¿Por qué colapsan los silos de granos?

Re-edición autorizada por APOSGRAN del artículo de la edición Nr.144 de abril 2023 de su revista técnica. Versión simplificada y acortada. Por: Roberto Hajnal, director de Hajnal y Cia SA y miembro CD de APOSGRAN–         El diseño de un silo requiere un profundo conocimiento especializado. La construcción e implementación de una planta de silos […]
julio 11, 2023

Re-edición autorizada por APOSGRAN del artículo de la edición Nr.144 de abril 2023 de su revista técnica. Versión simplificada y acortada. Por: Roberto Hajnal, director de Hajnal y Cia SA y miembro CD de APOSGRAN–        

El diseño de un silo requiere un profundo conocimiento especializado. La construcción e implementación de una planta de silos es una tarea que abarca varias disciplinas: esencialmente hay una parte que corresponde a la ingeniería electromecánica y otra que corresponde a la ingeniería civil: la construcción y el cálculo de los esfuerzos provocados por el material ensilado. Este es el objeto de este artículo.

Los silos poseen un alto índice de colapso estructural, los accidentes son recurrentes en todas partes del mundo y muy actuales. Veamos referencias muy recientes.

Los silos son las estructuras más peligrosas de la ingeniería civil.Son más peligrosas que la construcción de un edificio o hasta un puente. ¿Porqué?

En la ingeniería civil, lo controversial y difícil es calcular con precisión las sobrecargas de una estructura. Más allá de los efectos atmosféricos locales (viento o temporales o sismos), común a todas las construcciones, el cálculo de una estructura se basa en el peso de la estructura y las cargas de uso, que básicamente son su peso propio y la sobrecarga, (que tiene que ver con su uso).

En un edificio habitacional, la carga más importante es el peso propio, representa el 90%, y la sobrecarga está definida por normas, según el uso del local (250kg/m2-300Kg/m2). La sobrecarga es muy baja respecto del peso propio, quizás un 10%.

En un puente el peso propio es muy preponderante y la sobrecarga: el paso de un tren o vehículos puede tener una relación de 90%/10% (peso propio/sobrecarga) o menos, depende del vano libre del puente y también si es de hormigón o metálico.

El peso propio, en todos los casos, es muy fácil de calcular y puede hacerse con tanta precisión que hasta se podría definir con decimales. En cambio, la incertidumbre siempre está en el cálculo de las sobrecargas, nunca en el peso propio.

Colapso silo de 15.000 tons (MT), 07/2021 México

Por extraño que parezca, existen más razones para el colapso de un silo de granos que para el colapso de un puente. Es que, en un silo, la sobrecarga es la carga de uso, no es una carga eventual, es una carga real que siempre estará presente y actuando sobre la estructura.  Aquí, en los silos, la relación es totalmente inversa. La carga de uso (sobrecarga), en silos metálicos puede ser más del 95% y el peso propio sólo un 5% o menos. Por ejemplo, un silo metálico de 5.000 tons. pesa, sin fundaciones, algo menos de 50 tons, o sea, en este caso, el peso propio es aprox. 1% y la sobrecarga 99% (relación 1/99). En silos de hormigón el peso propio es aprox. 10% con una sobrecarga de 90%.

El agravante es que en los silos la sobrecarga o carga de uso es dinámica, se mueve, los granos cargan el silo y se descargan, con diferentes configuraciones del flujo en función de la geometría del silo, de las características del producto almacenado y del tipo de salida que tiene, generando distintas sobrepresiones.

El problema es muy complejo y difícil de cuantificar. La determinación de los esfuerzos relativamente elevados que solicitan a las paredes bajo el efecto del empuje y del rozamiento ejercidos por el material almacenado ha sido objeto de muchas hipótesis.

Hay muchas investigaciones a lo largo de muchas décadas, más de un siglo, con diferentes resultados, inclusive, hoy en día, hay diferencias de cargas entre diferentes normas aplicadas.  La primera norma específica para el cálculo de presiones en silos fue la norma alemana DIN 1055/6 de 1964 revisada en 1987 y 2005. En Estados Unidos, la primera norma fue la ACI 313-77, para silos de hormigón, publicada en 1977 y revisada en 1983, 1991 y 1997 y luego la American Standard ANSI / ASAE EP433 1988 (Rev.2011) y así, sucesivamente, en Rusia, Gran Bretaña, Francia (AFNOR) , Australia y hoy en Europa el “EN 1991-4: EUROCODE 1. Actions on structures – Part 4: Silos and tanks.” European Committee for Normalisation. En Argentina, fue publicada la norma IRAM 8015 en 1977 para el cálculo de silos metálicos y fue reformulada recientemente, en enero 2020, como norma IRAM 8150. “Silos Aéreos de Acero para Almacenamiento de Granos”. Los fabricantes locales de silos metálicos han logrado su aprobación que favorecerá la estandarización, profesionalizará el sector y elevará la vara de la calidad de los silos que se puedan comercializar en el país. Por ahora se aprobó la norma como ‘uso no obligatorio’, el próximo objetivo que tienen es lograr un reglamento técnico que vuelva obligatorio su uso, de esta manera, se va a limitar la comercialización de silos de dudosa calidad.

¿Qué pasa dentro de un silo?

Imaginen que cuando un silo está lleno y estático (no se lo llena ni se lo vacía), hay:

  • una cierta presión horizontal sobre las paredes (el empuje de los granos),
  • una fricción o rozamiento de los granos que es una carga vertical sobre las paredes y
  • un peso o carga sobre el fondo.

Cuando un silo está lleno es suficiente una abertura extremadamente pequeña del registro de salida para que se produzca el escurrimiento de una cantidad insignificante de granos que produce inmediatamente un movimiento descendente en casi toda la masa de granos, lo que rompe el equilibrio de ésta y provoca un importante aumento de los empujes sobre las paredes.

Los granos próximos a las paredes descienden con menor velocidad, retenidos o frenados por el frotamiento sobre aquellas, mientras que, en el eje central, la velocidad de descenso es mayor, formándose un cono de vaciado en la parte inferior y un embudo en la parte superior. Es lo que se denomina “flujo centrado o en embudo”.

El flujo másico o “en masa” es cuando la masa ensilada baja casi como un líquido, en masa, no se segrega ni quedan espacios estancados. El grano que entró primero, sale entre los primeros y el ultimo que entró sale último. Los empujes contra las paredes y el fondo son muy superiores a las presiones ejercidas con el flujo centrado o de embudo, casi duplican las presiones de vaciado, por lo que superan el coeficiente de seguridad y, como consecuencia, es bastante frecuente que un flujo másico no previsto, fisure o colapse un silo. El “flujo másico” principalmente ocurre cuando se instalan dispositivos de ayuda a la descarga, poniendo todo el fondo en movimiento. Es importante no confundir ambos tipos de flujos y estar prevenidos.

Existen todavía muchos silos en uso en el mundo, incluso en nuestro país, que son anteriores de aquellas épocas donde los esfuerzos están calculados solamente con las presiones de llenado.

Argentina-Rojas (PBA) silo de 1966 agrietado el 30.01.2021
¿Cómo es que esos silos todavía están en pie?

Es que, en la ingeniería, tenemos un “coeficiente de seguridad”, que las normas definen para cada tipo de aplicación y para los materiales y suelos que van a soportar esas estructuras. Es un multiplicador que, se supone, absorbe todas las imprecisiones, no solo de cálculo, sino también constructivas, de los materiales y del terreno.

Este “coeficiente de incertidumbre” salva muchas vidas y muchos activos.

Entonces, cuando algo falla, es porque el error es muy importante. Pero en los silos es diferente, las cargas de uso no son una sobrecarga eventual. Cuando definimos una carga máxima, esta puede llegar a ser superada por un estado de carga nuevo no previsto, es decir, las sobrecargas existen en su verdadera magnitud y casi todo el tiempo de uso.

Paraguay, Coop Sommerfeld, 1.10.2022 
Causas de las fallas en un silo

Las principales fallas estructurales presentadas en silos metálicos y de hormigón ocurridos en los últimos años, son debido principalmente al desconocimiento de los fenómenos que ocurren dentro del silo por las acciones generadas por el producto almacenado como por las condiciones de flujo.

Resulta muy evidente que las fallas recurrentes son por:

–  el dimensionamiento incorrecto de los elementos metálicos y de hormigón,

            –  la operación incorrecta de los usuarios.

El silo tiene una vida limitada, por lo que cuando llegan al final de su vida útil, conviene reemplazarlos. Muy pocos lo hacen. Una de las causas frecuentes de la falla de un silo son los años de su uso. Una de las principales compañías de seguros de EEUU en la industria del almacenamiento de granos comentó que los silos metálicos construidos antes de 1995 tenían una esperanza de vida de 25 años. Después de 1995 el diseño mejoró y ahora tiene una expectativa de vida de alrededor de 30 años. Esto no se cumple. En casi todos lados, se los siguen operando, inclusive hay silos construidos en la década de 1960 y principios de 1970. Por suerte, éstos se usan, en general, para almacenaje puro y sólo se llenan y vacían una o dos veces al año.

EEUU- Iowa, silo (1970) colapsado en marzo 2022
EEUU, Miami Valley, silo metálico (1975) colapsado enero 2018 

En un artículo de GRAIN JOURNAL (EEUU) Marzo/Abril 2014 escrito por Wayne Bauer, publica datos estadísticos de EEUU informados por una compañía de seguros, quienes estiman que la cantidad de colapsos catastróficos de silos están en el rango de 6-8 por año. Fallas o deformación de paredes que no terminan en colapso pueden ser una o dos veces más de la cifra anterior, es decir otros 6 a 12 por año, lo que hace un total de aprox. 15-20 siniestros por año en EEUU solamente.

La opinión prevalente es que la industria está viendo colapsos en silos de 40-50 años donde ya se veían muy necesitados de una reparación, que nunca se hizo, y que estos silos estaban soportando presiones para las cuales no habían sido diseñados. Por otra parte, también hasta se están viendo más colapsos en silos nuevos que en viejos.

Importancia de las características del producto ensilado

Las propiedades físicas del producto almacenado afectan significativamente las presiones y pueden conducir a colapsos estructurales.

Por eso queremos presentar, de forma sucinta, los principales factores que influencian el comportamiento estructural en silos.  

 Los granos que habitualmente se almacenan en silos obedecen a leyes de equilibrio que no están todavía bien definidas o, son controversiales.

Es que para el equilibrio de una masa ensilada aparecen el factor tiempo, la velocidad de llenado, la forma en que los granos son acopiados, la altura de caída de los granos para el llenado de los silos, y la compresibilidad del material.

Todo esto tiene una gran importancia porque son todos factores que influyen sobre las características principales del producto ensilado que son:

  • densidad aparente
  • ángulo de talud natural
  • ángulo de frotamiento interno entre los granos
  • coeficiente de frotamiento sobre las paredes.

Para la determinación de cada una de estas características hay mucha y diversa bibliografía y normas, con tablas que brindan los datos para asumir el cálculo del silo.

La falla de un silo puede ser devastadora, ya que puede ocasionar la pérdida del contenedor, la contaminación del material que contiene, la pérdida de material, los costos de reemplazo, el daño ambiental, el daño a construcciones vecinas, posibles lesiones a personas y hasta incluso, la muerte de gente.

Las fallas de silos pueden ser simples o espectaculares, debido a explosión y/o estallido, por cargas asimétricas creadas durante el llenado o vaciado, por una gran presión sobre el suelo y no uniforme, por problemas en las fundaciones, por corrosión en silos metálicos, por deterioro en silos de hormigón y por problemas operativos.

Determinación de las solicitaciones máximas

Para entender por qué los silos pueden tornarse en estructuras inestables y peligrosas, hay que tomar verdadera conciencia que es un tema vidrioso y delicado.

Es importante conocer que la determinación del método de cálculo de un silo tiene en cuenta un montón de consideraciones, lo que demuestra la complejidad del tema, entre ellos:

a.- las características del material ensilado (humedad, densidad, talud natural, etc)

b-  la naturaleza de las paredes (lisas o rugosas)

c.- sobrepresiones debido al vaciado

d.- influencia de la excentricidad del llenado y vaciado (cargas y descargas no

      centradas)

e.- variaciones o modificaciones en las características del material ensilado como

     pueden ser en su densidad, humedad, frotamiento interno y sobre la pared.

El aumento del contenido de humedad también producido por condensación dentro del silo y sus consecuencias (fermentación, capas endurecidas, etc.). genera un importante aumento en las presiones.

La densidad puede variar sensiblemente por la altura del silo por el simple hecho que la compresión de las capas inferiores por el peso de las capas superiores hace aumentar la densidad de los granos del fondo.  Es común ver en las tablas de capacidad de silos que los fabricantes informan una capacidad nominal del silo y otra capacidad superior atendiendo al fenómeno de compactación de los granos.

Los esfuerzos por viento que se consideran son las presiones positivas y negativas que actúan simultáneamente y no deben ser menores a los Códigos de Construcción para la zona en cuestión y, sobre todo, debidas al viento en los silos vacíos.

Esfuerzos por los cables de termometría: Hay que tener en cuenta, en las cargas sobre el techo, las cargas pulsantes de tracción generadas por los cables de termometría. No se deben instalar si no han sido previstos de origen. Un error común es colocar termometría en silos que no lo tenían previsto de antemano.

Otras fuerzas y presiones

Además de los esfuerzos por los granos almacenados, deben agregarse los efectos del peso propio, nieve, térmicos y sísmicos, posible formación de arcos por apelmazamiento, el colapso de estos arcos, si los hubiere.

Veremos en un próximo articulo la gran importancia del aumento de presión por la descarga excéntrica o por aberturas de descarga laterales que causan presiones laterales desiguales sobre las paredes.

El vaciado de los silos

Este es un tema particularmente importante porque los colapsos de silos generalmente ocurren durante su vaciado, estando en operación. Estas sobrepresiones de vaciado son especialmente peligrosas cuando, además, el vaciado no se realiza por un orificio central, sino por una descarga excéntrica.

El vaciado y llenado simultáneo de los silos

Existe un nuevo estado de cargas, no muy conocido y difundido, que tiene un coeficiente que aumenta aún más las presiones de vaciado. Es cuando se “transila” sobre el mismo silo. Es un estado que casi nadie tiene en cuenta y muy común que ocurra en la operación de una planta.

Algunas otras particularidades del vaciado

El vaciado de silos verticales es generalmente por gravedad. Cualquier modificación de las características de escurrimiento del material ensilado puede comprometer este vaciado, a punto de complicarlo totalmente. Si hay una toma de cohesión más o menos importante de esta masa ensilada puede alcanzar a neutralizar todo posibilidad de escurrimiento natural, se frena el flujo. Esto es el caso, por ejemplo, en silos con materiales cohesivos como polvos, cáscaras, subproductos, harinas, coque, azúcar, pellets, fertilizantes u otros. Esto puede suceder por:

  • las capas inferiores sobrecargadas por el peso de las capas superiores están siendo comprimidas y por el peso, cohesionan y apelmazan el producto almacenado formando arcos, puentes o bóvedas, muy peligrosos, que interrumpen el libre escurrimiento y pueden hacer colapsar el silo.
  • migraciones de humedad dentro de la masa de producto pueden llegar a causar la aglomeración de las partículas entre sí, afectando el libre escurrimiento.
  • el calentamiento de la materia ensilada por efecto de una mala conservación.

La primera causa, por compactación, casi no tiene solución, salvo por medios mecánicos para romper el nuevo equilibrio de la masa ensilada.

La segunda causa, por migraciones de humedad, solo se puede evitar cuidando que el producto almacenado tenga un tenor de humedad lo más bajo posible para que no tome cohesión en estado de reposo y se mantenga la fluidez de escurrimiento libre.

La tercera causa, por calentamiento, se neutraliza con el tratamiento del material ensilado, En el caso de cereales, es el secado previo y la aireación de los silos o con la instalación de sistemas exhaustores del aire caliente en el techo para evitar la condensación dentro del silo y la auto-combustión de los granos. Ver el caso Port Arthur en EEUU, donde el grano ardió casi dos meses dentro del silo, calentó la chapa y la debilitó.

EEUU- Port Arthur, colapso después de 52 días del producto ardiendo dentro del silo, 5.06.2017

¿Qué hay que hacer?

  • Es muy importante la capacitación del personal.
  • Los silos metálicos se pueden dañar si no se descargan correctamente.
  • Para cuidar un silo se debe evitar la descarga excéntrica a toda costa.
  • Si hay aberturas laterales del silo, hay que asegurarse que están diseñados adecuadamente y que los esfuerzos adicionales que se generan hayan sido contemplados en el cálculo estructural.

También, los efectos negativos de una mala operación de los sistemas de aireación pueden provocar corrosión de las paredes y alrededor de la base del silo. Además, los efectos de la temperatura del aire pueden generar corrosión y deteriorar los silos.

Reflexiones finales

Las principales causas de fallas estructurales son las directamente relacionadas con:

  • el tipo de flujo ocurrido dentro del silo
  • la carga y / o descarga excéntrica
  • la alteración de las propiedades de los productos almacenados (peso específico, ángulo de fricción interna, de fricción con la pared, humedad)
  • inestabilidad del contenido del silo.

Una gran cantidad de accidentes podrían evitarse sabiendo lo descripto.

Por eso es muy importante contratar siempre a profesionales y empresas reconocidas y competentes, solventes en el conocimiento y tecnología de silos.

Está comprobado que los silos poseen un alto índice de colapso y que no cabe duda que son una apasionante disciplina, que hay que tratar con respeto.

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