4º Jornadas de Desarrollo e Innovación, Noviembre 2002 1


Verificación de diseño de chimenea industrial
Alvarez, J.; Dominguez, A.; Martinez, P.
Centro Regional Córdoba (CEMCOR-CIMM)

OBJETIVOS
El análisis estructural de chimeneas in-
dustriales de dimensiones considerables pre-
senta diversos aspectos a tener en cuenta. En
primera instancia se debe realizar un análisis
estático convencional en el que se tengan en
cuenta las cargas debidas al peso propio de la
envolvente y el de los elementos refractarios
constitutivos. A su vez, debe contemplarse el
efecto del viento sobre la estructura, como así
también los efectos térmicos producidos por
el funcionamiento de la chimenea. En el caso
del viento se debe evaluar no solamente la
carga producida por este, sino los efectos di-
námicos que se producen al interactuar la fre-
cuencia de los torbellinos que se desprenden
a ambos lados de la chimenea con las fre-
cuencias naturales de vibración de la estructu-
ra. En este trabajo se describe el método de
análisis propuesto el cual se basa en la técni-
ca de elementos finitos. Se aclara que existen
a su vez efectos sísmicos, los cuales deberían
ser evaluados de acuerdo a la zona en la que
se instale la chimenea, y que no fueron con-
templados en el presente trabajo.
MATERIALES Y MÉTODOS
Las distintas etapas de análisis se lle-
varon a cabo utilizando el Código de cálculo
por elementos finitos ABAQUS. Los análisis
realizados incluyeron cálculos estructurales
estáticos y dinámicos, determinación de fre-
cuencias naturales de vibración y análisis de
tensiones térmicas producidas por la interac-
ción del material refractario con la envolvente
exterior de acero.
Se desarrolló además una planilla de
cálculo para contabilizar las cargas debidas al
viento según lo especificado por el Reglamen-
to CIRSOC 102[1].
RESULTADOS
Con la finalidad de describir el método
propuesto se analizó una chimenea industrial
de aproximadamente 45 m de altura constitui-
da por una envolvente de acero con anillos ri-
gidizadores, poseyendo interiormente una ais-
lación de ladrillos refractarios. que se apoyan
sobre anillos internos. Se describen a conti-
nuación los análisis realizados:
Análisis estructural y de vibraciones
Se consideraron dos casos de carga. El
primero tuvo en cuenta los efectos del viento,
el peso propio, el peso del material refractario
y la dilatación térmica de la envolvente debida
a las condiciones normales de operación. Las
cargas debidas al viento fueron calculadas
según el Reglamento CIRSOC 102, obtenién-
dose una presión dinámica de cálculo variable
con la altura y un coeficiente de presión, el
cual varía con la orientación del punto consi-
derado con respecto a la dirección del viento.









Fig. 1: Determinación de presión dinámica qz de acuer-
do a CIRSOC 102.
El segundo caso de carga correspondió
a la oscilación dinámica en la dirección trans-
versal al viento que se produce por despren-
dimiento de vórtices o torbellinos alternativa-
mente a uno y otro lado de la chimenea. La
amplitud máxima de la oscilación fue calcula-
da de acuerdo a lo propuesto por Hansen[2] y
fue aplicada como desplazamiento en el ex-
tremo superior de la chimenea. También se

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tuvo en cuenta en este caso el peso propio, el
peso del material refractario, la carga del vien-
to correspondiente a la velocidad crítica, y la
dilatación térmica. Para este análisis fue ne-
cesario primero obtener las frecuencias natu-
rales de oscilación de la chimenea. Para ello,
valiéndose de las capacidades de Código uti-
lizado se realizó un análisis dinámico de ex-
tracción de frecuencias. De esta manera se
determinaron las tres primeras frecuencias
naturales de vibración y sus correspondientes
modos.










Fig. 2: Análisis estático. Distribución de tensiones
equivalentes de Von Mises.

Fig. 3: Análisis dinámico. Determinación de frecuencias
y modos de vibración.

Fig. 4: Análisis dinámico. Determinación de tensiones
equivalentes de Von Mises.

Análisis Térmico
En este análisis se consideró la interac-
ción entre el material refractario y la envolven-
te metálica de la chimenea, con la finalidad de
diseñar una junta de dilatación adecuada para
el rango de funcionamiento del equipo.
Para ello se realizaron modelos axisi-
métricos de un tramo de chimenea, donde se
representó el material refractario, la envolven-
te de chapa, los aros de apoyo del refractario,
los aros rigidizadores y el cordón de soldadura
que vincula estos aros con la envolvente. Se
realizó un análisis de tensiones por dilatación
térmica debida a un incremento de temperatu-
ra (∆t), considerándose un gradiente de la
misma desde el interior de la chimenea hacia
afuera. La interacción entre los ladrillos refrac-
tarios y sus anillos de apoyo se representó
mediante una condición de contacto con fric-
ción.

Fig. 5: Análisis térmico. Configuración deformada y dis-
tribución de tensiones equivalentes de Von Mi-
ses.
CONCLUSIONES
El esquema de cálculo propuesto es
adecuado para realizar un análisis integral de
todos los aspectos que pueden ser conside-
rados en el diseño de chimeneas industriales.
Asimismo, se concluye que el análisis por
elementos finitos es una herramienta muy im-
portante en la resolución de este tipo de pro-
blemas.
Referencias
[1] Reglamento CIRSOC 102, “Acción del viento sobre las cons-
trucciones”,Junio 1994.
[2]Svend Ole Hansen, “Vortex-Induced Vibrations of Line-Like
Structures”,CICIND Report, Vol. 15 No. 1,September 1998.
Para mayor información contactarse con:
Ing. Jorge Álvarez – jalvarez@inticemcor.gov.ar
1er Mo-
do
1,75
3er Modo
7,13 [Hz]
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