Conferencia TANQUE CON PAREDES RECTAS 20032003

2003III Conferencia Internacional de Diseño e Ingeniería por Computadora

22, 23 y 24 de Octubre 2003

ConferenciaConferencia

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•Diseño•Diseño

•Ingeniería•Ingeniería

•Colaboración•Colaboración

INTERACCIÓN FLUIDO - ESTRUCTURA EN UN TANQUE CON PAREDES RECTAS

Sánchez Sánchez Héctor1 y Matías Domínguez Adelaido I. 2

1Sección de Estudios de Posgrado e Investigación ESIA, Instituto Politécnico Nacional

2ESIME , U. P. Ticoman Instituto Politécnico Nacional


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RESUMENDesde décadas pasadas se han reportado daños en tanques atmosféricos de almacenamiento, principalmente cerca del fondo del tanque. Producido por un momento de volteo que aparece debido a restricción de las paredes en la base.

Los tanques de almacenamiento son estructuras que requieren criterios de análisis que difieren de aquellos utilizados en edificios; debido a su naturaleza y su comportamiento, ya que se necesita considerar además, los efectos hidrodinámicos que actúan sobre las paredes y el fondo del recipiente.

En esta investigación se ha estudiado un tanque de paredes rectas, en cual se han hecho análisis de interacción fluido-estructura, sus paredes ínter - actúan con el fluido que esta contenido en el mismo. Todo el sistema se encuentra sometido a una aceleración lateral, simulando el movimiento de un sismo.


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INTRODUCCION

– En bien sabido que los tanques son estructuras que requieren el uso de criterios de análisis sísmico diferentes de aquellos utilizados en estructuras convencionales; debido a su comportamiento se necesita considerar además de los efectos inerciales impulsivos, los efectos hidrodinámicos convectivos sobre las paredes y el fondo del recipiente.

– Se ha considerado la hipótesis de paredes rígidas, sin embargo, los daños observados debido a los sismos, en trabajos experimentales e investigaciones posteriores han mostrado que la flexibilidad de las paredes de los tanques tiene una influencia en la respuesta ante estas excitaciones.


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ANTECEDENTESLos daños reportados a causa de sismos, en décadas pasadas, en tanques atmosféricos de almacenamiento se refieren principalmente al fondo de tanques soldados. Estos daños se pueden clasificar en cuatro categorías generales:

•pandeo en las placas en las paredes del casco y del fondo del tanque, donde se espera que aparezcan los máximos esfuerzos de compresión axial, como resultado de la fuerza que genera el momento de volteo. El pandeo se presenta de forma más frecuentemente, por presencia de grandes deformaciones de las paredes del tanque hacia el exterior de este, y en el fondo de las placas del mismo, extendiéndose parcial ó completamente alrededor del tanque, denominado a estas deformaciones tipo “pata de elefante”. Los daños se han limitado generalmente a tanques sin anclaje.


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ANTECEDENTES• daño en tuberías y otros accesorios conectados al tanque

durante un movimiento de suelo.• daños debidos a fallas en la cimentación, fallas debidas a

tuberías rotas y fallas debidas a cargas intensas.

Modelo Dinámico del Tanque con Fluido, apoyado en el suelo

H

dmax.

W

Oscilación de la superficie del Líquido

SuperficieEstable


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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

• En esta investigación se estudia el comportamiento hidrostático e hidrodinámico de tanques rectangulares (de paredes rectas metálicas de espesor constante), por lo que se ha puesto principal interés en analizar la influencia que tiene el fluido sobre las paredes del tanque, que actúa con distribuciones no uniformes sobre las superficies, provocando esfuerzos y deformaciones en toda la estructura.

• También se realizó un análisis modal del fluido para observar el oleaje en los diferentes modos. Donde se utilizaron grados de libertad maestros en la superficie del fluido en la dirección paralela a la altura del tanque.

• Se aplicó una aceleración lateral simulando el movimiento del sismo


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Se muestra el modelado numérico que fue utilizado para realizar el análisis estructural, empleado el método de elemento finito, para conocer el comportamiento fluido -estructuras. Los análisis fueron posibles mediante el programa de cómputo ANSYS versión 6.1.

MODELADO DE LAS ESTRUCTURAS

Se usaron acoplamiento de nodos coincidentes en los

grados de libertad apropiados. La estructura esta simplemente apoyada

en la base y el espesor de la pared es de 0.038 m

Características geométricas L=10m de longitud h=6m de altura y b=5m de ancho.


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ELEMENTOS FINITOS Y MATERIAL UTILIZADOS EN EL ANALISIS

FLUID80GL ux,uy,uz

SHELL63GL ux,uy,uz,rotx,roty,rotz

Propiedades del fluido (agua)• β = 0.2206E+10 N/m2

Módulo de compresibilidad • DENS = 999.55 N seg2/m2

• SONC = 1460.0 m/segVelocidad del sonido

Propiedades de la estructura• EX = 0.206E+12 N/m2

Modulo de elasticidad• NUXY = 0.30 Módulo de

Poisson• DENS = 7840.0 N seg2/m2


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RESULTADOSCOMPORTAMIENTO HIDROSTÁTICO

• Distribución de la presión hidrostática respecto a la altura h del tanque


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RESULTADOSCOMPORTAMIENTO HIDRODINÁMICO

• Distribución de presión hidrodinámica con una aceleración ax del tanque


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Interacción fluido-estructura.Desplazamiento del fluido

Vista superior


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Interacción fluido-estructuraDesplazamiento del fluido en forma

vectorial


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Desplazamiento vectorial.

Vista lateral.


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Interacción fluido estructura


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DEFORMACIÓN DEL TANQUE VACIO SOMETIDO A UNA ACELERACIÓN ax


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RESULTADOS DEL ANÁLISIS DINÁMICO MODAL DEL FLUIDO

• Modo uno del fluido


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• Modo 2 del fluido


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• Modo 5 del fluido


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SISTEMA FLUIDO - ESTRUCTURA Reacciones sobre las paredes del tanque

debido a las presiones del fluido


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CONCLUSIONES• ESTE TRABAJO PRESENTA RESULTADOS REFERENTES A LA

INTERACCIÓN FLUIDO ESTRUCTURA BAJO LA PRESIÓN INTERNA DE UN FLUIDO EN MOVIMIENTO. SE OBSERVA UNA DISTRIBUCIÓN DE VELOCIDADES EN EL TANQUE, QUE CORRESPONDE AL COMPORTAMIENTO TEORICO DEL FLUIDO SOBRE LAS PAREDES DEL TANQUE.

• PARA LA CONDICIÓN DE TANQUE VACIO SE TIENE UNA MAYOR DEFORMACIÓN DE LA PLACA EN LAS PAREDES CORTAS, AUNQUE ÉSTA ES PEQUEÑA COMPARADA CON LA MÁXIMA DEFORMACIÓN DEL TANQUE CON INTERACCIÓN CON EL MOVIMIENTO DEL FLUIDO.

• POR OTRO LADO, ES INTERESANTE OBSERVAR QUE CUANDO HAY INTERACCIÓN FLUIDO ESTRUCTURA SE PRODUCE UNA MAYOR DEFORMACIÓN DE LAS PAREDES LARGAS QUE EN LAS PAREDES CORTAS, DEBIDO A SU RIGIDEZ.


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CONCLUSIONES• DE ACUERDO CON LOS RESULTADOS, NO APARECE LA

DEFORMACIÓN CERCA DE LA BASE, EL CUAL ES CARACTERISTICO EN TANQUES AXISIMETRICOS.

• ESTOS RESULTADOS MUESTRAN QUE LA HIPÓTESIS DE PAREDES RÍGIDAS, QUE SE HACEN EN TANQUES POR SIMPLICIDAD, PUEDE SER ERRÓNEA, YA QUE EN REALIDAD, INFLUYE LA FLEXIBILIDAD DE LA PARED. ESTE COMPORTAMIENTO TIENE INFLUENCIA EN LA RESPUESTA ANTE EXCITACIONES SÍSMICAS.

• RESPECTO AL COMPORTAMIENTO HIDRODINÁMICO, SE OBSERVA QUE LOS MODOS DE VIBRACIÓN DEL FLUIDO REPRESENTAN EL POSIBLE OLEAJE QUE SE PUEDA PRESENTAR ANTE UNA EXCITACIÓN SÍSMICA


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Animación 1 fluido-estructura

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