Soluciones de tratamiento de suelos para la construcción de tanques de almacenamiento de acero: Diseño y comportamiento

Los tanques de acero representan una de las instalaciones más importantes para el desarrollo industrial dentro del sector de petróleo y gas. En muchos casos, la construcción de sus cimentaciones supone una tarea crítica para lograr el éxito del proyecto. Con frecuencia, las condiciones del suelo imponen la necesidad de obras especiales como mejoras del suelo o cimentaciones profundas que afectan al cronograma del proyecto, el tipo de cimentación del tanque (por ejemplo: zapata circular, cimentación de losa), la interacción con otras instalaciones (por ejemplo: bastidores de tuberías) y posiblemente las tareas de mantenimiento de los tanques durante su ciclo de vida. En este artículo se presentan algunos casos de estudio y aspectos clave para el análisis de tanques y la selección de tratamientos del suelo.

El análisis de la cimentación de un tanque debe centrarse en cumplir con una capacidad de carga admisible y asentamientos diferenciales adecuados, que pueden causar grandes daños a la estructura de acero de los tanques. Por lo general, el análisis se realiza considerando dos fases diferentes de carga cuasi permanente.

En primer lugar, se realiza una prueba hidrostática llenando el tanque con agua para verificar la existencia de fugas o fallas en la estructura de acero. Esto supone una precarga del perfil del terreno, ya que posteriormente se debe vaciar el tanque. A continuación, se deben conectar las tuberías al tanque vacío.

La segunda fase de carga corresponde a la carga operacional, impuesta por el peso del producto almacenado a largo plazo, que tiene densidades típicas entre 7 a 8,5 kN /m³. Por lo tanto, de acuerdo con la norma correspondiente, se pueden considerar diferentes hipótesis y casos de carga para la combinación de cargas, de viento, sísmicas, de nieve y otras cargas especiales.

2.1.- Asentamientos típicos de tanques según Normas API

Las Normas API destacan los siguientes tipos de liquidaciones que deben verificarse:

Asentamientos uniformes que representan el descenso uniforme de toda la base del tanque. Este tipo de asentamientos no suponen un riesgo significativo para la estructura del tanque, y solo deben considerarse para planificar las conexiones entre las tuberías externas y el tanque.

Asentamientos que hacen que el tanque se incline como un cuerpo rígido (Cuerpo rígido – inclinación plana) – lo que puede causar daños a la estructura del tanque. Generalmente están asociados a un mecanismo de falla por falta de capacidad portante y/o grandes asentamientos diferenciales.

Asentamientos diferenciales fuera del plano de inclinación del cuerpo rígido (Out-of-plane settle), que representan los asentamientos medidos a lo largo del perímetro del tanque. Dichos asentamientos son la diferencia entre los asentamientos correspondientes al posible plano de inclinación del cuerpo rígido y el asentamiento medido en el perímetro. Valores excesivos de asentamientos diferenciales en el perímetro causarían daños importantes en la estructura de los tanques (principalmente en las paredes del tanque).

Asentamientos diferenciales en la placa inferior (asentamientos de la placa inferior), que representan el asentamiento diferencial máximo bajo la huella del tanque. Por lo general, el asentamiento diferencial entre el centro del perímetro de la placa inferior del tanque.

En la Figura 1 se muestran los diagramas que corresponden a este tipo de asentamientos. La Figura 2 muestra la metodología indicada por las Normas API para evaluar asentamientos diferenciales a lo largo del perímetro del tanque (Asentamientos fuera del plano – Apéndice B, API 653), indicando la ubicación del asentamiento de la coraza del tanque, luego de la inclinación del cuerpo rígido, representada por una onda coseno con respecto a su posición original en un plano horizontal. En la Figura 2 las distancias verticales entre la curva irregular (asentamientos medidos) y la curva coseno óptima representan el asentamiento fuera del plano.

El método habitual para obtener esta curva coseno consiste en resolver las constantes a, b y c, para encontrar la curva óptima de la forma: Elev _pred = a + b · cos (θ + c); donde Elev _pred es la elevación predicha por la curva coseno en el ángulo θ. La curva coseno óptima se considera la que se ajusta adecuadamente a los asentamientos medidos para R² > 0,9; siendo R² = (S_yy – SSE)/ S_yy; donde S yy es la suma de los cuadrados de las diferencias entre la elevación media medida y las elevaciones medidas, y SSE es la suma de los cuadrados de las diferencias entre las elevaciones medidas y predichas. Como referencia que debe ser validada por el fabricante o el comprador del tanque (o ambos), el desnivel permisible puede estimarse mediante la ecuación (1) cuando la curva de coseno se ajusta a la curva medida con R² >0,9; de lo contrario, se debe utilizar la ecuación (2) (Andreani y Carr, 2007; API 653, 2014) y los asentamientos en el centro del tanque pueden estimarse mediante la ecuación (3):

dónde:

Smáx., _pies: asentamiento admisible fuera del plano, en pies

S _{máx., en}: asentamiento admisible fuera del plano, en pulgadas

_Arco s: arco de asentamiento efectivo (ver API 653; Anexo B, Sección B.2.2.5.1), en pies

W: Deflexión o asentamiento en el centro del tanque

We: comba inicial

FS: Factor de seguridad (FS ≤ 4 para fluencia localizada; FS ≤ 2 para sobreesfuerzo severo y posible fluencia)

L: longitud entre puntos de medición, en pies

Y: resistencia al rendimiento del material de la carcasa, en psi

E: Módulo de Young del material de la carcasa, en psi

H: altura del tanque, en pies

D: diámetro del tanque, en pies

K: factor estimado según la Tabla 1

Para la construcción de una nueva terminal de tanques de almacenamiento de combustibles en el Estado de Puebla (México), fue necesario el mejoramiento del terreno mediante columnas de grava para soportar los tanques y otras instalaciones.

El perfil del suelo está compuesto por limos no plásticos y arenas limosas por debajo del nivel freático, sobre suelos de densidad media a alta por encima de los 12 m de profundidad. La ubicación del sitio presenta alta sismicidad (Mw=7,2; PGA=0,47g) lo que supone un alto riesgo de licuefacción del suelo.

La terminal de tanques comprende 9 tanques de almacenamiento de combustible y 1 tanque de agua contra incendios (Figura 4). La cimentación de la estructura de todos los tanques prevé zapatas de anillo de borde de hormigón armado y relleno granular en el interior del anillo y justo debajo de los tanques.

Las columnas de grava instaladas mediante vibradores profundos se han utilizado con éxito en numerosos proyectos desde los años 60 para reforzar suelos blandos o sueltos con alta compresibilidad, acelerar el proceso de consolidación, disminuir el asentamiento, aumentar la capacidad de carga y mitigar la licuefacción del suelo. Esta técnica de vibración profunda tiene una Norma Europea específica (EN 14731:2005, Tratamiento del suelo mediante vibración profunda). En este proyecto se utilizó el método de alimentación por el fondo, que consiste en la inserción de grava en el suelo a través de un sistema de tubos unidos a un vibrador en la parte inferior. Toda la varilla se introduce en el suelo con la ayuda del desplazamiento lateral, la vibración, la fuerza de tracción vertical y el aire comprimido. Una vez que se alcanza la profundidad requerida, los tubos estabilizan la cavidad y permiten la alimentación de la grava. Los movimientos generales del vibrador profundo compactan la grava mediante sucesivos movimientos de bajada y elevación hasta que se termina la columna con un diámetro variable en el rango de 0,6 a 1,0 m dependiendo de la rigidez del suelo. (Figura 3).

La Figura 5 muestra un pozo típico con el conteo de golpes SPT corregido con la profundidad y el factor de seguridad contra la licuefacción del suelo (Boulanger an Idriss 2014) que muestra el alto riesgo de licuefacción hasta los 12 a 15 m de profundidad, aproximadamente. La Figura 6 muestra los detalles de la cimentación de los tanques y las columnas de piedra que se instalaron hasta los 15 a 18 m de profundidad.

La Figura 7 muestra la estimación del asentamiento realizada mediante análisis de elementos finitos para la fase de prueba hidrostática de uno de los tanques más grandes (diámetro de 36 m), resultando un asentamiento máximo de 13,5 cm en el centro y 9 cm en el perímetro. Por otro lado, la Figura 8 muestra los asentamientos medidos para todos los puntos del perímetro que coinciden muy bien con los asentamientos estimados.

Respecto a la mitigación de la licuefacción, la Figura 9 muestra los resultados de la relación de presión de poro (r_u = Δu/ σ ' _v) en función de la profundidad y la duración del sismo. Se puede notar que Ru < 0,55, lo que corresponde a FS>1,1 (Marcuson et al., 1990). En la Figura 6 se puede notar un ancho adicional de mejora del terreno más allá de la zapata del muro de perforación para asegurar la estabilidad del suelo ante una posible licuefacción en las áreas no mejoradas, siguiendo las recomendaciones de JGS (1998).

En el marco del desarrollo de un gran proyecto industrial en México, se construyeron dos tanques de acero de 85 m de diámetro y 15 m de altura, para el almacenamiento de combustible. El diseño sísmico se caracteriza por Mw = 6,5 y PGA = 0,19g.

El perfil del suelo comprende de 8 a 12 m de arenas licuables en las capas superiores (qc = 3 a 8 MPa; Ic = 1,6 a 2,1) sobre una capa de arcilla muy blanda (qc = 1 a 2 MPa; Ic > 3) con un espesor de 4 a 6 m, y debajo arena de densidad media hasta los 30 m de profundidad.

Después del análisis de las posibles soluciones, se adoptó como tratamiento óptimo el mejoramiento del terreno mediante Inclusiones Rígidas Compactadas (IRC). Este tipo de tratamiento fue capaz de cumplir con los requerimientos técnicos que básicamente eran mitigación de la licuefacción, control de asentamientos y alcanzar la capacidad portante admisible.

Las Inclusiones Rígidas de Compactación (IRC) se realizan mediante perforaciones con sinfines de desplazamiento total (FDA) para evitar la extracción masiva de material de desecho; una vez alcanzada la profundidad prevista, se inicia la fase de inyección alimentando el hormigón a través de los tubos de extensión acoplados al sinfín de desplazamiento que desembocan por el fondo. En aquellas capas que necesitan mitigación de la licuefacción, la inyección se realiza aplicando mayores presiones de bombeo hasta valores máximos de 4 a 7 MPa, con el objetivo de ampliar el diámetro de la columna por proceso de desplazamiento, y de esta manera densificar el suelo circundante.

La Figura 11 muestra un esquema de la solución adoptada. En las capas licuables hasta los 12 m de profundidad, los CRI alcanzaron un diámetro promedio de 0,6 m, mientras que a mayores profundidades no se encontraron suelos licuables y el diámetro promedio alcanzó los 0,4 m, muy similar al diámetro de la barrena de perforación.

El patrón consta de dos cuadrículas superpuestas de inclusiones rígidas. La primera cuadrícula tiene una separación entre columnas de 2,1 m con un proceso de inyección de compactación hasta los 12 m. La segunda cuadrícula corresponde a las columnas entre la primera cuadrícula y hasta la profundidad máxima de 27 m. En esta segunda cuadrícula, todas las columnas tienen el diámetro más pequeño en la parte inferior y el más alto en la parte superior, donde se debe mitigar la licuefacción. De modo que la separación entre columnas en la parte superior queda en 1,5 m, y en la parte inferior permanece en 2,1 m.

La Figura 11 también muestra las pruebas de CPTU previas y posteriores efectuadas en un ensayo de campo realizado al inicio del tratamiento. En ellas se puede observar el aumento de la resistencia de la punta en un factor de 2 a 3, lo que implica resistencias de punta mejoradas superiores a 10 MPa, que cumplen con la resistencia cíclica requerida para mitigar la licuefacción.

La Figura 10 muestra el asentamiento máximo de 16 cm estimado por el análisis FEM del ensayo hidrodinámico. La Figura 10 también muestra los resultados del análisis sismo-hidrodinámico, que se realizó aplicando las fuerzas pseudoestáticas equivalentes en el fondo de los tanques, que producen concentración de esfuerzos verticales. El lado derecho de la Figura 10 muestra la verificación de las fuerzas internas en inclusiones rígidas producidas por este análisis sismo-hidrodinámico.

La construcción de tanques terminales ubicados en Huelva, suroeste de España, se desarrolla para facilitar el desarrollo de un complejo petroquímico.

El perfil del suelo presenta predominantemente materiales arenosos-limosos sueltos a medianamente densos hasta los 5 a 7 m de profundidad, sobrepuestos a arenas gravosas densas. El nivel freático se encontró entre los 2 y 3 m de profundidad.

El diseño incluye 8 tanques de 17 m de diámetro y 2 tanques de 24 m de diámetro. Todos ellos tienen una altura de 28,5 m y losas de cimentación con configuración octogonal y un espesor variable de entre 1,4 y 1,0 m. Según el producto químico a almacenar, la carga de diseño tanto para la fase de prueba hidrostática como para la fase de operación fue de 287 kPa. Los requisitos técnicos prevén asientos diferenciales inferiores a 5 mm en 5 m a lo largo del perímetro y 85 mm de centro a borde. La distorsión por inclinación debe ser inferior a 1/1000 y el factor de seguridad mínimo de 3 frente a la capacidad portante. La figura 12 muestra una visión general de la solución.

La Figura 13 muestra la estimación de asentamiento de 5,5 cm en el centro y 3,5 cm en el perímetro para el tanque de 24 m de diámetro. La Figura 14 representa los asentamientos medidos para cada etapa de carga, que coinciden muy bien con la estimación de asentamiento para la última fase de consolidación con 100% de carga. La Figura 15 muestra el análisis de asentamientos diferenciales medidos en el perímetro y el plano de inclinación rígida representados por una curva coseno óptima como se describe en la Sección 2.1 de acuerdo con API 653. Se verificó una curva coseno admisible para validar el requisito de inclinación.

Se describieron los principales aspectos de diseño de cimentaciones de tanques de acero para garantizar asentamientos permisibles, destacando la importancia de los tipos de asentamiento diferencial a controlar según las Normas API. Como soluciones óptimas (costo-efectivas), se presentaron 3 casos de estudio con implementación exitosa de mejoramiento de suelo mediante columnas de piedra grava, inclusiones rígidas e inclusiones rígidas de compactación. De esta manera, los métodos de mejoramiento de suelo presentados demuestran sus capacidades para acelerar el proceso de consolidación, disminuir los asentamientos, aumentar la capacidad portante y mitigar la licuefacción del suelo.

Referencias

• Andreani, JL y Carr, NA (2007). Informe final sobre el estudio de la sedimentación de tanques fuera del plano. API SCAST, SCI. Washington, DC
• Instituto Americano del Petróleo (2014). Norma API 653. Inspección, reparación, alteración y reconstrucción de tanques, 5.ª edición, Washington, 2014.
• EN-14731 (2005). Ejecución de obras geotécnicas especiales. Tratamiento del terreno mediante vibración profunda. Norma Europea.
• Boulanger RW e Idriss IM (2014). Procedimientos de activación de licuefacción basados en CPT y SPT. Informe n.º UCD/CGM-14/01. Centro de Modelado Geotécnico, Universidad de California, Davis.
• Sociedad Geotécnica Japonesa (1998). Medidas correctivas contra la licuefacción del suelo, desde la investigación y el diseño hasta la implementación, AA
• Marcuson, WF, Hynes, ME y Franklin, AG (1990). Evaluación y uso de la resistencia residual en el análisis de seguridad sísmica de terraplenes, Earthquake Spectra. 6(3), 529-72.