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14 Junio

Refuerzo estructural de digestores anaerobios en EDAR

INTRODUCCIÓN

El presente caso de estudio muestra el alcance de los sistemas FRP (Fiber Reinforced Polymers) para la rehabilitación estructural de tanques digestores aplicada en el exterior de los mismos. Los digestores generalmente se encuentran ubicados en plantas de tratamiento de aguas residuales, siendo utilizados como una parte del proceso de digestión anaeróbica con el objetivo de producir, en gran parte de los casos, energías renovables.

De forma específica, el proceso de digestión anaerobia genera biogás, el cual se compone de metano, dióxido de carbono y ácido sulfúrico principalmente. Este biogás puede utilizarse como combustible en grupos electrógenos de combustión, aprovechándose el calor residual para generación de energía en un proceso conocido como cogeneración. El biogás también puede mejorarse mediante procesos de refinado para obtener biometano con un poder de combustión comparable al del gas natural.

El proceso de generación de biogás se produce en el interior de un tanque generalmente construido en hormigón armado. La composición tanto del biogás como de los fangos en el interior del digestor aceleran notablemente el proceso de degradación del hormigón, el cual, con el paso del tiempo comienza a mostrar fallas estructurales que merman su operatividad dando paso a la necesidad de realizar una rehabilitación estructural. PIPELINE INFARSTRUCTURE ofrece una eficiente solución para la rehabilitación estructural mediante la aplicación exterior de sistemas de polímeros reforzados con fibras (FRP).

ESTRUCTURA DEL TANQUE DIGESTOR

En los casos en los que el biogás producido se almacena en un tanque externo, el tanque principal de digestor se conforma de una estructura rígida con cubierta fija. En la figura 1 puede verse un esquema general.

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Una cámara de digestión típicamente se construye como un tanque cilíndrico monolítico de hormigón armado (HA). Su fondo lo conforma una placa con forma de cono truncado que se conecta monolíticamente con las paredes del cilindro de hormigón que conforma las paredes del tanque. La cubierta se compone de un domo cónico, también de hormigón armado, que se conecta monolíticamente a las paredes del tanque cilíndrico, de forma similar a la placa del fondo del tanque. La figura 2 presente una sección en elevación de un digestor típico.

Las paredes del tanque al igual que el domo de la cubierta generalmente se construyen con un hormigón de baja relación agua-cemento. El acero de refuerzo del domo se coloca en ambas direcciones (radial y circunferencial).

Es importante resaltar que en el caso en que el digestor tiene cubierta fija, es crucial instalar un dispositivo que permita controlar los niveles de presión de gas en el interior, bien podía ser una válvula de purga o un compartimiento expansible para almacenamiento de exceso de biogás. Para este tipo de digestores es importante considerar el riesgo de explosión como consecuencia de sobrepresiones. Y en cualquier caso incidencias de sobrecarga por presión interna deben tomarse en cuenta en el diseño.

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ANÁLISIS DE PROBLEMAS TÍPICOS EN DIGESTORES

El agrietamiento en la cara externa del domo de un digestor es un problema típico de éste. La intensidad del agrietamiento es variable y en la mayoría de los casos depende del diseño original, de la calidad del proceso constructivo, de las condiciones medioambientales, así como de la edad de la estructura y el historial de su operatividad.

Las grietas que típicamente aparecen en los domos de los digestores pueden apreciarse en la dirección radial de éste. Dichas grietas generalmente dan cabida a la presencia de grietas en sentido circunferencial en la unión entre la pared vertical y el inicio del domo de cubierta. En los casos más severos es posible apreciar la presencia de grietas en sentido longitudinal en secciones superiores a medida que se avanza hacia la cumbre del domo. En la mayoría de los casos suelen aparecer filtraciones, demostrando que las grietas atraviesan la pared de la estructura. Estas filtraciones evitan que la operatividad del digestor sea eficiente. No obstante, las grietas también pueden ser signos de un problema estructural mayor que pudiese incluso llegar a transformarse en un fallo critico. La figura 3 muestra un patrón típico de agrietamiento en su etapa inicial, las grietas aparecen principalmente en la dirección radial, dando pie a una posible falla en la unión entra el domo y la pared vertical.

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En cualquier caso, se recomienda una investigación profunda del agrietamiento del tanque en la que se incluya un mapeado de las grietas, así como la detección del refuerzo de acero existente y su comparación con el plano constructivo (si existe). En la figura 4 se muestra un patrón típico de agrietamiento extraído del estudio de un tanque con problemas de agrietamiento.

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Cabe resaltar que un diseño adecuado debe considerar tanto las cargas de operación como las accidentales y/o sobrecargas a las que se somete la estructura. Durante la operación típica del digestor, las cargas principales son el peso propio del domo, para lo que únicamente sería necesario reforzar en la cara inferior. Sin embargo, si llegase a producirse una sobrecarga accidental (desbordamiento), se generarían esfuerzos de tracción significativos en la cara externa del domo debidos al empuje vertical .ejercido por la formación de biogás.

Para ahondar en la investigación del comportamiento típico del domo en un digestor anaerobio se ha generado un modelo de elementos finitos, el cual se presenta en la figura 5. El comportamiento del domo de la cámara de digestión se analiza para distintos estados de carga (vacío, tanque lleno, rebosamiento temporal accidental) así como para distintas cargas térmicas (estaciones de invierno y verano). La distribución de los esfuerzos radiales y circunferenciales en la cara externa del domo para un estado de carga de rebosamiento accidental se muestran en la figura 6.

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En la distribución de esfuerzos resultante es posible observar que se generan esfuerzos de tensión significativos en la cara exterior del tanque. Generalmente estos esfuerzos de tensión superan la capacidad del hormigón en este aspecto, por lo que, si no se ha proporcionado una cantidad adecuada de acero de refuerzo, los agrietamientos aparecerán.

Un diseño adecuado deberá incluir un refuerzo de acero en ambas caras (interior y exterior) de la placa que conforma el domo. Se ha observado que en la práctica únicamente se refuerza la cara inferior (cara interna) del domo bien sea debido a errores en el proceso constructivo o en el diseño. Por otro lado, también se han podido observar casos en los que la colocación de la capa de refuerzo superior de acero (cara externa) se ha colocado mal, sin respetar la distancia entre armaduras, quedando ésta demasiado cerca de la capa inferior de refuerzo. Finalmente, también existe el caso típico en el que se ha perdido una cantidad considerable de la sección de acero de refuerzo como consecuencia de la corrosión.

Todo lo anteriormente mencionado resulta en una falta estructural, especialmente cuando se han aplicado grandes cargas sobre la estructura durante el historial su operación. La aparición gradual de grietas acelera el proceso debido a que el acero pierde su protección y se muestra susceptible a la pérdida de su sección por corrosión. Además, la pérdida de integridad estructural debido a la formación de agrietamientos promueve la aparición de grietas mayores en el futuro cuando se pudiese producir una sobrecarga accidental, llevando a la estructura mucho más cerca de su falla total o colapso.

SOLUCIÓN DE REHABILITACIÓN CON SISTEMAS FRP (POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRA)

Típicamente las reparaciones en tanques digestores se realizan desde el interior del mismo, requiriendo un corte de la operativa y el vaciado del mismo. Esto tiene un impacto significativo en el coste total de la intervención ya que el costo de la energía que deja de producirse durante el tiempo de intervención debe ser considerado. Sin embargo, generalmente este tipo de reparaciones se realizan conjuntamente con la limpieza de la superficie interior del digestor, remoción de desechos sólidos y protección de las paredes del mismo.

Se observa sin embargo que los métodos típicos de reparación de se enfocan en la prevención de filtraciones sin proporcionar una solución estructural. La solución FRP de PIPELINE INFRASTRUCTURE se enfoca en proporcionar una solución estructural en combinación con la prevención de filtraciones siendo aplicada únicamente en el exterior del tanque sin la necesidad de detener el proceso operativo de la planta. No obstante, una parada programada del proceso productivo del digestor será igualmente necesaria para realizar las labores de limpieza con el objetivo de mantener una operatividad eficiente del digestor. De cualquier manera, la capacidad estructural y la prevención de filtraciones del tanque estará garantizada hasta entonces.

La solución que PIPELINE INFRASTRUCTURE propone considera la aplicación de un sistema compuesto FRP que se adhiere estructuralmente a la cara exterior del domo. Se propone que las grietas existentes sean selladas con una inyección de resina epóxica antes de la instalación del sistema compuesto. El refuerzo FRP será diseñado para alcanzar los requerimientos del estado último de cargas, así como el de sobrecargas accidentales.

Los sistemas compuestos son sistemas unidireccionales conformados por Fibras de Carbono Reforzadas con Polímeros (CFRP – Carbon Fiber Reinforced Polymers), formados por capas de fibras de carbono y resinas epóxicas especialmente diseñadas. Los sistemas se saturan en el sitio de obra y se aplican en múltiples capas sobre la estructura siguiendo el método húmedo de aplicación.

Los sistemas formados se caracterizan por poseer muy alta resistencia a la tensión en relación con su muy bajo peso y espesor. Así ofrecen un aumento significativo de la capacidad de resistencia a tensión de la estructura sin añadir ningún peso propio adicional. Además, la solución CFRP se caracteriza por una excelente durabilidad basada en la naturaleza extremadamente durable de los sistemas compuestos.

Finalmente, un recubrimiento completo del domo con un sistema compuesto forma una membrana impermeable que, combinada con el sellado de las grietas y la prevención de la formación de nuevas grietas, ofrece una prevención total anti filtraciones en el domo.

En las figuras 7 y 8 se presentan aplicaciones típicas de los sistemas compuestos en plantas de tratamiento de aguas residuales.

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El diseño de la solución FRP se realiza previamente acatando los lineamientos exigidos por las normativas internacionales, llegando a una solución que especifica la cantidad exacta de capas de CFRP necesarias, así como la dirección en la que deben instalarse, con la finalidad de cumplir con las necesidades estructurales del elemento a rehabilitar. Típicamente la aplicación de estos sistemas compuestos se realiza mediante varias capas tanto en dirección radial como circunferencial. Además, en caso de falla de la junta entre el domo y la pared del tanque, el sistema se aplica de forma vertical con la finalidad de recuperar la integridad estructural. En la figura 9 se presenta una configuración típica para el refuerzo del domo de un digestor.

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CONCLUSIONES

Es un fenómeno típico el encontrar fallas en el domo de los tanques digestores con cubierta fija de hormigón armado. Las causas principales son un proceso constructivo inadecuado, sobrepresiones consecuencia de cargas accidentales y corrosión del acero de refuerzo.

PIPELINE INFRASTRUCTURE ofrece una solución eficiente y duradera para el refuerzo del domo en su cara exterior mediante la instalación de sistemas compuestos CFRP sin la necesidad de realizar paradas operativas no programadas.

La solución proporcionada aumentará la seguridad de la estructura reduciendo los niveles de esfuerzos que debe soportar la estructura de hormigón, mientras que proporciona una capacidad estructural adecuada para el caso en que llegase a suceder una sobrecarga accidental.

Finalmente, la solución de PIPELINE INFRASTRUCTURE proporciona una prevención contra filtraciones en el domo, resultando en una operatividad eficiente del digestor sin la necesidad de realizar una parada de emergencia para una intervención interna.

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