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Diseño y estandarización de tanques de almacenamiento de cemento para una capacidad de 50 t m

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Academic year: 2020

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. DISEÑO Y ESTANDARIZACIÓN DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE CEMENTO PARA UNA CAPACIDAD DE 50 T-M. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. MEDIAVILLA CHANCUSIG GERARDO DANIEL gerardomediavillaepn@hotmail.com VALVERDE REYES CHRISTIAN LEONARDO clvr_mecanicaepn@hotmail.com DIRECTOR: ING. CARLOS OSWALDO BALDEÓN VALENCIA MDI carlosbaldeon@hotmail.com CO-DIRECTOR: ING. MAURICIO BOLÍVAR CELY VÉLEZ mauricio.cely@epn.edu.ec. Quito, Julio 2014.

(2) I. DECLARACIÓN Nosotros, Mediavilla Chancusig Gerardo Daniel y Valverde Reyes Christian Leonardo, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. A través de la presente declaración cedemos los derechos de propiedad intelectual correspondiente a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. Mediavilla Chancusig Gerardo Daniel. Valverde Reyes Christian Leonardo.

(3) II. CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Mediavilla Chancusig Gerardo Daniel y Valverde Reyes Christian Leonardo, bajo mi supervisión.. Ing. Carlos Baldeón DIRECTOR DEL PROYECTO. Ing. Mauricio Cely CODIRECTOR DEL PROYECTO.

(4) III. AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios por darme la salud para continuar con mis estudios a lo largo de la carrera y culminar la misma con éxito. A mi familia por estar siempre junto a mí alentándome y brindándome todo su amor, cariño , comprensión y apoyo incondicional en los momentos más duros que he vivido al inicio y durante mi vida universitaria. A la Facultad de Ingeniería Mecánica y sus profesores que durante la carrera supieron darme principios de investigación y hacerme notar que nunca es suficiente solo lo escrito en un pizarrón. Al Ingeniero Carlos Baldeón quien supo colaborarnos en los momentos exactos para culminar el presente Proyecto de Titulación. Al Ingeniero Mauricio Cely por su colaboración y consejos para culminar con éxito el presente proyecto por su amistad y humildad. A mi amigo y compañero de Tesis Christian Valverde quien me ha demostrado una vez más su esfuerzo y dedicación que fue importante para culminar este proyecto con éxito. GERARDO Agradezco a Dios por regalarme salud e inteligencia a lo largo de mi vida A mis queridos padres por su paciencia, amor y cuidados. Sin su apoyo sin duda esto no habría sido posible. A mis queridos hermanos Daniel y Mayra, por su alegría y fuerza juvenil. A mí sobrino Leonardo por llenar de alegría mi vida. A Brigitte, por ser un soporte y apoyo en los momentos más difíciles a lo largo de esta dura travesía A la Facultad de Ingeniería Mecánica y todos quien forman parte de ella. Agradezco sus enseñanzas y consejos que formaron en mi un mejor ser humano. Al ingeniero Carlos Baldeón y al ingeniero Mauricio Cely por sus enseñanzas, colaboración y consejos en la elaboración de este proyecto A mi amigo y compañero Gerardo por su esfuerzo y dedicación a este proyecto. Sin duda sin tu compromiso esto habría sido mucho más difícil. CHRISTIAN.

(5) IV. DECICATORIA A mi madre la Sra. María Esther Chancusig Casa, quién sola supo sacar adelante a sus seis hijos, madrecita mía has hecho tanto por mí, todo este esfuerzo es insignificante frente a todas tus acciones por esto y muchas cosas más usted se merece mi total respeto y admiración. A mi hermana Marcela Mediavilla, quién a su corta edad se puso al frente de la familia buscando así mejores días para todos, por tu ayuda hoy escribo estas palabras con alegría y amor. A mi hermana Ximena Mediavilla, que supo darme ejemplo de ser trabajador, fuerte y de no decaer por más duro que sea el camino, gracias por enseñarme a ser un hombre útil en el hogar y la sociedad. A mi hermana Yessenia Mediavilla, de ti aprendí a ser persistente, tener fortaleza y saber que aunque no se tenga un centavo en el bolsillo debes seguir adelante esforzándote para conseguir las metas propuestas. A mi hermana Ligia Mediavilla, tú me has enseñado que por la familia uno debe ser valiente, arriesgado, decidido y destacado en las labores profesionales. A mi hermano Fernando Mediavilla, me siento orgulloso de ti de que estés peleando con coraje y dedicación por tus sueños sigue adelante nunca te dejare solo. A mis sobrinos Kenny, Esteban y Luciana, ustedes llegaron a darle una gran alegría a la familia y a mí un impulso más para ser cada día mejor, ustedes tendrán mi respaldo incondicional siempre. A Jenny Hernández, por tus consejos, por brindarme tu calor y amor incondicional llegaste a mi vida en el momento adecuado, te amo. Todo este esfuerzo está dedicado a todos ustedes gracias por ser mi fuerza, inspiración, coraje y orgullo GERARDO.

(6) V. Dedico este proyecto a mis abuelos que en cada conversación me han regalado sabiduría. Sin sus consejos hoy no estuviera aquí. A mi querida madre América, que con su tierna mano formó en mi la perseverancia y la paciencia. Gracias por levantarme cuando he caído. Usted sabia que este día llegaría, aún cuando tantas veces lo dude. A mi padre Leonardo, junto a usted aprendí el significado de trabajo duro y sacrificio constante. Finalmente padre lo hemos logrado. A Daniel y Mayra. Ustedes han sido compañeros de incontables noches de trabajo silencioso y de importantes enseñanzas. A mi sobrino Leonardo, tus sonrisas han llenado mi vida de alegría. A Brigitte, tu fuerza me inspira a ser mejor, tu voluntad me alienta. Gracias por caminar esta senda conmigo. Gracias por vivir conmigo tantas las alegrías y llantos. A mis profesores y amigos Carlos Valladares y Juan Antonio Serrano, que supieron mostrarme el camino de la superación. A Fabián Noboa, siempre creyó mí y encontró las palabras que me alentaron a seguir adelante. A mis tíos, por ver en mí capacidades que desconocía. Gracias por su apoyo moral a lo largo de estos años. Y finalmente a todos mis compañeros y amigos, con quienes pase tatos momentos en alegría y tristeza.. CHRISTIAN.

(7) VI. CONTENIDO CONTENIDO ......................................................................................................... VI CONTENIDO DE TABLAS .................................................................................... XI CONTENIDO DE FIGURAS ................................................................................ XIII CAPÍTULO I ........................................................................................................... 1 1.. GENERALIDADES .................................................................................. 1. 1.1.. TANQUES DE ALMACENAMIENTO ....................................................... 1. 1.2.. TIPOS DE TANQUES ............................................................................. 1. 1.2.1.. SEGÚN LA FORMA Y DISPOSICIÓN DE SUS EJES DE SIMETRÍA ...... 1. 1.2.2.. SEGÚN LA PRESIÓN .............................................................................. 2. 1.2.3.. SEGÚN LA TEMPERATURA DE ALMACENAMIENTO ........................... 2. 1.2.4.. SEGÚN LA UNIÓN DE LAS LÁMINAS .................................................... 3. 1.2.5.. SEGÚN LA CAPACIDAD DE MOVILIZARSE........................................... 3. 1.2.6.. SEGÚN EL PRODUCTO ALMACENADO ................................................ 4. 1.2.7.. SEGÚN EL TIPO DE TECHO PETRÓLEO Y SUS DERIVADOS .......... 10. 1.2.8.. SEGÚN EL TIPO TAPA PARA SÓLIDOS EN GENERAL ...................... 14. CAPITULO II ........................................................................................................ 20 2.. CEMENTO: PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO .......................... 20. 2.1.. RESEÑA HISTORIA .............................................................................. 20. 2.1.1.. HISTORIA DEL CEMENTO PORTLAND ............................................... 20. 2.2.. DEFINICIÓN DEL CEMENTO ............................................................... 22. 2.2.1.. TIPOS DE CEMENTOS ......................................................................... 22. 2.3.. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL CEMENTO ..................... 26. 2.3.1.. COMPUESTOS PRINCIPALES DEL CEMENTO................................... 27. 2.3.2.. REQUISITOS FÍSICOS Y QUÍMICOS DEL CEMENTO ......................... 30. CAPÍTULO III ....................................................................................................... 38 3.. ESTANDARIZACIÓN Y ALTERNATIVAS ............................................. 38.

(8) VII. 3.1.. ESTANDARIZACIÓN ............................................................................ 38. 3.2.. OBJETIVO Y BENEFICIOS DE LA ESTANDARIZACIÓN ................... 38. 3.2.1.. OBJETIVO .............................................................................................. 38. 3.2.2.. BENEFICIOS DE LA ESTANDARIZACIÓN............................................ 40. 3.3.. CRITERIOS DE ESTANDARIZACIÓN .................................................. 40. 3.3.1.. DIMENSIONES COMUNES ................................................................... 41. 3.3.2.. MATERIAL EMPLEADO ......................................................................... 41. 3.3.3.. USO DEL SISTEMA MÉTRICO DE MEDIDA ......................................... 41. 3.3.4.. EL CÁLCULO Y PROCESO DE DISEÑO .............................................. 41. 3.3.5.. GEOMETRÍA Y PROCESO DE FABRICACIÓN .................................... 42. 3.4.. ALTERNATIVAS DE DISEÑO ............................................................... 42. CAPÍTULO IV ....................................................................................................... 50 4.. PARÁMETROS DE DISEÑO ................................................................. 50. 4.1.. PESO ESPECÍFICO DEL CEMENTO ................................................... 50. 4.2.. DIÁMETRO DEL SILO .......................................................................... 51. 4.3.. ÁNGULO DE INCLINACIÓN DE LA TOLVA [ɵ ] .................................... 51. 4.4.. ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNO DEL MATERIAL [β] ...................... 51. 4.5.. ÁNGULO DE FRICCIÓN MATERIAL – PARED [ᶲ ] .............................. 53. 4.6.. DIÁMETRO DE LA BOCA DE SALIDA ................................................. 53. 4.7.. TIPOS DE FLUJO ................................................................................. 54. 4.7.1.. FLUJO MÁSICO ..................................................................................... 54. 4.7.2.. FLUJO DE CONDUCTO Ó TUBULAR ................................................... 55. 4.7.3.. REQUISITOS QUE DEBE CUMPLIR UN SISTEMA .............................. 57. 4.8.. TEORÍAS DE LOS ESPECIALISTAS MÁS IMPORTANTES ............... 58. 4.8.1.. WALKER ................................................................................................ 58. 4.8.2.. TEORÍA DEL EMPUJE DE TIERRAS DE COULOMB Y RANKINE ....... 60. 4.8.3.. TEORÍA DE KOVTUM Y PLATANOV .................................................... 61.

(9) VIII. 4.8.4.. MÉTODO DE JANSSEN ........................................................................ 62. 4.8.5.. NORMAS DIN 1055 (1964) ALEMANIA ................................................. 64. 4.8.6.. NUEVA NORMA ALEMANA PARA EL CÁLCULO DE SILOS 1986 ...... 68. 4.8.7.. PRESIONES LATERALES SEGÚN EL DR. RAVANET ......................... 72. CAPÍTULO V ........................................................................................................ 76 5.. CÁLCULOS Y DISEÑO ......................................................................... 76. 5.1.. DIN 1055 (ACCIONES EN SILOS Y TANQUES) .................................. 76. 5.2.. ASME SECCIÓN II ................................................................................ 76. 5.3.. ASME SECCIÓN VIII, DIVISIÓN 1 ........................................................ 77. 5.4.. PRESIONES EJERCIDAS EN EL SILO ................................................ 78. 5.4.1.. PRESIONES DE LLENADO ................................................................... 78. 5.4.2.. PRESIONES SOBRE LA TOLVA ........................................................... 81. 5.5.. EUROCÓDIGO UNE-ENV_1991-49 ..................................................... 83. 5.5.1.. PRESIÓN POR FRICCIÓN EN LA PARED DEL SILO ........................... 83. 5.5.2.. PRESIÓN HORIZONTAL EN LA ZONA DE TRANSICIÓN .................... 84. 5.5.3.. PRESIÓN LOCAL DE VACIADO ............................................................ 84. 5.5.4.. PRESIÓN HORIZONTAL DE VACIADO ................................................ 84. 5.5.5.. PRESIÓN VERTICAL DE VACIADO ...................................................... 85. 5.5.6.. PRESIÓN ADICIONAL PARA SILOS CON FLUJOS MÁSICOS ............ 85. 5.5.7.. PRESIÓN ESTÁTICA GENERADA POR LA COLUMNA ....................... 85. 5.6.. PRESIÓN DE DISEÑO .......................................................................... 86. 5.6.1.. PRESIÓN DE OPERACIÓN ................................................................... 86. 5.6.2.. PRESIÓN DE DISEÑO ........................................................................... 86. 5.7.. CÁLCULO PARA DETERMINAR EL ESPESOR DE PARED ............... 87. 5.8.. CÁLCULO DE ESPESORES DE LA ENVOLVENTE ............................ 88. 5.9.. ENVOLVENTES CILÍNDRICAS ............................................................ 89. 5.9.1.. ESFUERZO CIRCUNFERENCIAL ......................................................... 89.

(10) IX. 5.9.2.. ESFUERZO LONGITUDINAL................................................................. 90. 5.10.. CÁLCULO DE ESPESORES DE LA TAPA ........................................... 91. 5.11.. CÁLCULO DE ESPESORES DE LA SECCIÓN CÓNICA (TOLVA) ...... 93. 5.12.. CÁLCULO SE ESFUERZOS PRINCIPALES EN EL CUERPO ............. 94. 5.12.1.. CÍRCULO DE MOHR ............................................................................. 94. 5.12.2.. ÁNGULO DE ORIENTACIÓN................................................................. 96. 5.12.3.. FACTORES DE SEGURIDAD ................................................................ 98. 5.13.. ESFUERZOS ACTUANTES EN LA TOLVA DE SILO ........................... 99. 5.13.1.. ESFUERZO TRANSVERSAL ............................................................... 101. 5.13.2.. ESFUERZO LONGITUDINAL............................................................... 101. 5.13.3.. ESFUERZO DE TRACCIÓN ................................................................ 101. 5.14.. DISEÑO DE COLUMNAS.................................................................... 102. 5.14.1.. COLUMNAS SUJETAS A CARGAS AXIALES ..................................... 102. 5.14.2.. DISEÑO POR ESFUERZOS PERMISIBLES ....................................... 103. 5.14.3.. CURVA DE EULER .............................................................................. 104. 5.14.4.. FACTOR DE SEGURIDAD................................................................... 106. 5.14.5.. CÁLCULOS .......................................................................................... 107. 5.15.. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LAS OREJAS DE IZAJE .................... 118. 5.15.1.. CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA PLACA DE RESPALDO ................ 120. 5.15.2.. ÁREA DE SOLDADURA EN OREJAS DE IZAJE ................................. 120. 5.16.. DISEÑO DE CONEXIONES SOLDADAS............................................ 121. 5.16.1.. JUNTA A TOPE .................................................................................... 121. 5.16.2.. DISEÑO DE JUNTAS A FILETE .......................................................... 124. 5.16.3.. DISEÑO DE PLACA BASE................................................................... 125. 5.17.. DISEÑO DE PERNOS DE ANCLAJE .................................................. 128. 5.17.1.. CÁLCULO DE LONGITUD DEL PERNO DE ANCLAJE ...................... 129. 5.18.. PLACAS DE MÉNSULA ...................................................................... 130.

(11) X. 5.19.. REQUERIMIENTOS PARA ESCALERAS ........................................... 131. 5.20.. CÁLCULO DE REFUERZO DE REGISTRO DE HOMBRE ................. 132. 5.21.. CÁLCULO DE TAPA PLANA PARA EL REGISTRO DE HOMBRE .... 135. CAPÍTULO VI ..................................................................................................... 138 6.. PROCEDIMIENTOS DE FABRICACIÓN Y MONTAJE ....................... 138. 6.1.. PROCESOS DE FABRICACIÓN ......................................................... 138. 6.1.1.. PROCESOS DE TRAZADO ................................................................. 139. 6.1.2.. PROCESOS DE CORTE ...................................................................... 139. 6.1.3.. CONFORMADO POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA ............................ 141. 6.1.4.. PROCESOS DE SOLDADURA ............................................................ 142. 6.1.5.. PRUEBA HIDROSTÁTICA ................................................................... 146. 6.1.6.. PREPARACIÓN DE LA SUPERFICIE .................................................. 146. 6.1.7.. PROCESO DE PINTURA ..................................................................... 149. 6.2.. PROCESOS DE MONTAJE ................................................................ 151. 6.2.1.. SECUENCIA DE MONTAJE................................................................ 151. CAPITULO VII .................................................................................................... 154 7.. ANÁLISIS DE COSTOS ...................................................................... 154. 7.1.. COSTO ................................................................................................ 154. 7.1.1.. CLASIFICACIÓN DE COSTOS ............................................................ 154. 7.2.. ANÁLISIS DE LOS PRECIOS UNITARIOS ......................................... 156. 7.2.1.. COSTOS DIRECTOS ........................................................................... 157. 7.2.2.. COSTOS INDIRECTOS ....................................................................... 160. 7.2.3.. COSTO TOTAL DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO .................... 162. CONCLUSIONES............................................................................................... 163 RECOMENDACIONES ...................................................................................... 165 BIBLIOGRAFÍA Y SITIOS WEB ......................................................................... 166.

(12) XI. CONTENIDO DE TABLAS Tabla 1-1: Clasificación de tanques de almacenamiento ....................................... 4 Tabla 1-2: Tipo de tapas ...................................................................................... 16 Tabla 2-1: Tipos de cemento ................................................................................ 25 Tabla 2-2: Equivalencias entre normas ................................................................ 26 Tabla 2-3: Composición del cemento ................................................................... 27 Tabla 2-4: Resumen de los compuestos del cemento .......................................... 29 Tabla 2-5: Requisitos físicos- químicos ................................................................ 37 Tabla 3-1: Tipos de tapas ventajas y desventajas ................................................ 43 Tabla 3-2: Criterios de selección de la tapa del recipiente ................................... 44 Tabla 3-3: Evaluación de alternativas según el primer criterio ............................. 44 Tabla 3-4: Evaluación de alternativas según el segundo criterio.......................... 44 Tabla 3-5: Evaluación de alternativas según el tercer criterio .............................. 45 Tabla 3-6: Conclusión de la selección .................................................................. 45 Tabla 3-7: Tipo de entrada de hombre: ventajas y desventajas ........................... 46 Tabla 3-8: Criterios de selección para la entrada de hombre ............................... 46 Tabla 3-9: Evaluación de las alternativas según el primer criterio........................ 47 Tabla 3-10: Evaluación de las alternativas según el segundo criterio .................. 47 Tabla 3-11: Evaluación de alternativas según el tercer criterio ............................ 47 Tabla 3-12: Evaluación de alternativas según el cuarto criterio ........................... 47 Tabla 3-13: Conclusión de selección .................................................................... 48 Tabla 3-14: Análisis de linea de descarga ............................................................ 48 Tabla 4-1: Ángulos de fricción material-pared ...................................................... 52 Tabla 4-2: Caracteristicas de los tipos deflujo ...................................................... 56 Tabla 5-1: Partes del código ASME sección VIII .................................................. 77 Tabla 5-2: Factor de forma ................................................................................. 109 Tabla 5-3: Factor entorno/altura ......................................................................... 109 Tabla 5-4: Especificaciones generales perfiles IPE laminados en caliente ........ 117 Tabla 5-5: Dimensiones de las orejas de izaje ................................................... 119 Tabla 5-6: Tipos de soldadura a tope ................................................................. 124 Tabla 6-1: Rendimiento de pintura según aplicación .......................................... 150 Tabla 7-1: Costos de materia prima ................................................................... 157 Tabla 7-2: Costos de fabricación de pernos y placas ......................................... 158.

(13) XII. Tabla 7-3: Costos de montaje ............................................................................ 159 Tabla 7-4: Costo de mano de obra ..................................................................... 159 Tabla 7-5: Costos de tratamiento superficial ...................................................... 160 Tabla 7-6: Costo directo total ............................................................................. 160 Tabla 7-7: Costos indirectos ............................................................................... 161 Tabla 7-8: Costo de transporte ........................................................................... 161 Tabla 7-10: Costo indirecto total......................................................................... 162 Tabla 7-11: Costos totales.................................................................................. 162.

(14) XIII. CONTENIDO DE FIGURAS Figura 1-1: Tanque de almacenamiento de agua ................................................... 6 Figura 1-2: Ensamblaje de planchas de pared ....................................................... 7 Figura 1-3: Detalle de impermeabilización entre planchas ..................................... 7 Figura 1-4: Tanque domiciliario .............................................................................. 8 Figura 1-5: Tanque de fondo cónico ....................................................................... 9 Figura 1-6: Tanque atmosférico con techo flotante .............................................. 11 Figura 1-7: Silo de tránsito ................................................................................... 11 Figura 1-8: Tanque atmosférico de techo fijo ...................................................... 13 Figura 4-1: Flujo másico de un material pulverulento ........................................... 55 Figura 4-2: Flujo de conducto o tubular ................................................................ 56 Figura 4-3: Diagrama de aumento de presión vs longitud del silo ........................ 58 Figura 4-4: Elemento diferencial de Janssen ....................................................... 63 Figura 5-1: Presiones existentes en el silo ........................................................... 79 Figura 5-2: Presiones ejercidas sobre la tolva...................................................... 82 Figura 5-3: Esfuerzos circunferenciales y longitudinales ...................................... 90 Figura 5-4: Tapa toriesférica ................................................................................ 91 Figura 5-5: Sección cónica (tolva) ........................................................................ 93 Figura 5-6: Esfuerzos principales representados en sus ejes ............................. 97 Figura 5-7: Representación de esfuerzos principales .......................................... 98 Figura 5-8: Presiones actuantes sobre las paredes de la tolva .......................... 100 Figura 5-9: Curva de Euler ................................................................................. 104 Figura 5-10: Diagrama de la carga de viento ..................................................... 110 Figura 5-11: Diagrama de cuerpo libre ............................................................... 111 Figura 5-12: Relaciones de rigidez ..................................................................... 113 Figura 5-13: Forma de un perfil IPE ................................................................... 118 Figura 5-14: Tipos de juntas y sus geometrías................................................... 122 Figura 5-15: Partes de una soldadura a filete..................................................... 125 Figura 5-16: Placa base ..................................................................................... 126 Figura 5-17: Perno de anclaje ............................................................................ 128 Figura 5-18: Ménsulas ........................................................................................ 130 Figura 5-19: Entrada de hombre ........................................................................ 132 Figura 6-1: Efecto de cizalla ............................................................................... 140.

(15) XIV. Figura 6-2: Rolado de un cono ........................................................................... 142 Figura 6-3: Acabado metal blanco...................................................................... 148 Figura 6-4. Pluma de izaje.................................................................................. 152.

(16) XV. RESUMEN El presente Proyecto de Titulación se enfoca al “Diseño y Estandarización de Tanques de Almacenamiento de Cemento para una Capacidad de 50 Toneladas”, mismo que se compone de siete capítulos. A continuación se pasará a indicar brevemente en qué consiste cada capítulo. En el capítulo I se da a conocer las generalidades acerca de los tanques de almacenamiento, tipos y una clasificación de para posteriormente proceder a elegir el tipo de tanque más adecuado y definir los distintos parámetros y material correspondiente para realizar el diseño. Las propiedades físicas y químicas del cemento se expone en el capítulo II, así como también. el comportamiento que este material pulverulento presenta.. Además también describe la clasificación de los diferentes tipos de cemento. El capítulo III estandarización y alternativas, muestra una serie de matrices en las cuales se ha detallado las distintas partes del tanque de almacenamiento, de tal manera que se pueda elegir a cabalidad los componentes del mismo teniendo en cuenta el aspecto técnico – económico. El capítulo IV contiene parámetros de diseño, es el capítulo fundamental para proceder a realizar los correspondientes cálculos estructurales para el tanque de almacenamiento, en este apartado se definen parámetros como: ángulos de fricción internos del material, ángulos de fricción formado entre el cemento y la pared del material que lo almacena, el diámetro del tanque de almacenamiento, el ángulo de inclinación de la tolva, etc. Todos los cálculos pertinentes para el diseño del tanque de almacenamiento se encuentran en el capítulo V .Los cálculos se realizan partiendo de las propiedades mecánicas que presenta el acero ASTM A 516 Gr. 70. que es el ideal para. recipientes de este tipo, así como también de las presiones que se generan producto de la entrada y salida del material almacenado. Los distintos procesos necesarios tanto para la fabricación así como también para el montaje del tanque de almacenamiento se encuentan definidos en el capítulo.

(17) XVI. VI. El capítulo hace referencia a los procesos de soldadura, corte, conformado mecánico, etc. En el capítulo VII se detalla la lista de materiales y su costo. Finalmente se da a conocer las conclusiones y recomendaciones más importantes del presente proyecto..

(18) XVII. PRESENTACIÓN El presente proyecto tiene como objetivo general “Diseñar y estandarizar un prototipo de tanque de almacenamiento de cemento para una capacidad de 50 tm”, que sea capaz de satisfacer las necesidades que poseen las distintas industrias del país. En la actualidad. los tanques de almacenamiento de cemento no tienen. establecido un estándar, es decir: no tienen un régimen de construcción, de uso de materiales, de parámetros de diseño, consideraciones de diseño, etc. De aquí surge la necesidad de establecer. un prototipo de tanque para el. almacenamiento de cemento, puesto que al no tomar en cuenta las consideraciones antes nombradas, los tanques de almacenamiento de cemento han venido presentando problemas al momento de su operación, acortando así su vida útil en las empresas y por consiguiente generando mayores gastos a las mismas por dichos inconvenientes. El prototipo propuesto en este proyecto de titulación abarca todas las consideraciones necesarias para realizar el correcto diseño de los tanques de almacenamiento de cemento, garantizando su correcta operación. También se ha establecido los procesos de fabricación y montaje del tanque de almacenamiento teniendo en cuenta el aspecto técnico-económico. Para establecer el diseño correspondiente se ha seleccionado el material que es adecuado para recipientes sometidos a presión interna y que en la actualidad no presenta mayor complicación en ser importado al país; dicho material es el Acero ASTM A-516 Gr. 70, mismo que presenta excelentes propiedades mecánicas. El diseño, los procedimientos de soldadura, montaje, estandarización y parámetros de diseño se han llevado a cabo empleando normas y códigos vigentes como: AWS D1.1, DIN 1055, EUROCÓDIGO, CÓDIGO ASME SECCIÓN II, CÓDIGO ASME SECCIÓN VIII, MANUAL DEL ASIC y la NORMA API 650..

(19) 1. CAPÍTULO I 1. GENERALIDADES En este capítulo se realizará un análisis de los recipientes de almacenamiento, su clasificación según diferentes criterios y sus principales características basado en sus conceptos y descripciones.El estudio de estos elementos nace de la demandacreciente que la industria presenta por estos equipos, debido a su utilidad en el trasporte, producción, manipulación, almacenamiento y procesos de transformación de líquidos, gases y sólidos como se plantea en este trabajo. Generalmente los recipientes de almacenamiento son asociados a fluidos y diferentes procesos industriales que llevan a la obtención de sus derivados o como contenedores que facilita el almacenamiento y manipulación para un uso en condiciones controladas. Sin embargo, existen aplicaciones no tan comunes donde los productos son elementos sólidos de pequeñas dimensiones comparadas con las de los contenedores o incluso de elementos pulverulentos como el cemento,este análisis será base para la futura selección de alternativas, posterior cálculo y dimensionamiento.. 1.1. TANQUES DE ALMACENAMIENTO Se define como un tanque de almacenamiento a toda estructura capaz de retener productos de diferentes densidades y estados. Sus formas son variadas, y es común encontrarlos en forma cilíndrica1.. 1.2. TIPOS DE TANQUES La selección de un tanque de almacenamiento está en función del tipo de producto a acopiar, a la cantidad requerida, presión y temperatura. Dentro de estas condiciones se puede citar los siguientes tipos de tanques: 1.2.1. SEGÚN LA FORMA Y DISPOSICIÓN DE SUS EJES DE SIMETRÍA Según los ejes de simetría son horizontales, verticales o esféricos y según su geometría pueden ser: Cilíndricos 1. Acosta, M.(1994). Diseño, Fabricación y Erección de Tanques de Almacenamiento para la Industria Petrolera.(Tesis inédita de ingeniería). Escuela Politécnica Nacional, Quito..

(20) 2 Prismáticos Esféricos Elípticos, etc 1.2.2. SEGÚN LA PRESIÓN 1.2.2.1.. Tanques a presión atmosférica. Si la presión de trabajo del recipiente es muy cercana o incluso igual a la presión atmosférica. No se usará este tipo de tanques cuando el producto almacenado sea un fluido y cuyo punto de ebullición sea muy cercano a la temperatura ambiente2. 1.2.2.2.. Tanques a bajas presiones. Usados para que la presión mayoritaria sea la exterior del recipiente. Las presiones internas no llegan a ser iguales a la presión atmosférica 2. 1.2.2.3.. Recipientes a presión. Se denomina como recipiente de presión a cualquier recipiente constituido generalmente por una envolvente, con la capacidad de contener mayoritariamente a un fluido en cualquier estado y de cualquier densidad, cuyas condiciones de temperatura y/o presión son diferentes a las del medio ambiente. Estos contenedores pueden ser usados para procesar, transportar o almacenar sus contenidos. De manera general son recipientes que superan la presión atmosférica y que alcanzan altas presiones acompañadas de variaciones de temperaturas para una mayor eficiencia en cuanto sus puntos de operación. Por ejemplo en el almacenamiento de gases, o en calderas2. 1.2.3. SEGÚN LA TEMPERATURA DE ALMACENAMIENTO Esta clasificación se la realiza tomando en cuenta como referencia térmica la temperatura ambiente2. Altas temperaturas: Recipientes donde el almacenamientos supera los 93ºC según la Norma API 650. 2. León, J.(2001). Diseño y calculo de recipientes a presión.(Edición 2001). Ingesa. Recuperado de http://es.scribd.com/doc/17247549/diseno-y-calculo-derecipientes-a-presion.

(21) 3 Temperatura ambiente: Para temperaturas menores a 93ºC y mayores a 0ºC Bajas temperaturas: Tanques diseñados para temperaturas bajo los 0ºC. (aplicaciones de Criogenia) 1.2.4. SEGÚN LA UNIÓN DE LAS LÁMINAS 1.2.4.1.. Tanques soldados. Son tanques cuyo proceso de unión entre láminas es la soldadura, a través de un proceso en específico. Los tanques pequeños suelen ser ensamblados en plantas y luego son transportados a los lugares de operación. Sin embargo los de gran vólumen son fabricados en el sitio mismo de instalación. Estos tanques son sometidos a numerosas pruebas e inspecciones donde se comprueba la calidad de la soldadura para garantizar su perfecta unión. Son tanques que se usan en instalaciones permanentes debido a que su desmontaje significaría la destrucción del mismo o un complicado proceso en un nuevo ensamblaje3. 1.2.4.2.. Tanques atornillados o empernados. Son tanques utilizados en instalaciones provisionales debido a su facilidad para ser ensamblados y desarmados. En la industria petrolera son usados para capacidades entre 30 y 100 000 barriles3. 1.2.4.3.. Tanques remachados. Son tanques de una capacidad importante que varía entre 240 a 134 000 barriles según las normas API. Son usados para el almacenamiento de petróleo en las concesiones y patios de tanques3. 1.2.5. SEGÚN LA CAPACIDAD DE MOVILIZARSE 1.2.5.1.. Estacionarios. Son tanques diseñados para operar en condiciones fijas y con capacidades aproximadas de 80 metros cúbicos. Son transportables siempre y cuando se use un medio externo como grúas, camiones, etc3. 3. Oria, L. (2008). Diseño y calculo de recipientes a presión, Recuperado:http://www.webaero.net/ingenieria/equipos/Estaticos/Presurizados/Bibliografia _Documentacion/previsualizacion/prev_ORIA_Dise%C3%B1o%20de%20recipientes%20a%20pre sion.pdf.

(22) 4 1.2.5.2.. Transportables. Son tanques fácilmente transportables debido a que tiene medios que proporciona movilidad propia3. 1.2.5.3.. Tanques empernados. Los que están constituidos en un punto fijo pero de manera temporal y para poder trasladarlos es necesario desmontarlos4. 1.2.6. SEGÚN EL PRODUCTO ALMACENADO Tabla 1-1: Clasificación de tanques de almacenamiento. Tanques de almacenamiento de agua. Bebederos Domiciliarios Tanques elevados + torres metálicas Silos cónicos. Tanques para almacenamientos. Silos de fondo plano. de granos. Silos secadores Silos de transito: cemento, carbonato de calcio, balanceados, etc. Eje horizontal: para melaza,. Tanques de almacenamiento de crudo. transporte de agua, gasolina, diesel. Eje vertical: rectangulares para brea, asfalto. Tanques tipo salchicha. Tanques de almacenamiento de. Tanques esféricos: para. gases. contener diferentes gases en cantidades importantes. FUENTE:LOS AUTORES. 4. León, J.(2001). Diseño y calculo de recipientes a presión.(Edición 2001). Ingesa.. Recuperado. recipientes-a-presion. de. http://es.scribd.com/doc/17247549/diseno-y-calculo-de-.

(23) 5 1.2.6.1.. Tanques de almacenamiento de agua. De forma general un tanque de almacenamiento para agua está conformado por láminas de acero corrugado y galvanizado, estos se emplean para formar los anillos de la cédula de almacenamiento, las láminas llevan en sus extremos varios agujeros con el fin de permitir el traslape con otra lámina formando de esta manera el cuerpo del tanque4. Se suele emplear pernos de alta resistencia grado 5 u 8 en las juntas. Normalmente se emplean arandelas metálicas cóncavas y convexas con la finalidad de facilitar el ajuste de los elementos4. Conforme aumenta la altura de agua represada se podría establecer una variación de espesor de la lámina de acero para optimizar el diseño. La unión empernada y traslapada al mismo tiempo brindará rígidez adicional a las paredes del cuerpo del tanque que recibirá un flujo turbulento en la captación 4. Las planchas para pared presentan una geometría ondulatoria que se establecerá dependiendo del diámetro y altura del tanque, obteniéndose así mayor firmeza en la estructura del tanque4. Los tanques corrugados y galvanizados presentan las siguientes ventajas: Versatilidad de construcción Las planchas serán ensambladas rápidamente entre ellas mediante pernos, motivo por el cual su ensamble no demorará tanto a diferencia de otros tanques. Rapidez de montaje Un tanque empernado presenta soluciones emergentes de agua, el montaje se realizará en corto tiempo y sin necesidad de contar con una mano de obra especializada. No existen gastos en control de calidad Debido a la no existencia de soldaduras, no existirá gasto adicional en el control de calidad. La única inspección requerida es la comprobación de la fuerza de ajuste aplicada a la junta mediante un torquimetro4..

(24) 6 Limpieza y mantenimiento Los tanques para almacenamiento de agua comúnmente reciben un tratamiento superficial. Debido al previo tratamiento superficial las paredes y techo del depósito pueden ser limpiadas sin ningún problema, incluso resisten operaciones de cepillado5.. Figura 1-1: Tanque de almacenamiento de agua FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM. En el figura 1-1 se puede apreciar un tanque compuesto por dos anillos con junta emperanda. El techo cónico cubre al recipiente de almacenamiento.. 5. Primer seminario Nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM.

(25) 7. Figura 1-2: Ensamblaje de planchas de pared FUENTE:Primer seminario Nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM. Figura 1-3: Detalle de impermeabilización entre planchas FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM. 1.2.6.1.1.. Tanques bebederos. A continuación. se presentará las principales características de este tipo de. tanques: Generalmente tienen poca altura y gran diámetro. Estos tanques presentan un borde redondeado en su parte superior reduciendo así la posibilidad de corte del cuello de los animales. Fácil montaje y mantenimiento. No se necesita personal calificado..

(26) 8 Fácil transporte de las partes que componen el tanque. Estos tanques son empleados principalmente en la industria ganadera y en criaderos de peces, camaroneras y tanques de floculación5. 1.2.6.1.2.. Tanques domiciliarios. Estos tanques generalmente presentan poca capacidad de volumen, y además son de peso ligero. Son de un solo cuerpo. Tapa superior desmontable. Se emplea tubería de media pulgada en la salida del fondo. El accesorio para la carga se realiza mediante tubería de media pulgada ubicada en un costado del tanque5. Cuenta con accesorios a los costados para transporte manual. Resistencia a la manipulación, transporte e impacto.. Figura 1-4: Tanque domiciliario FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM. 1.2.6.1.3.. Tanques elevados + torres metálicas. Son depósitos que se encuentran sobre el nivel del terreno natural, generalmente son soportados por columnas y pilotes. Son de gran importancia en sistemas de distribución de agua tanto industrial como artesanal5..

(27) 9 1.2.6.2.. Tanques para almacenamiento de granos. A continuación se presentará la subdivisión de este tipo de tanques: 1.2.6.2.1.. Silos de fondo cónico. Están diseñados para plantas procesos. Su fondo cónico generalmente es de 45º. Permite almacenar cualquier tipo de grano que fluya libremente. La descarga se realiza por gravedad. Se utiliza principalmente en procesos de limpieza, secado y almacenamiento de por corto tiempo. Aptos para temperar granos, airearlos y transitarlos5.. Figura 1-5: Tanque de fondo cónico FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM.

(28) 10 1.2.6.2.2.. Silos de fondo plano. Ideal para almacenamiento de granos, cereales por largos periodos. Presenta un fondo plano ranurado con ductos de aireación, permitiendo de esta manera mantener los productos a temperatura y humedad óptima5. 1.2.6.2.3.. Silos secadores. Permiten almacenar el grano directamente después de la cosecha. Emplea unidades de aire caliente y equipos metálicos de agitación, reduciendo de esta manera la humedad existente en el grano 5. 1.2.6.2.4.. Silos de tránsito. Este tipo de silos se subdividen en: a) Silos para Balanceados Fondo cónico a 60º facilita la descarga de productos mezclados, harinas, granulados o productos con agregados de melaza. Generalmente estos silos son diseñados para una gran capacidad. b) Silos para Cemento Este es el tipo de silo en el cual se basará el presente proyecto, desarrollando posteriormente su diseño5. 1.2.7. SEGÚN EL TIPO DE TECHO PETRÓLEO Y SUS DERIVADOS 1.2.7.1.. Techo Flotante. Los techos tipo flotantes generalmente son empleados en sistemas para el almacenamiento de productos que contienen un elevado punto de destilación como es el caso de los combustibles en general5..

(29) 11. Figura 1-6: Tanque atmosférico con techo flotante FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM. Figura 1-7: Silo de tránsito FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM.

(30) 12 Clasificación de techos flotantes: Tipo Bandeja Tipo Pontón Tipo de Cubierta Doble 1.2.7.1.1.. Tipo bandeja. Fue uno de los primeros techos que se empleo en tanques de almacenamiento, su costo es relativamente bajo, actualmente ya no se usan debido a que no presentan buena estabilidad en zonas de elevada precipitación 5. 1.2.7.1.2.. Tipo pontón. Este tipo de techo evita que se genere evaporación por debajo de la cubierta, es empleado en tanques cuyos diámetro está entre 18 y 90 metros, su sistema de flotación consiste de pontones anulares, los mismos que irán variando de acuerdo al diámetro del techo y de una cubierta simple ubicada en el centro. El pontón cuenta con una cámara de aire la cual permite la flotación pero además funciona como medio aislante. La característica de este techo es atrapar los vapores en el centro de la cubierta para que estos funcionen como capa aislante hasta que se condensen5. 1.2.7.1.3.. Tipo de cubierta doble. Este tipo de tanque evita que se produzca el fenómeno de evaporacióngracias a su doble cubierta, son los techos más seguros y costosos actualmente, generalmente se emplean en tanques que superan los 90 metros de diámetro. El diseño de este tipo de techo es el más seguro ya que por su diseño se mantiene a flote a pesar de que mantiene sus pontones inundados, esto se da debido a la cámara de aire formada entre las cubiertas, este caso es similar al anterior, es decir. la cámara de aire también funciona como capa aislante. reduciendo así la evaporación del producto contenido 5. 1.2.7.2.. Techo fijo. Son empleados en tanques para almacenamiento de líquidos. Dentro del país se usan con mayor frecuencia los siguientes tipos de techo5..

(31) 13. Figura 1-8: Tanque atmosférico de techo fijo FUENTE: Tesis: Elaboración del procedimiento para la certificación de tanques atmosféricos para almacenamiento de crudo.. Techo Soportante Techo Autosoportante 1.2.7.2.1.. Techo autosoportante. Este tipo de techo se emplea en tanques de almacenamiento que poseen un diámetro de hasta 24 pies5 (7315mm). 1.2.7.2.2.. Techo soportante. Este tipo de techo necesariamente empleará por lo menos una columna central si llega a poseer un diámetro de 80 pies5 (24384mm). 1.2.7.2.3.. Techos tipo domo auto soportado. Posee una superficie que es aproximadamente esférica y se encuentra apoyado en su periferia5. 1.2.7.2.4.. Techo auto soportado tipo paraguas. Es una variación del techo tipo domo de tal forma que cualquier sección horizontal es un polígono regular de múltiples lados, sustentados en su propia periferia 5..

(32) 14 1.2.8. SEGÚN EL TIPO TAPA PARA SÓLIDOS EN GENERAL Cuando se hacen referencia a recipientes de forma cilíndrica es necesario indicar que estos recipientes deben constar de tapas en sus extremos mismas que cumplirán con el diseño establecido. A continuación se dan a conocer los siguientes tipos de tapas6. Planas Planas con Ceja Únicamente Abombadas Abombadas con Ceja Invertida Toriesféricas Semielípticas Semiesféricas 80-10 Cónicas Toricónicas 1.2.8.1.. Tapas planas. Son empleadas para cerrar recipientes que están sujetos generalmente a presión atmosférica, en algunos casos se suelen emplear en recipientes a elevada presión y también se utilizan como fondos de tanques de almacenamiento de grandes dimensiones. Su costo por el tipo de tapa es bastante bajo6. 1.2.8.2.. Tapas planas con ceja. Son empleadas al igual que las anteriores para tanques atmosféricos, el costo de las tapas tipo ceja es relativamente bajo, a diferencia de los anteriores este tiene un límite dimensional máximo de 6 metros de diámetro6. 1.2.8.3.. Tapas únicamente abombadas. Son utilizadas en recipientes de presión manométrica relativamente bajas, también suelen emplearse para soportar presiones relativamente altas previo a esto es necesario realizar un análisis de concentración de esfuerzos en el caso de. 6. León, J.(2001). Diseño y calculo de recipientes a presión.(Edición 2001). Ingesa. Recuperado de http://es.scribd.com/doc/17247549/diseno-y-calculo-derecipientes-a-presion.

(33) 15 que exista un cambio brusco de direcciones. El costo de este tipo de tapas es bajo6. 1.2.8.4.. Tapas abombadas con ceja invertida. El uso de este tipo de tapas es limitado debido a que su proceso de fabricación es complicado, como consecuencia de ello el costo es elevado 6. 1.2.8.5.. Tapas toriesféricas. Este tipo de tapas son las más empleados en el campo industrial ya que su costo de fabricación es bajo y también debido a que soporta elevadas presiones manométricas, la característica principal de este tipo de tapas es que el radio de abombado es aproximado al diámetro. Se pueden fabricar desde 0.3 hasta 6 metros6. 1.2.8.6.. Tapas semielípticas. Normalmente son empleadas cuando el espesor de la tapa toriesférica es relativamente alto, las tapas de tipo semielípticas son fabricadas bajo un proceso de troquelado soporta mayor presión que las torieféricas. Su costo de fabricación es alto6. 1.2.8.7.. Tapa semiesférica. Son usadas para soportar presiones críticas. Su silueta describe una media circunferencia perfecta, se caracteriza por no tener un límite dimensional para su fabricación. Su costo de fabricación es alto6. 1.2.8.8.. Tapas 80 - 10. Este tipo de tapas se caracterizan por tener un radio de abombado igual al 80% del diámetro y un radio de esquina o radio de nudillo igual al 10% del diámetro 6. 1.2.8.9.. Tapa cónicas. Se usan generalmente en fondos en los cuales existiese acumulación de sólidos y como transiciones en cambios de diámetro de recipientes cilíndricos.. Son. empleadas comúnmente en torres fraccionadoras o de destilación. En este tipo de tapa no existe límite con respecto a las dimensiones para su proceso de fabricación, su única limitación consiste en que el ángulo de vértice no debe ser mayor a 60 grados. Las tapas con un ángulo mayor a 60 grados deben ser calculadas como tapas planas6..

(34) 16 1.2.8.10.. Tapas toricónicas. A diferencia de las tapas cónicas, este tipo de tapas tienen en su diámetro mayor un radio de transición que no debe ser menor al 6% del diámetro mayor ó 3 veces el espesor6. Tabla 1-2: Tipo de tapas. TIPOS DE TAPA Tapa plana. Plana con ceja. Únicamente abombada. Abombada con ceja invertida. Toriesferica.

(35) 17 Tabla 1-2: Tipos de Tapas (Continuación). Semielíptica. Semiesférica. Tapa 80-10. Cónica.

(36) 18 Tabla 1-2: Tipos de Tablas (Continuación). Toricónica. Abombada con ceja plana. FUENTE:http://es.scribd.com/doc/74197620/Diseno-Y-Calculo-de-Recipientes-a-Presion-Juan-Manuel-Leon-Estrada.

(37) 19. A continuación se presenta el cuadro 1-1, que trata sobre la clasificación el de tipos de los tanques de almacenamiento. .. Cuadro 1-1: Clasificación de los recipientes a presión FUENTE: LOS AUTORES.

(38) 20. CAPITULO II 2.. CEMENTO: PROPIEDADES Y COMPORTAMIENTO. 2.1. RESEÑA HISTORIA Desde tiempos muy antiguos la humanidad ha buscado contar con un material que le permita la construcción de obras civiles; tales como viviendas, templos, acueductos entre otros con el fin de mejorar la calidad de vida de una población. Fue en la zona norte de Chile donde aparecieron las primeras obras de piedra mismas que estaban unidas por un conglomerante hidráulico proveniente de la calcinación de algas, antiguamente formó parte en la construcción de paredes de las chozas utilizadas para vivienda. Los egipcios emplearon morteros de yeso y cal en sus edificaciones.. En la. antigua Grecia se usaban pastas de origen volcánicos compuestas principalmente por arcilla, yeso y cal que servía como medio pegante en sus construcciones. En Roma aparece una primera versión de cemento la cual denominaron como “opus caementitium”, que del latín al español es traducible como obra cementicia. Los romanos llamaban así a una mezcla de grava y otros materiales similares al hormigón que utilizaban para fabricar los morteros. Para el año 27 A.C Agripa construye el Panteón en Roma en base a hormigón, posteriormente un incendio produjo su declive. En el año 120 de nuestra era fue reconstruido por orden de Adriano. Con el paso del tiempo no sufrió mayores daños, sino más bien fueron visibles alrededor del año 609, a partir del cual paso a ser la Iglesia de Santa María de Los Mártires. Su cúpula de 44 metros de Luz se encuentra construida en hormigón y posee un lucernario el cual se encuentra situado en la parte superior.7 2.1.1. HISTORIA DEL CEMENTO PORTLAND Hasta el siglo XVIII los yesos y cales hidráulicas se habían establecido como únicos conglomerantes a emplearse en la construcción, y es justamente en. 7. http://www.uclm.es/area/ing_rural/trans_const/cementos_rc08.pdf.

(39) 21. estesiglo donde crecen las inquietudes e investigaciones relacionadas con el cemento8. En 1758 John Smeaton, ingeniero de Yorkshire (Inglaterra) fue el encargado de la reconstrucción del faro de Eddystone, localizado en la costa de Cornish. Durante la reconstrucción encontró. que los morteros constituidos por adición de. puzolanaa una caliza y una alta porción de arcilla, eran los que mejor comportamiento daban frente la acción de aguas marinas. Además determino que la presencia de arcilla en las cales mejoraban su comportamiento acelerando su velocidad de fraguado y haciéndolas insolubles completamente en agua una vez endurecidas8. En 1817 Vicat establece el sistema de fabricación para el cemento que aún permanece vigente, razón por la cual es considerado el padre del cemento. Sus trabajos marcaron la pauta para la fabricación del cemento usando moliendas conjuntas de arcillas y calizas en proporciones adecuadas8. 1824 Joseph Aspdin, constructor de Inglaterra, patentaba el nombre de cemento Portland, el cual era un material pulverulento, que al ser mezclado con agua y arena, formaba un conglomerado de aspecto parecido a las calizas de la isla de Portland8. Para el año 1838 Brunel emplea por primera vez el cemento proveniente de la fábrica de Aspdin, en la cual se había logrado la sinterización parcial del mismo mediante la elección de un temperatura adecuada de cocción 8. Apartir del año 1900 los cementos se imponen en el mercado para la realización de cualquier tipo de obra8. Sin embargo con forme se iba refinando los medios de unión, también iban creciendo las inquietudes del correcto almacenamiento de dicho material, y es justamente esta inquietud la que perdura en el tiempo y se convierte en el motivo de este proyecto8.. 8. http://www.lemona.biz/EL%20CEMENTO-1/historia%20del%20CEMENTO.pdf.

(40) 22. 2.2. DEFINICIÓN DEL CEMENTO El cemento es un aglomerante formado principalmente por caliza, arcilla, yeso y aditivos calcinados que atraviesan un proceso de molienda mediante el cual se unifica su contextura y granulometría. El yeso es el que proporciona la propiedad de fraguar al contacto con el agua. La mezcla comúnmente denominada concreto hace referencia a la unión de material petreo (arena y grava) con el cemento9. 2.2.1. TIPOS DE CEMENTOS Los cementos se pueden clasificar según diferentes criterios que relacionan sus propiedades de fraguado, resistencia en seco, ambiente de trabajo entre otros 9. Previo a la clasificación de los tipos de cemento se definirá el Clinker como componente predominante en el proceso de fabricación 9. Clinker de cemento Portland: resultan de la calcinar mezclas constituidas de arcillas y calizas, hasta lograr la combinación completa de sus componentes. Este es el principal elemento que compone el cemento9. Clinker de cemento de aluminato de calcio: este clinker tiene un contenido mínimo del 36% de alúmina de la mezcla total. Se lo obtiene por fusión de calizas y bauxitas9. 2.2.1.1.. Cemento portland. Este tipo de cemento es producido mediante la pulverización de clinker, comúnmente se lo conoce como cemento hidráulico cuyos principales componentes son silicatos de calcios hidráulicos. Contiene una o más formas de sulfatos de Calcio, que son añadidos durante la molienda 9. El cemento Portland se obtiene de la combinación de los siguientes componentes: CEMENTO PORTLAND CLINKER. 9. +. YESO. +. CALIZA (máx. 5%). http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion4.Tipos.CEMENTOS.pdf.

(41) 23 Existen cementos Portland Adicionados9 CLINKER. +. YESO. +. MINERALES ADICIONADOS. Los minerales adicionados que se emplean en este tipo de cementos son: Puzolanas, escorias de alto horno además de materiales que mejoran la matriz9. La subdivisión de los cementos portland es la siguiente: 2.2.1.1.1.. Cemento portland tipo 1. Este tipo de cemento es usado en obras de concreto en general cuando no se haya especificado el tipo de cemento. (Edificios, conjuntos habitacionales, etc). Libera más calor de hidratación respecto a los otros9. Se define como calor de hidratación al calor que se desprende de la interacción del cemento con el agua, incluso puede darse con agua en forma de vapor, por lo que se necesita protegerlo en sacos o en silos. 2.2.1.1.2.. Cemento portland tipo II. Es destinado para obras de concreto en general y obras expuestas al trabajo moderado de sulfatos, o donde se requiera un calor de hidratación moderado, por ejemplo puentes y tuberías de concreto9. 2.2.1.1.3.. Cemento portland tipo III. Alta resistencia inicial y rapidez de fraguado. Este tipo de cemento es empleado cuando la estructura de cemento debe recibir cargas lo antes posible, es decir, puede recibir cargas inmediatamente después de haber realizado la fundición de la estructura cementicia9. 2.2.1.1.4.. Cemento portland tipo IV. Debido a su bajo calor de hidratación es empleado para evitar dilataciones durante el fraguado9. 2.2.1.1.5.. Cemento portland tipo V. Es empleado cuando se requiere elevada resistencia a ambientes húmedos con presencia de sulfatos. (Canales, alcantarillas, obras portuarias)9.

(42) 24. 2.2.1.2.. Cementos portland tipos puzolánicos. A continuación se definen algunos términos que permitirán una mejor compresión de este tipo de cementos10. Puzolana: son sustancias naturales conformadas básicamente por sílice o sílicoaluminosa o por combinación de las mismas. Las puzolanas al amasarse con agua no se endurecen por si mismas, pero al encontrarse finamente molidas la reacción se hace posible a temperatura ambiente10. Puzolanas Naturales: Es un material de origen volcánico o de rocas sedimentarias con composición química y mineralogía adecuada10. Puzolanas Naturales Calcinadas: son igualmente de origen volcánico, arcillas pizarras o rocas sedimentarias activadas por tratamientos térmicos.10 2.2.1.2.1.. Cemento portland puzolánico tipo IP. En este tipo de cemento la puzolana es del 15 al 40% del total10. 2.2.1.2.2.. Cemento portland puzolánico tipo I(PM). La presencia de Puzolana es menor al 15%10 2.2.1.2.3.. Cemento portland puzolánico tipo P. El contenido de la puzolana es mayor al 40% en este caso10. 2.2.1.3.. Cementos especiales. Cemento Portland Blanco Cemento para albañilería Cemento aluminoso Cemento compuestos11 2.2.1.3.1.. Cemento portland blanco: el color blanco se debe a que contiene un. porcentaje muy bajo de oxido férrico por lo cual tiene una tonalidad grisácea11. 2.2.1.3.2.. Cemento para albañilería: están compuestos por clinker de cemento. portland, componentes inorgánicos y de ser necesario se puede agregar aditivos por ejemplo pigmentos11. 2.2.1.3.3.. Cemento aluminoso:también conocido como cemento fundido debido a. que la temperatura en el horno alcanza valores de 1600 ºC consiguiendo de esta 10. http://www.uclm.es/area/ing_rural/trans_const/cementos_rc08.pdf. 11. www.slideshare.net.

(43) 25. manera la fusión de sus componentes. Es producido a partir de bauxita con impurezas de oxido férrico, oxido de titanio y silicio. Adicionalmente se suele añadir calcáreo o carbonato de calcio11. 2.2.1.3.4.. Cementoscompuestos: es un conglomerante hidráulico que contiene. como principal constituyente al clinker portland, pequeñas cantidades de sulfato de calcio y adiciones de minerales en un 35%. Una vez endurecido es completamente estable y resistente incluso bajo el agua12. A continuación se presenta la tabla resumen de los tipos de cemento estudiados en este capítulo. Tabla 2-1: Tipos de cemento. TIPOS DE CEMENTO Portland Tipo I Portland Tipo II Portland. Portland Tipo III Portland Tipo IV Portland Tipo V. Portland Tipos Puzolánicos. Portland Puzolánico Tipo IP Portland Puzolánico Tipo I(PM) Portland Puzolánico Tipo P Portland Blanco. Cementos. Cemento para albañilería. Especiales. Cemento aluminoso Cemento compuestos REALIZADO POR: LOS AUTORES. En Ecuador se emplea otro tipo de designación según la Normativa NTE-INEN 2380, que guarda concordancia con las nominaciones empleadas según la norma ASTM C1157. A continuación en la tabla 2-2, se presenta las equivalencias entre normativas12.. 12. www.slideshare.net.

(44) 26. Tabla 2-2: Equivalencias entre normas. TIPO. Portland. NORMATIVAS ASTM C1157. NTE-INEN 2380. Portland Tipo I. Tipo GU. Portland Tipo II. Tipo MH. Portland Tipo III. Tipo HE. Portland Tipo IV. Tipo HS y Tipo LH. Portland Tipo V. Tipo GU(HS). REALIZADO POR: LOS AUTORES. 2.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DEL CEMENTO En este apartado se describirán el conjunto de propiedades que determinan el comportamiento del cemento13. El clinker del cemento portland es el constituyente más influyente en cuanto a las propiedades del cemento. Para ello es necesario tomar en cuenta que el clinker está compuesto por un grupo de diferentes minerales13. A continuación se detalla los constituyentes mineralógicos, que influyen en forma cuantitativa y cualitativa en las propiedades básicas del cemento13.. 13. http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion6.PropiedadesCEMENTOS.pdf.

(45) 27. Tabla 2-3: Composición del cemento. COMPOSICIÓN DEL CEMENTO FORMULA O. NOMBRE. SÍMBOLO. COMPOSICIÓN. PROPIEDADES. QUÌMICO COMPOSICIÓN PRINCIPAL Cal. CaO. 58-67%. Sílice. SiO2. 16-26%. Alúmina. Al2O3. 4-8%. Oxido de Hierro. Fe2O3. 2-5%. MgO. 1-5%. Na2O+ K2O. 1%. SO3. 0,1-2,5%. Oxido de Magnesio Álcalis Anhídrido Sulfúrico. Fraguado Resistencia Calor de hidratación Estabilidad de volumen. COMPOSICIÓN SECUNDARIA Silicato tricálcio (Alita) Silicato Dicálcico (Belita) Aluminato Tricálcico. C3S=3CaO·SiO2. 50-70%. C2S=2CaO·SiO2. 15-30%. C3A=3CaO·Al2O3. 5-10%. Y durabilidad(resisten cia Química). Ferro Aluminato. C4AF=4CaO·Al2O3·. tetracálcico. Fe2O3. 5-15%. FUENTE: http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion6.PropiedadesCEMENTOS.pdf. 2.3.1. COMPUESTOS PRINCIPALES DEL CEMENTO Silicato Tricálcico (C3S) A esta fase se denomina “alita” y conforma entre el 50 al 70% del clinker. Por lo general al hidratarse se endurece rápidamente. Este compuesto es el que provoca el inicio del fraguado aportando resistencia a Largo y corto plazo. En cuanto mayor sea el porcentaje de C3S mayor será la resistencia14. Silicato Dicálcico (C2S).

(46) 28. A esta fase se denomina “belita” y conforma entre el 15 al 30% del clinker. Por lo general al hidratarse se endurece lentamente. Este compuesto es el que provoca el que contribuye al aumento de la resistencia a edades mayores a 7 días14. Fotografía 2-1: Vista microscópica O3C y O2C FUENTE: Pacasmayo, Cemento y sus Aplicaciones, Presentaciones PDF. Aluminato Tricálcico (C3A) Constituye aproximadamente del 5 al 10% del clinker. Este compuesto es el responsable del desarrollo de las resistencias muy tempranas y al fraguado por la gran cantidad de calor que es liberada durante los primeros días de hidratación y endurecimiento. Sin embargo presenta flaqueza a la acción de sulfatos 14. Ferroaluminato Tetracálcico (C4AF) Constituye del 5 al 15% del clinker, su hidratación se realiza de forma espontánea. Aporta con baja resistencia debido que su formación reduce la temperatura de clinkerización14.. 14. https://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&cad=rja&ved=0CEYQ FjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.dino.com.pe%2Fdownload%2F%3Ffile%3D100611_Cemento_y_ sus_aplicaciones.pdf&ei=4mN2Ur_JApLksASvkYHwBA&usg=AFQjCNEjsg29qP0xC2t1qxAXu2BY zLsu-g&sig2=QfccLjEoadKic1MpRcdB-w&bvm=bv.55819444,d.dmg.

(47) 29. Fotografía 2-2: Vista microscópica de todos los compuestos del clinker FUENTE: Pacasmayo, Cemento y sus Aplicaciones, Presentaciones PDF. En resumen las formas en las que aportan los compuestos principales son: Tabla 2-4: Resumen de los compuestos del cemento. FASE. VELOCIDAD DE CALOR. DE DESARROLLO. DE. HIDRATACIÓN. HIDRATACIÓN. RESISTENCIA. C3S. Rápida. Alto (120 cal/gr). Rápido y prolongado. C2S. Lenta. Bajo (62 cal/gr). Lento y muy prolongado. C3A. Muy rápida. Muy alto (207 cal/gr). Muy rápido y de corta duración. C4AF. Rápida. Moderado (100/cal/gr). Lento y poco significativo. FUENTE: LOS AUTORES.

(48) 30. 2.3.2. REQUISITOS FÍSICOS Y QUÍMICOS DEL CEMENTO 2.3.2.1.. Requisitos físicos. 2.3.2.1.1.. Resistencia a la compresión. Para determinar la resistencia a la compresión se emplean probetas cúbicas de 50 mm de lado, preparados con mortero consistente de una parte de cemento y 2,75 partes de arena estándar15. Las probetas son curadas durante un día y luego se las retira del molde para ser inmersos en agua de cal, hasta su posterior ensayo que puede ser 3, 7 y 28 días15. 2.3.2.1.2.. Tiempo de fraguado. Se denomina como fraguado la perdida de la plasticidad por parte de una mezcla cementícia en un determinado grado arbitrario. Su medida cuantitativa se obtiene mediante la penetración de una aguja en la pasta de cemento15. 2.3.2.1.3.. Expansión en autoclave. Permite determinar una posible expansión potencial que suele ser producto de una hidratación tardía de oxido de calcio (CaO) y oxido de magnesio (MgO), como consecuencia de un exceso de uno de estos componentes o de los dos a la vez15. Su verificación se la realiza en una cámara húmeda de autoclave en la cual se introduce una probeta de 25 mm de sección transversal cuadrada y 250 mm de longitud. En esta cámara permanece 24 horas alcanzando presión y temperatura específicas. Luego de esto se mide la expansión producida. Este ensayo se lo realiza bajo la norma ASTM C 151-00 “Método estándar de ensayo para expansión en autoclave del cemento portland”15.. 15. http://digital.csic.es/bitstream/10261/5425/1/Blanco_Varela_IETCC.pdf.

(49) 31. Fotografía 2-3: Probetas de ensayo. Imagen 2-1: Probeta para ensayo con autoclave FUENTE: https://www.google.com.ec/?gfe_rd=cr&ei=PAOiU9z9NerO8gf414CYDQ&gws_rd=ssl#q=astm+c+151. Un autoclave es un recipiente que trabaja a presión, manómetros, termómetros y otros aditamentos que permite que el equipo trabaje en los puntos de P y T especificados15..

(50) 32. Fotografía 2-4: Autoclave FUENTE: https://www.google.com.ec/?gfe_rd=cr&ei=PAOiU9z9NerO8gf414CYDQ&gws_rd=ssl#q=astm+c+151. 2.3.2.1.4.. Calor de hidratación. Es el calor generado en el momento de la reacción del cemento y el agua. Se denomina como un proceso exotérmico. El calor de hidratación toma un papel muy importante cuando se trata de estructuras de gran volumen. Una velocidad elevada causa la acumulación de esfuerzos perjudiciales que son evidentes en las fisuras que presenta el concreto15. 2.3.2.1.5.. Granulometría del cemento. Se define por granulometría a la distribución de los diferentes tamaños de los granos que componen un material pulverulento. En el cemento su granulometría define una buena parte de sus propiedades debido a que el tamaño de los granos que conforman el material permite determinar su comportamiento por ejemplo su resistencia. Una distribución homogénea incrementa las propiedades sobre todo las de corto plazo. La finura de los cementos se determina por diferentes métodos entre los que están el tamizado, arrastre por aire, la clasificación por rayos laser o por sedimentación de partículas. El más simple de usar es el tamizado. Una muestra de cemento pasa por una serie de tamices normalizados cuya abertura o luz es estándar y cada vez más pequeña a medida que se desciende. El resultado se expresa como porcentaje de masa retenida en el tamiz16..

(51) 33. Sin embargo, en la mayoría de los casos la finura se determina también por el método Blaine, basado en la permeabilidad al aire de un lecho de cemento, expresándose el resultado como superficie específica en cm 2/g.16 Los demás procedimientos son muy poco usados. Esta propiedad definirá en gran manera el flujo de descarga del cemento en etapas posteriores debido a que su finura alterará el ángulo de descarga propio del cemento. Si su distribución granulométrica es de tendencia fina el ángulo de descarga es menor que el de tendencia gruesa16. 2.3.2.1.6.. Densidad y peso específico. La densidad es una relación entre la masa y el volumen que ocupa dicha masa. Ante la carencia de valores que cuantifiquen estas dos importantes propiedades se ha realizado un ensayo sencillo para determinar su medida 16. Para determinar la densidad del cemento y su peso específico se ha empleado un recipiente construido en madera de las siguientes dimensiones internas:. Largo: 10 cm Ancho: 10 cm Altura: 10 cm Obteniéndose así una caja con un volumen igual a 1000 cm 3. A continuación se presentará los datos y cálculos pertinentes para la obtención de lo estipulado anteriormente, además de ello para obtener una densidad más exacta se ha decido tomar tres medidas de masa en distintos laboratorios de la Institución 16.. 16. Labahn/ Kohlhaas (Labahn/Kohlhaas, 1985), PRONTUARIO DEL CEMENTO; Editorial Reverté, España, 1985, pag 195..

(52) 34. ENSAYO 1 LABORATORIO DE ANÁLISIS DE ESFUERZOS Y VIBRACIONES EPN “Facultad de Ingeniería Mecánica”. ENSAYO 2 LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS EPN “Facultad de Ingeniería Química”. ENSAYO 3 LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA EPN “Facultad de Ingeniería Química”.

(53) 35. A continuación con las densidades obtenidas en cada ensayo se procederá determinar la densidad promedio del cemento para luego pasar a determinar su peso específico.. A continuación se muestra la expresión que permite determinar en general el peso específico de una sustancia.. Dónde:. El peso específico del cemento lo expresaremos en:.

(54) 36. Fotografía 2-5: Medición de masa en el LAEV FUENTE: LOS AUTORES. Fotografía 2-6: Medición de masa en el laboratorio de química orgánica FUENTE: LOS AUTORES. 2.3.2.2.. Requisitos químicas. 2.3.2.2.1.. Oxido de magnesio. Cristaliza como una forma primitiva del magnesio (magnesia). Esta cristalización incrementa el volumen produciendo grietas que fisura al concreto 17. 2.3.2.2.2.. Pérdida por ignición. Debido al almacenamiento incorrecto y prolongado del cemento se da un incremento en la hidratación o carbonatación, produciendo el envejecimiento del producto, causando baja resistencia y alto tiempo de fraguado 17..

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Figura 1-1: Tanque de almacenamiento de agua
Figura 1-2: Ensamblaje de planchas de pared  FUENTE:Primer seminario Nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM
Figura 1-5: Tanque de fondo cónico
Figura 1-6: Tanque atmosférico con techo flotante  FUENTE: Primer seminario nacional de tanques de almacenamiento EPN-FIM
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