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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

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PROPUESTA DE CIMENTACIÓN EFICIENTE PARA TANQUES DE ALMACENAMIENTOELEVADOS CONSIDERANDO EFECTOS SÍSMICOS

Cuauhtémoc Hernández-Sibaja1, José Manuel Sánchez Santos2, Julio Cesar OsorioSantiago3 y Darío Vasconcelos Martínez4

RESUMEN

Se propone una cimentación tipo para tanques elevados soportados por un elemento vertical o columna, esteestudio de caso se refiere a un tanque elevado de acero de 50 m3 de capacidad sobre un tubo de acero de15 mde altura y 0.95 m de diámetro. Se plantea una cimentación conformada por 5 zapatas aisladas; la solucióndemostró eficiencia, particularmente para efectos sísmicos, debido a que el momento de volteo que es elelemento crítico se toma con trabes de liga con dos apoyos y no con trabes en voladizo como en el caso deuna zapata o losa de cimentación.

ABSTRACT

A different foundation type for elevated reservoirs over a single vertical support is proposed, this case studyrefers to a steel elevated reservoir, with a capacity of 50m 3, over a steel pipe with 15 m in height and 0.95 min diameter. A five isolated footings foundation is set forth; the solution showed to be efficient, particularlyunder seismic effects, due to the fact that the overturning moment, which is the critical mechanical element, istransmitted by linked girders with two supports rather than cantilever girders, as it is the case in a singlefooting or a foundation slab.

INTRODUCCIÓN

El agua es parte constituyente de todos los organismos vivos y por lo tanto un elemento indispensable para lavida; así pues su manejo, esto es la captación, almacenamiento, conducción, tratamiento y distribución es de

primordial importancia; para este manejo a sido necesario la utilización de reservorios o depósitoscomúnmente llamados “tanques” que la contengan; en general, estos tanques son utilizados en los sistemas dedistribución de agua para asegurar la cantidad y la presión del agua disponible en la red. En nuestro país lasdependencias gubernamentales encargadas de su normatividad los clasifican de la siguiente manera.

Tanques superficiales. “Se les llama así a aquellos depósitos que se construyen ya sea sobre la superficie deun terreno o en parte bajo el nivel del suelo compensando cortes y rellenos, pudiendo construirse aun bajo elnivel del suelo, para evitar el congelamiento del agua en sitios en los que se presentan bajas temperaturas(nevadas o heladas por varios días)” (Comisión Nacional del Agua 2007). Generalmente son de formarectangular, aunque existen circulares. Las paredes se construían usualmente de mampostería ya sea natural oconfinada e incluso de concreto ciclópeo y ferrocemento, aunque recientemente se utilizan primordialmente elconcreto reforzado y presforzado (elementos prefabricados) dependiendo del tamaño del tanque.

1 Profesor investigador, Instituto Tecnológico de Oaxaca, Av. Víctor Bravo Ahuja 125 esquina Av. Tecnológico,Oaxaca de Juárez, Oax. Tel (951) 5015016; tel particular (951) 5127489, cel 9511156419;[email protected] Profesor investigador, Instituto Tecnológico de Oaxaca, Av. Víctor Bravo Ahuja 125 esquina Av. Tecnológico,Oaxaca de Juárez, Oax. Tel (951) 5015016; [email protected] Profesor investigador, Instituto Tecnológico de Oaxaca, J Av. Víctor Bravo Ahuja 125 esquina Av. Tecnológico,Oaxaca de Juárez, Oax. Tel (951) 5015016; [email protected] Representante en Oaxaca de la Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, Crisantemos 39, Jardines de SantaCruz Xoxocotlán, Oaxaca. CP 71230. Tel (951) 5336612 [email protected]

mailto:[email protected]:[email protected]

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XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Acapulco, Guerrero 2012

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Tanques elevados. “Se emplean cuando no es posible construir un tanque superficial, por no tener en la proximidad de la zona a servir un terreno con elevación adecuada” (Comisión Nacional del Agua 2007). Eltérmino tanque elevado se refiere a la estructura que consiste en el depósito, la torre o estructura de apoyo ydemás accesorios.

Columnas reguladoras. “Una columna reguladora es un tanque cuya forma es cilíndrica vertical, ocupando poco espacio en planta y de gran altura en comparación con su diámetro” (Comisión Nacional del Agua2007). Se utilizan cuando los tanques superficiales no proporcionan la presión mínima necesaria parasatisfacer las necesidades del abastecimiento. Se construyen normalmente de acero o de concreto reforzadocon capacidades de entre 200 y 16,000 m.

En este trabajo se tratará un estudio de caso de un tanque elevado de acero de 50 m3 de capacidad soportado por una columna de acero de15 m altura y 0.95 m de diámetro.

ANTECEDENTES

Como se dijo antes, los tanques elevados son estructuras de regulación y/o almacenamiento que generalmentese utilizan para dar carga o presión a los sistemas de distribución, pueden contener diversos fluidos tales comogases, alcoholes, gasolina y similares, pero lo mas común es agua para uso humano, incluyendo uso agrícola y

doméstico.

Desde el punto de vista estructural, los tanques elevados se componen de tres partes principales: el recipienteque se localiza en la parte superior, la estructura de soporte en la que se apoya el recipiente, ambasconstituyen la superestructura; y la cimentación que constituye la subestructura.

De manera arbitraria y no exhaustiva se propone una clasificación de los tanques elevados considerando elmaterial del que están construidos y su estructuración, de acuerdo a esto se pueden dividir en.

Tanques elevados de concreto, que se pueden dividir en cuanto a su estructura en muros de carga y marcos,como se muestra en las figuras 1 y 2 respectivamente.

Figura 1 Tanque elevado de m uros de carga de conc reto. Val le Hermos o, Tamaul ipas

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Figura 2 Tanque elevado d e marcos d e concreto. Tr in idad (CASANARE), Colombia

Tanques elevados de acero, que se pueden dividir en cuanto a su estructura en marcos contraventeados comolos que se presentan en las figuras 3 y 4, o bien de un apoyo o columna aislada como los que se muestran enlas figuras 5 y 6; aunque es conveniente hacer notar que la columna puede ser de otro material.

Figura 3 Tanque elevado de m arcos con traventeados de acero. San Juan del Cesar, Colombia

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Figura 4 Tanque elevado d e marcos c ontraventeados de acero. Reynosa, Tamaul ipas

Figura 5 Tanque elevado d e un apoy o de acero. Chihuahua, Chihuahua

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Figura 6 Tanque elevado de u n apo yo. Vi l lahermosa, Tabasco

Este último caso, esto es tanques elevados de un apoyo o columna aislada son los que se proponen resolvercon el tipo de cimentación presentada en este trabajo. Además, existen una gran cantidad de tanques que auncuando no estén constituidos por un apoyo o columna aislada, para fines estructurales su apoyo puedeconsiderarse como un solo elemento; por ejemplo una serie de columnas colocadas en circulo y cercanas entresi, o bien un muro de mampostería o de concreto reforzado de forma cilíndrica.

ESTUDIO DE CASO DE UN TANQUE ELEVADO DE UN APOYO O COLUMNA AISLADA

Los ejemplos presentados anteriormente, son representativos, pues existen tanques de diversas geometrías,

materiales y combinaciones de estos últimos; sin embargo, es importante hacer notar que los denominadostanques elevados de un apoyo o columna aislada, son relativamente económicos y de muy rápidaconstrucción, por lo que es conveniente investigar la manera de optimizar el diseño y construcción de sucimentación.

De manera general, podemos decir que para llevar a cabo el diseño estructural de un recipiente elevado, esnecesario contar con la siguiente información:

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La ubicación del predio donde será construido el tanque, primordialmente el plano topográfico con curvas denivel.

El proyecto funcional del recipiente, en donde se especifique la capacidad, tirante, elevación, el nivel máximodel agua, elevación del vertedor de demasías, tuberías de llegada, salida, y demasías, registros, boquillas,accesorios, ventilas, etc.

El estudio de mecánica de suelos, especificando fundamentalmente la capacidad de carga y el coeficientesísmico más adecuado; además, es conveniente que contenga recomendaciones y criterios de diseño de lacimentación, tipo de cimentación, nivel de desplante, nivel freático, asentamientos totales y diferenciales. Enel caso de tanques de grandes dimensiones o de suelos de baja capacidad de carga puede ser necesario utilizaruna cimentación profunda, por lo tanto serán útiles recomendaciones del tipo de pilote, longitud, y capacidadde carga de éste.

En general la cimentación propuesta para estos tanques, consiste en una zapata aislada o losa de cimentación,que es eficiente para tomar las cargas verticales, pero puede no serlo para soportar el momento de volteo

producido por los eventos sísmicos; para tomar este momento, comúnmente se proponen contratrabes envoladizo formando una “cruz” como se muestra en la figura 7 (que en lo que sigue le denominaremos“cimentación en cruz”), estas contratrabes resultan ser muy robustas y por lo tanto costosas, principalmente enlas zonas más sísmicas del país.

Figura 7 Croquis de una planta de cimentación denom inada “cimentación en cruz”

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En este estudio de caso nos referimos a un tanque elevado de acero de 50 m 3 de capacidad, el recipienteconstruido de placa de acero tiene la forma de un cono truncado invertido, de tal modo que su fabricante serefiere a él como tanque en forma de “taza”; este recipiente está colocado sobre un tubo de acero que medidodesde su base en la cimentación hasta la parte inferior del recipiente tiene 15 m., el tubo inicia, a partir delrecipiente, con un diámetro de 0.95 m. hasta 11m., aumentando su diámetro en forma proporcional hastamedir 2.00 m. de diámetro en su base; el tubo se fija a un “dado” de cimentación circular por medio de 24anclas de acero de 25.4 mm (1pulgada) de diámetro. Este tanque se muestra en la figura 8.

Figura 8 Tanque elevado d el estudio de caso

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Se propone un tipo de cimentación conformada por 5 zapatas aisladas como se observa en la figura 9 (que enlo que sigue se denominará “cimentación 5Z”); una zapata aislada (que en este caso se denominó D2) bajo eltanque que se dimensiona considerando la cargas gravitacionales que llegan a la columna y la capacidad decarga del suelo de cimentación. Además, 4 zapatas aisladas (que en este caso se denominaron D1) unidas contrabes de liga en dos direcciones ortogonales, para absorber el momento de volteo que actúa en la base deltanque debido a las fuerzas sísmicas; cada una de las trabes de liga se diseñan para ser capaces de tomar lamitad del momento de volteo. Conocido el momento de volteo es posible determinar la fuerza producida porel mismo en las zapatas que le sirven de apoyo, esta fuerza permitirá diseñar las zapatas D1; es importanteconsiderar que el signo de la citada fuerza se invierte, esto es en un momento serán de compresión y alinvertirse serán de tensión, por lo tanto las zapatas D1 habrá que diseñarlas para evitar su extracción; se propone “lastrar” las zapatas, esto es calcular la profundidad de desplante de las mismas para que el peso delsuelo que se encuentra sobre las zapatas sirva como “lastre” que evite la citada extracción.

Figura 7 Croquis de una planta de cimentación denom inada “cimentación 5Z ”

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MEMORIA DE CÁLCULO

A continuación se presenta la memoria de cálculo realizada por el Ing. Darío Vasconcelos Martínez, coautorde este trabajo, en lo posible se respetó la redacción original.

MEMORIA DE CÁLCULO DEL PROYECTO ESTRUCTURAL DE LA CIMENTACIÓN DE UNTANQUE ELEVADO.

1. ANTECEDENTES

La empresa X solicitó al Ing. Darío Vasconcelos M. llevar acabo el proyecto estructural de la cimentación deun tanque elevado.

2. INFORMACIÓN PROPORCIONADA

La empresa X proporcionó al Ing. Vasconcelos la capacidad del tanque (50 m 3) y los datos geométricos preliminares proporcionados por el fabricante del tanque.

3. MARCO DE REFERENCIA

El análisis y diseño de la cimentación del tanque elevado se hicieron de acuerdo con la normatividad vigente(Gobierno del Estado de Oaxaca, 1998), considerando además otras normas y manuales que pueden aplicarsede acuerdo a la citada normatividad (Instituto de Investigaciones Eléctricas C.F.E., 1993), (Gobierno delDistrito Federal 2004a) y (Gobierno del Distrito Federal 2004b).

4. DESCRIPCIÓN DEL TANQUE ELEVADO.

El tanque elevado tiene una altura de 15 m. medida desde su base en la cimentación hasta la parte inferior deltanque. La estructura del tanque es de acero, fabricada en planta; el fuste tiene un diámetro exterior de 0.95 m.Y el tanque tiene un diámetro promedio de 3.45 m. con una altura de 6 m. El volumen de agua que sealmacena en el tanque es de 50 m3. El tanque se sujeta a la cimentación por medio de 24 anclas de 1” dediámetro, que serán proporcionadas por el fabricante del tanque.

5. ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.

Para el análisis del tanque elevado se siguieron las especificaciones de Diseño Sísmico, Capítulo 9, Tanques,depósitos y similares (Instituto de Investigaciones Eléctricas C.F.E., 1993); considerando además otrasnormas (Gobierno del Distrito Federal 2004b).

Las fuerzas sísmicas se obtuvieron por medio del método sísmico estático (Gobierno del Distrito Federal2004b), sin reducción de la fuerza cortante en función del periodo fundamental ni reducción del momento devolteo; para considerar las presiones hidrodinámicas se incrementaron en 30% los empujes de inercia.

Cargas de diseño. Se especifican las tres categorías de acciones que deben considerarse actuando en laestructura, que son las acciones permanentes, las variables y las accidentales (Gobierno del Estado de Oaxaca,1998).

Cargas permanentes y variables Las cargas permanentes con el propio peso del tanque y de la estructura delsoporte. Las cargas variables están representadas por el peso de agua almacenada.

Cargas accidentales (sismo). Con base en la tabla 3.1 de Diseño por Sismo, para Zona C de la RepúblicaMexicana, terreno tipo I (Instituto de Investigaciones Eléctricas C.F.E., 1993), estructura del grupo B, elcoeficiente sísmico debe ser 0.36; ver tabla número 1.

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De acuerdo con el artículo 5 (Gobierno del Distrito Federal 2004b), el factor de comportamiento sísmico seconsideró igual a 2.0.

Tabl a 1 es pec tro s d e di seño p ara la zon a sísm ica C

ZONA SÍSMICATIPO DESUELO.

a0 cTa(S)

Tb(S)

r

C I 0.36 0.36 0.0 0.61

2

II 0.64 0.64 0.0 1.4 23

III 0.64 0.64 0.0 1.9 1

6. REVISIÓN DE LOS ESTADOS LÍMITES DE FALLA.

La cimentación, con base en las recomendaciones del estudio de mecánica de suelos, consiste en una zapataaislada bajo el tanque y para absorber a través de un par compresión – tensión al momento de volteo que actúaen la base del tanque debido a las fuerzas sísmicas, cuatro zapatas aisladas unidas con trabes de liga en dosdirecciones ortogonales.

En la Tabla 2 se muestra la obtención del momento de volteo total actuante en la cimentación.

Tabla 2 Obtención del mom ento de volteo total

OBTENCIÓN DEL MOMENTO DE VOLTEO TOTAL

peso del agua (50 m3), t 50.00

peso estructura y soporte del tanque, t 5.00

altura de la base del tanque, m 15.00

altura del recipiente, m 6.00

profundidad de desplante trabes de liga, m 1.20

altura para el momento de volteo, m 18.60

coeficiente sísmico (zona C, terreno tipo I) 0.36

factor de comportamiento sísmico 2.00

factor de incremento por empuje hidrodinámico 1.30

momento de volteo, tm 239.38

La zapata bajo el tanque se dimensionó para soportar las cargas permanentes y variables transmitidas por eltanque y su soporte, con una capacidad de carga del terreno de 16 t/m2, determinada en el estudio de mecánicade suelos.

Las restantes cuatro zapatas aisladas se diseñaron para soportar las cargas de tensión y compresión producidas por el momento de volteo causado por las fuerzas sísmicas. Para las fuerzas de compresión se consideró unacapacidad de carga del terreno de 23.04 t (16 t/m2 x1.44 m2), para las fuerzas de tensión se buscó que el peso

propio de la zapata y el suelo que actúa en ella sean suficientes para evitar su extracción. Ver tabla número 3.

Tabla 3 Obtención del peso s obre la cim entación p ara evi tar la extracción

Obtención del peso sobre la cimentación para evitar la extracción

zapata lado m h mPeso de la

zapata t

Peso del dadoy trabe de liga

t

Peso del suelosobre la zapata

t

Peso total t Fuerza deextracción t

Z2 1.20 0.2 0.691 1.026 24.042 25.068 22.37

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Para garantizar el anclaje de la cimentación con la base del tanque se diseño un dado “circunferencial”, quetransmite la carga a la cimentación. Ver figura 8.

Figura 7 Columna anclada a un dado “ci rcunferencial ”

Las trabes de liga se diseñaron para tomar el momento flexionante y la fuerza cortante obtenidos de establecerel equilibrio en dos direcciones ortogonales considerando la sección crítica al paño del dado circunferencial.Ver Tabla número 4.

Cálculo d

e Mr y Vr en trabes de liga, para esto se utilizaron las ecuaciones 1, 2 y 3 (Gobierno del DistritoFederal 2004a).

Mvolteo total: 239.38 tm

Cada trabe de liga toma 239.388/2=119.69 tm

La sección crítica está en el paño del dado circunferencial, a 1.25 m del eje

5.35-1.25=4.10 m

El momento flexionante de diseño en la sección critica es (119.69 x 4.10)/5.35= 91.7 tm

Mu= 91.7 x 1.1 = 100.9 tm

la fuerza de cortante que produce este momento vale 119.69/5.35=22.37 t

Vu= 22.37 x 1.1 = 24.6

)1()5.01(9.0 qd fy As Mr

)2()3020.0(1 * fc pbd F Vcr R

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si p 70)

)3(5.02 * fcbd F Vcr R

si p ≥ 0.015 (x 0.8 si h > 70)

Tab la 4 Cálcul o d e Mr y Vr en trabes de l iga

bcm

hcm

dcm

f'ckg/cm2

Fy longkg/cm2

p min As min

cm2 p

max As máx

cm2 Asvars

Ascm2

p fy/f''cMrtm

Mutm

Mu/Mr

25 120 110 250 4200 0.0026 7.25 0.019 52.38 6#8 30 0.0109 24.71 107.9 100.9 0.93

cumple

B

cm

Hcm

Vumáx

Est. Avcm2

sepcm

Fy Est.kg/cm2

Vcr1t

Vcr2t

Vcrt

Vsrt

Vrt

Vut

Vu/Vr

25 120 77.8 #3@20 0.71 25 4200 10.41 15.56 10.41 20.99 31.4 24.6 0.78

cumple

CONCLUSIONES

Es importante considerar que el artículo describe una idea y no una metodología, por tanto su utilización en la práctica profesional, está supeditada a cada caso y a las consideraciones particulares de cada profesional.

Esta propuesta es una primera aproximación al problema, puede ser importante una revisión de los proyectos“tipo” utilizados por dependencias y particulares, pues existe la impresión que se encuentran del lado de la

inseguridad.

La propuesta puede extenderse a tanques que aun cuando no estén constituidos por un apoyo o columna

aislada, su apoyo puede considerarse como un solo elemento; por ejemplo una serie de columnas colocadas encirculo y cercanas entre si, o bien un muro de mampostería o de concreto reforzado de forma cilíndrica.

Es probable que sea necesario realizar un estudio comparativo de costos con otro tipo de cimentacionesutilizadas para resolver esta misma clase (o una clase similar) de estructuras reales; además, puede serimportante comparar con otros procedimientos constructivos para evaluar su factibilidad en la practica; decualquier manera es conveniente seguir investigando para obtener una metodología útil y práctica yeconómica.

REFERENCIAS

Comisión Nacional del Agua (2007), “Manual de Agua Potable, Alcantarillado y Saneamiento. Redes de

Distribución” , recuperado el 10 de agosto de 2012 desde http://www.cna.gob.mxGobierno del Distrito Federal. (2004a), “Normas técnicas complementarias para diseño y construcción deestructuras de concreto”, Gaceta Oficial del Gobierno del Distrito Federal, octubre, México D.F., pp. 34.

Gobierno del Distrito Federal. (2004b), “Normas técnicas complementarias para diseño por sismo”,

Gaceta Oficial del Gobierno del Distrito Federal, octubre, México D.F., pp. 23.

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Gobierno del Estado de Oaxaca (1998), “Reglamento de Construcción y Seguridad Estructural para elEstado de Oaxaca”, Periódico Oficial del Gobierno del Estado de Oaxaca, febrero, Oaxaca de Juárez, Oax.,

pp. 95.

Instituto de Investigaciones Eléctricas C.F.E. (1993), “Manual de diseño de obras civiles. Diseño porsismo”. Instituto de investigaciones eléctricas C.F.E., México, pp. 436.

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