Modelado de silos de concreto para el almacenamiento de soja
En la agricultura, los silos son unidades destinadas al almacenamiento de productos. Gran gran parte de los silos que se encuentran en el mundo, no presentan las condiciones ideales de funcionamiento, debido al escaso conocimiento de distribución de presiones, del flujo y del gran número de variables que afectan el comportamiento de los productos almacenados. Esto explica también el elevado número de accidentes y los colapsos que se producen en estas estructuras.
En este blog post, presentaremos el estudio académico realizado por el profesor Fábio Selleio Prado junto a sus alumnos André Candido de Vasconcelos, Bruno Toledo de Vasconcelos y Kaique Chammas Uzan del Centro Universitario del Instituto Mauá de Tecnología.
El objetivo principal, es analizar la distribución de presiones que los granos de soja almacenados pueden provocar en las paredes de la estructura de silos bajos con descarga excéntrica, verificando la adherencia de los resultados numéricos obtenidos con la norma europea EN-1991-4-2006.
Para ello, se emplearon las herramientas computacionales Ansys, como es el caso de Rocky y Ansys Mechanical, donde los resultados se presentaron en el X Congreso Brasileño de Puentes y Estructuras, celebrado en Río de Janeiro.
Panorama actual de los modelos de almacenamiento de granos
La industria agrícola brasileña ha visto un aumento continuo en la producción y en el stock de granos. Sin embargo, desde el año 2000, la capacidad de almacenamiento se ha mantenido estática, lo que resulta en un déficit de almacenamiento de granos en todo el país.
En general, el profesor del Departamento de Ingeniería de Estructuras de la Universidad de São Paulo, Carlito Calil Junior ha notado que los silos utilizados para el almacenamiento en granjas en Brasil tienen una altura relativamente baja en comparación con el diámetro (o lado) e incorporan un fondo plano. El mayor diámetro aumenta la capacidad de almacenamiento; además, manejar materiales en silos bajos es más fácil y menos costoso.
Por ese motivo, es importante estudiar el comportamiento estructural de los silos que poseen baja relación altura/diámetro, producido en concreto, ya que este es un sistema muy utilizado para el almacenamiento de estos insumos, debido a su enorme versatilidad, pues puede ser moldeado en el lugar, pre moldeado, armado convencionalmente o pretensado.
Sin embargo, el análisis estructural no es sencillo de realizar, ya que se deben analizar diferentes tipos de carga en la estructura (viento, carga y descarga de granos), varias formas de descarga en los silos (que produce combinaciones de diferentes esfuerzos) y muchos tipos de materiales de almacenamiento que exhiben una amplia variedad de propiedades físicas tales como granulometría, peso específico, ángulo de fricción interna y ángulo de fricción con la pared. Una última complicación es que los granos pueden formar granulado o polvo, lo que puede alterar significativamente los criterios de cálculo.
Por lo tanto, el análisis computacional es necesario en una variedad de formas ya que los esfuerzos se distribuyen en este tipo de estructura.
Para conocer más casos de éxito sobre uso de modelos computacionales en procesos y equipos agrícolas, accede al webinar Simulación aplicada a la agroindustria.
Metodología utilizada en el estudio
Buscando realizar las comparaciones deseadas, fue utilizado como base de estudios iniciales y proyectos existentes en un silo, realizando algunas modificaciones para adaptar esto a las necesidades de análisis y limitaciones computacionales. Esta estructura fue diseñada usando Ansys SpaceClaim, el análisis fue realizado con Ansys Mechanical, y la simulación del gran movimiento fue reproducida correctamente en Rocky DEM.
Para el análisis de la distribución de las presiones para este tipo de estructuras, el caso de estudio se inició con un diseño existente de un silo de grandes proporciones, con diámetro y altura de paredes iguales a 90 m y 45 m, respectivamente.
Modelado de silos: Determinación de las presiones verticales de la pared del silo.
Para evaluar los efectos de descarga, antes es preciso llenar el silo hasta el máximo de altura de las paredes, para eso fue calculado un flujo de 110,000 ton / h para un tiempo de 10 segundos de llenado. El silo fue llenado de la entrada por encima de la cúpula, como se muestra en la figura.
Figura 1: llenado del silo a través de la cúpula.
Modelado de silos: Determinación de las tensiones principales en la Pared Vertical del Silo.
En un análisis inicial, las tensiones fueron evaluadas cada 4 segundos durante la descarga. Esto se usó para evaluar en qué tiempo se produce la máxima presión, en un esfuerzo por disminuir el tiempo buscando el instante más cercano de máximas tensiones.
Resultados
Con elementos rectangulares de 0,25 m de altura cada uno, las presiones se determinaron partiendo de la coordenada 3,875 m (4,00 m – 0,25 / 2 m), que representa el centro geométrico del primer elemento o recibe la presión de arriba para abajo, determinando los valores respectivos caminando en un paso de 0,25 m hasta alcanzar el centro del elemento más bajo en la pared vertical del silo con zSAP= a 0,125 m.
Presiones de la Pared Vertical
Rocky DEM, utilizado en el segundo análisis para obtener valores de las presiones,aquí calculadas través de las directivas de norma europea, proporciona los valores de módulo de las presiones cuando éstas son exportadas al software Ansys, para propósitos de comparación, el módulo se calculó entre presiones horizontales (Ph) y tangenciales (Pw) para los tres canales de flujo.
Las figuras 2, 3 y 4 presentan los valores de las presiones comentadas y calculadas para los tres canales de flujo propuestos por las directivas de cálculo de la norma EN-1991-4-2006,donde Prce es relativa a las presiones en la salida de flujo del canal, Prae a las presiones en las zonas adyacentes a la salida del canal y Prae indica las presiones que tienen lugar a distancia de la salida del flujo del canal.
Figura 2: Comparación de las presiones en la salida de los 3 canales de flujo propuesto por la norma EN-1991-4-2006
Figura 3: Comparación de presiones adyacentes de los 3 canales de flujo propuestos por la norma EN-1991-4-2006
Figura 4: Presiones propuestas por la norma EN-1991-4-2006.
Tensiones Principales en la Pared Vertical – Rocky/Ansys
En el análisis Rocky/Ansys, las presiones y tensiones se pueden valorar para cada paso de tiempo. Siendo así, es difícil obtener los valores ideales para la comparación con los resultados obtenidos por la norma EN-1991-4-2006.
Por lo tanto, para obtener tales valores, se realizó un estudio con las tensiones primeramente, obteniendo los resultados máximos para los espacios de tiempo variando cada 4 segundos. Con eso, se puede identificar que la máxima tensión principal ocurre en un tiempo muy cercano a los 18 segundos.
A partir de esto, es interesante evaluar las tensiones en lapsos más pequeños para obtener un análisis más refinado cerca de los 18 segundos. Por lo tanto, se adoptó un paso de tiempo de un segundo, evaluando los resultados hasta obtener el pico de tensión que debería estar cerca de los 18 s. Con eso se vio que el instante de 17 s (7 segundos de descarga) fue el momento en que se obtuvo la máxima tensión principal en la estructura.
Después de este instante, las tensiones disminuyen. La Figura 5 muestra cómo las tensiones obtenidas siguen el patrón de distribución de presiones a lo largo de la pared propuesta por la norma europea EN-1991-4-2006.
Figura 5: Gráfico con el pico de tensión máxima en la pared a los 17s.
La Tabla 1 junto con la Figura 6, muestran cómo las tensiones varían con el tiempo, ahora con más instantes que se analizan cerca del instante de 18 s, para obtener cuando ocurre realmente el pico de tensión.
Figura 6: Gráfico con variación de tensión principal máxima a lo largo del tiempo.
Se obtuvo una tensión principal máxima de 459,1 kPa a los 17 segundos (5 segundos) posterior al inicio de la descarga.
Comparación entre los análisis
El estudio comparó las presiones y tensiones generadas para los tres canales de flujo propuestos por la norma europea EN-1991-4-2006.
Se observa que las presiones resultantes en el canal de salida de flujo son mayores en el caso 3 y en el caso 1, con los valores del caso 2 como intermediarios entre ellos, de acuerdo con la figura 2.
En contrapartida al analizar la figura 3, se observa una inversión, ya que las presiones que ocurren en la zona adyacente para el caso 1 son mayores que las del caso 3 por el mismo motivo.
Conclusiones
Las presiones se obtuvieron de diferentes maneras para los dos análisis. En la primera, a través del cálculo manual, se realizaron tres alternativas para la geometría del canal de flujo propuesta por la norma europea EN-1991-4-2006, contando con la posibilidad de variación de las características del canal, que debería cambiar no solo con las características de los granos, sino también con las características ambientales e instantáneas.
Con esto se obtuvieron valores de módulo diferentes para las presiones horizontales y tangenciales en cada caso, inclusive con distribuciones ligeramente diferentes, dependiendo de la geometría estimada para cada canal de flujo.
Sin embargo, al hacer una comparación con las presiones obtenidas directamente por la interacción de los granos con la estructura – realizados con el software Rocky – se constata que los resultados obtenidos por la norma europea son satisfactorios y de hecho, buscan cumplir con los requisitos de diseño, cuando se compara con el análisis refinado.
Así mismo, en un estudio realizado en la interacción Rocky / Ansys se obtuvieron resultados satisfactorios en términos de distribución de presión y el análisis dinámico estudiado de forma simplificada por varios estudios a lo largo del tiempo.
Con la interacción automática entre los granos y la estructura, provocando las variaciones en la carga propuesta, se pudo confirmar que el comportamiento de las partículas durante la descarga es similar al esperado por la norma, además de eso, se puede afirmar la importancia en refinar tal análisis de este tipo, donde muchas veces las presiones que ejercen los granos sobre la estructura se tratan como si fueran líquidos,provocando muchas catástrofes en silos tanto en el pasado como en el presente.
Usar los softwares Ansys para el modelado de silos no es solo una cuestión de economía y seguridad, si no más bien una predicción y garantía de utilizar lo que es comprobadamente lo mejor en cuanto a simulación de partículas. Sus poderes predictivos han demostrado ser precisos e invaluables.
Si te encuentras desarrollando proyectos de ingeniería, conversa con uno de nuestros especialistas y descubre cómo aplicar la simulación computacional para reducir costos y aumentar la confiabilidad.
Invitado: Prof. Fábio Selleio Prado
Ingeniero Civil del Instituto de Tecnología Mauá (2009) / Máster en Ingeniería Civil por la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (2013). Actualmente es ingeniero en EGT Engenharia Ltda. Y enseña en la Escuela de Ingeniería de Mauá. Tiene experiencia con estructuras de hormigón, teoría estructural, análisis estructural y dinámica estructural.
