de rozamiento durante el llenado y la descarga es: Para diámetros de granos comprendidos entre 0,2 y 0,06 mm se han de extrapolar lo valores anteriores33. Se debe considerar que los valores anteriores varían, si el producto almacenado presenta humedad. Y de ser este el caso se debe recurrir a ensayos experimentales para determinar los valores de ángulo de rozamiento 33. 4.8.5.1. Relación entre presiones horizontales y verticales Esta relación se encuentra representada de la siguiente manera: PH Pv Para el llenado se considera el siguiente valor: Ec (4.12) 66 Para el vaciado se considera siguiente el valor: La presión horizontal es máxima durante el vaciado, mientras que; la presión vertical y la fuerza de rozamiento son máximas durante el llenado33. CARGAS A PROFUNDIDAD INFINITA LLENADO Presión Horizontal Máxima *F U *U f * Ec (4.13) *F * f *U Ec (4.14) Pwfmáx *F U Ec (4.15) Phfmáx *F *U U e* Ec (4.16) *F e * e *U Ec (4.17) Phfmáx Presión Vertical Máxima Pvfmáx f Fuerza de Rozamiento VACIADO Presión Horizontal Máxima Presión Vertical Máxima Pvfmáx 67 Fuerza de Rozamiento *F U Pwfmáx Ec (4.18) CARGAS A PROFUNDIDAD FINITA Presión Lateral a la profundidad Z Pz Pmáx 1 e Z Zo Ec (4.19) Siendo: Para el Llenado Pvfm vfmáx F Z of f * f U **U Ec (4.20) Para el Vaciado F Z oe e 4.8.5.2. Pvemáx *U U * e* Ec (4.21) Influencias que causan incremento de carga, y bóvedas La presencia de bóvedas en un silo causa incremento de presión sobre el fondo, en este caso la norma prevé que las presiones sobre el fondo deben multiplicarse por un coeficiente de seguridad igual a 233. Si en un caso se insufla aire a un silo, y este se ha destinado a el almacenamiento de productos granulares, es importante tomar en cuenta que existe un incremento de la presión horizontal. Para el caso de productos pulverulentos no se tiene aumentos significativos de presión33. 4.8.5.3. Influencias que reducen la carga A partir de una altura máxima de: 1,20d ó 0,75H existe la posibilidad de reducir la presión lateral hasta alcanzar en la parte baja de la celda el valor de presión de llenado33. 68 4.8.6. NUEVA NORMA ALEMANA PARA EL CÁLCULO DE SILOS 1986 La hipótesis de carga de la antigua Norma DIN 1055 no era del todo adecuada ya que daba valores demasiado bajos, es importante tomar en cuenta que, hay casos en los cuales las distribuciones de carga difieren de la norma, siendo estas mayores, en ciertos puntos estas son previstas por la norma33. NORMA DIN 1055, HOJA 6, 1964 Esta norma se definió para los siguientes productos: Productos Granulares (cereales) Productos pulverulentos (cemento) La Norma DIN 1055 está basada en la Teoría de Janssen, considerando valores asintóticos para las presiones laterales y verticales y el crecimiento exponencial de estas en función de la altura33. Los valores máximos son los siguientes: Pw *A U Ec (4.22) Phfmáx *A U* Ec (4.23) *A U* * Ec (4.24) Phfmáx A continuación se muestran ciertas simplificaciones: La presión vertical distribuida uniformemente en una sección recta El peso específico es el mismo a cualquier altura La relación existente entre presiones laterales y verticales es la misma a cualquier altura El ángulo de fricción entre la pared y el material almacenado es constante a cualquier altura 69 Ph Pv tan ta 2 45 2 1 sen 1 sen sen Ec (4.25) El valor de λ con la expresión dada representa cantidades inferiores a las reales, razón por la cual la Norma DIN 1055 aplicó lo siguiente34: Para el Llenado: Para el Vaciado: 4.8.6.1. Revisión de la norma din 1055 en 1986 De acuerdo a la normativa actual, existen ciertas recomendaciones para realizar el cálculo de presiones en silos que van a ser empleados para el ensilaje de productos granulares y pulverulentos cohesivos. Este apartado no considera productos que sean altamente cohesivos como lo son la harina de soja y alimentación animal. CAMPO DE APLICACIÓN La norma que se ha venido exponiendo durante este capítulo esta aplicada para silos verticales y prismáticos con los siguientes límites: Límite Inferior: H D 0.8 Ec (4.26) 25 Ec (4.27) Límite Superior: Pvc 34 Ravanet, J. (1992). Silos. España: Editorial Limusa 70 Dónde: TIPO DE FLUJO El tipo de flujo también dependerá del tipo de tolva, inclinación de la misma, la rugosidad que esta presente, propiedades físicas del material a almacenarse y dimensión de la boca de salida. Anteriormente ya se ha detallado cada uno de los tipos de flujo como son flujo másico y de conducto34. PRESIONES DE LLENADO Las presiones de llenado tienen como fundamento la Teoría de Janssen. * rh * (Z ) * Pve Ec (4.28) Dónde: Z ZO 1 e Z Zo rh * Ec (4.29) Ec (4.30) Presión Horizontal Phc * Pvve Ec (4.31) * * Pve Ec (4.32) Fuerza de Rozamiento Pw Para silos con H/D 5 el coeficiente de sobrepresión se obtiene partir de tablas y para silos con H/D , los coeficientes de sobrepresión se consideran iguales a la unidad34. 71 En silos cuyo flujo es de conducto para prevenir irregularidades de presiones laterales durante el vaciado se debe considerar una presión horizontal adicional sobre la pared, definida por el parámetro empírico34 . Dónde: Para silos con flujo másico, es necesario considerar una presión extra, la cual actúa en la zona de transición de la tolva del cuerpo. Los valores de presión se pueden determinar de la siguiente manera34: Ps *Z Ec (4.33) Ps *D Ec (4.34) CONCLUSIONES La nueva norma determinó los coeficientes de sobrepresión en función del tipo de flujo, ya sea este másico o de conducto. Además, la norma también proporciona ciertos limitantes como son34: No se aplica para materiales altamente cohesivos La norma no aplica para H/D debido a que el cracter exponencial desaparece No es válida para relaciones altura – lado mayores a 5 o diámetros mayores a 25 metros El valor de λ se considera igual al coeficiente de empuje de tierras : Ko = 1 - senᶲ , multiplicado por un coeficiente igual a 1,20. 72 4.8.7. PRESIONES LATERALES SEGÚN EL DR. RAVANET Presiones Laterales Durante el Llenado Esta presión es similar a las presiones generadas por un producto granular, excepto si se llegara a introducir aire, por lo que se puede aplicar la ecuación de Janssen34. En este apartado la relación existente entre la presión horizontal y la presión vertical se designa con la letra K, este valor ha sido obtenido experimentalmente y oscila de 0,36 a 0,6034. La presión lateral a una profundidad infinita se la calcula con la siguiente expresión34: PZ *R ttan n ´ Ec (4.35) Dónde: 4.8.7.1. Presiones laterales durante el vaciado: flujo de conducto Para el caso del almacenamiento de materiales pulverulentos, durante el vaciado todo se puede esperar, depende mucho del comportamiento del material durante el proceso. Sí durante el vaciado se produce flujo de conducto centrado, pero no existen indicios de bóvedas ni desprendimientos, puede decirse que prácticamente no existe incremento de presión. Sí el flujo de vaciado es excéntrico y se produce junto a la pared del silo, existe una gran pérdida de presión que puede llegar a presión nula en el límite34. 4.8.7.2. Presiones laterales durante el vaciado: flujo másico Como se ha dicho ya anteriormente, al referirse a flujo másico se está diciendo que todo el material ensilado se mueve conjuntamente; es decir que al abrir la tapa de vaciado todo el material se pone en movimiento. Sí durante el llenado se 73 han aplicado las presiones laterales de Janssen, durante el vaciado el coeficiente de sobrepresión con la relación de Janssen es 2,32. En la conexión cuerpo – tolva el coeficiente de sobrepresión puede llegar a tomar el valor de 5 34. 4.8.7.3. Presiones laterales durante el vaciado: formación de bóvedas Al almacenar productos pulverulentos cohesivos es importante tener en cuenta que a medio o largo plazo se puede tener formación de bóvedas estables cuya caída produce daños representativos tanto en las paredes del silo así como también en la tolva. No se han estudiado a fondo las presiones que se generan por caída de bóvedas. Sin embargo el Dr. Ravanet efectuó ensayos los cuales lo condujeron a las siguientes conclusiones34: Los materiales pulverulentos y cohesivos deben tratarse de forma distinta ya que existe la formación de bóvedas y conductos de vaciado en forma continua. La formación de bóvedas y su posterior caída dan origen a presiones laterales y sobre el fondo hasta 5 veces superiores a las establecidas hasta en el diseño más consolidado. Se deben tener precauciones especiales de tal manera que se puedan evitar presiones excesivas. Basta con la caída de una bóveda para que las paredes del silo y la tolva sufran deformaciones e incluso roturas. Para el estudio de Bóvedas se consideran dos casos34. a. La bóveda se forma justo en el arranque o conexión de la tolva con la pared de la celda y se supone que su forma es plana. La presión máxima se calcula mediante la siguiente ecuación: Pv 1,8* H * Ec (4.36) 74 Dónde: b. La bóveda se forma a una altura H2 por encima de la conexión tolva – cuerpo, la presión máxima se calcula de la siguiente forma: P 2* H1 * Ec (4.37) Dónde: 4.8.7.4. Soluciones según ravanet a los problemas de flujo: Tolva – Contratolva Ravanet realizó ensayos en maquetas reducidas, además de en silos reales inspeccionados, de tal manera que se pueda detectar los problemas de almacenamiento que generan los materiales pulverulentos34. Dichos problemas son: Formación de bóvedas sobre la boca de salida Formación de conducto de vaciado, con el correspondiente desmezcle Los problemas en las instalaciones se generan debido a las siguientes causas: Dimensiones reducidas de la boca de salida Pendientes en las tolvas no adecuadas e inferiores a 70 º Vaciados excéntricos en las tolvas Paredes lisas en las tolvas, con incremento de presiones en el fondo 75 Condensaciones en la celdas Paredes rugosas en las tolvas Desconocimiento total de los problemas de flujo La solución para el problema de vaciado es implementar un sistema de dos tolvas, con la finalidad de reducir la formación de bóvedas de tal manera que se tenga un vaciado uniforme eliminado las retenciones. Para llevar a cabo lo mencionado anteriormente es importante tomar en cuenta que las paredes de la las tolvas deben ser muy lisas, ya que de ser lo contrario existe la formación de bóvedas justo por encima de la boca de salida de la tolva superior. Este sistema de tolva – contratolva ha tenido éxito en las instalaciones anteriores34 76 CAPÍTULO V 5. CÁLCULOS Y DISEÑO En este apartado se dará a conocer las normas y códigos a emplearse para realizar los respectivos cálculos para el diseño del silo de cemento. Para determinar el diseño del silo es necesario emplear las siguientes normas y códigos: DIN 1055 ASME VIII DIVISIÓN I ASME SECCIÓN II AISC AWS D 1.1 EUROCÓDIGO 5.1. DIN 1055 (ACCIONES EN SILOS Y TANQUES) La norma Alemana DIN 1055 presenta las ecuaciones necesarias para determinar las presiones generadas durante el llenado del silo; así como también las ecuaciones que determinan la presión ejercida sobre la tolva 35. 5.2. ASME SECCIÓN II En esta sección se podrá apreciar los distintos materiales a los cuales se hace referencia para diferentes diseños, dentro de esta sección se tiene la siguiente clasificación: PARTE A.- Materiales Ferrosos PARTE B.- Materiales No Ferrosos PARTE C.- Materiales de Soldadura PARTE D.- Propiedades 35 http://www.search-document.com/pdf/1/3/din-1055-download.html 77 5.3. ASME SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1 La División I de este código da a conocer las reglas a seguir para la construcción de calderas y recipiente a presión. Además esta división cubre los requisitos tanto de diseño así como también de fabricación, inspección y certificación para recipientes a presión interna y externa. (Estampa ASME)36 Esta sección se divide en los siguientes apartados. Tabla 5-1: Partes del código ASME sección VIII Subsección A. Requerimientos generales Parte UG.- Requerimientos generales para todos los métodos de construcción. Subsección B.- Requerimientos relacionados para métodos de fabricación. Parte UW.- Requerimientos para recipientes a presión fabricados por soldadura. Parte UF.- Requerimientos para recipientes a presión fabricados por forjado. Parte UB.- Requerimientos para recipientes a presión fabricados utilizando un material de relleno no ferroso a este proceso se le denomina brazing. Subsección C. Requerimientos relacionados a clases de materiales Parte UCS.- Requerimientos para recipientes construidos con acero al carbón y de baja aleación. Parte UNF.- Requerimientos para recipientes a presión construidos con materiales no ferrosos. Parte UCI.- Requerimientos para recipientes a presión construidos con hierros fundido. Parte UCD.- Requerimientos para recipientes a presión construidos con hierro fundido dúctil. Parte UHT.- Requerimientos para recipientes a presión construidos con aceros ferríticos con propiedades de tensión mejoradas por tratamientos térmico. Parte ULW.- Requerimientos para recipientes a presión fabricados por el método de capaz. Parte ULT.- Reglas alternativas para recipientes a presión construidos con materiales con esfuerzos permisibles más altos a bajas temperaturas. FUENTE: http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/4306 36 CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII, INTRODUCCIÓN, PÁGINA: 1 78 LIMITACIONES DEL CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII37 El espesor de recipientes que han sido construidos con aceros al carbono deberán tener un espesor mínimo de 2,38 mm (3/32 pulg) independientemente de su forma Los recipiendes que han de ser construido bajo este código no deben tener elemntos principales móviles, ya sean rotatorios por esta razón se excluyen del mismo las bombas, compresores, turbinas, culquiera que sea móvil El volumen mínimo de los recipientes a presión diseñados y construídos bajo este código debe ser de 120 galones Los recipientes deben ser diseñados para una presión mínima de 15 Psi El diámetro interior mínimo será de 152,4 mm (6 pulg) La presión máxima de diseño será de 3000 Psi Deben ser estacionarios 5.4. PRESIONES EJERCIDAS EN EL SILO 5.4.1. PRESIONES DE LLENADO En el silo se tendrán actuando las siguientes presiones38: Verticales Horizontales Debidas al rozamiento En la Tolva 37 http://www.slideshare.net/INGQPETER/almacenamiento-de-solidos 38 http://www.search-document.com/pdf/1/din-1055-download.html 79 Figura 5-1: Presiones existentes en el silo FUENTE: Norma alemana DIN 1055; 2005 Mismas que se calculan mediante las siguientes expresiones38: 5.4.1.1. Presión vertical Pv *R * ф z 1 e Z0 R * ( z) Ec(5.1) Z Z0 Ec(5.2) Dónde: [m]] Ec(5.3) 80 Por lo tanto la ecuación con los reemplazos pertinentes queda expresada de la siguiente manera38: *R 1 e * Pv Z Z0 [kgff / m 2 ] Ec(5.4) Resultado obtenido: Relación entre Presiones Horizontales y Verticales38 Ph Pv 1 sen 1 sen s 1, 1 sen 1,1 ( LLENADO) Ec(5.5) Resultado obtenido: Ph Pv 1 sen 1 sen 1,1 1 1 1 sen 1, 0 (VACIADO) Ec(5.6) Resultado obtenido: 5.4.1.2. Presión horizontal Se puede notar de la ecuación anterior de relación de presiones, es posible despejar la presión horizontal de dicha expresión obteniendo así lo siguiente 38: Ph Pv * [kg kgf / m 2 ] Ec(5.7) Resultado obtenido: Ph 5.4.1.3. 2375, 95 95[kgf / m 2 ] Presión de rozamiento La presión por rozamiento actuante en el cuerpo del silo se determina mediante la siguiente ecuación38: 81 Pw,c Z Z0 *R 1 e [ kgf gf / m 2 ] Ec (5.8) Reemplazando el valor de Zo y Z se obtiene la siguiente expresión38: Pw,c *R 1 e H R [kgf gff / m2 ] Ec (5.9) Resultado obtenido: 5.4.2. PRESIONES SOBRE LA TOLVA La presión total Pn está determinada por la siguiente expresión 38: Pn Pn3 Pn 2 Pn1 Pvt (Cb sen 2 Pn 2 Pn 3 Resultados obtenidos: Pn1 Pn 2 x [kkgf / m2 ] lh Ec (5.10) cos 2 ) Ec (5.11) Pvt (Cb sen 2 ) 3, 0 * R * * cos 2 Ec (5.12) Ec (5.13) 82 Figura 5-2: Presiones ejercidas sobre la tolva FUENTE: Norma alemana DIN 1055; 2005 Dónde: ( ) 83 5.4.2.1. Presión por fricción en la tolva La presión por rozamiento actuante en el cuerpo del silo se determina mediante la siguiente ecuación38: Pw,t Pn * Ec (5.14) Dónde: Resultado obtenido: 5.5. EUROCÓDIGO UNE-ENV_1991-49 PRESIONES DE VACIADO El EUROCÓDIGO establece que las presiones de vaciado están compuestas de una presión fija y una presión local o presión libre39. PRESIONES FIJAS PARA SECCIONES VERTICALES A continuación se muestran las ecuaciones a emplearse para determinar dichas presiones, para este caso se considerará las presiones debidas a rozamiento en la pared del silo así como también la presión horizontal en la zona de transición del silo, tal cual dicta el Eurocódigo39. 5.5.1. PRESIÓN POR FRICCIÓN EN LA PARED DEL SILO Pw,c , f Cw * Pw,c Dónde: Resultado obtenido: 39 http://sirio.ua.es/cat/UNE-ENV_1991-4=1998.pdf Ec (5.15) 84 5.5.2. PRESIÓN HORIZONTAL EN LA ZONA DE TRANSICIÓN Ph , f Ch * Ph ,t 39 Ec (5.16) Dónde: Resultado obtenido: 5.5.3. PRESIÓN LOCAL DE VACIADO Pp 0, 2 * * Ph , f 1 39 4eii dc Ec (5.17) Ec (5.18) Dónde: Resultado obtenido: 5.5.4. PRESIÓN HORIZONTAL DE VACIADO Ph ,v Dónde: Ph , f (1 0,1 ,1 ) Ec (5.19) 85 5.5.5. PRESIÓN VERTICAL DE VACIADO Pv ,v Pw,c , f (1 0,, 2 ) Ec (5.20) Donde 5.5.6. PRESIÓN ADICIONAL PARA SILOS CON FLUJOS MÁSICOS Para silos con flujo másico es importante tomar en cuenta que hay que aplicar una presión adicional fija y perpendicular a la tolva a una distancia inclinada 0,2dc (sobre presión psi)39. Ps 2 * * Ph ,t Ec (5.21) Dónde: Resultado obtenido: 5.5.7. PRESIÓN ESTÁTICA GENERADA POR LA COLUMNA DE CEMENTO Pcolumnaa HT Dónde: Resultado obtenido: *H T [kkgf g / m2 ] Ec (5.22) H1 Ec (5.23) H 2 [ m] 86 5.6. PRESIÓN DE DISEÑO La presión de diseño será equivalente a la suma de la presión de operación más 30 psi, tal cual lo establece en el manual de presión de Diseño y cálculo de recipientes a presión de Juan Manuel León Estrada40. Si la presión de operación es menor a 300 psi se emplea la siguiente ecuación: PDISEÑO : Poperación 30 [ psi p ] Ec (5.24) 5.6.1. PRESIÓN DE OPERACIÓN Se identifica como la presión de trabajo y es la presión manométrica a la cual estará sometido un equipo en condiciones de operación normal40. La presión de operación es igual a: 5.6.2. PRESIÓN DE DISEÑO Es la presión a utilizarse para el diseño de las partes constitutivas del recipiente. Para definir la presión de diseño se debe tomar el consideración lo siguiente 40: Sí: PDISEÑO 1.1* PO Ec (5.25) Sí: PDISEÑO PO 30 lb l 2 pulg Ec (5.26) Por lo tanto la Presión de Diseño es igual a: 40 León, J.(2001). Diseño y calculo de recipientes a presión.(Edición 2001). Ingesa. Recuperado de http://es.scribd.com/doc/17247549/diseno-y-calculo-de-recipientes-apresion 87 5.7. CÁLCULO PARA DETERMINAR EL ESPESOR DE PARED Para determinar el espesor de la chapa a emplearse para cálculos posteriores en el silo, es necesario seleccionar el acero para dicho recipiente a presión; siendo así adecuado el acero ASME SA-516 Gr. 70 el cual es equivalente al ASTM A-516 Gr. 70 debido a que contienen la misma composición química y las mismas propiedades mecánicas. Existen Ciertas Variaciones y son41: ASME SA-516 Gr. 70N ó ASTM A-516 Gr. 70N ASME SA-516 Gr. 70M ó ASTM A-516 Gr. 70M La letra “N” indica que el acero es Normalizado. La letra “M” indica que el acero ha sido certificado en el Unidades Métricas. Diferencia entre Acero ASME y ASTM41 Como se mencionó anteriormente los aceros poseen la misma composición química y mismas propiedades mecánicas por lo tanto la diferencia se encuentra en la creación de estándares. Una clara diferencia es que la ASTM establece límites y parámetros para las propiedades de un producto y los métodos para comprobar que el mismo cumpla con las propiedades. ASME determina el material a ser usado para la fabricación de un equipo. Se puede decir que ASME contiene a las especificaciones de la ASTM razón por la cual el comité le agrega una letra “S” a la especificación ASTM41. El espesor se ha calculado a partir de la siguiente expresión obtenida de la resistencia de materiales41. equivalente te 0,86 pr t a admisible Ec (5.27) Donde: 41 http://www.brownmac.com/products/pressure-vessel-steel-plate/asme-sa516-grade-70-andastm-a516-grade-70-spanish.aspx 88 Despejando de la ecuación anterior se obtiene la siguiente expresión: t 0,86 pr Ec (5.28) admisible Para efectuar los cálculos se aproximado el espesor a , en el caso del cuerpo del silo el espesor necesario para que cumpla con el factor de seguridad es de 5.8. y en el caso de la tolva 41 CÁLCULO DE ESPESORES DE LA ENVOLVENTE SEGÚN EL CÓDIGO ASME VIII, DIVISIÓN I, SUBSECCIÓN A PARTE-UG-27 La parte UG – 27 hace referencia al cálculo de envolventes que se encuentran sometidas a presión interna42. El código es claro en especificar que los espesores de las envolventes sometidas a presión interna no deberán ser menores a las calculadas por las expresiones posteriores. La simbología a emplearse es la siguiente: 42 http://es.scribd.com/doc/136088878/Codigo-Asme-Seccion-VIII-Division-1 89 Para el desarrollo del cálculo se tomara un valor de E=0,85 debido a que 42: Por experiencias profesionales se tiene un punto óptimo de eficiencia de la soldadura en las envolventes No representa un espesor excesivo Costo de radiografiado es relativamente bajo 5.9. ENVOLVENTES CILÍNDRICAS El espesor mínimo o presión máxima de trabajo deberá ser el espesor mayor o presión menor que se dan de acuerdo a las siguientes definiciones 42. Esfuerzo Circunferencial Esfuerzo Longitudinal 5.9.1. ESFUERZO CIRCUNFERENCIAL Deberá cumplir las siguientes condiciones: t R ó P 0.385 0 SE 2 Ec (5.29) PR 0 6P SE 0.6 Ec (5.30) SEtmín R 00.666ttmín Ec (5.31) tmín Pmáx 90 Figura 5-3: Esfuerzos circunferenciales y longitudinales FUENTE:http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/4306 Resultados obtenidos: 5.9.2. ESFUERZO LONGITUDINAL Deberá cumplir con las siguientes condiciones: t R ó 2 tmín Pmáx 5SE P 1,, 25 PR 2SE 0 0, 4 4P P SEtmín R 0, 0 4 4ttmín 42 42 Ec (5.32) Ec (5.33) Ec (5.34) 91 Resultados obtenidos: Como se puede notar a partir de las expresiones anteriores se podrá determinar el espesor mínimo de la envolvente, cabe recalcar que es necesario considerar para el cálculo de espesores la presión generada por el material ensilado. 5.10. CÁLCULO DE ESPESORES DE LA TAPA SEGÚN EL CÓDIGO ASME VIII, DIVISIÓN I, SUBSECCIÓN A PARTE-UG-32 En el Capítulo III se había indicado el tipo de tapa y las razones por la cual fue seleccionada para el presente proyecto, siendo así una tapa toriesférica. El espesor mínimo de la tapa se lo determina mediante la siguiente expresión 42. Figura 5-4: Tapa toriesférica FUENTE:http://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/4306 92 tmín Pmáx 0,885PL 0,885 PL 0 1P 0,1P SE 0,1 Ec (5.35) SEtmín 0,885 0 885L 0,1tmín Ec (5.36) Dónde: Resultados obtenidos: El radio de articulación es equivalente al 6% de L ó D. Además las tapas torieféricas que han sido formadas por materiales cuya resistencia especificada mínima de tensión es mayor a 80000 psi deberán ser proyectadas utilizando un valor de S=20000 psi a la temperatura del local42. 93 5.11. CÁLCULO DE ESPESORES DE LA SECCIÓN CÓNICA (TOLVA) SEGÚN EL CÓDIGO ASME VIII, DIVISIÓN I, SUBSECCIÓN A PARTE-UG-32 Figura 5-5: Sección cónica (tolva) FUENTE: http://www.slideshare.net/siceaingenieria/guia-del-codigo-ASME-seccion-VIII-division-1-tomo-1 P*D 2cos ( SE 0, 6 P) tmín P 2SEtco 2 SEtcos 1.2tcos 1 2ttcos 2 D 1.2 Ec (5.37) Ec (5.38) 94 Dónde: El ángulo mitad es equivalente debido a que se selecciono una pendiente de la tolva de 60 grados con respecto a la horizontal, por lo cual el ángulo entre la vertical y la pared de la tolva será 30 grados, para definir el espesor de la chapa de acero la norma emplea un valor igual a la mitad del ángulo entre la vertical y la pared de la tolva. 5.12. CÁLCULO SE ESFUERZOS PRINCIPALES EN EL CUERPO 5.12.1. CÍRCULO DE MOHR Para determinar los esfuerzos existentes en la envolvente del silo se ha recurrido al Círculo de Mohr debido a que permite el cálculo de esfuerzos principales de forma rápida y exacta43. 5.12.1.1. Esfuerzos principales máximos y mínimos máx promedio máx Ec (5.39) mín promedio máx Ec (5.40) xx promedio y yy Ec (5.41) 2 2 máx R yy 43 xx yyy 2 xy 2 xx t L t ,c Ec (5.42) Ec (5.43) f Ec (5.44) http://www.campus.fi.unju.edu.ar/courses/SSJ0000120042A0008/document/DOCUMENTOS_DE _TERCEROS/TEORIA/TENSIONES_COMBINADAS/02_AMD_32_35_Mohr_1.pdf?cidReq=SSJ00 00120042A0008 95 Dónde: 5.12.1.2. Esfuerzo transversal Se calcula a través de la siguiente expresión44: t pr t Ec (5.45) Para el cálculo se ha determinado que el esfuerzo transversal es: Esfuerzo Longitudinal Viene a ser determinado al dividir el esfuerzo de tracción para dos. L 44 pr 2t Stiopin, P. Resistencia de Materiales, Capítulo IX Ec (5.46) 96 5.12.1.3. Esfuerzo por flexión Previo al cálculo del esfuerzo por flexión, se debe calcular el momento máximo actuante sobre la pared del silo; para luego ser determinado mediante la siguiente expresión45. M máxC I f I 64 ( Dext 4 Ec (5.47) Dint 4 ) Ec (5.48) Dónde: 5.12.1.4. Esfuerzo de tracción El silo estará compuesto por una tapa en su parte superior y otra en su parte inferior, por lo cual se puede establecer que la fuerza debido al peso de la columna actúa como fuerza de tracción en las mismas46. F A t ,c Ec (5.49) 5.12.2. ÁNGULO DE ORIENTACIÓN Los ángulos de orientación del elemento que se encuentra sometido a los esfuerzos principales y de cortante se expresan mediante las siguientes ecuaciones46. p 1 tan n 2 xy 1 xx y yy Ec (5.50) 2 xx p 45 46 1 tan n 2 1 y yy 2 xy James M. Gere, Resistencia de Materiales, Sexta Edición, James M. Gere, Resistencia de Materiales, Sexta Edición, Ec (5.51) 97 Una vez determinado los esfuerzos principales y ángulos de rotación respectivos se procede a dibujar el Círculo de Mohr en un sistema de ejes perpendiculares, en el eje vertical se encontrará representado el esfuerzo cortante y en el eje transversal el esfuerzo normal46. Figura 5-6: Esfuerzos principales representados en sus ejes REALIZADO POR: LOS AUTORES La convención de signos es la siguiente: Los esfuerzos normales positivos de tensión actúan hacia la derecha Los esfuerzos negativos de compresión actúan hacia la izquierda Los esfuerzos cortantes que tienden a girar al elemento sometido a esfuerzo en sentido horario se trazan hacia arriba en el sentido de Los esfuerzos cortantes que tienden a girar al elemento sometido a esfuerzo en sentido anti horario se trazan hacia abajo en el sentido de 98 Figura 5-7: Representación de esfuerzos principales REALIZADO POR: LOS AUTORES 5.12.3. FACTORES DE SEGURIDAD Como se mensionó anteriormente el factor de seguridad empleado por la ASME VIII DIVISIÓN I es de 4, por lo tanto para los posteriores cálculos se deberá comprobar dicho factor de seguridad47. Para determinar el factor de seguridad se empleará la siguiente expresión47: máx 47 [ adm ] AISC.(1997), Manual de resistencia de materiales. Sy F .S Ec (5.52) 99 Despejando el factor de seguridad se obtiene la siguiente expresión47: Sy F .S Ec (5.53) adm El factor de seguridad para el cortante máximo se obtiene de la siguiente47 expresión: máx [ ] 0, 6 6* S y F .S Ec (5.54) Despejando el factor de seguridad se obtiene la siguiente expresión47: F .S 0,6* S y Ec (5.55) máx 5.13. ESFUERZOS ACTUANTES EN LA TOLVA DE SILO El esfuerzo por flexión se genera por la presencia de presiones actuantes sobre la pared de la tolva, como se ilustra a continuación48: 48 Diseño de Estructuras de Acero; BRESLER, LIN Y SCALZI; Editorial LIMUSA. 100 Figura 5-8: Presiones actuantes sobre las paredes de la tolva FUENTE: Norma alemana DIN 1055; 2005 Para este caso no se ha tomado en consideración el viento debido a que la tolva se encuentra a una altura baja con respecto al nivel de la tierra. El momento se lo obtuvo mediante el programa SAP200048. Del programa se obtiene un momento igual a: La inercia del cono se determina mediante la siguiente ecuación48: I Dónde *t *t dA 8 dB d A * x1 l Ec (5.56) 101 M máx Cx I f Ec (5.57) 5.13.1. ESFUERZO TRANSVERSAL Se calcula a través de la siguiente expresión48: El espesor a emplearse para el cálculo es: t = 9 mm t pr t Ec (5.58) 5.13.2. ESFUERZO LONGITUDINAL Viene a ser determinado al dividir el esfuerzo de tracción para dos48. L pr 2t Ec (5.59) t ,c F A Ec (5.60) 5.13.3. ESFUERZO DE TRACCIÓN 102 Para determinar el factor de seguridad se empleará la siguiente expresión48: [ máx adm ] Sy F .S Ec (5.61) Despejando el factor de seguridad se obtiene la siguiente expresión48: Sy F .S Ec (5.62) máx El factor de seguridad para el cortante máximo se obtiene de la siguiente expresión48: Despejando el factor de seguridad se obtiene la siguiente expresión: F .S 0,6* S y Ec (5.63) máx 5.14. DISEÑO DE COLUMNAS Previo a iniciar el cálculo correspondiente para el diseño de columnas es necesario definir que es una columna49. Columna.- Es un elemento esbelto que trabaja a compresión. 5.14.1. COLUMNAS SUJETAS A CARGAS AXIALES Para columnas sujetas solo a carga axial, es necesario definir un esfuerzo promedio, mismo que es equivalente a50, 49 50 AISC.(1997), Manual de resistencia de materiales. BRESLER, LIN Y SCALZI Diseño de Estructuras de Acero;; Editorial LIMUSA 103 Fa Pa A Ec (5.64) Y que a su vez corresponde a la carga permisible conveniente emplear un esfuerzo permisible promedio . Además de ello es con la finalidad de poder determinar el área transversal requerida para soportar dicha carga axial50. 5.14.2. DISEÑO POR ESFUERZOS PERMISIBLES La determinación del esfuerzo permisible o admisible para columnas sujetas a carga axial como50: Pandeo Lateral Primario Elástico Pandeo Lateral Primario Inelástico Fluencia gradual debido a esfuerzos locales excesivos, pandeo local y pandeo torsional50. Se considera una columna con una relación de esbeltez efectiva (KL/r). El ya pandeo puede ocurrir cuando la carga aplicada excede la carga crítica sea en el rango elástico o inelástico, el esfuerzo que corresponde a esta carga se define de la siguiente manera50: Fcrítica Pcrí crítica A 2 E KL r 2 Ec (5.65) Dónde: Para columnas esbeltas el pandeo elástico ocurre generalmente cuando es una fracción de la resistencia de fluencia, en el caso de perfiles laminados A-36dicha fracción adquiere un valor menos a 0,5; por lo tanto para el caso de pandeo elástico y se convierte en E (módulo de elásticidad del 104 acero). El valor más bajo de la relación de esbeltez para el cual puede suscitarse y se define mediante la siguiente expresión50: el pandeo elástico es: Cc KL r 2 c 1 E Fcrítico crític tico o 1 2 2 2 E 2 Sy Ec (5.66) Dónde: 5.14.3. CURVA DE EULER La curva de Euler permite apreciar distintas zonas donde se encuentran los elementos esbeltos, dichas zonas son50: Zona 1.- Se encuentran los elementos no esbeltos. Zona 2.- Se encuentran los elementos de esbeltez media, es decir todos aquellos cuyo esfuerzo de falla es menor al Sy. Zona 3.- Elementos muy esbeltos, es decir todos aquellos que solo por peso propio tiende a la falla. Figura 5-9: Curva de Euler FUENTE: Guia de diseño del AISC51 Las columnas a diseñarse para este proyecto de titulación se las considerará como columnas de esbeltez media, debido a que el requerimiento de las mismas 51 http://www1.ceit.es/asignaturas/Estructuras1/Resumen%20estabilidad%20columnas.pdf 105 no demandan una gran altura como tal para sostener el silo para almacenamiento de cemento51. Para la Zona 2 el esfuerzo crítico se representa según la siguiente expresión51: 2 crítico E Ec (5.67) 2 Dónde: Como se puede notar, al hacer referencia a elementos de esbeltez media se debe considerar que el esfuerzo de falla es menor al Sy, y aproximadamente equivalente a 0,5* Sy. Por lo cual es necesario considerar una modificación en la expresión anterior, se debe tener en cuenta que es necesario conocer el tipo de acero a emplearse además de tener en cuenta que la esbeltez es única en cada columna llegando a lo siguiente51: Sí: crítico 1 Sy 2 Ec (5.68) Caso contrario se cuenta con las siguientes expresiones para calcular los siguientes valores51: Reemplazando la expresión final es: 2 crítico o 1 2Cc 2 2C * Sy Ec (5.69) 106 Para el caso de la zona 3, solo para columnas muy esbeltas no es primordial tener en cuenta el tipo de acero, razón por la cual el esfuerzo crítico de Euler será51: 5.14.4. FACTOR DE SEGURIDAD Para la zona 2 el factor de seguridad queda determinado con la siguiente ecuación52: F .S 5 3 3 8 Cc 1 3 8 Cc3 Ec (5.70) El factor de seguridad para la zona 2 se encuentra en el intervalo 52: Para la zona 3 el Manual de la AISC recomienda usar un factor de seguridad de 1,9252. Para el desarrollo del diseño de columnas se deberá determinar el esfuerzo admisible por lo cual se define que este será objeto de estudio al igual que el esfuerzo real. Por lo tanto se debe además cumplir lo siguiente52: Fa F .S compresión Dónde: 52 Fè crítico AISC.(1998), Manual de resistencia de materiales. F .S Ec (5.71) estabilidad 107 5.14.5. CÁLCULOS A continuación se procederá a calcular las columnas mismas que servirán para como soportería del silo. Se tendrá cuatro columnas distribuidas en el perímetro del mismo52. 5.14.5.1. Cálculo de carga actuante sobre la columna Para determinar la carga de compresión actuante sobre la columna se ha considerado lo siguiente52: Peso del material ensilado = 50000kg Peso propio del silo = 3739 kg (Para conformar la tapa, cuerpo y tolva se necesitan 16 planchas de acero ASTM A-516 de espesor 10, 9 y 8mm) Peso por escalera cubre hombre = 50 kg Peso por accesorios = 50 kg (Tomando en cuenta refuerzos, pernos, medidores de nivel o presión) Peso por acumulación de cemento= 64kg (Se considera este peso en caso que existiera una acumulación de cemento sobre el silo con un espesor de capa no mayor a 3mm) Peso de una persona = 100 kg (Se considera en caso de que fuera necesario que una persona suba al silo cuando este se encuentre cargado a su máxima capacidad) Para adquirir la carga total se procederá a sumar todos los pesos expuestos teniendo así lo siguiente: 108 Como se había mencionado anteriormente se colocará cuatro columnas en el perímetro del silo a arcos iguales. Por lo tanto para conocer la fuerza que actúa sobre cada columna la carga total debe dividirse para 4. Las columnas serán empotradas con la finalidad de restringir el giro de las mismas para ello se empleara el tipo de ménsula correspondiente. Al dar a las columnas la condición de empotrado en su parte inferior se deberá tomar en cuenta que además de la carga de compresión se tendrá un momento generado por la presión del viento52. PRESIÓN DE VIENTO La carga ó presión de viento ha sido calculada en base a lo expuesto en la Norma Ecuatoriana de la Construcción. La norma establece que la presión de viento debe calcularse mediante la siguiente expresión52: Pviento 1 * 2 airee * v 2b * Ce * C f Ec (5.72) Dónde: Consideraciones: La NEC-2011 adopta un valor de densidad del aire igual a 1,25 kg/m 3 Para una altura de hasta 10 m la velocidad del viento será de 75 Km/h ó 21 m/s. 109 Se considerará que los elementos se encuentra en zonas aisladas por lo cual el es igual a 1,3. La columna es un elemento esbelto se asumirá como una superficie vertical de edificio por lo cual igual a 0,8. Tabla 5-2: Factor de forma Construcción Superficies verticales de edificios Barlovento Sotavento +0,8 Anuncios, muros aislados, elementos con una dimensión +1,5 corta En el sentido del viento Tanque de agua chimeneas y otros de sección circula o elíptica Tanques de agua, chimeneas y otros de sección cuadrada o rectangular. Arcos y cubiertas cilíndricas con un ángulo de inclinación 0,7 +2,0 +0,8 -0,5 Superficies inclinadas a 15 grados o menos +0,3-0,7 -0,6 Superficies inclinadas entre 15 y 60 grados. +0,7-0,3 -0,6 Superficies inclinadas entre 60 grados y la vertical +0,8 -0,6 que no exceda 45 grados El signo positivo(+) indica presión El signo negativo(-) indica FUENTE: NEC 201153 Tabla 5-3: Factor entorno/altura CONSTRUCCIÓN Elementos situados en patios inferiores Elementos de fachadas protegidas en edificios alineados en calles rectadas Elementos en fachadas expuestas en edificaciones aisladas Ce 0,3 0,8 1,3 Elementos en fachadas muy expuestas, situados al borde de la orilla de lagos o del mar, próximos a escarpaduras, laderas de fuerte 1,5 inclinación, desfiladeros y otros 54 FUENTE: NEC 2011 53 NEC-11; Capítulo I CARGAS Y MATERIALES; Página:12 110 Reemplazando los valores anteriores se tiene: CARGA DE DISEÑO POR VIENTO A continuación se ilustra la columna con sus respectivas cargas54. Figura 5-10: Diagrama de la carga de viento REALIZADO POR: LOS AUTORES Para transformar la carga de viento a kgf/m lineal se multiplica la distancia de separación entre el punto superior e inferior de la columna 54. 54 http://dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/4444/1/UPS-QK00063.pdf 111 ] DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE PARA LA COLUMNA Figura 5-11: Diagrama de cuerpo libre REALIZADO POR: LOS AUTORES Como se mencionó anteriormente la columna será empotrada, razón por la cual aparecerá una carga de compresión equivalente, que se determina de la siguiente manera54: Pequivalentete Pcomp compresión Dónde: Del Diagrama de Cuerpo Libre se obtiene: 0, 2* M Ec(5.73) 112 5.14.5.2. Cálculo del esfuerzo admisible (fa) Para determinar el esfuerzo permisible es necesario seleccionar el acero con el cual se diseñara la columna55. En este caso se ha elegido el acero ASTM A-36 Sy = 36Ksi, este tipo de perfil es aplicable para construcciones estructurales, tiene como ventajas resistencia a la tensión y compresión además de tener un costo razonable y es de fácil adquisición en el mercado. Por estas razones se ha elegido este acero 55. El esfuerzo crítico se calculará tal cual se indica en la ecuación 6, misma que depende de los valores de λ y Cc55. 55 ASME.(1997), Manual de resistencia de materiales. 113 Como se había indicado en párrafos anteriores, el factor de seguridad está en un determinado rango. Este factor de seguridad también será determinado conforme a los valores obtenidos de λ55. Para continuar con el cálculo correspondiente se debe determinar la esbeltez de la columna así como también el esfuerzo real actuante sobre la columna, por ello es necesario determinar lo siguiente55: Rigidez de la columna Rigidez de la Viga (FICTICIA) Factor K Para objeto de cálculo se ha asumido a la soportería del silo como una estructura continua y a la tolva del mismo como una viga ficticia, con la finalidad de pode determinar el factor k55. Figura 5-12: Relaciones de rigidez REALIZADO POR :LOS AUTORES 114 Dónde: Una vez obtenidos los factores por condición de empotrado y nudo continuo se procede a encontrar el factor k del nomograma del Manual de la AISC página 5124, del cual obtiene el siguiente factor k55: Una vez determinado el factor K se procede a calcular la esbeltez de la columna. Dónde: El valor de esbeltez no debe ser mayor a: 115 El área requerida para seleccionar el perfil es de: 5,90 [ ] con este valor referencial de área se procederá a buscar un perfil adecuado en al manual de la AISC55 PERFIL Se tiene que el perfil trabajara con respecto al eje x por lo tanto se trabajará con la , por lo tanto para el cálculo de esbeltez se toma el 55 De la ecuación (5.69) se procede a calcular el esfuerzo crítico55: Reemplazando valores se tiene que55: De la ecuación (5.70) se procede a calcular el factor de seguridad correspondiente al valor de λ55. 116 Reemplazando valores se tiene que55: Por lo tanto, reemplazando los valores anteriores en la ecuación (5.71) se tiene que el esfuerzo admisible es55: Como la esbeltez es menor a 200 se continúa con el cálculo del esfuerzo real 55. Para comprobar que el perfil es adecuado se calcula el índice de trabajo del elemento a compresión y tener en cuenta lo siguiente 55: Sí: 117 (Cumple) PERFIL Como se puede notar el perfil seleccionado cumple, ahora se procederá a seleccionar en perfil de producción nacional, el mismo que tendrá sus dimensiones similares a las del perfil. En este caso el perfil más similar es un perfil d = 10,17 [pulg] = 258,32 [mm] bf = 5,75 [pulg] = 146,05 [mm] tf = 0,360 [pulg] = 9,1 [mm] tw = 0,240 [pulg] = 6,1 [mm] d = h = 270 [mm] bf = s = 135 [mm] tf = t = 10,2 [mm] tw = g = 6,6 [mm] Tabla 5-4: Especificaciones generales perfiles IPE laminados en caliente Denominación IPE 80 IPE 100 IPE 120 IPE 140 IPE 160 IPE 180 IPE 200 IPE 220 IPE 240 IPE 270 IPE 300 h mm 80 100 120 140 160 180 200 220 240 270 300 FUENTE: Catalogo de DIPAC Dimensiones s g t mm mm mm 46 3,8 5,2 55 4,1 5,7 64 4,4 6,3 73 4,7 6,9 82 5 7,4 91 5,3 8 100 5,6 8,5 110 5,9 9,2 120 6,2 9,8 135 6,6 10,2 150 7,1 10,7 Sección Pesos R mm 5 5 5 5 7 7 7 9 9 12 12 cm2 kg/mt 7,64 10,3 13,2 16,4 20,1 23,9 28,5 33,4 39,1 45,9 53,8 6 8,1 10,4 12,9 15,8 18,8 22,4 26,6 30,7 36,1 42,2 Ix cm4 80 171 318 541 869 1320 1940 2770 3890 5790 8394 Tipos Iy Wx cm4 cm3 8,49 20 15,9 34,2 27,7 53 44,9 77,3 68,3 109 101 140 142 194 205 252 284 324 420 429 604 557 Wy cm3 3,69 5,79 8,65 12,3 16,7 22,2 28,5 37,3 47,3 62,2 80,5 118 Figura 5-13: Forma de un perfil IPE FUENTE: Catalogo de Dipac 5.15. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LAS OREJAS DE IZAJE Las orejas de izaje tienen la función de permitir el transporte y montaje del silo para almacenamiento de cemento, que como mínimo debe contar con dos orejas de izaje en este caso se seleccionará tres orejas de izaje cada una colocada a 120 grados56. A continuación se procederá a calcular el espesor mínimo requerido por la orejas de izaje, además se muestra en la tabla 5-5 las dimensiones y forma aproximada de este elemento, en pulgadas56. 56 León, J.(2001). Diseño y calculo de recipientes a presión.(Edición 2001). Ingesa. Recuperado recipientes-a-presion de http://es.scribd.com/doc/17247549/diseno-y-calculo-de- 119 Tabla 5-5: Dimensiones de las orejas de izaje FUENTE: http://es.scribd.com/doc/74197620/Diseno-Y-Calculo-de-Recipientes-a-Presion-Juan-Manuel-Leon-Estrada La ecuación que permite realizar este cálculo es la siguiente56: to Dónde: W SD Ec(5.74) 120 5.15.1. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA PLACA DE RESPALDO El cálculo de espesor de placas de respaldo es de suma importancia ya que permite verificar si el espesor del material empleado en el recipiente de presión es suficiente para soportar las fuerzas tracción aplicada a las orejas de izaje 56. El espesor de placas de respaldo se calcula mediante la siguiente expresión: tc W 2 S (C to ) 2 Ec(5.75) Dónde: 5.15.2. ÁREA DE SOLDADURA EN OREJAS DE IZAJE Finalmente, se debe verificar que la soldadura aplicada para fijar las orejas de izaje sea suficiente, se lo hará con las siguientes ecuaciones56: Área de Soldadura Aplicada Se determina mediante la siguiente ecuación56: 121 Dónde: Área mínima de soldadura requerida. Se calcula mediante la siguiente expresión56: Ar W S Ec(5.76) Dónde: Una condición muy importante y que siempre debe cumplirse es56: 5.16. DISEÑO DE CONEXIONES SOLDADAS El diseño de juntas soldadas a emplearse en el presente proyecto son las siguientes57: Juntas a Tope (Anexo A-12) Juntas de Filete (Anexo A-12) 5.16.1. JUNTA A TOPE Las soldaduras a tope deben ser continuas en toda su longitud y para recipientes de presión deben ser de penetración completa (CJP). La raíz debe limpiarse antes de dar el primer pase. En el caso de trabajar con materiales de distinto 57 Modulo04.1 Geometría de la Juntas y Simbología.pdf 122 espesor el material de mayor espesor debe ser adelgazado en una pendiente menor al 25%57. 5.16.1.1. Partes de una junta a tope Abertura de raíz Tamaño de la cara de raíz Profundidad del bisel Ángulo de bisel Ángulo de ranura Espesor del metal base Figura 5-14: Tipos de juntas y sus geometrías 123 Figura 5-14: Tipos de juntas y sus geometrías (Continuación) FUENTE: Modulo04.1 Geometría de la Juntas y Simbología.pdf La preparación del tipo de junta a tope depende del espesor del material a unirse mediante soldadura. A continuación se presenta los tipos de biseles que se emplean en función del espesor del material con la finalidad de exponer con claridad la razón por la cual se eligió una junta CJP tipo V57. 124 Tabla 5-6: Tipos de soldadura a tope SOLDADURA A TOPE O RANURA TIPO USO REPRESENTACIÓN Se emplea Bordes cuadrados para espesores menores a 4mm ó 5mm Se emplea para Caras en V espesores entre 5mm y 15mm Se emplea Preparación en X o doble V para espesores desde 15mm hasta 25mm Se emplea Preparación en U para espesores a 20mm FUENTE: Soldaduras de Ranura 5.16.2. DISEÑO DE JUNTAS A FILETE Comúnmente es denominada soldadura transversal, es aproximadamente triangular y sus piernas de soldadura son iguales, se emplea para unir superficies en “T” o en “L”. Generalmente no requiere preparación de borde para la soldadura pero a cambio las superficies deben estar completamente tersas. Como ya se 125 verá más adelante, el proceso de selección de soldadura es SMAW el cual se eligió por las ventajas que presenta, al emplear este proceso de soldadura para soldaduras de filete se tiene la siguiente ilustración en la cual se puede apreciar las partes constitutivas del cordón de soldadura a filete57. Figura 5-15: Partes de una soldadura a filete FUENTE: http://ebookbrowsee.net/estructuras-de-acero-comportamiento-vinnakota-v-pdf-pdf-d143570922 Las soldaduras de filete básicamente serán empleadas para la unión de miembros estructurales como lo son en este caso las columnas, además de ello también será aplicada en las ménsulas, orejas de izaje y placa base – columna57. 5.16.3. DISEÑO DE PLACA BASE La placa base ira soldada a la columna y a la vez esta tendrá ménsulas soldadas en sus alrededores con la finalidad de restringir el giro de la misma. El diseño de la placa base debe ser correctamente realizado con el fin de evitar deformaciones prematuras en la misma, así como también definir el espesor adecuado con la finalidad de abaratar costos de producción58. 58 ASME.(1997), Manual de resistencia de materiales. 126 Para el diseño de la placa base se tomará en cuenta lo siguiente 58: Resistencia última del hormigón estructural Espacio requerido por el perfil estructural (columna) Esfuerzo de fluencia del acero a usarse La placa base consta de las siguientes medidas58: Ancho de la base (B) Largo de la base (C) Distancia del filo de la base al patín del perfil (n) Espesor de la placa base (tp) Peralte del perfil (d) Figura 5-16: Placa base REALIZADO POR: LOS AUTORES Para el cálculo de la placa base es necesario emplear las siguientes ecuaciones de interacción58. Fc fc F .S Ec ( 5.77) 127 B d 2n tp 1, 66* f c * n 2 Sy Dónde: [3.5] Ec ( 5.78) Ec ( 5.79) 128 5.17. DISEÑO DE PERNOS DE ANCLAJE El diseño de pernos de anclaje es de suma importancia ya que estos irán incrustados en la cimentación y a la vez servirán para montar la placa base. La placa base consta de cuatro agujeros, por lo tanto se necesitara un total de cuatro pernos de anclaje por placa59. Para el diseño se ha considerado un perno ASTM A-325, que son los pernos utilizados para el área de ingeniería mecánica estos pernos tienen un Sy = 92 ksi. El perno será diseñado como un elemento que trabaja a tracción, razón por la cual se emplean las siguientes ecuaciones59. Figura 5-17: Perno de anclaje REALIZADO POR: LOS AUTORES Cálculo del diámetro del perno de anclaje59 2F * do Ec ( 5.80) B 2(1,5 5d p ) Ec ( 5.81) Mx do 59 AISC.(1997), Manual de resistencia de materiales. 129 Apr F Ft Ec ( 5.82) d p2 Ec ( 5.83) Apr 4 Dónde: 5.17.1. CÁLCULO DE LONGITUD DEL PERNO DE ANCLAJE El perno de anclaje en toda su longitud debe ser corrugado con la finalidad de que este tenga una buena adherencia al hormigón estructural a emplearse en la cimentación59. Para determinar la longitud del perno de anclaje se empleara las siguientes ecuaciones59. F F Fh Fc fh * L * d p L a 50 fc * a * d p Ec ( 5.83) Ec ( 5.84) Ec ( 5.85) 130 Dónde: 5.18. PLACAS DE MÉNSULA Comúnmente se emplean placas triangulares como ménsulas, las mismas que sirven como apoyos para transferir las cargas de una viga separada a una columna, así como también entre columna-placa. Las ménsulas permiten disminuir el momento generado en la columna debido a las cargas existentes 59. Figura 5-18: Ménsulas FUENTE: http://ebookbrowsee.net/estructuras-de-acero-comportamiento-vinnakota-v-pdf-pdf-d143570922 131 A continuación se presentan las ecuaciones que permiten determinar el cálculo de ménsulas59. ho lm 20 Ec ( 5.86) Dónde: 5.19. REQUERIMIENTOS PARA ESCALERAS (ESPECIFICADO POR A.P.I. 650) 1.- Todas las partes de la escalera serán metálicas60. 2.- El ancho mínimo de las escaleras será de 610mm. (24 pulg.). 3.- El ángulo máximo entre las escaleras y una línea horizontal será de 50º. 4.- El ancho mínimo de los peldaños será de 203mm. (8 pulg.).La elevación será uniforme a todo lo largo de la escalera. 5.- Los peldaños deberán estar hechos de rejilla o material antiderrapante. 6.- La parte superior de la reja deberá estar unida al pasamano de la plataforma sin margen y la altura, medida verticalmente desde el nivel del peldaño hasta el borde del mismo, debe ser de, 762 a 864 mm. (30 pulg. a 34 pulg.). 7.- La distancia máxima entre los postes de la rejilla medidos a lo largo de la elevación debe ser de 2438mm. (96 pulg.). 60 Norma API-650 132 8.- La estructura completa será capaz de soportar una carga viva concentrada de 453 Kg. (1,000 lb), y la estructura del pasamanos deberá ser capaz de soportar una carga de 90Kg.(200 lb), aplicada en cualquier dirección y punto del barandal. 5.20. CÁLCULO DE REFUERZO DE REGISTRO DE HOMBRE Para el cálculo del refuerzo correspondiente se tomará en cuenta los siguientes parámetros61. Figura 5-19: Entrada de hombre FUENTE: Cálculo de refuerzos para boquillas Manual recipientes a Presión Juan León Estrada Cálculo del espesor requerido del caso61 tr 61 PR 6P SE 0, 6 P Ec(5.87) León, J.(2001). Diseño y calculo de recipientes a presión.(Edición 2001). Ingesa. Recuperado de http://es.scribd.com/doc/17247549/diseno-y-calculo-derecipientes-a-presion 133 Se selecciona el espesor de placa comercial que es: Cálculo del espesor real del cuerpo61 t Ec (5.88) tr C Cálculo del espesor del cuello de la boquilla por presión interna61 PRn ST E 0, 6 P 6P trn d d externoo 2tno nominal Ec (5.89) 2C Ec (5.90) Cálculo del espesor real de la boquilla61 Dnominal d 2 tn Ec (5.91) Cálculo del límite de refuerzo por dentro61 Cálculo de la parte que penetra la boquilla61 h H 2 2C Cálculo del límite de refuerzo por fuera61 Ec (5.92) 134 Cálculo del radio de la placa de refuerzo61 Cálculo del área del agujero del recipiente61 A d * tr Ec (5.93) Cálculo de las áreas que actúan como refuerzo61 Cálculo exceso en el cuello de la boquilla61 Cálculo del área que penetra61 A3 tn 2h Ec(5.94) Cálculo del área del cordón de soldadura61 A4 4b 2 Ec(5.95) Condición a cumplir cuando no se requiere refuerzo61 A A1 A2 A3 A4 Ec(5.96) Como se puede notar la condición no se cumple por lo tanto se necesita refuerzo61. 135 Cálculo del área disponible61 A5 A A1 A2 A3 A4 Ec(5.97) Cálculo de la placa de refuerzo Dp A5 te d 2tn Ec(5.98) 5.21. CÁLCULO DE TAPA PLANA PARA EL REGISTRO DE HOMBRE El tipo de tapa será una brida ciega ya que es usada usualmente para cerrar los extremos de boquillas, tuberías, válvulas, etc. Desde el punto de vista de presión interna y fuerzas ejercidas sobre los pernos, estas bridas principalmente en tamaños grandes son las que están sujetas a esfuerzos mayores. A continuación se presentará las ecuaciones que permiten determinar la tapa plana para registro de hombre62. El material de las bridas es62: SA-105 Sy = 17,5 Ksi El material de los pernos es62: SA -193-B37 Sy = 25 Ksi Cálculo del ancho del empaque62 N 62 Dr Dininter interno terno 2 Bresler, Lin Y Scalzi, Diseño de Estructuras de Acero;; Editorial Limusa Ec(5.99) 136 Selección del material del empaque62 Asbesto con valores de Ancho efectivo del asiento del empaque utilizado de acuerdo al tipo de cara bo62 bo 3N 8 Ec(5.100) Ancho efectivo del asentamiento del empaque62 Condiciones: b bo cuandob d bo 1/ 4 bo cuando bo c 2 b 1/ 4 Ec(5.101) Ec(5.102) Localización de la cara de reacción62 G Dr Dinterno inter in 2 Ec(5.103) Carga total en los tornillos W y que resulte mayor de wm1 y Wm262 Wm1 G2P Wm 2 2b Gm P Ec(5.104) b y bG Ec(5.105) Cálculo del área neta transversal requerida por los tornillos en condiciones de operación62 A1 Wm1 Sb Ec(5.106) 137 Cálculo de la distancia radial de la línea de centros de barrenos la línea de reacción del empaque62 Dbarreno G 2 hg Ec(5.107) Cálculo del espesor mínimo requerido en la tapa 62 t CP SE G 1.9 1 9Whg g 3 SEG Ec (5.107) Cálculo de la carga total de tornillos W t62 Am1 Wt Ab 2 s Ec (5.108) Cálculo del espesor mínimo en la tapa cuando la presión es igual a cero 62 t G 1, 9Whg 9Wh SEG 3 Ec (5.109) 138 CAPÍTULO VI 6. PROCEDIMIENTOS DE FABRICACIÓN Y MONTAJE En esta parte se indicarán las diferentes formas de fabricación y montaje que se pueden realizar en la construcción del silo. Sin embargo se recomendarán las más pertinentes para la construcción63. 6.1. PROCESOS DE FABRICACIÓN Los procesos de fabricación se dividen en cuatro grandes grupos63: Conformado mecánico por arranque de viruta (virutaje) Conformado mecánico sin arranque de viruta(conformado) Conformado mecánico por fundición Conformado mecánico por Soldadura Virutaje: este proceso es por arranque de material en forma de viruta. Se produce por el uso de una cuña que desprende el material63. Conformado: este proceso se produce por el uso de fuerzas opuestas que producen una deformación permanente sin llegar a la rotura del material, generalmente63. Fundición: este proceso se produce por el moldeo de las piezas mecánicas por el paso del material de liquido a solido en un molde. Tras la solidificación el material toma la forma del molde63. Soldadura: la soldadura se produce por la unión permanente de dos o más piezas por el uso de un material de aporte o no, con el uso de presión o no, con el uso de calor o no, etc63. 63 http://www.exafan.com/productos/Es/Manual_silos-metalicos_ESP_A4.pdf 139 Este documento no pretende desviarse tratando a profundidad cada una de las formas de producción. El objetivo es realizar un apartado que pueda definir con claridad las formas de construcción indiferentemente a que proceso corresponda63. De acuerdo con lo anterior se describirá el proceso de construcción en el orden de fabricación63. 6.1.1. PROCESOS DE TRAZADO El trazado es una operación manual de trasladar formas, medidas, cotas del plano o una pieza con instrumentos adecuados para luego ser sometida al trabajo mecánico o manual. La posición que puede obtener depende del equipo empleado y las exigencias de producción requeridas64. Herramientas de trazado Punta de trazar Compas Gramil 6.1.2. PROCESOS DE CORTE El corte se puede definir como la separación de un material en dos partes para obtener una forma determinada en una de las partes, a la que se le puede denominar como parte útil y la otra se denominaría desperdicio. Un corte es eficiente cuando se produce el mínimo desperdicio de material. 6.1.2.1. Corte por cizalla El cizallado es el corte que se produce sin arranque de viruta por la aplicación de fuerzas opuestas con una pequeña excentricidad entre las líneas de acción, es decir se aplica el efecto de tijera. La limitante de este proceso es que se restringe a cortes rectos y no a formas circulares además de que el espesor de corte se limita a la potencia de la maquina y generalmente son pequeños con relación a otros métodos de corte. Como ventajas se tiene que los cortes son bastantes 64 http://www.nzdl.org/gsdlmod?e=d-00000-00---off-0gtz--00-0----0-10-0---0---0direct-10---4-------01l--11-en-50---20-help---00-0-1-00-0-0-11-1-0utfZz-800&cl=CL4.6&d=HASH01e339ab3514bacd05f784f2.7&x=1 140 limpios, precisos y no existe cambios bruscos de temperaturas que produzcan cambios en la composición química del material64. Figura 6-1: Efecto de cizalla FUENTE:http://www.nzdl.org/gsdlmod?e=d-00000-00---off-0gtz--00-0----0-10-0---0---0direct-10---4-------0-1l--11-en-50---20help---00-0-1-00-0-0-11-1-0utfZz-8-00&cl=CL4.6&d=HASH01e339ab3514bacd05f784f2.7&x=1 6.1.2.2. Corte por oxi-corte Este proceso de corte se basa en la separación del material por el uso de llama producida por la combinación de dos gases, oxigeno y un carburante, que producen el desalojo del material. Este proceso se divide en dos fases en la primera se calienta a altas temperatura (900 ºC) y después la corriente de oxigeno corta el material65. Este proceso tiene la ventaja de que puede ser automatizado, y además de que se puede cortar grandes espesores y en formas complejas. El problema radica en que se produce un cambio estructural en el material debido a que se supera los 730 ºC donde el acero cambia de una estructura BCC a una FCC. Este cambio se da paulatinamente aunque se produce un enfriamiento rápido, lo cual cambia las propiedades del material en la zona del corte65. 6.1.2.3. Corte por plasma Este proceso de corte se produce por el uso de gas ionizado a alta temperatura, capaz de fundir y cortar materiales capaces de conducir electricidad. Se produce un arco eléctrico entre el electrodo y el material sin embargo se estrangula el gas ionizado al pasar por una pequeña boquilla, lo cual produce que el gas aumente 65 Varios Autores,(2008).Manual de Soldadura 141 su velocidad y su temperatura alrededor de los 20000 ºC, lo cual permite una gran rapidez de corte65. El plasma es el cuarto estado de la materia y en la tierra es posible obtener este estado solo por medios artificiales. Generalmente se usan los siguientes gases: aire, nitrógeno, hidrógeno, argón o la combinación de estos65. Este proceso presentan las siguientes ventajas: - Menor precio y tiempo de producción que con cortes convencionales. - Menor Zona afectada por el calor. - Trabajos de precisión basados en CNC (Control numérico). - Gran rapidez de corte, lo que conlleva mayor volumen de producción. - Estabilidad direccional de la columna de plasma - Trabajo con una amplia gama de metales. - Gran precisión en el corte independientemente del grosor del metal. - Corte de grosores entre 0,60 y 80 mm. - Ahorro de material.66 6.1.3. CONFORMADO POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA Los procesos de conformado por deformación plástica son procesos donde existe una deformación permanente en el material sin llegar al límite de la rotura67. 6.1.3.1. Rolado Este proceso consiste en la deformación del material para producir un arco de circunferencia en diferentes grados de curvatura. El proceso se basa en el paso del material por un juego de rodillos los cuales causan la deformación. Luego en la curvatura del material causada por el rolado, se puede observar el comportamiento de sus fibras. Así las fibras externas están atracción y las internas a compresión. Para que este proceso sea llevado con éxito, hay que 66 http://www.soldatal.com/es/corte-plasma 67 Varios Autores(1990), Manual de mecánica, Editorial Don Bosco 142 considerar la fibra neutra del material a la cual no sufre ni alargamiento ni contracción en sus medidas67. También es posible la fabricación de conos y conos truncados, para ello lo que se hace es desviar la los cilindros en el mismo grado que el ángulo del cono, como se aprecia en la siguiente figura67. Figura 6-2: Rolado de un cono FUENTE: http://es.scribd.com/doc/28530489/Trabajos-de-Conformacion-en-Construcciones-Metalicas 6.1.3.2. Rebordeado y bombeado Este proceso consiste en realizar bordes, con el fin de facilitar operaciones de soldadura, plegado, o remachado con otras piezas. El borde se logra tras varias pasadas de conformación67. El bombeado es un proceso de manufactura que consiste en lograr una curvatura en el fondo de chapas sobre todo en recipientes de presión para obtener la forma apropiada67. 6.1.4. PROCESOS DE SOLDADURA La soldadura es un proceso que propicia la unión de dos materiales de manera permanente mediante el uso de diferentes fuentes de energía. Los procesos de soldadura tuvieron su mayor desarrollo durante la segunda guerra mundial donde sin duda fueron uno de los medios de mayor producción y manufactura68. 68 Becaria J,(2013), Folleto para la capacitación de personal Técnico e Ingenieros en el área de soldadura. 143 6.1.4.1. Proceso SMAW Es un proceso de unión por arco eléctrico con electrodo revestido a través del uso de calor producido por corriente eléctrica. Hay que recalcar que es un proceso netamente manual. El arco eléctrico es el paso de la corriente entre dos polos de diferentes signos, un polo es el electrodo y el otro el material base 68. El electrodo está constituido por dos partes, la primera se denomina alma que constituye el metal de depósito de unión en la soldadura. La segunda se denomina revestimiento que es una mezcla de minerales y materiales orgánicos que tiene entre sus principales funciones las siguientes68: Formar la atmosfera inerte que protege la zona de soldadura de influencia atmosférica. Incorporación de sales de sodio, de potasio y calcio que ayudan a encender y estabilizar el arco Depósito de sílice y manganeso que eliminan el óxido del metal en forma de escoria. Contribuye como metal de aporte Controla los parámetros operaciones del electrodo Al formarse la escoria se producen las funciones68 Sostiene el cordón de soldadura en posiciones vertical, horizontal y sobrecabeza. Permite el enfriamiento lento con lo cual se garantiza buenas propiedades mecánicas del cordón de soldadura. En general este proceso presenta muchas ventajas68 Puede emplearse en cualquier posición (dependiendo del electrodo usado) Puede emplearse en el campo y taller Es aplicable a un intervalo amplio de espesores Los electrodos pueden doblarse de manera que pueden ser usados en áreas ciegas. Se pueden emplear cables largos para tener acceso a sitio ubicado a gran distancia de la fuente de energía. Es útil para soldar ensambles estructurales complejos 144 Es el proceso más popular para soldar tubos y estructuras Se pueden obtener uniones de alta calidad y alta resistencia El equipo de trabajo es sencillo y económico Las principales limitaciones son las siguientes68: La calidad de las uniones depende de gran medida de la habilidad del personal. La escoria debe ser removida completamente antes de aplicar el siguiente paso. Debido a que los electrodos tienen una longitud fija, las operaciones deben detenerse después de que se consume cada electrodo. Tienen una eficiencia de depósito relativamente baja. La porción del electrodo que se sujeta al porta electrodo no se aprovecha. No puede ser usado para soldar algunos metales no ferrosos. No puede emplearse amperajes altos. Los electrodos deben mantenerse almacenados en ambientes secos debido a que se disminuyen sus propiedades. 6.1.4.2. Proceso GMAW Es un proceso de soldadura semiautomático con electrodo continuo y consumible que propicia la unión por el arco eléctrico producido entre el electrodo y el material base. A diferencia del proceso anterior este proceso crea una atmósfera protectora con un gas externo, que puede ser CO2, Argón o una mezcla de ambos. Las principales ventajas de este proceso son las siguientes: Puede utilizarse para la unión de cualquier tipo de material. El electrodo es continuo, con lo que se aumenta la productividad por no tener que cambiar de electrodo y la tasa de deposición es elevada. Se pueden conseguir velocidades de soldadura mucho más elevadas que con SMAW. Se puede realizar la soldadura en cualquier posición. Se pueden realizar soldaduras largas sin que existan empalmes entre cordones, zona de peligro de imperfecciones. Las limitaciones son: 145 El equipo de soldadura es más costoso, complejo y menos transportable que el SMAW. Es difícil de utilizar en espacios restringidos, requiere conductores de gas y de agua de refrigeración, tuberías botellas de gas de protección, por lo que no puede emplearse en lugares relativamente alejados de la fuente de energía. La sensible al viento y a las corrientes de aire, por lo que si aplicación al aire libre es limitada69. 6.1.4.3. Proceso SAW Este es un proceso automático mediante el cual la unión permanente de las piezas se logra por el uso de calor generado por un arco eléctrico entre la pieza y el electrodo sólido consumible. La soldadura se protege mediante el uso de un fundente que recubre el cordón de soldadura. Este proceso se denomina de arco sumergido debido a que el electrodo esta completamente recubierto por el fundente. Ventajas de la soldadura SAW Altas tasas de deposición Alta penetración Alto factor de operación Soldaduras de bajo contenido de hidrógeno Altas velocidades de soldadura Buena apariencia del cordón y excelente calidad de soldadura Desventajas de la soldadura SAW 70 Portabilidad (requiere de un fundente externo) Soldadura plana u horizontal, solamente (debido a que el fundente trabaja por gravedad) Es necesario un adiestramiento en el proceso Se requieren uniones cerradas y crea escoria 69 Cela G; Torno Paralelo y Soldadura. http://marcogutierrezsaw.blogspot.com/ 70 146 El fundente es abrasivo y desgastará partes de equipos automáticos El fundente necesita de un buen almacenamiento y protección 6.1.5. PRUEBA HIDROSTÁTICA Tiene como finalidad garantizar la total hermeticidad del tanque de almacenamiento, es decir; permite certificar que el tanque no posee ningún tipo de falla en sus cordones de soldadura, así como también en el material empleado para la construcción del mismo71. En este caso el tanque de almacenamiento está diseñado para soportar 97 psi de presión interna, la prueba hidrostática debe ser efectuada a una presión mayor que la de diseño, que para este caso será igual a 145 psi71. Una vez alcanzada la presión de prueba se deberá esperar por lo menos 30 minutos antes de iniciar el proceso de inspección. Después de este tiempo se verifica el estado de las soldaduras y del silo en general71. Se considera como falla la presencia de agua en la superficie externa del tanque de almacenamiento71. 6.1.6. PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE Una adecuada preparación de la superficie garantiza el éxito del proceso de recubrimiento industrial, debido a que una mala preparación del sitio donde se aplica la pintura con un buen producto puede traer peores consecuencias que una superficie bien preparada y un mal producto72. 6.1.6.1. Desengrasado Es la primera operación de limpieza de las diferentes superficies. Generalmente las superficies vienen con una capa de grasa y una película de calamina que protege el acero de la oxidación. La camina es un especie de cascarilla que se forma sobre la superficie del acero e impide la formación de oxido de hierro. El desengrasado se debe realizar con productos que dejen al descubierto la 71 72 ASME VIII división I UG99(b) http://www.granalladora.com/productos-acero.php 147 calamina y no forme la aglomeración de la grasa o aceites en determinados sitios72. De encontrarse la superficie contaminada con aceite o grasa, la superficie pintada deberá lavarse con agua y detergente industrial biodegradable para la remoción de los contaminantes observados72. 6.1.6.2. Granallado Este proceso es una evolución del proceso de limpieza con arena conocido como sand blasting. Es un proceso de limpieza del material usando partículas metálicas que impactan sobre la superficie desprendiendo el recubrimiento e impurezas superficiales que posee el material y/o texturizando la superficie para una posterior capa de recubrimiento, alcanzando una alta eficiencia de limpieza72. La granalla son partículas de metal de diferente forma que al ser expulsada a alta presión es capaz de retirar calamina de la cual viene provista el acero. No se recomienda el uso de este método para espesores menores a un milímetro debido a que puede ocasionar la deformación, rotura o fisuramiento del material 72. Existen dos tipos de granalla, la angular (Grit) y la redonda (Shot) que se seleccionan según las necesidades de limpieza. Además su composición química presenta un alto porcentaje de carbono y gama de dimensiones que van desde 0,1 mm hasta 2,87 mm que al ser enviadas en velocidades promedios de 65-110 m/s eliminan y desprenden cualquier tipo de impurezas superficiales. En caso de usar la granalla angular, las partículas son sometidas a un triturado controlado a fin de garantizar las propiedades de la granalla y su efecto limpiador72. Para controlar los grados de limpieza se creó un código de colores comparativos donde al realizar una comparación visual se determina si pasa o no la pieza o elemento en trabajo72. El granallado tiene una ventaja que muy grande con su predecesor debido a que elimina la polución y los efectos que éste produce en la salud de los operarios, además que el impacto ambiental también es reducido. Por otro lado en cuanto a rendimiento el granallado permite un alcance de limpieza considerable, de 500 a 1800 impactos mientras que la arena solo una sola vez. La durabilidad depende 148 de la dureza de la pieza a ser tratada además de la cantidad de impurezas removidas, estos hechos permiten el re-uso de las partículas prácticamente hasta su destrucción72. El grado de preparación de superficie alcanzado deberá ser similar a la limpieza con chorro abrasivo con grado cercano al metal blanco según norma SSPC-SP1072. El perfil de rugosidad mínimo recomendado es de 1,5 a 2,5 mils. (N.R. ASTM D 4417) 72. Algunas recomendaciones que se puede realizar son: Mediante el empleo de aire comprimido limpio y seco, escobillones de cerdas duras limpias o aspiradoras industriales de ser necesario, se debe remover todo residuo de abrasivo y polvo remanente de la preparación de superficie 72. Eliminar pintura pulverizada (over spray) o mal adherida y chorreaduras si hubiere, que pudiesen encontrarse después de cada aplicación72. Mediante el empleo de trapo industrial seco y posteriormente trapo humedecido con solvente se realizará la limpieza entre capas de ser necesario 72. Figura 6-3: Acabado metal blanco FUENTE:http://www.metalactual.com/revista/21/maquinaria_granalladora.pdf 149 6.1.7. PROCESO DE PINTURA Los procesos de pintura son los métodos mediantes los cuales se busca generar una capa protectora entre el material y las condiciones ambientales. Este producto químico de recubrimiento es uno de los últimos procedimientos en cualquier producción73. 6.1.7.1. Definición de pintura Una pintura puede definirse como el producto que presentado en forma líquida o pastosa, aplicada por el procedimiento adecuado sobre una superficie, se transforma por un proceso de curado en una película sólida, plástica y adherente que protege, colorea y/o decora aquella73. Una pintura está constituida por pigmentos, lijantes, disolventes, aditivos y secantes73. Pigmentos: los pigmentos tienen la función de primordialmente en conferir color y opacidad a la capa de pintura73. Lijantes: Es el componente básico de la pintura a la que confiere la posibilidad de formar película una vez curada por el procedimiento específico de cada tipo. De él depende las propiedades mecánicas y químicas de la pintura, y por lo tanto su capacidad protectora73. Disolventes: Su misión consiste básicamente en permitir la aplicación de la pintura por el procedimiento elegido, confiriéndole una consistencia apropiada ya que en general una pintura sin disolvente, sólo a base de pigmento y lijante, tendría una viscosidad muy elevada. Otra de sus misiones es la de facilitar la fabricación de la pintura y mantener su estabilidad en el envase. Otra propiedad que otorga es la homogeneidad a la consistencia de la pintura73. Aditivos: son productos químicos que tienen la misión de mejorar la calidad de la pintura, por ejemplo aumentan la velocidad de secado 73. Son diversas las formas de aplicar la pintura sobre una superficie. Depende siempre de las necesidades del proceso. Los rendimientos dependen de la forma 73 http://www.guiasgtp.com/pdf/225-770086-2.pdf 150 de aplicación y del tipo de pintura, además del factor humano que determina si los rendimientos son mayores en la aplicación de la pintura. Siempre un buen pintor evitará parar en el proceso. Además que la aplicación será uniforme, sin goteos, ni derramamientos que constituyen una falla en la aplicación del producto 73. Tabla 6-1: Rendimiento de pintura según aplicación Rendimiento Método [ m 2 / h] Brocha 6,25-8,13 Rodillo 15-32,5 Aspersión con Aire 25-75 Aspersión sin Aire 37,5-100 FUENTE:http://www.slideshare.net/germandominguezc/tcnicas-y-herramientas-en-pintura-industrial-14857370 Cabe mencionar que los dos primeros métodos en aplicaciones industriales no son usados, de manera que se tratará de solo la aspersión con o sin el uso de aire. Además la tabla anterior está basada en una medida mínima según la superficie y las especificaciones del fabricante73. Como todo proceso industrial también el recubrimiento está sujeto a inspecciones de calidad y acabado teniendo sobre todo en cuenta las medidas de las capas de recubrimiento. Las medidas más usadas son las micras y los mils. Una micra es un de las mil partes en las que se dividió un milímetro, mientras que un mils equivale a 25 micras73. Existen diferentes clasificaciones de pinturas por lo que establecer una categorización general, no está dentro de los objetivos de este documento. Sin embargo, cabe mencionar que las divisiones más generales se establecen por las diferencias en cuanto a uso, base que las constituyen, tipo de acabado, disolvente, tipo de ambiente donde se encontrarán entre otras73. La pintura a utilizarse para el tanque de almacenamiento de cemento se detalla en el anexo A-6 151 6.2. PROCESOS DE MONTAJE El silo se debe montar sobre una cimentación (contrapiso) de hormigón que 74 servirá de base para la permanencia del silo . 6.2.1. SECUENCIA DE MONTAJE El silo deberá ser armado siguiendo la siguiente secuencia74 6.2.1.1. Pluma de izaje La pluma de izaje resulta ser el primer paso para el montaje del silo, debido a que se debe tensar y alzar las partes del silo para su respectivo armado. La base de la pluma de izaje debe ser colocada de tal manera que se garantice la 74 inmovilidad de la misma en todo el montaje . Se debe enhebrar la tapa de silo a la pluma antes de erguirla. Además la pluma se inmoviliza por efecto de las tensiones de los cables o cuerdas que tiran de la parte superior en direcciones opuestas desfasadas cada una noventa grados 74. Recomendaciones: Se debe evitar dejar la pluma cargada y suspender el trabajo, además siempre hay que evitar sobre cargarla. Por último jamás el operador debe ubicarse debajo de la pieza a elevar74. 74 http://www.indiv.com/pdf/es/manual_silos.pdf 152 Figura 6-4. Pluma de izaje FUENTE: http://www.indiv.com/pdf/es/manual_silos.pdf 6.2.1.2. Ensamblaje de tapas y cilindros del silo Los anillos del silo serán numerados y se señalará el lado superior e inferior para su unión con la siguiente parte. El anillo superior debe ser preparado para la unión mediante la soldadura. La preparación de las juntas debe ser precisa. El rolado con la que se va relacionando el silo sigue la línea de montaje. Se comienza con el armado de la tapa al dispositivo de apertura. Se ensambla la entrada de material y la entrada de hombre. Luego de terminar con la tapa se ensambla con el cilindro superior. El mecanismo de apertura debe coincidir con la posición de una de las patas para que aporten en sustentación con el silo74. La tolva se ensamblará con el anillo inferior para que de esta manera la costura entre los anillos sea la última. Hay que tener en cuenta que se debe desfasar las costuras verticales en símil cuando se colocan ladrillos que forman una pared74. 153 6.2.1.3. Escalera y patas La escalera con el cubre hombre será armada. Los peldaños y el cubre hombre serán ensambladas en su totalidad antes de su colocación en el silo. La escalera será fijada al techo del silo, además de realizar las pruebas suficientes antes de ser montadas74. Las patas se las debe comenzar a colocar en posiciones cercanas a la definitiva. Con la pluma se debe izar el silo, luego se asegura la posición vertical de las patas. Se controlan la verticalidad y la alineación y se asegura mediante la soldadura. Luego las patas son unidas a las placas de asiento. Una vez terminado el ensamblaje se realizan las pruebas que determinan las calidades de las juntas soldadas74. La escalera y el cubre hombre se los puede apreciar en los siguientes planos del presente proyecto 3132-104 y 3132-105. 154 CAPITULO VII 7. ANÁLISIS DE COSTOS 7.1. COSTO Se define como la cantidad de dinero a desembolsar para la adquisición de materia prima, maquinaria, equipos ó mano de obra. Es decir, se refiere a todo lo necesario para la fabricación ó producción de un bien capital o servicio 75. 7.1.1. CLASIFICACIÓN DE COSTOS Los costos pueden ser clasificados de la siguiente manera75: 7.1.1.1. Por la función Costo de Fabricar Costo de Vender Costo de Administrar Costo Financiero 7.1.1.2. Por la identificación con una actividad, departamento o producto los costos se clasifican en: Costos Directos.- Se encuentran relacionados con una labor o actividad75. Costos Indirectos.- No se cuantifican con la realización de un actividad75. 7.1.1.3. De acuerdo con el tiempo Costos Históricos.- Aquellos que se aparecen durante la fabricación de un producto75. Costos Determinados.- Son aquellos que son estimados previo a la fabricación de un determinado producto75. 75 INTI; MÓDULO 5: COSTOS pdf; Autor: Ing. Guillermo Wyngaard; página: 8 155 7.1.1.4. De acuerdo con el tiempo en que se encargan ó se enfrentan a los ingresos, los costos se clasifican en: Costo del Periodo.- Se identifica mediante intervalos de tiempo más no hacen referencia a productos o servicios75. Costo del Producto.- Son los que solo se asocia o relaciona con el ingreso cuando han contribuido a generarlos de una forma directa 75. 7.1.1.5. De acuerdo con la autoridad sobre la incumbencia del costo, los costos se clasifican en: Costos Controlables.- Son aquellos en los cuales la organización tiene la potestad de que se generen o no75. Costos No Controlables.- Aquellos costos en los cuales no se tiene autoridad para controlarlos75. 7.1.1.6. De acuerdo con la importancia sobre la toma de decisiones Costos Relevantes.- Son aquellos que son modificados al tomar una u otra decisión75. Costos No Relevantes.- Son aquellos que son totalmente independientes de la decisión que se tome en una entidad, es decir permanecen 75 constantes . 7.1.1.7. De acuerdo al tipo de desembolso en el que se ha incurrido Costos Desembolsables.- Aquellos que generan una salida real del dinero75. Costo de Oportunidad.- Es el costo que conlleva a la renuncia de otra alternativa75. 7.1.1.8. De acuerdo con su relación a una disminución de actividades Evitables.- Aquellos que pueden ser identificados con un producto o departamento, de tal manera que, si se llegara á eliminar el producto o departamento estos costos se suprimen75. 156 Inevitables.- Es aquel que no es suprimido aún cuando la empresa ha sido eliminada74. 7.1.1.9. De acuerdo con su comportamiento Costos fijos.- Son aquellos que se mantienen constantes en un periodo de tiempo, independientemente si varía o no el volumen o actividad de producción. Estos costos fijos pueden estar referidos a: amortizaciones, seguros, financiación, dirección administración, ventas distribución, etc75. CARACTERÍSTICAS DE LOS COSTOS FIJOS Ø Son controlables respecto al tiempo de duración del servicio que presenta la empresa75. Ø Se encuentran relacionados íntimamente con la capacidad de instalación de la empresa75. Ø Permanecen constantes por largos intervalos75. Ø Tienen relación con el factor tiempo75. Costos Variables.- Son aquellos costos que varían de manera proporcional al volumen de una actividad. Como son: materia prima, servicios, supervisión, mantenimiento, suministros, mano de obra directa, etc75. CARACTERÍSTICAS DE LOS COSTOS VARIABLES Ø Pueden ser controlados a corto plazo75. Ø Son directamente proporcionales a una actividad realizada 75. Ø Se encuentran regidos o regulados por la administración75. 7.2. ANÁLISIS DE LOS PRECIOS UNITARIOS Para realizar el análisis de precios unitarios se procederá a reunir la información correspondiente (COTIZACIONES) para el posterior análisis. Cada uno de los rubros como mano de obra, materiales, equipos, transporte, etc. son importante para obtener un buen análisis de de precios unitarios75. Costos de materia prima Costos fabricación pernos de anclaje y otros Precio total [usd] $ 4.804,20 $ 3.603,15 $ 929,54 $ 10,20 $ 13,50 $ 578,20 $ 9.938,79 mismo75. del tanque de almacenamiento de cemento y otros elementos que serán de utilidad durante el proceso de conformado del Es claro que es de suma importancia definir tanto los pernos de anclaje así como también la placa base para la estabilización 7.2.1.2. Precio unitario [usd] $ 2.402,10 $ 1.201,05 $ 619,70 $ 2,55 $ 6,75 $ 578,20 Subtotal: FUENTE: DIPAC, ServiMetal, Kubiec – Conduit REALIZADO POR: Christian Valverde y Gerardo Mediavilla Cantidad 2 3 1,5 4 2 1 Tabla 7-1: Costos de materia prima Material Acero ASTM A-516 Gr. 70 Planchon 2500x12000x10 [mm] Acero ASTM A-516 Gr. 70 Planchon 2500x6000x10 [mm] Acero ASTM A-36 Perfil IPE 270x135x6.6x12000 [mm] Acero ASTM A-36 Platina 12x3 Acero ASTM A-36 Varilla 12 [mm] Acero ASTM A - 36 Plancha 1220x2440x25 [mm] Almacenamiento75. En esta sección se tomará en cuenta los precios unitarios y totales del acero a emplearse para la conformación del Tanque de 7.2.1.1. indicará varias tablas en las cuales se podrá apreciar los costos involucrados75. Son los costos que se encuentran relacionados con los costos de materia prima, accesorios, equipos, etc. A continuación se 7.2.1. COSTOS DIRECTOS 157 Costos de montaje Precio final [usd] $ 39,05 $ 5,03 $ 5,08 $ 6,77 $ 8,71 $ 5,58 $ 3,92 $ 1,48 $ 2,27 $ 77,89 $ 311,56 supervisión durante el montaje del mismo75. En esta sección se considera la mano de obra para el montaje del tanque de almacenamiento de cemento, así como también 7.2.1.3. REALIZADO POR: Christian Valverde y Gerardo Mediavilla FUENTE: CYPE, Ingenieros S.A Nota: El Total de Pernos es 16 y el Total de Placas Base es 4. Descripción Precio unitario [usd] Placa de Acero Laminado ASTM A-36 $ 1,41 Acero Barras Corrugadas. (Fy = 6481 kg/cm2) $ 1,61 Juego de arandelas, tuerca y contratuerca para perno de anclaje ф 12 mm $ 1,27 Mortero Autonivelante expansivo, de dos componentes a base de cemento $ 0,96 Imprimación de secado rápido $ 6,29 Montador de Estructura Metálica $ 6,96 Ayudante Montador de Estructura Metálica $ 4,89 % Medios Auxiliares $ 74,14 % Costos Indirectos $ 75,52 Subtotal una base y 4 pernos de anclaje: Subtotal : Tabla 7-2: Costos de fabricación de pernos y placas 158 Tiempo [h] 10 10 5 6 $ $ $ $ Precio final[usd] 3,75 $ 37,50 2,19 $ 43,80 2,20 $ 11,00 10,00 $ 60,00 Subtotal: $ 152,30 Costo/hora Especialidad Sueldo [$/mes] Precio final [usd] Mecánico Industrial $ 450,00 $ 900,00 Mecánico Industrial $ 350,71 $ 1.052,13 Mecánico Industrial $ 360,00 $ 360,00 Subtotal: $ 2.312,13 Costos del recubrimiento superficial FUENTE: Ministerio de relaciones Laborales, Salarios Mínimos Sectoriales METALMECÁNICA REALIZADO POR: Christian Valverde y Gerardo Mediavilla Personal Soldador SMAW Ayudantes Operador corte por plasma Tabla 7-4: Costo de mano de obra Costos de la mano de obra para la fabricación del tanque de almacenamiento FUENTE: Ministerio de relaciones Laborales, Salarios Mínimos Sectoriales METALMECÁNICA REALIZADO POR: Christian Valverde y Gerardo Mediavilla Especialidad Mecánico Industrial Mecánico Industrial Mecánico Industrial granallado y la liberación por inspectores NACE75. en este caso se encuentra incluido dentro de los costos la mano de obra, la pintura para recubrimiento externo e interno, Se refirieren a los gastos que se ha empleado para dar el recubrimiento superficial al tanque para almacenamiento de cemento, 7.2.1.5. 7.2.1.4. Personal Supervisor de montaje Ayudante Técnico Grua de izaje Tabla 7-3: Costos de montaje 159 Tabla 7-6: Costo directo total $ $ $ $ $ $ Valor [usd] 9.938,79 311,56 152,30 2.312,13 5.050,00 17.764,78 del tanque de almacenamiento de cemento. A continuación se mostrará en las siguientes tablas, dichos costos75. Son los costos que se generan por el uso de materiales secundarios, los mismos que serán de gran utilidad para la fabricación REALIZADO POR: Christian Valverde y Gerardo Mediavilla FUENTE: Propia Componentes del costo Costo de materia prima Costo de fabricación de pernos de anclaje y otros Costos de montaje Costos mano de obra para la fabricación del tanque de almacenamiento Costo del recubrimiento superficial Subtotal: Costo directo total 7.2.2. COSTOS INDIRECTOS 7.2.1.6. 5.050,00 3.000,00 Subtotal: $ 50 41m2 $ 2.050,00 50 60 m2 Precio final [usd] $ Precio unitario [usd] Cantidad FUENTE: METALMECÁNICA SAURUSECUADOR REALIZADO POR: Christian Valverde y Gerardo Mediavilla Descripción Aplicación de Sistema Tricapa: Zinc/DFT: 2-3 mils + Epóxico /DFT: 3-6 mils + Poliuretano /DFT: 2-2,5 mils Sistema Phenguard Tricapa (Phenguard 930 Primer - 935 Inter_ media - 940 Acabado) 4 mils Tabla 7-5: Costos de tratamiento superficial 160 Costo de trasporte REALIZADO POR: Christian Valverde y Gerardo Mediavilla Precio final [usd] $ 204,45 $ 3.000,00 $ 71,40 $ 4.000,00 $ 2.000,00 $ 136,30 $ 164,50 $ 25,00 $ 900,00 $ 10.501,65 REALIZADO POR: Christian Valverde y Gerardo Mediavilla FUENTE: Sr. Edwin Sarango $ Subtotal: $ Tabla 7-8: Costo de transporte Transporte Cama baja capaciad 8 toneladas instalaciones de Cementos Chimborazo75. Precio [usd] 400,00 400,00 Se ha asumido que el tanque de almacenamiento de cemento será transportado desde el Parque Industrial del Valle hacía las 7.2.2.1. Precio unitario[usd] $ 4,35 $ 3.000,00 $ 5,95 $ 2.000,00 $ 1.000,00 $ 2,90 $ 3,50 $ 2,50 $ 225,00 Subtotal: FUENTE: Servimetal Material Electrodo E-6011 1/8" AGA Conducto de descarga telescópico Electrodo E-7018 1/8" AGA Brida welding neck clase 100 acero al carbono 24 pulg. Brida ciega clase 100 acero al carbono 24 pulg. Discos de corte Disco de desbaste Guantes industriales Amoladora Bosch Gws 22-180-7" Tabla 7-7: Costos indirectos 161 162 7.2.2.2. Costo indirecto total Tabla 7-9: Costo indirecto total Componentes del costo $ Materiales indirectos Transporte $ Subtotal: $ Valor [usd] 10.501,65 400,00 10.901,65 FUENTE: Propia REALIZADO POR: Christian Valverde y Gerardo Mediavilla 7.2.3. COSTO TOTAL DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE CEMENTO PARA UNA CAPACIDAD DE 50 TONELADAS Tabla 7-10: Costos totales Componentes del costo total $ Costo Directo Costo Indirecto $ Total: $ Valor [usd] 17.764,78 10.901,65 28.666,43 FUENTE: Propia REALIZADO POR: Christian Valverde y Gerardo Mediavilla Por lo tanto como se puede observar en la tabla 7-11 el costo total del tanque de almacenamiento de cemento será: $28.666,43 163 CONCLUSIONES El principal objetivo de este proyecto se cumplió a cabalidad, debido a que se propone un diseño que puede ser estandarizado. Basado, en su gran mayoría, en elementos que se pueden encontrar en el mercado nacional. El diseño de silos para materiales pulverulentos requiere de un minucioso análisis, ya que el comportamiento de este tipo de materiales ha generado una serie de inconvenientes durante su almacenamiento. Definir de forma acertada los parámetros del silo es fundamental para el posterior diseño del mismo, así como también para establecer la forma y partes óptimas para estandarizarlo. No todo proceso de fabricación, diseño o montaje puede ser estandarizado. Esto depende de la tecnología, materiales y personal técnico calificado con la que cuenta una industria. El comportamiento de materiales pulverulentos como el cemento son de difícil predicción cuando su flujo de descarga es tubular. Provocando un incremento de la presión interna a tal punto que podría causar la destrucción por completo del recipiente. No existen documentos o estudios científicos realizados en el país acerca de los ángulos de fricción interna de materiales sólidos o pulverulentos, por lo cual la industria local se ve obligada a usar datos del extranjero para poder realizar sus diseños. Este evento no fue ajeno al presente trabajo, debido a que para la realización de este documento fue necesario un promedio de los valores que proporcionan industrias externas para realizar el diseño de una manera adecuada y sustentada. Al almacenar materiales pulverulentos el ángulo de inclinación de la tolva deber ser de por lo menos 60 grados, de tal manera que se garantice un correcto flujo al momento del vaciado. El diseño de la boquilla de salida del silo es una parte primordial al momento de delinear el silo debido a que un correcto diseño de esta parte permitirá afianzar el flujo de descarga, la eliminación de bóvedas y la sustentación de la teoría usada en el dimensionamiento total del silo. 164 Es de suma importancia que en este caso el diseñador tenga conocimiento de las normas para diseño de recipientes a presión, así como también conocimiento de normas para diseño estructural como lo es el AISC, y para el caso de soldadura en estructura metálica la AWS D1.1, etc Al diseñar los pernos de anclaje que sujetarán a la placa base es importante lograr que se cumpla la relación longitud del perno de anclaje sobre la longitud del pie del perno, ya que de esta manera se garantiza que el perno estará fijo y no saldrá fuera de la cimentación en la cual se encuentre apoyado. Es muy importancia realizar la correcta selección de materiales a emplearse en el proyecto de diseño, así como también cerciorarse que dichos materiales son fáciles de encontrar en el mercado nacional. El diseño de elementos estructurales no es una rama independiente y solitaria de la ingeniería, sino más bien es un nexo entre varias ramas que comulgan en el mismo fin. Las teorías de diseño del silo solo pueden ser comprobadas en simulaciones en elementos finitos. Debido a que en este tipo de programas se puede aproximar de una manera muy adecuada el comportamiento del silo en condiciones de trabajo a las estimadas durante el proyecto. El uso de programas, que permitan el fácil modelado de las partes que constituyen el silo, resulta ser una excelente herramienta para acelerar el proceso de dibujo y realización de planos. En la etapa del análisis económico se tuvo poca colaboración de los proveedores, al momento de proporcionar costos, se dispuso de pocas cotizaciones de equipos, materiales, insumos y servicios. 165 RECOMENDACIONES Para el diseño de estructuras metálicas es recomendable emplear un software que permita dibujar sin problema estructuras metálicas y, además de ello permita obtener resultados de esfuerzos que puedan aparecer en el diseño correspondiente. Cumplir con las condiciones de tolva lisa, ángulo de inclinación de pared de la tolva con respecto a la horizontal establecida en el proyecto de tal manera que se garantice flujo másico, es decir, una descarga uniforme del material pulverulento. Seleccionar el recubrimiento industrial ideal para la superficie de acero que se encuentra en contacto con el cemento y con el medio ambiente de tal manera que se garantice una mayor resistencia a la corrosión y oxidación. Realizar los cálculos correspondientes al diseño tomando en cuenta el aspecto técnico-económico. Tomar en consideración la parte de material que se reduce en los procesos de conformado mecánico. Esto debido a que el espesor después de la operación puede ser incluso menor al espesor requerido. Seleccionar un adecuado proceso de limpieza de las superficies, debido a que una superficie inadecuadamente limpia puede ser más perjudicial que un mal recubrimiento. 166 BIBLIOGRAFÍA Y SITIOS WEB BIBLIOGRAFÍA [1]Acosta, M.(1994). Diseño, Fabricación y Erección de Tanques de Almacenamiento para la Industria Petrolera.(Tesis inédita de ingeniería). Escuela Politécnica Nacional, Quito. [2] Bresler, B. Scalzi, J. Lin, T. (1997). Diseño de Estructuras de Acero. USA: Editorial Limusa [3] Gere, J. (2009).Mecánica de Materiales. USA: Editorial OVA [4] León, J.(2001). Diseño y calculo de recipientes a presión.(Edición 2001). [5] Megyesy, E. (1992). Recipientes a Presión Diseño y Cálculo. 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UNITARIO ESTE DOCUMENTO NO CONSTITUYE VENTA Y LOS PRECIOS PUEDEN CAMBIARSE SIN PREVIO AVISO 2 2 2 1,50 1 2 3 4 DESCRIPCION FAESA SR. GERARDO MEDIAVILLA DIPAC MANTA S.A. COTIZACION QUITO, 15 DE MAYO 20145 PROFORMA IMPORTANTE: CANTIDAD ITEM PARA: ATENCION: DE: ASUNTO: FECHA: REFRENCIA : PRODUCTOS DE ACERO CONTRIBUYENTE ESPECIAL GUALAQUIZA 295 Y AV. LA PRENSA PBX:593-2-3960900 FAX: Ext. 107 QUITO-ECUADOR 181 CONTADO INMEDIATA 1 DIA Forma de pago: Entrega: Vigencia: MAIL: [email protected] JENNY LOPEZ DIPAC MANTA S.A. 3960-900 EXT.107 CEL: 0999-545749 Atentamente, ESTE DOCUMENTO NO CONSTITUYE VENTA Y LOS PRECIOS PUEDEN CAMBIARSE SIN PREVIO AVISO IMPORTANTE: 182 183 ANEXO A-6 COTIZACIÓN RECUBRIMIENTO SUPERFICIAL 184 185 186 187 ANEXO A-7 TABLA DE SALARIOS MÍNIMOS SECTORIALES 2014 METALMECÁNICA B1 B2 B3 C1 C2 C3 D2 E2 JEFE/COORDINADOR DEL SECTOR DE METALMECÁNICA SUPERVISOR DEL SECTOR DE METALMECÁNICA TÉCNICOS DEL SECTOR DE METALMECÁNICA OPERADOR GENERAL DE MAQUINARIA/EQUIPO DEL SECTOR DE METALMECÁNICA ESMALTADOR Y ENLOZADOR DE UTENSILLOS DE USO DOMESTICO AUXILIAR / AYUDANTE DEL SECTOR DE METALMECÁNICA AUXILIAR / AYUDANTE DEL SECTOR DE METALMECÁNICA SIN EXPERIENCIA ESTRUCTURA OCUPACIONAL 0804289300002 0830000000003 0820000000006 INCLUYE: JEFE DE SECCIÓN, JEFE DE INSTALACION, JEFE DE TALLER, JEFE DE ENDEREZADOR, JEFE DE MAESTRANZA, JEFE DE MÁQUINAS Y HERRAMIENTAS; JEFE DE MATRICEROS INCLUYE RODILLOS Y CAJAS DE LAMINACIÓN, JEFE DE TALLERES DE REPETIDORES, JEFE DE MANTENIMIENTO MECÁNICO Y ELÉCTRICO INCLUYE: SUPERVISOR DE PRODUCCIÓN, SUPERVISOR DE MANTENIMIENTO MECANICO, SUPERVISOR DE MANTENIMIENTO ELECTRICO, SUPERVISOR DE MAQUINAS Y HERRAMIENTAS, SUPERVISOR DE PATIOS Y MOVIMIENTO, SUPERVISOR DE ENDEREZADORA, SUPERVISOR DE BODEGA, SUPERVISOR DE ABASTECIMIENTO DE MATERIA PRIMA, INSPECTOR DE CONTROL DE CALIDAD, INSPECTOR DE PALANQUILLA, INSPECTOR MANTENIMIENTO ELECTRICO PREVENTIVO, INSPECTOR MANTENIMIENTO MECANICO PREVENTIVO INCLUYE: OPERADOR OXICORTE DIGITAL, OPERADOR BAROLADORA DIGITAL, ELECTROMECÁNICO, ELECTRÓNICO, OPERADOR DE CORTE DE HILO, OPERADOR DE MÁQUINAS DE ELECTROROSIÓN, PREPARADOR DE COLORES, OPERADOR DE SECCION, TORNERO, SOLDADOR ESPECIALIZADO, ELECTRICISTA ESPECIALIZADO, MECANICO ESPECIALIZADO, OPERADOR SENIOR INCLUYE: AYUDANTES SIN EXPERIENCIA PREVIA INCLUYE: AYUDANTES EN GENERAL 0820000000010 0820000000009 0804289900106 0820000000005 0810000000001 INCLUYE: JEFE DE MANTENIMIENTO, JEFE DE DISTRIBUCIÓN Y LOGÍSTICA, JEFE DE CONTROL DE CALIDAD, JEFE DE RECURSOS HUMANOS, JEFE DE PRODUCCIÓN, JEFE DE BODEGA, JEFE DE PLANTA, JEFE DE PROYECTO, JEFE DE VENTAS, JEFE DE COMPRAS INCLUYE: OPERADOR JUNIOR, CERRAJERO CÓDIGO IESS COMENTARIOS / DETALLES DEL CARGO O ACTIVIDAD 5.- FABRICACIÓN DE PRODUCTOS METÁLICOS ESTRUTURALES 4.- TUERCAS ARTÍCULOS DE ALAMBRE), EXCEPTO MAQUINARIA Y EQUIPOS 348,50 350,71 352,89 352,89 353,12 353,23 353,36 353,46 SALARIO MÍNIMO SECTORIAL 2014 3.- FABRICACIÓN DE OTROS PRODUCTOS METÁLICOS (ENVASES,RECIPIENTES,UTENSILLOS DE USO DOMÉSTICO,PRODUCTOS DE TORNILLERÍA, CLAVOS, 2.- FABRICACIÓN DE MUEBLES Y ACCESORIOS METÁLICOS 1.- INDUSTRIAS BÁSICAS DEL HIERRO, ACERO Y METALES NO FERROSOS JEFE DE PRIMER NIVEL DEL SECTOR DE METALMECÁNICA CARGO / ACTIVIDAD RAMAS DE ACTIVIDAD ECONÓMICA: COMISIÓN SECTORIAL No. 8 “METALMECÁNICA” ANEXO 1: ESTRUCTURAS OCUPACIONALES Y PORCENTAJES DE INCREMENTO PARA LA REMUNERACIÓN MÍNIMA SECTORIAL 188 C3 D2 E2 ESMALTADOR Y ENLOZADOR DE UTENSILLOS DE USO DOMESTICO AUXILIAR / AYUDANTE DEL SECTOR DE METALMECÁNICA AUXILIAR / AYUDANTE DEL SECTOR DE METALMECÁNICA SIN EXPERIENCIA INCLUYE: AYUDANTES EN GENERAL INCLUYE: AYUDANTES SIN EXPERIENCIA PREVIA 0820000000010 0820000000009 0804289900106 348,50 350,71 352,89 189 190 ANEXO A-8 IMPLEMENTOS SEGURIDAD INDUSTRIAL 191 192 ANEXO A-9 MANGA PARA DESCARGA DE MATERIALES PULVERULENTOS 193 194 ANEXO A-10 BRIDAS PARA REGISTRO DE HOMBRE E INGRESO DE MATERIAL 195 196 ANEXO A-11 AMOLADORAS 197 198 ANEXO A-12 ESPECIFICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA (WPS) 199 Nombre Compañía: EPN PQR No: xxxxxxxxxxxxxx Según Norma: AWS D1.1 No. Identificación: WPS -001 Fecha: 28-07-14 Realizado por: Mediavilla - Valverde Organización: EPN ARTÍCULO I: JUNTA UTILIZADA Tipo de junta: Junta de Filete Abertura de raíz: 3.175 mm Talón: 3.175 mm Ángulo de garganta: 90º Placa de respaldo: Si No X Preparar bisel: Si X No Método: Amolado ARTÍCULO III: METAL BÁSE Especificación: ASTM A-36 Espesores: Placa: 30 mm Perfil: IPE 270 ARTÍCULO IV: METAL DE APORTE Diámetro: 3.175 mm Denominación Aws: AWS A5.1 Casa Comercial: AGA Denominación Comercial: AGA C13 ARTÍCULO II: TÉCNICA DE SOLDADURA Proceso de soldadura: SMAW Tipo de soldadura: Soldadura a: Un lado Dos Lados X Cordón de Respaldo: Si X No Limpieza: Piquete, Cepillo Metálico Pase de Raíz: Amoladora Pases siguientes: Cepillo Metálico, Grata ARTÍCULO IV: POSICIONES DE SOLDADURA Posición de soldadura: 2F Progresión: Horizontal Técnica: Un pase Varios pases X Precalentamiento: N/A Tiempo entre pases: ARTÍCULO VI: NOTAS Verificar alineamientos de la junta Asegurar limpieza de las partes DETALLE JUNTA: COLUMNA - PLACA BASE No pase 1 2 Metal de aporte de Denomin Diámetro ación (mm) AWS E7018 3.175 E7018 3.175 Corriente Velocidad Tensión Técnica de soldadura . De Tipo y Intensidad de trabajo avance polaridad (Amperios) (voltios) (cm/min) oscilado recto DC+ 90 - 150 23 - 27 4-7 X DC+ 90 -150 23 - 27 4-7 X 200 Nombre Compañía: EPN PQR No: xxxxxxxxxxxxxx Según Norma: AWS D1.1 No. Identificación: WPS -002 Fecha: 28-07-14 Realizado por: Mediavilla - Valverde Organización: EPN ARTÍCULO I: JUNTA UTILIZADA Tipo de junta: Junta a Tope Abertura de raíz: 3.175 mm Talón: 3.175 mm Ángulo de ranura: 60º Placa de respaldo: Si No X Preparar bisel: Si X No Método: Amolado ARTÍCULO III: METAL BÁSE Especificación: ASTM A-516 Gr. 70 Espesores: Placa: 10 mm y 15 mm ARTÍCULO IV: METAL DE APORTE Diámetro: 3.175 mm Denominación Aws: AWS A5.1 Casa Comercial: AGA Denominación Comercial: AGA C13 ARTÍCULO II: TÉCNICA DE SOLDADURA Proceso de soldadura: SMAW Tipo de soldadura: Soldadura a: Un lado Dos Lados X Cordón de Respaldo: Si X No Limpieza: Piquete, Cepillo Metálico Pase de Raíz: Amoladora Pases siguientes: Cepillo Metálico, Grata ARTÍCULO IV: POSICIONES DE SOLDADURA Posición de soldadura: 2G Progresión: Alrededor Técnica: Un pase Varios pases X Precalentamiento: N/A Tiempo entre pases: N/A ARTÍCULO VI: NOTAS Verificar alineamientos de la junta Asegurar limpieza de las partes DETALLE JUNTA: CUERPO - TAPA No pase 1 2 3 Metal de aporte de Denomin Diámetro ación (mm) AWS E7018 3.175 E7018 3.175 E7018 3.175 Corriente Velocidad Tensión Técnica de soldadura . De Tipo y Intensidad de trabajo avance polaridad (Amperios) (voltios) (cm/min) oscilado recto DC+ 90 - 150 23 - 27 4-7 X DC+ 90 - 150 23 - 27 4-7 X DC+ 90 - 150 23 - 27 4-7 X 201 Nombre Compañía: EPN PQR No: xxxxxxxxxxxxxx Según Norma: AWS D1.1 No. Identificación: WPS -003 Fecha: 28-07-14 Realizado por: Mediavilla - Valverde Organización: EPN ARTÍCULO I: JUNTA UTILIZADA Tipo de junta: Junta a Tope Abertura de raíz: 3.175 mm Talón: 3.175 mm Ángulo de ranura: 60º Placa de respaldo: Si No X Preparar bisel: Si X No Método: Amolado ARTÍCULO III: METAL BÁSE Especificación: ASTM A-516 Gr. 70 Espesores: Placa: 10 mm ARTÍCULO IV: METAL DE APORTE Diámetro: 3.175 mm Denominación Aws: AWS A5.1 Casa Comercial: AGA Denominación Comercial: AGA C13 ARTÍCULO II: TÉCNICA DE SOLDADURA Proceso de soldadura: SMAW Tipo de soldadura: Soldadura a: Un lado Dos Lados X Cordón de Respaldo: Si X No Limpieza: Piquete, Cepillo Metálico Pase de Raíz: Amoladora Pases siguientes: Cepillo Metálico, Grata ARTÍCULO IV: POSICIONES DE SOLDADURA Posición de soldadura: 3G Progresión: Ascendente Técnica: Un pase Varios pases X Precalentamiento: N/A Tiempo entre pases: N/A ARTÍCULO VI: NOTAS Verificar alineamientos de la junta Asegurar limpieza de las partes DETALLE JUNTA: CUERPO - CUERPO No pase 1 2 3 Metal de aporte de Denomin Diámetro ación (mm) AWS E7018 3.175 E7018 3.175 E7018 3.175 Corriente Velocidad Tensión Técnica de soldadura . De de trabajo Tipo y Intensidad avance polaridad (Amperios) (voltios) (cm/min) oscilado recto DC+ 90 - 150 23 - 27 4–7 X DC+ 90 - 150 23 - 27 4–7 X DC+ 90 - 150 23 - 27 4-7 X 202 Nombre Compañía: EPN PQR No: xxxxxxxxxxxxxx Según Norma: AWS D1.1 No. Identificación: WPS -004 Fecha: 28-07-14 Realizado por: Mediavilla - Valverde Organización: EPN ARTÍCULO I: JUNTA UTILIZADA Tipo de junta: Junta a Tope Abertura de raíz: 3.175 mm Talón: 3.175 mm Ángulo de ranura: 60º Placa de respaldo: Si No X Preparar bisel: Si X No Método: Amolado ARTÍCULO III: METAL BÁSE Especificación: ASTM A-516 Gr. 70 Espesores: Placa: 10 mm ARTÍCULO IV: METAL DE APORTE Diámetro: 3.175 mm Denominación Aws: AWS A5.1 Casa Comercial: AGA Denominación Comercial: AGA C13 ARTÍCULO II: TÉCNICA DE SOLDADURA Proceso de soldadura: SMAW Tipo de soldadura: Soldadura a: Un lado X Dos Lados Cordón de Respaldo: Si X No Limpieza: Piquete, Cepillo Metálico Pase de Raíz: Amoladora Pases siguientes: Cepillo Metálico, Grata ARTÍCULO IV: POSICIONES DE SOLDADURA Posición de soldadura: 2G Progresión: Alrededor Técnica: Un pase Varios pases X Precalentamiento: N/A Tiempo entre pases: N/A ARTÍCULO VI: NOTAS Verificar alineamientos de la junta Asegurar limpieza de las partes DETALLE JUNTA: TOLVA - CUERPO No pase 1 2 3 Metal de aporte de Denomin Diámetro ación (mm) AWS E7018 3.175 E7018 3.175 E7018 3.175 Corriente Velocidad Tensión Técnica de soldadura . De de trabajo Tipo y Intensidad avance polaridad (Amperios) (voltios) (cm/min) oscilado recto DC+ 90 - 150 23 - 27 4–7 X DC+ 90 - 150 23 - 27 4-7 X DC+ 90 - 150 23 - 27 4- 7 X 203 Nombre Compañía: EPN PQR No: xxxxxxxxxxxxxx Según Norma: AWS D1.1 No. Identificación: WPS -005 Fecha: 28-07-14 Realizado por: Mediavilla - Valverde Organización: EPN ARTÍCULO I: JUNTA UTILIZADA Tipo de junta: Junta a Tope Abertura de raíz: 3.175 mm Talón: 3.175 mm Ángulo de ranura: 60º Placa de respaldo: Si No X Preparar bisel: Si X No Método: Amolado ARTÍCULO III: METAL BÁSE Especificación: ASTM A-516 Gr. 70 Espesores: Placa: 10 mm ARTÍCULO IV: METAL DE APORTE Diámetro: 3.175 mm Denominación Aws: AWS A5.1 Casa Comercial: AGA Denominación Comercial: AGA C13 ARTÍCULO II: TÉCNICA DE SOLDADURA Proceso de soldadura: SMAW Tipo de soldadura: Soldadura a: Un lado Dos Lados X Cordón de Respaldo: Si X No Limpieza: Piquete, Cepillo Metálico Pase de Raíz: Amoladora Pases siguientes: Cepillo Metálico, Grata ARTÍCULO IV: POSICIONES DE SOLDADURA Posición de soldadura: 3G Progresión: Alrededor Técnica: Un pase Varios pases X Precalentamiento: N/A Tiempo entre pases: N/A ARTÍCULO VI: NOTAS Verificar alineamientos de la junta Asegurar limpieza de las partes DETALLE JUNTA: TOLVA - TOLVA No pase 1 2 3 Metal de aporte de Denomin Diámetro ación (mm) AWS E7018 3.175 E7018 3.175 E7018 3.175 Corriente Velocidad Tensión Técnica de soldadura . De de trabajo Tipo y Intensidad avance polaridad (Amperios) (voltios) (cm/min) oscilado recto DC+ 90 - 150 23 - 27 4–7 X DC+ 90 - 150 23 - 27 4- 7 X DC+ 90 - 150 23 - 27 4- 7 X 204 PLANOS