Diplomatura PUCP - Diseño de Sistemas de Concreto Para C (1)

Diseño de Sistemas de Concreto para Contención de Líquidos

Diseño de Sistemas de Concreto para Contención de Tierra y Líquidos Profesor: Diego g Villagómez g M.

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Profesor del curso Prof. Diego Villagómez Molero Ingeniero g Civil – PUCP Ingeniero Estructural – Jefe de Proyectos y del Área de Innovación de PRISMA INGENIEROS SAC. E-mail: [email protected] dvillagomez@pucp edu pe

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Bibliografía Rivera F., Julio. 2001. Análisis y Diseño de R Reservorios i d de C Concreto t A Armado. d Li Lima: ACI ACI-UNI.. UNI Munshi Javeed A., A Sherman William C C. Reinforced Concrete Tanks. Gray, W.S., Manning, G.P. 1973. Concrete Water T Towers, Bunkers, B k Silos Sil and dO Other h El Elevated d Structure, 5ta. Edición. Londres: Cement and Concrete Association Association.. PORTLAND CEMENT ASSOCIATION. 1993. Circular Concrete Tanks Without Prestressing Prestressing,, 1 Edición 1ra. Edi ió . E.E.U.U.: Edición. E E U U PCA PCA.. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C. 1992. Estructuras Sanitarias de Concreto para el Mejoramiento del Ambiente, 1ra. Edición. México: Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto A Concreto, A.C. C Luque Salvador E. 1997. Diseño de un Tanque Elevado Tipo Intze de 1500 m3 de Capacidad con Estructura Portante de Fuste Cilíndrico. Lima: Tesis PUCP. PUCP. Diego Villagómez M. 2009. Reservorios Tipo Intze para el Sistema de Agua Potable en Iquitos. Lima: Tesis PUCP. PUCP. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Capítulo 1

Introducción

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Reservorios según el material: Water Towers of the World

Water Towers of the World School of Engineering, University of Warwick

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Reservorios según lo que almacenan: Montajes Técnicos Escazu S.A.

Engineering Services

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Reservorios según su ubicación respecto al terreno:

Diario El Patagònico

C it l W Capital Waterworks t k

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Ventajas y desventajas del CoAo como material: Ventajas: - Su mantenimiento es menor p por lo q que a la larga g son más económicas. - El concreto armado tiene una mayor capacidad de resistir cargas y, por ende, el reservorio podría ser más grande y almacenar un volumen mayor. - En nuestro medio existe mano de obra calificada y procesos constructivos adecuados que hacen posible que la construcción no sea complicada. - Es más durable en ambientes agresivos ya que hay un mejor control de la corrosión ya que el concreto protege al acero de refuerzo. Desventajas: - A diferencia de los reservorios metálicos y de aluminio aluminio, el costo de construcción es mayor y la detección y control de fugas de agua es más complicado. - No es posible el desmontaje de la estructura estructura, por lo que el porcentaje de recuperación es casi nulo. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Objetivos • Estudiar el comportamiento de los reservorios de almacenamientos de líquidos. • Capacitar para el diseño estructural de los reservorios de almacenamientos almacenamientos.

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Ejemplos a desarrollar • Un reservorio circular de almacenamiento de agua potable ubicado en la ciudad de Lima. • Debido a requerimientos hidráulicos, tienen un volumen de 2000 m3 m3, de 20 m de diámetro y una altura de 7.00 metros. • El estudio de mecánica de suelos consideró un suelo de perfil tipo S2 S2, con un periodo Tp = 0.6 s y factor de suelo S=1.2. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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• Un tanque de cloración perteneciente a una planta de tratamiento de aguas g residuales ubicado en la ciudad de Lima. • Debido a requerimientos hid á li hidráulicos, titienen un volumen l de 950 m3, dimensiones en planta de 15 x 25 m y una altura p de 3.00 metros. • El estudio de mecánica de suelos l consideró id ó un suelo l d de perfil tipo S3, con un periodo Tp = 0.9 s y factor de suelo S=1.4. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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• Un reservorio elevado tipo Intze ubicado en la ciudad de Iquitos. • Debido a requerimientos hidráulicos, tienen un volumen de 2000 m3 y una altura de 22 metros. t • El estudio de mecánica de suelos consideró un suelo de perfil tipo S2, con un periodo Tp = 0.6 s y factor de suelo S=1.2. S=1.2.

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Capítulo 2

Consideraciones Especiales para el Diseño en Concreto Armado de R Reservorios i

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Normas internacionales • ACI 350350-06, Code Requirements q for Environmental Engineering Concrete Structures.. Structures • ACI 371371-98, Guide for the Analysis Analysis,, Design, Design, and Construction of Concrete Concrete--Pedestal Water Towers.. Towers • ACI 307307-98, Design g and Construction of Reinforced Concrete Chimneys Chimneys..

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Calidad del Concreto:

R Requisitos i it para condiciones di i d de exposición i ió especiales i l (ACI 350-06, tabla 4.2.2). “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Factor de Durabilidad (ACI 350350-06): φ Resistencia nominal requerida = Factor de durabilidad x (α CM + β CV + …) Sd = ϕ fy ≥ 1 1.0 0 γ fs

γ = wu ws

Sd (comp) = 1.00 1 00

Valores para fs. Para cortante: φ VS = Factor de durabilidad . [(α VCM + β VCV + …) - φ VC] “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Factor de Durabilidad (ACI 350350-01): φ Resistencia nominal requerida = Factor de durabilidad x (α CM + β CV + …)

Valores para el factor de durabilidad. φ VS = Factor de durabilidad . [(α VCM + β VCV + …) - φ VC] donde el factor de durabilidad es 1 1.30. 30 “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Control de la Fisuración por flexión: b

d

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Control de la Fisuración por tracción:

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Espesores, Armaduras y Recubrimientos Mínimos: • Espesor mínimo de muros 15 cm ó 20 cm (para tener 5cm de recubrimiento) recubrimiento). • Altura de muro mayor a 3.00m => 30 cm mínimo de espesor ((para reservorios rectangulares). g ) • Separación máxima de refuerzo = 30 cm. Mínimo usar varilla de ½”.

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Espesores, Armaduras y Recubrimientos Mínimos:

Cuantías mínimas de acero de refuerzo p por contracción y temperatura (ACI 350, tabla 7.12.2.1). “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Espesores, Armaduras y Recubrimientos Mínimos:

Recubrimientos mínimos de concreto p para el refuerzo (adaptado del ACI 350-06, capítulo 7.7.1). “Diplomatura en Diseño Estructural”

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PICASA Álbumes Web

Manejo de Juntas de Construcción:

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Manejo de Juntas de Construcción: Junta de Dilatación

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Manejo de Juntas de Construcción: Junta de Contracción Total

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Manejo de Juntas de Construcción: Junta de Construcción

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Consideraciones Especiales para Estructuras de Soporte

Espesor y Armaduras Mínimas: • Espesor mínimo es de 20 cm. • Cuantía mínima depende de la aceleración espectral asociada a un periodo de un segundo, representado por el coeficiente Av.

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Consideraciones Especiales para Estructuras de Soporte

Valores de Av y Sa(T=1).

Refuerzo mínimo requerido (ACI 371-98, tabla 4.8.2). “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Consideraciones Especiales para Estructuras de Soporte

Refuerzo en Aberturas:

As h 0.06 f ' c .t.l ≥ 2 fy

As d = 0.508.t

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Capítulo 3

Análisis por Solicitaciones de Gravedad

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Estructura Laminar: t Modelo de Elementos Finitos (MEF). • Elementos Finitos (EF): ( ) pequeñas partes unidas en sus nodos. • Conjunto de elementos finitos = Malla de EF

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Construcción del Modelo Representación de las Solicitaciones Estáticas: • El peso propio de las cáscaras y anillos queda definido por: - el peso específico del material - el espesor p p para el caso de las cáscaras y la sección transversal para el caso de los anillos. • Sobrecarga (carga por unidad de área).

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Construcción del Modelo Representación de las Solicitaciones Estáticas: • La presión hidrostática , que varía linealmente con la altura del líquido sobre el punto en estudio y con el peso específico del líquido líquido.

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γL

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Capítulo 4

Análisis por Solicitaciones Sísmicas

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Comportamiento Dinámico

• Masa convectiva • Masa impulsiva “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Sistema mecánico equivalente (Graham y Rodríguez, 1952).

Sistema mecánico equivalente simplificado (Housner, 1963). “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Modos de Vibración del Sistema

Modo convectivo

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Modo impulsivo

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Modos de Vibración del Sistema Mecánico

Modo convectivo

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Modo impulsivo

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Normas internacionales • ACI 350.3350.3-06, Seismic Design g of LiquidLiquid q Containing Concrete Structures. Structures. • API Standard 650, 650, Welded Tanks for Oil Storage.. Storage • EUROCODIGO U OCO GO 8, Disposiciones p p para el Proyecto de Estructuras Sismorresistentes Sismorresistentes.. • International Building Code (IBC 2009). 2009).

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Cálculo de las Masas Convectiva e Impulsiva

Expresiones para el cálculo de la masa impulsiva y convectiva.

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Cálculo de Ubicación de Masas Convectiva e Impulsiva

Ubicación de la masa impulsiva y la masa convectiva considerando sólo la presión en las paredes.

Expresiones para el cálculo de hi/HL y hc/HL. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Cálculo de Ubicación de Masas Convectiva e Impulsiva

Ubicación de la masa impulsiva considerando la presión en las paredes y losa de fondo.

Ubi Ubicación ió d de lla masa convectiva ti considerando id d lla presión ió en las paredes y losa de fondo. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Cálculo de Ubicación de Masas Convectiva e Impulsiva

Expresiones para el cálculo de h’i/HL y h’c/HL.

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Cálculo de los Periodos Convectivo e Impulsivo p Periodo convectivo Tc:

Periodo impulsivo Ti: T=2π T=2 π(M’/K’)^½

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Cálculo de la ubicación del borde superior p “Freeboard Freeboard”: ”:

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas • Por fuerzas o presiones estáticas equivalentes Método Estático • Por espectro de pseudo pseudo--aceleración - Método Dinámico. • De acuerdo a E.030, la sismicidad local es representada p p por los factores Z, S, U, C y R. • ACI 350.3 350.3--06: 5% de amortiguamiento para modo impulsivo y 0.5% para el convectivo convectivo..

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas ACI 350.3 350.3--06:

Factor de Reducción R

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas

Espectro de diseño

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Representación de ls Solicitaciones Sísmicas

Método Estático:

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Representación de ls Solicitaciones Sísmicas

Método Estático:

Wr Pr = ZUCi S × Ri

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Representación de ls Solicitaciones Sísmicas Representación de las Solicitaciones Sísmicas en modelo (Método Estático):

Representación de la fuerza de inercia de las paredes cilíndricas, cilíndricas fondo troncocónico y fuste cilíndrico “Diplomatura en Diseño Estructural”

Representación de la fuerza de inercia de la cubierta y del fondo esférico

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas

Método Estático: Pi = ZUCi S ×

Wi Ri

Pc = ZUC c S ×

Wc Rc

Diagramas de Di d presiones i (distribución (di t ib ió vertical) ti l) Debido a masas convectiva e impulsiva. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas

Método Estático:

Fuerzas por unidad de longitud vertical (diagramas equivalentes) Debido a masas convectiva e impulsiva.

Fuerzas por unidad de longitud vertical Pcy y Piy. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas

Método Estático:

Distribución de presiones en reservorios rectangulares en planta. Debido a masas convectiva e impulsiva.

Presiones en reservorios rectangulares. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas

Método Estático:

Distribución de presiones en reservorios circulares en planta. Debido a masas convectiva e impulsiva.

Presiones en reservorios circulares. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas Representación de las Solicitaciones Sísmicas en modelo (Método Estático):

Zonas de fuerzas por unidad de área constantes para representar las presiones debidas a la masa convectiva e impulsiva.

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas

Método Dinámico:

Espectro de pseudo-aceleración de diseño para el caso de un reservorio elevado l d ubicado bi d en lla zona sísmica í i 3 y en un perfil fil d de suelo l titipo S1 S1. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas

Método Dinámico:

⎛ 2π k c = M c .⎜⎜ ⎝ Tc

⎞ ⎟⎟ ⎠

2

Modelo Dinámico Equivalente de un Reservorio Elevado Elevado. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas Representación de las Solicitaciones Sísmicas (Método Dinámico): • El modelo debe reflejar la masa y rigidez de los elementos que conforman a la estructura. • La masa impulsiva es asignada a las paredes de la cuba como una masa por unidad de área.

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas Representación de las Solicitaciones Sísmicas (Método Dinámico): • Para la masa convectiva es necesario crear un grupo de nodos entre los cuales se distribuye y esta masa.

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Representación de las Solicitaciones Sísmicas Representación de las Solicitaciones Sísmicas (Método Dinámico): • Con el modelo dinámico equivalente y el espectro de pseudo--aceleración de diseño se determinan los pseudo desplazamientos y las fuerzas internas de la estructura usando procedimientos de superposición espectral. • La superposición modal recomendada es la media cuadrática de los valores individuales (Raíz Cuadrada de la Suma de Cuadrados) Cuadrados). • En los programas de computación debe ingresarse el espectro de diseño de pseudo pseudo--aceleración como una función espectral. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Capítulo 5

Fuerzas Internas

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Análisis de la Superestructura Fuerzas Internas:

Fuerza Nθ

Fuerza Mϕ

Fuerzas internas en la cubierta y en las paredes cilíndricas. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Resultados del Análisis Fuerzas y Momentos de Diseño:

Fuerza Nθ (ton / m) debida a la envolvente de diseño

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Momento Mϕ (ton.m / m) debido a la envolvente de diseño

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Análisis de la Superestructura Fuerzas Internas:

Fuerzas internas en el fuste.

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Capítulo 6

Análisis de la Cimentación

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Análisis de la Cimentación Representación de las Condiciones de Apoyo:

Modelo del suelo con comportamiento elástico.

Representación de los pilotes. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Análisis de la Cimentación Representación de la Zapata :

δ (Asentamiento)

ks.δ (Presión)

Análisis de zapata flexible en cimentaciones superficiales.

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Modelo de la zapata flexible en cimentaciones superficiales.

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Análisis de la Cimentación Representación de la Zapata :

Análisis de zapata flexible en cimentaciones profundas.

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Modelo de la zapata flexible en cimentaciones profundas.

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Análisis de la Cimentación Representación de la Zapata :

δ (Asentamiento)

ks.δ (Presión)

Análisis de zapata rígida en cimentaciones superficiales. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Análisis de la Cimentación Representación de la Zapata :

Análisis de zapata rígida en cimentaciones profundas.

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Análisis de la Cimentación Cimentación Superficial:

Modelo para el análisis de la zapata

Momento Mθ (ton.m / m)debido a la envolvente de diseño. “Diplomatura en Diseño Estructural”

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Análisis de la Cimentación Cimentación Profunda:

Modelo para el análisis de los pilotes y de la zapata

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Fuerzas actuantes en los pilotes

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Análisis de la Cimentación Cimentación Profunda:

Momento Mθ (ton.m / m) debido a la envolvente de diseño.

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