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¿Cómo se comportan los depósitos de almacenamiento de líquidos sin anclaje durante un terremoto?

Los requisitos de resistencia sísmica de los depósitos de almacenamiento de líquidos anclados están definidos en sus especificaciones de diseño. ¿Pero se pueden aplicar estas especificaciones a sus versiones sin anclaje? Un grupo de investigadores financiado por el proyecto LIFTING TANKS desarrolló modelos matemáticos para averiguarlo.
¿Cómo se comportan los depósitos de almacenamiento de líquidos sin anclaje durante un terremoto?
Los depósitos de almacenamiento de líquidos son componentes esenciales de los sistemas vitales e industriales y, en consecuencia, deben estar protegidos. Sin embargo, la realidad es que no lo están. A menudo, los fallos debidos a terremotos han provocado el vertido de materiales tóxicos a lo largo de los años, a veces con resultados desastrosos.

Uno de los ejemplos más notables fue el terremoto de Esmirna de 1999. Los depósitos de almacenamiento de líquidos de la refinería Tupras fueron destruidos por incendios y ardieron sin control durante varios días. Aproximadamente treinta de los cuarenta y cinco depósitos de la refinería sufrieron daños graves y parte del petróleo se vertió en la bahía de Esmirna. Puesto que los depósitos de almacenamiento de líquidos suelen contener petróleo, sustancias químicas, fertilizantes líquidos o productos para el procesamiento de alimentos, este es solo un ejemplo de cómo los daños en estos depósitos y las fugas de líquidos resultantes pueden provocar problemas sociales, económicos y ambientales graves.

«Cuando estos depósitos se encuentran en zonas propensas a terremotos, se deben diseñar para soportar los efectos de los terremotos y seguir funcionando incluso después de las sacudidas», señala el Dr. Bülent Erkmen, profesor asistente de la Universidad de Özyeğin y coordinador del proyecto LIFTING TANKS (Seismic Analysis of Liquid-Storage Tanks with a Focus on Tank-Base Uplift).

Existen dos tipos de depósitos de almacenamiento de líquidos: con anclaje y sin anclaje. Los primeros, cuyo comportamiento está bien establecido en los códigos de diseño sísmico, como API-6650 y Eurocode 8, requieren cimientos y mecanismos de anclaje importantes en forma de pernos para soportar la fuerza considerable de las cargas sísmicas.

Cómo abordar las limitaciones de las normas de diseño

Pero los depósitos sin anclaje son harina de otro costal. Son especialmente propensos a sufrir daños durante los terremotos, pero se utilizan de forma mucho más generalizada, ya que son más económicos.

«Los estudios sobre el comportamiento sísmico de los depósitos sin anclaje y el efecto de la elevación de la base del depósito sobre su comportamiento son muy limitados», explica el Dr. Erkmen. «La mayoría de los estudios teóricos y por ordenador sobre los depósitos sin anclaje no incluyen el efecto de la agitación del líquido en movimiento, las cargas sísmicas verticales y el efecto de la elevación de la base del depósito sobre las cargas hidrodinámicas».

En otras palabras, la respuesta sísmica de los depósitos sin anclaje durante un terremoto, que era el principal tema de investigación de LIFTING TANKS, todavía es, esencialmente, desconocida.

El objetivo principal de LIFTING TANKS fue desvelar esta respuesta, así como evaluar la aplicabilidad de las especificaciones sísmicas actuales en materia de depósitos sin anclaje. Se desarrollaron modelos detallados de elementos finitos (FE) en 3D de los depósitos teniendo en cuenta la interacción líquido-estructura y, después, se utilizaron para estudiar el comportamiento sísmico de distintos depósitos de almacenamiento de líquidos sobre la base de un gran número de registros de terremotos utilizando el análisis en función del tiempo. Estos modelos tienen en cuenta las características de los terremotos, la geometría de los depósitos, el nivel del contenido de líquidos y las propiedades del suelo en el lugar de instalación del depósito.

«Por ejemplo, nuestros estudios y observaciones experimentales han mostrado que, en las especificaciones de API-650 para depósitos sin anclaje, la longitud radial de la placa inferior elevada y la elevación de la base y, en consecuencia, la resistencia real del peso del líquido que se moviliza durante un terremoto, está notablemente infravalorada. Además, las disposiciones de API-650 predicen una zona de compresión estrecha poco realista en el extremo del depósito que da lugar a tensiones de compresión elevadas en el armazón del depósito», destaca el Dr. Erkmen.

Posibilidades de mejora

En conjunto, los resultados del proyecto indican que el modelo tradicional consistente en la analogía de la interacción resorte mecánico-masa que se utiliza como fundamento de las especificaciones sobre diseño sísmico actuales como API-650 y Eurocode 8, no se puede utilizar para predecir la elevación de la base de un depósito no anclado y sus efectos sobre el comportamiento sísmico del mismo.

«Además, nuestros hallazgos sugieren que los valores máximos de cizalladura y momento calculados utilizando las especificaciones sísmicas actuales pueden ser insuficientes para los depósitos sin anclaje». Éstas deberían ser más conservadoras; se deberían actualizar las especificaciones de diseño y se debería investigar más a fondo», argumenta el Dr. Ekmen.

Puesto que solo se habían previsto dos años para el desarrollo del proyecto, no fue posible incluir trabajo experimental y el trabajo se centró, alternativamente, en modelos matemáticos por ordenador para predecir el comportamiento sísmico de los depósitos. No obstante, el equipo es consciente de la necesidad de realizar estudios experimentales a fin de validar estos modelos matemáticos.

«Estamos muy interesados en profundizar en esta investigación», explica el Dr. Erkmen. «Vamos a realizar pruebas del comportamiento sísmico de un depósito de almacenamiento de líquidos a escala con una mesa vibratoria y datos de terremotos en el instituto anfitrión del proyecto. La agitación del agua durante la carga sísmica se registrará mediante cámaras de alta velocidad y se utilizarán todos los datos experimentales para validar nuestros modelos matemáticos. En conjunto, nuestro trabajo en el futuro se centrará en los efectos de la elevación de la base del depósito en la fuerza de cizalladura sobre la base, el momento de vuelco, la estabilidad global y la deformación del armazón del depósito, la agitación del líquido dentro del depósito y los requisitos de borda libre.

Palabras clave

Depósito de almacenamiento de líquidos, modelo matemático, terremoto, LIFTING TANKS, Universidad de Özyeğin, depósito sin anclaje
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