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Title: Diseño y evaluación sísmica de un tanque metálico de almacenamiento de 700 m³ considerando interacción fluido–estructura
Authors: Chang López, Ronald Eugenio
García Troncoso, Natividad Leonor, Director
Keywords: Diseño
Evaluación sísmica
Tanque
Issue Date: 2025
Publisher: ESPOL.FICT
Citation: Chang López R.E. (2025) Diseño y evaluación sísmica de un tanque metálico de almacenamiento de 700 m³ considerando interacción fluido–estructura [Proyecto Graduación] Escuela Superior Politécnica del Litoral. Guayaquil, 83 páginas
Abstract: Steel water storage tanks constitute essential infrastructure within industrial facilities, particularly when they form part of fire protection systems, where their proper performance is critical before, during, and after the occurrence of a seismic event. In regions of significant seismic hazard, the structural or functional failure of such systems can lead to severe consequences, not only due to the loss of the stored resource but also because of the impact on facility safety, operational continuity, and personnel protection. Despite their importance, in professional practice the seismic analysis of storage tanks is often carried out using simplified approaches, without explicitly considering fluid–structure interaction effects or the actual conditions of the foundation soil. During a seismic event, the fluid contained within the tank does not behave as a rigid mass acting integrally with the structure, but rather interacts dynamically with the tank walls, generating additional hydrodynamic pressures and distinct vibration modes. This behavior gives rise to impulsive and convective components of the fluid motion, which significantly influence the global seismic response of the tank, particularly in terms of lateral forces, overturning moments, and foundation stability. Neglecting these effects may lead to inaccurate estimates of seismic demands, thereby compromising the structural performance and safety of the system under design-level earthquakes. In addition, the geotechnical conditions of the site represent a critical factor in the seismic response of the tank. The foundation soil not only provides structural support but also actively participates in the transmission and amplification of seismic actions. Variability in its mechanical properties may result in differential settlements, stress concentrations, and changes in support conditions, which become more critical under dynamic loading. In storage tanks, even moderate ground deformations can induce additional stresses in the steel shell and alter the distribution of contact pressures, adversely affecting the global stability of the system. Furthermore, soils with low shear strength, high compressibility, or unfavorable behavior under cyclic loading may experience stiffness degradation during seismic excitation, increasing the risk of sliding and overturning of the tank. In the case of saturated granular soils, the potential for liquefaction constitutes a particularly critical IV issue, as the reduction in effective soil strength may lead to excessive deformations, permanent displacements, or even a complete loss of structural support, regardless of adequate structural design of the tank. Within this context, the present research is justified by the need to develop an integrated seismic analysis of a 700 m³ steel water storage tank, explicitly incorporating fluid–structure interaction effects and considering the foundation soil conditions. By applying the equivalent dynamic model proposed by Housner and adopted by international standards such as API 650, the impulsive and convective components of the fluid response and their associated seismic demands are evaluated. In addition, the global stability of the system is verified through checks for overturning, sliding, and foundation contact pressures, considering both full-tank conditions and scenarios with minimum water levels. In this manner, the research contributes to reducing the uncertainty associated with the seismic design of storage tanks, providing a coherent and applicable technical methodology that enhances structural safety, system reliability, and informed decision-making in the design of critical industrial infrastructure located in seismic regions Keywords: Design, sismic evaluation, tank
Description: Los tanques metálicos de almacenamiento de agua constituyen infraestructuras esenciales dentro de instalaciones industriales, particularmente cuando forman parte de sistemas contra incendios, donde su correcto funcionamiento resulta crítico antes, durante y después de la ocurrencia de un evento sísmico. En zonas con amenaza sísmica significativa, la falla estructural o funcional de este tipo de sistemas puede ocasionar consecuencias graves, no solo por la pérdida del recurso almacenado, sino también por el compromiso de la seguridad de las instalaciones, la continuidad operativa y la integridad del personal. A pesar de su importancia, en la práctica profesional es común que el análisis sísmico de tanques de almacenamiento se realice mediante enfoques simplificados, sin considerar de manera explícita los efectos de la interacción fluido–estructura ni las condiciones reales del suelo de cimentación. Durante un evento sísmico, el fluido contenido en el tanque no se comporta como una masa rígida solidaria a la estructura, sino que interactúa dinámicamente con las paredes del tanque, generando presiones hidrodinámicas adicionales y modos de vibración diferenciados. Este comportamiento da lugar a la aparición de componentes impulsivas y convectivas del movimiento del fluido, las cuales influyen de forma determinante en la respuesta sísmica global del tanque, particularmente en la magnitud de las fuerzas laterales, los momentos volcadores y la estabilidad de la cimentación. Ignorar estos efectos puede conducir a estimaciones imprecisas de las demandas sísmicas, comprometiendo el desempeño estructural y la seguridad del sistema frente a sismos de diseño. Adicionalmente, las condiciones geotécnicas del sitio representan un factor crítico en la respuesta sísmica del tanque. El suelo de fundación no solo actúa como elemento de soporte, sino que participa activamente en la transmisión y amplificación de las acciones sísmicas. La variabilidad de sus propiedades mecánicas puede generar asentamientos diferenciales, concentraciones de esfuerzos y cambios en las condiciones de apoyo, los cuales adquieren mayor relevancia bajo cargas dinámicas. En tanques de almacenamiento, incluso deformaciones moderadas del terreno II pueden inducir esfuerzos adicionales en la envolvente metálica y alterar la distribución de presiones de contacto, afectando la estabilidad global del sistema. Asimismo, suelos con baja resistencia al corte, alta compresibilidad o comportamiento desfavorable frente a cargas cíclicas pueden experimentar pérdidas de rigidez durante la excitación sísmica, incrementando el riesgo de deslizamiento y volcamiento del tanque. En el caso de suelos granulares saturados, el potencial de licuación constituye un aspecto especialmente crítico, ya que la reducción de la resistencia efectiva del suelo puede provocar desplazamientos permanentes o la pérdida total de soporte de la estructura, incluso cuando el diseño estructural del tanque cumple con los criterios normativos. En este contexto, la presente investigación se justifica por la necesidad de desarrollar un análisis integral del comportamiento sísmico de un tanque metálico de almacenamiento de agua con capacidad de 700 m³, incorporando de manera explícita la interacción fluido–estructura y considerando las condiciones del suelo de cimentación. Mediante la aplicación del modelo dinámico equivalente propuesto por Housner y por normativas como la API 650, se evalúan las componentes impulsiva y convectiva del fluido, así como las demandas sísmicas asociadas. Complementariamente, se verifica la estabilidad global del sistema mediante criterios de volcamiento, deslizamiento y presiones de contacto, tanto para condiciones de tanque lleno como para escenarios con niveles mínimos de agua. De esta manera, la investigación contribuye a reducir la incertidumbre asociada al diseño sísmico de tanques de almacenamiento, proporcionando una metodología técnica coherente y aplicable que permite mejorar la seguridad estructural, la confiabilidad del sistema y la toma de decisiones en el diseño de infraestructuras industriales críticas en zonas sísmica
URI: http://www.dspace.espol.edu.ec/handle/123456789/68454
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