Estanques de almacenamiento de pulpa: Desafíos de diseño y montaje

Gentileza Ausenco Chile
Gentileza Ausenco Chile

Se trata de dos estanques de hormigón armado (Holding Tanks) de 16 m de diámetro y 17, 6 metros de altura, pertenecientes al nuevo sistema de transporte de pulpa de minera Los Bronces.

Se realizó un modelo de elementos finitos mediante el programa SAP 2000  versión 14.2.0, que involucra elementos estructurales tales como: mantos de estanque, losa de fundación, losa de compatibilidad superior y cajón distribuidor.

El edifico anexo a los estanques está estructurado como dos galpones dilatados entre sí, sobre la base de marcos rígidos de acero en la dirección transversal de cada galpón.

Patricia Avaria R.
Periodista Construcción Minera

Con el objetivo de mejorar el funcionamiento del sistema de transporte de pulpa e incrementar el funcionamiento de los procesos productivos, la Compañía Minera  Anglo American Sur S.A. (ASUR), en el período 2008-2011, desarrolló la ingeniería de detalles de este sistema que pertenece a minera Los Bronces, ubicada en la región Metropolitana. Para realizar esa tarea, solicitó a la empresa Ausenco Chile el diseño del nuevo mineroducto (tubería) de  ø=28 pulgadas, que consideró una serie de instalaciones entre las que destacan un sistema de cabeza, que está conformado por dos estanques verticales de hormigón armado (Holding Tanks) de 16 m de diámetro, 17,6 m de altura máxima (capacidad) y 18,6 m de altura total, con un volumen útil por estanque de 3.036 m3 y un volumen total de 6.072 m cúbicos,  junto con un edificio en estructura de acero, anexo a estos, para proteger el cuadro de válvulas de la intemperie, donde llegan las descargas de los estanques.

Domingo Lulión, jefe de Disciplina Civil Estructural de Ausenco Chile cuenta que esta estructura se encuentra en una zona compleja, de difícil acceso, con un área de emplazamiento  reducida y a una gran altura geográfica (3082 msnm), en la que, por un lado, estaba restringido por el corte del talud de la plataforma y por el otro lado por el borde de la ladera con una caída de 200 metros. Fue esta condición de emplazamiento la que predominó en el dimensionamiento de las instalaciones y en el diámetro de los estanques.

A ello, se sumaron las condiciones climáticas muy desfavorables, ya que la temperatura en el lugar, de acuerdo a la época del año, varía desde los -19° a los 22° Celsius, con 1.500 kgf/m2 de carga de nieve en invierno y donde la velocidad del viento puede alcanzar rápidamente (en ráfagas) los 130 km/hora. A continuación detalles técnicos y estructurales considerados en el diseño del sistema de cabeza para el nuevo mineroducto de 28” del proyecto desarrollo en Los Bronces.

Montaje

La estructuración consistió en fundar ambos estanques con unión fija a la losa de fundación de espesor constante igual a 150 cm y unirlos entre sí por una losa a nivel de coronamiento de 25 cm de espesor, cuyo objetivo es compatibilizar los desplazamientos, para evitar deformaciones relativas que interfieran la operación normal de los sistemas incluidos en la parte superior de los estanques, donde se encontraba una estructura metálica que servía de apoyo a los agitadores de cada estanque y además como plataforma de operación. Se incorporó una sobre losa en el fondo del estanque con forma cónica a solicitud del fabricante de los agitadores.

Los mantos (paredes) de los estanques presentan espesor variable en altura, el anillo comienza en la base con un espesor de 185 cm disminuyendo en ángulo de 60º en una altura de 175 cm a un espesor de 85, valor que se mantiene en una altura de 850 cm para dar paso finalmente a un espesor de 55 cm en los 900 cm superiores del estanque.

En cuanto al coronamiento, se proyecta una viga perimetral de 100 x 100 cm que permite conectar el edificio metálico y montar las plataformas de mantención. La estructura soportante de los agitadores está estructurada como dos enrejados tipo “puente” que se apoyan en los mantos de los estanques.

Modelamiento estructural para cálculo

Se realizó un modelo de elementos finitos mediante el programa SAP 2000 versión 14.2.0, que involucra elementos estructurales tales como: mantos de estanque, losa de fundación, losa de compatibilidad superior y cajón distribuidor.

“La modelación se realizó con elementos tipo shells (placas que permiten esfuerzos en los 6 grados de libertad) divididos a conveniencia en secciones de aproximadamente 50 x 50 cm, con lo que se logran captar respuestas suficientes para el nivel de análisis realizado” cuenta el jefe de Disciplina Civil Estructural de Ausenco Chile.

La interacción suelo, estructura que se realizó en función de resortes unilineales en la dirección vertical que se han asignado con una rigidez por unidad de área sobre los elementos que conforman la losa. El valor asignado corresponde al balasto entregado por mecánica de suelos tanto para carga estática como dinámica (35 kgf/cm3 para carga estática y 45 kgf/cm3 para carga dinámica).

Diseño sísmico

Para efectos de diseño se consideró zona sísmica dos de acuerdo a NCh2369, lo que derivó una aceleración efectiva máxima de suelo A0 = 0,3 g (g: aceleración de gravedad). Las fuerzas sísmicas sobre el estanque y el contenido del concentrado dependen de la aceleración espectral máxima y del periodo impulsivo y convectivo del concentrado sobre el estanque.

El ingeniero cuenta que, para la fuerza sísmica del estanque, producto de su peso, se consideró como la masa por la aceleración seudo espectral aplicada en el centro de masa del estanque. Las fuerzas hidrodinámicas inducidas por el sismo, se determinaron utilizando un sistema equivalente de masas y resortes siguiendo las recomendaciones de la Norma ACI 350.3 Seismic Design Of Liquid-Containing Concrete Structures. Una primera masa representa la masa del modo impulsivo o desplazamiento de cuerpo rígido del estanque, y una segunda corresponde al modo convectivo o modo fundamental de vibración del fluido.

Esfuerzos y solicitaciones de diseño

De acuerdo a lo informado por Ausenco, las fuerzas de corte y momentos obtenidas del análisis, se distribuyeron según los diagrama de presiones definidos en la norma referida.

Es por ello que los coeficientes de modificación de la respuesta estructural y amortiguamientos utilizados para la respuesta impulsiva y convectiva del líquido, se obtuvieron del punto 11,8 de la norma Nch2369 (para el modo convectivo de utilizó una respuesta elástica, R=1, valor que no aparece explícitamente en la norma, pero si se hace mención en el ACI 350.3). Para el caso del manto, se utilizó el coeficiente sísmico máximo dispuesto en tabla 5,7 de la misma norma para un amortiguamiento ξ = 0,05 y factor de modificación de respuesta R=3, (valores obtenidos de tabla 5,5 y 5,6 respectivamente de la norma). Para el diseño del manto de los estanques, se consideraron los factores sanitarios que aparecen en “Circular Concrete Tanks without Prestressing, PCA” (y ACI 350 particularmente) con el fin de controlar el agrietamiento en estructuras que no contemplan revestimientos para el hormigón. Para ello, se multiplicaron las combinaciones de carga por un factor de 1,3 para el diseño por flexión, 1,65 para tensión directa y 1,3 para corte con estribos de refuerzo (1,0 corte a capacidad), con lo que se obtuvo un diseño más conservador con menos agrietamiento.

Por otro lado, las plataformas que se encuentran en la parte superior de los estanques consisten en enrejados arriostrados en planta para transmitir las cargas horizontales del agitador a los apoyos, los cuales pesaban 21,5 t para el caso estático. Para evitar la concentración de cargas en los apoyos producto del gradiente térmico, se han considerado apoyos deslizantes en uno de los extremos del enrejado. “Están unidos por un enrejado intermedio que sirve de soportación del cajón distribuidor. El enrejado en planta presenta una discontinuidad para permitir el correcto uso de los apoyos deslizantes”, afirma Lulión.

Consideraciones especiales y ensayos

Para el proyecto, se tuvo especial atención en las consideraciones que permiten controlar el agrietamiento, situación que condiciona particularmente los espesores de muro. El método de diseño es el descrito en el documento Circular Concrete Tanks without Prestressing de la PCA , adaptado con las distribución de fuerzas en placas descritas en el libro Theory of Plates and Shells de S. Timoshenko y S. Woinowsky-Kriegera, lo que finalmente permitió obtener un modelo más acertado y real. Si bien el cálculo desarrollado por la PCA es un análisis estático, se obtuvieron resultados dinámicos a partir del modelo, los que sumados a los efectos estáticos permitieron conseguir finalmente las condiciones de diseño necesarios y suficientes para el cálculo.

Dado que el acrecentamiento de la calidad del hormigón influye circunstancialmente en un aumento en la temperatura del núcleo de este, se solicitaron ensayos de gradiente térmico, para esto se debió coordinar la ejecución de probetas de 1,5 x 1,5  x 1,5 m3 o 2 x 2 x 2 m3 con termocuplas incorporadas y así registrar las temperaturas en el núcleo y ver el comportamiento de la mezcla en el masivo.

Los estanques de almacenamiento de pulpa están sometidos constantemente a ambientes abrasivos y desgaste continuo, con pH entre 9,5 y 11, “por lo que el contratista debió suministrar un hormigón que cumpla con los requisitos de exigencia a este ambiente y condiciones de operación”, explica Lulión. Por resistencia se solicitó un hormigón calidad H40 (35 Mpa de resistencia cilíndrica a la compresión).

Edificio anexo

El edificio anexo a los estanques está estructurado como dos galpones dilatados entre sí sobre la base de marcos rígidos de acero en la dirección transversal de cada galpón. La dirección longitudinal de cada galpón se encuentra estructurada en base a paños arriostrados. Ambos sistemas estructurales fueron diseñados para resistir las cargas gravitacionales como también las solicitaciones eventuales de sismo y viento.

El marco tipo está conformado por dos columnas de alma llena y una viga enrejada. La cuerda inferior de la viga enrejada se encuentra arriostrada según las disposiciones de la norma NCh2369, con el objeto de distribuir las cargas por operación del monorriel hacia los marcos adyacentes, así como también distribuir las cargas provenientes de las columnas de viento. La cuerda superior se encuentra arriostrada en los paños extremos del galpón para tomar las cargas de viento y para impedir el volcamiento lateral de dicha cuerda.

La fundación para el edificio está estructurada en base a un radier armado de espesor variable para permitir el bombeo del agua hacia la canaleta y de sobreanchos ubicados bajo las columnas del sistema de marcos rígidos del que está conformado el edificio de acero. Este sistema de fundación se encuentra dilatado de la fundación de los Holding Tanks y recibe las cargas trasmitidas por la estructura. Además recibe cargas de los soportes de las líneas y las sobrecargas de operación al interior del edificio.

Es el montaje  de los estanques de almacenamiento de pulpa de Los Bronces, una obra que tiene como principal objetivo mejorar la productividad y la producción minera.

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Revista Construcción Minera es la nueva publicación técnica de la Corporación de Desarrollo Tecnológico (CDT) de la Cámara Chilena de la Co nstrucción (CChC), que además cuenta con el apoyo del Comité de Túneles y Espacios Subterráneos de Chile (CTES). Su enfoque consiste en el análisis de proyectos de construcción para la minería además de difundir nuevos productos, materiales, servicios, soluciones y sistemas constructivos orientados a este subsector.construcción