SÓLIDOS A GRANEL
9.7 Pestaña 1.5 Dimensionamiento del subsistema de almacenamiento
La pestaña 1.5 es la dedicada al dimensionamiento del almacenamiento. En función de los datos introducidos en dicha pestaña sobre las características del almacenamiento deseado y datos introducidos en la pestaña 1.1 sobre los productos en operación, la herramienta dimensionará una nave de almacenamiento adecuada para dicha operación.
La pestaña se divide en tres bloques en cuatro grandes bloques.
El primero está dedicado a introducir las características generales del almacenamiento, como pueden ser el método de carga y descarga del almacén, la tipología de los muros de contención y la altura de estos.
El segundo dimensiona el área total necesaria de almacenamiento en función de un criterio definido por el usuario relacionado con el mayor volumen de operación en almacenamiento.
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El tercer apartado permite al usuario determinar el área de almacenamiento necesaria para almacenar cada uno de los lotes en operación.
El cuarto, y último apartado, permite comprobar la posibilidad de almacenamiento de varios lotes en función de la capacidad máxima del almacén y de la relación entre tiempos de almacenamiento máximos de lotes y ritmo de operación de la terminal.
Por lo tanto, con la pestaña 1.5 de la herramienta, el usuario podrá dimensionar el almacén en la fase de diseño de la terminal y podría gestionar el funcionamiento de dicho almacén en la fase de operación.
A continuación, se detalla el funcionamiento de cada uno de los apartados resumidos anteriormente: - Características generales del almacenamiento
El primer dato que se solicita al usuario es la determinación de una luz máxima para la nave de almacenamiento. En proyectos de diseño de terminales, este valor puede verse condicionado por el área de parcela disponible para dicho almacenamiento y por limitaciones en el diseño y cálculo de la estructura. Debido a esto se han establecido en la herramienta unas luces para las naves de almacenamiento entre 50 y 80 m.
Una vez determinado el ancho es necesario establecer el método de carga y de descarga del almacén.
El método de carga considerado, como se indicó al describir las hipótesis de diseño consideradas para el diseño de la herramienta, es una cinta transportadora cenital con un carro tripper acoplado. El usuario debe determinar si este carro tripper contará con la posibilidad de moverse en el sentido transversal del almacén o no.
La elección de un tipo u otro de método de carga tendrá influencia en la determinación de las dimensiones del almacén. La posibilidad de desplazarse transversalmente permitirá aprovechar mejor el área de almacenamiento, reduciéndose las dimensiones del silo necesario para contener un producto.
Figura 9-6 Plano transversal en almacenamiento con tripper con posibilidad de movimiento transversal
Para el caso de tripper sin movimiento transversal, la herramienta considera un metro de distancia entre el muro central y la posición transversal extrema del producto almacenado, debido al vertido del material.
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Figura 9-7 Plano transversal en almacenamiento con tripper sin posibilidad de movimiento transversal
En cuanto al método de descarga del almacén, la herramienta presenta la posibilidad de elegir entre dos modalidades: de forma automática y continua (mediante un apilador) o de forma discontinua (mediante palas cargadoras).
Este parámetro tiene incidencia en el dimensionamiento del almacén, ya que la herramienta considera un pasillo longitudinal en cada lateral de la nave de 2,5 m ancho para el caso de la descarga mediante apilador continuo y de 5 m de ancho en el caso de realizarse la descarga mediante palas cargadoras.
Figura 9-8 Pasillos longitudinales de descarga
Una vez definidas las características de la carga y la descarga del almacén, y antes de definir la geometría y altura de los muros de contención, el usuario debe determinar la estrategia de llenado de los silos a seguir en la operación. La herramienta considera las siguientes tres posibilidades en cuanto al llenado de los muros:
- A borde de muro se aprovecha la totalidad de la altura de los muros de contención para soportar el producto. Este tipo de estrategia es adecuada en almacenamientos con productos muy similares en los que no supone un asunto de gravedad la posibilidad de mezcla entre dos lotes.
- Al 90% se considera la altura máxima de llenado del silo el 90% de la altura máxima de los muros de contención. Este tipo de estrategia es adecuada en almacenamientos con productos similares en los que es aconsejable que no se produzcan mezclas entre distintos lotes.
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- Al 80% se considera la altura máxima de llenado del silo el 80% de la altura máxima de los muros de contención. Este tipo de estrategia es adecuada en almacenamientos con productos diferentes en los que no se deben producir mezclas entre distintos lotes.
Figura 9-9 Diferentes estrategias de llenado de silos consideradas
A continuación, se pasa a definir la tipología de muros de contención que se utilizarán en el almacenamiento. Es necesario introducir la tipología los muros centrales, los extremos y los separadores interiores. La herramienta permite definir todos ellos como in situ o prefabricados. La elección de una u otra tipología de muro condicionará la altura máxima posible a seleccionar en los siguientes puntos.
Aparte de si serán in situ o prefabricados, también es necesario determinar la geometría de los muros extremos y separadores interiores. La herramienta permite considerarlos constantes en altura o con un desnivel en su cota superior.
Figura 9-10 Diferentes geometrías de muros consideradas y sus dimensiones principales
Además, en los separadores interiores, siempre que se hayan definido como prefabricados la herramienta permitirá seleccionar al usuario la posibilidad de que estos sean fijos o móviles. En este tipo de almacenamiento es común la utilización de muros móviles como separadores debido a la gran versatilidad que ofrecen.
Una vez determinadas las características tipológicas de los muros de contención, el usuario debe determinar la altura máxima que presentarán dichos muros.
A continuación, se recogen en distintas tablas, las valores de altura que la herramienta permite seleccionar al usuario para las distintas tipologías de muros existentes.
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Tabla 9-29 Alturas de muros centrales en función de su tipología Altura muros centrales in situ
(m)
Altura muros centrales prefabricados (m) 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 12
Tabla 9-30 Dimensiones de muros extremos y separadores interiores en función de su tipología Altura muros extremos y
separadores interiores fijos in situ (m)
Altura muros extremos y separadores interiores fijos
prefabricados (m) 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10
Tabla 9-31 Altura de los separadores interiores móviles Altura separadores interiores
móviles (m) 2 3 4 5
- Dimensionamiento de la nave de almacenamiento
Como se ha comentado anteriormente en este apartado se dimensiona la nave de almacenamiento en base al criterio establecido por el usuario, de los siguientes:
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- Nave con capacidad para almacenar el lote de mayor volumen
- Nave con capacidad para almacenar dos veces el lote de mayor volumen - Nave con capacidad para almacenar tres veces el lote de mayor volumen - Nave con capacidad para almacenar cuatro veces el lote de mayor volumen
Para comenzar la herramienta presenta los distintos volúmenes a almacenar en función de los datos introducidos en la pestaña 1.1. Para calcular estos volúmenes tiene en cuenta el calado máximo del puerto, determinando que buques tienen posibilidad de atraque y las capacidades máximas de estos buques en base a la densidad del producto en operación, y el porcentaje de transferencia intermodal directa de dichos lotes. Por lo tanto el volumen que contendrá cada lote se calcula de la siguiente forma:
𝑉𝑙𝑜𝑡𝑒 = min (𝑣𝐵𝑢𝑞𝑢𝑒𝑚𝑎𝑥[𝑚3];
𝑃𝐵𝑢𝑞𝑢𝑒𝑚𝑎𝑥[𝑡]
𝜌𝑝𝑟𝑜𝑑[𝑚𝑡3]
) ∗ (1 − 𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓. 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑐𝑡𝑎)
Una vez calculados los volúmenes de los distintos lotes a almacenar, la herramienta selecciona el superior y calcula el silo necesario para almacenar dicho lote.
En función del criterio de dimensionamiento elegido por el usuario la herramienta calculará el silo de forma que considere dos muros extremos o un muro extremo y un separador interior, además del muro central. La longitud de nave necesaria también se obtendrá multiplicando o dividiendo la longitud del silo necesaria en base al criterio de dimensionamiento tomado.
En la siguiente imagen se muestra el dimensionamiento de la nave de almacenamiento en base a los distintos criterios de dimensionamiento.
Figura 9-11 Opciones de dimensionamiento de la nave de almacenamiento
En la siguiente tabla se indica la forma de obtención de la longitud de nave necesaria en función del criterio de dimensionamiento seleccionado.
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Tabla 9-32 Longitud de nave de almacenamiento de la nave en base a los distintos criterios de dimensionamiento
Criterio de dimensionamiento Longitud de la nave necesaria Nave con capacidad para almacenar el lote de
mayor volumen 0,5 x Longitud silo mayor volumen
Nave con capacidad para almacenar dos veces
el lote de mayor volumen Longitud silo mayor volumen Nave con capacidad para almacenar tres veces
el lote de mayor volumen 1,5 x Longitud silo mayor volumen Nave con capacidad para almacenar cuatro
veces el lote de mayor volumen 2 x Longitud silo mayor volumen
- Dimensionamiento del silo de almacenamiento
En este apartado se ofrece al usuario la posibilidad de determinar las dimensiones del silo necesario para almacenar cualquiera de los lotes posibles de la operación.
Por defecto, se calcula el tamaño del silo sin considerar muros extremos longitudinales, aunque se ofrece al usuario la posibilidad de considerarlos seleccionando dicha opción.
Comenzando por el caso en el que no existen muros extremos longitudinales, a continuación, se presenta el método seguido en el diseño de la herramienta.
Para calcular el tamaño de silo necesario para almacenar un lote, el usuario solo debe seleccionar el producto y el tipo de buque (para obtener el volumen del lote a almacenar), el tipo de silo y la altura de descarga del tripper.
La elección del tipo de silo hace referencia a los muros de contención que lo delimitan. La herramienta considera silos “Tipo 1” formados por el muro central, un muro extremo y separadores interiores, y silos “Tipo 2” formados por el muro central y separadores interiores.
La altura de descarga del tripper tendrá influencia en la altura máxima a la que puede establecerse el almacenamiento de un material. La herramienta considera como altura máxima de almacenamiento de un material la mínima entre la altura de descarga del tripper menos un metro y la debida a las características del material.
𝐻𝐴𝑚𝑎𝑥= min(𝐻𝑡𝑟𝑖𝑝𝑝𝑒𝑟− 1; 𝐻max 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜)
La altura máxima de almacenamiento debida al producto está determinada por el plano transversal del silo. En función del ángulo de reposo del material, la altura de llenado de los muros longitudinales y la diferencia entre estas, la longitud transversal de almacenamiento y la posibilidad de movimiento del tripper en el plano transversal, puede determinarse dicha altura.
Los tres casos que pueden presentarse son:
- El ángulo de reposo del producto es mayor que el ángulo formado entre las alturas de llenado y el tripper tiene la posibilidad de desplazarse transversalmente.
- El ángulo de reposo del producto es mayor que el ángulo formado entre las alturas de llenado y el tripper no tiene la posibilidad de desplazarse transversalmente.
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Si el ángulo de reposo del producto es mayor que el ángulo formado entre las alturas de llenado, se presentan las siguientes posibilidades en función del movimiento transversal del tripper.
Figura 9-12 Altura de almacenamiento transversal con carga con tripper con movimiento transversal y sin movimiento transversal, respectivamente
Si el tripper puede desplazarse transversalmente la altura máxima de llenado se obtiene de la siguiente forma:
𝐻𝐴𝑚𝑎𝑥= 𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶+ (
𝐿𝑇 − (𝐻𝑙𝑙𝑡𝑔𝛽𝑀𝐶)
2 ) ∗ 𝑡𝑔𝛽
Si el tripper no puede desplazarse transversalmente la altura máxima de llenado se obtiene de la siguiente forma:
𝐻𝐴𝑚𝑎𝑥= 𝑚𝑖𝑛(𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶+ 𝑡𝑔𝛽; (𝐿𝑇 − 1) ∗ 𝑡𝑔𝛽)
siendo, para ambos casos:
- 𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶 altura de llenado del muro central
- 𝐿𝑇 longitud transversal del silo de almacenamiento - 𝛽 ángulo de reposo del producto (°)
Si el ángulo de reposo del producto es menor que el ángulo formado entre las alturas de llenado, la altura máxima de llenado se obtiene de la siguiente forma:
𝐻𝐴𝑚𝑎𝑥= 𝐿𝑇 ∗ 𝑡𝑔𝛽
107 Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
Figura 9-13 Altura de almacenamiento de productos con un ángulo de reposo menor al formado por sus alturas de llenado transversales
La herramienta proporciona la altura máxima de almacenamiento en función del producto a almacenar y las características del almacenamiento.
Una vez que la herramienta proporciona el valor de altura máxima, se ofrece al usuario la elección de la altura de almacenamiento deseada para dimensionar el silo.
Para el dimensionamiento del silo la herramienta determina primeramente las posiciones extremas de vertido del tripper, para cumplir las condiciones de las alturas de llenado deseadas.
Si la altura de almacenamiento es inferior o igual a la altura máxima de llenado de algún muro, la posición de descarga relativa a ese muro de contención será cero.
Si la altura de almacenamiento es superior a la altura máxima de llenado de algún muro, la posición de descarga relativa a ese muro se determinará de la siguiente forma:
𝑃𝑇 =𝐻𝐴 − 𝐻𝑙𝑙 𝑡𝑔𝛽
Una vez se tienen las posiciones extremas del tripper, se comienza a determinar la longitud necesaria del silo. Para dimensionar el silo, se ha aproximado la forma que tomaría el producto almacenado a la de distintos cuerpos geométricos (prismas, cilindros, conos,…), con el objetivo de poder calcular el espacio que ocuparían los distintos volúmenes de producto. En la siguiente imagen se presenta un esquema en planta de los cuerpos geométricos utilizados en el cálculo.
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Conocidas las posiciones del tripper, pueden obtenerse los volúmenes de los triángulos longitudinales (Vt1 y Vt2 en la figura anterior) y los de los conos y cilindros de esquina (Ve1, Ve2, Ve3 y Ve4 en la figura anterior). Los volúmenes de los triángulos longitudinales se obtienen restando el área de pérdidas al área bruta contenida y multiplicando por la longitud entre las posiciones extremas transversales del tripper.
𝑉𝑇1 = ( (𝑃𝐼𝐿 ∗ 𝐻𝐴) − ( (𝐻𝐴 − 𝐻𝑙𝑙𝑡𝑔𝛽 1) ∗ (𝐻𝐴 − 𝐻𝑙𝑙1) 2 ) ) ∗ (𝑃𝐹𝑇 − 𝑃𝐼𝑇) 𝑉𝑇2 = ( (𝑃𝐼𝐿 ∗ 𝐻𝐴) − ( (𝐻𝐴 − 𝐻𝑙𝑙𝑡𝑔𝛽 1) ∗ (𝐻𝐴 − 𝐻𝑙𝑙1) 2 ) ) ∗ (𝑃𝐹𝑇 − 𝑃𝐼𝑇)
Los volúmenes de las esquinas se han aproximado a un cuarto de cono en las esquinas en las que uno de los laterales no tiene muro de contención (Ve3 y Ve4), y a un cuarto de cilindro más un cuarto de cono en los casos en el que el producto está contenido contra un muro tranversal y uno longitudinal.
𝑉𝑒1= 𝜋 ∗ (𝐻𝐴 − min (𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶; 𝐻𝑙𝑙𝑀𝑇1)) ∗ (𝑃𝐼𝐿 + 𝑃𝐼𝑇2 )2 12 + 𝜋 ∗ min (𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶; 𝐻𝑙𝑙𝑀𝑇1) ∗ (𝑃𝐼𝐿 + 𝑃𝐼𝑇2 )2 4 𝑉𝑒2 = 𝜋 ∗ (𝐻𝐴 − min (𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶; 𝐻𝑙𝑙𝑀𝑇2)) ∗ ( 𝑃𝐼𝐿 + 𝑃𝐼𝑇 2 ) 2 12 + 𝜋 ∗ min (𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶; 𝐻𝑙𝑙𝑀𝑇2) ∗ ( 𝑃𝐼𝐿 + 𝑃𝐼𝑇 2 ) 2 4 𝑉𝑒3= 𝜋 ∗ 𝐻𝐴 ∗ (𝑃𝐼𝐿 + 𝑃𝐹𝑇2 )2 12 𝑉𝑒4= 𝜋 ∗ 𝐻𝐴 ∗ (𝑃𝐹𝐿 + 𝑃𝐹𝑇2 )2 12
siendo, en todos los casos:
- HA área de almacenamiento introducida por el usuario - HllMC altura de llenado de los muros centrales
- HllMT altura de llenado de los muros transversales
- PIL posición inicial longitudinal de descarga del tripper - PFL posición final longitudinal de descarga del tripper - PIT posición inicial transversal de descarga del tripper - PFT posición final transversal de descarga del tripper
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- 𝛽 ángulo de reposo del producto (°)
A la hora de calcular los volúmenes de los conos y cilindros, se ha establecido, como criterio de cálculo, tomar el radio como la media entre las dos distancias perpendiculares entre las posiciones extremas del tripper y los muros. Visto en planta, estos cilindros o conos, saldrían del muro cuya distancia a la posición extrema del tripper menor, como puede verse en la imagen. Se ha establecido este criterio para suplir las pérdidas que supone el aproximar la distribución real de material al modelo de cuerpos geométricos considerados en la herramienta.
Figura 9-2 Exceso de material considerado en los conos esquineros para minimizar pérdidas
El último dato que se necesita conocer antes de obtener la longitud necesaria del silo, es el área neta transversal de almacenamiento. Para ello se restan las áreas de los triángulos de las pérdidas debidas al ángulo de reposo del producto almacenado.
𝐴𝑐= (𝐿𝑇 ∗ 𝐻𝐴) − (
(𝐻𝐴 − 𝐻𝑙𝑙𝑡𝑔𝛽 𝑀𝐶) ∗ (𝐻𝐴 − 𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶)
2 ) − (
(𝑡𝑔𝛽𝐻𝐴) ∗ 𝐻𝐴
2 )
Una vez obtenida el área transversal de almacenamiento, es posible obtener la longitud necesaria para el silo de almacenamiento. Para ello hay que igualar los volúmenes calculados al volumen del lote que se quiere almacenar, de la siguiente forma:
𝑉𝑙𝑜𝑡𝑒 = 𝑉𝑡1+ 𝑉𝑡2+ 𝑉𝑒1+ 𝑉𝑒2 + 𝑉𝑒3+ 𝑉𝑒4+ 𝐴𝑐∗ 𝐿
donde la longitud necesaria para almacenar el volumen es:
𝐿 =𝑉𝑙𝑜𝑡𝑒− (𝑉𝑡1+ 𝑉𝑡2+ 𝑉𝑒1+ 𝑉𝑒2 + 𝑉𝑒3+ 𝑉𝑒4) 𝐴𝑐
Una vez calculada la longitud necesaria para almacenar el lote de producto deseado, la longitud necesaria para el silo será:
𝐿𝑠𝑖𝑙𝑜 = 𝑃𝐼𝐿 + 𝐿 + 𝑃𝐹𝐿
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que la herramienta utiliza en el cálculo.
Figura 9-3 Modelo geométrico de cálculo tomado por la herramienta incluyendo muros (3D alámbrico)
Figura 9-4 Modelo geométrico de cálculo tomado por la herramienta sin incluir muros (3D sólido)
Una vez determinada la longitud necesaria para el silo sin considerar la existencia de muros longitudinales extremos, al usuario se le ofrece, como se comentó anteriormente, la posibilidad de incluir muros longitudinales con el fin de reducir la longitud del silo necesaria.
Los muros que la herramienta permite introducir como longitudinales extremos son muros móviles de 2 a 5 m de altura.
Si el usuario elige la opción de colocar muros longitudinales, la herramienta automáticamente pasa a considerar el método de descarga del almacén mediante palas cargadoras. Para considerar la descarga de producto del silo, la herramienta considera además un tramo de 5 m sin colocar muros en el eje longitudinal, con el fin de permitir el acceso de estas palas cargadoras. Dicha configuración se presenta en la siguiente imagen.
111 Manipulación de sólidos a granel en terminales portuarias. Dimensionamiento de instalaciones
Figura 9-5 Características del almacenamiento con muros longitudinales extremos
En el cálculo de la longitud necesaria de este tipo de silo se distinguen dos áreas diferenciadas. Una primera, contenida en los primeros 5 m, que presenta la una configuración parecida al cálculo anterior (al no contar con muro longitudinal) y otra en la que se consideran los muros longitudinales.
El primer paso es determinar las alturas de almacenamiento transversales máximas para cada una de las dos áreas consideradas.
La altura máxima del primer tramo será la misma calculada anteriormente para el caso en el que no existen muros longitudinales.
Para el segundo tramo, pueden presentarse las siguientes situaciones:
- El ángulo de reposo del producto es mayor que el ángulo formado entre las alturas de llenado y el tripper tiene la posibilidad de desplazarse transversalmente.
- El ángulo de reposo del producto es mayor que el ángulo formado entre las alturas de llenado y el tripper no tiene la posibilidad de desplazarse transversalmente.
- El ángulo de reposo del producto es menor que el ángulo formado entre las alturas de llenado.
Si el ángulo de reposo del producto es mayor que el ángulo formado entre las alturas de llenado, se presentan las siguientes posibilidades en función del movimiento transversal del tripper.
Figura 9-6 Altura de almacenamiento máxima considerando muros longitudinales. Tripper con movimiento transversal y sin movimiento transversal, respectivamente
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Si el tripper puede desplazarse transversalmente la altura máxima de llenado se obtiene de la siguiente forma:
𝐻𝐴𝑚𝑎𝑥= 𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶+ (
𝐿𝑇 − (𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶𝑡𝑔𝛽− 𝐻𝑙𝑙𝑀𝐸𝐿)
2 ) ∗ 𝑡𝑔𝛽
Si el tripper no puede desplazarse transversalmente la altura máxima de llenado se obtiene de la siguiente forma:
𝐻𝐴𝑚𝑎𝑥= 𝑚𝑖𝑛(𝐻𝑙𝑙𝑀𝐶+ 𝑡𝑔𝛽; 𝐻𝑙𝑙𝑀𝐸𝐿+ ((𝐿𝑇 − 1) ∗ 𝑡𝑔𝛽))
Si el ángulo de reposo del producto es menor que el ángulo formado entre las alturas de llenado transversales,