Presentacion Tesis Reservorios Elevado Intze

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Escuela Profesional de Ingeniería Civil Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Bach. Ebherlin Bruno Quispe Apaza

4

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Contenido

Capítulo 01: Introducción Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Capítulo 03: Análisis Estructural Capítulo 04: Diseño Estructural en Concreto Armado Capítulo 05: Memoria Descriptiva Reservorio Elevado Conclusiones y Recomendaciones

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Objetivos y alcance Los principales objetivos y alcances de esta tesis son:  Realizar el Análisis y Diseño Estructural de un reservorio tipo Intze de 600m3 ubicado en el Área de Ingenierías del Campus Universitario de la Universidad Nacional de San Agustín.  Revisar la Normativa Nacional, las Normas y Estándares Internacionales sobre Diseño Sísmico de Reservorios. Como objetivos y alcances secundarios tenemos:  Mostrar brevemente las consideraciones principales e investigaciones realizadas sobre el tema.  Realizar la verificación de los resultados obtenidos mediante el uso de elementos finitos a través del SAP2000.  Brindar los requerimientos mínimos de construcción del reservorio en estudio.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Importancia de los Reservorios Los Reservorios o Tanques son estructuras especialmente diseñadas y construidas con el propósito de:  Almacenar fluidos tales como agua, combustibles, productos químicos, y pueden almacenar sustancias peligrosas (corrosivas o explosivas)  Compensar las variaciones de los consumos que se producen durante el día en sistemas de distribución de agua.  Almacenamiento de agua durante interrupción por daños a tuberías de aducción o estaciones de bombeo en situaciones de emergencia como incendios, eventos sísmicos.  Reducir costos de reposición en caso de falla.  Evitar desastres ambientales que un accidente puede provocar. Por lo tanto, dada la necesidad de que continúen operando después de un evento sísmico, hace que sea importante el estudio de su comportamiento.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Importancia de los Reservorios Reservorios en Sistema de Abastecimiento de Agua

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Importancia de los Reservorios Uno de los reservorios más importantes de nuestro país se encuentra ubicado en la Planta de Licuefacción de Gas Natural, Pampa Melchorita, a 170 kilómetros al sur de Lima en un terreno desértico de 521 hectáreas de extensión, donde se reduce el volumen del gas unas 600 veces para convertirlo a su estado líquido, tras un proceso de purificación y enfriamiento. El gas natural llega a la planta desde el lote 56 del yacimiento de Camisea, Cusco, e ingresa al gasoducto de 408 kilómetros de largo a la altura de la zona de Chiquintirca, en la región de Ayacucho, rumbo a Pampa Melchorita. La planta cuenta con instalaciones de refrigeración y licuefacción que permiten que el gas natural ingrese a los dos tanques de almacenamiento, que tienen una capacidad de 130,000 m3 cada uno, a una temperatura de 163°C bajo cero. Una vez convertido en líquido, el gas natural es embarcado en buques metaneros que atracarán en el muelle de carga,

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Importancia de los Reservorios

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Clasificación de los Reservorios RESERVORIOS

MATERIAL

GEOMETRÍA

ALTURA PROFUNDIDAD

CIMENTACIÓN

CUBIERTA

CONCRETO ARMADO

CUBICO

ELEVADO

RÍGIDA

SIN CUBIERTA

CONCRETO PRESFORZADO

CILINDRICO

APOYADO

FLEXIBLE

NORMAL

ACERO

ESFERICO

ENTERRADO

PROFUNDA

FLOTANTE

INTZE

AISLADOR SISMICO

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Clasificación de los Reservorios

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Clasificación de los Reservorios

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Reservorios y Eventos Sísmicos en el Mundo

Reparación de Grietas por flexión en el fuste del tanque elevado 500m3. Gujarat, India. Tanque de agua colapsado 265m3 Gujarat, India.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Reservorios y Eventos Sísmicos en el Mundo

Incendio en Tanque de Almacenamiento de Petróleo por Sismo, Japón

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Reservorios y Eventos Sísmicos en el Perú Año

Estado Actual

Tipo

Angostura Limón Angostura Limón Urb. San Joaquín Balneario Huacachina

Volumen (m3) 350 400 1,000 375

1,989 2,005 1,966 1,966

5

Urb. San Isidro

350

1,966

6 7

Urb. José de la Torre U. Estadio José Picasso P.

1,500 1,500

1,971 1,971

Elevado con fuste Apoyado Elevado con fuste Apoyado Elevado con vigas y columnas Elevado con fuste Elevado con fuste

Ítem

Reservorios

1 2 3 4

8

AA.HH. ADICSA

1,000

1,989

9

Urb. Angostura Alta

600

1,982

Regular Regular Regular En mal estado Dañado requiere rehabilitación Req. rehabilitación Bueno Req. reforzamiento en base Bueno

10

Caserío de Cachiche

20

1,982

En mal estado

11

P.J. Sta. Rosa de Lima

500

1,991

Regular

12

Reservorio Central

1,200

1,994

En mal estado

13

P.J. Señor de Luren Total en m3

160

1,991 Regular 8,955 m3

Apoyado

Capacidad (m3) Estado % Mal 4,445 49.6% Regular 2,410 26.9% Bien 2,100 23.5% Total (m3) 8,955 100.0% COMPORTAMIENTO DE RESERVORIO Bien 23% Regular 27%

Mal 50%

Elevado con fuste Elevado con vigas y columnas Apoyado Elevado con vigas y columnas Apoyado

Evaluación de Reservorios tras el sismo de Pisco 15 de Agosto 2007 (Fuente: J. Kuroiwa 2012)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Reservorios y Eventos Sísmicos en el Perú

Tanque Elevado Dañado 1,500m3. Data de 1,960 fue el reservorio más afectado tras el sismo quedó fuera de servicio, Sismo 15 Agosto 2007 Pisco (J. Kuroiwa 2012)


Tanque elevado en la sede central de EMAPICA con daños en extremos de vigas y columnas. Está fuera de servicio Sismo 15 Agosto 2007 Pisco (J. Kuroiwa 2012)


Reparación de nudos dañados en vigas y columnas de Tanque Elevado Sismo Nazca 12 Noviembre 1,996 (San Bartolomé Et al 1996)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Reservorios y Eventos Sísmicos en Arequipa

Item 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

RESERVORIOS OPERATIVOS Volumen Reservorio Tipo Sistema (m3) R-1 Apoyado Tomilla 2,260 R-2 Apoyado Tomilla 2,260 R-2 A Apoyado Tomilla 2,500 R-3 Apoyado Tomilla 2,260 R-4 Apoyado Tomilla 830 R-5 Apoyado Tomilla 760 R-6 Apoyado Tomilla 850 R-7 Apoyado Tomilla 600 R-8 Apoyado Tomilla 830 R-9 Apoyado Tomilla 10,000 R9 A Apoyado Tomilla 10,000 R-10 Apoyado Bedoya 3,890 R-11 Apoyado Tomilla 2,400 R-12 Elevado Tomilla 260 R-13 Apoyado Tomilla 830 R-13 A Apoyado Tomilla 1,500 R-13 B Apoyado Tomilla 200 R-14 Apoyado Tomilla 280 R-15 Apoyado Tomilla 2,140 R-16 Apoyado Tom/Bed 890 R-17 Apoyado Tom/Bed 590 R-18 Apoyado Tom/Bed 650

Año 1,926 1,926 2,011 1,963 1,976 1,976 1,975 1,976 1,984 1,962 2,001 1,926 1,963 1,964 1,964 1,998 2,000 1,973 1,966 1,975 1,976 1,974

Estado Item Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo

23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44

RESERVORIOS OPERATIVOS Volumen Reservorio Tipo Sistema (m3) R-20 Apoyado Sabandia 380 R-21 Apoyado Tomilla 1,250 R21 A Apoyado Tomilla 1,250 R-22 Apoyado Tomilla 850 R-23 Apoyado Sachaca 173 R-23 A Apoyado Sachaca 600 R-24 Apoyado Tingo 780 R-25 Elevado Tomilla 150 R-26 Elevado Tomilla 500 R-27 Elevado Tomilla 150 R-28 Apoyado Tingo 300 R-29 Apoyado Tomilla 1,200 R-30 Apoyado Tomilla 1,200 R-31 Elevado Tomilla 220 R-32 Apoyado Sabandía 1,000 N-3 Apoyado Tomilla 600 N-4 Apoyado Tomilla 1,000 N-5 Apoyado Tomilla 1,000 N-5 B Apoyado Tomilla 220 N-8 Apoyado Bedoya 750 N-9 Apoyado Bedoya 240 N-10 Apoyado Bedoya 500

Año 1,975 1,980 1,980 1,985 1,965 1,997 1,962 *** 1,986 1,984 1,976 1,995 1,995 1,998 2,004 1,996 1,993 1,993 2,008 1,980 1,992 1,992

Estado Item Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo

45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64

RESERVORIOS OPERATIVOS Volumen Reservorio Tipo Sistema Año (m3) N-11 Apoyado Bedoya 750 1,992 N-12 Apoyado Bedoya 750 1,992 N-13 Apoyado Bedoya 500 1,992 N-14 Apoyado Tomilla 1,200 1,975 N-15 Apoyado Tomilla 500 1,995 N-16 Apoyado Tomilla 1,000 1,995 N-21 Apoyado Tomilla 3,000 1,996 N-23 Apoyado Tomilla 900 1,974 N-24 Apoyado Tomilla 2,000 1,996 N-25 Apoyado Tomilla 750 1,990 N-25 A Apoyado Tomilla 750 2,000 N-26 Apoyado Tomilla 1,600 2,006 N-27 Apoyado Tomilla 2,000 2,003 N-28 Apoyado Tomilla 2,800 2,006 N-29 Apoyado Tomilla 2,800 2,001 N-42 Apoyado Tomilla 2,000 1,997 N-43 Apoyado Tomilla 750 1,986 N-44 Apoyado Tomilla 500 1,994 N-49 Apoyado Tomilla 250 1,994 R-19 Elevado *1,500 1,983 Total 85,893 1,983

Detalle de Reservorios en Arequipa (Fuente: Sedapar Plan Estratégico 2013-2017)

Estado Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Operativo Inoperativo

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Reservorios y Eventos Sísmicos en Arequipa CONSTRUCCIÓN RESERVORIOS AREQUIPA 2014-2010 2010-2005 2005-2000 2000-1995 1995-1990 1990-1985 1985-1980 1980-1975 1975-1970 1970-1965 1965-1960 1960-1955 1955-1950 1950-1945 1945-1940 1940-1935 1935-1930 1930-1925 1925-1920

11 3 4 9 13 3 5 8 7 1 7

3 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Detalle de Reservorios en Arequipa (Fuente: Sedapar Plan Estratégico 2013-2017)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Reservorios y Eventos Sísmicos en Arequipa

Reservorio R2 dañado por Sismos recurrentes y reparado parcialmente Miraflores, Arequipa (Fuente INDECI)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Reservorios y el Inadecuado Diseño y Construcción en el Perú

Reparación de Grietas durante el proceso de llenado del tanque, Reservorio Elevado R-4, Iquitos y Filtraciones en etapa de operación Reservorio Elevado Hualmay Lima

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Reservorios y el Inadecuado Diseño y Construcción en Arequipa

Mala operación, inadecuado mantenimiento reservorios en Arequipa

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 01: Introducción Reservorios y el Inadecuado Diseño y Construcción en Arequipa

Mala operación, inadecuado mantenimiento reservorios en Arequipa

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Revisión de la Normativa Nacional La Norma Peruana de diseño sismo resistente E.030-2006 en sus distintas versiones ha sido elaborada como respuesta a las lecciones aprendidas de los sismos ocurridos en el Perú

CORTANTE BASAL: COEFICIEN TE POR PESO

PRIMER REGLAMENTO MUNICIPAL APROBADO POR LA COMISION TECNICA MUNICIPAL DE LIMA SE PROPONE AL MINISTERIO DE FOMENTO Y OBRAS PUBLICAS SE USE A NIVEL NACIONAL

PRIMERA NORMA PERUANA DESPUES DEL SISMO 3 0.70 2 1.00 1 1.20

REVISION NORMA1970 DESPUES DE SISMO 3 0.30 2 0.70 1 1.00

REVISION NORMA1977 DESPUES DE SISMO 3 0.40 2 0.30 1 0.15 /

0.10

24/08/11

Magnitud = 7.0 2 Muertos Ucayali, Pucallpa

2014

2003

1997

1977

1970

2014 1968

1914

1950

15/08/07

Magnitud = 7.9 519 Muertos Ica, Pisco

Magnitud = 7.5 10 Muertos San Martin, Lamas 25/09/05

Magnitud = 8.4 240 Muertos 23/06/01

Arequipa, Atico

Magnitud = 7.7 20 Muertos Nazca

12/11/96


San Martín


Lima

09/12/70

Magnitud = 7.1 1,167 Muertos Piura

31/05/70

Magnitud = 7.9 100,000 Muertos Ancash

Magnitud = 7.0 1,300 Muertos 01/10/69

Junín

17/10/66

Magnitud = 7.5 220 Muertos

13/01/60

Lima

Magnitud = 7.5 687 Muertos Arequipa

15/01/58

Magnitud = 7.3 228 Muertos Arequipa

21/05/50

Cusco

Magnitud = 7.0 1,581 Muertos

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Revisión de la Normativa Nacional

REVISION NORMA1997 DESPUES DE SISMO 3 0.40 2 0.30 1 0.15 /

0.125 /1.25

ACTUALIZACION NORMA 2003 4 0.45 3 0.35 2 0.25 1 0.10

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Revisión de la Normativa Nacional NORMA DE DISEÑO SISMORRESISTENTE E.030 Respecto a los reservorios de almacenamiento de líquidos en el Artículo 2: Alcances, indica lo siguiente: “Para el caso de estructuras especiales tales como reservorios, tanques, silos, puentes, torres de transmisión, muelles, estructuras hidráulicas, plantas nucleares y todas aquellas cuyo comportamiento difiera del de las edificaciones, se requieren consideraciones adicionales que complementen las exigencias aplicables de la presente Norma. Además de lo indicado en esta Norma, se deberá tomar medidas de prevención contra los desastres que puedan producirse como consecuencia del movimiento sísmico: fuego, fuga de materiales peligrosos, deslizamiento masivo de tierras u otros”. (Norma E.030-2006)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Revisión de la Normativa Nacional En el Artículo 7: Factor de Amplificación Sísmica, cuando se trata de determinar el Factor de Amplificación Sísmica que se interpreta como el factor de amplificación de la respuesta estructural respecto de la aceleración en el suelo y en el Artículo 17.2: Periodo Fundamental se presentan las ecuaciones: 2.5

;

2.5 ,

Estas ecuaciones no son aplicables para reservorios, en el siguiente apartado se indican los valores para el factor de Amplificación Sísmica y el periodo para estructuras sometidas a comportamiento hidrodinámico que dependen básicamente de la geometría del tanque (circular o rectangular) y la ubicación del tanque respecto del nivel del suelo (tanque apoyado, enterrado o elevado)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Revisión de la Normativa Nacional En el Artículo 10: Categoría de las Edificaciones indica que los reservorios son Edificaciones Esenciales, por tanto asigna un Factor de uso e Importancia . , Para reservorios elevados podemos señalar que presenta irregularidad en altura de acuerdo a la Tabla N°4 de la Norma: Irregularidades Estructurales en Altura, donde indica “Irregularidad de Masa: Se considera que existe irregularidad de masa, cuando la masa de un piso es mayor que el 150% de la masa de un piso adyacente. No es aplicable en azoteas”. (Norma E.030-2006) De acuerdo al Artículo 12: Sistema Estructural en el caso de Reservorios Enterrados y Apoyados es común asignar erróneamente a primera impresión de acuerdo a la Tabla N°6 Sistemas Estructurales un Factor de Reducción de Fuerza Sísmica R=6, correspondiente a Muros Estructurales. En el caso de Reservorios Elevados a partir de esta tabla no se precisa el factor a utilizar, indicando “Estos coeficientes se aplicarán únicamente a estructuras en las que los elementos verticales y horizontales permitan la disipación de la energía manteniendo la estabilidad de la estructura. No se aplican a estructuras tipo péndulo invertido”. (Norma E.030-2006)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Revisión de Normas y Estándares Internacionales Entre las Reglamentos y estándares más importantes sobre el tema tenemos: Estándar ACI 350.3 – 2001 (USA) Estándar ACI 350.3 – 2006 (USA) Reglamento IBC 2012 (USA) ASCE 2010 (USA) Reglamento NZSEE 2008 (NUEVA ZELANDA) Reglamento EUROCÓDIGO 8 – 2004 (EUROPA) Reglamento IITK – GSDMA – 2007 (INDIA)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Modelo Masa Resorte para el Análisis Sísmico Cuando un tanque que contiene líquido con una superficie libre se somete a un movimiento sísmico horizontal, la pared del tanque y el líquido se somete a una aceleración horizontal. El líquido en la región inferior del tanque se comporta como una masa que está conectada rígidamente a la pared del tanque. Esta masa líquida se denomina como la masa impulsiva que acelera junto con la pared e induce la presión hidrodinámica impulsiva en la pared del tanque y del mismo modo en la base. La masa líquida en la región superior del tanque se somete a movimiento de chapoteo. Esta masa se denomina como la masa convectiva y ejerce la presión hidrodinámica convectiva en la pared del tanque y la base.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Modelo Masa Resorte para el Análisis Sísmico Los parámetros del modelo de masa resorte se derivaron originalmente por Housner (1963) para tanques con paredes rígidas. Haroun y Housner (1981) y Veletsos (1984) desarrollaron modelos para tanques con paredes flexibles. Los modelos masa resorte para los tanques con paredes flexibles son más difíciles de utilizar. Investigaciones posteriores han demostrado que la diferencia en los parámetros obtenidos a partir de modelos de tanques rígidos y flexibles no es sustancial ( Jaiswal et al. (2004b)). Los reglamentos Eurocódigo 8 (2004) y IITK – GSDMA (2007, India) recomiendan los parámetros correspondientes a los tanques con pared rígida para todos los tipos de tanques.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Modelo Masa Resorte para el Análisis Sísmico

Figura 2-02, Descripción cualitativa de la distribución de la presión hidrodinámica en la pared del tanque y la base

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Modelo Masa Resorte para el Análisis Sísmico Tanque Circular tanh 0.866

tanh 0.866

0.866

0.866

0.375

0.866 2 ∗

0.45

1 ∗

1

0.836

0.375

0.75

1.33

1.33

3.68 cosh 3.68

2

3.68

∗

0.45

1

1

3.68

3.68 3.68

0.125

0.866

0.264

2.01

0.866

tanh 3.68

cosh 3.68

0.75

0.09375

0.5 ∗

0.125

0.866

0.23

0.75

0.09375

0.5 ∗

Tanque Rectangular

∗

1

0.833

tanh 3.16

cosh 3.16 3.16 cosh 3.16 3.16

1 3.16 2.01 3.16

3.16

0.75

1.33

1.33

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Modelo Masa Resorte para el Análisis Sísmico Tanque

Presión Hidrodinámica Presión Lateral en la Pared

Circular

Presión Vertical en la Base 1.732

0.866

0.866 1

0.866

0.866 1

0.866

0.866

Rectangular

1.732 0.866

Tanque

Presión Lateral en la Pared

Circular

1

0.5625

Presión Vertical en la Base

1 3

cosh 3.674 cosh 3.674

1.125

4 3

1.25

4 3

3.674

Rectangular

0.4165

3.162 3.162

3.162

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Modelo Idealizado para Tanque Elevado Se muestran los modelos idealizados para distintos tipos de reservorios.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Interacción Suelo estructura Para los tanques que descansan sobre suelo blando, el efecto de la flexibilidad del suelo puede considerarse al evaluar el período. En general, la flexibilidad del suelo no afecta el periodo del modo convectivo. Sin embargo, la flexibilidad del suelo puede afectar el período modo del impulsivo. La interacción suelo estructura tiene dos efectos: - primer lugar, se alarga el período del modo impulsivo y en - segundo lugar, aumenta la amortiguación total del sistema. El aumento en la amortiguación se debe principalmente al efecto de amortiguación radial del medio de transmisión del suelo. Un enfoque simple pero aproximado para obtener el período de modo impulsivo y amortiguación del sistema de tanque-suelo es proporcionado por Veletsos (1984). Este sencillo enfoque ha sido utilizado en el Eurocódigo 8 (2004) (ver Figura 2-09) y Priestley et al. (1986). De manera referencial citamos de la Figura 2-09, los valores de y representan la rigidez traslacional equivalente y la rigidez rotacional de la cimentación que se puede modelar con resortes lineales y rotacionales. Estos se adjuntan al punto central de la base circular rígida. Las rigideces de y para cimentaciones circulares rígidas soportadas por un suelo homogéneo se pueden obtener a partir de las ecuaciones dadas en el FEMA:

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Interacción Suelo estructura 8 2

,

8 3 1

Donde Radio de la cimentación Módulo de corte del medio Módulo de Poisson y son coeficientes adimensionales que dependen del periodo de excitación, dimensión de la cimentación y las propiedades del suelo homogéneo y se obtienen del FEMA.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Tanque Elevado Intze La forma del reservorio tipo Intze, en honor al ingeniero hidráulico alemán Otto Intze, realiza una disposición geométrica de los elementos estructurales procurando que todos los elementos trabajen a compresión, esto permite optimizar la capacidad de almacenamiento y espesores de los elementos. Los parámetros de los modelos masa resorte (es decir, , , , ∗ , , ∗ y ) están disponibles sólo para tanques circulares y rectangulares. Para tanques de otras formas, el valor de / deberá corresponder a la de un tanque circular equivalente del mismo volumen y diámetro los parámetros se miden desde la parte superior del nivel del líquido. Del mismo modo, para los tanques de forma cónica truncada, el Eurocódigo 8 (2004) ha sugerido también la aproximación al tanque circular equivalente. Sobre este tema se han realizado diferentes investigaciones, Sanjay P. Joshi (2000) con ayuda del método del elemento finito ha demostrado que esta aproximación da resultados satisfactorios para los tanques Intze

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Tanque Elevado Intze

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Tanque Elevado Intze

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Amortiguamiento y Fracción del Amortiguamiento Crítico El Amortiguamiento en el modo convectivo para todos los tipos de líquidos y para todos los tipos de tanques, se considera 0,5% del amortiguamiento crítico y el Amortiguamiento en el modo impulsivo se tomarán como 2% del amortiguamiento crítico para tanques de acero y 5% del amortiguamiento crítico para tanques de concreto. La mayoría de códigos considera un 5% del amortiguamiento crítico para la elaboración del espectro de aceleraciones, por otro lado la fracción de amortiguamiento en modo convectivo es 0.5%, de modo que para fines de diseño se considera un solo espectro de aceleraciones, para un intervalo de periodos pertenecientes al modo convectivo se utilizará un factor de escala. No se puede interpolar linealmente los valores de los factores de multiplicación porque los valores de aceleración espectral varían como una función logarítmica de amortiguamiento (Newmark y Hall, 1982). Estándar/Reglamento ACI 350.3 (2006) y FEMA 368 Eurocódigo 8 (2004) IITK – GSDMA (2007) India

Factor Escalamiento β 1.500 1.675 1.750

Tabla 2-02, Factor de Escalamiento por amortiguamiento.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Amortiguamiento y Fracción del Amortiguamiento Crítico

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Coeficiente de Diseño Sísmico Horizontal En los Estándares de diseño sísmico de los Estados Unidos ya no se utilizan las zonas sísmicas. El Código Uniforme de Construcción (UBC 1997 y ediciones anteriores) deriva fuerzas de diseño sísmico de las zonas sísmicas, factores de zona. El Código Internacional de Construcción (IBC 2000 y ediciones posteriores) derivan fuerzas sísmicas de diseño a partir de dos parámetros de movimiento de tierra ( y ), clase de sitio, y el período de transición a largo plazo ( ). Por lo tanto, los códigos de construcción actuales utilizan parámetros de diseño sísmicas con valores que varían de forma continua a través de un área geográfica, a diferencia de las zonas con límites geográficos distintos. Actualmente ninguna de las herramientas de diseño sísmico en el sitio web del USGS identifica zonas sísmicas. El USGS (United States Geological Survey’s) y el FEMA (Federal Emergency Management Agency) a través de su website proporciona valores de diseño sísmico para cualquier posicionamiento mundial ingresando valores de latitud y longitud, proporcionando los parámetros y (aceleraciones espectrales para en 0.2 y 1.0 segundo) para su uso con el IBC-2013 (International Building Code)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Coeficiente de Diseño Sísmico Horizontal Otros países como el nuestro prefieren utilizar en su reglamento una Zonificación Sísmica. El se puede obtener mediante la siguiente expresión, Coeficiente de diseño sísmico horizontal, , Donde Factor de Zona Factor de Uso e Importancia Factor de Suelo Coeficiente de Amplificación Sísmica Factor de Reducción de respuesta sísmica Los subíndices corresponden al modo impulsivo (i) y modo convectivo (c)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Coeficiente de Amplificación Sísmica ( ) Este coeficiente se interpreta como el factor de amplificación de la respuesta estructural respecto de la aceleración en el suelo, los valores para el coeficiente impulsivo y convectivo se muestran en la Tabla 2-03. El ACI 350.3 (2006) indica que el comportamiento hidrodinámico del tanque ocurre en cuando el periodo es mayor a 2.4 segundos. Coeficiente Amplificación Sísmica Modo Impulsivo ( ) Modo Convectivo ( ) 2.5

2.5

Tabla 2-03, Coeficiente de Amplificación Sísmica

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Factor de Reducción de Respuesta ( ) El Factor de Reducción de Respuesta ( ), representa la proporción de la fuerza sísmica máxima sobre una estructura durante un evento sísmico específico si fuera a permanecer elástica a la fuerza sísmica de diseño. Por lo tanto, las fuerzas sísmicas reales se reducen por un factor para obtener fuerzas de diseño. Esta reducción depende de la Sobrerresistencia, la Redundancia y la Ductilidad de la estructura (ver Figura 2-11). En general, los tanques que contienen líquidos poseen baja sobre resistencia, redundancia y ductilidad en comparación con los edificios. En los edificios, los componentes no estructurales contribuyen sustancialmente a la sobrerresistencia; en tanques, tales componentes no estructurales no están presentes. Los edificios con estructuras de tipo pórtico tienen una alta redundancia, los tanques de tierra y tanques elevados con soporte cilíndrico tienen comparativamente baja redundancia. Por otra parte, debido a la presencia de elementos no estructurales como muros de albañilería, la capacidad de absorción de energía de los edificios es mucho más alta que la de los tanques. En base a estas consideraciones, el valor de para tanques tiene que ser inferior a la de edificios. Todos los códigos internacionales que especifican los valores mucho más bajos de para los tanques comparado con la de los edificios.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Factor de Reducción de Respuesta ( )

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Factor de Reducción de Respuesta ( ) Como un ejemplo, valores de utilizados en IBC (2012) se muestran en la Tabla 2-04. Se ve que para un edificio con momento resistente para pórticos el valor de R es 8.0, mientras que, para un tanque elevado con pedestal tipo pórtico (es decir, las vigas y columnas arriostrados), el valor de es 3.0. Además, también se puede señalar que el valor de para tanques varía desde 3.0 hasta 1.5. Tipo de estructura Edificios aporticados con reforzamiento especial de concreto armado Edificios aporticados con reforzamiento intermedio de concreto armado Edificios aporticados con reforzamiento ordinario de concreto armado Edificios aporticados de acero con reforzamiento especial Tanques elevados soportados por pedestal de vigas y columnas Tanques elevados por pedestal tipo fuste Tanques soportados en torres estructurales similares a los edificios Planta inferior plana apoyada tanques de acero anclados Planta inferior plana apoyada tanques de acero no anclados Tanques de concreto armado o pretensado con base flexible anclada Tanques de concreto armado o pretensado con base no corrediza reforzada Tanques de concreto armado o pretensado con base flexible y no anclados no restringida Tabla 2-04, Valores de Factor de Reducción de Respuesta (R) utilizado en el IBC (2012)

R 8.0 5.0 3.0 8.0 3.0 2.0 3.0 3.0 2.5 3.0 2.0 1.5

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Factor de Reducción de Respuesta ( ) Por otro lado el estándar ACI 350.3 (2001) recomienda por ejemplo: un factor de reducción de respuesta 4.5 para reservorios apoyados, posteriormente en el ACI 350.3 (2006) modifica el valor a 3.25 y para reservorios elevados en el ACI 350.3 (2001) se recomienda un factor de reducción de respuesta 3, posteriormente en el ACI 350.3 (2006) modifica el valor a R=2, ver Tabla 2-05. ACI 350.3 (2001)

ACI 350.3 (2006)

Tipo de Estructura Sobre terreno Enterrado * Sobre terreno Enterrado * Tanques con base flexible y anclados a ella 4.5 4.5 1 3.25 3.25 1 Tanques monolíticos o empotrados a la base 2.75 4 1 2 3 1 Tanques no anclados, llenos o vacíos ** 2 2.75 1 1.5 2 1 Reservorios Elevados 3 1 2 1 * Un tanque enterrado se define como un tanque cuya superficie máxima en reposo se encuentra por debajo puede ser linealmente interpolado del nivel del suelo. Para tanques parcialmente enterrados, el valor de entre los valores indicados para los tanques sobre el terreno y los enterrados. ** Los tanques de este tipo no deben construirse en lugares altamente sísmicos. Tabla 2-05, Valores de Factor de Reducción de Respuesta (R) utilizados en el ACI 350.3 (2001) y ACI 350.3 (2006)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Factor de Reducción de Respuesta ( ) El reglamento IITK – GSDMA (2007) de la India recomienda utilizar los valores de que figuran en la Tabla 2-06 estos se basan en los estudios de Jaiswal et al. (2004). En este estudio se presenta una revisión exhaustiva de los factores de reducción de respuesta utilizadas en diversos códigos internacionales. Cabe señalar que entre los diversos códigos internacionales como el AWWA D-100, AWWA D-103 y D115 AWWA, IITK – GSDMA (2007) India usan el mismo valor de para los modos impulsivo y convectivo, mientras que, el ACI 350.3 (2006) y Eurocódigo 8 (2004) sugieren valor de 1 para modo convectivo. El valor de para el componente convectivo todavía se está debatiendo por los investigadores y suele utilizarse para simplicidad de análisis el mismo valor de para el componente impulsivo y convectivo.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Factor de Reducción de Respuesta ( ) Tipo de Tanque Tanque Elevado

R

Tanque soportado por fuste de albañilería a) Fuste de albañilería reforzada con bandas horizontales

1.3

b) tallo albañilería reforzada con bandas horizontales y barras verticales en las esquinas y montantes de las aberturas

1.5

Tanque soportado por fuste de concreto armado Fuste de concreto armado con dos cortinas de refuerzo, teniendo cada uno reforzamiento horizontal y vertical

1.8

Tanque soportado por pórtico de concreto armado a) Pórticos no conformados por detalle dúctil, es decir, el momento ordinaria resistir marco (OMRF)

1.8

b) Marco conforme al detalle dúctil, es decir, el momento especial de marco resistente (SMRF) Tanque soportado por pórtico de acero Tanque apoyado en tierra Tanque de albañilería a) Muro de ladrillo con reforzamiento horizontal b) Muro de ladrillo con reforzamiento y confinamiento horizontal y vertical Tanque de concreto armado y presforzado a) Base anclada, empotrada b) Base flexible sin anclar c) Base sin anclar en tanque con y sin contenido Tanque de acero a) Base sin anclar b) Base anclada Tanque de concreto armado y acero enterrados

2.5 2.5 1.3 1.5 2.0 2.5 1.5 2.0 2.5 4.0

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capítulo 02: Investigaciones y Normativa Existente Adaptación de Normas y Estándares a Nuestro País Factor de Reducción de Respuesta ( )

Figura 2-12, Espectro de aceleraciones para comportamiento hidrodinámico de reservorios

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Predimensionamiento Predimensionamiento

/ 8.00 Dimensión

/ 2.50

/ 5.00

Calculada 600.00 12.41 5.00 1.56 8.33 1.67

/ 1.50 Asumida 660.00 12.50 5.00 1.60 8.35 1.70

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Predimensionamiento Compensación de Volúmenes El empuje de la cúpula esférica tiende a abrir el anillo intermedio, mientras que el peso de la parte cónica en el voladizo somete al anillo a compresiones y estas fuerzas llegan a equilibrarse sobre el anillo inferior, de manera que sobre él solo actuaran fuerzas verticales, debe cumplirse la condición de equilibrio:

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Estatico Análisis Estático - Metrado de Cargas En la Tabla 3-03 se realiza el metrado de los elementos estructurales del reservorio elevado de acuerdo al predimensionamiento anteriormente realizado. Descripción Domo Superior Viga Anillo Superior Pared Cilíndrica Ext. Pared Cilíndrica Int. Viga Anillo Interm. Domo Inferior Fondo Troncónico Viga Anillo Inferior Fuste Agua

Peso 4 1.60 12.60 12.60 13.20 , 12.60 8 1.60 1.60 0.115 2.40 / 3 37 2 13.20 12.60 0.35 0.35 0.45 2.40 / 3 15 12.85 0.25 4.02 2.40 / 3 97 1.60 0.20 4.78 2.40 / 3 12 12.60 0.40 0.40 0.80 2.40 / 3 31 4 1.42 8.65 8.65 7.30 , 8.65 8 1.42 1.42 0.30 2.40 / 3 47 2 7.38 11.17 0.35 1.99 2.40 / 3 59 8.65 0.45 0.45 0.95 2.40 / 3 29 9.10 0.30 21.40 2.40 / 3 440 2 3.69 26.18 1.00 / 3 606

Tabla 3-03, Metrado de Cargas del Reservorio

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Estatico Análisis Estático - Centro de Gravedad En la Tabla 3-04 se realiza el cálculo del Centro de Gravedad CG del Tanque respecto de la base de la viga anillo inferior, así tenemos: Descripción Domo Superior Viga Anillo Superior Pared Cilíndrica Exterior Pared Cilíndrica Interior Viga Anillo Intermedio Domo Inferior Fondo Troncónico Viga Anillo Inferior Total

W

y 7.89 6.98 4.75 4.47 2.34 1.52 1.40 0.48

37 15 97 12 31 47 59 29 327

Tabla 3-04, Calculo del CG de la Tanque Elevado Luego tenemos que el CG viene dado por 1,153 327

.

3.53

Wy 292 105 461 54 73 71 83 14 1,153

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Estatico Análisis Estático - Centro de Gravedad En la Tabla 3-04 se realiza el cálculo del Centro de Gravedad CG del Tanque respecto de la base de la viga anillo inferior, así tenemos: Descripción Domo Superior Viga Anillo Superior Pared Cilíndrica Exterior Pared Cilíndrica Interior Viga Anillo Intermedio Domo Inferior Fondo Troncónico Viga Anillo Inferior Total

W

y 7.89 6.98 4.75 4.47 2.34 1.52 1.40 0.48

37 15 97 12 31 47 59 29 327

Tabla 3-04, Calculo del CG de la Tanque Elevado Luego tenemos que el CG viene dado por 1,153 327

.

3.53

Wy 292 105 461 54 73 71 83 14 1,153

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Estatico Análisis Estático – Reservorio Equivalente 600 3 y un diámetro interior

Calculamos el tanque cilíndrico equivalente y tenemos que para un volumen 12.60 y obtenemos la altura equivalente 2

Para

4.81

,

12.60

y

4 4 600 3 12.60 2 600 tenemos, 0.382 →

4.81 2.620

Masa impulsiva tanh 0.866 0.866

0.431 →

0.375 → ∗

0.866 2

0.866

0.125

259

1.80 1.034 →

∗

4.97

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Estatico Análisis Estático – Reservorio Equivalente Masa convectiva 0.23

1 ∗

1

tanh 3.68

0.534 →

cosh 3.68 3.68

1 3.68

cosh 3.68 3.68

2.01 3.68

320

0.569 →

0.944 →

2.74

∗

4.54

Rigidez del resorte masa convectiva 0.836

2

3.68

82

/

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Estatico Rigidez Lateral del Soporte Consideramos al fuste como un péndulo invertido con una altura de 21.40 medida desde la parte superior de la cimentación hasta el fondo del tanque del reservorio, es decir la viga de anillo inferior del tanque, del análisis estructural sabemos que la rigidez lateral s viene dada por la siguiente expresión. 3 s

3

Donde: :

: 15,000

′

15,000 280 9.40

4

8.80

2

/ 4

88.87

64

Entonces tenemos, s

68,285

2,509,980

/

4

/

2

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Estatico Periodo modo impulsivo Calculamos el periodo para el modo impulsivo con, 2

2

259 68,285

620 / 9.81

2/

0.23

Periodo modo convectivo Se puede calcular el periodo del modo convectivo con cualquiera de las siguientes expresiones: 2

,

2

,

3.68tanh 3.68 Reemplazando tenemos 2

320 82

9.81

3.97

12.60 3.48 9.81 /

,

2

2 3.68tanh 3.68

4.81 12.60

3.48

2

3.94

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Estatico Coeficiente de Diseño Sísmico Horizontal Modo Impulsivo

0.40, 1.50, 1.20, 0.60 , 2.00, 0.27 0.27 corresponde al modo impulsivo tenemos un amortiguamiento de 5%, Para 0.40 1.50 2.50 1.20 → 0.90 2.00 Coeficiente de Diseño Sísmico Horizontal Modo Convectivo

2.5

0.40, 1.50, 1.20, 0.60 , 1.00, 3.97 3.97 corresponde al modo impulsivo tenemos un amortiguamiento de 5%, para escalar a un Para amortiguamiento de 0.5% es necesario multiplicar por 1.5 así tenemos 0.38 1.5 0.57 0.40 1.50 0.57 1.20 → 0.41 1.00

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Estatico Cortante en la Base Modo Impulsivo Calculamos la fuerza cortante con la siguiente expresión: 0.90 259 620 791 Cortante en la Base Modo Convectivo Calculamos la fuerza cortante con la siguiente expresión: 0.42 320 131 Cortante Total en la Base

791

2

2

2

131

2

802 Podemos apreciar que el córtate sísmico en la base es cerca del 66% de la fuerza sísmica total 1,191

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Estatico Momento de Volteo en Modo Impulsivo El momento de volteo en Modo Impulsivo viene dado por ∗

∗

∗

0.90

259

4.97

21.40 20,063

∗

620

21.40

3.53

Momento de Volteo en Modo Convectivo El momento de volteo en Modo Convectivo viene dado por ∗

∗

∗

0.42 320 4.54 21.40 ∗ 3,394 Momento de Volteo Total en la Base El momento total se obtiene combinando el momento en el modo impulsivo y convectivo a través de la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados (SRSS) y se da de la siguiente manera ∗ ∗

19,405 ∗

∗2 2

20,348

∗2

3,394

2

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Dinámico Análisis Dinámico Tiempo Historia (ADTH) Realizamos el Análisis Dinámico Tiempo Historia con un modelo de un grado de libertad 1GDL, tal como se muestra en la Figura 3-09 con dos de los registros sísmicos con los cuales se ha elaborado el espectro de la norma E.030-2003, el primero es el sismo del 03 de Octubre de 1974 y el segundo es el sismo del 17 de Octubre de 1966 ambos registrados muy cerca a la ciudad de Lima.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Dinámico Análisis Dinámico Tiempo Historia (ADTH) METODO DE NEWMARK ‐ ACELERACIÓN PROMEDIO SISMO 03/10/74 M = K = T = = ξ = c = U0 = Ů0 = P0 = tr =

124.36 68285.31 0.27 23.43 0.05 291.41 0.00 0.00 0.00 2.00



1.57

= = Ü0 = t = K' = a = b = T/tr =

1/2 1/4 0.00 0.05 278922.47 10531.86 248.73 0.13

s

0.00939m

0.18417m/s

4.44899m/s2

rad/s

‐0.01056m

‐0.20856m/s

‐4.57807m/s2

tonf‐s2/m tonf/m s rad/s tonf‐s/m m m/s tonf

METODO DE NEWMARK ‐ ACELERACIÓN PROMEDIO SISMO 17/10/66

Máximo

M = K = T = = ξ = c = U0 = Ů0 = P0 = tr =

124.36 68285.31 0.27 23.43 0.05 291.41 0.00 0.00 0.00 2.00

Mínimo



1.57

m/s2 s tonf/m tonf‐s/m tonf‐s2/m

tonf‐s/m m m/s tonf s

= = Ü0 = t = K' = a = b = T/tr =

1/2 1/4 0.00 0.04 393763.20 13019.12 248.73 0.13

0.01214m

0.25841m/s

5.88284m/s2

Máximo

rad/s

‐0.01254m

‐0.29683m/s

‐6.38523m/s2

Mínimo

tonf‐s2/m tonf/m s rad/s

HISTORIA DE CARGA ‐ SISMO 17/10/66 400.00

300 200 100 0 ‐100 ‐200 ‐300

Pi (tonf)

Pi (tonf)

HISTORIA DE CARGA ‐ SISMO 03/10/74

m/s2 s tonf/m tonf‐s/m tonf‐s2/m

200.00 0.00 ‐200.00 ‐400.00

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

0.00

50.00

100.00

t (s)

Registro Sísmico 03/10/74, 68,285

1.06 1.06

200.00

10

1.25

Registro Sísmico 17/10/66, 68,285

1.06 857

721 721 17,971

150.00 t (s)

24.93

857 21,354

24.93

10

250.00

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Dinámico Análisis Dinámico Tiempo Historia (ADTH) DESPLAZAMIENTO ‐ SISMO 17/10/66 1.50

1.00

1.00

0.50

0.50

U (cm)

U (cm)

DESPLAZAMIENTO ‐SISMO 03/10/74 1.50

0.00 ‐0.50 ‐1.00

0.00 ‐0.50 ‐1.00

‐1.50

‐1.50 0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

300.00

0.00

50.00

100.00

t (s)

250.00

200.00

250.00

200.00

250.00

40.0

30.0 20.0 10.0 0.0 ‐10.0 ‐20.0 ‐30.0

Ů (cm/s)

Ů (cm/s)

200.00

VELOCIDAD ‐ SISMO 17/10/66

VELOCIDAD ‐ SISMO 03/10/74

20.0 0.0 ‐20.0 ‐40.0

0.00

50.00

100.00

150.00

200.00

250.00

0.00

300.00

50.00

100.00

150.00 t (s)

t (s)

ACELERACIÓN ‐ SISMO 17/10/66

ACELERACIÓN‐03/10/74 1000.0

600.0 Ü (cm/s2)

400.0 Ü (cm/s2)

150.00 t (s)

200.0 0.0 ‐200.0 ‐400.0

500.0 0.0 ‐500.0 ‐1000.0

‐600.0 0.00

50.00

100.00

150.00 t (s)

200.00

250.00

300.00

0.00

50.00

100.00

150.00 t (s)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Dinámico Modelo de Varios Grados de Libertad Uno de los modelos más utilizados en nuestro medio fue planteado por el Ing. Julio Rivera Feijoo en la década en 1990

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Dinámico Modelo de Varios Grados de Libertad ANALISIS MODAL VARIOS GRADOS DE LIBERTAD Datos

m8  1.65 k8  3064750.4

ANALISIS MODAL ESPECTRAL Espectro de aceleraciones

m7  39.56 k7  3064750.4 h 7  3.47 m6  23.45 k6  3064750.4 h 6  2.85 m5  9.02 k5  57277.28 h 5  4.41 m4  9.02 k4  57277.28 h 4  4.41 m3  9.02 k3  57277.28 h 3  4.41 m2  9.02 k2  57277.28 h 2  4.41 m1  9.02 k1  57277.28 h 1  2.21

                 

SA ( t )   Z  0.40

h 8  3.06

m9  27.4 k9  81.81 h 9  25.85

                 SD( t )                     

U  1.50 S  1.20 g  9.81 t p  0.60 2 if t  2.4

Rw 

1 otherwise 2.5t p

C

t

if

2.5t p t

 2.5

2.5 otherwise Z U S C g Rw Z  0.40 U  1.50 S  1.20 g  9.81 t p  0.60 Rw 

2 if t  2.4 1 otherwise

C

2.5t p t

if

2.5t p t

2.5 otherwise Z U S C g 2  Rw   t

  

2

 2.5

                   

Espectro de Aceleraciones 10 8 SA( t )

6 4 2 0

0

0.6

1.2

1.8

2.4

3

3.6

4.2

4.8

5.4

6

t

Espectro de Desplazamientos 2 1.5 SD( t ) 1 0.5 0

0

0.6

1.2

1.8

2.4

3 t

3.6

4.2

4.8

5.4

6

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Dinámico Modelo de Varios Grados de Libertad ANALISIS MODAL VARIOS GRADOS DE LIBERTAD Datos

m8  1.65 k8  3064750.4

Matriz de Rigidez (tonf/m)

h 8  3.06 m7  39.56 k7  3064750.4 h 7  3.47 m6  23.45 k6  3064750.4 h 6  2.85 m5  9.02 k5  57277.28 h 5  4.41 m4  9.02 k4  57277.28 h 4  4.41 m3  9.02 k3  57277.28 h 3  4.41 m2  9.02 k2  57277.28 h 2  4.41 m1  9.02 k1  57277.28 h 1  2.21

m9  27.4 k9  81.81 h 9  25.85

0 0 0 0 0  k1  k2 k2 0 0 0 0  k2 k2  k3 k3  0 0 0 k3  k4 k4 k3  0  0 0 0 k4  k5 k5 k4 0 K    0 0 k5  k6 k6 k5 0 0  k6  k7 k7 k6 0 0 0  0  0 k7  k8 k7 0 0 0 0   0 k8 0 0 0 0 0 

 114554.56 57277 0    57277.28 114554  0   0 57277  0   0 0   0 0 0   0 0 0  0 0   k8   0 0 k8   0

0 0 0 0 0 0   114554.56 57277.28  57277.28 114554.56 57277.28  0 0 0 0 0   0 0 0 0 57277.28 114554.56 57277.28 0     0 0 0 57277.28 114554.56 57277.28 0 0 K  0 0 57277.28 3122027.68 3064750.4 0 0 0   0 3064750.4 6129500.8 3064750.4 0 0 0 0    3064750.4 6129500.8 3064750.4 0 0 0 0 0   3064750.4 3064750.4  0 0 0 0 0 0 

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Análisis Dinámico SAP2000 Modelo Tridimensional con Elementos Finitos en SAP2000





Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 03: Análisis Estructural Comparativo Comparación de Resultados Análisis Global CORTANTE BASAL

968

1,000 802

25,000

1,043 857 895

800 600 400 200 0 Tipo de Modelo

Momento de Voleto (kgf‐m)

Fuerza Cortante Basal (kgf)

1,200

MOMENTO DE VOLTEO

22,186 22,173 21,354 20,709 20,348

Analisis Estatico Norma ACI,IITK‐GSDMA,Eurocodigo Analisis Dinamico Modal de Un Grado de Libertad Analisis Dinamico Modal Varios Grados de Liertad Analisis Dinamico Tiempo Historia 1GDL Analisis Dinamico Elementos finitos SAP2000

20,000 15,000 10,000 5,000 0 Tipo de Modelo

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Normas de Referencia Para el diseño estructural en concreto armado hacemos referencia a la Norma Peruana y a los estándares del American Concrete Institute sobre el tema estos son,  Norma de Diseño en Concreto Armado E.060  ACI 350-06, Code Requirements for Environmental Engineering Concrete Structures (Publicación 2006)  ACI 371-08, Guide for the Analysis, Design, and Construction of Concrete Pedestal Water Towers (Publicación 2008)  ACI 307-08, Design and Construction of Reinforced Concrete Chimneys (Publicación 2008)  ACI 350.3-06, Seismic Design of Liquid - Containing Concrete Structures and Comentary (Publicación 2006)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Calidad del Concreto El ACI 350-06 (en la tabla 4.2.2, ACI 350-06) recomienda una máxima relación agua cemento y una resistencia a la compresión mínima según la condición de exposición a la que estará sometida la estructura, para nuestro reservorio ubicado en el campus universitario es adecuada una relación agua/cemento de 0.45 y un ’ 280 / ver Tabla 4-01. Condición de Exposición Concreto que se pretende tenga baja permeabilidad en exposición al agua, aguas residuales y gases corrosivos Concreto expuesto al congelamiento y deshielo en condición humedad o a productos químicos descongelantes Para proteger el refuerzo en el concreto de la corrosión cuando está expuesto a cloruros de sales descongelantes, sal, agua salobre o salpicaduras del mismo origen

Máxima relación agua/cemento

Resistencia a la compresión f'c (kg/cm2)

0.45

280

0.42

315

0.40

350

Tabla 4-01, Requisitos para condiciones de exposición especiales (Adaptado de la Tabla 4.2.2, ACI 350-06)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Determinación límites de exposición En el ACI 350-06, para la retención de líquidos, la exposición ambiental normal se define como la exposición a líquidos con un pH superior a 5, o la exposición a soluciones de sulfato menor a 1000. Una exposición ambiental severa excede estos límites. Espesores mínimos Para un adecuado comportamiento el ACI 350-06 recomienda:  Espesor mínimo de muros 15cm o 20cm (para conseguir por lo menos 5cm de recubrimiento)  Muros con altura mayor a 3.00m utilizar un espesor de pared de 30cm como mínimo.  Separación máxima del refuerzo 30cm, utilizar como mínimo varilla de ∅1/2“ Recubrimientos mínimos Se define como recubrimiento mínimo al espesor de concreto de protección para el acero de refuerzo, el ACI 350-06 (en la tabla 7.7.1, ACI 350-06) recomienda para concreto no presforzado los recubrimientos mínimos descritos en la Tabla 4-02.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Recubrimientos mínimos Condiciones

Recubrimiento mínimo (cm)

LOSAS - Para condiciones secas: Varillas #11 y menores 2.00 Varillas #14 a #18 4.00 - Superficies de concreto en contacto con el terreno, agua, intemperie y/o aguas servidas vaciadas contra encofrado; y concreto en elementos apoyados sobre losas de cimentación o que soportan terreno: Varillas #5 y menores 4.00 Varillas #6 a #18 5.00 MUROS - Para condiciones secas: Varillas #11 y menores 2.00 Varillas #14 a #18 4.00 - Superficies de concreto en contacto con el terreno, agua, intemperie y/o aguas servidas vaciadas contra encofrado: Tanques circulares. 5.00 Otros. 5.00 ZAPATAS Y PLATEAS - En la superficie y en el fondo de losas de concreto vaciadas contra encofrado. 5.00 - Superficies de concreto vaciadas contra terreno y en contacto con él. 7.50 - Parte superior de zapatas y zapatas sobre pilotes. 5.00 Tabla 4-02, Recubrimientos mínimos de concreto para el refuerzo (Adaptado de la tabla 7.7.1, ACI 350-06)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Refuerzo mínimo por contracción y temperatura El ACI 350-06 (en la tabla 7.12.2.1, ACI 350-06) nos indica una cuantía mínima de refuerzo por contracción y temperatura, para nuestro reservorio la cuantía mínima adoptada es 0.004 de acuerdo a la Tabla 4-03 Longitud entre juntas (m) Menos de 6 Entre 6 y 9 Entre 9 y 12 Más de 12

Cuantía mínima de acero por contracción y temperatura Grado 40 Grado 60 0.003 0.003 0.004 0.003 0.005 0.004 0.006* 0.005*

*Máxima cuantía de refuerzo por contracción y temperatura cuando no se tengan juntas. Nota: Esta tabla se aplica a la distancia entre las juntas de dilatación y/o de contracción totales. Cuando se utiliza juntas de contracción parcial, la cuantía mínima se determina multiplicación la longitud entre juntas de contracción parcial por 1.50

Tabla 4-03, Cuantías mínimas de acero de refuerzo por contracción y temperatura (Adaptado de la tabla 7.12.2.1 ACI 350-06)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Factor de durabilidad Las combinaciones de carga última deben multiplicarse por el factor de durabilidad define el factor como: ∅ 1.0, Donde: ∅ es el Factor de Reducción de Esfuerzo y tiene los siguientes valores para: Tensión controlada ∅=0.90 Compresión controlada Refuerzo en espiral ∅=0.70 Otros tipos de refuerzo ∅=0.65 Corte y torsión ∅=0.75 Soportes sobre el concreto ∅=0.65

, El ACI 350-06

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Factor de durabilidad Como referencia la versión anterior (ACI 350-01), recomienda los valores de la Tabla 4-05 Tipo Esfuerzo Flexión Tracción Directa Compresión

Factor de Durabilidad 1.30 1.65 1.00

Tabla 4-04, Valores referenciales de factor de durabilidad, versión anterior del ACI (ACI 350-01)

Esfuerzo Permisible El ACI 350-06 (Apartado 9.6.2.1, ACI 350-06) limita la fluencia del acero para evitar el fisuramiento y agrietamiento excesivo en estructuras contenedoras de líquidos de acuerdo al tipo de esfuerzo tracción, corte y flexión para exposiciones normal y severa, estos valores permisibles se indican en la Tabla 4-06.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Esfuerzo Permisible Tipo Esfuerzo Tracción (exposición normal) Tracción (exposición severa) Corte (exposición normal) Corte (exposición severa) Flexión (exposición normal)

20 17 24 20 20

permisible (ksi) 1400 / 1200 / 1650 / 1400 / 320 4 2

Flexión (exposición severa)

20

36 2

260 4 2

36 2

Tabla 4-05, Esfuerzos permisibles en el acero según la exposición del concreto (Adaptado del apartado 9.6.2.1, ACI 350-06)

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Verificación de Fisuramiento por Tracción Verificaremos los elementos por fisuramiento, con la siguiente expresión

Donde: : Espesor del elemento : Ancho del elemento : Coeficiente de fisuramiento del concreto reforzado 0.0003 : Módulo de elasticidad del acero : Esfuerzo permisible del acero por fisuramiento : Relación entre módulo de elasticidad del acero y concreto : Esfuerzo permisible del concreto por fisuramiento : Fuerza de tensión del elemento

Realizamos la verificación para la pared exterior del tanque del reservorio, para la presente investigación consideramos un concreto expuesto a condiciones ambientales normales y tenemos: 0.0003

2,000,000

1,400 100

1,400

2,000,000 15,000 280 0.1 280

0.1 280 0.46

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Verificación de Fisuramiento por Flexión Verificaremos los elementos 320

20

25

320 ,

1.35

5.28

25

36

32.6

2,282

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Criterios Generales Combinaciones de Carga El ACI 350-06 Code Requirements for Environmental Engineering Concrete Structures, recomienda las siguientes combinaciones de carga para estructuras que almacenan líquidos y están expuestas al medio ambiente. 1.4 1.2 1.2 1.2 1.2 0.9 0.9

1.6 1.6 1.0 1.6 1.0

1.6 0.5 ó ó ó ó 1.0 ó 0.8 1.0 0.5 ó ó 1.0 0.2 1.6 1.6

Donde, Carga Muerta, Carga de Sismo, Carga por presión lateral del Fluido Carga Viva, Carga de Techo, Carga debido al peso y presión lateral del suelo, Carga de Lluvia, Carga de nieve, Fuerzas debido al esfuerzo propio tales como la retracción, contracción de fragua y temperatura, Carga de viento.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de Vigas Envolvente de Fuerzas y Momentos Los resultados obtenidos para cada una de las combinaciones se procesan en una tabla y graficamos la envolvente de fuerzas y momento para la viga anillo intermedia

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de Vigas Resultados del Análisis Del análisis estructural del capítulo anterior obtenemos que las fuerzas anulares y cortantes últimas en la pared del tanque son 91.00 , 58.00 Diseño por tracción y verificación de fisuramiento Para 45 ′

280

→

4,200

→

15,000

′

0.1 ′

28

1,400

→

250,998

2,000,000 2,000,000 250,998 0.0003

→

7.97

0.33

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de Vigas Diseño por tracción y verificación de fisuramiento El espesor mínimo para evitar el fisuramiento por tracción viene dado por:

0.0003

2,000,000 100

1,400 1,400

91.66

Asumimos un peralte 95.00 , Calculamos el acero por tracción requerido ∅

∴

58,000 0.90 1,400 / 12∅1" 6∅5/8"

72.22

7.97 28

28

91,000

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de Vigas Diseño por Cortante Para 58,000 0.53

′

0.53 280

45

89

35,519 ∅5/8" ∴

∅ ∅5/8" @20

4 1.98 58,000 0.75

1,400 35,519

89

23.60

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Envolvente de Fuerzas y Momentos La envolvente de fuerzas y momentos en la pared del tanque se muestra en la Figura 3-38

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Resultados del Análisis Del análisis estructural obtenemos que las fuerzas anulares y momentos últimos en la pared del tanque son 55.00 , 15.00 , 6.00 , 1.00 , 0.03

,

9.00

Diseño por tracción y verificación de fisuramiento Para 100 ′

280

→

4,200

→

15,000

′

0.1 ′

28

1,400

→

250,998

2,000,000 2,000,000 250,998 0.0003

→

7.97

0.33

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Diseño por tracción y verificación de fisuramiento El espesor mínimo para evitar el fisuramiento por tracción viene dado por:

0.0003

2,000,000

1,400

100

1,400 25

24.93

7.97 28

…

Calculo del acero por tracción: ∅

→

55,000

0.90

43.65

1,400

Espaciamiento en 2 capas de ∅3/4" 2.85 100 43.65 /2 ∅3/4" @12.5

∅3/4" ∴

13.06

28

55,000

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Diseño por Flexión ′

280

→

4,200

0.45 ′

126

2,250

→

0.54

0.85 100 15,000

′

→

250,998

2,000,000 2,000,000

→

7.97

250,998 0.0003 1.4 ∅

0.90

Factor de Durabilidad ∅

,1 →

0.90

4,200

1.4

2,250

→

1.20

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Cuantía de refuerzo 6,000

′

0.85

6,000 0.85 0.85

6,000

280 4,200

6,000

→

0.02833

4,200

1 2

1 126

1

2 2250

2250

0.305

1

7.97

→ 126

0.00864

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Cuantía de refuerzo 1

0.00864

0.5

0.85 ′

4,200

1

0.5 0.00864

4,200 0.85 280

33.52 1 ∅ 1.20 600,000

1

. 0.90

14.10

33.52

100

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Espesor mínimo 1.00 14.10 5.00 1.00 → 20.10 El espesor por tracción requerido en el punto anterior es de 25 1.00 25.00 5.00 1.00 → 19.00 1.20 600,000 . 0.90 100 19.00

→

∅ ′

1

1

0.85

280

1

2

→

18.47

0.85 ′

1

2

18.47 0.85 280

0.85

→

0.00458

4,200 →

0.00458 100

19

→

8.71

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Acero mínimo max

3

3

′

1.00

280

1

, 200 1.00

max

100

19

, 200 1

4,200

4,200

6.36 Espaciamiento 1.98 ∅5/8" 8.71 ∴ ∅5/8" @20

100

100

22.74

Por requerimientos de tensión, se calculó previamente ∅3/4" @12.5

.

19

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Verificación de Fisuramiento Verificamos el Fisuramiento con el acero realmente colocado es 2.85 12.5 19 3,570

100

22.80

∅3/4" @12.5

, esto es:

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Verificación de Fisuramiento 2

1

1

6.70 3

19

3 6.70 19

→

1

7.97

1

→

100 7.97 22.80 →

1

16.82

0.352

3,570 17.12 22.80 932

100 7.97 22.80

2 19

→

0.352 → 1 0.352

932 63

′

0.226

6.70

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Verificación de Fisuramiento Factor Z 2.85 25

2

19 → 19 2 25 22.80 2.85 932

8,947

6 100

6

20,540

→

148.81

148.81 115

…

Calculo del ancho promedio por la ecuación de Gergeley-Lutz 25 19

6.70 6.70

0.076 0.1433

0.001 0.3

…

→ 0.076

1.48 1.48

8,947

0.001

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Tanque Diseño por tracción y verificación de fisuramiento Calculo del acero por tracción vertical ∅

15,000

0.90

11.91

1,400

Espaciamiento en 2 capas de ∅5/8" 1.98 100 ∅5/8" 11.91 /2 ∴ ∅5/8" @30

33.26

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Fuste Diseño Estructural del Fuste El fuste del reservorio está sometido a flexocompresión tal como vimos en el análisis estructural desarrollado en el capítulo 03, el ACI 371-08 (Tabla 5.2, ACI 371-08) recomienda una cuantía mínima vertical de 0.0050 y una cuantía mínima horizontal de 0.0030, ver Tabla 4-06, estas debido a la poca ductilidad que tiene el fuste ante un evento sísmico por ser un elemento esbelto y hueco. Tipo de perfil de Suelo 1 2 3 Parámetros de reforzamiento Reforzamiento Mínimo Varillas #11 o Vertical menores Varillas #5 o Horizontal menores Varillas #6 o mayores Máximo esfuerzo de fluencia fy

3 0.16 (0.40) 0.29 (0.72) 0.50 (1.26)

′

Zona Sísmica 2 0.12 (0.30) 0.22 (0.54) 0.38 (0.95)

1 0.06 (0.15) 0.11 (0.27) 0.19 (0.47)

Coeficiente Sísmico . 7 ′ 7

Coeficiente Sísmico .

0.0015

0.0050

0.0050

0.0020

0.0025

0.0025

0.0025

0.0025

0.0030

420

420

Tabla 4-06, Reforzamiento Mínimo en Fuste Tanque Elevado ACI 371-08, Tabla 5.2

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Fuste Acero mínimo vertical en el fuste El acero mínimo vertical viene dado por: 0.0050 100 30 15.00 7.50 1.98 100 ∅5/8" 26.4 7.50 ∴ ∅5/8" 25 De lo anterior podemos deducir que para 100 , 30 y una cuantía 0.0025 por capa tenemos un 9.24 correspondiente a un momento de flexión último en sentido vertical 8.32 para una franja de un metro, siendo:

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Fuste Acero mínimo vertical en el fuste El acero mínimo vertical viene dado por: 0.0050 100 30 15.00 7.50 1.98 100 ∅5/8" 26.4 7.50 ∴ ∅5/8" 25 De lo anterior podemos deducir que para 100 , 30 y una cuantía 0.0025 por capa tenemos un 9.24 correspondiente a un momento de flexión último en sentido vertical 8.32 para una franja de un metro, siendo:

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Fuste Acero mínimo horizontal en el fuste El acero mínimo horizontal viene dado por:

∅1/2"

0.0030 100 30 9.00 4.50 1.27 100 28.2 4.50 ∴ ∅1/2" 25

De lo anterior podemos deducir que para 100 , 30 y una cuantía 0.0015 por capa tenemos un 5.59 correspondiente a un momento de flexión último en sentido horizontal 5.04 para una franja de un metro.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Fuste Diagrama de Interacción para el Fuste Del análisis estructural y las hipótesis de carga tenemos las cargas totales últimas en el fuste de 22,000 , ensayamos una distribución de acero vertical con una malla 1,500 y ∅3/4"@12.5 en dos capas y obtenemos los diagrama de interacción nominal y diseño utilizando dos softwares comerciales (CSICOL y XTRACT) los parámetros de ingreso para la obtención de estos diagramas se muestran paso a paso en el Apéndice B, el resultado se muestra en la Figura 4-01, el punto y caen dentro del diagrama, por lo que se considera correcta esta distribución de refuerzo. DIAGRAMA DE INTERACIÓN UTILIZANDO CSICOL Ingresamos los parámetros y propiedades de la sección, con un diámetro exterior de 9.40 y un espesor de pared de 0.30 , resistencia a compresión del concreto de ’ 280 / como se muestra en la Figura B-01 y se importan los diámetros y coordenadas de las varillas de reforzamiento ver Figura B-02.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Fuste DIAGRAMA DE INTERACIÓN UTILIZANDO CSICOL

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño del Fuste DIAGRAMA DE INTERACIÓN UTILIZANDO XTRACT



Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Diseño Estructural de la Cimentación Se plantea una cimentación rígida con geometría circular/cilíndrica con un peralte de 1.80 aprox. esto debido a que en la base del fuste se tiene un momento de volteo elevado del orden de 22,000 esto trae consigo la necesidad de generar un contrapeso en la base a fin de garantizar la estabilidad de la estructura, esta verificación la realizamos en el presente apartado y en el Apéndice D con ayuda del Software Allpile, Verificación de esfuerzos Realizamos el equilibrio de fuerzas en la zapata según se muestra en el diagrama de cuerpo libre mostrado en la Figura 4-02, de la Resistencia de Materiales tenemos la ecuación para flexocompresión siguiente: Reemplazando las propiedades para una circunferencia tenemos: 2 4

64

1

8

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Diseño Estructural de la Cimentación El esfuerzo crítico se tiene cuando

0 1

Luego para

8

0→

8

/8 , tenemos: á , í

1

8

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Diseño Estructural de la Cimentación Para /8, previamente indicamos el volumen para la cuña cilíndrica mostrada en la Figura 4-03,

y la coordenada del centro de gravedad

3 3 4 3

3 5

3 1

2

2

Por lo tanto hacemos la analogía para la zapata mostrada en la Figura 4-02 y tenemos 3 4 3

5

2 2

3

3

3

3 1 1 3

3

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Diseño Estructural de la Cimentación Del análisis estructural tenemos 22,000 y 22,000 5.70 3,860 8 3 5 2 2 4 3 Resolviendo la ecuación tenemos 1.459 83.58° Reemplazando tenemos 3 1 3 3 3 3,860 9.00 84.12

3 8.41

1.459 1.33

3,860 18.00 8

1 cos 1.459 3 1.459 cos 1.459 1.33 12.37

9.00

y 2.25

1.459 16.45

…

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Diseño por Flexión Determinamos una región característica sujeta a flexión, como el mostrado en la Figura 4-04 y tenemos que la longitud de volado respecto de la cara exterior del fuste y el ensanche en la zapata es: 2 18.00

9.40

1.50

2

2.80

El momento flector para este volado es: 2 78.87

2.80

1.00

2.80 2

309

Diseñamos por flexión para los siguientes valores ′ 280 / , 4,200 / y un peralte efectivo 1.68 tenemos: 30,900,000 / 100 168

10.95

→

0.00298

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Diseño por Flexión El momento flector para este volado es: 2 2.80 78.87 2.80 1.00 2 280 / Diseñamos por flexión para los siguientes valores ′ peralte efectivo 1.68 tenemos:

El área de acero

309 ,

4,200

30,900,000 / 10.95 → 0.00298 100 168 para la franja 1.00 mostrado en la Figura 4‐05.

0.00298 100 El espaciamiento lo realizaremos en dos capas ∅1"

5.07

∅3/4" ∴

∅1"

168

50.05

2.85 100 50.05 ∅3/4" @0.15

15.82

/

y un

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Diseño por Flexión El Acero mínimo por flexión se determina con 0.0018 100 30.24 ∅1" ∴

∅1"

0.0018, entonces tenemos:

168

5.07 100 30.24 0.15

16.77

Diseño por Corte por Flexión Calculamos el cortante por flexión, verificando la expresión siguiente según se muestra en la Figura 4-06. ∅

,

0.53 280

100

0.53 168

′ 149

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Diseño por Corte por Flexión 78.87

1.00

…

Como

∅

1.40

∅ no será necesario un refuerzo por corte

118

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Diseño por Corte por Punzonamiento Calculamos el cortante por punzonamiento, verificando la expresión: 9.40 0.50 → 0.50 1.68 → 5.54 2 2 5.54 → 96.42 2 2 5.54 → 34.81 9.00 → 254.47 254.47 96.42 → 158.05 158.05 0.53

84.12

1.1

15,950

0.53 →∅ ∅

1.1

→

13,30

280 3,481

0.85 15,950 …

16,800 13,558

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Verificación de Estabilidad Con ayuda del Software Allpile v6.5E de CivilTech Software realizamos la verificación ingresando las características del Reservorio Elevado y el EMS, en la Figura D-01, elegimos la cimentación superficial.



Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 04: Diseño Estructural Diseño de la Cimentación Verificación de Estabilidad

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 05: Memoria Descriptiva Costos y Presuesto Costos y Presupuesto

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 05: Memoria Descriptiva Programacion Programación

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Capitulo 05: Memoria Descriptiva Planos Planos



Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Conclusiones y Recomendaciones CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 1. Las vigentes normas peruanas de diseño sismorresistente no detallan un procedimiento de análisis y diseño estructural de reservorios, siendo necesario complementarlas con investigaciones, normas y estándares internacionales. 2. El 29% (24 reservorios) del total (84 reservorios) de reservorios en Arequipa han sido construidos antes del 2005, y que los tres reservorios más antiguos fueron construidos en 1,926 (88 años de antigüedad) 3. Durante la prueba de llenado con agua (situación estática), varios reservorios han presentado filtraciones de aguas por fisuramiento en la viga intermedia, que es uno de los elementos más esforzados. Esta situación se agrava si tenemos en cuenta las presiones hidrodinámicas que aparecen en un evento sísmico (situación dinámica) 4. De la masa total almacenada un 44% del líquido es excitado en modo impulsivo y un 56% participa en modo convectivo.

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Conclusiones y Recomendaciones CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 5. La presión hidrodinámica máxima es 1.00

/

4.81

4.81

/

5.46

/

, cerca del 114% de la presión hidrostática

, para el análisis estructural la presión hidrodinámica debe añadirse

a la presión hidrostática 6. La aceleración horizontal para modo impulsivo es 0.90 y para el modo convectivo es 0.41.

Factor

Modo Impulsivo Convectivo 0.40 1.50 1.20 0.60 2.50 0.57 0.23 3.95 2.00 1.00 . .

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Conclusiones y Recomendaciones CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 7. Se obtuvo una Fuerza Cortante Basal de

de

22,000

promedio.

950

promedio y un Momento de Volteo

Análisis y Diseño Sísmico de un Reservorio Elevado Tipo Intze de 600m3 Conclusiones y Recomendaciones CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 8. Es posible modelar la masa impulsiva como una presión distribuida sobre las paredes del tanque y la masa convectiva como un sistema de resortes equivalentes, también es posible considerar un reservorio cilíndrico equivalente en volumen cuando se trata de diseñar un reservorio tipo Intze 9. Para el diseño en Concreto Armado es necesario tener en cuenta las consideraciones del American Concrete Institute ACI, que nos brinda recomendaciones a través de los estándares señalados en los capítulos de la presente investigación sobre, cuantías mínimas de refuerzo, recubrimientos mínimos, juntas de construcción, restricciones de fluencia del acero

GRACIAS

Dirección: Av. Independencia s/n - Pab. Ing. Civil Primer Piso Teléfono : (054) 284 765

www.ficunsa.edu.pe

Presentacion Tesis Reservorios Elevado Intze

Recommend Documents