Recipientes de pared delgada sujeta a presión
Los recipientes a presión de pared delgada son ampliamente utilizados en la industria para el almacenamiento y transporte de líquidos y gases. Para la mayoría de las aplicaciones, los recipientes a presión son esféricos o cilíndricos. Dependiendo de la aplicación, los recipientes a presión adoptarán una forma u otra. La mayoría de los recipientes a presión se fabrican a partir de chapas curvadas unidas por soldaduras. Dos tipos de soldadura: junta de doble filete y junta de penetración total con preparación de junta en V. De estas opciones, se debe dar preferencia a las soldaduras con penetración total.
La envolvente de un recipiente de presión de pared delgada, actúa idealmente como una membrana (es decir, no se ven afectadas por tensiones de flexión sobre la mayor parte de su extensión). Una esfera es la geometría óptima para un recipiente a presión cerrado, en el sentido de ser la forma estructuralmente más eficiente, la presión interna está actuando igualmente en cada punto. Esto significa que las tensiones de la pared serán las mismas en todas las direcciones. Un recipiente cilíndrico es algo menos eficiente por dos razones: primero, las tensiones en la envolvente varían con la dirección, y por otro lado, el cierre de la envolvente en los cabezales puede alterar significativamente el estado ideal de la membrana, requiriendo refuerzos locales adicionales. Sin embargo, la forma cilíndrica puede ser más conveniente para fabricar y transportar.
Esto podría explicarse observando de cerca un elemento infinitesimal:
En el recipiente cilíndrico, la presión interna es resistida por la tensión circunferencial (hoop stress) en el sentido del arco del cilindro, mientras que la tensión axial no contribuye. En el recipiente esférico, la doble curvatura significa que todas las direcciones de tensión alrededor del punto de presión contribuyen a resistir la presión interior.
Por ello, para el mismo diámetro y condiciones de diseño, la tensión normal máxima en un recipiente sometido a presión esférico es la mitad que en un recipiente a presión cilíndrico. A su vez, el espesor de pared sigue la misma relación.
En otras palabras, una esfera es la geometría óptima para un recipiente a presión, en el sentido de ser la forma estructuralmente más eficiente. Sin embargo, la forma cilíndrica puede ser más conveniente para fabricar y transportar.
Cabe mencionar que el análisis mencionado para recipientes a presión de pared delgada debe utilizarse sólo para casos de presión interna (en otras palabras, cuando la presión interna es superior a la presión externa). Si un recipiente debe ser diseñado para una presión externa, como en el caso de un submarino o tanque de vacío, el pandeo de la pared, ya sea elástico o no elástico, puede convertirse en el modo de falla crítico. De ser así, el análisis previo de la tensión de la pared es sólo parte del diseño.
Ejercicio Ejemplo
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