Diseño de Caisson

CALCULO ESTRUCTURAL: CAISSON 1. DIMENSIONAMIENTO DEL POZO TIPO CAISSON Calculo del volumen real de pozo tipo caisson para 8 horas de bombeo continuo, la profundidad del caisson debe garantizar un tirante mínimo que permita su aprovechamiento en estaciones críticas. Calculamos el volumen pozo inicial (Vpi) con la variación: Vpi =

10.00

m3

Según CEPIS (2005), recomienda el diámetro interior tendrá entre 1.20 – 2.00 m dependiendo de la profundidad y niveles de fuente. Por las caeracteristicas del lugar asumimos un diámetro de D igual a: Api =

2.01

m3

Hpi =

4.97

m

D=

1.60 m

Altura del pozo inicial

De acuerdo a las caracteristicas de la zona consideramos:

Hpi =

5.00 m

De acuerdo al Estudio Hidrogeologico se tiene las variaciones de niveles piezometricos : VARIACION DE NIVELES ESTATICOS MONITOREADOS DESCRIPCION

N.E. Epoca Avenida

Sullata y Cariña 2.10 - 3.20 Fuente: Estudio Hidrogeologico

N.E. Epoca Estiaje critico 4.6 - 5.50

Los valores de las dimensiones del Caisson, los niveles Estaticos maximos y minimos esta en funcion a los valores de la tabla anterior cotejados de acuerdo al Perfil Geoelectrico Longitudial del Estudio Hidrogeologico.

Dimensiones considerados del caisson

2.10

3.40

5.00

0.50

1.00

1.00 D=1.60 m

Estimaremos el volumen real (Vpr) de la estructura de pozo tipo caisson: =

(

+

=

+

26.14

+

m3

+

+

)

Se adopta las siguientes dimensiones del diseño hidráulico Diametro interior Altura del caisson Borde libre Altura del agua Altura del Suelo

: : : : :

D= H= BL = Hw = Ht =

1.60 m 13.00 m 2.10 m 10.90 m 12.50 m

R=

0.80 m

2. PREDIMENSIONAMIENTO DE ESPESORES CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES Fy = F'c = Φ= γc = γH2O = γt =

4200 210 30 2.40 1.00 1.95

kg/cm2 kg/cm2 ° Ton/m3 Ton/m3 Ton/m3

CALCULO DE ESPESORES Los espesores dependerán de los esfuerzos que se presenten. Se considera para el cálculo que el agua estará al minino nivel (Hw=0.0m), que es la condición más desfavorable. Esta condición se alcanza cuando se realiza la limpieza y mantenimiento del pozo. Se presentan dos casos: Caso de esfuerzos a tensión Caso de esfuerzos a compresión a.- Dimensionamiento de losa superior La losa superior soportara la carga de la bomba, tubería, agua (dentro de la tubería) y peso propio El requerimiento de cargas no es mucho por lo que se adopta un espesor mínimo:

t=

0.15

m

b.- Dimensionamiento de Pared Cilíndrica o Fuste Para realizar el dimensionamiento, análisis y diseño de la pared cilíndrica o fuste del caisson se tiene que entender las condiciones de trabajo para las cuales la estructura se verá sometida El análisis se realiza para el caso más crítico y esto ocurre cuando el caisson esta vacío es decir solo soporta el empuje lateral del suelo La pared cilíndrica o fuste presentara mayores esfuerzos debido a las cargas estáticas. Los mayores esfuerzos de tracción se presentaran en la parte inferior (h/3, aprox), debido al empuje del agua.

Empujes de suelo (Es) y agua (EH2O) Si bien la presión disminuye mientras decrece "h", no es recomendable disminuir el espesor; según el análisis que se haga, puesto que en el Predimensionamiento no se considera el análisis sísmico dinámico Como consideración podemos indicar que el PCA recomienda que para reservorios con pared circular de concreto armado con una altura de líquido mayor o igual a 3.00m, se tendrá un espesor mínimo de 0.30m Sin embargo dada las caracteristicas del proyecto, se puede adoptar un valor menor (0.20 a 0.30 m) Asumimos:

h=

0.20

m

3. ANALISIS ESTRUCTURAL a. Pared Cilíndrica o Fuste CARACTERISTICAS DEL CONCRETO Resisietncia Recubrimiento Coeficiente de Poisson Modulo de Elasticidad Coeficiente cilindrico de forma:

: : : :

λ=

210 kg/cm2 0.04 m 0.2 217371

3.257 m-1

CALCULO DE LA PARED EN ESTADO LÍMITE ÚLTIMO DE FLEXION Combinación de acciones C1: 1.50 x Empuje Hidrostático

Tabla 4.2. Variación de Momento Var H Altura Mxd 1.00 10.90 6.97E-17 0.90 9.81 3.38E-15 0.80 8.72 -3.00E-13 0.70 7.63 1.51E-11 0.60 6.54 -6.01E-10 0.50 5.45 2.01E-08 0.40 4.36 -5.56E-07 0.30 3.27 0.0000 0.20 2.18 0.0000 0.15 1.64 0.0052 0.10 1.09 -0.0110 0.05 0.55 -0.1537 0.00 0.00 0.7490 Diagrama de Momentos verticales: Empuje Hidrostratico 12.00 10.00

Altura (m)

8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 -0.4

-0.2

0

0.2

Momento (Tn/m)

0.4

0.6

0.8

El momento maximo es:

M=

0.749

Ton-m

Combinación de acciones C2: 1.60 x Empuje de Tierras

Tabla 4.2. Variación de Momento Var H Altura Mxd 1.00 12.50 1.41E-18 0.90 11.25 -1.01E-16 0.80 10.00 2.27E-15 0.70 8.75 1.88E-13 0.60 7.50 -2.10E-11 0.50 6.25 8.27E-10 0.40 5.00 1.42E-08 0.30 3.75 0.0000 0.20 2.50 0.0002 0.15 1.88 -0.0016 0.10 1.25 -0.0023 0.05 0.63 0.1065 0.00 0.00 -0.5978

Diagrama de Momentos verticales: Empuje del suelo 14.00 12.00

Altura (m)

10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 -0.70

-0.60

-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

Momento (Tn/m)

El momento maximo es:

M=

0.598

Ton-m

0.10

0.20

CÁLCULO DE LA PARED EN ESTADO LÍMITE ÚLTIMO DE ESFUERZO CORTANTE Combinación de acciones C1: 1,50x(Empuje hidrostático) Q xd =

Tabla 4.2. Variación de Momento Var H Altura Mxd 1.00 10.90 1.09E-15 0.90 9.81 -5.63E-14 0.80 8.72 2.27E-12 0.70 7.63 -7.71E-11 0.60 6.54 2.17E-09 0.50 5.45 -4.52E-08 0.40 4.36 2.58E-07 0.30 3.27 0.0000 0.20 2.18 -0.0028 0.15 1.64 -0.0141 0.10 1.09 0.1297 0.05 0.55 0.1818 0.00 0.00 -4.9496

Diagrama de Fuerzas Verticales: Empuje Hidrostatico 12.00 10.00

Altura (m)

8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 -6.00

-5.00

-4.00

-3.00

-2.00

-1.00

Momento (Tn)

La cortante maximo es:

Vu =

4.950

Ton

0.00

1.00

Q xd =

Tabla 4.2. Variación de Momento Var H Altura Mxd 1.00 12.50 -8.18E-18 0.90 11.25 2.41E-16 0.80 10.00 1.12E-14 0.70 8.75 -1.61E-12 0.60 7.50 7.47E-11 0.50 6.25 3.02E-10 0.40 5.00 -2.78E-07 0.30 3.75 0.000 0.20 2.50 0.000 0.15 1.88 0.009 0.10 1.25 -0.040 0.05 0.63 -0.237 0.00 0.00 3.943

Diagrama de Fuerzas Verticales: Empuje del suelo 14.00 12.00

Altura (m)

10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 -1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

Momento (Tn)

La cortante maximo es:

Vu =

3.943

Ton

5.00

4. DISEÑO ESTRUCTURAL DISEÑO DE ACERO CARA INTERIOR CARACTERISTICAS DEL ELEMENTO Φ= 0.90 fy = Mmax = 0.749 fc = β1 = 0.85

4200 kg/cm2 210 kg/cm2

b= h=

100 cm 20 cm

r= d=

5 cm 15 cm

Elemento de diseño

Cuantia balanceada: Cuantia Balanceada:

Cuantia Balanceada: . Cuantia=Balanceada:

Donde: : Coeficiente de profundidad equivalente (0.85 para Donde: ρb = 0.0214 Donde: f´c=175,210,245,280Kg/cm2) : Coeficiente de profundidad equivalente (0.85 para Coeficiente de profundidad equivalente (0.85 para ::Cuantia balanceada f´c=175,210,245,280Kg/cm2) f´c=175,210,245,280Kg/cm2) : Cuantia maxima. : Cuantia balanceada : Cuantia balanceada : Cuantia maxima. = 48.14 cm2 → : Cuantia maxima.

+ + +

= . . == 0.0214

Cuantia maxima: Cuantia= Maxima 0.0214 =

= 0.0160 = 0.0160 ρmax = 0.0160 = 0.0160

0.0214 = Maxima . Cuantia Cuantia = Maxima .

Cuantia= Minima .

= 0.0033 = 0.0033 = 0.0033

Cuantia minima Minima Cuantia =

Cuantia Minima

= =

ρmin =

→ → → → →

0.0033

Calculo de Acero Mmax =

74903.5

El acero minimo requerido: Distribucion del Acero

a=

0.31

cm

As =

1.34

cm2

As =

5.00

cm2

1/2 1.29 4.00 25.00

"

Ø= As (Ø) = Cantidad =

Espaciamiento acero S1 = Por Tanto usar :

Ø 1/2" @ 25cm

kg-cm

cm2 cm

= 48.14 = 48.14 = 10.00 = 10.00 = 10.00

= cm224.07 cm2

cm2

cm2 cm2 cm2

=

5.00

cm2

DISEÑO DE ACERO CARA EXTERIOR CARACTERISTICAS DEL ELEMENTO Φ= 0.9 fy = Mmax = 0.598 fc = β1 = 0.85

4200 kg/cm2 210 kg/cm2

b= h=

100 cm 20 cm

r= d=

5 cm 15 cm

Elemento de diseño Cuantia balanceada: Cuantia Balanceada: Cuantia Balanceada: Cuantia=Balanceada: .

+ + +

= . = .

=

0.0214

Cuantia maxima: 0.0214 Cuantia=Maxima =

= 0.0160 =ρmax 0.0160 = = 0.0160

0.0214 Cuantia = Maxima . Cuantia Maxima

= .

. Cuantia= Minima Cuantia Minima Cuantia minima = Cuantia Minima

= 0.0033 = 0.0033 = 0.0033

= =

ρmin =

Donde: Donde: : Coeficiente de profundidad equivalente (0.85 para Donde: ρb = de profundidad 0.0214 : Coeficiente equivalente (0.85 para f´c=175,210,245,280Kg/cm2) : Coeficiente de profundidad equivalente (0.85 para f´c=175,210,245,280Kg/cm2) : Cuantia balanceada f´c=175,210,245,280Kg/cm2) : Cuantia : Cuantiabalanceada maxima. : Cuantia balanceada : Cuantia maxima. : Cuantia maxima. = 48.14 cm2 → = 48.14 cm2= 24.07 → 0.0160 = 48.14 cm2 →

→ → →

0.0033

= 10.00 cm2 = 10.00 cm2 = 10.00 cm2

=

Calculo de Acero Mmax =

59777.2

El acero minimo requerido: Distribucion del Acero

a=

0.25

cm

As =

1.06

cm2

As =

5.00

cm2

1/2 1.29 4.00 25.00

"

Ø= As (Ø) = Cantidad =

Espaciamiento acero S1 = Por Tanto usar :

Ø 1/2" @ 25cm

kg-cm

cm2 cm

5.00

cm2

cm2

Diseño de Acero Tangencial. Para el acero tangencial se tomara encuenta las recomendaciones del CEPIS (2005) donde la armadura transversal será anular en dos capas, espaciadas a no más de 30 cm; será del mismo diámetro que la armadura longitudinal Distribucion del Acero considerado

Ø= As (Ø) = Cantidad =

Espaciamiento acero S1 = Por Tanto usar :

1/2 1.29 3.00 30.00

"

4.95

Ton

cm2 cm

Ø 1/2" @ 30cm

VERIFICACION POR CORTE Vu =

Vc  0.53 *

f ' c * bw d

Vc =

11.52

OK

2.4. CORONA La corona sera diseñada de acuerdo a las recomendaciones de la “Guía de diseño para captaciones especiales” dotado por el Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria Y ciencias de ambiente (CEPIS-2005).

Dimensioanmiento:

A= B= C= D= H= h=

10 cm 5 cm 0 cm 15 cm 60 cm 10 cm

Caracteristicas de la corona

Determinacion de refuerzo: El refuerzo de la corona debe estar constituido por una armadura principal en anillos compuesto por acero corrugado de 1/2" espaciado a no más de 10cm.

Armadura Principal

Armadura Principal de Corona Por Tanto usar :

Ø 1/2" @ 10cm

La armadura transversal debe estar compuesta por estribos cerrados de acero corrugado de 3/8". La armadura adicional que permitirá la unión entre corona y anillo, estará constituida por varillas de 3/8" espaciadas a no más del espesor del muro

Anclaje

Estribos

Estribos y Anclaje en Armadura de Corona

Por Tanto usar : Estribos Anclajes

Ø 3/8" @ 25cm Ø 3/8" @ 25cm