Diseño de recipientes sujetos a cargas combinadas

13.8 Diseño de recipientes sujetos a cargas combinadas

Los recipientes a presión están sujetos a otras cargas además de la presión. Se debe asumir un espesor de ensayo (basado en aquel calculado para la presión sola) y el esfuerzo resultante de todas las cargas determinadas para garantizar que la intensidad del esfuerzo máxima permisible no exceda en ningún punto. Cuando se analizan cargas combinadas, se debe considerar tanto el esfuerzo máximo de compresión como el esfuerzo máximo de expansión:

Las principales fuentes de carga a considerar son:

1.- Presión

2.- Peso propio del recipiente y su contenido

3.- Viento

4.- Terremotos (sísmico)

5.- Cargas externas impuestas por las tuberías y el equipo asociado-

Los esfuerzos primarios que se alcanzan a partir de estas cargas se consideran para recipientes cilíndricos:

Esfuerzos primarios

1. Los esfuerzos longitudinales y circunferenciales debido a la presión (interna o externa)

[pic 1]

1. El esfuerzo directo σw debido al peso del recipiente,  su contenido y cualquier equipo asociado. El esfuerzo será de expansión (positivo) para puntos por debajo del plano de los soportes del recipiente, y compresivo (negativo) para los puntos por encima de los soportes

[pic 2]

Donde Wz es el peso total que soporta la pared del recipiente en el plano considerado

1. Esfuerzos de flexión que resultan de los momentos de flexión a los que el recipiente està sujeto. Los momentos de flexión estarán provocados por:

1. Las cargas de viento
2. Los cabezales sísmicas
3. EL peso propio y los cabezales de viento en las tuberías y equipo que se asocia al recipiente
4. Para recipientes horizontales con soportes de abrazadera

Los esfuerzos de pandeo serán compresivos o extensivos, dependiendo de la localización, y vienen dadas por

[pic 3]

Donde M es el momento total de flexión al plano a considerar y Iv el momento segundo del área del recipiente alrededor del plano de flexión

[pic 4]

1. Esfuerzos de cizalladura de torsión τ resultantes de la torsión provocada por las cargas de compensación del eje del recipiente. Estas cargas normalmente serán pequeñas

El esfuerzo de corte de torsión viene dada por

[pic 5]

Donde

T= torsión aplicada

= momento segundo polar del área = (π/32)[pic 6][pic 7]

ESFUERZOS PRINCIPALES

Los esfuerzos principales vendrán dados por

[pic 8]

[pic 9]

Donde

esfuerzo total longitudinal[pic 10]

       [pic 11]

 se debería contar como positiva si es expansiva y negativa si es compresiva.[pic 12]

 normalmente no es significativo.[pic 13]

El tercer esfuerzo principal, aquel en la dirección radial , normalmente es despreciable para recipientes de pared fina.[pic 14]

INTENSIDAD DE ESFUERZO PERMISIBLE

Normalmente se usa la teoría de esfuerzo de corte máximo para el diseño de recipiente a presión. Usando este criterio la intensidad máxima de esfuerzo en cualquier punto se toma para las propuestas de diseño como el valor numéricamente mas elevado de los siguientes.

[pic 15]

[pic 16]

[pic 17]

El espesor de pared del recipiente debe ser suficiente para garantizar que la intensidad máxima de esfuerzo no exceda el esfuerzo el esfuerzo máximo permisible.

ESFUERZOS COMPRESIVOS Y ESTABILIDAD ELÁSTICA

Bajo las condiciones donde el esfuerzo axial resultante  debido a las cargas combinadas es compresivo, el recipiente puede fallar por inestabilidad elástica (pandeo). Normalmente el pandeo local se producirá a un esfuerzo menor que aquel requerido para pandear el recipiente completo. Se debe comprobar el diseño de la columna para garantizar que el valor máximo del esfuerzo axial resultante no exceda el valor critico en el que se puede producir el pandeo.[pic 18]

Para una placa curvada sujeta a una carga axial compresiva, el esfuerzo critico de pandeo  viene dado por (Timoshenko, 1936)[pic 19]

[pic 20]

Donde  es el radio de la curvatura.[pic 21]

Tomando la relación de Poisson como 0.3 se obtiene

[pic 22]

Para un diseño detallado, se debería consultar el código ASME EPV Sec. VIII y se debería seguir el procedimiento recomendado en el código.

REFUERZO  

Como con los recipientes bajo presión externa, la resistencia al fallo por pandeo puede aumentar significativamente por el uso de anillos de refuerzo, o tiras longitudinales. En los códigos y estándares se encuentran los métodos para la estimación del esfuerzo critico de pandeo para recipientes reforzados.

CARGAS

Se debe diseñar el recipiente de manera que se evite la peor combinación de las cargas que probablemente se produzcan en las siguientes situaciones:

1. Durante el montaje (o desmantelamiento) del recipiente.
2. Con el recipiente montado, pero si operar.
3. Durante el ensayo (el ensayo de presión hidráulica)
4. Durante una operación normal.

Cargas por peso

Las principales cargas de peso muerto son:

1. La carcasa del reciente.
2. Accesorios del recipiente: agujeros, boquillas
3. Accesorios internos: platos (mas el fluido sobre los platos, serpentines de calefacción y de refrigeración
4. Accesorios eternos: escaleras, plataformas, tuberías
5. Equipo auxiliar que no se autosoporta: condensadores, agitadores
6. Aislamiento
7. El peso del liquido para rellenar el recipiente.

El peso del recipiente y los accesorios se puede calcular a partir de los esquemas preliminares de diseño. Para cálculos preliminares, el peso de un recipiente cilíndrico con terminaciones abombadas y espesor de pared uniforme se puede estimar a partir de la siguiente ecuación:  

[pic 23]

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