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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE
ESCUELA DE INGENIERIA
ANLISIS DE LOS EFECTOS DELTERREMOTO DEL 27 DE FEBRERO DE 2010EN ESTANQUES DE ACERO INOXIDABLEDE PARED DELGADA (EAIPD) CON PATAS
Y DESARROLLO DE UN SISTEMA DEPROTECCIN SSMICA PARA ESTAS
ESTRUCTURAS
VCTOR MANUEL SANDOVAL SANZANA
Tesis para optar al grado de
Magister en Ciencias de la Ingeniera
Profesor Supervisor:
JOS LUIS ALMAZN C.
Santiago de Chile, Marzo, 2011
!2011, Victor Manuel Sandoval Sanzana
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PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE
ESCUELA DE INGENIERIA
ANLISIS DE LOS EFECTOS DELTERREMOTO DEL 27 DE FEBRERO DE 2010EN ESTANQUES DE ACERO INOXIDABLEDE PARED DELGADA (EAIPD) CON PATAS
Y DESARROLLO DE UN SISTEMA DEPROTECCIN SSMICA PARA ESTAS
ESTRUCTURAS
VCTOR MANUEL SANDOVAL SANZANA
Tesis presentada a la Comisin integrada por los profesores:
JOS LUIS ALMAZN C.
HERNN SANTA MARA O.
JUAN FELIPE BELTRN M.
FRANCO PEDRESCHI P.
Para completar las exigencias del grado de
Magister en Ciencias de la Ingeniera
Santiago de Chile, Marzo, 2011
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A mis amados padres, Lorena y
Agustn.
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AGRADECIMIENTOS
A travs de estas lneas quisiera agradecer el apoyo recibido por todas laspersonas que han estado junto conmigo en esta ardua etapa.
De forma especial agradezco el apoyo prestado por mi profesor gua Jos Luis
Almazan quien con mucha paciencia y dedicacin logr guiar el desarrollo de este
trabajo como un gran maestro y amigo.
Tambin agradezco a las instituciones que hicieron posible el desarrollo de esta
investigacin, entre ellas la Asociacin de Vinos de Chile, la empresa TPI y sobre todo a
mi actual empresa ESSS.
Por ltimo, dedico este trabajo a mi gran familia, mis padres, hermanos, a Lorena
y mi hijo Agustn. Slo con su apoyo fue posible cumplir con esta difcil tarea.
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NDICE GENERAL
Pg.
DEDICATORIA .............................................................................................................. iii
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................... ivNDICE DE TABLAS ................................................................................................... viiiNDICE DE FIGURAS .................................................................................................... ixRESUMEN ..................................................................................................................... xviABSTRACT .................................................................................................................. xvii1. INTRODUCCIN ................................................................................................... 1
1.1. Antecedentes Generales ................................................................................... 2
1.2. Aislacin y disipacin en estanques ................................................................ 4
1.3. Industria Vitivincola........................................................................................7
1.4. Objetivos del Estudio ..................................................................................... 102. EL SISMO DEL MAULE 2010 Y SUS IMPLICANCIAS EN
LA INDUSTRIA VITIVINICOLA ....................................................................... 11
2.1. Antecedentes generales .................................................................................. 11
2.2. Anlisis de daos por zonas geogrficas ....................................................... 13
2.3. Daos observados en estanques apoyados en el suelo ................................... 23
2.4. Anlisis de daos en estanques de acero inoxidable de pared delgada con
patas. ...................................................................................................................... 46
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3. SISTEMA DE AISLAMIENTO SSMICO DE ESTANQUES ............................ 793.1. Estudios previos e implementaciones anteriores de aislamiento en estanques ..
......................................................................................................................... 79
3.2. Descripcin del Sistema de Aislamiento Rotacional Vertical ....................... 84
3.3. Modelo de Elementos Finitos ........................................................................ 97
3.4. Anlisis Experimental .................................................................................. 1083.5. Comparacin de Resultados ........................................................................ 115
4. ANLISIS DE PROCEDIMIENTOS DE DISEOCONSIDERANDO MODELOS NUMRICOS ................................................. 122
4.1. Modelacin de elementos finitos mediante software ANSYS .................... 122
4.2. Anlisis Modal ............................................................................................. 1404.3. Anlisis de Superposicin Modal Espectral ................................................ 149
5. CONCLUSIONES ............................................................................................... 1665.1. Conclusiones Generales ............................................................................... 166
5.2. Comportamiento estructural de sistemas de almacenamiento en el Sismo del
27 de Febrero de 2010 ......................................................................................... 167
5.3. Sistema de Aislamiento Vertical Rotacional ............................................... 169
5.4. Anlisis con simulacin numrica. .............................................................. 170
5.5. Comentarios para futuros trabajos ............................................................... 172
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BIBLIOGRAFA ........................................................................................................... 173ANEXOS....................................................................................................................... 175
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NDICE DE TABLAS
Pg.
Tabla 2-1: Resumen del estado de bodegas visitadas..................................................... 17
Tabla 2-2: Valores Mximos de Aceleracin (RENADIC)............................................ 20
Tabla 4-1: Propiedades de modelo de verificacin......................................................... 124
Tabla 4-2: Resultados obtenidos de verificacin esttica............................................... 131
Tabla 4-3: Resultados del Anlisis Modal...................................................................... 131
Tabla 4-4: Descripcin de modelos para anlisis modal................................................ 140
Tabla 4-5: Propiedades Dinmicas de Modelos FEM.................................................... 144
Tabla 4-6: Parmetros de diseo para Norma Chilena 2369.......................................... 150
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NDICE DE FIGURAS
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Figura 1-1: Estanques tpicos de acero. a) Estanques elevados con apoyos, b)
Estanques apoyados directamente al suelo..................................................................... 3
Figura 1-2: Esquema de analoga masas-resortes propuestas por Housner.................... 5
Figura 1-3: Dispositivos de aislacin y disipacin ssmica (Malhotra, 1997 y 1998..... 6
Figura 1-4: Esquema de aislacin mediante pndulos friccionales (Shrimali, 2001)..... 7
Figura 1-5: Valles vitivincolas de Chile........................................................................ 9
Figura 2-1: Daos en estanques para el terremoto de Pisco (2007)................................ 13
Figura 2-2: Mapa de valles vitivincolas y zonas afectadas por el sismo....................... 14
Figura 2-3: Mapa de Bodegas visitadas y evaluacin de su estado general................... 18
Figura 2-4: Mapa de la Red nacional de acelergrafos................................................... 21
Figura 2-5: Estanques apoyados en el suelo. a) Estanque anclado al suelo, b)
Estanque montado sobre bancada................................................................................... 24
Figura 2-6: Daos en estructuras de techo. a) Dao incipiente por succin, b) Dao
grave por succin y punzonamiento............................................................................... 26
Figura 2-7: Daos en Manto. a) Dao en manto por falla del sistema de anclaje, b)
Pandeo pata de elefante, c) Detalle de pata de elefante, d) Dao en virolas
intermedias producto de impacto.................................................................................... 28
Figura 2-8: Curvatura de Rebordeo................................................................................ 30
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Figura 2-9: Daos en el Fondo. a) Falla del fondo por desplazamiento del manto, b)
Desprendimiento del fondo por falla de soldadura y corrosin...................................... 31
Figura 2-10: Sistema de Tope......................................................................................... 33
Figura 2-11: Fallas en Sistema de Tope. a) Perdida de contenido por falla en la
soldadura, b) Pandeo del manto, c) Pliegues en el manto, d) Falla del tope................... 34
Figura 2-12: Silla de Anclaje.......................................................................................... 35
Figura 2-13: Fallas en Sillas de Anclaje. a) Longitud de anclaje deficiente, b) Falla
en punta de diamante, c) Desprendimiento del hormign, d) Falla del hormign por
cercana al borde............................................................................................................. 37
Figura 2-14: Sistemas de sujecin a travs de ganchos. a) Gancho tipo L invertido,
b) Gancho tipo U ........................................................................................................ 39
Figura 2-15: Fallas en sistemas de sujecin a travs de ganchos. a) Perdidas de
contenido por fractura de soldadura del anclaje, b) Pata de elefante y deformacin del
gancho, c) Grandes deformaciones del fondo, d) Desprendimiento de pernos en losa
de hormign, e) Falla del gancho sin dao en el manto, f) Deformacin del anclaje
sin dao en el manto....................................................................................................... 42
Figura 2-16: Estanques montados sobre bancadas.......................................................... 44
Figura 2-17: Fallas en bancadas de apoyo continuo. a) Deformaciones en el fondo en
estanque apoyado en la bancada, b) Levantamiento de estanque por traslape
insuficiente, c) Falla en punta de diamante..................................................................... 45
Figura 2-18: Sistema Estructural de Estanques con Apoyo............................................ 47
Figura 2-19: Dao en techo por impacto........................................................................ 49
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Figura 2-20: Daos en techo por presiones de vaco. a) Deformacin en techo por
succin, b) Fractura de cordn de soldadura. ................................................................ 50
Figura 2-21: Virolas de manto con chaquetas de enfriamiento (Valle de Curic)......... 52
Figura 2-22: Daos en el Manto. a) Conexin pata fuerte manto dbil, b) Colapso
estructural por vaciado rpido, c) Dao por impacto...................................................... 54
Figura 2-23: Daos en el Fondo. a) Deformacin en el fondo por unin pata fuerte
fondo dbil, b) Punzonamiento del sistema de soporte................................................... 56
Figura 2-24: Apoyos Cilndricos. a) Patas cilndricas unidas directamente al manto,
b) Patas cilndricas con estructura de soporte................................................................. 58
Figura 2-25: Falla en sistema de apoyos cilndrico........................................................ 59
Figura 2-26: Patas Cnicas............................................................................................. 60
Figura 2-27: Fallas en apoyos de seccin constante, a) Falla por sistema de
regulacin, b) Colapso por falla en unin manto pata. .................................................. 62
Figura 2-28: Sistema de pata en seccin variable........................................................... 64
Figura 2-29: Dao en zona inferior del apoyo................................................................ 65
Figura 2-30: Colapso lateral. a) Colapso lateral de sistema anclado, b) Colapso lateral
de sistema con regulacin de altura................................................................................ 66
Figura 2-31: Sistema de apoyo de buen comportamiento............................................... 68
Figura 2-32: Falla en pata central................................................................................... 69
Figura 2-33: Falla en epxico de anclaje........................................................................ 72
Figura 2-34: Fallas en sistema de anclaje fijo. a) Arrancamiento de perno de anclaje,
b) Anclajes en buenas condiciones................................................................................. 74
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Figura 2-35: Fallas en sistema de apoyo regulable. a) Deformacin del sistema de
regulacin y la pata. b) Colapso producto de la falla del sistema de regulacin............ 76
Figura 2-36: Desplazamiento de estanques sobrepuestos. a) Desplazamiento de
sistema sobrepuesto, b) Cadas de estanques en canaleta............................................... 78
Figura 3-1: Vista General del aislador (Gonzlez, 2009) .............................................. 80
Figura 3-2: Dispositivo de aislamiento vertical rotacional (Fotografa: Andrs
Gonzlez) ....................................................................................................................... 81
Figura 3-3: Esquema de las constitutivas Tericas del Dispositivo; a) Resorte
principal; b) Disipador por Roce; c) Constitutiva Dispositivo Aislador Vertical
(Gonzlez, 2009)............................................................................................................. 82
Figura 3-4: Constitutiva Experimental Dispositivo (Gonzlez, 2009) .......................... 83
Figura 3-5: Esquema General Aislador........................................................................... 85
Figura 3-6: Conexin Estanque Aislador. a) Vista Frontal, b) Vista Isomtrica............ 87
Figura 3-7: Esquema de funcionamiento del sistema estructural................................... 88
Figura 3-8 Sistema de disipacin por roce. a) Vista Frontal, b) Vista Isomtrica.......... 92
Figura 3-9: Esquema nuevo aislador. a) Vista Frontal, b) Vista Isomtrica................... 93
Figura 3-10: Esquema de constitutivas tericas del nuevo dispositivo. a) Resorte
Principal, b) Disipador por roce, c) Resorte horizontal, d) Constitutiva General del
sistema VRI..................................................................................................................... 96
Figura 3-11: Modelo Workbench.................................................................................... 97
Figura 3-11: Modelo del sistema Flexible Vertical........................................................ 100
Figura 3-12: Modelo del sistema de disipacin friccional............................................. 101
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Figura 3-13: Constitutiva numrica sistema de disipacin friccional............................. 102
Figura 3-14: Modelo de sistema flexible horizontal....................................................... 103
Figura 3-15: Constitutiva numrica sistema flexible horizontal..................................... 103
Figura 3-16: Modelo de sistema Mixto 1....................................................................... 104
Figura 3-17: Constitutiva numrica sistema Mixto 1.................................................... 105
Figura 3-18: Modelo de sistema Mixto 2....................................................................... 106
Figura 3-19: Constitutiva numrica sistema Mixto 2.................................................... 107
Figura 3-20: Montaje experimental................................................................................ 109
Figura 3-21: Constitutiva Experimental Sistema Flexible Vertical................................ 110
Figura 3-22: Constitutiva Experimental Sistema Mixto 1............................................. 112
Figura 3-23: Constitutiva Experimental Sistema Mixto 2............................................. 114
Figura 3-24: Comparacin del sistema flexible vertical................................................. 117
Figura 3-25: Comparacin del sistema flexible horizontal............................................. 118
Figura 3-26: Comparacin del sistema Mixto 1............................................................. 119
Figura 3-27: Comparacin del sistema Mixto 2............................................................. 121
Figura 4-1: Superficies de interaccin FSI (Fluido Estructura) ..................................... 126
Figura 4-2: Malla de elementos finitos de modelo. a) Vista general, b) Detalle de
mallado interno............................................................................................................... 127
Figura 4-3: Modelo equivalente hidrosttico. a) Tensiones Von Misses. b)
Deformaciones................................................................................................................ 129
Figura 4-4: Modelo FSI. a) Tensiones Von Misses. b) Deformaciones......................... 130
Figura 4-5: Esquema de funcionamiento de elemento contacto. ................................... 132
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Figura 4-6: Comparacin de formas modales................................................................. 133
Figura 4-7: Estado post sismo de estanques................................................................... 135
Figura 4-8: Modelo CAD 3D de estanque...................................................................... 136
Figura 4-9: Modelo de estanque simplificado................................................................ 138
Figura 4-10: Malla de elementos finitos. a) Malla Externa. b) Corte Transversal......... 139
Figura 4-11: Comparacin de masa modal acumulada en porcentaje (Cummulative
Modal Mass Ratio). a) Direccin X. b) Direccin Y. c) Direccin Z............................. 143
Figura 4-12: Formas modales Modelo 1 (Modelo Vaco). a) Modo 1. b) Modo 2. c)
Modo 33. ........................................................................................................................ 147
Figura 4-13: Formas modales Modelo 2 (Modelo lleno con 5 patas fijas). a) Modo 2.
b) Modo 3. c) Modo 5..................................................................................................... 148
Figura 4-14: Formas modales Modelo 4 (Modelo lleno con 3 patas fijas). a) Modo 2.
b) Modo 3. c) Modo 5..................................................................................................... 148
Figura 4-15: Formas modales Modelo 6 (Modelo lleno Aislado). a) Modo 2. b) Modo
3. c) Modo 4.................................................................................................................... 149
Figura 4-16: Espectros de Aceleraciones de Diseo y Respuesta. ................................ 151
Figura 4-17: Tensiones Von Misses (Mpa). Espectro de respuesta de Curic. Modelo
vaco. a) Modelo completo. b) Manto. ........................................................................... 155
Figura 4-18: Tensiones Von Misses (Mpa). Espectro de diseo con R=1. Modelo
lleno 5 patas fijas. a) Modelo completo. b) Manto. c) Patas. ......................................... 157
Figura 4-21: Tensiones Von Misses (Mpa). Espectro de respuesta de Curic. Modelo
lleno 5 patas fijas. a) Modelo completo. b) Manto. c) Patas....................................... 159
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Figura 4-20: Pandeo en el manto en estanque de 20.000 lt. .......................................... 160
Figura 4-21: Fallas en Patas. Comparacin con tensiones obtenidas en modelo FEM.
a) Tensiones ANSYS. b) Falla en encuentro pata manto. c) Falla por pandeo en la
base................................................................................................................................. 161
Figura 4-22: Tensiones Von Misses (Mpa). Espectro de respuesta de Curic. Modelo
lleno 3 patas fijas. a) Manto. b) Patas. ........................................................................... 163
Figura 4-23: Tensiones Von Misses (Mpa). Espectro de respuesta de Curic. Modelo
lleno aislado. a) Modelo completo. b) Manto. ............................................................... 165
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RESUMEN
El sismo del Maule (Febrero 27, 2010, Chile) afect gran parte del territorio
nacional provocando daos de consideracin en viviendas e industrias. La influencia de
este sismo afect directamente a gran parte de la industria vitivincola nacional y los
efectos fueron especialmente severos en sus estructuras de almacenamiento, en
particular en los estanques de acero inoxidable de pared delgada utilizados en los
procesos de fermentacin y guarda. La utilizacin de sistemas de aislamiento ssmico en
edificios demostr su gran eficiencia, sin embargo la utilizacin de este tipo de
soluciones no es general en todo tipo de estructuras. Por esta razn, en este estudio se
busca desarrollar soluciones que permitan mitigar los efectos ssmicos en este tipo de
estructuras a travs de la implementacin de un sistema de aislamiento ssmico basado
en investigaciones desarrolladas desde el ao 2003 (Almazan et al.). Con la ayuda de la
industria y el gobierno se desarrolla un plan de reconocimiento de daos en la industria.
El resultado de esta inspeccin muestra numerosas falencias en el diseo, fabricacin y
montaje de las estructuras lo que provoc una gran cantidad de prdidas de contenido.Se desarrolla un modelo de elementos finitos en el software ANSYS que permite
predecir zonas de concentracin de tensiones que provocan la falla de las estructuras
estudiadas. Este modelo permite tambin desarrollar guas de anlisis y diseo para
disminuir la vulnerabilidad de estas estructuras frente a sismos futuros.
Palabras Clave: Aislacin Ssmica, Terremoto del Maule (Chile, 2010), Dao
estructural en estanques de vino, ANSYS.
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ABSTRACT
The earthquake in Maule (February 27, 2010, Chile) affected a large area of the national
territory with important damages in housings and industries. The influence of this
earthquake included almost all the wine industry and the effects were especially severe
in storage structures and specifically the thin wall of the stainless steel tanks used in the
process of fermentation and storage. The seismic isolation system in the buildings
demonstrated efficiency; however the utilization of this type of solution is not common
in all kinds of structures. For this reason, this studys purpose is to develop solutions that
allow to mitigate the seismic effects in these type of structures across the
implementation of a seismic isolation system based on investigations from the year 2003
(Almazan et al.). With the support of the wine industry and the government, a plan is
being developed to address the damages to the industry. The result of this investigation
shows numerous failures in design, manufacturing and assembly of the structures that
resulted in large losses. Therefore, there is a model of a finite number of elements in the
software ANSYS that predicts the stress zone concentrations that lead to the failure of
the studied structures. This model develops analysis and design guidelines that will
lower the vulnerability of these structures in future earthquakes.
Keywords: Seismic Isolation, Maule Earthquake (Chile, 2010), Chilean Wine
Industry, Wine Tanks Structural Damage, FEA, ANSYS.
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Rtula
Tangencial
Manto
Direccin
Restringida
Rtulas
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[K
F/
F
(disp)
max
b) Disipador por Roce
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
0 0,25 0,5 0,75 1
F/F
(disp)
max
c) Constitutiva Dispositivo
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0 0,25 0,5 0,75 1
F/F
(disp)
max
a) Resorte Principal
1
0.75
0.5
0.25
0
0 0,25 0,5 0,75 1
max
ma
ma
x
x
Roce Disipador
Resorte vertical
Dispositivo
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[R
F[kN]
15
12
9
6
3
0 0 1 2 3 4
k1= 2.20x10
2[kN/m]
k2= 0.52x10
2[kN/m]
Ciclos 1cm
Ciclos 2cm
Promedio Rama
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Base del Estanque
Conexin a Aislador
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DK
Barra de roceBalatas
Resortes
Pivotes
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DR
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L0
H0
b
u
Placas
Articuladas
ResorteHorizontal
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DE
# -.#1YF
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CR>!LF
CR>!!F
V4/
CR>!KF
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DH
V4/
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DU
F/F
(disp)
max
b) Disipador por Roce
0.5
0.25
0
-0.25
-0.5
0 0,25 0,5 0,75 1
F/F
(disp)
max
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0 0,25 0,5 0,75
F/F
F/F
(disp
(disp
)
)
ma
ma
x
x
a) Resorte Principal
1
1
0.75
0.75
0.5
0.5
0.25
0.25
0
0
0
0
0,25
0,25
0,
0,
5
5
0,75
0,75
1
1
maxma
ma
ma
x
x
x
Roce Disipador
Resorte vertical
Dispositivo
c) Resorte Secundario
d) Constitutiva Dispositivo
Resorte horizontal
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