Memoria De Tanque De Almacenamiento

CIVIL MEMORIA DE CALCULO DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE AGUA DEL ACUEDUCTO REGIONAL DE LOS MUNICIPIOS DE TENA Y LA MESA EN CUNDINAMARCA Ingeniero Estructural LUIS ANGEL ESPITIA Abril 14/2018

TABLA DE CONTENIDO 1 2

INTRODUCCION.............................................................................................................4 PLANOS.......................................................................................................................... 4

3 4 4.1 5 5.1 5.2 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1 6.5 6.5.1 6.6 6.6.1 6.7 6.7.1 6.8 6.9 7

NORMAS Y CÓDIGOS INTERNACIONALES..................................................................4 DATOS DE DISEÑO........................................................................................................4 PARAMETROS DE DISEÑO............................................................................................4 CARGAS DE DISEÑO.....................................................................................................5 CUANTIA MINIMA DE RETRACCIÓN Y TEMPERATURA...............................................5 COMBINACIONES DE CARGA.......................................................................................5 DISEÑO ESTRUCTURAL...............................................................................................6 DIMENSIONES Y MODELO COMPUTACIONAL.............................................................6 APLICACIÓN DE CARGAS.............................................................................................7 REVISION DE LA CAPACIDAD PORTANTE DEL SUELO.............................................11 DISEÑO DE LA PLACA INFERIOR PARA REFUERZO SUPERIOR E INFERIOR.........11 CALCULO DEL COEFICIENTE DE DURABILIDAD SANITARIA (sd)............................13 DISEÑO DE MUROS LONGITUDINALES PARA REFUERZO EN LA CARA INTERNA Y EXTERNA...................................................................................................................... 14 CALCULO DEL COEFICIENTE DE DURABILIDAD SANITARIA (sd)............................15 DISEÑO DE MUROS TRANSVERSALES PARA REFUERZO EN LA CARA INTERNA Y EXTERNA...................................................................................................................... 16 CALCULO DEL COEFICIENTE DE DURABILIDAD SANITARIA (sd)............................18 DISEÑO DE PLACA SUPERIOR...................................................................................18 CALCULO DEL COEFICIENTE DE DURABILIDAD SANITARIA (sd)............................20 DISEÑO DE VIGAS AÉREAS........................................................................................21 ANÁLISIS DE FLOTABILIDAD.......................................................................................21 RESULTADOS DEL DISEÑO.........................................................................................21 LISTADO DE TABLAS

Tabla 1 Parámetros de diseño estructural....................................................................................4 Tabla 2 Resultados de diseño estructural Tanque de Agua........................................................21 LISTADO DE FIGURAS Figura 1 Ingreso del valor del módulo de balasto en los shell de la losa de fondo del tanque......7 Figura 2 Modelo estructural del Tanque de almacenamiento de agua, las dimensiones están en metros.......................................................................................................................................... 7 Figura 3 Empuje lateral de tierras aplicado en las paredes del modelo (Ton/m2).........................8 Figura 4 Presión del terreno en la zarpa del modelo (Ton/m2)....................................................8 Figura 5 Empuje hidrostático aplicado en las paredes del modelo (Ton/m2)................................9 Figura 6 Empuje por supresión en la losa de fondo del modelo (Ton/m2)....................................9 Figura 7 Aplicación de carga viva en la losa superior del modelo (Ton/m2)................................10 Figura 8 Aplicación de presión de agua en las paredes del modelo (Ton/m2)............................10 Figura 9 Aplicación de presión de agua en la losa de fondo del modelo (Ton/m2)......................11 Figura 10 Momentos últimos en la placa de fondo por M11 y M22 en ton*m/m2........................11 Figura 11 Cortantes Últimos en placa de fondo V13 y V23 en Ton/m.........................................12 Figura 12 Momentos últimos en el muro longitudinal por M11 y M22 en ton*m/m2....................14 Figura 13 Cortantes Últimos en el muro longitudinal V13 y V23 en Ton/m.................................14 Figura 14 Momentos últimos en el muro transversal por M11 y M22 en ton*m/m2.....................16 Figura 15 Cortantes Últimos en el muro transversal V13 y V23 en Ton/m..................................16 Figura 16 Momentos últimos en placa superior por M11 y M22 en ton*m/m2.............................18 Figura 17 Cortantes Últimos en placa superior V13 y V23 en Ton/m..........................................19 Figura 18 Máximos cortantes y momentos en las vigas aéreas.................................................21

1

INTRODUCCION

La presente memoria de cálculo contiene el diseño y análisis estructural del tanque de almacenamiento del acueducto regional del municipio de Tena y la Mesa en el departamento de Cundinamarca. 2

PLANOS

PR-1 Plano 1 - “Plano de geometría de tanque” PR-2 Plano 2 – “Plano de refuerzo de tanque” 3

NORMAS Y CÓDIGOS INTERNACIONALES

El diseño de las estructuras presentadas en este documento se rige por los códigos, estándares y normas nacionales listados a continuación: NSR-10 ACI 350 4

Normas Colombianas de Diseño y Construcción Sismo Resistente Environmental Concrete Structures.

DATOS DE DISEÑO

PARAMETROS DE DISEÑO De acuerdo a los valores tomados de los Estudios de Suelos realizados, la ubicación del proyecto y los requerimientos la Norma Colombiana NSR-10, los parámetros que se utilizaran para el diseño son los siguientes: Parámetro Zona de Riesgo Sísmico Coeficiente de aceleración Horizontal Espectral Aa Coeficiente de velocidad Horizontal Espectral Av Grupo de Uso Coeficiente de Importancia I Capacidad Portante (Información del estudio de suelos) Profundidad de cimentación Peso Unitario del Suelo (Información del estudio de suelos) Angulo de fricción del suelo Φ (Información del estudio de suelos) Coeficiente de Presión Activa Ka Coeficiente de Presión en reposo Ko Modulo de reacción del suelo Ks Profundidad Nivel freático Resistencia del Concreto (a 28 días) f’c Esfuerzo de Fluencia del Acero de Refuerzo Fy

Valor Intermedia 0.15 0.20 IV 1.5 6.7 Ton/m2 2.5 m 1.31 Ton/m3 13 0.35 0.78 1480 Ton/m3 Mitad del tanque 280 Kg/cm2 (28 MPa) 4200 Kg/cm2 (420 Mpa)

Tabla 1 Parámetros de diseño estructural

5

CARGAS DE DISEÑO

Las cargas de diseño incluyen:



Peso propio (MUERTA): Peso propio. El peso del concreto reforzado utilizado es de 2.4 Ton/m3.



Carga viva (VIVA): Se considera una aplicación de carga viva sobre la placa superior del tanque de 250 kg/m2.



Empuje de tierras (EMPUJE): Se considera el empuje horizontal del suelo. Se utilizará un γ = 1.31 Ton/m3 y un coeficiente de presión en reposo Ko = 0.78



Empuje hidrostático (HIDROSTATICA): Se tuvo en cuenta la presión hidrostática en las paredes de la estructura debido al nivel freático.



Subpresión (HIDROSTATICA): Se considera en el análisis de estabilidad de la estructura y como carga vertical ascendente para el diseño de la losa de fondo.



Empuje de agua (AGUA): Se tuvo en cuenta la presión del agua que realiza el tanque conteniendo líquido hacia las paredes.

Casos de carga: I II III IV V

Peso propio (MUERTA) Sobrecarga viva (VIVA) Empuje de tierras (EMPUJE) Empuje hidrostático (HIDROSTATICA) Subpresión (HIDROSTATICA)

CUANTIA MINIMA DE RETRACCIÓN Y TEMPERATURA Para la cuantía mínima para retracción y temperatura se adoptó la de 0.004 teniendo en cuenta la mayor distancia que puede haber entre juntas para compensar movimientos (Tabla C.23C.7.12.2.1 de NSR-10). COMBINACIONES DE CARGA Las combinaciones de carga se evaluaron de acuerdo a lo establecido en el titulo B de la NSR-10.

5.1.1 Combinaciones de Diseño COMBO 1 COMBO 2 COMBO 3

MUERTA 1.2 VIVA 1.6 MUERTA 1.2 EMPUJE 1.6 MUERTA 1.2 EMPUJE 1.6 HIDROSTATICA 1.6

COMBO 4

MUERTA 1.2 AGUA 1.6 COMBO 5 MUERTA 1.2 VIVA 1.6 EMPUJE 1.6 COMBENV (envolvente) COMBO 1 1.0 COMBO 2 1.0 COMBO 3 1.0 COMBO 4 1.0 COMBO 5 1.0 Para el diseño de los elementos del tanque se empleara la combinación de envolvente COMBENV. 5.1.2 Combinaciones de Servicio SERV 1 SERV 2

SERVENV (envolvente) 6

MUERTA 1.0 VIVA 1.0 MUERTA 1.0 VIVA 1.0 EMPUJE 1.0 HIDROSTATICA 1.0 SERV 1 1.0 SERV 2 1.0

DISEÑO ESTRUCTURAL

DIMENSIONES Y MODELO COMPUTACIONAL El diseño análisis y estructural se realizó mediante la modelación ejecutada en el programa de elementos finitos SAP-2000 con las siguientes características: Se modelaron elementos para la placa y los muros, para estos se definieron elementos tipo Shell con un espesor de 30 cm. La placa superior se modela igualmente con elementos tipo Shell de espesor 20 cm. Las cargas de subpresión y la sobrecarga viva que se aplican sobre la placa inferior y los muros corresponden a cargas uniformes (Uniform loads), las cargas variables correspondientes a presiones de agua y suelo, se aplicaron mediante Joint patterns. En la placa inferior se modelaron resortes de área (spring) para simular las características del suelo introduciendo el valor del módulo de reacción Ks. En la figura 1 se presenta el ingreso del módulo de reacción del suelo a los elementos tipo Shell de la placa de fondo del modelo matemático.

Figura 1 Ingreso del valor del módulo de balasto en los shell de la losa de fondo del tanque

El esquema de la estructura modelada, se muestra en la figura 2. La estructura modelada del Tanque de Agua de almacenamiento cuenta con una geometría de: 12 m Ancho Base – 34 m Largo – 4.55 m Altura, con un espesor constante de muros y de losas de 0.30. Se dejara un borde libre de 0.20 m.

4.55

34.0

12

Figura 2 Modelo estructural del Tanque de almacenamiento de agua, las dimensiones están en metros

APLICACIÓN DE CARGAS - Peso de la Estructura El peso propio total de la estructura es calculado por el programa SAP 2000 y es aplicado como una carga muerta. Peso Estructura (Ton) Tanque Aguas de almacenamiento 819 - Empuje Lateral de Tierra Se aplica una carga triangular debido a la presión lateral estática del suelo sobre los muros del tanque, se deja una altura de 0.20 m entre el nivel del terreno y la parte superior de los muros.

Psuelo  H * K 0 *  d  4.4 * 0.77 *1.30  4.4 Ton

m2

Figura 3 Empuje lateral de tierras aplicado en las paredes del modelo (Ton/m2)

Figura 4 Presión del terreno en la zarpa del modelo (Ton/m2)

- Empuje Hidrostático: Se considera el empuje por presión hidrostática (presión externa de nivel freático), en condiciones del tanque vacío, que corresponde a la condición más crítica, Esta se asume que actúa hasta la mitad del tanque

Figura 5 Empuje hidrostático aplicado en las paredes del modelo (Ton/m2)

Figura 6 Empuje por supresión en la losa de fondo del modelo (Ton/m2)

- Carga Viva Se considera la carga viva de 0.25 Ton/m², aplicada sobre la placa superior del tanque.

Figura 7 Aplicación de carga viva en la losa superior del modelo (Ton/m2)

- Empuje de agua Se considera el empuje por presión del agua al interior del tanque y sin relleno del terreno a su alrededor, la presión también actúa en la losa de fondo del tanque.

Figura 8 Aplicación de presión de agua en las paredes del modelo (Ton/m2)

Figura 9 Aplicación de presión de agua en la losa de fondo del modelo (Ton/m2)

REVISION DE LA CAPACIDAD PORTANTE DEL SUELO El esfuerzo del suelo se chequea considerando el tanque lleno, por tanto:

 suelo 

(2532)  6.20  6.7 Ton 2 OK m 408

DISEÑO DE LA PLACA INFERIOR PARA REFUERZO SUPERIOR E INFERIOR

7 Ton-m

8.0 Ton*m

Figura 10 Momentos últimos en la placa de fondo por M11 y M22 en ton*m/m2

11 Ton

5 Ton

Figura 11 Cortantes Últimos en placa de fondo V13 y V23 en Ton/m

De acuerdo a los momentos últimos obtenidos, a continuación se realiza la revisión del coeficiente de durabilidad sanitaria Sd. 6.1.1 CALCULO DEL COEFICIENTE DE DURABILIDAD SANITARIA (sd)

DISEÑO DE MUROS LONGITUDINALES PARA REFUERZO EN LA CARA INTERNA Y EXTERNA.

6 Ton*m

7 Ton*M

Figura 12 Momentos últimos en el muro longitudinal por M11 y M22 en ton*m/m2

11 Ton

12 Ton

Figura 13 Cortantes Últimos en el muro longitudinal V13 y V23 en Ton/m

De acuerdo a los momentos últimos obtenidos, a continuación se realiza la revisión del coeficiente de durabilidad sanitaria Sd. 6.1.2 CALCULO DEL COEFICIENTE DE DURABILIDAD SANITARIA (sd)

DISEÑO DE MUROS TRANSVERSALES PARA REFUERZO EN LA CARA INTERNA Y EXTERNA.

4.0 Ton*m

7.0 Ton*m

Figura 14 Momentos últimos en el muro transversal por M11 y M22 en ton*m/m2

10 Ton

12 Ton

Figura 15 Cortantes Últimos en el muro transversal V13 y V23 en Ton/m

De acuerdo a los momentos últimos obtenidos, a continuación se realiza la revisión del coeficiente de durabilidad sanitaria Sd. 6.1.3 CALCULO DEL COEFICIENTE DE DURABILIDAD SANITARIA (sd)

DISEÑO DE PLACA SUPERIOR

3.3Ton*m

2.7 Ton*m

Figura 16 Momentos últimos en placa superior por M11 y M22 en ton*m/m2

5 Ton

2 Ton

Figura 17 Cortantes Últimos en placa superior V13 y V23 en Ton/m

De acuerdo a los momentos últimos obtenidos, a continuación se realiza la revisión del coeficiente de durabilidad sanitaria Sd. 6.1.4 CALCULO DEL COEFICIENTE DE DURABILIDAD SANITARIA (sd)

DISEÑO DE VIGAS AÉREAS

Figura 18 Máximos cortantes y momentos en las vigas aéreas

De acuerdo a lo anterior el As inferior seria 8.73 cm2 y el superior 5.8 cm2, el refuerzo de confinamiento será de 0.21 cm por metro lineal. ANÁLISIS DE FLOTABILIDAD

Para el análisis de la flotabilidad se tendrá en cuenta el tanque vacío y asumiendo que el agua actúa como una subpresion hasta el nivel de 2.82 m, tal como se presenta los planos. F.S = 819/1210 = 0.6 < 1.5, No cumple De acuerdo a lo anterior se recomienda colocar filtros alrededor del tanque que alivien el nivel freático que pueda causar alguna flotación, sin embargo respecto a la información del estudio de suelos no se presenta nivel freático en la zona de la planta de tratamiento por lo cual puede que durante la vida útil del tanque no se presente el fenómeno de flotación. Para el caso del tanque lleno de agua el factor de seguridad seria de 2.10 y cumpliría con el factor de seguridad. 7

RESULTADOS DEL DISEÑO

El diseño estructural final del Tanque de almacenamiento de Agua se presenta a continuación:

Elemento

Espesor (cm.)

Placa de Fondo Muros Placa Superior

30 30 20

Refuerzo Horizontal Interno #5 c/15 cm #5 c/15 cm #5 c/15 cm

Refuerzo Horizontal Externo

Refuerzo Vertical Interno

Refuerzo Vertical Externo

#5 c/15 cm #5 c/15 cm #5 c/15 cm

#5 c/15 cm #5 c/15 cm #5 c/15 cm

#5 c/15 cm #5 c/15 cm #5 c/15 cm

Tabla 2 Resultados de diseño estructural Tanque de Agua