- Las consideraciones que respectan tanto a los materiales como a la geometría del tanque han ido presentando cambios importantes que han ido en favor de la capacidad en la prestación del servicio al largo plazo (durabilidad) a través de la selección adecuada de los materiales en función del grado de exposición al medio sobre el que se construyen y también del líquido contenido (sección C.23-C.4). Pero no solamente a través de estos recursos, sino también a través de métodos de cálculo más modernos, como el cálculo del factor de durabilidad ambiental ( ), incrementando los valores de momento de diseño en un 50 % (como pudo observarse en el ejercicio 1) de tal manera que se evitasen fisuras durante la prestación de servicio del tanque al reducir el esfuerzo actuante en el acero de refuerzo.
Las normas vigentes (sección C.23 de la NSR-10) se encargan de cumplir bien con la tarea de fijar los parámetros básicos para la construcción de los tanques, y si bien no expone de forma explícita las razones de algunos detalles importantes (como los espesores mínimos de placa y muros, así como las relaciones de agua /cemento recomendadas), se puede interpretar que a partir de lo anterior se hace con el objeto de facilitar la disposición del refuerzo al interior de los elementos por un lado, mientras que por el otro se busca que los materiales tengan el mayor grado de resistencia no solo a nivel de carga, sino también de exposición al medio al que se van a ver expuestos. Esto se apoya por ejemplo al revisar las secciones C.23-C.14 en los cuales se exponen los espesores mínimos para los muros y las losas que deberá tener la estructura de contención y que se usaron para los ejercicios de aplicación de este proyecto (véase secciones 8.1.1 y 8.2.1).
- El cálculo de cargas dinámicas usando el modelo de Housner permite hacer una aproximación más detallada a los efectos reales que presentan los líquidos frente a un evento sísmico, aun considerando que es un modelo de cálculo pseudo estático. Las distribuciones logran que se consideren altas presiones no solo en la parte inferior del muro por efectos de presión hidrostática o de suelo sino también en la parte superior del mismo por efectos de las fuerzas convectiva e impulsiva vistas en el capítulo 5. Se puede observar también que al comparar estas cargas, que la carga impulsiva es superior en promedio un 26.5% sobre la carga convectiva. Esto implica que al sumarse a la presión hidrostática o a la presión de
suelo el refuerzo que debe llevar el muro se sigue concentrando mayoritariamente en la parte inferior del muro, mientras que la carga convectiva ayuda a determinar el refuerzo en la parte superior del muro, aunque en una proporción menor al generado por la carga convectiva. Por otro lado, permite añadir condiciones que no se contemplan con los métodos tradicionales de cálculo de fuerza sísmica (como por ejemplo el de la fuerza horizontal equivalente o el método de análisis modal espectral), desde las presiones convectiva e impulsiva, hasta la sobrecarga por aceleración vertical.
- Si bien el proceso de análisis usando las tablas de la PCA resulta útil para calcular los momentos y fuerzas de diseño, se ve limitado en su uso básicamente por dos condiciones. La primera corresponde a las relaciones b/a y c/a que restringen el uso de las tablas a los rangos de valores que se muestran en el documento de referencia. La segunda limitación es que no se contemplaron condiciones de análisis para placas para placas que se vieran sometidas a presiones invertidas. Esta segunda limitación restringe aún más las condiciones que pueden usarse de las tablas en caso de que se desee incluir el cálculo de fuerza sísmica utilizando el modelo matemático de Housner. Por tanto, las tablas pueden usarse siempre y cuando se haga bajo parámetros de presiones laterales estáticas (líquidos y presiones de suelo) y estaría altamente restringido si se quiere hacer uso de las mismas al momento de hacer análisis de fuerza sísmica (condición de muro articulado en el borde superior y borde inferior).
- El cálculo de los coeficientes de durabilidad ambiental introducidos en esta norma, que reemplazan al cálculo ancho de fisuración (conocido como Z en el anterior reglamento) incrementan de forma importante el valor de acero requerido. Si bien esto se hace con el objeto de que al haber una mayor cantidad de acero se entra de forma más tardía en etapa de fisuración, puede implicar un aumento importante en la cantidad de material necesario y por lo tanto impacta en los costos de construcción de la estructura. Esto se ve reflejado en los resultados de los diseños tanto para el ejercicio 1 en el cual se observa aumento del área de acero de refuerzo de 516mm² a 745mm² -un 30.74% aproximadamente-, como en el ejercicio 2 (de 796mm² a 999mm²-20.32% de incremento en el área de refuerzo).
- Al hacer una comparación de los reglamentos estudiados en este trabajo (NSR- 10 y ACI-350) se puede observar que hay elementos de cada una que no están incluidos en el otro. Por un lado la ACI-350 propone una metodología para el cálculo de la fuerza hidrodinámica que no está contemplada en la NSR-10.Al comparar los valores de cortante en la base calculados según cada reglamento se pude observar una diferencia del 25.68% (véase sección 8.2.4), dando mayor prelación al método explicado por la norma ACI-350. Este incremento puede obedecer a varios factores que el Reglamento no considera a la hora de determinar la fuerza sísmica aplicada, como por ejemplo la presión de oleaje (o carga convectiva), la sobrecarga por aceleración vertical y también la presión dinámica de suelo. Por otra parte, ésta norma no propone métodos de cálculo en el diseño del acero de refuerzo de los elementos que conforman el tanque considerando posibles fisuras bien sea de los muros o de las placas en etapa de servicio, facilitando fugas de agua contenida en el tanque, siendo así fundamental el aporte hecho por el Reglamento NSR- en su sección C.23 al proponer el cálculo del factor de Seguridad ambiental, las cuantías mínimas de refuerzo, recubrimientos, espesores de los elementos, así como propiedades de los materiales utilizados para su construcción y puesta en servicio.
- El software en sí mismo no solamente sirve con el fin de diseñar, sino también se puede usar con fines de optimización, si se considera que los tiempos requeridos para diseño de esta clase de estructuras bajan de manera considerable (teniendo por supuesto en cuenta las limitaciones que presenta este programa). Esto pues, permite hacer un análisis más cuidadoso al haber más tiempo para revisiones y finalmente permite hacer entrega adecuada del producto final.
11. RECOMENDACIONES
- El programa efectuado en el desarrollo de este proyecto es de uso totalmente experimental, y por lo tanto debe restringirse su uso a diseños de carácter exclusivamente académico y/o demostrativo.
- Se recomienda también tener presente que diseño de esta estructura contempla una condición exclusiva (geometría rectangular de única cámara totalmente enterrado). Por tanto, las comparaciones de diseños existentes con los presentados por el programa solo podrán hacerse con proyectos que presenten sin excepción las mismas características geométricas, de carga y de condición en los elementos que conforman la estructura.
-Para los diseños de orden profesional se recomienda hacer un cálculo tanto de la presión hidrodinámica usando el modelo de Housner y la presión dinámica de suelos usando el Modelo Mononobe-Okabe (los cuales pueden apoyarse en hojas de cálculo en Excel) para su ingreso a los programas de análisis y diseño estructural como por ejemplo sap2000.
Se debe tener también cuidado más allá de la parte de diseño, con la correspondiente al proceso constructivo. De éste último depende la eficacia de los cálculos presentado en la etapa de diseño. Esto se ve representado en una coordinación adecuada del personal en obra, un cuidado total de la calidad de los materiales, un proceso constructivo coherente y sobre todo una coordinación adecuada con las oficinas de diseño para lograr una construcción óptima y que cumpla con los parámetros de calidad que se exijan para cada proyecto.
La calidad del concreto en obra debe vigilarse tanto en el proceso de mezclado como en el de fundida, de tal manera que se eviten efectos de segregación de la mezcla, excesos de aire atrapado y también debe buscarse usar dentro del proceso constructivo sistemas de encofrados que impidan la generación de “hormigueros” que faciliten el proceso de carbonatación y terminen deteriorando la calidad del concreto.
12. BIBLIOGRAFÍA
- Code Requirements for enviromental Engineering Concrete Structures and Commentary (ACI 350-06). ACI Comitee 350, American Concrete Institute (ACI), First Printing, USA, July 2006.
- Design of Liquid-Containing Concrete Structures for Earthquake Forces, Javeed A. Munshi, Portland Cement Association (PCA), Skokie, Illinois, USA, 2002.
-
Método simplificado para el análisis y diseño de tanques rectangulares en concreto reforzado a partir de la formulación de los elementos finitos, Proyecto de Grado en calidad de Maestría, Jorge Iván Matiz Chica, Proyecto de grado en calidad de Maestría, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, Colombia, 2011.- Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10. Ley 400 de 1997 (Modificada Ley 1229 de 2008), Decreto 926 del 19 de Marzo de 2010, Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, Bogotá D.C, 2010.
- DISEÑO COMPARATIVO DE TANQUES PARA EL ALMACENAMIENTO DE AGUA DE HORMIGÓN ARMADO, ENTERRADOS HASTA EL NIVEL DE LA TAPA, Arévalo Pulla, Pablo Santiago Barahona Barahona René Ismael. Proyecto de Grado en Calidad de Pregrado. UNIVERSIDAD DE CUENCA, 2013.
- ESTRUCTURAS DE CONCRETO I, Jorge Ignacio Segura Franco, UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA-FALCULTAD DE INGENIERÍA, Bogotá, 2011.
- MICROSOFT VISUAL BASIC.NET CURSO DE PROGRAMACIÓN, Francisco José Ceballos, Alfaomega Grupo Editor, México D.F, 2010.
- PROGRAMACIÓN CON VISUAL BASIC 2008, Tim Patrick, Ed. McGraw-Hill, México D.F, 2010.
Subrutina 1. Programa para análisis de carga muerta. ¿Incluir tapa? 2 Inicio Ht, em, B, L, et, ef, Dc. 2 2 2 Pm1, Pm2, PF, PT, PTt Fin Sí No
En donde:
em: Espesor del muro, en m.
et: Espesor de la tapa del tanque, en m. ef: Espesor del fondo del tanque, en m.
B: Ancho de la dirección más corta del tanque. L: Ancho de la dirección más larga del tanque. Ht: Altura total del tanque, en m.
Pm1: Peso del muro en la dirección corta, en m. Pm2: Peso del muro en la dirección larga, en m. PT: Peso de la tapa del tanque, en kN.
PF: Peso del fondo del tanque, en kN. PTt: Peso total del tanque, en kN.
Subrutina 2. Análisis de carga viva y carga de empozamiento.
En donde:
L: Valor por unidad de área de carga viva (kN/m²)
G: Valor por unidad de área de carga por granizo (kN/m²). ¿Diseño Incluye tapa? Inicio L,G Fin Sí No
Subrutina 3. Cálculo de presión hidrostática y presión de suelo.
En donde:
B: Ancho del muro, en m.
Ps: Peso específico del suelo de contorno, en kN/m³. Pa: Peso específico del líquido contenido, en kN/m³. Ka: Coeficiente de presión activa del suelo.
PH: Presión hidrostática del líquido contenido, en kN/m². PH, F, Ka, PSO, Hs,
B, Ps, H, HL, Pa, af Inicio
F: Fuerza hidrostática aplicada sobre muro, en kN. Pso: Presión de suelo aplicado al fondo del muro, kN/m². Hs: Carga por presión de suelo, en kN.
Subrutina 4. Fuerza hidrodinámica. . . 0.264 tanh 3.16 0.75 1.333 1 sen 0.5 0.09375 1 . . . B ′ 0.866 2 tanh 0.866 1 8 Análisis con sistema EBP? L, HL, Da, WL, Inicio A
, , No SI 0.40 2.4 1.5 . 1.5 2 √ 3.16 tanh 3.16 No SI . 0.48 2.5 0.051 0.1908 1.021 1.0 2 4700 ′ 10 4 10 2 10 2 ′ 1 3.16 2.01 3.16 3.16 A B . 1.2 1.60 √ C
, , , , , , , , , , , , , , . , , , , , 0.67 C 2 4 6 6 12 2 4 6 6 12 , , , , , , , , , Fin
ANEXO 2. MANUAL DE INSTRUCIONES
1. INTRODUCCIÓN
UD-TANQUES es un programa desarrollado para el análisis y diseño estructural de tanques enterrados de geometría rectangular para una sola cámara en concreto reforzado, apoyado en los lineamientos propuestos por la NSR-10, las tablas de cálculo propuestos por la PCA y el reglamento ACI-350-06. Este programa fue desarrollado en lenguaje derivado de C conocido como “basic”, más precisamente fue desarrollado con el programa visual basic en su versión 2010.
El programa está conformado por un total de 14 formularios, los cuales se encargan del dimensionamiento geométrico, la estimación de las cargas, el análisis y el diseño estructural del tanque.
2. REQUISITOS DE INSTALACION
El programa tiene los siguientes requisitos para su instalación y respectivo funcionamiento.
-Espacio requerido en disco duro: 3,5 MB -memoria RAM requerida: 1GB.
-Sistema operativo: Mínimo Windows 7 con service pack 1 (SP1). -Complementos especiales: Microsoft .NET Framework 4.0.
2.1. Instrucciones de instalación
El programa no cuenta con paquete de instalación, por lo que las instrucciones que vienen a continuación se dan para acceder al programa.
1. En el CD de instalación hacer clic en la carpeta UD-TANQUES.
2. Hacer clic en el ícono “UD-TANQUES”. El usuario ya podrá entrar al entorno del programa.
La figura 1 muestra el entorno del programa, con los menú que le conforman.
Figura 1. Entorno del programa.
3. ESTIMACION DE CARGAS
3.1. CALCULO DE CARGA MUERTA, VIVA Y POR GRANIZO
El programa permite determinar de manera intuitiva el valor de la carga muerta y peso total de la estructura conformada. Para lograr esto, es necesario primero definir las dimensiones del tanque. Lo cual puede hacerse a través del menú Definir > Geometría (Ver figura 2).
Figura 2. Acceso al formulario de geometría del programa.
Luego, se rellenan los datos solicitados en el cuadro de diálogo. Por defecto, el programa fija unos valores correspondientes al peso específico del concreto y la resistencia de los materiales utilizados, siendo suficiente con hacer clic en la opción que dice “agregar valores de materiales por defecto”. El programa permite también determinar si se incluye el diseño de la tapa, por lo cual haciendo clic en la opción “incluir diseño de la tapa”. Luego, se rellenan los datos solicitados por el formulario seguido del botón “Aceptar”.
Figura 3. Formulario de definición geométrica y de material del programa.
Fuente: Elaboración propia.
Una vez se define la geometría, se procede a calcular la carga muerta y el peso de los elementos que conforman la estructura. Para esto, se accede a través del menú Definir > Cargas > Gravitacionales (Muerta, Viva, Granizo...). Una vez se acceda al cuadro de diálogo, se hace clic en el botón “Calcular”. El programa mostrará el valor de los pesos de cada uno de los elementos estructurales que conforman el tanque, al igual que el peso completo que tendrá el mismo.
Figura 4. Acceso al formulario para el cálculo de carga muerta, viva y por granizo.
Fuente: Elaboración propia
Cabe anotar que si el usuario elige la opción de incluir el diseño de la tapa, el programa calcula el valor de carga muerta distribuida y en consecuencia mostrará el valor de carga muerta de servicio así como la carga mayorada que tendrá el elemento.
Figura 6. Formulario para cargas muertas, vivas y por granizo.
3.2. CALCULO DE CARGA HIDROSTATICA Y PRESION LATERAL DE SUELO
El programa también permite el cálculo de cargas estáticas laterales proporcionadas por la presión del fluido contenido y la presión del suelo presente en el contorno del tanque. Para esto, el usuario puede acceder a través del menú Definir > Cargas > Laterales (Hidrostática, Terreno…). Una vez muestra el cuadro de diálogo, el programa solicitará los datos correspondientes a la altura del líquido contenido (llenando el cuadro de texto en la zona señalada), mientras que para el caso del suelo el programa le solicita el ángulo de fricción del suelo. Se hace luego clic en el botón calcular y el programa determinará la presión ejercida por el líquido contenido en el fondo del tanque.
Figura 7. Formulario de cálculo de presión hidrostática y de suelo.
Fuente: elaboración propia.
3.3. CÁLCULO DE FUERZA SÍSMICA HIDRODINÁMICA
Los datos faltantes corresponden a la información sísmica y también la tipología del tanque, que se indican en la sección señalada en los cuadros rojos. El procedimiento entonces consistiría en acceder a través del menú “Definir” > “Cargas” > “Carga Sísmica Hidrodinámica” (ver figura 8). Se puede seleccionar en
el formulario (ver figura 9) el tipo de presión que se desee emplear (Excluyendo la presión en el fondo –EBP- o incluyendo la presión en el fondo –IBP-). Luego se ingresan los datos solicitados para el análisis sísmico (Fa, Fv, Aa y Av) y se selecciona tanto el grado de importancia, y también se selecciona la tipología del apoyo en la base del tanque (ofrece condiciones entre articulado, empotrado, sin confinar o de anclaje flexible). Luego se hace clic en el botón “iniciar proceso de cálculo de carga sísmica”
Figura 8. Acceso al cálculo de carga hidrodinámica.
Fuente: elaboración propia.
Figura 9. Formulario para el cálculo de carga hidrodinámica.
El formulario está compuesto por las cajas de texto que se encargan de ingresar los datos y también está conformado por dos tablas. La primera muestra los resultados de las propiedades dinámicas que presentan los muros, y en el otro lado muestran las presiones hidrodinámicas generadas durante el proceso de análisis como bien puede apreciarse en la anterior figura. Los resultados están discriminados por muro (longitudinal y transversal)
3.4. PRESIÓN DINÁMICA DE SUELO
La figura 10 muestra por su parte el formulario para el cálculo de la presión dinámica de suelo. Para llegar a este formulario se accede por el menú “Definir” > “Cargas” > “Presión dinámica de suelo”. Los datos necesarios para el cálculo se cargan de forma automática con lo cual basta con hacer clic en el botón “calcular” para obtener la carga dinámica de suelo.
Figura 10. Cálculo de presión dinámica de suelo.
Fuente: elaboración propia.
4. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL TANQUE
El programa permite el cálculo y análisis estructural de los elementos individuales que conforman el tanque, esto es: el análisis de la placa de cubierta, de la placa de fondo y de los muros.
4.1. ANÁLISIS DE PLACA DE CUBIERTA
Para acceder a la subrutina se hace clic en el menú “Análisis” > “Placa de Cubierta” (Ver figura 11).
Figura 11. Acceso al formulario de análisis estructural de la placa de cubierta.
Al acceder al formulario (figura 12) los datos de las cargas y geometría ya están previamente preparados. Basta con hacer clic en el botón “iniciar proceso de análisis”. El programa mostrará los resultados del análisis bajo la carga más alta, que es considerada como “carga envolvente”. El formulario se divide en 7 tablas diferentes organizadas de la siguiente manera: la primera tabla muestra los cortantes de diseño. 2 dedicadas a determinar las deflexiones sobre la placa (en sentido longitudinal y sentido transversal) y 4 dedicadas a los momentos de diseño. (Momento positivo en X, Momento Positivo en Y, Momento Negativo en X y Momento negativo en Y).
Figura 12. Formulario de análisis de placa de cubierta.
Fuente: elaboración propia.
4.2. ANÁLISIS DE MUROS
El programa también puede desarrollar el análisis estructural de muros. Para acceder al formulario, se hace clic en “Análisis” > “Análisis de Muros” (ver figura 11). La figura 13 muestra el formulario de análisis de muros, la cual muestra un total de 8 tablas. La tabla encerrada en el recuadro rojo es la que corresponde a los datos de ingreso a la subrutina de análisis e importa los datos que se necesitan a nivel geométrico, como a nivel de cargas ingresadas en los formularios anteriores. Como anotación se indica que para el adecuado funcionamiento de esta subrutina se deben haber hecho las definiciones geométricas del tanque y también haberse realizado los cálculos de presiones laterales (de suelo y de líquido contenido y también de cargas dinámicas) para permitir el adecuado