86530917-Tesis-Procedimiento-de-Ingenieria-para-el-Dise-¦o-de-Fundaciones
302
UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE BOLÍVAR ESCUELA DE CIENCIAS DE LA TIERRA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL PROCEDIMIENTO DE INGENIERÍA PARA EL DISEÑO DE FUNDACIONES DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO (CRUDO/AGUA) EN CONCORDANCIA CON LAS NORMAS PDVSA, COVENIN Y A.C.I 318 CIUDAD BOLÍVAR, MAYO DE 2010 TRABAJO FINAL DE GRADO PRESENTADO POR EL BACHILLER OSCAR J, YÁNEZ A. PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
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UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NÚCLEO DE BOLÍVAR
ESCUELA DE CIENCIAS DE LA TIERRA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL
PROCEDIMIENTO DE INGENIERÍA PARA EL DISEÑO DE
FUNDACIONES DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO
(CRUDO/AGUA) EN CONCORDANCIA CON LAS NORMAS
PDVSA, COVENIN Y A.C.I 318
CIUDAD BOLÍVAR, MAYO DE 2010
TRABAJO FINAL DE GRADO
PRESENTADO POR EL
BACHILLER OSCAR J, YÁNEZ
A. PARA OPTAR AL TÍTULO
DE INGENIERO CIVIL
ii
HOJA DE APROBACIÒN
Este trabajo de grado, titulado “Procedimiento de Ingeniería para el Cálculo
de Fundaciones para Tanques de Almacenamiento (Crudo/Agua) en
concordancia con las Normas PDVSA, COVENIN y ACI-318” presentado por el
bachiller Oscar José Yánez Álvarez, ha sido aprobada de acuerdo a los reglamentos
de la Universidad de Oriente, por el jurado integrado por los profesores:
Nombres: Firmas:
Prof. Carlos Grus
___________________________
(Asesor Académico)
Profesor Jacques Edilibi
Jefe del Departamento de Ingeniería Civil
Ciudad Bolívar _____ de _______________ 2010.
iii
DEDICATORIA
A nuestro señor Jesucristo por haberme iluminado en el sendero que me guía a
alcanzar las metas trazadas y proporcionarme las herramientas necesarias y
suficientes para cumplir con mis estudios, por darme el mejor regalo: la vida, por
bendecirme, acompañarme y ayudarme a vencer todos los obstáculos presentes en el
camino. A mis padres Oscar Celestino y Rosa Nevesca por haberme enseñado en la
vida todos los valores aprendidos con la sabiduría necesaria, por darme la fuerza para
luchar con perseverancia por mis metas y salir adelante con esfuerzo y dedicación,
por ser mi sustento y estar a mi lado en tiempos de dificultad y de gloria…los amo. A
mis hermanos Julio, Celestino, Oscarina, O. Francisco y mis primos: Carla, Caren,
Gregori, Nathaly, Rosita, Fidel, por brindarme siempre su apoyo, ser mis mejores
amigos, esperando que este logro alcanzado hoy por mí les sirva de ejemplo.
A mis abuelos Oscar Dámaso y Teresita del Carmen (La patriarca), quienes
junto a mis padres se han desprendido de cosas para darme la oportunidad de estudiar,
por nunca haber dudado de mí y apoyarme siempre, por ayudarme alcanzar mis
objetivos, por sus consejos acertados y estar siempre a mi lado apoyándome en las
buenas y en las malas…Los quiero mucho. A mi abuelita amada María del Socorro
Luna (+), que desde el cielo me cuida y esta pendiente de toda mi familia, gracias por
enseñarme tantas cosas en tan poco tiempo que pudimos compartir juntos, siempre te
recordaré. A mis demás familiares por contar con ustedes desde siempre y para
siempre.
iv
AGRADECIMIENTO
En primer lugar, a Dios Todopoderoso, por haberme dado la vida y por ser mí
guía espiritual por estos senderos apurados de mí existencia; Amén. A la Universidad
de Oriente por educarnos, formarnos como profesionales y tender un puente hacia el
conocimiento. A mis asesores industrial y académico Ing. Melquiades Marcano y
Prof. Ing. Carlos Grus, por su apoyo, orientación, su tiempo y enseñanza prestada en
la elaboración de este proyecto mostrando siempre disposición y capacidad. A la
empresa PDVSA por haberme dado la oportunidad de realizar este trabajo de
investigación en tan prestigiosa institución. A todo el equipo de la Gerencia de
Proyectos Mayores (PMO) y Gerencia de Infraestructura, Procesos y Superficie
(GIPS) en especial a los ingenieros: Francellys Delgado, Henry Pimentel, Reynaldo
Hernadez, Vanessa Medina, Shirley y Febres, entre otros.
A mis tíos Oscar Alberto y Yoly Margarita, por ser mi guía en todo este tiempo
de elaboración de mi proyecto de grado, por darme cobijo en su hogar, reforzar mis
valores y principios, a su lado obtuve un gran aprendizaje que me hizo crecer
personal y espiritualmente, estoy seguro que Dios les retribuirá en salud y
bendiciones, siempre les estaré agradecido. A mi tía Migdalia Yánez y prima Rosalía
Ledezma, a ambas por su demostración de cariño incondicional hacia mí, por su
colaboración brindada durante mis estudios, por ser un excelente ejemplo de
superación y constancia, estar pendiente de mis acciones, darme fuerza, aliento y
palabras sabias en momentos críticos, quiero que sepan que me siento orgulloso de
ustedes, gracias por creer en mí.
A mis amigos de vida y de estudio: Deymar, Loisi, Ana, Sergio, Anwar,
Frederick, Selva, Emma, por acompañarme en toda la carrera y darme sus consejos
v
cuando los necesité, por su apoyo incondicional en todo este tiempo, simplemente
gracias por ser mis AMIGOS.
En general a todos los que en este momento se escapan de mi memoria, que me
conocen y aprecian sinceramente, muchas gracias.
vi
RESUMEN
El presente proyecto seguirá los lineamientos de una investigación tipo documental,
de nivel descriptivo, enmarcado en la modalidad de proyecto factible, cumpliendo así
con los aspectos metodológicos de requisito para sustentar el estudio. El
procedimiento de ingeniería se desarrollará mediante un flujograma de trabajo basado
en las normas COVENIN 1753-06 “Proyecto y Construcción de Obras
Complementarias en Concreto Estructural”, COVENIN 1756-01 “Edificaciones
Sismorresistentes”, Código ACI “Requisitos de Reglamento Estructural” y a las
especificaciones de ingeniería de PDVSA N° L-STC-006 “Fundaciones para Tanques
de Almacenamiento”, PDVSA N° FJ-251 “Diseño Sismorresistente de Tanques
Metálicos”, PDVSA N° JA-221 “Diseño Sismorresistente de Instalaciones
Industriales” entre otras, el uso de otras normativas complementaron las descripción
de los procedimientos a emplear para ciertos tipos de fundación utilizadas en las
instalaciones de la industria petrolera en el ámbito nacional indicados en el Manual de
Ingeniería de Diseño PDVSA N° L-STC-006 “Fundaciones para tanques de
almacenamiento”. Se realizará una revisión en algunas de las normas antes
mencionadas para identificar los cambios normativos respecto a su última edición, y
así, proponer el procedimiento de ingeniería, luego se aplicará el procedimiento
propuesto a la Fundación Tipo III: Anular de Concreto que servirá como cimiento de
un tanque cilíndrico metálico de almacenamiento para agua de servicio. Finalmente
se presentaran ordenadamente los diversos cálculos y resultados obtenidos.
vii
CONTENIDO
HOJA DE APROBACIÒN .......................................................................................................... ii DEDICATORIA ......................................................................................................................... iii
AGRADECIMIENTO ................................................................................................................ iv RESUMEN .................................................................................................................................. vi
CONTENIDO ............................................................................................................................ vii
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... xiii LISTA DE TABLAS ................................................................................................................. xv INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................... 1 CAPÍTULO I ................................................................................................................................ 4
SITUACIÓN A INVESTIGAR ................................................................................................... 4 1.1 Planteamiento del problema .................................................................................... 4
1.2 Objetivos de la investigación .................................................................................. 7 1.2.1 Objetivo general ................................................................................................................. 7 1.2.2 Objetivos específicos ......................................................................................................... 8
1.3 Justificación de la investigación.............................................................................. 8 1.4 Alcance de la investigación ................................................................................... 10
1.5 Limitaciones .......................................................................................................... 11 CAPÍTULO II ............................................................................................................................ 12
GENERALIDADES .................................................................................................................. 12 2.1 La empresa Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA) ............................................ 12 2.1.1 Reseña Histórica de Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA) .......................................... 13
2.1.2 Ubicación geográfica ....................................................................................................... 15 2.1.3 Objetivos de PDVSA ....................................................................................................... 16
2.1.4 Valores de PDVSA .......................................................................................................... 17 2.1.5 Misión de PDVSA ........................................................................................................... 17
2.1.6 Visión de PDVSA ............................................................................................................ 18 2.2 Distrito Norte (Maturín, Punta de Mata) ............................................................... 18 2.2.1 Ubicación geográfica del Distrito Norte .......................................................................... 18 2.2.2 Misión .............................................................................................................................. 26 2.2.3 Visión ............................................................................................................................... 26
2.3 Gerencia de Proyectos mayores E y P Oriente...................................................... 26 2.3.1 Ubicación ......................................................................................................................... 26 2.3.2 Misión .............................................................................................................................. 26 2.3.3 Visión ............................................................................................................................... 27 2.3.4 Política de calidad ............................................................................................................ 27
2.3.5 Objetivos de la calidad ..................................................................................................... 27 2.3.6 Principios y valores .......................................................................................................... 28 2.3.7 Estructura organizacional ................................................................................................. 30 CAPÍTULO III ........................................................................................................................... 31
viii
MARCO TEÓRICO ................................................................................................................... 31
3.1. Antecedentes de la Investigación .......................................................................... 31 3.2 Bases Teóricas ....................................................................................................... 33 3.2.1 Procedimiento .................................................................................................................. 33 3.2.2 Proyecto estructural .......................................................................................................... 36 3.2.3 Investigación geotécnica del sitio .................................................................................... 38
3.2.4 Interacción suelo-estructura (ISE) ................................................................................... 41
3.2.5 Fundaciones ..................................................................................................................... 42
3.2.6 Acciones mínimas de servicio para el proyecto de edificaciones. Norma ....................... 74 3.2.7 Cargas de diseño .............................................................................................................. 75 SOLICITACIONES .................................................................................................................. 79 3.2.8 Tanques de almacenamiento ............................................................................................ 79
3.2.9 Tipos de fundaciones para tanques de almacenamiento .................................................. 85 3.3 Definición de términos básicos ........................................................................................... 99 CAPÌTULO IV ......................................................................................................................... 108
METODOLOGÍA DE TRABAJO ........................................................................................... 108 4.1 Nivel de investigación ......................................................................................... 108
4.2 Diseño de investigación ...................................................................................... 109 4.3 Población y muestra ............................................................................................ 110
4.4 Técnicas de recolección de datos ........................................................................ 111 4.4.1. Recolección de datos primarios .................................................................................... 111
4.4.2 Recolección de datos secundarios .................................................................................. 111 4.4.3 Consultas académicas: se realizarán consultas a los tutores académicos, con el
propósito de obtener asesoramiento, para realizar una investigación dentro de los
parámetros y cumplir con los propósitos establecidos en el proyecto. ................................... 113 4.5 Procedimiento para la realización de la investigación ........................................ 113
4.5.1 Etapa I: ........................................................................................................................... 113 4.5.2 Etapa II: .......................................................................................................................... 114
4.5.3 Etapa III:......................................................................................................................... 115
4.5.4 Etapa IV: ........................................................................................................................ 116 4.6 Flujograma de procedimiento de trabajo ............................................................ 116 CAPÌTULO V .......................................................................................................................... 118
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS ............................................... 118 5.1 Identificación de los aspectos de las actualizaciones normativas que repercuten en
el diseño de fundaciones para tanques de almacenamiento. ..................................... 118 5.1.1 Principales cambios Norma COVENIN 1753-06 “Proyecto y Construcción de
Obras Complementarias en Concreto Estructural” ................................................................. 118
U = 1.4 (CP + CF) (5.10) ................................... 125
U = 1.2 (CP + CF + CT)+1.6 (CV + CE) + 0.5 CVt (5.11) ................................... 125
U = 1.2 CP + 1.6 CVt + (γ CV ó ± 0.8 W) (5.12) ................................... 125 U = 1.2 CP ± 1.6 W + γ CV + 0.5 CVt (5.13) .................................... 125 U = 1.2 CP + γ CV ± S (5.14) ................................... 125 U = 0.9 CP ± 1.6 W (5.15) ................................... 125
ix
U = 0.9 CP ± S (5.16) .................................... 125
U = 0.9 CP ± 1.6 CE (5.17) .................................... 125 ACCIONES ............................................................................................................................. 127 Permanentes ............................................................................................................................ 127 1,4 (CP + CF) ........................................................................................................................... 127 Permanentes y Variables .......................................................................................................... 127
1,4 (CP + CF) ........................................................................................................................... 127
1,2 (CP + CF) 1,6 CV + 0,5CVt ............................................................................................... 127
1,2 CP + 1,6 CVt + CV ............................................................................................................ 127 Permanentes, Variables y Sísmicas .......................................................................................... 127 1,4 (CP + CF) ........................................................................................................................... 127 1,2 (CP + CF) 1,6 CV + 0,5 CVt .............................................................................................. 127
1,2 CP + 1,6 CVt + CV ............................................................................................................ 127 1,2 CP + γ CV ± S .................................................................................................................... 127 1,2 (CP + CF) 1,6 CV + O,5CVt .............................................................................................. 127
1,2 CP + 1,6 CVt ± 1,6 W ........................................................................................................ 127 1,2 CP + 0,5 CV + CVt ± 1,6 W............................................................................................... 127
O,9 CP ± 1,6 W ........................................................................................................................ 127 Permanentes, Variables y Empujes de Tierra .......................................................................... 127
1,4 (CP + CF) ........................................................................................................................... 127 1,2 (CP + CF) + 1,6 (CV + CE) + 0,5 CVt ............................................................................... 127
1,2 CP + 1,6 CVt + CV ............................................................................................................ 128 0,9 CP + 1,6 CE, cuando CP reduce CE .................................................................................. 128 Permanentes, Variables y Fluidos ............................................................................................ 128
1,4 (CP + CF) ........................................................................................................................... 128 1,2 (CP + CF) 1,6 CV + 0,5 CVt .............................................................................................. 128
1,2 CP + 1,6 CVt ± 0,8 W ........................................................................................................ 128 0,9 CP + 1,6 CF, cuando CP reduce CF ................................................................................... 128
Impacto 128
En las combinaciones precedentes reemplazar CV por (CV + I) ............................................ 128
FACTOR DE MINORACIÓN ......................................................................................... 128
Flexión o flexión simultánea con fuerzas axiales ................................................................. 128 a. Secciones controladas por compresión ................................................................................ 128 i. Miembros zunchados mediante refuerzo helicoidal continúo............................................... 128
0,70 128 ii. Miembros con ligaduras cerradas como refuerzo transversal .............................................. 128 0,65 128 b. Secciones controladas por tracción del acero ...................................................................... 128
0,90 128 c. Secciones en la zona de transición entre el control por compresión y el control por
tracción 128
* 128
x
d. Flexión en ménsulas, consolas y soportes similares ............................................................ 128
0,75 128 Para cualquier miembro estructural, incluyendo los muros que no pertenezcan al
sistema resistente a sismos. ...................................................................................................... 129 0,75 129 Para muros estructurales que formen parte del sistema resistente a sismos. ........................... 129
0,60 129
En los nodos y las vigas de acoplamiento reforzadas con grupos interceptados de
barras en diagonal. ................................................................................................................... 129 0,85 129 0,75 129 Aplastamiento del concreto ...................................................................................................... 129
0,65 129 Flexión, compresión, corte y aplastamiento en miembros estructurales de concreto
simple o no reforzado ............................................................................................................... 129
0,55 129 (CP) (5.18) ................................. 131
CV + CVt (5.19) ................................. 131 (CP + CF + CT) + (CV + CE) + CVt (5.20) .................................. 131
CP + CV ± 1,3 W (5.21) ................................. 131 0.9 CP ± 1,3 W (5.22) ................................. 131
CP + CV ± 0,7 S (5.23) ................................. 131 0.9 CP ± 0,7 S (5.24) ................................. 131 0.9 CP ± CE (5.25) ................................. 131
5.1.2 Principales cambios Norma COVENIN 1756-01
“EdificacionesSismorresistentes” ........................................................................................... 138
ESTADO ................................................................................................................... 142 ANZOATEGUI ........................................................................................................................ 142
APURE 142
MATERIAL ............................................................................................................................. 146 S1 147 S1 147
GRUPO ..................................................................................................................... 149 USO ........................................................................................................................... 149 GRUPO A ................................................................................................................. 149 GRUPO B1 ............................................................................................................... 149 GRUPO B2 ............................................................................................................... 149
GRUPO C ................................................................................................................. 150
GRUPO 150
ND2 151 5.1.3 Principales cambios normativos del Código A.C.I 318-05 “Requisitos de
Reglamento Estructural” ......................................................................................................... 157 5.2 Descripción del diseño para tanques de almacenamiento (Crudo/Agua) ............ 160
xi
5.2.1 Etapa I: Diseño sismorresistente .................................................................................... 160
5.2.2 Etapa II: Diseño de fuerzas de viento ............................................................................ 171 5.2.3 Etapa III: Verificación de la estabilidad......................................................................... 171 5.3 Descripción del procedimiento de diseño para los diferentes tipos de fundación
requeridas en tanques de almacenamiento (Crudo/Agua) ......................................... 178 5.3.1 Procedimiento de diseño para el cálculo de fundaciones Tipo I: Colchón de
Arena ....................................................................................................................................... 179
5.3.2 Procedimiento de diseño para el cálculo de fundaciones Tipo II: Anillos de
Piedra....................................................................................................................................... 184 Piedras 187 Sillería de arenisca .................................................................................................................. 187 5.3.3 Procedimiento de diseño para el cálculo de fundaciones Tipo III. Fundaciones ........... 190
5.3.4 Procedimiento de diseño para el cálculo de fundaciones Tipo IV. Placa de
Concreto Armado .................................................................................................................... 203 5.3.5 Procedimiento de diseño para el cálculo de fundaciones Tipo V. Placa Nervada
de Concreto Armado ............................................................................................................... 219 5.3.6 Diseño área de contención o dique de tierra para tanques de almacenamiento
(Crudo/Agua): las áreas de diques son usadas para conservar la descarga accidental
de productos provenientes del tanque con la finalidad de impedir que el líquido se
esparza a zonas adyacentes, instalaciones o vías fluviales, entre otros. También son
usadas para controlar el agua pluvial y para proteger el tanque de la contaminación. ........... 222
5.4 Desarrollo de propuesta de actualización del procedimiento de ingeniería PDVSA
Nº L-STC-006 “Fundaciones para Tanques de Almacenamiento” con las últimas
emisiones de las normas COVENIN 1753-06 “Proyecto y Construcción de Obras
Complementarias en Concreto Estructural”, COVENIN 1756-01 “Edificaciones
Sismorresistentes”, Código ACI 318-05 “Requisitos de Reglamento para Concreto
Estructural” ............................................................................................................... 226 Inicio ......................................................................................................................... 229
Inicio ......................................................................................................................... 233
Inicio ......................................................................................................................... 237 Inicio ......................................................................................................................... 241 5.5 Aplicación del procedimiento propuesto al modelo típico de fundación que indica
la Norma PDVSA N° L-STC-006 “Fundaciones para Tanques de Almacenamiento”;
Fundaciones tipo III: Fundaciones Anulares de Concreto ........................................ 245 5.5.1 Planteamiento ................................................................................................................. 245 5.5.2 Diseño del tanque de almacenamiento ........................................................................... 245 Capacidad portante .................................................................................................................. 250
0,175 seg ................................................................................................................... 250
5.5.3 Diseño de la fundación anular: ....................................................................................... 263
5.5.4 Diseño del área de contención o dique:.......................................................................... 270 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................................... 273 Conclusiones ............................................................................................................. 273 Recomendaciones ...................................................................................................... 275
xii
REFERENCIAS ....................................................................................................................... 277
xiii
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Ubicación geográfica del Distrito Norte [28]
.............................................................. 19 Figura 2.2 Cadena de valor. Nivel 0
[28] ..................................................................................... 21
Figura 2.3 Mapa de procesos [28]
................................................................................................ 22 Figura 2.4 Mapa de procesos. Nivel 1
[28] .................................................................................. 23
Figura 2.5 Mapa de Procesos. Nivel 2 [28]
.................................................................................. 24 Figura 2.6 (Cont.) Mapa de Procesos. Nivel 2
[28] ...................................................................... 25
Figura 2.7 Estructura Organizacional Gerencia de Proyectos Mayores [28]
............................... 30
Figura 3.1 Superficie de deslizamiento [14]
................................................................................. 49 Figura 3.2 Falla por punzonamiento
[14] ..................................................................................... 50
Figura 3.3 Falla por corte local [14]
............................................................................................. 50 Figura 3.4 Esfuerzo-deformación típica de cuerpo rígido-plástico
[14]....................................... 52
Figura 3.5 Capacidad de carga de las fundaciones [14]
............................................................... 55 Figura 3.6 Fundaciones superficiales
[14] .................................................................................... 60
Figura 3.7 Base tipo de una fundación superficial [14]
................................................................ 60 Figura 3.8 Tipos de fundaciones superficiales
[14] ...................................................................... 61
Figura 3.9 Tipos de bases combinadas [14]
.................................................................................. 66 Figura 3.10 Tipos de placas de fundación
[14]............................................................................. 67
Figura 3.11 Orientación de Tanque de Almacenamiento [25]
..................................................... 80 Figura 3.12 Tanque cilíndrico vertical de almacenamiento de crudo ........................................ 81 Figura 3.13 Tanque cilíndrico vertical de almacenamiento de agua .......................................... 82
Figura 3.14 Fundación de tierra o colchón de arena para tanques de almacenamiento
[25] 87
Figura 3.16 Vista de planta de anillo de fundación [25]
............................................................... 89 Figura 3.17 Fundación anular de concreto
[25] ............................................................................ 90
Figura 3.18 Distribución de presiones bajo placas de fundación [16]
.......................................... 92
Figura 3.19 Fundación placa de concreto armado [25]
................................................................ 95
Figura 3.20 Losa nervada armada [18]
......................................................................................... 99 Figura 3.21 Losa nervada armada en una dirección
[18].............................................................. 99
Figura 4.1 Flujograma de procedimiento de trabajo ................................................................ 117 Figura 5.1 Separación del acero de refuerzo
[15] ....................................................................... 120
Figura 5.2 Recubrimiento mínimo [15]
...................................................................................... 121
Figura 5.3 Variación de en función de la clasificación de lassecciones [11]
......................... 129
Figura 5.4 Longitud de transferencia de malla de alambrescon resaltes
electrosoldadas[11]
..................................................................................................................... 137 Figura 5.5 Mapa de zonificación sísmica de Venezuela (COVENIN 1756-89)
[9] .................. 139
Figura 5.6 Mapa de zonificación sísmica de Venezuela (COVENIN 1756-01) [10]
................. 140 Figura 5.7 Espectro de respuesta elástica (R=1)
[10] .................................................................. 157
Figura 5.8 Características tanque de almacenamiento [3]
......................................................... 161 Figura 5.9 Elementos tanque de almacenamiento (modelo matemático)
[21] ........................... 162
Figura 5.10 Distribución de fuerzas en el tanque [3]
................................................................. 169
xiv
Figura 5.11 Fuerzas de corte en la base del tanque [3]
.............................................................. 169
Figura 5.12 Diámetro de circulo de pernos .............................................................................. 175 Figura 5.13 Perno de anclaje .................................................................................................... 176 Figura 5.14 Separación entre pernos de anclaje ....................................................................... 177 Figura 5.15 Predimensionado de fundación colchón de arena ................................................. 183 Figura 5.16 Predimensionado de fundación anillos de piedra ................................................. 188
Figura 5.17 Fundación anular de concreto [7]
........................................................................... 191
Figura 5.18 Acciones radiales en anillo de fundación ............................................................. 192
Figura 5.19 Anillo de fundación infinitamente rígido [7]
.......................................................... 193 Figura 5.20 Anillo de fundación infinitamente flexible
[7] ....................................................... 194
Figura 5.21 Anillo de fundación flexible y rígido [7]
................................................................ 195 Figura 5.22 Vista de planta anillo de fundación ...................................................................... 198
Figura 5.23 dimensiones y propiedades geométricas del anillo ............................................... 199 Figura 5.24 Fundación anular de concreto ............................................................................... 200 Figura 5.25 Características placa de concreto armado
[3] ......................................................... 205
Figura 5.26 Presión sobre el suelo [3]
........................................................................................ 206 Figura 5.27 Primera situación de carga
[3] ................................................................................ 207
Figura 5.28 Segunda situación de carga [3]
............................................................................... 208 Figura 5.29 Acero de refuerzo en placa de concreto armado ................................................... 209
Figura 5.30 Profundidad no embutida en placa de concreto armado ....................................... 210 Figura 5.31 Placa circular de fundación
[7] ............................................................................... 214
Figura 5.32 fuerzas resultantes en placa circular de concreto armado [7]
................................. 214 Figura 5.33 Características placa nervada de concreto armado ............................................... 219 Figura 5.34 Espesor de placa nervada de concreto armado ..................................................... 220
Figura 5.35 Acero de refuerzo en placa nervada de Concreto armado .................................... 221 Figura 5.36 Profundidad no embutida en placa nervada .......................................................... 222
Figura 5.37 Dimensiones del dique y solape ........................................................................... 224 Figura 5.38 Espaciado entre dique y tanque ............................................................................ 225
Figura 5.39 Espaciado entre tanques de almacenamiento adyacentes ..................................... 226
Figura 5.40 Espectros de Diseño .............................................................................................. 255 Figura 5.41 Detalle perno de anclaje ....................................................................................... 262 Figura 5.42 Ubicación perno .................................................................................................... 263
de anclaje 263 Figura 5.43 Vista de planta anillo de fundación ...................................................................... 264 Figura 5.44 Predimensionado anillo de fundación ................................................................... 265 Figura 5.45 Resumen de cargas sobre la fundación ................................................................. 266 Figura 5.46 Dimensiones del área de contención..................................................................... 272
xv
LISTA DE TABLAS
Tabla 3.1 Características de un proyecto estructural [31]
............................................................ 37 Tabla 3.2 Acciones sísmicas a considerar en caso de sismo
[26] ................................................. 79
Tabla 3.3 Factores de carga por viento [26]
................................................................................. 83
Tabla 5.1 Recubrimientos mínimos para acero de refuerzo [11]
................................................ 121 Tabla 5.2 Altura mínima de vigas o espesor mínimo de losas, a menos que se calculen
las flechas [11]
............................................................................................................................ 123
Tabla 5.3 Combinaciones de solicitaciones para el tado límite de agotamiento
resistente[8]
124 Tabla 5.4 Combinaciones de solicitaciones para el estado límite de ....................................... 125 agotamiento resistente
[11] ......................................................................................................... 125
Tabla 5.5 Solicitaciones mayoradas para diferentes hipótesis de solicitaciones en el
estado límite de agotamiento resistente[11]
............................................................................... 127
Tabla 5.6 Factores de minoración de la resistencia teórica [11]
............................................ 129
Tabla 5.7 Combinaciones de cargas para el Estado Límite de servicio [11]
.............................. 131 Tabla 5.8 Clasificación de los empalmes por solape en barras y alambres con resaltes
solicitados a tracción[11]
............................................................................................................ 138
Tabla 5.9 Zonificación sísmica de Venezuela [10]
.................................................................... 141 Tabla 5.9 Cont. Zonificación sísmica de Venezuela
[10] .......................................................... 143
Tabla 5.10 Coeficiente de aceleración horizontal [10]
............................................................... 145 Tabla 5.11 Forma espectral y factor de corrección
[10] ............................................................. 146
Tabla 5.12 Clasificación de las estructuras según su uso [10]
................................................... 148
Tabla 5.13 factor de importancia ( ) [10]
................................................................................. 150
Tabla 5.14 Niveles de diseño [10]
.............................................................................................. 151 Tabla 5.15 Factores de reducción R. Estructuras de concreto armado
[10] ............................... 153
Tabla 5.16 Factores de reducción R. Estructuras de acero [10]
................................................. 153
Tabla 5.17 Factores de reducción R. Estructuras de acero-concreto [10]
.................................. 154
Tabla 5.18 Valores de T*, y p
[9] ........................................................................................... 156
Tabla 5.19 Valores de T+ (1)
...................................................................................................... 156 Tabla 5.20 Piedra utilizada en fundaciones
[6] .......................................................................... 187
Tabla 5.21 Condiciones típicas de carga límite para placas circulares .................................... 217 Tabla 5.21 Cont. Condiciones típicas de carga límite para placas circulares .......................... 218 Tabla 5.22 dimensiones de diques ........................................................................................... 223
Tabla 5.23 Características del suelo natural ............................................................................. 250 Tabla 5.24 Combinaciones de cargas ....................................................................................... 267
1
INTRODUCCIÓN
Hoy en día es cada vez más concluyente el hecho de que ningún ingeniero que
siente la responsabilidad técnica y moral de su profesión deja de efectuar un estudio
de las condiciones del subsuelo cuando diseña estructuras de cierta importancia, ya
que ello conlleva tres características que se conjugan: Seguridad, economía y
factibilidad.
Como se ha podido constatar, por muchísimo tiempo y por muy diversas
razones, el hombre ha estudiado el suelo sobre el que vive, presentando variadas
teorías y métodos en la solución de los problemas relativos al uso del mismo. El suelo
es una delgada capa sobre la corteza terrestre de material que proviene de la
desintegración y/o alteración física y/o química de las rocas y de los residuos de las
actividades de los seres vivos que sobre ella se asientan. Su comportamiento
mecánico en cuanto a capacidad de carga, a deformaciones, a su relación esfuerzo-
deformación y a su variación en el tiempo será el que afectará la calidad, economía y
estabilidad de la superestructura construida. Para que interactuen armónicamente
ambos elementos, suelo y estructura, se analiza un tercer elemento estructural
denominado fundación.
La fundación constituye el elemento a través del cual se transmiten los
esfuerzos de la estructura al terreno. Se trata, pues, de un elemento de enlace que ha
de tenerse en cuenta tanto en las características de la construcción como en las del
terreno. La forma como se realiza esta transferencia depende de la capacidad portante
del suelo y de sus propiedades, de la presencia del nivel Freático, de su función, las
condiciones del subsuelo, del tamaño y rigidez de la fundación, del tipo y magnitud
de las cargas impuestas por la superestructura, así como, también del comportamiento
que esta tendrá.
2
Los factores antes mencionados, junto con los cálculos requeridos y la
distribución de esfuerzos, tanto para la fundación como para el suelo, constituyen los
parámetros que hacen difícil el análisis y diseño de una fundación. Por este motivo, a
través de este trabajo especial de grado, se expone un procedimiento de ingeniería
para el cálculo de fundaciones para tanques de almacenamiento (Crudo/Agua) que
servirá como instrumento para agilizar y facilitar el análisis y diseño de fundaciones
por la Corporación PDVSA, permitiéndose de esta manera obtener resultados rápidos,
confiables y como una alternativa factible al momento del diseño de instalaciones
petroleras.
Este trabajo presenta, al estudiante y/o profesional un procedimiento sencillo y
rápido para realizar el análisis y diseño de fundaciones para tanques de
almacenamiento. Preliminar a ello se presentan también definiciones sobre los
diferentes tipos de fundaciones existentes que servirán de ayuda para el manejo y
puesta en práctica del contenido del mismo.
La investigación que aquí se presenta está dividida en 5 capítulos, y cada uno
de ellos aborda el objetivo de estudio desde sus distintos puntos de vista, por lo que
siguen su propia lógica, técnicas de investigación y presentación de resultados.
Capítulo I. Situación a investigar: en esta fase de la investigación se exponen
los argumentos que sustentan el planteamiento del problema central de este estudio.
Así mismo, se definen tanto el objetivo general como los objetivos específicos que
guiaron el desarrollo del trabajo, alcance y justificación del mismo.
Capítulo II. Generalidades: en esta fase se explica la misión, visión, objetivos,
ubicación geográfica, entre otros, de la empresa PDVSA, así como también la
estructura organizativa de la Gerencia de Proyectos Mayores, en la cual se realizó el
presente trabajo de investigación.
3
Capítulo III. Marco teórico: se resume una serie de elementos conceptuales
relacionados con el tema de la presente investigación que sirven de base al desarrollo
de la misma. Incluye conceptos, ecuaciones, tablas y figuras.
Capítulo IV. Metodología de trabajo: se explica la forma en que se desarrollará
el estudio para poder dar respuesta al problema planteado, haciendo referencia al tipo
y diseño de la investigación, población y muestra, técnica e instrumentos de
recolección de datos, procesamiento y análisis de los mismos. El flujograma de la
metodología, el cual describe paso a paso el proceso investigativo.
Capítulo V. Análisis e interpretación de los resultados: mediante el cual se
obtienen las respuestas a los objetivos planteados. Se indica el tipo de análisis y la
forma en que se procesaron los datos. Se discuten los mismos, analizando la
información a fin de elaborar inferencias al caso. Incluye tablas, figuras, cálculos y
análisis de datos.
Finalmente se presentan las conclusiones y recomendaciones producto de la
investigación.
4
CAPÍTULO I
SITUACIÓN A INVESTIGAR
1.1 Planteamiento del problema
En Venezuela se encuentran los más importantes yacimientos y reservas de
crudo, esto se explica con el descubrimiento, cuantificación y registro del mayor
volumen de crudo del planeta ubicado en la faja petrolífera del Orinoco, enmarcado
en el proyecto Orinoco-Magna Reserva, principal reserva energética mundial;
específicamente en el bloque 7 del campo Junín, con volúmenes de petróleo que
sobrepasan los 31.000 millones de barriles (31 MMMBLS) lo que supera
considerablemente a otros países explotadores de petróleo como Brasil que cuenta
con 12.600 millones de barriles de petróleo, México con un poco más de 11.900
millones de barriles de hidrocarburos y Estados Unidos que posee un máximo de
30.500 millones de barriles en reservas, es decir, 2 por ciento menos que lo localizado
en el pozo de la faja.
El yacimiento supera también las reservas probadas de crudo en la cuenca del
occidente venezolano conformado por los estados Zulia y Falcón. En dicha zona se
localizan 20.286 millones de barriles de petróleo, cantidad suficiente para abastecer la
demanda energética para los próximos 51 años, de acuerdo a un balance de PDVSA.
Hasta ahora, la faja es la acumulación de petróleo más importante del mundo.
La Faja Petrolífera del Orinoco tiene una reserva de entre 800 mil millones y 1.1
billón de barriles. Los 55.314 kilómetros cuadrados que abarca la Faja Petrolífera del
Orinoco se han dividido en los campos Boyacá, Junín, Ayacucho y Carabobo, y a su
vez en 27 bloques jerarquizados de acuerdo con sus características técnicas y
estratégicas, todos certificados por PDVSA.
5
El proyecto Orinoco Magna Reserva es uno de los más significativos que ha
emprendido la nueva PDVSA en las últimas décadas, por las implicaciones
estratégicas y políticas que tiene para la nación Venezolana que busca consolidar la
visión multipolar y geopolítica. Parte como principio elemental del llamado Plan
Siembra Petrolera, un plan que contempla durante un periodo que va desde el año
2005 hasta el año 2030, la redistribución equitativa de los enormes recursos
energéticos de nuestro país, todo basándose en la máxima cuantificación y
certificación, bajo los parámetros de la comprobación y de las reservas de
hidrocarburos que se ubican en la Faja Petrolífera del Orinoco, reconocida a nivel
internacional como la más grande reserva de crudo pesado del planeta. Una reserva
primordial de cara al futuro, sobre todo por los informes geológicos que hablan de
una disminución paulatina de los yacimientos de crudos livianos.
Más allá del propósito de cuantificar y certificar las reservas de hidrocarburos
que posee Venezuela en la Faja Petrolífera del Orinoco, en 235 mil millones de
barriles a las cuales se les añade 81 mil millones de barriles probados y que
oficializarán nuestras cifras de reservas de Venezuela en 316 mil millones, tiene
como finalidad aumentar nuestra participación en el mercado petrolero, reforzando
negociaciones con terceros y desarrollos propios. Esto ratificará a Venezuela como
una potencia energética determinante en el mapa mundial.
Venezuela es un país petrolero, la industria del petróleo y de los hidrocarburos,
incluyendo la perforación y extracción de crudo, la refinación, la petroquímica, el gas
natural, productos y servicios relacionados, está íntimamente vinculada con la
economía, política y sociedad venezolana. La industria petrolera es una actividad
típicamente integrada en forma vertical que opera con empresas mundiales. La
empresa petrolera actual, explora, explota, transporta, refina y vende. Debido al
aumento de la producción de yacimientos explotados por la industria petrolera, esta
requiere disponer de áreas para el almacenamiento de estos recursos energéticos
6
(crudo-gas) para controlar su producción, transporte, distribución y utilización. Para
almacenar dicha producción es necesario el uso de tanques metálicos de gran
capacidad, para la construcción de los mismos se emplean láminas de acero de
distintos espesores conforme a su posición relativa en la estructura del tanque. Los
tanques deben estar soportados en fundaciones resistentes que garantice su buen
funcionamiento durante toda la vida útil y estabilidad ante factores externos, tanto
naturales (desplazamientos en el terreno, sismo) como artificiales (perforaciones
cercanas, construcción, entre otros).
Actualmente para las empresas de envergadura es de suma importancia contar
con procedimientos de ingeniería como una herramienta fundamental que facilita el
desarrollo de sus funciones administrativas y operativas, son fundamentalmente un
instrumento de comunicación. La finalidad de un procedimiento es ofrecer una
descripción actualizada, concisa y clara de las actividades contenidas en cada proceso
y establecer una guía de trabajo que se enriquezca con el transcurso del tiempo. Su
utilidad radica en la veracidad de la información que contienen y exigen de una
permanente actualización, por medio de revisiones teóricas, dado que la pérdida de
vigencia de su contenido acarrea su total inutilidad.
Venezuela se rige por normas, entre las cuales se encuentran COVENIN 1753-
06 “Proyecto y Construcción de Obras Complementarias en Concreto Estructural” y
COVENIN 1756-01 “Edificaciones Sismorresistentes” que son adaptaciones de otras
como la A.C.I 318-05 “Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural” del
Instituto Americano de Concreto (American Concret Institute). La corporación
PETROLEOS DE VENEZUELA S.A (PDVSA), cuenta entre su normativa con un
Manual de Ingeniería de Diseño, dentro del cual en el Volumen 18-I se encuentra el
Procedimiento de Ingeniería – PDVSA N° L-STC-006 “Fundaciones para Tanques de
Almacenamiento”, procedimiento de análisis y diseño, que se encuentra
desactualizado respecto a las normas vigentes antes mencionadas, las cuales han
7
experimentado avances y cambios teniendo una serie de ajustes y reestructuraciones
en las nuevas ediciones, luego de los últimos eventos sísmicos ocurridos en el año
1997 en la ciudad de Cariaco, y A.C.I 318-05 “Requisitos de Reglamento para
Concreto Estructural”, por tanto, es necesario una revisión de las normas y del
procedimiento para establecer los criterios requeridos en el diseño de fundaciones
para tanques de almacenamiento, ya que el mismo no describe de forma precisa las
hipótesis y limitaciones que suponen los métodos empleados. Con esta actualización
la corporación podrá seleccionar un diseño específico aplicable a cada tipo de
fundación requerida para tanques de almacenamiento y mejorar la ejecución de
proyectos de ingeniería de fundaciones para tanques de almacenamiento, el cual es
uno de los objetivos principales de esta investigación.
En consecuencia, el propósito de esta investigación consiste en mostrar las
distintas etapas y pasos a seguir en el desarrollo de un proyecto de diseño de
fundaciones para tanques de almacenamiento (Crudo/Agua), que permita facilitar los
cálculos, aplicar cambios en el diseño y elegir así el que más convenga, señalar sus
fundamentos y ejemplificar su aplicación, indagando más allá de los métodos
disponibles, buscando la interacción adecuada del suelo con la estructura superior que
le transmite esfuerzos.
1.2 Objetivos de la investigación
1.2.1 Objetivo general
Desarrollar un procedimiento de ingeniería para el diseño de fundaciones de
tanques de almacenamiento (Crudo/Agua), en concordancia con las Normas PDVSA,
COVENIN y ACI-318-05.
8
1.2.2 Objetivos específicos
1) Identificar los aspectos de las actualizaciones normativas que repercuten
en el diseño de fundaciones para tanques de almacenamiento.
2) Describir el diseño para tanques de almacenamiento (Crudo/Agua).
3) Describir el procedimiento de diseño para los diferentes tipos de
fundaciones requeridas en tanques de almacenamiento (Crudo/Agua).
4) Desarrollar una propuesta de actualización del Procedimiento de
Ingeniería PDVSA Nº L-STC-006 “Fundaciones para Tanques de Almacenamiento”
con las últimas emisiones de las normas COVENIN 1753-06 “Proyecto y
Construcción de Obras Complementarias en Concreto Estructural”, COVENIN 1756-
01 “Edificaciones Sismorresistentes” y el Código ACI-318-05 “Requisitos de
Reglamento para Concreto Estructural”.
5) Aplicar el procedimiento propuesto al modelo de fundación Tipo III:
Fundaciones Anulares de Concreto que indica la Norma PDVSA N° L-STC-006
“Fundaciones para Tanques de Almacenamiento”.
1.3 Justificación de la investigación
La presente investigación busca obtener, mediante la aplicación de normas,
criterios, cálculos y conceptos básicos de ingeniería de fundaciones, un
procedimiento completo y actualizado para el diseño de fundaciones de tanques de
almacenamiento (Crudo/Agua) utilizando las normas PDVSA N° L-STC-006
“Fundaciones para Tanques de Almacenamiento” Procedimiento de Ingeniería,
PDVSA N° 90615.1.010 “Fundaciones para Tanques de Almacenamiento”,
9
Especificación de Ingeniería, PDVSA N° JA-252 “Diseño de Fundaciones”
Especificación de Ingeniería, PDVSA N° JA-221 “Diseño Sismorresistente de
Instalaciones Industriales”, Especificación de Ingeniería , PDVSA N° FJ-251 “Diseño
Sismorresistente de Tanques Metálicos”, Especificación de Ingeniería” PDVSA N°
90615.1.014 “Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”, Guía de Ingeniería,
PDVSA N° 0603.1.203 “Anclajes para Tanques Cilíndricos de Fondo Plano”, Guía
de Ingeniería, PDVSA N° A-261 “Criterios y Acciones Mínimas para el Diseño de
Estructuras Industriales” Especificaciones de Ingeniería, COVENIN 1753-06
“Proyecto y Construcción de Obras Complementarias en Concreto Estructural”,
COVENIN 1756-01 “Edificaciones Sismorresistente” y el Reglamento A.C.I 318-05
“Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural”, que agilice los mecanismos
de obtención de resultados y reduzca el tiempo estipulado para los análisis y cálculos,
garantizando la aplicación de los criterios y procedimientos; pudiendo de esta manera
obtener resultados confiables, a su vez permitir al usuario la posibilidad de evaluar
distintas situaciones de diseño y presentar en forma escrita y ordenada los resultados.
Hoy en día, el procedimiento de ingeniería PDVSA N° L-STC-006.
“Fundaciones para Tanques de Almacenamiento” no suministra la información
actualizada ya que han surgido cambios en las últimas emisiones de las normas
COVENIN 1753-06 “Proyecto y Construcción de Obras Complementarias en
Concreto Estructural”, COVENIN 1756-01 “Edificaciones Sismorresistente” y A.C.I
318-05 “Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural”, en las cuales las
modificaciones más notables se encuentran en los factores de mayoración, factores de
minoración, longitudes de anclajes, longitudes de transferencia de tensiones,
espectros de diseño y zonificación sísmica, que repercuten considerablemente en el
diseño actual de fundaciones, por lo que deberán ser revisados e incorporados dichos
cambios.
10
Con esta optimización, actualización y desarrollo del Procedimiento de
Ingeniería para el Diseño de Fundaciones de Tanques de Almacenamiento se busca
facilitar la ejecución de proyectos de infraestructura, suministrar información más
precisa, fidedigna y con mayor rapidez, además de beneficiar a la corporación y a los
ingenieros de proyectos que empleen dicho procedimiento.
Por lo expuesto anteriormente, la investigación resulta factible ya que consiste
en la elaboración y desarrollo de un procedimiento para resolver problemas y
requerimientos de infraestructura en el diseño de tanques de almacenamiento para la
I.P.P.C.N (Industria Petrolera, Petroquímica y Carbonífera Nacional)
Finalmente es evidente la importancia que representa disponer de un
procedimiento que se ajuste a las normativas y experiencias nacionales (PDVSA) y
que pueda ser continuamente modificado y mejorado de acuerdo a las nuevas
tecnologías o cambios que sufran las normativas en el futuro.
1.4 Alcance de la investigación
Revisar, complementar y actualizar el procedimiento de Ingeniería para el
Diseño de Fundaciones de Tanques de Almacenamiento (Crudo/Agua), utilizando los
criterios para el análisis y diseño de dichas estructuras descritos en las normas
actualizadas COVENIN 1753-06 “Proyecto y Construcción de Obras
Complementarias en Concreto Estructural”, COVENIN 1756-01 “Edificaciones
Sismorresistentes”, A.C.I 318-05 “Requisitos de Reglamento para Concreto
Estructural” y las normas internas PDVSA N° JA-252 “Diseño de Fundaciones”,
PDVSA N° JA-221 “Diseño Sismorresistente de Instalaciones Industriales”, PDVSA
N° FJ-251 “Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”, y PDVSA N° A-261
“Criterios y Acciones Mínimas para el Diseño de Estructuras Industriales”, con el fin
de contribuir al desarrollo de futuros proyectos a ejecutar por la corporación PDVSA.
11
1.5 Limitaciones
En cuanto a este aspecto no se tuvo mayor limitación para el desarrollo de la
investigación, no ha existido inconveniente para el acceso a las fuentes de
información y se cuenta con las herramientas necesarias para ejecutar el trabajo
asignado.
12
CAPÍTULO II
GENERALIDADES
A continuación se mencionan aspectos relacionados con PDVSA Petróleo, S.A.
como son: Reseña histórica, ubicación geográfica, misión, visión, objetivos, valores y
se muestra su estructura organizativa, seguidamente se describe la misión, visión y
objetivos de la Gerencia de Proyectos Mayores, dentro de la cual se llevó a cabo el
presente trabajo de investigación, su política de la calidad, principios, procesos
medulares, habilitadores y de apoyo, además de su estructura organizativa.
2.1 La empresa Petróleos de Venezuela S.A. (PDVSA)
Petróleos de Venezuela S.A. es la corporación estatal de la República
Bolivariana de Venezuela que se encarga de la exploración, producción, manufactura,
transporte y mercadeo de los hidrocarburos, de manera eficiente, rentable, segura,
transparente y comprometida con la protección ambiental; con el fin último de
motorizar el desarrollo armónico del país, afianzar el uso soberano de los recursos,
potenciar el desarrollo endógeno y propiciar una existencia digna y provechosa para
el pueblo venezolano, propietario de la riqueza del subsuelo nacional y único dueño
de esta empresa operadora.
Por mandato de la Constitución de la República Bolivariana de Venezuela, la
totalidad de las acciones de Petróleos de Venezuela S.A. pertenecen al Estado
Venezolano, en razón de la estrategia nacional y la soberanía económica y política,
ejercida por el pueblo venezolano. En ese sentido, PDVSA está subordinada al Estado
Venezolano y por lo tanto actúa bajo los lineamientos trazados en los Planes de
Desarrollo Nacional y de acuerdo a las políticas, directrices, planes y estrategias para
13
el sector de los hidrocarburos, dictadas por el Ministerio del Poder Popular para la
Energía y Petróleo.
La Corporación estatal, creada en 1975, por la Ley Orgánica que reserva al
Estado la Industria y el Comercio de los Hidrocarburos, cuenta con trabajadores
comprometidos con la defensa de la soberanía energética y el deber de agregar el
mayor valor posible al recurso petrolero, guiados por los principios de unidad de
comando, trabajo en equipo, colaboración espontánea y uso eficiente de los recursos.
2.1.1 Reseña Histórica de Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
En 1976, el Ejecutivo Nacional implementa la nacionalización del petróleo, y
como consecuencia directa se crea Petróleos de Venezuela S.A (PDVSA), empresa
responsable de llevar a cabo las gestiones de la industria petrolera. Su primer
presidente fue el General Rafael Alfonso Ravard.
Durante el primer año de operación, PDVSA inicio sus acciones con 14 filiales:
PALMAVEN, BARIVEN, LLANOVEN, BOSCAVEN, CORPORACIÓN
VENEZOLANA DE PETROLEO (CVP), DELTAVEN, TALOVEN, VISTAVEN,
MENEVEN, GUARIVEN, LAGOVEN, AMOVEN, MARAVEN, ROQUEVEN.
Finalmente en 1986 LAGOVEN, MARAVEN y CORPOVEN absorbieron las
actividades de las concesionarias que estaban en Venezuela. Estas cumplían con todas
las actividades relacionadas con la industria de los hidrocarburos, exploración,
refinación, transporte y comercialización nacional e internacional de crudos y sus
derivados, así como también la producción, procesamiento y distribución del gas
natural para los sectores domésticos e industriales. CORPOVEN construyó gran parte
de la red nacional de gasoductos.
14
La corporación asumió el reto de mantenerse competitiva y rentable frente a los
nuevos tiempos. Para lo cual, puso en marcha la transformación de su estructura
corporativa, con el propósito fundamental de redefinir el papel de la casa matriz y
consolidar la estructura operativa. En este sentido, a finales de 1997, la corporación
energética venezolana integró en su estructura operativa y administrativa a las tres
filiales, que durante más de 20 años, habían compartido las operaciones.
Se establecía de esta manera, una empresa con un perfil corporativo y
unificado, dirigido a generar altos estándares de calidad y beneficios en lo que
respecta a los procesos que están presentes dentro de la industria de los
hidrocarburos. En tal sentido, se creó la empresa de PDVSA Petróleo y Gas,
constituida por tres grandes divisiones dedicadas a las actividades medulares del
negocio: (a) PDVSA Exploración, Producción y Mejoramiento; (b) PDVSA
Manufactura y Mercadeo; y (c) PDVSA Servicios. Otro sector importante de la
industria del oro negro es el petroquímico, el cual está representado por PEQUIVEN
y sus empresas mixtas; estas son coordinadas y dirigidas por una Junta Directiva y
Presidencia, seguida por vicepresidencias corporativas que dirigen cada División.
PDVSA cumple con todas las actividades propias del negocio petrolero,
constituyéndose en una corporación verticalmente integrada, que abarca todos los
procesos, desde la explotación hasta la comercialización de los hidrocarburos
gaseosos y no gaseosos, y sus derivados. A continuación se detallan los procesos que
realiza PDVSA:
1. Exploración y Producción: es el primer eslabón de la cadena, el cual se
ubica en aguas arriba del negocio. De esta fase depende el hallazgo de hidrocarburos
(gaseosos y no gaseosos) en el subsuelo.
15
2. Refinación: proceso que se encarga de la transformación de los
hidrocarburos en productos derivados.
3. Comercialización: es el último eslabón de la cadena productiva. En esta
etapa se establecen las formulas de precios que reflejan las variaciones del mercado
para garantizar precios e ingresos justos para el pueblo venezolano.
4. Gas: con unas reservas probadas por 147 billones de pies cúbicos,
Venezuela es una de las potencias mundiales del sector de hidrocarburos gaseosos.
Un hecho relevante dentro de la historia de PDVSA sucedió a principios del
siglo XXI, específicamente a partir de Diciembre del año 2002, donde se generó una
situación de conflicto, que perjudico a toda Venezuela, pues muchos de los
trabajadores petroleros abandonaron sus puestos de trabajo y se produjo el cierre de
pozos petroleros que originaron grandes pérdidas para la empresa. Es importante
destacar dicha situación que resultó en el nacimiento de la nueva PDVSA, que
actualmente cuenta con trabajadores comprometidos y ejerce plena soberanía
petrolera, y además está alineada con las orientaciones del Estado venezolano.
2.1.2 Ubicación geográfica
PDVSA, tiene su sede principal en la ciudad de Caracas y áreas operacionales
en Occidente, Sur, Oriente y, a partir del año 2008, en la faja del Orinoco.
En el Occidente cuenta con los Distritos Maracaibo, Lagunitas y Tía Juana,
estos Distritos desarrollan actividades de explotación y producción en el Estado
Zulia, y parte del Estado Falcón, en este último se realizan actividades de
manufactura y refinación, allí se encuentran ubicadas las refinerías de Punta Cardón y
la de Amuay, actualmente Complejo Refinador Paraguaná (CRP), una de las más
16
grandes refinerías de Latinoamérica. (WEC, Schlumberger, 1980).
En el Sur cuenta con los Distritos de Barinas, que cubre los estados Apure,
Barinas y Portuguesa, siendo estos últimos donde se está desarrollando el plan de
explotación Flanco Sur Andino; en búsqueda de nuevos reservorios petroleros.
En Oriente cuenta con el Distrito Puerto la Cruz, que se encarga de refinería y
mercadeo de crudos y los Distritos operacionales Anaco, San Tomé, Morichal, Punta
de Mata y Maturín, incluyendo en estos últimos, el área de mayor actividad de
PDVSA, el norte de Monagas y en la división faja cuenta con los Distritos Múcura,
Morichal y Cabrutica.
2.1.3 Objetivos de PDVSA
PDVSA tiene como objetivos principales:
a) Realizar actividades de exploración, explotación, transporte,
almacenamiento, refinación y comercialización nacional e internacional de los
hidrocarburos.
b) Estudiar constantemente las áreas petroleras, con el propósito de localizar
nuevos yacimientos que incrementen la tasa de producción nacional.
c) Realizar actividades económicas en las áreas con alta potencialidad del
Oriente Venezolano, contando así con el equipo y el personal necesario para cumplir
con las metas propuestas.
17
d) Evitar la contaminación ambiental, cualquiera sea su lugar de
operaciones.
e) Fomentar la búsqueda, extracción, procesamiento, transmisión y
comercialización del gas natural para vehículos y para los sectores domésticos e
industriales.
f) Contribuir al fortalecimiento de la Educación, cultura, salud, deportes,
religión, asistencia social en general y el apoyo continuo a la agricultura.
2.1.4 Valores de PDVSA
a) Ética: Honestidad, Responsabilidad, Coherencia
b) Justicia: Equidad, Tolerancia, Respeto
c) Solidaridad: Cooperación, Compromiso social
d) Calidad y competitividad
e) Innovación y liderazgo
La transparencia y rendición de cuentas también constituyen un valor
fundamental para PDVSA. En concordancia con este principio, la actuación del
directorio, la alta gerencia y los trabajadores en general obedece a los mandatos de
sobriedad, humildad, apego a los preceptos morales y administración sana y no
ostentosa de los recursos propios y de la corporación.
2.1.5 Misión de PDVSA
La misión principal de Petróleos de Venezuela S.A. es cumplir con todas las
actividades propias del negocio petrolero, constituyéndose en una corporación
18
verticalmente integrada, que abarca todos los procesos, desde la explotación hasta la
comercialización de los hidrocarburos gaseosos y no gaseosos, y sus derivados.
2.1.6 Visión de PDVSA
Hoy en día la visión de Petróleos de Venezuela S.A. es avanzar hacia la plena soberanía
energética, impulsando además de negocio petrolero el desarrollo endógeno nacional y la
incorporación y adecuación de nuevas tecnologías que permitan optimizar los procesos, en sintonía
con el medio ambiente y en pro del beneficio de todos los venezolanos.
2.2 Distrito Norte (Maturín, Punta de Mata)
2.2.1 Ubicación geográfica del Distrito Norte
Desde el punto de vista político-territorial, Maturín pertenece al Municipio
Maturín del Estado Monagas y Punta de Mata pertenece al Municipio Ezequiel
Zamora, ambos comprenden gran parte del Estado Monagas. Cuentan con un área
aproximada de 13.332 Km² y 151 Km2 respectivamente. (Figura 2.1).
19
Figura 2.1 Ubicación geográfica del Distrito Norte [28]
El Distrito Norte de PDVSA produce más de 900 mil barriles de crudo
superando la planificación volumétrica correspondiente al año (2008), lo cual
contribuye a establecer un balance en los compromisos para el presupuesto de la
Corporación. Este plan de producción está soportado en una serie de proyectos
integrales que incluye la exploración sísmica 3D en unos 1600 Km2, perforación de
pozos horizontales y estratificados-delineadores, ampliación y adecuación de
estaciones de flujo (BARED-10, MED-20, BARED-9, MED-18), infraestructura para
el manejo y tratamiento del gas mediano y liviano y su disposición a venta, centros
operativos de extrapesado y pesado y las plantas de tratamiento de agua de
producción.
En la Gerencia del Distrito Norte, las actividades primarias están representadas
por los procesos medulares del negocio. Los procesos medulares son los que tienen
20
incidencia directa en la realización del producto y constituyen la cadena de valor de la
organización. Su objetivo es generar los bienes y servicios requeridos por los clientes
externos. En el Distrito Norte, los procesos medulares se encuentran bajo la ejecución
y el control de las siguientes organizaciones: Yacimientos, Perforación,
Infraestructura y Procesos de Superficie, Operaciones, Plantas de Gas y Agua y
Mantenimiento operacional.
Las actividades secundarias están representadas por los procesos habilitadores y
de apoyo. Los procesos habilitadores, son aquellos que complementan o apalancan el
desarrollo de los procesos medulares; son ejecutados y controlados por las siguientes
organizaciones: Consultoría Jurídica, BARIVEN, Ambiente e Higiene Ocupacional
(AHO), Seguridad Industrial (SI), Salud, Recursos Humanos (RRHH), Protección y
Control de Perdidas (PCP), Servicios Eléctricos (SSEE), Ingeniería de Costo,
Finanzas y Procura, Propiedades y Catastro (PYC), Contratación, Automatización,
Informática y Telecomunicaciones (AIT), Asuntos Públicos (AAPP), Servicios
Logísticos (SSLL).
A continuación se muestra un esquema de las actividades primarias y
secundarias ejecutadas por PDVSA.
21
Figura 2.2 Cadena de valor. Nivel 0 [28]
22
Figura 2.3 Mapa de procesos [28]
23
Figura 2.4 Mapa de procesos. Nivel 1 [28]
24
Figura 2.5 Mapa de Procesos. Nivel 2 [28]
25
Figura 2.6 (Cont.) Mapa de Procesos. Nivel 2[28]
26
2.2.2 Misión
Proveer la infraestructura de superficie, mediante la ejecución de proyectos de
desarrollo industriales y no industriales que soporten el Plan de Negocios del Distrito
Social Norte de la División Oriente PDVSA para el crecimiento social y económico
del país, la Corporación y la comunidad.
2.2.3 Visión
Ser la organización modelo en el desarrollo de infraestructura industrial y no
industrial, con competencia en el manejo de los recursos: humanos, técnicos y
financieros, a través de profesionales creativos, motivados al logro, integrados al
negocio y comprometidos con el desarrollo socioeconómico sustentable del país, la
Corporación y la comunidad.
2.3 Gerencia de Proyectos mayores E y P Oriente
2.3.1 Ubicación
La Gerencia de Proyectos Mayores E y P Oriente, se encuentra ubicada en el
Edificio Sede del Estado Monagas (ESEM), Módulo 4, nivel 2. Av. Alirio Ugarte
Pelayo, Ciudad de Maturin Edo. Monagas.
2.3.2 Misión
Proveer de infraestructura de superficie, en forma eficiente y eficaz, con
personal calificado y comprometido mediante el desarrollo y la ejecución de
Proyectos Mayores en la División Oriente, aplicando las normas, mejores prácticas y
tecnologías, dentro de un ambiente de sinergia, responsabilidad y profesionalismo,
27
para soportar el crecimiento volumétrico establecido en el Plan de Negocios de
PDVSA, generando el mayor beneficio a los accionistas de la Corporación, bienestar
a su personal y contribuir con el crecimiento socioeconómico de la nación.
2.3.3 Visión
Ser reconocida en la corporación, en un plazo máximo de seis años, como la
organización Líder en el Desarrollo y Ejecución de Proyectos de Infraestructura de
Superficie, respaldada por su capacidad técnica, la excelencia de su gente y la
prestación de servicios con alto valor agregado, contribuyendo así a la satisfacción de
sus clientes y al bienestar de sus clientes y del entorno.
2.3.4 Política de calidad
Satisfacer y superar los requerimientos de los clientes, a través del desarrollo y
ejecución de proyectos estratégicos, de alta complejidad técnica y elevado costo de
inversión, para proveer la infraestructura de superficie necesaria en las operaciones de
Exploración y Producción, División Oriente, de manera eficiente y rentable, con
personal altamente motivado y calificado, cumpliendo con las regulaciones legales y
reglamentarias; basándose en el desarrollo profesional del personal, en el
mejoramiento continuo de los procesos y de la eficacia del Sistema de Gestión de la
Calidad; garantizando la protección del ser humano y la preservación del ambiente,
contribuyendo así con el desarrollo socioeconómico de la nación.
2.3.5 Objetivos de la calidad
Asegurar un excelente nivel de satisfacción de las necesidades y
expectativas de los Clientes internos y externos, garantizando en todo momento que
28
los requisitos estén claramente definidos, divulgados y entendidos en todos los
niveles de la Organización.
Garantizar la entrega oportuna de los Proyectos de Infraestructura de
Superficie, necesaria para las operaciones de Exploración y Producción, División
Oriente, y de esta forma aumentar la eficiencia, eficacia y el rendimiento de la
organización, a fin de maximizar el valor de la corporación.
Ejecutar proyectos de infraestructura de superficie a nivel clase mundial,
mediante el uso de las mejores prácticas y el cumplimiento de las regulaciones legales
y reglamentarias aplicables a nuestras operaciones.
Proveer el desarrollo profesional de nuestro personal en las competencias
requeridas, mediante su formación continua.
Asegurar la mejora continua de nuestros procesos y de la eficacia del
Sistema de Gestión de la Calidad, como compromiso de todos los miembros de la
organización, comenzando desde la alta dirección.
2.3.6 Principios y valores
Compromiso con su gente: actuar bajo la convicción de que el recurso
humano es el pilar fundamental de la creación de valor de la corporación. Concentrar
los esfuerzos en reclutar, seleccionar y mantener al mejor recurso humano disponible
en todas las operaciones.
Equidad: practicar la equidad y transparencia en cada uno de sus
convenios con clientes y proveedores, cumplir sus obligaciones y acuerdos.
29
Ética: actuar con estricto apego a la legalidad y la moralidad. Proceder
con objetividad e imparcialidad en todas las decisiones que les corresponda tomar y
en los asuntos donde tenga que intervenir.
Excelencia: proponerse ser líderes en la corporación, con un profundo
compromiso individual y colectivo para alcanzar resultados de alto nivel técnico y
gerencial, a través del desarrollo de nuestras capacidades, el mejoramiento continuo
de los procesos, el cumplimiento oportuno de los estándares de calidad y manejo
adecuado de los recursos asignados.
Motivación al logro: cultivar el apremiante deseo y actitud proactiva por
mejorar continuamente y por ser los líderes en su corporación.
Orientación al cliente: prestar servicios de manera adecuada, eficiente y
oportuna. Esmerarse en lograr un entendimiento apropiado con los clientes; así como
de interpretar y anticipar sus necesidades presentes y futuras, mediante el desarrollo
de relaciones cercanas, permanentes y mutuamente productivas, ofreciendo
soluciones innovadoras y con alto valor agregado.
Responsabilidad social: estar comprometidos con el desarrollo socio-
productivo del país donde mantengan presencia.
Responsabilidad y seriedad: cumplir a cabalidad las tareas y funciones
asignadas; promover y honrar el cumplimiento de la palabra y respetar los acuerdos y
compromisos adquiridos.
Seguridad, higiene y ambiente: cumplir con las regulaciones legales y
reglamentarias de seguridad, higiene y ambiente.
30
GERENCIA GENERAL EyP DIV. ORIENTE
SUB-GERENCIA
OPERATIVA EyP DIV.
ORIENTE
PROYECTOS MAYORES EyP ORIENTE
PLANIFICACIÓN,
PRESUPUESTO Y GESTIÓN
GESTIÓN DE LA CALIDAD
ADMINISTRACIÓN
Y LOGISTICA
APOYO TÉCNICO
GERENTE
IMPLANTACIÓN
GERENTE
DEFINICIÓN Y
DESARROLLO
GERENTE
PROYECTOS
GERENTE PROYECTOS
GERENTE
CONTRATACIÓN
SUPERINTENDENTE GERENTE
SUPERINTENDENTE GERENTE
GERENTE
Valorar la sensatez y mesura en los gastos, buscar alcanzar niveles de
eficiencia y eficacia cada vez mayores en el uso de los recursos.
2.3.7 Estructura organizacional
Figura 2.7 Estructura Organizacional Gerencia de Proyectos Mayores [28]
31
CAPÍTULO III
MARCO TEÓRICO
Siempre que se desee elaborar cualquier proyecto de investigación, es
indispensable tener bien definida la metodología, porque ésta permitirá durante el
desarrollo, estudio y análisis del proyecto lograr todos los fines propuestos. Los
diversos aspectos que conforman la metodología a desarrollar, se describen en este
capítulo.
3.1. Antecedentes de la Investigación
Los siguientes trabajos de investigación servirán de aporte para enriquecer este
proyecto, a través de la recolección de información necesaria para la documentación
del mismo:
Báez Patricia J., Limas Yoxsbel L. (2005) [5]
. Este trabajo de grado se
desarrolló como una investigación aplicada porque se apoya en la recolección de
información de diversas fuentes bibliográficas y en particular del documento A.C.I.
336.2R-88 para luego proceder a la aplicación de la misma a una actividad específica
como es el análisis y diseño de fundaciones, y en la misma concluye lo siguiente:
“Dado a que las losas de fundación son elementos importantes y costosos, porque
requieren acero de refuerzo en dos capas y un gran volumen de concreto, además es
la base fundamental de sostén de toda estructura y superestructura, se impone el uso
de métodos analíticos refinados para su análisis y diseño”. Esta investigación se
considera relevante para la presente, puesto que describe dos métodos importantes
como alternativas de cálculo para fundaciones, como lo son el método aproximado y
el método de la rejilla finita, y que podrían ser utilizados en el desarrollo de los
objetivos de la presente investigación.
32
Senmache P., Pablo J. (2008) [31]
. Este proyecto se desarrolló como una
investigación documental y de campo. En la misma concluye lo siguiente: “De
acuerdo con las cargas actuantes, resultó un modelo de interacción suelo-estructura
con una deformación de 6.389 mm; siendo favorable con respecto al suelo de la zona,
para un concreto de 250 kg/cm2. Por otra parte el acero utilizado resultó tener una
resistencia de 1,6 veces mayor a la requerida, lo que demostró la estabilidad de la
estructura para extracción de crudo en la zona”. Esta investigación se considera
relevante para la presente, ya que muestra la importancia del cálculo de las cargas
actuantes para determinar la interacción suelo-estructura y la deformación para una
resistencia al concreto específica a emplear en un diseño de fundaciones.
Arismendy, Islainny (2006) [4]
. La realización de este trabajo especial de grado
se enfocó en la necesidad de organizar y estandarizar los procedimientos de diseño
civil siguiendo los criterios de las normas técnicas establecidas por la empresa
Petróleos de Venezuela S.A (PDVSA), para la elaboración del diseño sismo-
resistente de fundaciones para tanques metálicos de almacenamiento en las
instalaciones petroleras, se efectúo el diseño obteniendo los datos del tanque, por
medio de un ingeniero mecánico y así se definieron los métodos y pasos a seguir para
calcular las dimensiones de las fundaciones para un tanque de almacenamiento
utilizando las herramientas de las hojas de cálculo, en donde se realizaron las
operaciones de análisis y especificaciones para calcular el espectro de diseño, las
cargas de sismo en el fondo del tanque y se incorporó las cargas de peso propio y
viento, para así determinar la sección del anillo de fundación del tanque EPT-1 del
campo Morichal. El aporte de este trabajo de grado radica en que presenta todos los
aspectos, parámetros y métodos de análisis referentes al diseño sismo-resistente que
se deben tomar en cuenta al momento de diseñar una fundación para soportar tanques
de almacenamiento.
33
PDVSA Nº L-STC-006 (Rev. 2-Ene-94) [24]
. Debido a la amplia variedad de
condiciones del terreno, tanto en superficie como en el subsuelo y climáticas; es muy
difícil seleccionar un procedimiento de diseño específico aplicable a todos los casos
de diseño de fundaciones para tanques de almacenamiento, por lo que en el mismo se
establecen 5 modelos típicos de fundaciones utilizadas por la corporación. El aporte
de este procedimiento radica en que presenta las bases teóricas, los métodos de
análisis y las recomendaciones para establecer los criterios requeridos en el
dimensionamiento de dicho diseño. Este procedimiento resulta la principal referencia
para la realización del trabajo de grado.
3.2 Bases Teóricas
3.2.1 Procedimiento
3.2.1.1 Definición de procedimiento: es un conjunto de pasos secuenciales
relacionados para resolver problemas estructurados. La única dificultad es identificar
el problema. Es un plan permanente de pautas detalladas para manear las acciones en
forma regular. Debe incluir ineludiblemente, datos precisos sobre personas que se
responsabilizan de los resultados a obtener y su posible delegación, la índole de un
proceso puede requerir la intervención de elementos variados cuya operación requiera,
a su vez, de indicaciones para su utilización.
De lo planteado anteriormente, se puede decir que los procedimientos son
planes que establecen un método obligatorio para realizar las actividades futuras ya
que tienen una actuación importante en la consecución de los objetivos de toda
organización progresista.
34
Se debe tener en cuenta que los procedimientos describen el “como” se hacen
las cosas para asegurar el funcionamiento de un sistema. Esto implica que los
procedimientos:
a) Estén justificados.
b) Tengan antecedentes.
c) Cuenten con límites precisos.
d) Utilicen un léxico y vocabulario definido.
e) Contengan la acción o actividad objeto.
f) Identifiquen “quien” o “quienes” están afectados y serán responsables de
su uso.
g) Tengan un plazo explicito de validez.
3.2.1.2 Características de los procedimientos: los procedimientos no son de aplicación
general, sino que responde a las características de cada situación en particular, así se
encuentran procedimientos que son de aplicación en una empresa y para un
determinado propósito, que no los son para otra en condiciones más o menos
similares. Son de gran utilidad en los trabajos que se repiten, facilitando su aplicación
continua y sistemática, evitando de esta forma que la gerencia tome decisiones
reiteradas veces cuando se tenga que ejecutar ese trabajo. Los procedimientos deben
tener cierta estabilidad y no por eso deben abandonar la flexibilidad y elasticidad. Esto
significa que pueden adaptarse a las exigencias de nuevas situaciones y circunstancias,
como estos son medios para alcanzar los objetivos, su condición debe estar sujeta a
35
tales situaciones y alteraciones, son esenciales para la implantación y aplicación de los
elementos disponibles, el personal, trabajo, objetivos, materiales, entre otros.
3.2.1.3 Propósito de los procedimientos: el propósito primordial de los procedimientos
es que tiene naturaleza de instrucción, y bien diseñado representan la mejor forma de
hacer las cosas desde el punto de vista de tiempo, esfuerzo y dinero.
Los procedimientos que son escritos además de asegurar la responsabilidad de
un trabajo, permiten al usuario seguir por un camino seguro probado con antelación.
Usando adecuadamente procedimientos escritos, las personas ganan dos cosas,
precisión y velocidad. Si la persona es nueva con el trabajo, adicionalmente gana
conocimiento y experiencia, por otro lado, la organización puede beneficiarse
igualmente si asegura que para todos los trabajos claves se tengan procedimientos que
documenten la mejor experiencia de la organización y por ende la economía y
efectividad de las operaciones.
3.2.1.4 Ventajas y desventajas de los procedimientos: la estrategia combinada es
aquella en que el analista y el usuario trabajan con mutua colaboración para el
establecimiento correcto y comprensible de los procedimientos.
La ventaja de los procedimientos es que sean escrito por el usuario, son el nivel
apropiado de descripción o insurreccionales que son comprensibles; sus desventajas
son la dificultad de asegurar que las instrucciones son completas y claras. En atención
a ello, se deduce que es efectivo aquel que comunica bien y que se puede diferenciar
fácilmente, debe estar bien redactado, concluyendo que es importante que se conserve
actualizado para coincidir con los cambios del sistema de información. Deben ser
completos y coherentes, se toman en consideración los elementos materiales y
humanos, así como, el objetivo deseado y los pasos deben ser sucesivos,
complementarios que tiendan al mismo objetivo.
36
3.2.1.5 Contenido de los procedimientos: un procedimiento deberá proporcionar
información clara, concisa y completa expresada en forma sencilla aunque no pobre, ni
monótona, sobre qué cosa hacer, como hacerlo, cuando hacerlo, donde hacerlo y quien
hará y/o se responsabilizará de lo hecho. Esta consecuencia será acorde y compatible
con la realidad del proceso, no puede el procedimiento ser una isla aislada del resto de
los integrantes humanos y técnicas de la actividad.
3.2.1.6 Construcción de los procedimientos: la oportunidad de elaborar procedimientos
permite adecuar en la sistematización, el análisis de las relaciones entre funciones,
procesos, actividades y personas y la verificación previa a una visualización que
facilita evitar errores. El primer paso corresponderá a cada actividad contemplada, que
se quiere obtener de ella; el segundo paso requiere el conocimiento e información
acerca de cómo se realiza, y naturalmente con qué medidas. Estos tres pasos se
efectúan para alcanzar los pequeños objetivos que integran los más grandes.
3.2.2 Proyecto estructural
El diseño detallado de las estructuras incluye la determinación de la forma y
tamaño de los miembros y de sus conexiones y el principal requisito es que las
estructuras deben soportar con seguridad todas las cargas que se le apliquen. Por lo
tanto, para el proceso de diseño es indispensable conocer todas las cargas máximas
probables y sus combinaciones. Los ingenieros especialistas en estructuras deben
determinar las combinaciones racionales de cargas que pueden producir los máximos
esfuerzos o deformaciones de las diferentes partes de la estructura. No es factible
diseñar las estructuras ordinarias para que resistan todas las combinaciones de cargas
concebibles, ni las fuerzas excepcionalmente grandes; por lo tanto el proyecto es
necesariamente incierto. Se puede hacer una evaluación estadística y probabilística de
las intensidades de las cargas y del funcionamiento estructural, calculando las
pérdidas económicas y daños causados a seres humanos, pero en la actualidad no se
37
consideran a plenitud estos factores. En vez de eso, se establecen las magnitudes de
las cargas y sus combinaciones críticas por medio de criterios basados en la
experiencia, en medidas y en la lógica. Para simplificar el proyecto de las estructuras
comunes, los reglamentos de construcción especifican las cargas mínimas de diseños
para los diferentes usos de las estructuras. Las magnitudes de las cargas de diseño se
han fijado a través de muchos años de práctica y, en menor grado, por medio de
experimentación e investigación.
Por otro lado, el proyectista debe aprender a distribuir y a proporcionar las
partes de las estructuras de manera que tengan suficiente resistencia, su montaje sea
práctico y sean económicas.
3.2.2.1 Características de un proyecto estructural: en la tabla 3.1 se muestran las
características que debe tener un proyecto.
Tabla 3.1 Características de un proyecto estructural [31]
Ítem Características
Seguridad
Las estructuras no solo deben soportar las cargas impuestas (Edo. límite
de falla), sino que además las deflexiones y vibraciones resultantes, no
sean excesivas alarmando a los ocupantes, o provoquen agrietamientos
(Edo. límite de servicio)
Costo
El proyectista debe siempre procurar abatir los costos de construcción sin
reducir la resistencia, algunas ideas que permiten hacerlo son usando
secciones estándar haciendo detallado simple de conexiones y previendo
un mantenimiento sencillo.
38
Factibilidad
Las estructuras diseñadas deben fabricarse y montarse sin problemas, por
lo que el proyectista debe adecuarse al equipo e instalaciones disponibles
debiendo aprender cómo se realiza la fabricación y el montaje de las
estructuras para poder detallarlas adecuadamente, debiendo aprender
tolerancias de montaje, dimensiones máximas de transporte,
especificaciones sobre instalaciones; de tal manera que el proyectista se
sienta capaz de fabricar y montar la estructura que está diseñando.
3.2.2.2 Especificaciones y códigos de construcción para un proyecto estructural: las
especificaciones de diseño de estructuras no se han desarrollado para restringir al
ingeniero sino para proteger al usuario de éstas. No todo se encuentra en los
reglamentos, así que sin impactar los códigos o especificaciones empleados, la
responsabilidad final de la estructura (seguridad) recae en el ingeniero estructural.
3.2.3 Investigación geotécnica del sitio
No se puede proyectar una fundación adecuada si no se tiene al menos algún
conocimiento previo del tipo de suelo donde se desea construir, es evidente que debe
estudiarse antes el subsuelo, aunque sea utilizando medios primitivos. Es necesario,
aunque no sea habitual, realizar un estudio de suelos por un profesional idóneo, ya
que con los resultados de los mismos pueden realizarse fundaciones óptimas, con sus
consecuentes ahorros económicos y además evitar algunos problemas que solo
pueden ser detectados por estos estudios; como presencia de arcillas expansivas, entre
otros, teniendo presente que corregir los problemas una vez finalizada la obra es
mucho más costoso que realizar correctamente las cosas durante la ejecución de la
misma.
39
El propósito principal de la investigación geotécnica del sitio es obtener la
información requerida, sobre las condiciones en la superficie y del subsuelo, para
diseñar y construir las fundaciones y la superestructura de las instalaciones, así como
evaluar y mitigar los riesgos geológicos. Para el proyecto de construcción de sistemas
de fundación, muros de contención y otras obras de infraestructura, se requiere
información fundamentada en estudios de suelos. En general, estos deben cubrir los
siguientes aspectos:
1. Descripción topográfica, geológica y estratigráfica del sitio.
2. Descripción del procedimiento de exploración y características del suelo.
3. Ensayos de laboratorio: propiedades físicas, propiedades dinámicas,
permeabilidad, comprensibilidad/consolidación del suelo.
4. Documentación con los resultados de perforaciones y de los ensayos de
laboratorio.
5. Descripción del material, tipos de suelo.
6. Nivel freático, permeabilidades, drenajes y eventuales riesgos
hidrológicos.
7. Recomendaciones sobre el tipo o sistema de fundación.
8. Conclusiones de comportamiento límite del suelo.
9. Capacidad de carga o tensiones límites del suelo.
40
10. Condiciones que limitan la resistencia, deformación y estabilidad del
suelo.
11. Presiones de tierra sobre muros.
12. Asentamientos probables, estabilidad y problemas especiales de tipo
constructivo, para los diferentes tipos de suelo.
13. Clasificación del suelo según la Norma Venezolana COVENIN 1756.
“Edificaciones Sismorresistentes”, fundamentado en información geofísica.
14. Pruebas de carga para determinar capacidad y módulos elásticos del
suelo, cuando así se requiera.
15. Datos geológicos para determinar las propiedades dinámicas del suelo y
profundidad de lecho rocoso. Materiales supra yacentes.
16. Estudios adicionales requeridos.
Todo proyecto de fundación debe incluir un Estudio Geotécnico (estudio de las
características del suelo) ya que la cimentación es la encargada de garantizar la
estabilidad de la estructura que soporta a lo largo de la vida útil de la misma. El
estudio incluirá, pero no se limitará a los procedimientos de exploración, muestreo y
ensayos del suelo, elaboración de perfiles litológicos, indicando la identificación y
clasificación del suelo, características mecánicas, nivel de aguas subterráneas, tipo de
fundación y los parámetros del suelo necesarios para su diseño, igualmente se podrán
recomendar estudios adicionales debido a factores que pudieran afectar la integridad
y uso de la edificación, su comportamiento o modelación estructural, su capacidad
resistente y las presiones de diseño en fundaciones.
41
A partir del Estudio Geotécnico se podrá conocer las propiedades del suelo
(tensión admisible del terreno a las distintas cotas en Kg/cm2, densidad de la tierra,
profundidad del nivel freático, posible asiento, ángulo de rozamiento del terreno,
cohesión aparente, expansividad, entre otros.)
Así, para la elección del tipo de cimentación, debe tenerse en cuenta, por una
parte, la estructura que soporta, y por otra, las características del terreno en que se
sitúa, teniendo en cuenta que una vez alcanzado un nivel de seguridad adecuado para
la misma, ésta debe de ser lo más económica posible.
Se debe prevenir, por tanto, que la cimentación se vea afectada por la posible
agresividad del terreno, así mismo, debe estar protegidas de las acciones físicas y a
las modificaciones naturales o artificiales del terreno (heladas, cambios de volumen,
variaciones del nivel freático, excavaciones próximas, entre otros).
3.2.4 Interacción suelo-estructura (ISE)
La interacción entre la estructura de cimentación y el suelo consistirá en
encontrar un sistema de reacciones que aplicadas simultáneamente a la estructura de
cimentación y a la masa del suelo produzcan la misma configuración de
desplazamientos diferenciales entre los dos elementos. Los desplazamientos
diferenciales de la estructura deberán ser iguales a los originados en la superficie de
apoyo de la cimentación. Para lograr lo anterior, será necesario basarse por un lado en
las leyes físicas que rigen el comportamiento de la masa del suelo y por el otro en los
procedimientos nominales de cálculo estructural en la determinación de fuerzas y
deformaciones, tomando en cuenta las propiedades mecánicas del material del cual
será construida la estructura de cimentación.
42
Por otro lado, la rigidez de la estructura de cimentación y la contribución que a
ésta le pueda aportar la superestructura es importante. Lo cual implica tener que
conocer de antemano la geometría y propiedades de los elementos que la forman. La
incertidumbre que existe cuando las estructuras de cimentación se construyen de
concreto armado es conocer su módulo de deformación unitaria, el cual es bien
sabido aumenta con el tiempo. Así pues, podría aseverarse que la ISE (Interacción
suelo-estructura) de una estructura recién construida es diferente a medida que pasa el
tiempo y no es sino hasta que ha transcurrido un tiempo suficiente para el cual ya no
aumentan las deformaciones plasto-viscosas del concreto cuando la configuración
alcanzará una posición estable. En lo que respecta al suelo y principalmente a suelos
arcillosos y saturados, donde se presentan propiedades dependientes del tiempo,
podrá decirse que los esfuerzos de contacto también varían en función del tiempo
haciendo cambiar los elementos de estabilidad de la estructura de cimentación.
3.2.5 Fundaciones
3.2.5.1 Definición de fundación: podemos definir a las fundaciones como la parte de la
estructura civil que debe cumplir la función de soportar las cargas gravitacionales
(permanentes y variables), cargas dinámicas (sismo, impacto o viento) y distribuirlas
de la manera más adecuada y en la profundidad necesaria, para que el suelo pueda
soportarla durante toda la vida de la obra. Es el elemento intermedio entre la
superestructura y el suelo de soporte o roca; por esto, es que debe ser uno de los
elementos proyectados con mayor cuidado.
Las fundaciones generalmente se hacen de: concreto, piedra, secciones
metálicas debidamente protegidas, de ladrillos resistentes o de cualquier otro material
que cumpla sus funciones. El objeto de una fundación es proporcionar el medio para
que las cargas de la estructura, concentradas en columnas o en muros, se transmitan al
terreno produciendo en éste un sistema de esfuerzos que puedan ser resistidos con
43
seguridad sin producir asentamientos, o con asentamientos tolerables, ya sean estos
uniformes o diferenciales. Una buena fundación debe colocarse a una profundidad
adecuada para impedir las socavaciones o los daños que puedan causar futuras
construcciones cercanas; también debe ser segura contra la falla del suelo y no
asentarse a un punto tal que desfigure o dañe la estructura.
Hay que destacar que la base de la estabilidad de una edificación, tanto para
levantarla como para que se mantenga en pie, es el diseño de una buena fundación.
La fundación de cualquier estructura debe cumplir con:
a) Trasmitir al terreno las cargas estáticas.
b) Trasmitir las cargas dinámicas.
c) Dimensiones ajustadas a la capacidad de resistencia del suelo en el
tiempo.
d) Que los asentamientos no superen los límites admisibles
e) Prevenir los asentamientos por sobre consolidación.
f) Prevenir la licuefacción del suelo en caso de sismos.
g) Trabajar en conjunto, limitando los desplazamientos diferenciales,
horizontales y verticales, entre los apoyos.
Cuando sea factible elegir el sitio donde se ubicará la fundación, es conveniente
un lugar de terreno firme, libre de problemas de las amplificaciones locales del
44
movimiento del terreno que suelen presentarse en los terrenos blandos y de
asentamientos excesivos y pérdida de capacidad de apoyo que ocurre en algunas
arenas poco compactas con un sismo.
3.2.5.2 Generalidades sobre fundaciones: la decisión de elegir un tipo de fundación
depende de tantos factores que resulta casi imposible disponerla dentro de márgenes
definidos. Generalmente surge como principales variables, el tipo de suelo, la
magnitud de las cargas, la profundidad de implantación de la fundación y la planta de
estructuras. Sumado a éstos los factores económicos; el costo de la fundación con
relación al costo total del edificio determina muchas veces la decisión de hacer
realidad o no un proyecto. En muchas oportunidades, en el proceso de cálculo de un
edificio, se deja para lo último el estudio de las fundaciones. Inclusive, tanto para el
arquitecto como para el ingeniero, las fundaciones, como son elementos que no se
verán porque quedan enterradas, no despiertan preocupación o interés por sus
características y diseño. Y en la mayoría de los casos son ellas las que provocan
indeseables patologías en los edificios.
Es necesario que al nivel de los croquis preliminares del proyecto de
arquitectura, se estimen las cargas que llegarán al suelo para realizar, en esa etapa, el
prediseño de las fundaciones.
Las fundaciones son elementos estructurales encargados de transmitir las cargas
de la superestructura al suelo. Una buena cimentación debe colocarse a una
profundidad adecuada para impedir los daños de las heladas, las socavaciones o los
daños que puedan causar futuras construcciones cercanas; también debe ser segura
contra la falla del suelo y no asentarse a un punto tal que desfigure o dañe la
estructura.
45
Las fundaciones, en forma similar a los restantes elementos estructurales de una
edificación, deben satisfacer las exigencias de resistencia y estabilidad para cualquier
combinación de cargas exteriores actuantes previstas en el cálculo. Su elaboración
consta de dos etapas fundamentales:
1. Análisis de la base: donde se determina la forma y dimensión en planta de
la base según la magnitud de las cargas de servicio, la calidad del suelo de fundación
y sus esfuerzos admisibles, la profundidad del estrato donde se apoya la base y del
espacio disponible en planta para ubicarla.
2. Diseño de la base: donde se define la altura útil de la base junto con la
cantidad y forma de distribución del acero de la armadura resistente basándose en las
cargas mayoradas y las reacciones ficticias del suelo σu; cuyo valor es solo una
herramienta del diseño que permite calcular la magnitud de los momentos flectores,
fuerzas de corte y punzonado para definir la altura útil y el área necesaria de acero de
la armadura resistente. Además, el análisis comprende la consideración de cargas de
viento o sismo y se debe sumar su efecto a las anteriores.
La mayoría de las fundaciones se materializan en concreto armado y sólo en
algunos casos, en concreto sin armar o ciclópeo.
3.2.5.3 Importancia de las fundaciones: es evidente que para que una estructura
ofrezca una seguridad y comportamiento razonable ha de contar con una fundación
adecuada. Aunque la fundación es algo que no llama la atención y pasa inadvertida por
los usuarios de la estructura, la organización de sus elementos básicos y el estudio de
cada una de sus partes suele exigir de la mayor destreza y el mejor criterio. La
construcción de una fundación es el trabajo más difícil de todos los que se presentan al
realizar una obra.
46
3.2.5.4 Factor de seguridad en fundaciones: los edificios son diseñados con la base de
introducir al análisis un factor de seguridad (F) que puede ser definido como la
proporción de la resistencia R de la estructura a las cargas aplicadas L (S = R/L). La
magnitud del factor de seguridad depende principalmente de la fiabilidad de los datos
de diseño y la valoración de la resistencia estructural y las cargas aplicadas. La
exactitud de los análisis estructurales, la calidad de la construcción, el mantenimiento,
la probabilidad y gravedad de una falla durante la vida de servicio de la estructura,
también influyen en el valor de F. En el diseño de fundaciones hay más incertidumbres
y aproximaciones que en el diseño de otras estructuras, por la complejidad del
comportamiento del suelo y el conocimiento incompleto de las condiciones del
subsuelo. Estas incertidumbres y aproximaciones deben ser evaluadas para cada caso y
asignar un factor de seguridad que sea razonable, pero tomando en cuenta algunos o
todos los siguientes aspectos:
1. Magnitud de los daños (pérdida de vidas, pleitos, daño a la propiedad).
2. Costo relativo de aumentar o disminuir F.
3. Cambio relativo en probabilidad de falla por cambiar F.
4. Fiabilidad de los datos del suelo.
5. Tolerancias constructivas.
6. Cambios de las propiedades del suelo debido a operaciones constructivas.
7. Exactitud (o aproximaciones usadas) en el desarrollo de los métodos de
diseño/análisis
3.2.5.5 Capacidad de carga de las fundaciones: la falta de datos sobre las
47
características físicas y constitución del suelo sobre el cual se pretende construir una
estructura ha sido causa de que, al erigirse ésta, se presenten sorpresas y gastos
extraordinarios que bien podrían haber sido evitados mediante un estudio del suelo
antes de la construcción.
Conocido es el hecho de que cuando una estructura se asienta en forma desigual
se provocan en la misma deformaciones que ocasionan grietas que pueden ser muy
perjudiciales a la estabilidad de ella y, en no pocas ocasiones, el asentamiento ha sido
causa del colapso total de la estructura. Un adecuado estudio del suelo sobre el cual
se pretende levantar una construcción facilita al ingeniero los datos necesarios para
determinar el tipo y diseño más apropiado y económico de la fundación y es, además,
una garantía previa a la buena edificación. Comúnmente, el costo de la investigación
del suelo representa un porcentaje muy bajo del costo de la estructura y el posible
ahorro en tiempo y dinero equivale en casi todos los casos a varias veces el costo de
los estudios hechos del suelo.
Existe la creencia muy generalizada de que cualquier terreno puede sostener
eficientemente una construcción liviana y que por lo tanto no requiere un estudio del
suelo. Sin embargo, la técnica moderna está en completo desacuerdo con esa creencia
y los hechos han demostrado muy a menudo que casas residenciales y construcciones
similares han sido seriamente afectadas debido al desconocimiento de las
características del suelo y por ende al proyecto de una fundación inadecuada en cada
caso. Hay que entender bien que no en todos los casos se requieren los mismo
estudios, sólo en casos especiales se justifican métodos de muestreo y de ensayos
altamente especializados, pero en la mayoría de los casos no se necesita más que una
previsión que puede efectuarse por medio de ensayos simples con los cuales se
pueden obtener resultados satisfactorios en la ingeniería de suelo. Es necesario notar
que en la naturaleza compleja de los suelos se provocan ciertas diferencias en su
comportamiento real en el terreno con relación al comportamiento cuando son
48
ensayados en laboratorio, bajo condiciones bien definidas, y por lo tanto es necesario
balancear con buen criterio los resultados que da la teoría, en función de los datos de
laboratorio, y el conocimiento empírico sobre la validez que en cada caso debe darse
a los resultados.
3.2.5.6 Definición de la carga admisible en una fundación: es aquella que puede ser
aplicada sin producir desperfectos en la estructura soportada, teniendo además, un
margen de seguridad dado por el llamado coeficiente de seguridad adoptado o factor
de seguridad. La carga admisible no depende únicamente del terreno, sino también de
las dimensiones de la fundación, característica de la estructura y del coeficiente de
seguridad que se adopte en cada caso.
Por experiencias y observaciones relativas al comportamiento de las fundaciones se
ha visto que la falla por capacidad de carga de las mismas, ocurre como producto de
una rotura por corte del suelo de desplante de la cimentación. Son tres los tipos
clásicos de falla bajo las fundaciones:
a) Falla por corte general: se tiene en arenas densas y arcillas rígidas, se
caracteriza por la presencia de una superficie de deslizamiento contínua dentro del
terreno, que se inicia en el borde de la cimentación y que avanza hasta la superficie
del terreno, como se puede observar en la figura 3.1.
b) Fallas por punzonamiento: se caracteriza por un movimiento vertical de la
cimentación mediante la compresión del suelo inmediatamente debajo de ella. La
rotura del suelo se presenta por corte alrededor de la cimentación y casi no se
observan movimientos de éste junto a la fundación, manteniéndose el equilibrio tanto
vertical como horizontal de la misma, (ver figura 3.2)
49
c) Falla por corte local: Se tiene en arenas medias y flojas y en arcillas suaves,
representa una transición entre las dos anteriores, pues tiene características tanto del
tipo de falla por corte general, como la de punzonamiento. En este tipo de falla existe
una marcada tendencia al bufamiento (fenómeno que se presenta en una excavación
consistiendo en la elevación del nivel del terreno en la superficie de la erosión ya
efectuada) del suelo a los lados de la cimentación y además la compresión vertical
debajo de la cimentación es fuerte y las superficies de deslizamiento terminan en
algún punto dentro de la misma masa del suelo. Solamente cuando se llega a
presentar un caso de desplazamiento vertical muy grande (del orden de la mitad del
lado o del diámetro de la zapata) puede suceder que las superficies de deslizamiento
lleguen a la superficie del terreno, pero aun en este caso no se produce una falla
catastrófica ni inclinación de la zapata.
Aunque son bastante bien conocidas las diferencias entre los tipos de falla, no existe
un criterio numérico general que permita predecir el tipo de rotura que se presentará,
aunque puede decirse que el tipo de falla dependerá de la compresibilidad del suelo
en cuanto a las condiciones geométricas y de carga existentes. En un suelo
prácticamente incompresible el tipo de falla será por corte general. Sin embargo, si el
suelo es muy compresible en relación con su resistencia al corte el tipo de falla será
por punzonamiento.
Figura 3.1 Superficie de deslizamiento [14]
50
Figura 3.2 Falla por punzonamiento [14]
Figura 3.3 Falla por corte local [14]
En la actualidad el único parámetro racional que existe para la evaluación de la
compresibilidad relativa de masas de suelos sujetas a cargas es el llamado índice de
rigidez, que viene expresado así:
Ir = siendotan.pc
GG
i
G = )1(2
E
(3.1)
51
Donde:
G = Módulo de deformación tangencial
= Esfuerzo de corte ya conocido.
= Coeficiente de Poission.
E = Módulo de elasticidad estático o modulo de elasticidad de Young.
El índice de rigidez del suelo ha sido asociado con el supuesto comportamiento
elastoplástico perfecto del suelo.
Con el propósito de tomar en cuenta la deformación volumétrica media ( ) en
la zona plástica se ha sugerido que el valor dado anteriormente de Ir sea reducido a Irr
= Ir . F, en que F es igual
a .1
1
rI
Un alto valor de Irr, mayor de 250, indica de manera definitiva un suelo
incompresible, mientras que un valor pequeño de Irr, por ejemplo de 10, indica un
suelo relativamente compresible.
El cálculo de la capacidad de carga límite de falla de una fundación constituye
un problema de equilibrio elastoplástico. La dificultad de encontrar soluciones
aceptables estriba en conocer sus relaciones constitutivas: esfuerzo-deformación-
tiempo.
52
En general el problema de capacidad de carga se presenta de la siguiente
manera:
Se considera una fundación, de ancho B y largo L, desplantada en una masa de
suelo a una profundidad Z. La masa de suelo es de extensión semi-infinita y
homogénea, con un peso volumétrico y características de resistencia al esfuerzo de
corte definidas por una línea de resistencia intrínseca recta y curva, esfuerzo-
deformación típica de cuerpo rigido-plástico.
Figura 3.4 Esfuerzo-deformación típica de cuerpo rígido-plástico [14]
En el análisis del problema de la capacidad de carga se aceptan las siguientes
simplificaciones:
a) En la figura 3.4a se desprecia la resistencia al esfuerzo cortante a lo largo
de b-c del suelo, que actúa como sobrecarga.
b) En la misma figura a, no se toma en cuenta la fricción entre la sobrecarga y
la cimentación a lo largo de a-d, ni aquella entre la sobrecarga y el suelo de apoyo a
lo largo de a-b (ver figura 3.4b).
c) Se supone que el largo L de la cimentación (figura 3.4a) es grande
comparado con su ancho B.
53
Son varios los estudios teóricos que se conocen y que se pueden aplicar en la
resolución de los problemas relativos a la capacidad de carga de las cimentaciones en
diferentes suelos.
Entre dichos estudios teóricos se encuentran los de Prandtl, Krey, Fellenius y
otros. Sin embargo, una solución menos exacta del problema, pero más sencilla, es la
propuesta por el Dr. Terzaghi y que ha demostrado ser lo suficientemente aproximada
para todos los casos en el campo de su aplicación práctica. La solución de Terzaghi
asume que existen tres zonas (ver figura 3.5) con movimientos diferentes bajo y
alrededor de la aplicación de la carga:
La zona I, que es la que se encuentra inmediatamente debajo de la cimentación,
tiene forma de cuña y no puede penetrar en el suelo a menos que la presión de los
lados inclinados AC y BC alcance la presión pasiva del suelo adyacente. Al moverse
la zona I lo hace verticalmente hacia abajo junto con la fundación.
La zona II, denominada zona de corte radial, es una zona de falla, y las grandes
deformaciones que se presentan en ella provocan un levantamiento de la zona III, la
cual trata de resistir a dicho levantamiento con el peso del material de la misma. La
resistencia de la zona III variará de acuerdo a su tamaño, con el peso volumétrico del
material y con la resistencia del deslizamiento a lo largo de la parte inferior CDE de
dicha zona, resistencia que es función del ángulo de fricción interna, de la cohesión y
del peso del suelo. El límite inferior ACDE se compone de dos líneas rectas, AC y
DE, con inclinación de 45° + /2 y 45° - 2/ con respecto a la horizontal,
respectivamente.
Para el instante de la falla el Dr. Terzaghi presentó la ecuación siguiente, que
sirve para determinar la capacidad de carga límite de una fundación corrida o
contínua para falla por corte general, cuando la S.P.T sea mayor a 15 golpes:
54
qd = c.Nc+ .Z.Nq+0.5 .B.N’w; Z=Df
(3.2)
Que representa el esfuerzo máximo por unidad de longitud que puede aplicarse
a la fundación, es decir que qd representa la capacidad de carga límite de la
cimentación. En esta última ecuación (3.2), Nc , Nq y Nw son coeficientes
adimensionales que dependen únicamente del ángulo de fricción interna del suelo y
se llaman factores de capacidad de carga debidos a la cohesión, a la sobrecarga y al
peso del suelo, respectivamente.
La ecuación de qd (3.2) es la fundamental en la teoría dada por Terzaghi y con
ella se puede calcular la capacidad de carga límite de una fundación contínua y poco
profunda (profundidad de desplante igual o menor que el ancho de la fundación)
cuando se trate de falla por corte general. Para caso de corte local y punzonamiento,
el Dr. Terzaghi corrigió su fórmula por corte general, para S.P.T. = 15 golpes, así:
qd = c’.N’c+ .N’q+0.5 .B.N’w; Z=Df
(3.3)
Los valores de Nc , Nq y Nw para falla por corte general se obtienen empleando
las curvas de trazo continuo mostrado en la figura 3.4 y los valores de N’c , N’q y N’w
empleando las curvas punteadas. El valor de c’ = 2/3 c, cohesión del suelo. El Dr.
Terzaghi desarrolló su teoría únicamente para el caso de cimentaciones continuas.
Para el caso de cimentaciones cuadradas o circulares no hay estudios teóricos que
resuelvan el problema.
55
Figura 3.5 Capacidad de carga de las fundaciones [14]
3.2.5.7 Requerimientos básicos para el análisis y diseño de una fundación: toda
fundación debe ser capaz de satisfacer los requerimientos siguientes:
1. Asegurar la estabilidad y funcionalidad de las fundaciones durante toda la
vida útil de la superestructura.
2. La fundación debe estar convenientemente ubicada considerando
cualquier influencia futura que pueda afectar desfavorablemente su funcionamiento,
particularmente en el caso de fundaciones aisladas y losas de fundación, las cuales
pueden estar sometidas a la erosión superficial o encontrarse sin suficiente
confinamiento lateral en el caso de fundaciones en taludes.
3. El suelo de fundaciones debe tener suficiente grado de seguridad contra
una falla por capacidad portante.
4. La fundación no debe sufrir asentamientos totales y diferenciales de tal
magnitud que ocasionen daños a la estructura.
5. La fundación debe ser estable ante los efectos de deslizamiento y
volcamiento.
56
6. Obtener una solución razonablemente económica.
7. Lograr una forma sencilla de ejecución, en un plazo lo más breve posible.
Cuando las condiciones del suelo requieren el uso de pilotes, la elección más
adecuada de los mismos involucra tomar en consideración diversos factores, tales
como las características del subsuelo, la profundidad necesaria, la magnitud de las
cargas impuestas, el espaciamiento, dimensiones, entre otras. Sin embargo, debe
tenerse en cuenta que el análisis de las fundaciones, conjuntamente con los principios
de la mecánica de suelos, no se ajusta a reglas fijas ni ecuaciones matemáticas
exactas, sino aproximadas, y que el terreno es un medio elástico heterogéneo, del cual
se obtienen sólo datos cercanos a la realidad y variables con el tiempo.
3.2.5.8 Procedimiento general de diseño de fundaciones: en términos generales, el
proceso de diseño de una fundación involucra los pasos siguientes:
1. Establecer los objetivos del proyecto y las condiciones de diseño o
evaluación. Se debe conocer:
La intención que se asigna al proyecto y el alcance del trabajo asociado.
Los criterios de cargas y profundidades de fundación.
Los requerimientos de operación de las instalaciones y tolerancias de los
asentimientos totales y diferenciales.
Los programas de construcción.
57
Las restricciones económicas y de ambiente (condiciones climáticas).
2. Estimar las cargas actuantes.
3. Obtener las características de estratigrafía del sitio, las propiedades físicas
e ingenieriles de cada estrato del suelo y los niveles de oscilación del
agua subterránea.
4. Dibujar un perfil representativo del suelo de fundación con la información
antes mencionada (en un sitio pueden requerirse varios perfiles representativos, según
el grado de variabilidad del suelo). Esta información debe estar contenida en el
informe Geotécnico del sitio en donde se desarrollará el proyecto.
5. Identificar los niveles de apoyo factibles y proporcionar los posibles
sistemas de fundación considerando el tipo de estructura, la magnitud de las
cargas y el perfil del suelo.
6. Evaluar preliminarmente los tipos de fundaciones más adecuados,
considerando aspectos de constructibilidad y práctica local, capacidad para soportar
las cargas previstas y susceptibilidad de sufrir asentamientos indeseables.
7. Seleccionar el tipo de fundación o en su defecto un número reducido de
opciones de fundaciones. Para cada opción de fundación se debe realizar un análisis,
según se indica en los pasos siguientes:
Seleccionar la mínima profundidad de fundación.
Seleccionar dimensiones apropiadas para la fundación.
58
Realizar un análisis de capacidad de soporte de la fundación, considerando
las propiedades ingenieriles del suelo, la profundidad y dimensiones en planta de la
fundación y un adecuado factor de seguridad.
Estimar los asentamientos, inclinaciones y desplazamientos horizontales
de la fundación debidos a las fuerzas y momentos actuantes sobre ella y comparar
esos valores con los permitidos.
Verificar la estabilidad de la fundación ante las acciones de fuerzas
horizontales y verticales de levantamiento.
Preparar un estimado de costo de cada opción de fundación analizada y
seleccionar la que ofrezca el mejor balance entre los aspectos de seguridad,
factibilidad y economía. La selección del tipo de fundación incluye también cualquier
mejoramiento requerido del suelo de fundación.
8. Realizar el diseño estructural de la fundación.
9. Evaluar la necesidad de instalar drenajes y/o protecciones de
impermeabilización al sistema de fundación seleccionado.
10. Preparar los planos de detalles para la construcción.
3.2.5.9 Tipos de fundación: en forma general las fundaciones pueden ser clasificadas
en superficiales y profundas, en este trabajo de investigación solo se describirán las
fundaciones superficiales.
59
Fundaciones superficiales: una fundación superficial es aquella en la cual
los elementos verticales de la superestructura se prolongan hasta el terreno de
cimentación, descansando directamente sobre él mediante el ensanchamiento de su
sección transversal con el fin de reducir el esfuerzo unitario que se transmite al suelo.
De este tipo son las zapatas aisladas, las zapatas conectadas, las zapatas ligadas, las
cimentaciones por trabes y las losas de cimentación. Son las que se apoyan en toda el
área de la base sobre el terreno, se construyen a profundidades aproximadas de 1.50
m, medido desde la cota superior del terreno a construir y donde el suelo ofrezca la
suficiente capacidad portante para soportar las cargas impuestas por la
superestructura, con moderados asentamientos. Es necesario verificar la
compatibilidad de los asentamientos diferenciales esperados como consecuencia de la
acción sísmica, con aquellos permitidos en el caso estático, particularmente, cuando
se construye sobre suelos no cohesivos. La seguridad de la fundación sobre suelos no
cohesivos debe contemplar la verificación de los asentamientos, incluyendo aquellos
que pudiesen ocurrir como consecuencia de la acción sísmica, los cuales deberán ser
compatibles con el nivel de desempeño de la edificación. Esto es particularmente
importante ya que los cambios volumétricos inducidos por el sismo en el suelo
pueden ser significativos, aún para arenas de moderadamente densas a densas.
60
Figura 3.6 Fundaciones superficiales [14]
Figura 3.7 Base tipo de una fundación superficial [14]
La excepción que permite utilizar las fundaciones superficiales en suelos
cohesivos o en suelos no cohesivos licuables, obedece a que para obras de poca
envergadura podría resultar más costoso el tratamiento del suelo que la edificación
61
misma. Por lo tanto, en esos se debe verificar si es posible lograr una fundación
segura, a pesar de que el suelo pueda perder la resistencia al corte durante o después
de la carga cíclica. Cuando se trate de suelos no cohesivos licuables, la capacidad de
soporte de la fundación debe calcularse con las fórmulas aplicables a suelos
cohesivos, ya que en estas condiciones el material no tiene fricción sino que solo
tiene resistencia residual (Sus). Para fines de cálculo, dicha resistencia residual puede
interpretarse de la misma manera que se interpreta la resistencia al corte sin drenaje
de los suelos cohesivos. Sólo se permitirá el uso de fundaciones superficiales en
terrenos potencialmente licuables cuando estos hayan sido debidamente tratados y se
compruebe que los asentamientos totales y/o diferenciales no comprometan el
desempeño de la estructura. Preferiblemente, las fundaciones superficiales deben
ubicarse sobre un mismo medio y evitar en lo posible que estén separadas por
discontinuidades del terreno de fundación tales como fisuras, grietas o cambios
bruscos de pendiente, o construidas sobre suelos de consistencias diferentes.
Figura 3.8 Tipos de fundaciones superficiales [14]
Fundaciones directas aisladas y continuas: existe una amplia variedad de
fundaciones directas, entre las cuales se pueden mencionar:
62
a) Fundaciones aisladas
b) Fundaciones continuas
c) Fundaciones combinadas
d) Fundaciones conectadas
e) Placas de fundación
En la gran mayoría de los casos, las fundaciones directas se materializan en
concreto armado, y por excepción, en concreto sin armar o ciclópeo.
Las fundaciones aisladas resultan del ensanchamiento del extremo inferior de
las columnas o pedestales en el plano de apoyo sobre el suelo, de modo de disminuir
la magnitud de las presiones de contacto con éste y asegurar la estabilidad de la
superestructura.
Las fundaciones contínuas se conocen también como corridas y son las que
transmiten al suelo de fundación las cargas de los muros de concreto, las paredes de
mampostería, o una fila de columnas alineadas próximas entre sí.
Las fundaciones combinadas son las que sirven de apoyo a dos columnas muy
cercanas, evitando así la superposición de sus bases aisladas. La forma y dimensiones
en planta deben adaptarse para que la resultante de las cargas y momentos de las
columnas coincida con el baricentro de la base, de modo de poder obtener una
distribución uniforme de presiones en toda el área de contacto con el suelo.
Las fundaciones combinadas se utilizan en los siguientes casos:
63
1. Cuando hay limitaciones de espacio para construir bases individuales.
2. Para excentricidades cargadas, de modo que al combinarlas en una sola,
se compensen las excentricidades y la resultante de las cargas de las columnas
coincida con el baricentro de la base en planta.
3. Cuando el suelo de fundación, o algún estrato del subsuelo, exige que el
área de apoyo de las bases individuales sea considerable.
4. En el caso de superestructuras sensibles a los asentamientos diferenciales.
5. Cuando la excavación resulta más sencilla o más económica para una
base de gran magnitud que para bases individuales.
Las fundaciones conectadas soportan cargas excéntricamente aplicadas en las
columnas, y al unirlas mediante tensores o vigas rígidas, se anula el efecto de
volcamiento y se otorga estabilidad al conjunto.
Las placas de fundación son las que reciben las cargas de un grupo de columnas
y muros. Se les utiliza cuando el área en planta de las bases aisladas resulta
prácticamente la misma que la superficie del terreno bajo la construcción. Las placas
de fundación presentan por lo general un espesor considerable y en algunos casos
tienen nervios o vigas de entramado conectando las columnas y los muros, que
cumplen la función de disminuir el espesor de las placas y aumentar la rigidez de la
fundación. No es conveniente que las bases se hallen directamente en contacto con el
suelo de fundación, por lo cual, es práctica usual extender una capa de 10 a 15 cm de
concreto pobre, o de piedra y arena apisonadas, antes de vaciar el concreto de la base,
y respetar además los espesores del recubrimiento previstos en el diseño, colocando
separadores y soportes en las barras de la armadura resistente, de modo de
64
mantenerlas en su lugar durante el vaciado. El concreto pobre que se utiliza es de
piedra o ladrillos partidos, con una dosificación de 150 a 200 kg de cemento por m3, y
la excavación de los últimos 20 cm de espesor en el terreno se debe realizar
inmediatamente antes de vaciar el concreto pobre o colocar la capa de piedra y arena
apisonada, donde apoyará la base.
La determinación de la forma y dimensiones en planta de las placas de
fundación depende de varios factores, entre estos tenemos:
a) La magnitud de las cargas de servicio que debe resistir la base.
b) La calidad del suelo de fundación y sus esfuerzos admisibles.
c) La profundidad del estrato en el cual apoya la base.
d) El espacio disponible en planta para ubicarla.
La determinación de las dimensiones en planta de las bases se realiza con
cargas de servicio y esfuerzos admisibles del suelo, mientras que el diseño exige
carga mayoradas y resistencias minoradas. Las cargas de servicio que deben soportar
las bases son las impuestas por la superestructura y comprenden las gravitacionales
que actúan en la columna, (cargas muertas y sobrecargas móviles), el peso propio de
la columna y la base, las cargas transmitidas por las vigas de riostra y las losas de
sótano, así como el peso de la tierra que cubre la base. Si además; el análisis
comprende las cargas de viento o sismo, se debe sumar su efecto a las anteriores,
(pero no en forma simultánea el viento y el sismo). En zona sísmica se permite
adoptar esfuerzos admisibles incrementados en un 33% para el suelo de fundación, al
tomar en cuenta estas cargas. En todos los casos, se deben realizar todas las
65
combinaciones posibles de las cargas que actúan directa o indirectamente sobre cada
base, y seleccionar el caso más desfavorable.
El criterio a aplicar en el análisis de placas de fundación es el siguiente:
Tomar la combinación de cargas más desfavorable, incluyendo las de sismo, y
verificar que no se supere en el suelo de fundación el valor del esfuerzo admisible
incrementado en un 33%. Adicionalmente, las bases pueden soportar cargas de
impacto o cíclicas, como ocurre por ejemplo en bases de rampas, puentes grúa,
estribos de puentes o en cimientos de máquinas. En muros de contención actúan,
asimismo, cargas laterales debidas a empujes de masas de suelo, materiales
granulares o líquidos contenidos, por lo cual sus bases deben verificarse a
deslizamiento y volcamiento. Debe tratarse que la resultante de las cargas exteriores
se halle aplicada en el baricentro de la base en planta. Para cualquier combinación de
las cargas gravitacionales, toda la base debe resultar comprimida, y si la combinación
incluye cargas de sismo, el área traccionada de la base no puede superar el 25% de la
superficie total de contacto en planta, con el suelo de fundación.
Los momentos flectores en el pie de las columnas o pedestales pueden ser
resistidos en las fundaciones, según los siguientes criterios:
Colocando vigas de riostra conectando las diferentes fundaciones del edificio.
Considerando la carga axial de la columna, trasladada paralelamente por el
efecto del momento existente y centrando la base con el punto de aplicación de esa
resultante.
En cada caso, el proyectista decide la solución a adoptar. Sin embargo, las vigas
de riostra dan una solución más coherente al problema, enlazando los pies de las
66
diferentes columnas de la estructura y permitiendo que al nivel de fundaciones el
sistema trabaje como conjunto arriostrado, más estable y seguro. Cuando ya se han
determinado la forma y dimensiones de una base, se procede a su diseño para cargas
mayoradas. A estas cargas mayoradas corresponde una reacción ficticia del suelo σu,
cuyo valor es solo una herramienta del diseño, pues permite calcular la magnitud de
los momentos flectores y fuerzas de corte y punzonado mayoradas en las bases, para
poder definir en cada caso la altura útil y el área necesaria de las barras de acero de la
armadura resistente.
Figura 3.9 Tipos de bases combinadas [14]
Placas de fundación: son losas armadas en dos direcciones ortogonales, de
grandes dimensiones, que sirven de cimientos a un grupo de columnas o muros, o
soporta estructuras tales como silos, estanques de agua, depósitos, chimeneas, torres
de alta tensión, entre otros.
67
En general, las estructuras usuales de edificio, resulta más económico fundar las
diferentes columnas y muros en bases aisladas o corridas, con armadura únicamente
en la cara inferior de las zapatas. En las placas, por el contrario, el volumen de
concreto es considerable y por lo general se las arma junto a los bordes superior e
inferior, lo cual encarece su costo.
Figura 3.10 Tipos de placas de fundación [14]
Las placas de fundación se pueden clasificar en:
a) Placas directas
b) Placas flotantes
c) Placas sobre pilotes
68
Las placas directas son las que se apoyan sobre el terreno, toda su área en
planta, a cualquier profundidad, sin tomar en cuenta el volumen de tierra excavada
para la cimentación. Por lo tanto, pueden ser superficiales o profundas, sin que la cota
de apoyo sea considerada como un parámetro que afecta el comportamiento del suelo.
Las fundaciones flotantes son las que se basan en la técnica de la flotación, que
consiste en ubicar la placa a una profundidad tal que el peso del suelo excavado
iguale el transmitido por el cimiento. En consecuencia, los únicos asentamientos que
se tomarán en cuenta son los debidos a la recompresión el suelo luego de expandirse
durante la excavación.
Otra clasificación de las placas de fundación es según:
a) Su sección transversal
b) Su forma en planta
c) El tipo de solicitación
d) Las cargas que soportan
e) La rigidez estructural
Según la sección transversal de las placas, se distinguen:
a) Las placas macizas
b) Las nervadas
69
c) Las de tipo cajón
Las placas macizas son las más simples, armadas en dos direcciones
ortogonales en forma ininterrumpida, en sus bordes superior e inferior. Generalmente
las columnas que se apoyan en las placas se alinean perpendicularmente entre sí, si
bien es posible que también se distribuyan aleatoriamente. En todos los casos se debe
verificar que las cargas transmitidas no superen los esfuerzos admisibles del suelo, ni
los esfuerzos límites en las secciones de concreto armado, por flexión, corte y
punzonado.
Las placas nervadas son las que presentan nervios o vigas conectando las
columnas, con lo cual se logra incrementar la rigidez de la fundación. Los nervios
pueden ubicarse junto al borde inferior o superior de la placa, pero generalmente este
último caso es más usual. Los nervios pueden ser unidireccionales o colocados en
forma de cuadricula, ortogonalmente.
Las placas de fundación en forma de cajón se utilizan cuando se desea construir
una placa muy rígida, que minimice o anule los asentamientos diferenciales,
especialmente en suelos débiles y compresibles, o con defectos en el subsuelo, las
cuales permiten aumentar considerablemente la inercia del conjunto con peso
reducido, ya que están formadas por placas delgadas rígidamente vinculadas en los
nodos formando vanos interiores que se pueden utilizar como sótanos.
Las cargas que actúan sobre las placas de fundación pueden ser estáticas o
dinámicas. Las primeras son debidas al peso propio y sobrecargas fijas de la
superestructura y las segundas al viento, sismo, impactos, paso de vehículos,
vibraciones de maquinarias, entre otros.
70
Las cargas estáticas pueden ser puntuales, como en el caso de las columnas, o
lineales, como en los muros, según su eje longitudinal. Las reacciones del suelo serán
siempre distribuidas uniformemente o en forma lineal, en toda el área de la fundación.
3.2.5.10 Factores que determinan el tipo de fundación
A continuación se exponen ciertas normas breves que han de ser tomadas en
cuenta para el proyecto de cualquier cimentación. En rigor, lo que más adelante se
dice es aplicable tanto a fundaciones poco profundas, como a otras desplantadas a
mayor profundidad, pues se trata de comentarios de orden general que deben presidir
cualquier proyecto de cualquier fundación.
En general, los factores que influyen en la correcta selección de una fundación
dada pueden agruparse en tres clases principales:
1) Los relativos a la superestructura, que engloban su función, cargas que
transmite el suelo, materiales que la constituyen, entre otros.
2) Los relativos al suelo, que se refieren a sus propiedades mecánicas,
especialmente a su resistencia y compresibilidad, a sus condiciones hidráulicas, etc.
3) Los factores económicos, que deben balancear el costo de la fundación en
comparación con la importancia y aún el costo de la superestructura.
De hecho, el balance de los factores anteriores puede hacer que diferentes
proyectistas de experiencia lleguen a soluciones ligeramente distintas para una
fundación dada, pues el problema carece de solución por falta de un criterio “exacto”
para efectuar tal balance, que siempre tendrá una parte de apreciación personal.
71
En general, puede decirse que un balance meditado de los factores anteriores
permite un análisis preliminar a un proyectista con experiencia eliminar todos
aquellos tipos de fundaciones inadecuados para resolver un problema específico,
quedando sólo algunos que deberán de ser más cuidadosamente estudiados para elegir
entre ellos unas cuantas soluciones que satisfagan todos los requisitos estipulados
desde el punto de vista estructural, de suelos, social, entre otros, para escoger de entre
éstos el proyecto final, generalmente con una apreciación simplemente económica. Si
ha habido éxito en todas las etapas del estudio, la solución final representará un
excelente compromiso entre requerimientos estructurales y costo.
Debe observarse que al balancear los factores anteriores, adoptando un punto de
vista estrictamente ingenieril debe estudiarse no solo la necesidad de proyectar una
cimentación que se sostenga en el suelo disponible sin falla o colapso, sino también
que no tenga durante su vida asentamientos o expansiones que interfieran con la
función de la estructura. Se llega así a la contribución fundamental de la Mecánica de
Suelos al problema de cimentaciones, contribución de doble aspecto que involucra
dos problemas de la misma importancia para garantizar el éxito final. Por un lado,
abordando un problema de capacidad de carga, se trata de conocer el nivel de
esfuerzos que la cimentación puede transmitir al suelo sin provocar un colapso o falla
brusca, generalmente por esfuerzos cortante; por otro lado, será necesario calcular los
asentamientos o expansiones que el suelo va sufrir con tales esfuerzos, cuidando
siempre que éstos queden en niveles tolerables para la estructura de que se trate. No
puede decirse, que uno de los aspectos anteriores tenga mayor importancia que el otro
en el proyecto de una cimentación; ambos deberán ser tomados en cuenta
simultáneamente y de su justa apreciación dependerá el éxito o fracaso en un caso
dado.
72
3.2.5.11 Criterios de selección del tipo de fundación
Antes de la selección del tipo de fundación se debe, cuando menos, tener una
idea de las características físicas, granulométricas, mecánicas, hidráulicas y demás
propiedades de interés que pudiera tener el suelo donde se pretende construir una
determinada estructura, tales como pueden ser la estratigrafía del suelo, la
profundidad del nivel de las aguas freáticas, la ubicación geográfica del lugar en si, su
accesibilidad para la transportación de materiales, mano de obra y equipos necesarios
para la construcción, la puesta en práctica de ciertos tipos de técnicas constructivas
así como los posibles efectos que dicha construcción puede acarrear sobre su entorno
(efectos sociales, económicos, ecológicos, etc.).
Debe también considerarse, que para poder conocer las propiedades del suelo
que sean de su interés han de realizarse ciertos procedimientos que son tan
importantes como la construcción misma, tales como, el levantamiento topográfico,
los sondeos que sean necesarios, ya sean preliminares o permanentes, la instalación
de laboratorios in situ para la realización de pruebas a las muestras, entre otras. Puede
influir la situación económica del lugar de construcción o bien podría darse el caso
extremo de que la obra sea tan compleja y el terreno tan malo para construirla que sea
necesario desarrollar un tipo de fundación muy especial.
La selección del tipo de fundación más adecuado para una estructura dada
constituye una de las actividades más difíciles de realizar en el proceso de diseño de
la sub estructura. Estas complejidades se derivan de los numerosos factores y
requisitos controlantes entre los que se pueden citar: la función de la estructura, las
cargas actuantes, las condiciones del subsuelo y el costo de la fundación en relación
con el costo de la estructura. Por otra parte, es pertinente mencionar que, debido a las
relaciones existentes entre los factores antes citados, usualmente pueden desarrollarse
varias soluciones aceptables para cada problema de fundación.
73
Para la selección del tipo de fundación, más conveniente de acuerdo con las
características mecánicas del suelo de desplante y para que los asentamientos tanto
totales como diferenciales queden dentro de los límites permitidos según el tipo de
estructura, se pueden seguir los siguientes lineamientos:
1) Usar zapatas aisladas en suelos de baja compresibilidad (Cc menor a 0.20)
y donde los asentamientos diferenciales entre columnas puedan ser controlados,
empleando el método de asentamientos iguales; incluyendo juntas en la estructura con
cierta flexibilidad en su comportamiento.
2) Cuando se encuentren suelos con compresibilidad media (Cc entre 0.2 y
0.4), para mantener los asentamientos dentro de ciertos límites, conviene emplear
zapatas continuas rigidizadas con vigas de cimentación. La intensidad de las cargas
indicará si se unen las zapatas en una o más direcciones.
3) Cuando las cargas sean bastante pesadas y al emplear zapatas contínuas
estas ocupen cerca del 50% del área del edificio en planta, es más económico usar
una sola losa de cimentación.
4) En aquellos suelos que presenten una compresibilidad mediana, alta o muy
alta, y que además tengan baja capacidad de carga, es recomendable el uso de
cimentaciones compensadas. Estos suelos pueden presentar un índice de comprensión
Cc desde 0.2 hasta más de 0.4
5) Cuando la cimentación por compensación no sea económicamente
adecuada para soportar las cargas pueden combinarse la compensación parcial y
pilotes de fricción.
74
6) Cuando las cargas sean demasiado elevadas conviene, para el caso de
suelos de baja capacidad de carga, usar pilotes de punta apoyados en un estrato
resistente.
La elección del tipo de fundación o combinación de ellas dependerá en parte de
lo complejo del problema de fundación a resolver, del tipo de suelo en que se trabaje,
de los recursos humanos, tecnológicos, económicos, entre otros, y de la experiencia y
criterio con que se cuente.
3.2.6 Acciones mínimas de servicio para el proyecto de edificaciones. Norma
COVENIN 2002-88 “Criterios de Acciones Mínimas para el Diseño de
Edificaciones”
Son los fenómenos que producen cambios en el estado de tensiones y
deformaciones en los elementos de una edificación, como las cargas, los
asentamientos, los efectos de temperatura y reología, entre otros.
Para el diseño de miembros estructurales, el diseñador deberá emplear
cualesquiera de las mayores acciones o cargas siguientes:
1) Las cargas especificadas en el código de construcción local o estatal.
2) Las cargas máximas probables, basadas no sólo en las condiciones corrientes del
sitio y uso original de los espacios de construcción propuestos sino también en
posibles acontecimientos futuros. Las cargas de magnitud incierta y que puedan ser
tratadas como variables estadísticas deberán seleccionarse con una probabilidad
específica, de manera que las magnitudes escogidas no sean sobrepasadas durante la
vida del edificio o de acuerdo con el intervalo medio de recurrencia correspondiente.
75
El intervalo medio de recurrencia generalmente utilizado para edificaciones
permanentes ordinarias es de 50 años. Sin embargo, el intervalo, puede ser ajustado a
25 años para estructuras sin ocupantes o que ofrezcan a la vida un riesgo
despreciable, o a 100 años para edificaciones permanentes con un alto grado de
sensibilidad a las cargas y un grado de riesgo a la vida y a la propiedad en caso de
falla inusualmente grande.
En ausencia de un código de construcciones local o estatal, los diseñadores
pueden guiarse por las cargas especificadas en un código de construcción modelo
nacional o por los siguientes datos:
Las cargas aplicadas a los miembros estructurales pueden ser solas, o en
combinación, las siguientes: permanentes, variables, de impacto, presión de tierra,
presión hidrostática, nieve, hielo, lluvia, viento o cargas sísmicas; fuerzas
constructivas, como las resultantes de la restricción de movimientos térmicos, de
encogimiento o movimientos por cambios del contenido de humedad; o fuerzas
causadas por desplazamiento o deformaciones de los miembros, como aquellas
originadas por flujo plástico, asentamientos diferenciales o movimientos laterales
(deriva).
Las acciones mínimas de servicio se clasifican en permanentes, variables,
accidentales, y extraordinarias.
3.2.7 Cargas de diseño
Las cargas son fuerzas externas que actúan sobre una estructura. Los esfuerzos
son las fuerzas internas que resisten las cargas. Dependiendo de la manera como las
cargas sean aplicadas, tienden a deformar la estructura y sus componentes, las fuerzas
de tensión tienden a estirarlos, las fuerzas de compresión a juntarlos, las fuerzas de
76
torsión a hacerlos enrollar y las fuerzas cortantes a deslizar unas partes de la
estructura sobre las otras.
3.2.7.1 Tipos de cargas de diseño: las cargas externas sobre una estructura pueden ser
clasificadas en varias formas. En una clasificación, pueden considerarse como
estáticas o dinámicas.
Cargas estáticas: Son fuerzas que se aplican lentamente y después
permanecen casi constantes. Un ejemplo es el peso, o carga permanente, de un
sistema de piso o techo.
Cargas dinámicas: Son las que varían con el tiempo. Incluyen cargas
repetidas y cargas de impacto. Las cargas repetidas son fuerzas aplicadas un número
de veces, que causan una variación en la magnitud y algunas veces también en el
sentido de las fuerzas internas. Un buen ejemplo es un motor desbalanceado. Las
cargas de impacto son fuerzas que someten a una estructura o a sus componentes a
absorber energía en un corto intervalo de tiempo. Un ejemplo es la caída de una carga
pesada sobre una losa de piso o la onda de choque de una explosión que golpea los
muros y techos de un edificio.
Las cargas externas también pueden clasificarse en:
Cargas uniformemente repartidas: Son fuerzas que para efectos prácticos
pueden considerarse constantes sobre un área de superficie del miembro que las
soporta. El peso muerto de una viga I de acero laminado es un buen ejemplo.
Cargas concentradas: Son cargas con una pequeña área de contacto que
puede considerarse despreciable comparada con el área de la superficie completa del
77
miembro que las soporta. Una viga secundaria apoyada sobre una viga maestra, por
ejemplo, puede considerarse para todos los efectos prácticos como una carga
concentrada sobre la viga maestra.
Otra clasificación común para las cargas externas es:
a) Carga axial: Es una fuerza cuya resultante pasa por el centroide de la
sección bajo consideración y es perpendicular al plano de la sección.
b) Carga excéntrica: Es una fuerza perpendicular al plano de la sección bajo
consideración, pero que no pasa por el centroide de la sección, flectando así el
miembro que la soporta.
c) Cargas torsionales: Son fuerzas que sobresalen del centro de corte de la
sección considerada y están inclinadas en el plano de la sección o hacia éste,
enrollando así al miembro que la soporta.
También, los códigos de construcción clasifican las cargas de acuerdo con la
naturaleza de la fuente. Por ejemplo:
a) Cargas permanentes: Incluyen materiales, equipos, construcciones u otros
cuerpos pesados apoyados en, sobre o por un edificio, incluyendo su propio peso y
que podría considerarse que permanecen siempre en su lugar.
b) Cargas variables: Incluyen todos sus ocupantes, materiales, equipos,
construcciones u otros cuerpos pesados apoyados en, sobre o por un edificio y que
podría considerarse que son movidos o relocalizados durante la vida útil esperada del
edificio.
78
c) Cargas de impacto: Son una fracción de las cargas vivas utilizadas para
tener en cuenta los esfuerzos adicionales y las deflexiones resultantes del movimiento
de las cargas vivas.
d) Cargas de viento: Son las máximas fuerzas que pueden ser aplicadas a un
edificio por el viento en un intervalo medio de recurrencia, o un conjunto de fuerzas
que produzcan esfuerzos equivalentes.
e) Cargas de sismo: Son cargas inerciales causadas por movimientos
sísmicos, estas pueden ser calculadas teniendo en cuenta las características dinámicas
del terreno, de la estructura (amortiguamiento masa y rigidez), y las aceleraciones
esperadas. Los sismos producen cargas sobre una estructura por medio de la
interacción del movimiento del suelo y las características de respuesta de la
estructura. Esas cargas resultan de la distorsión en la estructura causada por el
movimiento del suelo y la resistencia lateral de ésta. Sus magnitudes dependen de la
velocidad y tipo de aceleraciones del suelo, así como de la masa y rigidez de la
estructura.
Las acciones a considerar en caso de sismo se pueden agrupar en la forma que
se anota en la tabla siguiente:
79
Tabla 3.2 Acciones sísmicas a considerar en caso de sismo [26]
ACCIONES SÍSMICAS A CONSIDERAR
SOLICITACIO
NES
DIRECTAS INDIRECTAS
TEMPORALES Vibraciones y desplazamientos del
terreno
Maremoto. Licuefacción.
Seiches
PERMANENTES
Desplazamiento de fallas
geológicas
Desparramamiento
lateral. Deslizamiento de
taludes
La prescripción de tales acciones en Normas y especificaciones implica un
ejercicio de predicción que generalmente está limitado a las aceleraciones máximas
del terreno, su variación a nivel regional (mapas de zonificación) y efectos esperados
de las condiciones locales del subsuelo en las formas espectrales.
f) Cargas de nieve: Son las fuerzas máximas que pueden ser aplicadas por la
acumulación de nieve en un intervalo medio de recurrencia.
3.2.8 Tanques de almacenamiento
Es un depósito diseñado para almacenar o procesar fluidos, generalmente a
presión atmosférica o presión interna relativamente bajas.
80
Figura 3.11 Orientación de Tanque de Almacenamiento [25]
3.2.8.1 Tipos de tanques de almacenamiento: los tanques de almacenamiento se usan
como depósitos para contener una reserva suficiente de algún producto para su uso
posterior y/o comercialización. Los tanques de almacenamiento, se clasifican en:
a) Cilíndricos horizontales: generalmente
son de volúmenes relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas
de corte y flexión.
b) Cilíndricos verticales de fondo plano:
los Tanques Cilíndricos Verticales de Fondo Plano nos permiten almacenar grandes
cantidades volumétricas con un costo bajo. Con la limitante que solo se pueden usar
a presión atmosférica o presiones internas relativamente pequeñas. En su
configuración típica, están soportados por un tubular, denominado falda, que se
conecta a la fundación mediante pernos de anclaje. En general, se debe tener presente
que se trata de una estructura de baja hiperestaticidad, se debe evitar que la falla frágil
Ingenieria
Subrayado
Ingenieria
Resaltado
81
controle el diseño. Es recomendable seleccionar el espesor de la falda para que no
ocurra pandeo local de la misma (Figura 3.12 y 3.13).
Figura 3.12 Tanque cilíndrico vertical de almacenamiento de crudo
82
Figura 3.13 Tanque cilíndrico vertical de almacenamiento de agua
3.2.8.2Cargas de diseño para tanques verticales
1. Cargas verticales
Peso de Montaje: Peso de fabricación del recipiente de acuerdo a los planos,
más el peso adicional debido a plataformas, escaleras, etc.
Peso vacío: Peso de fabricación del recipiente más el peso de las partes internas,
tuberías, aislamiento y plataformas.
Peso de operación: Peso vacío más el peso de fluido de operación y/o del
catalizador.
Peso de Prueba: Peso vacío más el peso del agua necesaria para la prueba
hidrostática.
2. Cargas horizontales
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Resaltado
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83
Viento: para el caso de recipientes verticales con altura menor o igual a 23 m
(75,5 pies), las cargas por viento (fuerza cortante y momentos) se afectarán por los
factores de carga por viento que consideran el efecto de salientes o protuberancias del
equipo, tales como: tuberías, bocas de visita, escaleras, plataformas, entre otros. Este
factor se obtiene de la tabla siguiente y de acuerdo al diámetro del recipiente.
Tabla 3.3 Factores de carga por viento [26]
El diámetro real del recipiente se multiplicará por el “Factor de Carga por
viento” correspondiente, para obtener el “Diámetro Efectivo” por viento. (Diámetro
real del recipiente = Diámetro interno del recipiente + (2) espesor de la pared + (2)
espesor del aislamiento).
Para los casos de recipientes verticales con altura mayor de 23 m (75,5 pies) o
cuya relación altura a diámetro sea igual o mayor de 15; el ingeniero estructural
deberá calcular las cargas por viento considerando la orientación del recipiente, los
planos de detalle de las plataformas y los siguientes criterios:
a) La presión del viento se aplica en el centroide del área proyectada de la
superficie cilíndrica del recipiente con aislamiento.
DIAMETRO DEL
RECIPIENTE
FACTOR DE
CARGA
610 mm a 762 mm 1,50
762 mm a 1219 mm 1,.37
1372 mm a 1829 mm 1,28
1981 mm a 2438 mm 1,20
2591 mm o mayor 1,18
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Resaltado
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84
b) La presión del viento sobre superficies planas actuante sobre la superficie
horizontal de las plataformas, se multiplicará por 0,5 para cada plataforma.
c) El ángulo usado en el cálculo de la superficie horizontal de la plataforma,
no excederá de 180°, excepto para las plataformas ubicadas en el tope del recipiente.
d) La resultante de la presión del viento sobre las superficies cilíndricas, en
el caso de una jaula de protección para escaleras (asumir una de 390 mm (15”) de
ancho), se aplicará en el centroide del área.
e) La resultante de la presión del viento sobre las superficies cilíndricas, en
el caso de líneas de tuberías de vapor, se aplicará en el centroide del área.
f) Las presiones del viento deberán estar en concordancia con la Norma
COVENIN 2003 y las especificaciones del proyecto.
3. Combinaciones de cargas
Las zapatas y pedestales deberán diseñarse para resistir las combinaciones de
cargas siguientes:
a. Peso vacio + viento o sismo
b. Peso de operación + viento o sismo
c. Peso de prueba
3.2.8.3 Características de los tanques de almacenamiento: en general, el tipo de
tanques utilizados en las plantas industriales, consta de paredes cilíndricas, fondo
esencialmente plano y techo cónico o flotante o una combinación de ambos tipos. Los
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Ingenieria
Resaltado
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Resaltado
85
diámetros varían desde 3 m (9,8 pies) hasta más de 61 m (200 pies) y las alturas no
exceden de 15 m (49,2 pies), normalmente.
3.2.9 Tipos de fundaciones para tanques de almacenamiento
En los casos en que los tanques vayan a ser colocados sobre zonas de suelos
firmes, solamente se requerirá una sencilla preparación del sitio.
En los casos en que el subsuelo del área de ubicación de los tanques de
almacenamiento, consista de estratos de suelos blandos y compresibles, cuyo espesor
total no exceda de 6 m (19,7 pies), se recomienda la utilización de los siguientes
métodos de diseño de fundaciones:
a) Cuando el espesor total de suelos compresibles o blandos varía entre 915
mm y 1524 mm (3 a 5 pies), es recomendable la excavación de los mismos y su
reemplazo con material granular de relleno compactado. Es importante, indicar que el
relleno compactado cubrirá un área mayor que la comprendida en el perímetro del
tanque.
b) Cuando los estratos de suelos compresibles se ubiquen a mayor
profundidad que la antes indicada y en caso de que se disponga del tiempo requerido,
se recomienda la precarga del estrato compresible antes de iniciar la construcción del
tanque. El objetivo de este procedimiento es aumentar la resistencia del subsuelo y
reducir la magnitud de los asentamientos del tanque durante su servicio u operación.
c) Eventualmente puede adoptarse una solución consistente en colocar la
fundación del tanque sobre una capa de relleno de alta resistencia, la cual “flota”
sobre los estratos blandos o compresibles subyacentes. Esta solución es práctica,
cuando el área de colocación de los tanques debe ser rellenada por otras razones; en
Ingenieria
Resaltado
86
cuyo caso, la capa de relleno deberá ocupar un área más extensa que la base del
tanque y tener el espesor suficiente para prevenir la deformación o flujo lateral de los
estratos blandos referidos. Otras alternativas para evitar la deformación lateral del
subsuelo y la consecuente falla de la fundación del tanque, están representadas por el
uso de tablestacas de acero, anillos de concreto o de piedra picada.
A continuación se describen los 5 tipos de fundaciones requeridas en tanques de
almacenamiento (Crudo/Agua):
3.2.9.1 Fundaciones tipo I. Colchón de arena: este tipo de fundaciones son
recomendables para zonas relativamente secas y donde no exista mucho arrastre de
sedimentos causado por cambios climáticos o estaciónales. Su uso está limitado a
zonas donde el suelo superficial o a poca profundidad, tiene la capacidad requerida
para soportar las cargas de diseño.
Los terrenos arcillosos no son compresibles en la propia extensión de la
palabra, puesto que sufren deformaciones muy lentas en función de los esfuerzos
aplicados y de su estado higrométrico. Sin embargo, por el contrario, podemos
intentar disminuir las cargas aplicadas.
El procedimiento del colchón de arena consiste en establecer debajo de las
cimentaciones una capa de arena exenta de grava, regada y compactada a fondo. Si e
representa el ancho de la cimentación y h el espesor de la capa de arena, podemos
considerar que esta capa tiene como misión disminuir la presión sobre el terreno en la
relación (e / (e + 2h) para un elemento de gran longitud. En efecto, la presión se
reparte dentro del talud natural de arena, que aproximadamente forma un ángulo de
45° con la horizontal (e + 2h) representa, pues, el ancho mínimo necesario que ha de
tener la capa de arena.
Ingenieria
Resaltado
87
Figura 3.14 Fundación de tierra o colchón de arena para tanques de almacenamiento
[25]
3.2.9.2 Fundaciones tipo II. Anillos de piedra: las fundaciones Tipo II deberán usarse
en lugar de las fundaciones Tipo I, cuando la zona de ubicación de los tanques
presenta una o ambas de las siguientes características:
a) Clima húmedo.
b) Considerable arrastre de sedimentos causado por cambios climáticos o
estaciónales.
Este tipo de fundaciones deberá utilizarse únicamente en zonas donde los
estratos de suelo superficiales o con profundidad de hasta 457 mm (18 pulg.) tienen la
capacidad requerida para soportar las cargas de diseño.
88
Las principales rocas utilizadas para su construcción son las volcánicas o
basaltos, canto rodado de ríos, las calizas, las rocas de canteras y lajas. Antes de
usarlas se deben mojar para que no absorban el agua de mortero, colocando las más
grandes en la base y las más pequeñas en la parte superior. Para nivelar, rellenar
huecos y aumentar la superficie de contacto es recomendable emplear rocas de menor
tamaño o rajuelas, luego se vaciara el mortero que a las pocas horas endurecerá y
automáticamente proporcionará una base fuerte permanente para las rocas. Se debe
construir la fundación por capas continuas que terminen de manera escalonada,
vigilando la inclinación de los taludes y los hilos de referencia. Finalmente la capa
superior de la fundación se termina con una capa de mezcla.
3.2.9.3 Fundaciones tipo III. Fundaciones anulares de concreto: se recomienda este
tipo de fundación, cuando el suelo resistente se encuentra a una profundidad mayor
que 457 mm (18 pulg.). La profundidad del anillo de concreto deberá ser la necesaria
para apoyarlo en el estrato con capacidad de soporte adecuada, pero sin exceder el
límite de 1524 mm (5 pies) por debajo del nivel superficial del terreno.
En caso de que el subsuelo consista de estratos de alta plasticidad, donde el
estrato con capacidad de soporte adecuada este a mas de 1524 mm (5 pies) de
profundidad, se recomienda el uso de un anillo de tablestacas de acero coronado con
un anillo de concreto reforzado. La profundidad de hincado de las tablestacas será la
necesaria para obtener un factor de seguridad de 1,1 contra falla del suelo de
fundación.
Ingenieria
Resaltado
89
Figura 3.15 Fundación Anillos de Piedra para tanques de almacenamiento [25]
Figura 3.16 Vista de planta de anillo de fundación [25]
90
Figura 3.17 Fundación anular de concreto [25]
3.2.9.4 Fundaciones tipo IV. Placa de concreto armado: Estas placas se usan para
reducir los asentamientos de las estructuras situadas sobre depósitos muy compresibles
como las arcillas. En estas condiciones la profundidad a la que se desplanta la placa se
hace a veces tan grande, que el peso de la estructura más el de la losa está
completamente compensado por el peso de la masa de suelo excavado.
Comúnmente se proyectan como losas planas de concreto y sin nervaduras, las
cargas que actúan hacia abajo son las debidas a las columnas y muros. Si no hay una
distribución uniforme de las cargas de las columnas o bien el suelo es tal que pueden
producirse grandes asentamientos diferenciales, las losas deben reforzarse para evitar
deformaciones excesivas.
La forma de refuerzo es simplemente utilizando muros divisorios como
nervaduras de vigas T conectadas a la fundación, o bien usando marcos rígidos o
haciendo celdas con trabes (vigas de madera) y contra trabes, formando los llamados
cajones de cimentación.
Ingenieria
Resaltado
Ingenieria
Resaltado
Ingenieria
Resaltado
91
El volumen de concreto en las placas de concreto armado es considerable y por
lo general se las arma junto a los bordes superior e inferior, lo cual encarece su costo.
Sin embargo en ciertos casos se prefiere recurrir al uso de placas de fundación por las
ventajas que ofrecen de una mayor rigidez de conjunto y un mejor comportamiento
estructural, especialmente en los siguientes casos:
1) Cuando el suelo de fundación ofrece una limitación de capacidad portante.
2) Para evitar asentamientos considerables si el subsuelo presenta zonas débiles
o defectos.
3) Si existe la posibilidad de ascenso del nivel freático, con una subpresión que
puede levantar las bases aisladas poco cargadas.
4) Como apoyo de muros y columnas muy cargados, cuya bases independientes
exigen un área en planta que supera el 50% del área del predio.
Desde el punto de vista estructural las placas de fundaciones son similares a
entrepisos invertidos, donde las cargas distribuidas resultan las reacciones del suelo,
actuando de abajo hacia arriba, y las columnas y muros actúan como apoyos
puntuales o lineales.
Cuando las condiciones del subsuelo lo exigen las placas de fundación deben
apoyarse sobre pilotes, con espesor suficiente para actuar simultáneamente como
cabezales enlazados los extremos superiores de los mismos. La distribución de las
presiones de contacto de las placas de fundación con el suelo, se detalla en la figura
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Resaltado
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Ingenieria
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Ingenieria
Resaltado
92
para el caso de placas rígidas flexibles, apoyadas en terrenos de diferentes
características.
Figura 3.18 Distribución de presiones bajo placas de fundación [16]
En general, el espesor de las placas de fundación queda determinado por su
resistencia a corte y punzonado, especialmente cuando las columnas están ubicadas
cerca de los bordes, pues en este caso el perímetro de punzonado se reduce
considerablemente. La tracción diagonal debida al corte y punzonado será resistida
únicamente por el concreto, por lo cual la altura de las placas es usualmente elevada,
y la rigidez se incrementa consecuentemente.
Cuando el espesor de las placas se ve limitado por alguna razón constructiva o
económica, se deberá colocar armadura especial para absorber los esfuerzos de corte
y punzonado, o colocar nervios longitudinales o cruzados conectando las columnas.
Como desventajas cabe destacar que entre más grande sea la losa más costosos
resultan los procedimientos constructivos, en estos casos pudiera ser preferente una
93
cimentación basada en pilas o pilotes. El costo de construcción no es la única
desventaja de este tipo de cimientos, al estar en contacto con el suelo una gran área de
la losa, es necesario protegerla contra la acción de la humedad, la acción de los álcalis
(sustancias cáusticas destructivas) y la lixiviación (proceso de lavado del suelo por la
filtración del agua) entre otros fenómenos indeseables para el buen funcionamiento de
la cimentación.
En lo que concierne a la utilización de este tipo de fundaciones para tanques de
almacenamiento, las fundaciones Tipo IV deberán usarse en zonas acondicionadas y
para tanques de diámetro no mayor que 6,1 m (20 pies). Para tanques cuyo diámetro
exceda el valor antes indicado, se usará el tipo de fundación adecuado a las
condiciones del suelo existente. El diseño de la parte correspondiente a la placa de
fundación debe considerar los esfuerzos cortantes y de tensión que pudieran ser
originados por el asentamiento diferencial del subsuelo. Debido a que la fundación
Tipo IV es una modificación de la fundación Tipo III.
Clasificación de las placas de fundación según su ubicación
Losa de fundación directa: Son las que apoyan toda su área a cualquier
profundidad sobre el terreno, por lo tanto, pueden ser superficiales o profundas, sin
que la cota de apoyo sea considerada como un parámetro que afecte el
comportamiento del suelo. No toman en cuenta el volumen de tierra excavado por la
cimentación.
Losa de fundación flotante: Conocidas también como cimientos por
sustitución, son las que se basan en la técnica de la flotación, lo cual, consiste en
ubicar la placa a una profundidad tal que el peso del suelo excavado iguale el
transmitido por el cimiento. La flotación de las placas puede ser total o parcial;
94
cuando se sustituye globalmente el peso del suelo excavado por el de la placa
cargada, la flotación de la placa resulta total mientras que en el caso de una
compensación en un cierto porcentaje del total del peso de la tierra sustituida por la
carga de la losa o placa resulta ser parcial. Se aconseja su uso en suelos secos o con
nivel freático muy profundo.
Losa de fundación sobre pilotes: Son aquellas placas que se apoyan sobre
pilotes cuando las condiciones del subsuelo lo exigen. Actúan como cabezales,
enlazando los extremos superiores de los pilotes.
Clasificación de las placas de fundación según su forma en planta: la
forma en planta de una losa de fundación permite que la misma se clasifique como
cuadradas o rectangulares, respondiendo a las necesidades estructurales del edificio y
al espacio disponible. En ciertos casos, sin embargo, como en silos, chimeneas o
torres de planta circular, se adopta la forma circular o poligonal concéntrica, para
adaptarse mejor al comportamiento del conjunto.
Clasificación de las placas de fundación según el tipo de solicitación: por
el tipo de solicitación, las losas de fundación pueden ser de tipo unidireccional o
bidireccional. Las placas bidireccionales se les arma en forma cruzada, pero, en las
losas unidireccionales, la armadura principal es siempre la ubicada en dirección
ortogonal a las vigas longitudinales que conectan las columnas.
Clasificación de las placas de fundación según su rigidez: según la rigidez
relativa, las losas de fundación con respecto al suelo donde se apoyan se clasifican
como rígidas o flexibles. Una losa maciza resulta rígida o flexible dependiendo de su
espesor, de la distancia entre las columnas y de la magnitud de las cargas que éstas
transmiten a la losa.
95
Figura 3.19 Fundación placa de concreto armado [25]
3.2.95 Fundaciones Tipo V. Placa nervada de concreto armado: este tipo de
cimentación es una zapata combinada que cubre toda la superficie bajo la estructura
que soporta varias columnas y muros. Se prefieren a veces para suelos de baja
capacidad de carga pero que no tienen que soportar grandes cargas de columnas y/o
muros. Bajo ciertas condiciones, las zapatas corridas tienen que cubrir más de la mitad
de la superficie bajo un edificio, y entonces las losas de cimentación resultan más
económicas (Figura 3.20 y 3.21).
Las placas nervadas de concreto armado en ocasiones son soportadas por
pilotes que ayudan a reducir el asentamiento de una estructura construida sobre suelo
altamente compresible, cuando el nivel freático es alto, las placas se colocan a
menudo sobre pilotes para controlar la flotabilidad.
Un factor de seguridad adecuado debe usarse para calcular la capacidad de
carga neta admisible de la placa. Para placas sobre arcilla, el factor de seguridad no
96
debe ser menor que 3 bajo carga muerta y carga viva máxima. Sin embargo, bajo las
condiciones más extremas, el factor de seguridad debe ser por lo menos de entre 1.75
y 2. Para placas construidas sobre arena debe usarse normalmente un factor de
seguridad de 3. Bajo la mayoría de las condiciones de trabajo, el factor de seguridad
contra falla por capacidad de carga en losas sobre arena es muy grande.
Los anchos de las placas de cimentación son mayores que los de zapatas
corridas aisladas, la profundidad del incremento significativo del esfuerzo en el suelo
debajo de una cimentación depende del ancho de esta. Por consiguiente, para una
placa de cimentación, el ancho de la zona de influencia debe ser mucho mayor que
para una zapata corrida. Las bolsas de suelo suelto bajo una placa pueden entonces
estar más uniformemente distribuidas, lo que conduce a un asentamiento diferencial
más pequeño. La hipótesis acostumbrada es por consiguiente que, para un
asentamiento máximo de 2 pulg en una losa (50.8 mm), el asentamiento diferencial
será de 0.75 pulg (19 cm).
El diseño estructural de las placas de cimentación se efectúa por dos métodos
convencionales: el método rígido convencional y el método flexible aproximado. Los
métodos de diferencias finitas y de elemento finito también son usados. Entre los
parámetros que se deben calcular en el método rígido convencional están:
La presión (q) sobre el suelo.
Comparar los valores de las presiones del suelo con la presión neta
admisible del suelo.
Dividir la losa en varias franjas, dibujar los diagramas de fuerza cortante
(V) y momento flexionante (M) para cada franja individual.
97
Determinar la profundidad efectiva (d) de la losa revisando el cortante por
tensión diagonal cerca de varias columnas.
Obtener de los diagramas de momento de todas las franjas en una
dirección los momentos máximos positivo y negativo por ancho unitario.
Determinar las áreas de acero por ancho unitario para refuerzo positivo y
negativo.
En el método rígido convencional de diseño, la losa se supone infinitamente
rígida. Además, la presión del suelo se distribuye en línea recta y el centroide de la
presión del suelo coincide con la línea de acción de las cargas resultantes de las
columnas.
En el método flexible aproximado de diseño, el suelo se supone equivalente a
un número infinito de resortes elásticos, denominada a veces como la cimentación
Winkler. La constante elástica de esos resortes supuestos se denomina el coeficiente
(k) de reacción del subsuelo.
Para efectuar el análisis para el diseño estructural de una losa flexible, deben
conocerse los principios de la evaluación del coeficiente (k), de reacción del
subsuelo, el valor del coeficiente de reacción del subsuelo no es una constante para un
suelo dado. Este depende de varios factores, como la longitud y el ancho de la
cimentación y también de la profundidad del empotramiento de ésta. En el campo
deben llevarse a cabo pruebas de carga por medio de placas cuadradas de 1 pie x 1 pie
(0.3 m x 0.3 m) para calcular el valor de (k). El modulo de elasticidad de los suelos
granulares crece con la profundidad. Como el asentamiento de una cimentación
98
depende del modulo de elasticidad, el valor de (k) crece conforme aumenta la
profundidad de cimentación.
El procedimiento de diseño se basa principalmente en la teoría de placas. Su
uso permite que los efectos (es decir, momento, fuerza cortante y deflexión) de una
carga concentrada de columna sean evaluados. Si las zonas de influencia de dos o
más columnas se cruzan, se usa la superposición para obtener el momento, fuerza
cortante y deflexión netos en cualquier punto.
Entre los parámetros que se deben calcular en este método están:
Suponer un espeso (h) para la losa.
Determinar la rigidez por flexión (R) de la losa.
Determinar el radio de la rigidez efectiva (L’).
Determinar el momento (en coordenadas polares en un punto) causado
por una carga de columna (Mr, Mt).
Determinar la fuerza cortante (V) para un ancho unitario de losa, causada
por una carga de columna, si el borde de la losa se localiza en la zona de influencia de
una columna.
Determinar el momento y la fuerza cortante a lo largo de la cuña (suponga
que la losa es continua), momento y fuerza cortante opuestos en signo a los
determinados son aplicados a los bordes para satisfacer las condiciones conocidas,
determinar la deflexión en cualquier punto (δ).
99
Figura 3.20 Losa nervada armada [18]
Figura 3.21 Losa nervada armada en una dirección [18]
3.3 Definición de términos básicos
Acelerograma: registro de la variación en el tiempo de las aceleraciones del
movimiento del terreno en un punto y en una dirección.
Acciones: fenómenos que producen cambios en el estado de tensiones y
deformaciones en los elementos de una edificación.
100
A.C.I: Instituto Americano del Concreto (American Concrete Institute). Es una
sociedad técnica y educativa dedicada a mejorar el diseño, construcción,
mantenimiento y reparación de estructuras de concreto armado.
Amortiguamiento: capacidad de los materiales y sistemas de disipar energía. No
incluye la disipación por incursiones en el rango inelástico.
Análisis: determinación, según modelos matemáticos, de las respuestas
correspondientes a las acciones previstas.
Análisis dinámico: análisis para determinar la respuesta ante solicitaciones
dinámicas. Con frecuencia en las normas se hace referencia al análisis realizado con
base en un espectro de diseño, tomando en cuenta las propiedades modales de la
estructura y obteniendo la respuesta mediante la combinación de los valores
correspondientes a cada modo.
Anclaje: pernos, barras o planchas utilizadas para anclar el tanque al anillo de
concreto de fundación.
Asentamiento: descenso que experimenta un edificio o estructura a medida que
se consolida el terreno situado bajo el mismo. También llamado asiento.
Capacidad de carga admisible (qa): es la presión máxima que puede transmitir
una fundación al suelo subyacente, sin que éste falle por esfuerzo cortante ni por
asentimientos excesivos. Es equivalente al término: “Capacidad de carga de Trabajo”.
Capacidad de carga de una fundación (qu): es la presión máxima que puede
transmitir una fundación al suelo subyacente, sin que este falle por esfuerzo cortante.
Es equivalente al término: “Carga Ultima de una Fundación”.
101
Carga de servicio: es una combinación de cargas probables en condiciones
normales de servicio, que la estructura debe ser capaz de resistir con sus elementos
estructurales sometidos a esfuerzos admisibles, inferiores a su capacidad real.
Capacidad de soporte del suelo: la capacidad de soporte del suelo es el
parámetro más importante en la selección del tipo adecuado de fundación. Asimismo,
es necesario determinar, las propiedades geotécnicas del suelo con objeto de prevenir
asentimientos excesivos del tanque y su posible falla.
Carga mayorada: carga de servicio multiplicada por los factores de mayoración
indicados en las normas covenin-mindur.
Carga permanente: es la debida al peso de todos los componentes estructurales,
así como los sistemas y componentes no estructurales permanentes tales como
tuberías, plataformas, bandejas y equipos fijos.
Cedencia: condición caracterizada por la plastificación de por lo menos la
región mas solicitada del sistema resistente a sismos, tal como la formación de la
primera rótula plástica en un componente importante del mismo.
Cimentación: conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las
cargas de la edificación al suelo. Debido a que la resistencia del suelo es,
generalmente, menor que los pilares o muros que soportará, el área de contacto entre
el suelo y la cimentación será proporcionalmente más grande que los elementos
soportados (excepto en suelos rocosos muy coherentes).
Cimiento: cimiento significa terreno o roca, in situ, sobre el que se transmiten
las fuerzas originadas por el peso propio de la estructura y sobrecargas que
posteriormente actuarán sobre la misma, es el conjunto total de las partes
102
estructurales de la infraestructura por intermedio de las cuales se transmiten al terreno
o roca que las soporta el peso propio de la superestructura y las fuerzas que actúan
sobre ella.
Coeficiente de amortiguamiento equivalente: es la fracción del
amortiguamiento crítico que incorpora las diversas formas de disipación de energía
del sistema tanque – líquido – suelo.
Coeficiente sísmico: es el cociente entre la fuerza cortante horizontal de diseño
que actúa en el nivel de base (corte basal) y el peso total por encima del mismo.
Covenin: Comisión Venezolana de Normas Industriales. Es el organismo
encargado de programar y coordinar las actividades de normalización y calidad en el
país. Para llevar a cabo el trabajo de elaboración de normas, la COVENIN constituye
comités y comisiones técnicas de normalización, donde participan comisiones
gubernamentales y, no gubernamentales relacionadas con un área específica.
Diseño: es la determinación racional y económica de sus dimensiones, así como
la distribución y detallado adecuados de todos sus materiales y componentes,
satisfaciendo a cabalidad las normas.
Ductilidad: es la capacidad que poseen los componentes de un sistema
estructural de hacer incursiones alternantes en el dominio inelástico, sin pérdida
apreciable en su capacidad resistente (véase Factor de Ductilidad).
Demanda de ductilidad: es la exigencia de ductilidad que se origina en la
estructura cuando está sujeta a los movimientos sísmicos de diseño aquí estipulados
(véase Ductilidad y Factor de Ductilidad).
103
Efectos convectivos: son aquellos efectos dinámicos asociados a las
oscilaciones del líquido.
Efectos impulsivos: son aquellos efectos dinámicos asociados al movimiento
del líquido como un cuerpo rígido.
Espectro: representación gráfica de los valores máximos de una serie
cronológica en función de sus frecuencias o periodos.
Espectro de diseño: es aquel espectro asociado a sismos de diseño, en el cual se
ha incorporado el factor de reducción de respuesta correspondiente al sistema
resistente a sismos.
Espectro de respuesta: define la respuesta máxima de osciladores de un grado
de libertad y de un mismo amortiguamiento, sometidos a un acelerograma dado,
expresado en función del período.
Estudios de sitio: evaluación del peligro sísmico tomando en consideración las
condiciones locales del sitio.
Estructura: conjunto de miembros y elementos cuya función es resistir y
trasmitir las acciones al suelo a través de las fundaciones.
Factores de mayoración: factores empleados para incrementar las solicitaciones
a fin de diseñar en el estado límite de agotamiento resistente.
Factores de minoración: factores empleados para reducir la resistencia nominal
y obtener la resistencia de diseño.
104
Factor de seguridad: relación de un criterio de falla respecto a las condiciones
de utilización previstas. Aplicado al criterio de resistencia, cociente de la resistencia
de agotamiento dividida entre la resistencia de utilización o prevista.
Factor de ductilidad: es un valor que describe la ductilidad global que puede
tolerar el sistema resistente a sismos manteniendo su integridad; este factor
cuantifica la relación entre los desplazamientos máximos reales y los desplazamientos
calculados suponiendo un comportamiento elástico lineal de la estructura.
Factor de reducción de respuesta: es el factor que divide las ordenadas del
espectro de respuesta elástica para obtener el espectro de diseño.
Fondo del tanque: láminas metálicas que forman el piso del tanque.
Grado de riesgo: escala de clasificación de riesgos que depende del número de
personas expuestas, de las eventuales pérdidas económicas y del impacto ambiental
como consecuencia de falla o mal funcionamiento de la estructura.
Infraestructura: parte de la estructura que es necesaria para apoyar a la
superestructura en su emplazamiento y transmitir al terreno todas las fuerzas que
origina la superestructura.
Losa de fundación: es una placa de hormigón apoyada sobre el terreno que sirve
de cimentación que reparte el peso y las cargas sobre el edificio sobre toda la
superficie de apoyo.
Modo convectivo: es el primer modo de vibración del líquido contenido en el
tanque; el líquido experimenta un movimiento oscilatorio respecto a un eje horizontal
que coincide con el diámetro del tanque.
105
Modo impulsivo: es el modo de vibración del sistema tanque – líquido en donde
el líquido se mueve al unísono con el tanque.
Nivel de base: es el nivel de la estructura donde se admite que las acciones
sísmicas se transmiten a ella.
Norma: es una especificación técnica u otro documento a disposición del
público, elaborado con la colaboración y consenso o aprobación general de todos los
intereses afectados por ella, basada en resultados consolidados de la ciencia,
tecnología y experiencia, dirigida a promover beneficios óptimos para la comunidad y
aprobada por un organismo reconocido a nivel nacional, regional o internacional.
Peligro sísmico: cuantifica la probabilidad de ocurrencia de eventos sísmicos
futuros que pueden afectar en forma adversa la integridad de las instalaciones y de
sus ocupantes.
Período medio de retorno: duración media entre ocurrencias de un evento
determinado.
Probabilidad de excedencia: probabilidad de que un nivel específico del
movimiento del terreno, o un nivel de efectos económicos o sociales causados por el
sismo, sea excedido en un lugar o región durante un lapso de tiempo determinado.
Pared o concha del tanque: lámina metálica que forma la cubierta lateral del
tanque; se le suele llamar también concha (traducción del inglés Shell).
Placa anular o anillo: lámina metálica en forma de anillo que se encuentra en el
fondo del tanque exactamente debajo de la pared del tanque.
106
Período de vibración: es una propiedad del sistema tanque – líquido, que
depende de su geometría, sus masas y sus rigideces.
Procedimiento: es el modo de ejecutar determinadas acciones que suelen
realizarse de la misma forma, con una serie común de pasos claramente definidos,
que permiten realizar una ocupación o trabajo correctamente. Es un documento que
describe clara e inconfundiblemente los pasos consecutivos para iniciar, desarrollar y
concluir una actividad y operación relacionada con el proceso productivo o de
servicios, los elementos técnicos a emplear, las condiciones requeridas, los alcances y
limitaciones fijadas, el numero y características del personal que interviene, etc.
Profundidad de fundación (Df): es la distancia vertical entre la base de la
fundación y la superficie del terreno, a menos que la base de la fundación este
ubicada por debajo de un sótano o de un lecho de río, en cuyos casos la profundidad
de fundación estará referida no al nivel de la superficie del terreno sino al nivel del
piso del sótano o al nivel del lecho del río, respectivamente. Es equivalente al
término: “Profundidad de Desplante”.
Superestructura: es la parte de la estructura que se construye con el fin principal
de ser utilizada por el hombre sin preocuparse de cómo será soportada por el suelo.
Techo del tanque: sistema que conforma la cubierta superior del tanque.
Tanque: depósito diseñado para almacenar o procesar fluidos, generalmente a
presión atmosférica o presión internas relativamente bajas.
Temperatura: el diseño de fundaciones deberá considerar y adaptarse a las
condiciones de temperatura de operación del tanque.
107
Vida Útil: número de años representativos del tiempo de servicio probable de
una instalación.
Zapata: es un tipo de cimentación superficial (normalmente aislada), que puede
ser empleada en terrenos razonablemente homogéneos y de resistencia a compresión
media o alta. Consisten en un ancho prisma de hormigón (concreto) situado bajo los
pilares de la estructura. Su función es transmitir al terreno las tensiones a que está
sometida el resto de la estructura y anclarla. Cuando no es posible emplear zapatas
debe recurrirse a cimentación por pilotaje o losas de cimentación.
108
CAPÌTULO IV
METODOLOGÍA DE TRABAJO
La finalidad del trabajo consiste en presentar los aspectos metodológicos que
sustentan el estudio entre estos se tiene: la evaluación, tipo, diseño y modalidad de la
investigación, técnica e instrumentos de recolección de datos.
4.1 Nivel de investigación
El proyecto, esta enmarcado como un proyecto factible, según lo descrito en el
Manual de Trabajos de Grado de Especialización y Maestría y Tesis Doctorales
(2005)[32]
:
“Consiste en la investigación, elaboración y desarrollo de una propuesta de un modo
operativo viable para solucionar problemas, requerimientos o necesidades de
organizaciones o grupos sociales; puede referirse a la formulación de políticas, programas,
tecnologías, métodos o procesos.”
Según el nivel de conocimiento que se adquirirá se puede clasificar la presente
investigación como descriptiva, según lo descrito por Sabino, C.[30]
:
“Consiste en la caracterización de un hecho, fenómeno o grupo con el fin de
establecer su estructura o comportamiento. El investigador describe situaciones o
eventos. Los estudios buscan especificar las propiedades importantes de personas,
grupos, comunidades o cualquier otro fenómeno que sea sometido a análisis.
109
La investigación descriptiva va más a la búsqueda de aquellos aspectos que se
desean conocer y de los que se pretende obtener respuesta. Consiste en describir y
analizar sistemáticamente características homogéneas de los fenómenos estudiados
sobre la realidad. Dentro de esta investigación se conciben conjeturas descriptivas, las
cuales tienen la particularidad de ser generales y especificas, permitiendo la
comprobación (por la verificación) de los supuestos planteados por el investigador.
En este trabajo de investigación se describirá el problema existente, es decir, la
desactualización del procedimiento de ingeniería PDVSA N° L-STC-006
“Fundaciones para Tanques de Almacenamiento (Crudo/Agua)” y se propone un
procedimiento a seguir en el cálculo de las fundaciones requeridas por la industria
para soportar dichos tanque. Esta investigación cumple con dichos parámetros.
4.2 Diseño de investigación
De acuerdo con las Normas para la Elaboración, Presentación y Evaluación de
los Trabajos Especiales de Grado[33]
:
“La investigación documental depende fundamentalmente de la información que se
recoge o consulta en documentos, entendiéndose este término, en sentido amplio, como
todo material de índole permanente, es decir, al que se puede acudir como fuente o
referencia en cualquier momento o lugar, sin que se altere su naturaleza o sentido, para
que aporte información o rinda cuentas de una realidad o acontecimiento.”
Por su parte, la Universidad Pedagógica Experimental Libertador [32]
señala
que:
“La investigación documental es el estudio de problemas con el propósito de
ampliar y profundizar el conocimiento de su naturaleza, con apoyo, principalmente, en
110
trabajos previos, información y datos divulgados por medios impresos, audiovisuales o
electrónicos.”
El estudio adopta una investigación Documental, ya que la misma se basa en la
obtención y análisis de datos provenientes de materiales impresos u otros tipos de
documentos, que permitirá implementar las mejoras necesarias para la actualización
del procedimiento de ingeniería PDVSA N° L-STC-006 “Fundaciones para Tanques
de Almacenamiento (Crudo/Agua)” utilizado en la ejecución de los proyectos dentro
de la corporación.
4.3 Población y muestra
Según Sabino, C.[30]
:
“La población o universo puede estar referido a cualquier conjunto de
elementos de los cuales pretendemos indagar y conocer sus características, o una de
ellas, y para el cual serán válidas las conclusiones obtenidas en la investigación. Es el
conjunto finito o infinito de personas, casos o elementos que presentan características
comunes.”
Con respecto a la muestra el mismo autor señala:
“…. es una parte de la población, es decir, un número de individuos u objetos
seleccionados científicamente, cada uno de los cuales es un elemento del universo. Se
obtiene con la finalidad de investigar, a partir del conocimiento de sus características
particulares, las propiedades de la población. El problema que se puede presentar es
garantizar que la muestra sea representativa de la población, que sea lo más precisa y al
mismo tiempo contenga el mínimo de sesgo posible.”
111
En el presente estudio la población y muestra a ser considerada para la
realización idónea del proyecto, coinciden y son las fundaciones para tanques de
almacenamiento (Crudo/Agua).
4.4 Técnicas de recolección de datos
En primer lugar se procede a recopilar, revisar y validar el material
bibliográfico que pudiera contener información relacionada con los objetivos
previstos en este trabajo de grado, incluyendo toda la información y recolección de
datos primarios, referente al diseño de fundaciones para soportar tanques de
almacenamiento de agua o crudo, así como tesis de grados, informes técnicos, libros
y reportes finales.
4.4.1. Recolección de datos primarios
La información de datos primarios según Sabino, C.[30]
, se define como:
“Los recolectados directamente de la realidad por el investigador, usando sus
propios instrumentos de recolección”
4.4.1.1 Observación: Esta técnica permite visualizar la situación actual del
procedimiento de Ingeniería L-STC-006 “Fundaciones para Tanques de
Almacenamiento”, sus condiciones y pasos en el diseño de las mismas, para de esta
manera plantear los objetivos a desarrollar.
4.4.2 Recolección de datos secundarios
Sabino, C.[30]
define los datos secundarios como:
112
“Aquellos que han sido recolectados e, incluso, procesados por otros
investigadores”
Para el desarrollo de la investigación se tomarán como datos secundarios las
revisiones bibliográficas, Intranet de PDVSA, Internet, tesis de grado, informes
técnicos, entre otros.
4.4.2.1 Revisiones bibliográficas: instrumento mediante el cual se obtiene información
acerca de la investigación, para apoyar, sustentar y complementar la investigación con
informaciones como: los manuales de procedimientos e instrucciones, libros, normas,
tesis previas, publicaciones de Internet y registros de la empresa.
Se procede a la búsqueda, recopilación e interpretación de información
referente a Ingeniería de Fundaciones con la finalidad de establecer una buena base
de datos e información acerca de los métodos constructivos a los que se refiere la
investigación (diseño de fundaciones, concreto armado y estructuras
sismorresistentes), así como también las especificaciones técnicas de cada método y
sus características.
Se revisarán las Normas Técnicas referentes al tema estudiado, Normas
Internacionales como las ACI 318-05 (American Concrete Institute) “Requisitos de
Reglamento para Concreto Estructural” y Normas Venezolanas como las COVENIN
(Comisión Venezolana de Normas Industriales), tales como: COVENIN-MINDUR
1753-06 “Proyecto y Construcción de Obras Complementarias en Concreto
Estructural”., COVENIN-MINDUR 2003-89 “Acciones del Viento sobre las
Construcciones”, COVENIN-MINDUR 1756-01. “Edificaciones Sismorresistente”,
COVENIN-MINDUR 2002-88 “Criterios y Acciones Mínimas para el Proyecto de
Edificaciones”. (1988), COVENIN-MINDUR 2004-98 “Terminología de las Normas
de Edificaciones”, entre otras.
113
De igual manera, vale destacar el gran aporte de información de antiguos
trabajos relacionados con la investigación propuesta, de donde se tomarán muchos
parámetros e información que favorecerá el cumplimiento de los objetivos
planteados.
4.4.3 Consultas académicas: se realizarán consultas a los tutores
académicos, con el propósito de obtener asesoramiento, para realizar una
investigación dentro de los parámetros y cumplir con los propósitos establecidos
en el proyecto.
4.5 Procedimiento para la realización de la investigación
La investigación se realizará mediante el desarrollo de las siguientes etapas:
4.5.1 Etapa I:
1) Recolección y revisión de material bibliográfico: durante esta etapa se
localizarán todas las fuentes de información de datos primarios y secundarios
posibles, que guarden relación directa e indirecta con el diseño de fundaciones para
tanques de almacenamiento. Se recurrirá a instituciones que brinden algunos
antecedentes e información referente al tema para lograr alcanzar los objetivos
planteados.
2) Revisión de normas y reglamentos referentes al tema de estudio: en esta
etapa se realizará una revisión de las normas venezolanas y extranjeras que rigen el
diseño de fundaciones en nuestro país, así como también los manuales y reglamentos
que guardan relación con la situación a investigar, todos estos mencionados
anteriormente en las técnicas e instrumentos de recolección de datos.
114
3) Datos de la empresa: Recolección de organigramas de PDVSA, Gerencia
de Proyectos Mayores: en esta etapa se recopilará información sobre las
generalidades de la corporación.
4) Identificación de necesidades: una vez recabada toda la información
bibliográfica necesaria se realizará un breve diagnóstico de la situación objeto de
estudio, para luego proceder con el proyecto de investigación. En esta parte se
realizará una prioridad de las necesidades imperantes, para así delimitar el tema a
investigar, alcance y justificación del proyecto.
4.5.2 Etapa II:
1) Identificar los aspectos de las actualizaciones normativas que repercuten
en el diseño de fundaciones para tanques de almacenamiento: En esta etapa será
necesario identificar con claridad los cambios normativos más recientes, donde las
modificaciones más notables son los factores de mayoración, factores de minoración,
longitudes de anclajes, longitudes de transferencia de tensiones, espectros de diseño y
zonificación sísmica, con la finalidad de completar y mejorar el procedimiento
existente, incorporando nuevos criterios y parámetros que servirán para una mejor
ejecución de proyectos de ingeniería.
2) Descripción del diseño de tanques de almacenamiento (Crudo/agua): se
detallaran todos los parámetros implícitos en el diseño del tanque ante un evento
sísmico, como lo son: diseño sismorresistente, diseño de fuerzas por viento y
verificación de la estabilidad del tanque.
3) Descripción de los procedimientos de diseño para los diferentes tipos de
fundaciones requeridas en tanques de almacenamiento (Crudo/Agua)
115
Para la descripción de estos procedimientos se desglosaran los siguientes ítems:
Descripción del procedimiento para el cálculo de Fundaciones Tipo I:
Colchón de Arena.
Descripción del procedimiento para el cálculo de Fundaciones Tipo II:
Anillos de Piedra.
Descripción del procedimiento para el cálculo de Fundaciones Tipo III:
Anulares de Concreto.
Descripción del procedimiento para el cálculo de Fundaciones Tipo IV:
Placa de Concreto Armado.
Descripción del procedimiento para el cálculo de Fundaciones Tipo V:
Placa Nervada de Concreto Armado.
4.5.3 Etapa III:
1) Proponer un procedimiento de ingeniería para el cálculo de fundaciones
para tanques de almacenamiento mediante el empleo de flujogramas de trabajo y
acorde con los últimos cambios realizados a las Normas COVENIN 1753-06
“Proyecto y Construcción de Obras Complementarias en Concreto Estructural”,
COVENIN 1756-01 “Edificaciones Sismorresistentes” y el reglamento ACI 318
“Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural” para el Diseño de Fundaciones
de Tanques de Almacenamiento y así complementar el procedimiento actual de
Ingeniería – PDVSA Nº L-STC-006 “Fundaciones para Tanques de
116
Almacenamiento” del Manual de Ingeniería de Diseño, Volumen 18, de PDVSA
Petróleo, S.A.
2) Aplicar el procedimiento propuesto a la norma PDVSA Nº L-STC-006
“Fundaciones para Tanques de Almacenamiento”, Fundaciones Tipo III. Anulares de
Concreto: El procedimiento propuesto será adaptado al tipo de fundación antes
mencionado, mediante un ejemplo de cálculo.
4.5.4 Etapa IV:
Conclusiones y Recomendaciones
En esta sección se presentarán en forma resumida los resultados de la
investigación. Esto implica algunas recomendaciones pertinentes en el caso y se
comprueba al final que se han logrado cumplir con los objetivos trazados.
4.6 Flujograma de procedimiento de trabajo
En el desarrollo del proyecto será necesario plantear una metodología específica
que permita su satisfactoria culminación, para ello se establecerá una secuencia de
actividades, con las que se pueda cumplir con los objetivos definidos por el alcance
del proyecto. En la figura 4.1 se muestra el esquema del desarrollo del proyecto en
estricto orden de aplicación.
117
Figura 4.1 Flujograma de procedimiento de trabajo
Elaboración de la propuesta
de actualización del
procedimiento de Ingeniería
PDVSA N° L-STC-006
“Fundaciones para Tanques
de Almacenamiento”
utilizando las ultimas
emisiones de las Normas
COVENIN 1753-06, 1756-01
y el Reglamento ACI 318-05
Aplicación de la propuesta
al modelo de fundación
Tipo III: Fundación Anular
de Concreto que indica la
Norma PDVSA para
tanques de almacenamiento
(Crudo/Agua)
Identificación de los
cambios normativos
que repercuten en el
diseño de fundaciones
para tanques de
almacenamiento
Descripción del procedimiento de
diseño para los diferentes tipos de
fundaciones requeridas en tanques de
almacenamiento (Crudo/Agua)
Identificación de
necesidades
Datos de la
empresa
(Generalidades)
Revisión de
Normas y
Manuales
Recolección
del material
bibliográfico
Conclusiones y Recomendaciones
ELABORACIÓN DEL INFORME FINAL
Descripción del Diseño de Tanques de
Almacenamiento (Crudo/Agua)
ETAPA II
ETAPA I
ETAPA III
ETAPA IV
118
CAPÌTULO V
ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS
En el presente capítulo se muestran los resultados obtenidos en función a los
objetivos de investigación planteados y a la aplicación de las técnicas de recolección
de datos, las cuales son: la observación directa, la revisión documental y la estrategia
metodológica diseñada. En este sentido, se establecen los datos obtenidos para cada
objetivo perseguido, a fin de hacer más clara y comprensible la naturaleza de los
mismos, así como su utilidad con respecto a la solución de la problemática existente.
5.1 Identificación de los aspectos de las actualizaciones normativas que
repercuten en el diseño de fundaciones para tanques de almacenamiento.
5.1.1 Principales cambios Norma COVENIN 1753-06 “Proyecto y
Construcción de Obras Complementarias en Concreto Estructural”
La nueva Norma COVENIN 1753-06 presenta cambios significativos entre los
cuales podemos citar:
Diferencias en los tres niveles de diseño considerando los requerimientos
antisísmicos.
Diferencias apreciables con respecto a los recubrimientos del acero de refuerzo.
La redistribución de momentos está limitada según la deformación neta
especifica que anteriormente era función de los índices de acero.
Las combinaciones de cargas presentan factores diferentes.
119
Han variado los criterios en el análisis y diseño de secciones flexionadas y
comprimidas en función de las máximas deformaciones a tracción.
El factor de reducción de respuesta para elementos sometidos a solicitaciones
de corte y torsión fue modificado, entre otros.
Sin embargo a continuación se describen solo los cambios normativos que repercuten
directamente sobre el diseño de fundaciones para tanques de almacenamiento
(Crudo/Agua)
5.1.1.1 Requisitos para el detallado del acero de refuerzo (capítulo 7):
Separación del acero de refuerzo: en la versión del año 1987 la separación para
el refuerzo principal no era mayor que dos (2) veces el espesor del muro, losa o
placas (con excepción de losas y placas nervadas) ni más de 35 cm. En la nueva
edición del año 2006 la separación para el refuerzo principal no será mayor que tres
(3) veces el espesor del muro, la losa o placa, ni más de 45 cm.
La separación libre entre barras paralelas de una capa no será menor que el
diámetro nominal de la barra o alambre (db) ni menor que 2.5 cm. Cuando las barras
paralelas del refuerzo se colocan en dos o mas capas, las capas superiores se deben
colocar en la misma vertical de las capas inferiores, con una separación libre entre las
capas no menor a 2.5 cm. En miembros comprimidos ligados o zunchados la
separación libre entre barras longitudinales no será menor a 1.5 db ni 4 cm. Los
valores límites para la separación libre entre las barras son aplicables también para la
separación libre entre los empalmes por solape y entre estos y las barras adyacentes.
120
Estos parámetros fueron tomados en cuenta al momento del diseño y
especificaciones del acero de refuerzo de la fundación Tipo III: Anulares de
Concreto, Tipo IV: Placa de Concreto Armado y Tipo V: Placa Nervada de Concreto
Armado, ya que este nuevo límite de separación permite que el concreto pase
fácilmente entre las barras y entre éstas y el encofrado, sin crear zonas con
cangrejeras y evita la concentración de barras en una línea, lo cual podría causar un
agrietamiento por corte o retracción. El uso del diámetro nominal de la barra para
definir la separación mínima, permite un criterio uniforme para todos los diámetros.
Figura 5.1 Separación del acero de refuerzo [15]
Recubrimiento mínimo del acero de refuerzo: La tabla 5.1 extraída de la Norma
1753-06, se amplió en cuanto a su formato, se agregó la columna referente al
diámetro del acero de refuerzo y se aumentaron los espesores de recubrimiento del
acero de refuerzo en ambientes corrosivos como se muestra a continuación:
121
Figura 5.2 Recubrimiento mínimo [15]
Tabla 5.1 Recubrimientos mínimos para acero de refuerzo [11]
CARACTERISTIC
AS DEL
AMBIENTE
DIAMETR
O DEL
ACERO DE
REFUERZ
O, db
RECUBRIMIENTO MÍNIMO, cm
VIGAS Y
COLUMNAS
LOSAS
Y
PLACAS
MURO
S
CÁSCARAS
Y PLACAS
PLEGADAS
Piezas al abrigo de la
intemperie
db N° 5
(16M) y
alambres con
db< 16 mm
4,0
2,0
1,5
N° 6 a N° 11
(20M a
36M)
2,0
N° 14 y N°
18 (40M y
mayor)
4,0
122
Piezas expuestas a la
intemperie en
ambientes no
agresivos
db N° 5
(16M) y
alambres con
db< 16mm
4,0
db> N° 6
(20M)
5,0
Piezas vaciadas sobre
el terreno y
permanentemente en
contacto con el
mismo
Todos los
diámetros
7,5
No
aplica
De esta tabla se selecciono el valor del recubrimiento mínimo de acero de
refuerzo que deben tener las fundaciones Tipo IV: Placa de concreto Armado, y
fundaciones Tipo V: Placa Nervada de Concreto Armado.
5.1.1.2 Análisis y diseño. (Capítulo 8):
La altura mínima para vigas o losas nervadas con un extremo continuo fue
modificada de L/18 a L/18.5, (Tabla 5.2). En el diseño de fundación tipo V: (Placa
nervada de concreto Armado) se selecciono de esta tabla, de acuerdo con el tipo de
apoyo y la altura mínima de la placa.
123
Tabla 5.2 Altura mínima de vigas o espesor mínimo de losas, a menos que se calculen
las flechas [11]
MIEMBROS
ALTURA O ESPESOR MÍNIMO, h
MIEMBROS QUE NO SOPORTAN NI ESTÁN UNIDOS A
COMPONENTES NO ESTRUCTURALES SUSCEPTIBLES
DE SER DAÑADOS POR GRANDES FLECHAS
SIMPLEMENTE
APOYADO
UN
EXTREMO
CONTINUO
AMBOS
EXTREMOS
CONTINUOS
VOLADIZO
Losas macizas L/20 L/24 L/28 L/10
Vigas o Losas con
nervios en una
sola dirección
L/16 L/18.5 L/21 L/8
5.1.1.3 Resistencia requerida y resistencia de diseño, estados límites (capítulo 9): se
define Estado Límite aquél que corresponde a las máximas solicitaciones que pueden
resistir los miembros estructurales para no alcanzar las condiciones de inoperabilidad
o inseguridad de comportamiento, tales como, rotura frágil, figuración excesiva,
pandeo, rotaciones admisibles, fatiga, vibraciones peligrosas o pérdida de
funcionalidad y equilibrio.
Los estados límites se clasifican en:
a) Estado límite de agotamiento resistente
b) Estado límite de servicio
En el análisis y el diseño por el método de los estados límites de los miembros
de concreto reforzado dimensionado, la resistencia debe ser adecuada para soportar
124
las solicitaciones mayoradas y también un comportamiento apto en las condiciones de
servicio.
Los factores de mayoración de solicitaciones y de minoración de resistencia son
diferentes a los de las versiones previas del código ACI 318-05 “Requisitos de
Reglamento para Concreto Estructural” y la Norma Venezolana 1756-1987
“Edificaciones Sismorresistentes”, los cuales debidamente actualizado se suministran
a continuación:
Solicitaciones para el estado límite de agotamiento resistente: los estados
límites de agotamiento resistente (U) son producidos por las cargas factorizadas que
actúan en las estructuras, dando origen a solicitaciones de: flexión simple, flexión
compuesta, compresión, flexo-tracción, corte, deslizamiento, torsión y punzonado.
En la edición de la Norma COVENIN 1753-87 las combinaciones de solicitaciones se
presentaban de acuerdo a la Tabla 5.3:
Tabla 5.3 Combinaciones de solicitaciones para el tado límite de agotamiento
resistente[8]
U = 1.4 CP + 1.7 CV (5.1)
U = 0.75 (1.4 CP + 1.7 CV) + 1.0 S (5.2)
U = 0.9 CP + 1.0 S (5.3)
U = 0.75 (1.4 CP + 1.7 CV + 1.7 W) (5.4)
U = 0.9 CP + 1.3 W (5.5)
U = 1.4 CP + 1.7 CV + 1.7 H (5.6)
U = 0.9 CP + 1.7 H (5.7)
U = 1.4 CP + 1.7 CV +1.4 F (5.8)
U = 0.9 CP + 1.4 F (5.9)
125
Las combinaciones de carga, con mayor complejidad presentan factores de
mayoración diferentes en la nueva edición de la Norma COVENIN 1753-06, como se
muestra a continuación en la tabla 5.4.
Tabla 5.4 Combinaciones de solicitaciones para el estado límite de
agotamiento resistente [11]
U = 1.4 (CP + CF) (5.10)
U = 1.2 (CP + CF + CT)+1.6 (CV + CE) + 0.5 CVt (5.11)
U = 1.2 CP + 1.6 CVt + (γ CV ó ± 0.8 W) (5.12)
U = 1.2 CP ± 1.6 W + γ CV + 0.5 CVt (5.13)
U = 1.2 CP + γ CV ± S (5.14)
U = 0.9 CP ± 1.6 W (5.15)
U = 0.9 CP ± S (5.16)
U = 0.9 CP ± 1.6 CE (5.17)
Donde:
CP: Carga fija o permanente
CV: Carga variable o accidental
CF: Carga de fluidos con altura controlada
CT: Acción debida a cambios de temperatura
CE: Carga debida al empuje de tierras o granos
CVt: Cargas variables en techos y cubiertas
S: Solicitaciones debidas a acciones sísmicas
W: Solicitaciones debidas al viento
:Factor de combinación de solicitaciones
La ec. 5.10 (Tabla 5.4) corresponde a la combinación de cargas permanentes, la
ec. 5.11 (Tabla 5.4) toma en consideración las cargas permanentes y las variables, las
126
ecs. 5.12 y 5.13 incluyen las fuerzas eólicas en la combinación cargas permanentes y
variables, la ec. 5.14 toma en cuenta las cargas permanentes, variables y la acción
sísmica, las ecs. 5.15 a 5.17 se refieren a la obra en construcción, bajo la acción del
sismo, el viento o la acción debida a empujes de tierra.
El factor asignado a cada solicitación está relacionado con el grado de exactitud
con que se calcule el efecto de la carga que pueda producirse durante la vida útil de la
estructura y por la forma en que se definen las cargas en las normas. Por esta razón,
las cargas permanentes (CP) tienen menores factores de carga que las cargas
variables, (CV). Los factores de carga toman en cuenta variabilidades inherentes al
análisis estructural empleado al calcular los momentos cortantes, estos factores
también consideran la probabilidad de ocurrencia simultánea de solicitaciones.
El factor de carga para el viento (W) fue incrementado proporcionalmente (1.3 / 0.85
= 1.53 redondeado a 1.6), cuando las solicitaciones debidas al viento no hayan sido
reducidas por un factor de direccionalidad, se permite usar 1,3 W en lugar de 1.6 W.
El factor “ ” que afecta las cargas variables es un factor de carácter local que
considera la probabilidad de un mayor valor de CV en la cercanía de un miembro
particular, a diferencia del factor “ ” utilizado en la Norma 1756-01 que tiene un
carácter global porque cuantifica la incidencia de la carga variable en la estimación de
las fuerzas inerciales. Este factor que afecta las acciones variables en las
combinaciones de carga descritas en las ecuaciones 5.3 a 5.5 será uno, excepto en
pisos y terrazas de edificaciones destinadas a vivienda, en cuyo caso se toma 0.5.
El factor de carga por sismo (S) ha sido reducido de 1.2 a 1.0. En las
combinaciones de carga descritas en las ecuaciones 5.14 y 5.16 las solicitaciones
sísmicas (S) se obtienen del Capítulo 8 de la Norma 1756-01. Debe recordarse que se
usa el valor de S cuando las cargas sísmicas han sido obtenidas para las cargas
127
previamente factorizadas. Pero en el caso en que fueran calculadas inicialmente con
cargas de servicio, usar 1,5 S.
También se incluye en la nueva edición de la Norma 1753-06 una tabla que
considera varias combinaciones de cargas para determinar la condición más crítica
para el diseño como se muestra en la tabla 5.5. Es necesario prestar la debida atención
a los signos, pues un tipo de carga puede producir efectos de sentido opuesto a los de
otros. Las hipótesis de solicitaciones donde aparece el término 0,9CP se incluyen para
considerar los casos donde una carga permanente más elevada reduce los efectos de
las otras cargas.
Tabla 5.5 Solicitaciones mayoradas para diferentes hipótesis de solicitaciones en el
estado límite de agotamiento resistente[11]
ACCIONES HIPÓTESIS DE SOLICITACIONES, U
Permanentes 1,4 (CP + CF)
Permanentes y Variables
1,4 (CP + CF)
1,2 (CP + CF) 1,6 CV + 0,5CVt
1,2 CP + 1,6 CVt + CV
Permanentes, Variables y Sísmicas
1,4 (CP + CF)
1,2 (CP + CF) 1,6 CV + 0,5 CVt
1,2 CP + 1,6 CVt + CV
1,2 CP + γ CV ± S
1,2 (CP + CF) 1,6 CV + O,5CVt
1,2 CP + 1,6 CVt ± 1,6 W
1,2 CP + 0,5 CV + CVt ± 1,6 W
O,9 CP ± 1,6 W
Permanentes, Variables y Empujes de
Tierra
1,4 (CP + CF)
1,2 (CP + CF) + 1,6 (CV + CE) + 0,5 CVt
128
1,2 CP + 1,6 CVt + CV
0,9 CP + 1,6 CE, cuando CP reduce CE
Permanentes, Variables y Fluidos
1,4 (CP + CF)
1,2 (CP + CF) 1,6 CV + 0,5 CVt
1,2 CP + 1,6 CVt ± 0,8 W
0,9 CP + 1,6 CF, cuando CP reduce CF
Impacto En las combinaciones precedentes
reemplazar CV por (CV + I)
Resistencia de diseño: es la resistencia teórica multiplicada por un factor de
minoración , igual o menor que la unidad. En las ediciones previas de la Norma
COVENIN 1753-01, el factor de minoración era función de las solicitaciones axiales
o flexionales, o de ambas. En la edición 2006 el factor de minoración se determinará
del diagrama de tensiones de la sección transversal correspondiente a resistencia
teórica ( tabla 5.6)
Corte
RESISTENCIA TEÓRICA
FACTOR DE
MINORACIÓN
Flexión o flexión simultánea con fuerzas axiales
a. Secciones controladas por compresión
i. Miembros zunchados mediante refuerzo helicoidal continúo 0,70
ii. Miembros con ligaduras cerradas como refuerzo transversal 0,65
b. Secciones controladas por tracción del acero 0,90
c. Secciones en la zona de transición entre el control por compresión
y el control por tracción *
d. Flexión en ménsulas, consolas y soportes similares 0,75
129
Torsión 0,75
Tabla 5.6 Factores de minoración de la resistencia teórica [11]
* Variable, según la clasificación de la sección indicada en la figura 5.3
Figura 5.3 Variación de en función de la clasificación de lassecciones [11]
Para cualquier miembro estructural, incluyendo los muros que no
pertenezcan al sistema resistente a sismos. 0,75
Para muros estructurales que formen parte del sistema resistente a
sismos. 0,60
En los nodos y las vigas de acoplamiento reforzadas con grupos
interceptados de barras en diagonal. 0,85
Aplastamiento del concreto 0,65
Flexión, compresión, corte y aplastamiento en miembros
estructurales de concreto simple o no reforzado 0,55
130
Los factores de minoración de resistencias ( <1) toman en cuenta la
posibilidad de variación en la calidad de los materiales y las dimensiones de los
miembros, así como en la falta de precisión de los métodos de cálculo y diseño. Los
valores de varían asimismo, según la importancia del miembro estructural y el tipo
de solicitación actuante. Nótese que es menor en columnas que en vigas (caso a de
Tabla 5.5). El criterio que rige es el de columna fuerte y viga más flexible, dado que
la falla de una columna es siempre más peligrosa que la de una viga para la
estabilidad de la estructura. También, el valor de es menor en volados que en vigas
apoyadas en sus dos extremos, las cuales son más estables que las primeras. El factor
para los estados límites controlados por flexión/tracción fue incrementado de 0.80 a
0.90, a los elementos con espirales se les asigna un más alto que para las columnas
con estribos ya que poseen mayor ductilidad o tenacidad.
Por último, en columnas zunchadas se aplica un factor de minoración ( )
mayor que en las ligadas, debido al incremento de ductilidad que le otorga un
miembro comprimido, el zuncho en espiral confinado el núcleo, especialmente en el
caso de cargas dinámicas.
Estado límite de servicio: el estado límite de servicio es el que se refiere a los
efectos de segundo orden que afectan las estructuras, por la acción de cargas no
factorizadas. Este estado límite se alcanza cuando bajo las cargas de servicio se
producen efectos importantes de deformación, derivas, asentamientos,
desplazamientos laterales totales, flechas instantáneas o diferidas y vibraciones
importantes, que pueden afectar seriamente la resistencia y durabilidad prevista de
una construcción.
La tabla 5.7 indica las combinaciones de cargas de servicio que deben tomarse
en cuenta en el análisis.
131
Tabla 5.7 Combinaciones de cargas para el Estado Límite de servicio [11]
(CP) (5.18)
CV + CVt (5.19)
(CP + CF + CT) + (CV + CE) + CVt (5.20)
CP + CV ± 1,3 W (5.21)
0.9 CP ± 1,3 W (5.22)
CP + CV ± 0,7 S (5.23)
0.9 CP ± 0,7 S (5.24)
0.9 CP ± CE (5.25)
Las siglas representativas de las diferentes combinaciones de cargas para
obtener el Estado Límite de servicio son las mismas que las usadas en la Tabla 5.3
para obtener el Estado Límite de agotamiento resistente.
Resistencia del acero de refuerzo: Se ha establecido un nuevo valor límite
superior porque la deformación del acero para la tensión de 5600 Kgf/cm2 es
aproximadamente igual a la deformación de agotamiento del concreto en compresión.
El nuevo valor adoptado de la resistencia fy de los aceros no debe exceder 5620
Kgf/cm2. El uso de acero de mayor resistencia requeriría la aplicación de restricciones
adicionales.
5.1.1.4 Corte y torsión (Capítulo 11)
Corte: debido a la falta de datos de ensayos y experiencias prácticas con
resistencia especificada del concreto en compresión mayor que 700 kgf/cm2, se ha
impuesto un valor de 26 kgf/cm2, para el cálculo de la resistencia al corte de las
vigas, nervios y losas, como indica a continuación la Norma: “La resistencia teórica
por corte asignada al concreto Vc, Vc = c'f , no excederá de 26 kgf/cm2, excepto en
132
el cálculo de Vc para vigas y nervios de concreto reforzado, que tengan en el alma un
refuerzo transversal que satisfaga los requerimientos mínimos”.
Requisitos especiales viga-pared: las cantidades relativas de refuerzo horizontal
y vertical han sido intercambiadas debido a que los ensayos han demostrado que el
acero de refuerzo vertical por corte es más efectivo que el refuerzo horizontal. La
separación máxima de las barras ha sido reducida de 35 cm a 30 cm porque este acero
se coloca para restringir la anchura de las grietas, como se describe a continuación:
El área de las armaduras de corte Av no será menor que 0.0015bs y s no
excederá de d/5 ni de 35 cm. El área de las armaduras de corte Avh no será menor que
0.0025bs2, y s2 no excederá d/3 ni 35 cm. (Edición 1987).
El área de acero de refuerzo por corte perpendicular a la luz del tramo, Av, no
será menor que 0,0025bws, y s no excederá de d/5 ni a 30 cm. El área del acero de
refuerzo por corte paralelo a la luz del tramo, Avh, no será menor que 0,0015bws2, y s2
no excederá de d/5 ni a 30 cm. (Edición 2006).
Donde:
b: ancho de la cara comprimida del miembro, en cm.
bw: Anchura del alma; anchura o espesor del muro estructural; diámetro de la
sección circular; en cm.
s: separación de las armaduras de corte o de torsión en dirección paralela al
refuerzo longitudinal, cm.
133
s2: separación de las armaduras de corte o de torsión en dirección perpendicular
al refuerzo longitudinal o de las armaduras horizontales en el muro, cm.
d: distancia desde la fibra extrema comprimida hasta el baricentro del refuerzo
longitudinal en tracción, cm.
Detallado del acero de refuerzo por torsión: en la Norma COVENIN 1753-87 y
anteriores, fue presentada una relación que se requería alrededor de 1% de refuerzo
por torsión en vigas solicitadas por torsión pura y menos en vigas con corte y torsión
combinados, como una función de la relación de tensiones por corte debidos a corte y
torsión. La ecuación 5.26 fue simplificada para suponer un valor simple de este factor
de reducción y resultó en una relación volumétrica de alrededor de 0,5%.
AL,min =y l
y v
h
t
y l
cp
f
fp
s
A
f
A.c'f33,1
(5.26)
Donde:
Acp: área de la sección transversal de concreto que resiste la fuerza de corte en un
muro, o un segmento del mismo, expresada en cm2.
At: área de perfil de acero estructural, tubo o perfiles tubulares en una sección mixta,
expresada en cm2. O área de una rama de estribo cerrado que resiste torsión dentro de
una distancia s, expresada en cm2.
fyl: resistencia cedente especificada del refuerzo longitudinal torsional, expresada en
kgf/cm2.
134
fyv: resistencia cedente especificada del refuerzo transversal torsional, expresada en
kgf/cm2
ph: perímetro de la línea central del refuerzo transversal cerrado por torsión mas
extremo, expresada en cm.
s: separación del refuerzo transversal por corte o por torsión, medida a lo largo del eje
longitudinal del miembro, expresada en cm.
f’c: resistencia especificada del concreto en compresión, expresada en kgf/cm2
5.1.1.5 Longitudes de transferencia (Capítulo 12):
Acero de Refuerzo en Tracción: la longitud de transferencia (longitud de
desarrollo en las versiones anteriores) de la tensión de diseño, Ld, en términos del
diámetro de la barra con resaltes o del alambre con resaltes de las mallas
electrosoldadas solicitadas a tracción, se calculará con la ecuación 5.27, en cualquier
caso la Ld 30.
b
b
trd
yd d
d
KC
...
c'f
f283.0L
(5.27)
Con las siguientes limitaciones:
7,1. 5,2d
KC
b
trd
135
Donde:
Ld: longitud de transferencia de tensiones para una barra o alambre con resaltes, sin
gancho, expresada en cm.
fy: resistencia cedente especificada del acero de refuerzo, expresada en kgf/cm2
f’c: resistencia especificada del concreto en compresión, expresada en kgf/cm2
:,,, Factores de modificación de la longitud de transferencia de tensiones de
barras y alambres con resaltes solicitados a compresión o tracción.
Cd: separación o espesor del recubrimiento de diseño del acero de refuerzo, expresado
en cm.
Ktr: indice del acero de refuerzo transversal, expresada en cm.
db: diámetro nominal de la barra o alambre, expresado en cm.
El índice del acero de refuerzo transversal trK , se calculará con la ecuación
5.28, pero de manera simplificada se permitirá usar el valor de trK = 0, aún cuando
esté presente el acero de refuerzo transversal.
n.s
f.A01,0K
y ttrtr
(5.28)
Donde:
136
Atr = Área total del acero de refuerzo transversal contenido en una sección de
concreto que está dentro de la separación S y que atraviesa el plano potencial de falla
del acero de transferencia, en cm2.
Cd = El menor valor entre el recubrimiento y la separación del acero de refuerzo.
n = Numero de barras o alambres que transfiere sus tensiones.
,,, Factores de modificación de la longitud de transferencia.
Longitud de transferencia de tensión en grupos de barras: la longitud de
transferencia de tensiones para grupos de barras a tracción o a compresión será la de
una sola barra incrementada por los siguientes factores:
Para grupos de dos barras: 15%
Para grupos de tres barras: 20%
Para grupos de cuatro barras: 33%
Mallas de alambre con resaltos electrosoldados: el cálculo de la longitud de
transferencia se ha simplificado con relación a las disposiciones de los códigos A.C.I-
318 y la Norma 1753-87 anterior, suponiendo que solo un alambre transversal está
constituido en la longitud de transferencia. La longitud de transferencia Ld, de las
mallas de alambres con resaltes electrosoldados, medida desde la sección critica;
hasta el extremo del alambre, se calculará como el producto de la longitud de
transferencia Ld multiplicada por el factor de modificación aplicable, se permitirá
reducir la longitud de transferencia cuando el acero colocado es mayor que el
requerido, pero Ld no será menor de 20 cm, excepto cuando se calculen los empalmes
por solapes (ver figura 5.4)
137
Figura 5.4 Longitud de transferencia de malla de alambrescon resaltes
electrosoldadas[11]
Para mallas con alambres electrosoldados, con un alambre transversal como
mínimo dentro de la longitud de transferencia de las mallas de alambres
electrosoldados, , en la nueva edición de la Norma COVENIN 1753-06 será el
mayor valor entre:
(fy-2460)/fy 1,0 y 5db/Sw 1,0
(5.29)
Para mallas de alambres con resaltes electrosoldados, sin alambres transversales
dentro de la longitud de transferencia o con un alambre a menos de 5 cm de la sección
critica, el factor de modificación de mallas electrosoldadas, , será tomado como 1,0
y la longitud de transferencia se determinará como si se tratase de un alambre con
resalto. También se permitirá tomar el factor de recubrimiento 0,1 para alambres
con recubrimientos epóxico.
Empalmes por solape de barras con resaltes solicitadas a tracción: la nueva
edición clasifica los empalmes en dos clases, Tipo A y Tipo B, a diferencia de la
edición anterior la Norma donde se clasificaba en tres grupos: A, B y C. La longitud
mínima de empalme por solape de barras solicitadas a tracción será la
correspondiente a los empalmes Clase A o Clase B de la Tabla 5.8:
138
Empalme Clase A: Ld > 30 cm
Empalme Clase B: 1,3Ld > 30 cm
Tabla 5.8 Clasificación de los empalmes por solape en barras y alambres con resaltes
solicitados a tracción[11]
Empalme Clase A Empalme Clase B
En la ubicación del solape
As colocado sA2 requerido
As empalmado 50% Todas las demás condiciones
5.1.2 Principales cambios Norma COVENIN 1756-01
“EdificacionesSismorresistentes”
5.1.2.1 Mapa de zonificación sísmica (Capítulo 4): el nuevo mapa de zonificación
sísmica tiene ocho zonas: desde la zona 0, donde no se requiere la consideración de las
acciones sísmicas, hasta la zona 7, donde el coeficiente de aceleración horizontal (Ao)
es igual a 0.40; el mapa correspondiente a la versión anterior (ver figura 5.5) tenía 5
zonas, con un coeficiente de aceleración máximo que alcanzaba 0.30.
A continuación, en la figura 5.6, se presenta el nuevo mapa de zonificación
sísmica, así como también un extracto de las tablas de la clasificación sísmica del
país, la cual muestra la clasificación de acuerdo a los Estados productores de crudo en
la nación en base al nuevo mapa (Tabla 5.9).
De este nuevo mapa de zonificación sísmica, se seleccionó, para el caso que nos
ocupa el Estado donde se iba a construir el tanque, el coeficiente de aceleración
139
horizontal, la forma espectral y el factor de corrección utilizado en el diseño
sismorresistente del tanque de almacenamiento (crudo/agua).
Fig
ura
5.5
Map
a de
zonif
icac
ión s
ísm
ica
de
Ven
ezuel
a (C
OV
EN
IN 1
756
-89) [
9]
140
Fig
ura
5.6
Map
a de
zonif
icac
ión s
ísm
ica
de
Ven
ezuel
a (C
OV
EN
IN 1
756
-01) [
10
]
141
Tabla 5.9 Zonificación sísmica de Venezuela [10]
142
ESTADO
ANZOAT
EGUI
Zona 6: Municipios: Guanta, Juan Antonio Sotillo, Turístico Diego
Bautista Urbaneja.
Zona 5: Municipios: Píritu, Libertad, Fernando de Peñalver, San
Juan de Capistrano, Simón Bolívar y Area del Municipio Pedro
María Freites al Norte de la Carretera de la Encrucijada-La Ceiba-El
tejero.
Zona 4: Municipios: San José de Guanipa, Simón Rodríguez,
Aragua, Santa Ana, Anaco, Juan Manuel Cajigal, Francisco del
Carmen Carvajal, Manuel Ezequiel Bruzual, Area del Municipio
Pedro María Freites, al Sur de la Carretera La Encrucijada-La
Ceiba-El Tejero.
Zona 3: Municipios: Sir Arthur Mc Gregor, Francisco de Miranda,
Independencia.
Zona 2: Municipio José Gregorio Monagas.
APURE
Zona 4: Area del Municipio Páez, al Oeste del meridiano 71°W.
Zona 3: Municipio Paez, excluida el área al Oeste del meridiano
71°W.
Zona 2: Municipios: Rómulo Gallegos, Muñoz, Achaguas, Biruaca,
San Fernando, y Area del Municipio Pedro Camejo ubicada al Norte
del paralelo 71° N.
143
Zona 1: Area del Municipio Pedro Camejo ubicada al Sur del
paralelo 7° N.
BARINAS
Zona 4: Municipios: Alberto Arvelo Torrealba, Municipio Cruz
Paredes, Bolívar, y Areas al Noreste de los Municipios Ezequiel
Zamora, Antonio José de Sucre, Peraza, Barinas y Obispos,
limitadas por una línea paralela a la carretera Santa Bárbara-
Boconoito, unos 10 km. al sureste de ésta.
Zona 3: Resto del Estado, excluidas las áreas en Zona 4 y el
Municipio Arismendi.
Zona 2: Municipio Arismendi
DELTA
AMACURO
Zona 5: Municipios: Pedernales, Tucupita, y Áreas del Municipio
Antonio Díaz ubicadas en el Delta del Río Orinoco.
Zona 4: Municipio Casacoima, y Áreas del Municipio Antonio
Tabla 5.9 Cont. Zonificación sísmica de Venezuela [10]
Díaz ubicadas al Sur del Río Orinoco.
Zona 3: Áreas del Municipio Antonio Díaz ubicadas al Sur del
paralelo 8° N.
FALCÓN
Zona 4: Municipios: Monseñor Iturriza, Silva.
Zona 3: Resto del Estado.
Zona 2: Municipios: Falcón, Carirubana, Los Taques.
144
GUARICO
Zona 3: Municipios: Ortíz, Juan Germán Roscio, Julián Mellado,
Chaguaramas, José Tadeo Monagas, San José de Gauribe, José
Félix Ribas, Pedro Zaraza, y Área del Municipio Leonardo
Infante al Norte del paralelo 9° N.
Zona 2: Municipios: Camaguan, San Gerónimo de Guayabal,
Francisco de Miranda, El socorro, Santa María de Ipire, Las
Mercedes, y Área del Municipio Leonardo Infante al Sur del
paralelo 9° N.
MONAGAS
Zona 6: Municipios: Acosta. Piar, Caripe, Bolívar, Punceres.
Zona 5: Municipios: Cedeño, Ezequiel Zamora, Santa Bárbara, y
Área del Municipio Maturín al Norte del paralelo 9° N.
Zona 4: Municipios: Aguasay, Libertador, Uracoa, Sotillo, y
Área del Municipio Maturín al Sur del paralelo 9° N.
ZULIA
Zona 4: Municipios: Jesús María Semprún, Catatumbo, Colón,
Francisco Javier Pulgar, Sucre.
Zona 3: Municipios: Mara, Jesús Enrique Lossada, Maracaibo,
San Francisco, La Cañada de Urdaneta, Rosario de Perijá,
Machiques de Perijá, Baralt, Valmore Rodríguez, Lagunillas,
Cabimas, Santa Rita, Miranda, Simón Bolívar.
Zona 2: Municipios: Páez, Almirante Padilla
145
El mapa de zonificación sísmica de la figura 5.6 y los valores de la tabla 5.9 son
congruentes con los objetivos de la Norma para el diseño y/o evaluación de
edificaciones. Es decir para una vida útil de 50 años y un factor de importancia
0,1 , las probabilidades de excedencia nominales son del 10%. Para las zonas de
la versión anterior de la Norma estas probabilidades variaban entre 5% y un 20%.
La delimitación final de zonas se ajusta, en lo posible a la actual división
política del país; es decir, límites de Estados y Municipios.
Movimiento de diseño: el coeficiente de aceleración horizontal (Ao) se
establece para cada zona en la tabla 5.10 el cual cambió de un máximo de 0.30 para
la zona 7 (antes zona sísmica 5) a un máximo de 0.40 para la misma zona. El
coeficiente de aceleración vertical se tomará como 0.7 veces los valores de Ao.
Tabla 5.10 Coeficiente de aceleración horizontal [10]
ZONAS SISMICAS PELIGRO SÍSMICO Ao
7 0.40
6 Elevado 0.35
5 0.30
4 Intermedio 0.25
3 0.20
2 0.15
1 Bajo 0.10
0 ---
146
La tabla 5.10 permitió seleccionar el valor de la aceleración horizontal para el
diseño sismorresistente del tanque de almacenamiento (Crudo/Agua) ya que el
calculado resulto inferior, por lo que se selecciono el mayor entre los dos, resultando
En forma general se consideran de elevado peligro sísmico aquellas áreas
donde se prescriben aceleraciones de diseño de por lo menos 0.30g (zonas 5,6 y 7).
Áreas donde se prescriben movimientos del terreno inferiores a 0.20g son de bajo
peligro sísmico (zonas 1 y 2) y las zonas 3 y 4 son de peligro sísmico intermedio.
Es evidente que tanto la zonificación sísmica como los valores que caracterizan
los movimientos de diseño, puedan cambiar a medida que se amplié la estadística
sobre los movimientos fuertes del terreno debido a sismos, la comprensión de sus
orígenes y la selección de los niveles de riesgo aceptables.
5.1.2.2 Formas espectrales tipificadas de los terrenos de fundación (Capítulo 5): La
selección de la forma espectral (S) y del factor de corrección se realizó por medio
de una tabla que se muestra a continuación (tabla 5.11), la cual fue ampliada en cuanto
a su formato, respecto a la versión anterior (1987). Esta tabla proporciono un valor de
factor de corrección más ajustado a la realidad y una descripción del material del suelo
más detallada.
Tabla 5.11 Forma espectral y factor de corrección [10]
MATERIAL Vsp
(m/s) H (m)
ZONAS SÍSMICAS
1 a 4
ZONAS SÍSMICAS
5 a 7
FORMA
ESPECTRAL
FORMA
ESPECTRAL
147
a) Si Ao 0.15 úsese S4
b) El espesor de los estratos blandos o sueltos (Vsp<170 m/s) debe ser mayor que
0.1H
c) Si H1 0.25H y Ao 0.20 úsese S3
Donde:
Vsp: Velocidad promedio de las ondas de corte en el perfil geotécnico.
Roca
sana/fracturada
>500
S1 0.85 S1 1.00
Roca blanda o
meteorizada y suelos
muy duros o muy
densos
>400
<30 S1 0.85 S1 1.00
30-50 S2 0.80 S2 0.90
>50 S3 0.70 S2 0.90
Suelos duros o
densos
250-
400
<15 S1 0.80 S1 1.00
15-50 S2 0.80 S2 0.90
>50 S3 0.75 S2 0.90
Suelos firmes/medio
densos
170-
250
50 S3 0.70 S2 0.95
>50 S3 (a) 0.70 S3 0.75
Suelos
blandos/sueltos <170
15 S3 0.70 S2 0.90
>15 S3 (a) 0.70 S3 0.80
Suelos blandos o
sueltos (b)
intercalados con
suelos más rígidos
- H1 S2 (c) 0.65 S2 0.70
148
H: Profundidad a la cual se consigue material cuya velocidad de las ondas de corte,
Vs, es mayor que 500 m/s.
: Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal.
HI: Profundidad desde la superficie hasta el tope del estrato blando.
5.1.2.3 Clasificación de edificaciones según el uso, nivel de diseño, tipo y regularidad
estructural (capítulo 6)
Clasificación según el uso: la Norma de la edición de 1989 disponía solo de tres
grupos (A, B y C) de acuerdo al uso al que eran destinados. La normativa vigente
clasifica las edificaciones según su uso en 4 grupos (A, B1, B2 y C), ver tabla 5.11,
los cuales permiten diferenciar aquellas obras que son de funcionamiento vital en
condiciones de emergencia o cuya falla puede ocasionar pérdidas humanas.
Tabla 5.12 Clasificación de las estructuras según su uso [10]
149
GRUPO USO
GRUPO A
Hospitales: Tipo IV, Tipo III y Tipo II, definidos en la tabla 5.13
Edificios gubernamentales o municipales de importancia, monumentos y
templos de valor excepcional.
Edificios que contienen objetos de valor excepcional, como ciertos museos
y bibliotecas.
Estaciones de bomberos, de policía o cuarteles.
Centrales eléctricas, subestaciones de alto voltaje y telecomunicaciones.
Plantas de bombeo.
Depósitos de materias tóxicas o explosivas y centros que utilicen materiales
radioactivos.
Torres de control; hangares; centros de tráfico aéreo.
Edificaciones educacionales.
Edificaciones que puedan poner el peligro alguna de las de este Grupo.
GRUPO B1
Edificaciones de uso público o privado, densamente ocupadas, permanente o
temporalmente, tales como:
Edificios con capacidad de ocupación de más de 3000 personas o área
techada de más de 20.000m2.
Centros de salud no incluidos en el Grupo A.
Edificaciones clasificadas en los Grupos B2 o C que puedan poner en
peligro las de este Grupo.
GRUPO B2
Edificaciones de uso público o privado, de baja ocupación, que no excedan
los límites indicados en el Grupo B1, tales como:
Viviendas.
Edificios de apartamentos, de oficinas u hoteles.
Bancos, restaurantes, cines y teatros.
Almacenes y depósitos.
150
Toda edificación clasificada en el Grupo C, cuyo derrumbe pueda poner en
peligro las de este Grupo.
GRUPO C
Construcciones no clasificables en los grupos anteriores, ni destinadas a la
habitación o al uso público y cuyo derrumbe no pueda causar daños a
edificaciones de los tres primeros Grupos.
En las edificaciones del Grupo C, se podrá obviar la aplicación de esta
Norma siempre y cuando se adopten disposiciones constructivas que
aseguren su estabilidad ante las acciones sísmicas previstas en el capítulo 4.
Es necesario saber el uso al cual va estar destinada la construcción, en este caso
una fundación para tanques de almacenamiento, por eso la importancia de clasificar la
estructura según uso para así poder obtener el valor del factor de importancia.
Factor de importancia: el valor del factor de importancia (anteriormente
coeficiente de uso) se selecciona de la tabla 5.13; la cual se modificó y se adaptó a los
nuevos grupos, listados anteriormente. A continuación se presenta en la tabla 5.13 los
nuevos valores a utilizar como factor de importancia.
Tabla 5.13 factor de importancia ( ) [10]
Donde:
GRUPO
A 1.30
B1 1.15
B2 1.00
151
Grupo B2: Son las edificaciones más comunes y se diseñan para movimientos
sísmicos asociados a probabilidades de excedencia de 10% y vida útil de 50 años
equivalente a un periodo de retorno de 475 años.
Grupo A y B1: se consideran para edificaciones de mayor importancia y deben
diseñarse para menores probabilidades de excedencia durante la misma vida útil o lo
que es lo mismo, para probabilidades de excedencia similares (o menores) durante
una vida útil mayor, alrededor de 75 años (Grupo B1) y 100 años (Grupo A) siendo
así de retorno mayores.
La intención de la aplicación del factor de importancia ( ) mayor a 1, es de
obtener valores de la aceleración del terreno asociados a una probabilidad menor de
excedencia para la misma vida útil.
Clasificación según el nivel de diseño: la clasificación de los niveles se vieron
modificados debido a que éstos se establecen con relación a la clasificación de las
estructuras (Grupos) y de las zonas sísmicas las cuales se vieron modificadas en esta
nueva edición descritas anteriormente.
A continuación se muestra la nueva tabla (5.14) que dispone la normativa para
seleccionar el nivel de diseño.
Tabla 5.14 Niveles de diseño [10]
GRUPO
ZONA SÍSMICA
1 Y 2 3 Y 4 5, 6 Y 7
A; B1 ND2 ND3 ND3
152
ND3
B2
ND1 (*)
ND2
ND3
ND2 (*)
ND3
ND3
ND2 (**)
(*) Válido para edificaciones de hasta de 10 pisos ó 30 m de altura.
(**) Válido para edificaciones de hasta de 2 pisos u 8 m de altura.
A través de esta tabla, y de acuerdo a la zonificación sísmica, se seleccionó el
valor del Nivel de Diseño correspondiente a la estructura. La definición del nivel de
diseño resultó de gran importancia, ya que a mayor número de nivel de diseño los
requisitos se hacen más severos y minuciosos, con el propósito de mantener la
integridad de la estructura sin deterioro crítico de su resistencia, en el caso que se
produzcan oscilaciones que incursionen en el rango inelástico de respuesta, por
acción de un movimiento sísmico de considerable magnitud. Cada nivel de diseño
corresponde a un determinado nivel de deformación inelástica esperada, que
representa el nivel de riesgo sísmico, el cual puede clasificarse en bajo, moderado y
alto.
5.1.2.4 Factor de reducción de respuesta: los nuevos factores de reducción se
seleccionaron de tres nuevas tablas clasificadas de acuerdo a cada material (estructuras
de concreto armado, estructuras de acero, estructuras de acero-concreto) y tipo
estructural (tipo I, II, III, IIIa, IV), además, se añade la columna del tipo de estructura
(IIIa) la cual corresponde a los sistemas conformados por muros de concreto armado
acoplados con dinteles o vigas dúctiles, así como los pórticos de acero con diagonales
excéntricas acopladas con eslabones dúctiles. Los factores de reducción R derivan su
nombre del hecho de que reducen las fuerzas sísmicas elásticas por su valor, para los
sistemas (o modos) de periodos largos. Sin embargo, para los periodos cortos la
153
reducción es menor aunque sigue asociada a R. En conclusión, debemos considerar a
R como un factor teórico de referencia para la reducción.
Tabla 5.15 Factores de reducción R. Estructuras de concreto armado [10]
NIVEL DE
DISEÑO
ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO
TIPO DE ESTRUCTURA
I II III IIIa IV
ND3 6.0
5.0 4.5 5.0 2.0
ND2 4.0 3.5 3.0 3.5 1.5
ND1 2.0 1.75 1.5 2.0 1.25
Tabla 5.16 Factores de reducción R. Estructuras de acero [10]
NIVEL DE
DISEÑO
ESTRUCTURAS DE ACERO
TIPO DE ESTRUCTURA
I (1)
II III IIIa IV
ND3 6.0 (2)
5.0 4.0 6.0 (3)
2.0
ND2 4.5 4.0 - - 1.5
ND1 2.5 2.25 2.0 - 1.25
(1) Para sistemas con columnas articuladas en su base el valor de R será multiplicado
por 0.75
(2) En pórticos con vigas de celosía se usará 5.0 limitado a edificaciones de no más de
30 metros de altura.
(3) En aquellos casos donde la conexión viga colectora-columna sea del Tipo PR,
según la Norma COVENIN 1618-98, úsese 5.0.
154
Tabla 5.17 Factores de reducción R. Estructuras de acero-concreto [10]
NIVEL DE
DISEÑO
ESTRUCTURAS DE ACERO-CONCRETO
TIPO DE ESTRUCTURA
I
II III IIIa IV
ND3 6.0 (2)
5.0 4.0 6.0 (1)
2.0
ND2 4.0 4.0 - - 1.5
ND1 2.25 2.50 2.25 - 1.0
(1) Para muros estructurales reforzados con planchas de acero y miembros de borde de
sección mixta acero-concreto, úsese 5.0
5.1.2.5 Espectros de diseño: las formas espectrales tipificadas dadas en la tabla 5.11
son representativas de diferentes condiciones de suelo. Los espectros elásticos se
normalizaron, ajustaron y agruparon para tipificarlos, para así poder seleccionar los
valores de , To y T* dados en la tabla 5.18. El valor de seleccionado podrá ser
ajustado entre los valores dados en esta Norma para dos formas espectrales tipificadas
consecutivas de acuerdo con las características del perfil geotécnico. Las nuevas
ordenadas Ad de los espectros de diseño, quedan definidas en función de su periodo T
tal como se indica en la Figura 5.7, en la forma siguiente:
T < T+ Ad =
)1R(T
T1
)1(T
T1Ao
(5.30)
T+ *TT Ad =
R
Ao
(5.31)
155
T > T* Ad =
p*
o
T
T
R
A
(5.32)
Donde:
Ad = Ordenada del espectro de diseño, expresada como una fracción de la aceleración
de gravedad.
= Factor de importancia (Tabla 5.13)
Ao = Coeficiente de aceleración horizontal (Tabla 5.10)
= Factor de corrección del coeficiente de aceleración horizontal (Tabla 5.11)
= Factor de magnificaron promedio (Tabla 5.18)
To = 0.25T* Período a partir del cual los espectros normalizados tienen un valor
constante (seg).
T* = Máximo período en el intervalo donde los espectros normalizados tienen un
valor constante (Tabla 5.18)
T+
oT = Período característico de variación de respuesta dúctil (seg) (Tabla 5.19)
C = 4 /R
R = Factor de reducción de respuesta (Tabla 5.15, 5.16 o 5.17)
156
p = Exponente que define la rama descendente del espectro.
Tabla 5.18 Valores de T*, y p
[9]
FORMA
ESPECTRAL
T*
(seg) p
S1 0,4 2,4 1,0
S2 0,7 2,6 1,0
S3 1,0 2,8 1,0
S4 1,3 3,0 0,8
Tabla 5.19 Valores de T+ (1)
CASO T+ (seg)
R < 5 0.1 (R-1)
R 5 0.4
Se debe cumplir *TTT
(1) To T
La rama de velocidades (T > T*) para las formas espectrales se ha caracterizado
por la función (T*/T)
p. Los valores de p se ajustan al intervalo ubicado entre la media
y la media más una desviación estándar.
En esta nueva versión se mantiene la forma espectral de la Norma 1756-82,
incorporando el factor de reducción R el cual se ha simplificado para cada forma
espectral por medio del exponente C = 4 /R . Al acotar T* entre To y T
* se evita la
posibilidad de una discontinuidad en la parte plana del espectro.
157
Figura 5.7 Espectro de respuesta elástica (R=1)[10]
5.1.3 Principales cambios normativos del Código A.C.I 318-05 “Requisitos
de Reglamento Estructural”
En general los cambios del Código A.C.I 318-05 son los mismos al de la
Norma COVENIN 1753-06 “Proyecto y Construcción de Obras Complementarias en
Concreto Estructural”, ya que esta última está basada en el Código A.C.I-318. Sin
embargo, a continuación se listan los aspectos normativos más notables que fueron
modificados y no se encuentran en la Norma COVENIN 1753-06.
5.1.3.1 Detalles del refuerzo (Capítulo 7):
Espirales: en el reglamento de 1999 se modificaron los requisitos de empalmes
para espirales lisas y para aquellas recubiertas con epóxico y para permitir empalmes
mecánicos; como se muestra a continuación:
158
El refuerzo en espiral debe empalmarse, si se requiere, por alguno de los siguientes
métodos:
a) Empalme por traslapo no menor que 300 mm menor al largo indicado, en uno
de los puntos del (1) al (5) a continuación:
1. Barra o alambre corrugado sin
recubrimiento……………………………………...... 48db
2. Barra o alambre liso sin
recubrimiento……………………………………………… 72db
3. Barras o alambres corrugados recubiertos con
epóxico………………………………72db
4. Barras o alambres lisos sin recubrimiento con un gancho estándar de estribo en
sus extremos empalmados por traslapo. Los ganchos deben estar embebidos en el
núcleo confinado por la
espiral………………………………..……………………………............48db
5. barras o alambres corrugados recubiertos con epóxico con un gancho estándar
de estribo n sus extremos empalmados por traslapo. Los ganchos deben estar
embebidos en el núcleo
confinado por la
espiral…………………………………………………………….……… 48db
b) Empalme mecánico o soldado completo de acuerdo con empalmes de refuerzo
(Capítulo 12) que establece que en elementos sometidos a flexión las barras
empalmadas por traslapo que no quedan en contacto entre si no deben separarse
159
transversalmente a la menor de 1/5 de la longitud de empalme por traslapo requerida
ó 150 mm.
Armadura transversal en miembros comprimidos: todas las barras
longitudinales en compresión deben estar encerradas por ligaduras. Para arriostrar
lateralmente las barras longitudinales se permiten ligaduras con un ángulo máximo de
doblez de hasta 135° en lugar de un ángulo máximo de 90° que se exigía en el código
A.C.I anterior.
Resistencia del acero de refuerzo por corte o torsión: en las ediciones previas
del código A.C.I 318-05 se propuso un área mínima de refuerzo transversal que era
independiente de la resistencia específica del concreto en compresión, ahora incluye
el área mínima del refuerzo por corte cuando la resistencia del concreto se
incrementa, para prevenir fallas súbitas por corte cuando ocurren agrietamientos
inclinados. La fórmula 5.33 prevé un incremento en el área mínima de refuerzo
transversal mientras mantiene el valor previo.
w
yv
w
yv
b5,3
fA
c'fb
f.A5
(5.33)
Donde:
Av = Área del acero de refuerzo por corte dentro de una distancia s, o áreas del acero
de refuerzo por corte perpendicular al refuerzo de flexión en tracción dentro de una
distancia s, para vigas-pared sometidas a flexión, cm2.
bw = Anchura del alma, anchura o espesor del muro estructural; diámetro de la
sección circular; en cm.
160
fy = Resistencia cedente especificada del acero de refuerzo, kgf/cm2
f’c = Resistencia especificada del concreto en compresión, kgf/cm2
5.2 Descripción del diseño para tanques de almacenamiento (Crudo/Agua)
La descripción del diseño para tanques de almacenamiento comprende tres etapas:
5.2.1 Etapa I: Diseño sismorresistente
5.2.1.1 Información requerida: en el comienzo del diseño se necesitan varias
especificaciones como la capacidad, el uso que va tener el tanque y la zona donde se
va a ubicar el mismo. Para el inicio del diseño se tiene que realizar el estudio de
suelo, para así obtener el estado del terreno donde se va a colocar y los datos que
puedan servir para el diseño, como son: tipo de suelo, capacidad portante del suelo,
peso específico unitario del suelo, ángulo de fricción interno del suelo. Por medio de
estos datos, que se obtendrán del estudio del suelo, el ingeniero mecánico comenzará
a diseñar el tanque y obtendrá los siguientes datos: el espesor de los anillos metálicos
del tanque, las dimensiones de ancho, alto y diámetro, suministrará los valores de
peso vacío y lleno del tanque. Con los datos obtenidos del diseño del tanque, el
Ingeniero Civil puede realizar el diseño de la fundación de dicho tanque.
En concordancia con lo antes mencionado se deberá disponer de la siguiente
información:
a) Estudio de suelo: tipo de suelo, capacidad portante, peso específico unitario,
ángulo de fricción, modulo de Balastro.
161
b) Geometría del tanque: diámetro, altura, cámara de aire, altura centro de
gravedad (cuerpo), nivel máximo del líquido.
c) Espesores de Planchas: espesor promedio paredes del tanque, espesor plancha
base del tanque.
d) Materiales: peso específico del líquido, peso específico y resistencia fluencia
del acero, peso unitario y resistencia a compresión del concreto, esfuerzo admisible
del material de diseño.
e) Pesos: peso pared del tanque, peso del techo del tanque, peso unitario del
concreto, peso del fondo del tanque.
Figura 5.8 Características tanque de almacenamiento [3]
162
5.2.1.1 Cálculo de peso efectivo y altura efectiva:
Pesos efectivos: los pesos efectivos W1 y W2 se determinan multiplicando por
W los valores W1/W y W2/W (figura A.1 Apéndice A), entrando con la relación d/HL.
El peso total del líquido se calculará mediante la ecuación C. 1, Apéndice C.
Figura 5.9 Elementos tanque de almacenamiento (modelo matemático) [21]
Altura efectiva: son las alturas medidas desde el fondo del tanque hasta el
centroide de cada peso efectivo. Con la relación d/HL se intercepta en las curvas
(figura A.2, Apéndice A) y se obtienen los valores de X1/H y X2/H, en donde se
multiplica con HL y se consiguen X1 y X2. Las alturas efectivas permiten el cálculo de
los momentos hidrodinámicos que genera la componente sísmica horizontal en la
base del tanque.
Donde:
163
X1: altura del peso W1, expresada en mts.
X2: altura del peso W2, expresada en mts
5.2.1.2 Parámetros que definen la zona sísmica:
Ubicación de la estructura: para obtener los valores de acción sísmica se debe
conocer la ubicación por medio de las coordenadas y la zona donde va situada la
estructura (Tabla 5.8 sección 5.1), para los fines de diseño y verificación de
instalaciones se utilizarán mapas de amenaza sísmica (figuras A.3 y A.4, Apéndice
A), en dichos mapas se leerá con las coordenadas los valores de a* y ,
correspondientes al sitio de interés, en caso de ser necesario podrán efectuarse
interpolaciones lineales.
5.2.1.3 Contenido del tanque y riesgos asociados:
Contenido del tanque: los tanques podrán almacenar agua o crudo según sea el
caso. Las perdidas eventuales debido a una falla del tanque estarán limitadas al valor
del mismo.
Grado de riesgo: la definición del grado de riesgo que permite establecer la
probabilidad de excedencia anual de la aceleración de diseño, se hace con base en las
consecuencias de un accidente causado por el mal funcionamiento de la estructura.
Estas consecuencias incluyen: las personas expuestas, las pérdidas económicas y el
impacto ambiental. En la selección del Grado de Riesgo es mandatorio la condición
más desfavorable. Así, si una instalación amenaza a un número muy limitado de
operarios, pero cuyo derrame pueda dar lugar a cuantiosas pérdidas económicas
164
directas e indirectas, o generen un impacto ambiental desfavorable, debe ser
clasificada dentro del grado de riesgo C ó D según sea el caso.
Toda instalación a ser diseñada y/o revisada deberá clasificarse de acuerdo con
la Escala de Clasificación de Riesgos que se da en la tabla B.1, Apéndice B. Para ello
se seleccionará el Grado de Riesgo asociado con el renglón de consecuencias más
desfavorables. Cuando la falla de la estructura, equipo u otro componente afecte otra
cercana de mayor Grado de Riesgo, se empleará para ambas el riesgo de ésta última,
y si se desconoce el número de personas expuestas o se presenten dudas, se
seleccionará el grado de riesgo asociado con el renglón de consecuencias más
desfavorables.
Probabilidad de excedencia anual del movimiento sísmico de diseño (P1): la
probabilidad de excedencia en t años, es una forma de cuantificar el riesgo sísmico de
la instalación, P*= P1, que representa la probabilidad de excedencia anual, se obtienen
los datos en la tabla 5.18, de P1 (10-3
) y de impacto ambiental por medio del grado de
riesgo.
5.2.1.4 Aceleración horizontal máxima del terreno: la aceleración máxima del terreno
(a), en (cm/s2) se obtiene a partir de la ecuación C.2 o C.3 y C.4 Apéndice C.
5.2.1.5 Aceleración vertical máxima del terreno: el espectro de la componente vertical
es igual al espectro de las componentes horizontales multiplicado por 0,70, ecuación
C.5, Apéndice C.
5.2.1.6 Valores que definen el espectro de respuesta: la respuesta dinámica del suelo
depende de las características del perfil geotécnico (tipo de material del suelo) y de la
zona donde el mismo está ubicado. En general, para fines de ingeniería resultan de
165
interés las aceleraciones espectrales y la aceleración máxima en la superficie del
terreno. Se requiere de los datos establecidos en la tabla 5.10, 5.15 y 5.16 de la sección
5.1. Estas tablas consideran cuatro formas espectrales tipificadas (S1 a S4) y un factor
de corrección para el coeficiente de aceleración horizontal ( ), los cuales dependen
de las características del perfil geotécnico del terreno de fundación.
Perfil del suelo: (Tabla 5.10, sección 5.1)
: (Tabla 5.10, sección 5.1)
T+: (Tabla 5.16, sección 5.1)
To: valor del periodo que define parte del espectro elástico normalizado, en metros
(Tabla B.2, Apéndice B)
5.2.1.7 Coeficiente de amortiguamiento equivalente: estos incluyen las diversas
formas de disipación de energía que posee el sistema tanque-líquido-suelo, tales como:
amortiguamiento propio de los materiales, energía por radiación, y energía que se
disipa debido a los pequeños levantamientos de tanques no anclados. El coeficiente de
amortiguamiento se seleccionará de la tabla B.2, Apéndice B.
Si en el diseño de pernos de anclaje, para resistir los momentos de volcamiento,
se aseguran incursiones inelásticas, los valores del coeficiente de amortiguamiento
equivalente se pueden incrementar tal como se indica en las notas (a) y (b) de la tabla
B.2.
Luego de seleccionado el coeficiente de amortiguamiento se calculará:
a) Efecto impulsivo horizontal
b) Efecto convectivo
166
c) Efecto impulsivo vertical
Mediante ecuación C.6, Apéndice C.
5.2.1.8 Periodos de vibración: los periodos de vibración (T1 y T2) corresponde a los
primeros modos asociados a los efectos impulsivos y convectivos de las vibraciones
en dirección horizontal del sistema tanque-líquido, respectivamente. En el uso de las
formulas dadas a continuación se deben respetar las unidades indicadas.
Modo impulsivo horizontal: el periodo T1 del modo impulsivo del sistema
tanque-líquido esta dado por la ecuación C.7, Apéndice C.
Modo convectivo: el periodo T2 del primer modo convectivo de oscilación del
líquido está dado por la ecuación C.8, Apéndice C.
Vibración vertical: el período Tv corresponde al primer periodo vertical del
sistema tanque-líquido. Al igual que la fórmula dada para el período T1, ambas han
sido obtenidas para tanques con paredes de espesor constante. Por ello, el valor tm
debe ser tomado como el espesor promedio entre los diferentes espesores de las
láminas verticales que constituyen el tanque.
El periodo Tv de vibración vertical del sistema tanque-líquido está dado por la
ecuación C.9, Apéndice C.
En las fórmulas para T1 y Tv se ha supuesto un módulo de Poisson igual a 0,3 y
se ha ignorado el peso del techo y de las paredes del tanque, se ha despreciado el
efecto que tiene la interacción suelo-estructura. En términos generales la interacción
eleva el valor de estos períodos. Este efecto es más pronunciado en el caso de tanques
167
apoyados sobre suelos blandos, similares a los clasificados como tipo S3 y S4. En
estas condiciones pudiese esperarse un aumento significativo del periodo fundamental
lo que, en el caso particular de tanques de período muy corto, acarrearía un aumento
en las fuerzas sísmicas. La interacción suelo-estructura también produce un aumento
en el amortiguamiento equivalente del sistema tanque-líquido-suelo; este efecto ha
sido incorporado en la asignación de los valores dados en la Tabla B.3, Apéndice B.
5.2.1.9 Ordenadas de los espectros de diseño para la componente horizontal: las
ordenadas Ad de los espectros de diseño que incorporan los efectos inelástico, quedan
definidos por las ecuaciones 5.30, 5.31 y 5.32 de la sección 5.1. con estas ecuaciones
se calcularán:
a) Ordenada del espectro para el modo impulsivo horizontal (Ad1) (con T1 obtenido
de 5.52)
b) Ordenada del espectro para el modo convectivo horizontal (Ad2) (con T2 obtenido
de 5.53)
c) Ordenada del espectro para la componente vertical del sismo (Adv) (con Tv
obtenido de 5.54)
5.2.1.10 Altura máxima de oscilación del líquido: la ecuación para determinar la altura
máxima de oscilación del líquido describe la contribución fundamental que tiene el
primer modo convectivo en la amplitud de los desplazamientos del líquido. En dicha
expresión, se ha incluido un ligero incremento para incorporar el efecto de modos
superiores. La altura máxima de oscilación está referida a la posición de equilibrio
estático del líquido (ecuación C. 10, Apéndice C)
168
Luego se calcula la altura máxima de la cámara de aire, la cual debe ser mayor que la
altura máxima de oscilación del líquido (ecuación C. 11, Apéndice C)
5.2.1.11 Fuerzas en la base del tanque: las fuerzas resultantes en la base del tanque se
obtienen combinando las fuerzas impulsivas y convectivas. Dado que estas fuerzas
están asociadas a dos modos de vibración diferentes, el modo impulsivo y el modo
convectivo, que tienen sus periodos bien separados, la fuerza máxima probable está
dada por (el método del valor máximo probable) la raíz cuadrada de la suma de los
cuadrados de las fuerzas individuales.
Las fuerzas en el modo impulsivo se determinan utilizando la aceleración
espectral asociada al primer modo impulsivo que considera la deformabilidad de las
paredes del tanque.
Fuerza cortante en la base del tanque:
a) Modo impulsivo (ecuación C. 13, Apéndice C)
b) Modo convectivo (ecuación C. 14, Apéndice C)
c) Cortante basal máximo probable o cortante último (ecuación C. 15, Apéndice )
d) Cortante basal reducida en la base o cortante de servicio (ecuación C. 16,
Apéndice C)
169
Figura 5.10 Distribución de fuerzas en el tanque [3]
Figura 5.11 Fuerzas de corte en la base del tanque [3]
170
Momento de volcamiento en la base del tanque:
a) Modo impulsivo (ecuación C. 17, Apéndice C)
b) Modo convectivo (ecuación C. 18, Apéndice C)
c) Momento de volcamiento máximo probable (ecuación C. 19, Apéndice C)
d) Momento de volcamiento reducido en la base (ecuación C. 20, Apéndice C)
5.2.1.12 Esfuerzo circunferencial: el esfuerzo circunferencial máximo en el anillo
inferior de la pared, h , también denominado esfuerzo de anillo, se obtiene
suponiendo que la presión hidrostática sobre la pared del tanque está distribuida
uniformemente en su altura. Este esfuerzo de superpone luego a los esfuerzos debidos
a la presión hidrostática y a la componente vertical del sismo.
Componente sísmica horizontal: el esfuerzo circunferencial en (kg/cm2)
producido en la base de la pared del tanque por la componente horizontal del sismo,
está dado por la ecuación C. 21, Apéndice C.
Componente sísmica vertical: el efecto de la componente vertical del sismo es
introducir esfuerzos circunferenciales, adicionales a los ejercidos por la presión
hidrostática y la componente horizontal del sismo. Ecuación C. 22, Apéndice C.
Esfuerzo circunferencial Neto: el esfuerzo máximo de tracción, a lo largo de la
circunferencia del anillo inferior, se determina superponiendo el esfuerzo hidrostático
con el hidrodinámico debido a las componentes sísmicas horizontales y verticales
(ecuación C. 23, Apéndice C).
171
Esfuerzo admisible: el esfuerzo neto así calculado no debe exceder el esfuerzo
admisible del material (API-650 punto 3.6.2) multiplicado por 1,33.
5.2.2 Etapa II: Diseño de fuerzas de viento
5.2.2.1 Velocidad básica del viento: la velocidad básica del viento que se define como
la velocidad máxima de ráfaga de viento durante tres segundos a 10 m sobre un
terreno en la categoría de exposición C, correspondiente a un período de recurrencia o
retorno de 50 años, se seleccionará de acuerdo con la región, la cual esta tabulada para
las ciudades mas importantes, utilizando la Figura A.7 o la Tabla B.4 del Apéndice A
y. La velocidad mínima de Viento es 70 km/h.
5.2.2.2 Fuerza horizontal resultante en la pared del tanque por viento: (ecuación C.25,
Apéndice C)
5.2.2.3 Momento de volcamiento: (ecuación C. 26, Apéndice C)
5.2.3 Etapa III: Verificación de la estabilidad
5.2.3.1 Peso máximo del contenido que resiste el volcamiento (WL): la resistencia al
momento de volcadura respecto del fondo del tanque podrá ser prevenido por el peso
del cuerpo del tanque y mediante anclaje. Para tanques sin anclaje, el peso de la
porción del líquido contenido puede ser usado para resistir la volcadura. (Ecuación C.
28, Apéndice C)
Adicionalmente, WL no debe exceder el valor de 20 G HL d
El espesor de la placa del fondo bajo el cuerpo Tb, no debe exceder el espesor
del primer anillo, el cual siempre será mayor. Donde la placa del fondo debajo del
172
cuerpo es más gruesa que el resto del fondo, el ancho de esta placa de mayor espesor
medido en forma radial hacia el interior del cuerpo será mayor o igual a: 0,0017
WL/G HL
5.2.3.2 Peso de tanque vacío por unidad de circunferencia (solo pared y techo):
Calculado mediante la ecuación C. 29, apéndice C.
5.2.3.3 Compresión actuante en el anillo inferior:
Tanques no anclados: esta condición aplica para las fundaciones Tipo I:
Colchón de Arena y fundaciones Tipo II: Anillos de piedra, puesto que las mismas no
poseen ninguna estructura de concreto donde anclar el tanque de almacenamiento.
Para tanques sin anclaje la fuerza máxima de compresión en el anillo inferior de la
pared (b), en kilogramos por metro lineal de circunferencia, puede determinarse
mediante las ecuaciones C.29 a C.36, Apéndice C.
Tanques anclados: cuando el anclaje es necesario, el tanque debe diseñarse de
acuerdo a la ecuación C. 37, Apéndice C.
Para el anclaje de tanques se debe tomar en cuenta las siguientes
consideraciones de diseño:
a) La experiencia ha indicado que tanques anclados, adecuadamente diseñados,
tienen mayor resistencia ante sismo que tanques no anclados. Si un tanque anclado
no se diseña apropiadamente, su pared es susceptible de sufrir desgarramiento. Se
debe verificar que la resistencia de los componentes del sistema de anclaje es mayor
que la resistencia a la cedencia del anclaje, de manera que el perno ceda primero.
173
b) La distancia entre anclajes adyacentes no debe exceder 3 metros. En tanques
con diámetros menores de 15 metros, esta distancia no debe exceder 1,80 metros.
Cuando se utilicen pernos de anclaje, estos deben tener un diámetro mínimo de 25
mm, excluido el valor de corrosión.
c) El máximo esfuerzo admisible para los componentes del anclaje no debe
exceder los siguientes valores: para anclajes, 0,8 veces el esfuerzo cedente (0,6 veces
el esfuerzo cedente multiplicado por 1,33), para otras partes, 133% del esfuerzo
admisible. Estos esfuerzos pueden ser usados con otras cargas sísmicas y domina el
efecto combinado.
d) Los componentes del sistema de anclaje y la unión con la pared del tanque,
deben ser diseñados para una carga igual al producto del mínimo valor especificado
del esfuerzo cedente por el área mínima de la sección del anclaje finalmente
seleccionado.
e) La unión del anclaje a la fundación debe ser capaz de soportar, como mínimo,
una fuerza igual a la resistencia nominal a la cedencia del anclaje. Anclajes con
ganchos o planchas en su extremo se pueden utilizar para resistir la tracción, siempre
que se compruebe que no pueda ocurrir falla frágil.
f) PDVSA deberá especificar el espesor de corrosión que debe ser añadido a las
dimensiones del anclaje. El anclaje definitivo, incluyendo el espesor de corrosión,
debe ser usado para determinar las cargas de diseño de los componentes del sistema
de anclaje y de la fundación.
Una alternativa adicional de diseño de los anclajes en tanques consiste en el uso
de anclajes dúctiles que trabajen en el rango inelástico. En este caso, la resistencia
174
requerida en los anclajes según ecuación 5.51 se puede dividir por 1,5. Cuando se
aplique este criterio de diseño, no aplica el párrafo c (consideraciones de diseño).
5.2.3.4 Requerimiento de anclajes: el anclaje de tanques de almacenamiento es
diseñado con el objeto de prevenir los problemas causados por el efecto de las cargas
laterales debidas al viento o sismo y presiones internas bajas, a efecto de resistir
levantamiento o volcamiento. Si en la ecuación C. 38, apéndice C, el valor de “C”
excede de 0,66, se requerirá el uso de pernos de anclaje.
5.2.3.5 Diseño de pernos de anclaje:
Separación máxima de anclajes (Smax): la separación no debe exceder de 3
metros y en tanques con diámetros menores de 15 metros esta distancia no debe
exceder de 1,80 metros.
Número mínimo de anclajes: se calculará mediante la ecuación C. 41, apéndice
C.
Diámetro pernos de anclaje: el diámetro mínimo para pernos de anclaje será de
1 ¼”.
Diámetros de círculos de pernos de anclaje: se calculará mediante la ecuación
C. 42, apéndice C.
175
Figura 5.12 Diámetro de circulo de pernos
Diámetro de orificio para perno de anclaje (dop): se calculará mediante la
ecuación C. 43, apéndice C.
176
Figura 5.13 Perno de anclaje
Calidad de pernos: los pernos son dispositivos mecánicos de conexión, con
cabeza cuadrada o hexagonal, formados por un vástago cilíndrico con roscado
exterior en su extremo libre, que se insertan a través de agujeros pasantes en placas o
piezas a unir, y se ajustan con tuercas y arandelas de apriete en su extremo
sobresaliente de rosca.
Para el mejor diseño y cálculo de pernos de anclaje es importante seleccionar el
material adecuado dentro de la variedad de aceros que existen en el mercado, por lo
que se listaron los pernos más usados y su aplicación según sus características
mecánicas (Tabla B.11, Apéndice B)
Los pernos se instalan en agujeros con un sobre diámetro de 1/16” (2 mm) con
relación a su diámetro, y se aprietan con llaves de impacto o llaves de torsión manual.
177
Se exige que los pernos de alta resistencia sean ajustados hasta que las partes
conectadas queden perfectamente apretadas entre la cabeza del perno y la tuerca. Se
asegura así el funcionamiento adecuado bajo cargas, evitando que por la acción de
vibraciones o fatiga, se aflojen las tuercas, reduciendo la resistencia de la conexión.
En casos especiales, se colocan dispositivos autotrabadores adicionales.
Tracción en pernos de anclaje: se calculará mediante la ecuación C. 44,
Apéndice C
Separación entre pernos de anclaje: el número de pernos deberá ser un múltiplo
de cuatro. En caso de que haya restricción de espacio, es más recomendable aumentar
el número de pernos por encima del número mínimo indicado, que aumentar el
tamaño de los mismos. El espacio mínimo entre pernos será de 305 mm (12”), es
conveniente saber que en fundaciones de concreto, la resistencia de pernos con poca
separación entre si, no se desarrolla totalmente. (ecuación C.45)
Figura 5.14 Separación entre pernos de anclaje
178
Tracción máxima en cada perno: se calculará mediante la ecuación C.46
Verificación de esfuerzos máximos en pernos de anclaje: se determinará
mediante las ecuaciones C. 47 a C. 49, Apéndice C.
5.2.3.6 Compresión admisible en el anillo inferior:
El esfuerzo de compresión actuante en el anillo inferior de la pared está dado
por fc. Este esfuerzo no debe exceder el valor Fa dado por las ecuaciones C. 50 a C.
53 del apéndice C.
5.2.3.7 Anillos superiores: Si el espesor del primer anillo calculado para resistir el
momento de volcadura por sismo, es mayor que el espesor requerido para prueba
hidrostática, excluyendo cualquier corrosión permisible, el espesor calculado para
cada anillo superior por prueba hidrostática, será incrementado en la misma
proporción bajo un análisis especial hecho para determinar el momento de volcadura
por sismo y los esfuerzos correspondientes en la parte baja de cada anillo superior.
5.3 Descripción del procedimiento de diseño para los diferentes tipos de
fundación requeridas en tanques de almacenamiento (Crudo/Agua)
A continuación se describen los pasos a seguir para el diseño de los diferentes
tipos de fundación utilizados en la industria petrolera, como lo son:
Fundaciones Tipo I: Colchón de Arena
Fundaciones Tipo II: Anillos de Piedra
179
Fundaciones Tipo III: Anulares de Concreto
Fundaciones Tipo IV: Placa de Concreto Armado
Fundaciones Tipo V: Placa Nervada de Concreto Armado
Los flujogramas están propuestos en la sección 5.4 y conjuntamente con los
cambios normativos citados en el objetivo específico 5.1.
5.3.1 Procedimiento de diseño para el cálculo de fundaciones Tipo I:
Colchón de Arena
En la descripción de los pasos a seguir para el diseño de Fundaciones Tipo I:
Colchón de Arena, se aplicaron las normas vigentes PDVSA N° 90615.1.010
“Fundaciones para Tanques de Almacenamiento”, PDVSA N° JA-252 “Diseño de
Fundaciones”, PDVSA N° JA-221 “Diseño Sismorresistente de Instalaciones
Industriales”, PDVSA N° FJ-251 “Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”,
PDVSA N° A-261 “Criterios y Acciones Mínimas para el Diseño de Estructuras
Industriales”, COVENIN 1756-01 “Edificaciones Sismorresistentes” y A.C.I 318-05
“Requisitos de Reglamento para Concreto Estructural”, y a continuación se presenta
el procedimiento de cálculo para este tipo de fundación, fácil de aplicar a problemas
de ingeniería de la Corporación PDVSA.
5.3.1.1 Generalidades: cuando se evalúan las condiciones superficiales del terreno
basado en la experiencia y/o trabajo exploratorio y se demuestra que el subsuelo tiene
la capacidad portante adecuada y que las fundaciones establecidas son aceptables y
satisfactorias, pueden ser construidas de arena. Las exigencias de funcionamiento para
Fundaciones Colchón de Arena son idénticas. Las fundaciones colchón de arena se
180
construirán bajo las siguientes condiciones:
Zonas relativamente secas y/o donde no exista mucho arrastre de sedimentos
causado por cambios climáticos estacionales.
Zonas donde el suelo superficial o a poca profundidad tenga la capacidad
requerida para soportar las cargas de diseño.
En terrenos arcillosos, que aunque no son compresibles en la propia extensión
de la palabra, puesto que sufren deformaciones muy lentas en función de los
esfuerzos aplicados y de su estado higrométrico (masa de vapor de agua que hay en
un metro cúbico de aire), se puede intentar disminuir las cargas aplicadas.
Específicamente la Fundación Colchón de Arena deberá lograr lo siguiente:
a) Proporcionar una superficie estable para el apoyo del tanque.
b) Limitar el grado de estabilidad del tanque a valores compatibles con los usados en
el diseño de las conexiones de tuberías.
c) Proporcionar un drenaje adecuado.
d) No sobrecargar el perímetro de la fundación debido al peso de la pared del tanque.
5.3.1.2 Características esenciales que debe reunir el terreno: es necesario que el
terreno reúna dos características esenciales:
1. Que no sea demasiado blando, pues la arena se hundiría poco a poco en el
mismo.
181
2. Que no se encuentre cerca de corrientes de agua, pues la arrastraría.
5.3.1.3 Selección del material: el material principal utilizado como base de
sustentación es la arena, la arena es un material que resulta de la desintegración natural
de las rocas o se obtiene de la trituración de las mismas, y cuyo tamaño es inferior a
los 5 mm, la estructura granular propia de la arena asegura la permeabilidad. Entre la
clasificación de las arenas se distinguen cuatro clases:
Arenas arcillosas o tierras grasas, cuyo contenido de arcilla es superior al 18%
Arenas arcillosas o tierras semigrasas, cuyo contenido de arcilla va del 8 al 18%
Arenas arcillosas o tierras magras, cuyo contenido de arcilla va del 5 al 8%
Arenas silíceas, cuyo contenido de arcilla es inferior al 5%
Una segunda clasificación puede hacerse atendiendo a la forma del grano.
Arena de grano esferoidal
Arena de grano angulado
Arena de grano compuesto
Finalmente en relación con las dimensiones del grano, pueden distinguirse:
Arena de grano grueso
Arena de grano medio
182
Arena de grano fino.
5.3.1.4 Especificaciones técnicas:
Trabajos preliminares: Comprende el replanteo de los planos en el terreno y
nivelado, fijando los ejes de referencia y las estacas de nivelación. Se marcan los ejes
y las líneas del ancho de las en fundaciones en armonía con los planos de arquitectura
y estructuras. Se considera recomendable emparejar el terreno antes del replanteo,
que puede hacerse antes o después de la nivelación en bruto, según convenga. En
todo caso es de las excavaciones de la fundación.
Movimiento de tierra: incluye los trabajos siguientes: las excavaciones,
rellenos, nivelaciones y demás operaciones anexas necesarias para complementar los
trabajos indicados en los planos arquitectónicos y de estructuras. Las excavaciones
para la cimentación de la estructura se efectuaran hasta la profundidad indicada en los
planos. Antes del procedimiento de vaciado, se aprueba la excavación; así mismo no
se permite ubicar la fundación sobre material de relleno sin una consolidación
adecuada. El fondo de todas las excavaciones para la fundación quedará limpio y
parejo.
5.3.1.5 Predimensionado de la fundación: la fundación Tipo I, Colchón de Arena, debe
estar dimensionada, de tal forma, que no sobrepase las sobrecargas admisibles del
terreno donde se asentará el tanque de almacenamiento.
183
Figura 5.15 Predimensionado de fundación colchón de arena
Donde:
h: espesor de la capa de arena, mínimo 75 cm
d: diámetro del tanque
d + 2h: ancho mínimo necesario que ha de tener la capa de arena
5.3.1.6 Forma de ejecución: el procedimiento de Fundación Colchón de Arena
consiste en:
a) Efectuar una excavación de 75 cm
184
b) Colocar la arena libre de grava, regada y compactada a fondo, por capas sucesivas
que se irán apisonando con objeto de que la misma se introduzca en las paredes
laterales de la zanja. Las capas de relleno deberán ocupar un área más extensa que la
base del tanque y tener el espesor suficiente para prevenir la deformación o flujo
lateral de la zanja. Estas capas tienen como misión:
c) Disminuir la presión sobre el terreno en la relación [d / (d +2h)]. En efecto la
presión del tanque sobre la arena se repartirá dentro del talud natural (figura 5.15),
según una pirámide truncada cuyas caras están inclinadas a 45° con la horizontal, con
la que la superficie de asiento de la fundación (d + 2h) se amplia, (d + 2h) representa
pues, el ancho mínimo necesario que ha de tener la capa de arena.
d) Repartir uniformemente la carga del tanque de almacenamiento.
La fundación colchón de arena presenta la ventaja de lo reducido de su costo y se
realizaran solo para tanques que no necesiten anclaje, con capacidad de
almacenamiento baja.
5.3.2 Procedimiento de diseño para el cálculo de fundaciones Tipo II:
Anillos de Piedra
5.3.2.1 Generalidades: las fundaciones anulares con piedra picada o grava
proporcionan el apoyo adecuado a altas cargas impuestas por una placa. Las
fundaciones Anillos de Piedra se construirán bajo las siguientes condiciones:
a) Zonas con considerable arrastre de sedimentos a causa de cambios climáticos
b) Presencia de clima húmedo
185
c) Cuando el suelo resistente se encuentre a una profundidad de hasta 457 mm (18
pulg.)
La Fundación Anillos de Piedra tiene las siguientes ventajas:
a) Proporciona la mejor distribución de la carga concentrada de la placa para
producir una carga casi uniforme del suelo debajo del tanque.
b) Proporciona el medio para nivelar el tanque, y es capaz de conservar su contorno
durante la construcción.
c) Conserva el terraplén en la parte inferior del tanque y previene la pérdida de
material como resultado de la erosión.
d) Debido a su flexibilidad se puede amoldar más fácilmente a los asentamientos
diferenciales.
Una desventaja de la Fundación Anillos de Piedra o grava es que es más difícil
de construirlo. Para la piedra o grava, es necesaria la selección cuidadosa de detalles
de diseño para asegurar su satisfactorio funcionamiento.
La fundación anillos de piedra sugerida (figura 5.1) incluye los siguientes
detalles:
a) El hombrillo o berma de 0.9 m (3 pies) serán protegidos contra la erosión por ser
construidos de piedra picada o recubrimiento con un material de pavimentación
permanente.
186
b) Se tendrá cuidado durante la construcción para preparar y mantener una superficie
lisa y nivelada para las placas inferiores del tanque.
c) El relleno de apoyo del tanque será construido para proporcionar un drenaje
adecuado lejos de la fundación del tanque.
5.3.2.2 Selección del material y control de calidad: el material seleccionado para este
tipo de fundaciones es la piedra, pero no toda la piedra es apta para la construcción de
una fundación y es conveniente que antes de elegirla se envíe una muestra a un
laboratorio de ensayo de materiales, el qué y en principio, nos dará a conocer la
resistencia por centímetro cuadrado de una piedra con arreglo a su naturaleza, y con
este resultado obrar en consecuencia. No deberán emplearse piedras que estén
aglomeradas con óxido de manganeso o hierro, ya que no resistirán al aire, los tipos de
piedra esquistos pizarrosos, no deben emplearse, pues son piedras en que la humedad
puede penetrar fácilmente. En cuanto a las piedras que absorben agua, deben
desecharse por completo.
Una excelente piedra para el diseño de fundaciones, es aquella que no tiene
grietas ni oquedades y en cuya rugosa superficie se adhiere mejor el material de
agarre, cosa que no ocurre con las de superficie lisa, que siempre estarán expuestas al
deslizamiento.
La piedra deberá ser de buena calidad, homogénea, fuerte, durable y resistente a
los agentes atmosféricos, sin grietas ni partes alteradas. Las dimensiones de piedra
que se utilice serán los indicados por el proyecto, tomando en cuenta las dimensiones
de la fundación. Se desecharán las piedras redondas y los cantos rodados sin
fragmentar. Las piedras que se utilicen deberán estar limpias y exentas de costras. Si
sus superficies tienen cualquier materia extraña que reduzca la adherencia, se
187
limpiarán y lavarán y serán rechazadas si tienen grasas, aceites y/o si las materias
extrañas no son removidas.
En la tabla 5.20 pueden verse algunas de las características técnicas de las
piedras más utilizadas.
Tabla 5.20 Piedra utilizada en fundaciones [6]
Piedras Peso especifico
(kg/m3)
Coeficiente de trabajo
(kg/cm2)
Sillería de granito 2600 a 2900 40 a 50
Sillería de arenisca 1800 a 2500 20 a 25
Sillería de caliza dura 2000 a 2500 12 a 15
Sillería de caliza blanda 1600 a 2000 5 a 8
Mampostería de piedra molar 1200 a 1500 6 a 8
Mampostería de granito 2200 a 2500 10 a 15
Mampostería de caliza (húmeda) 2300 a 2500 6 a 8
Mampostería de caliza (seca) 2200 a 2400 8 a 10
Pizarra 2600 a 2900
Esquisto 2700 a 2900
5.3.2.3 Especificaciones técnicas:
Trabajos preliminares: Comprende el replanteo de los planos en el terreno y
nivelado, fijando los ejes de referencia y las estacas de nivelación. Se marcan los ejes
y las líneas del ancho de la fundación en armonía con los planos de arquitectura y
estructuras. Se considera recomendable emparejar el terreno antes del replanteo, que
puede hacerse antes o después de la nivelación en bruto, según convenga. En todo
caso es de las excavaciones de la fundación.
188
Movimiento de tierra: incluye los trabajos siguientes: las excavaciones,
rellenos, nivelaciones y demás operaciones anexas necesarias para complementar los
trabajos indicados en los planos arquitectónicos y de estructuras.
Las excavaciones para la cimentación de la estructura se efectuaran hasta la
profundidad indicada en los planos. Antes del procedimiento de vaciado, se aprueba
la excavación; así mismo no se permite ubicar la fundación sobre material de relleno
sin una consolidación adecuada. El fondo de todas las excavaciones para la fundación
quedará limpio y parejo.
5.3.2.4 Predimensionado de la fundación
Figura 5.16 Predimensionado de fundación anillos de piedra
5.3.2.5 Forma de ejecución: la superficie de desplante de la excavación se afinará y
189
compactará. En terrenos cohesivos donde la zanja pueda hacerse con paramentos
verticales y sin desprendimientos de tierra, la Fundación Anillos de Piedra es sencilla
y económica. El procedimiento para su construcción consistirá en humedecer las
piedras, limpiadas antes de colocarse, ir vaciando dentro de la zanja las piedras de
diferentes tamaños ( preferiblemente colocando las de mayor tamaño en la parte
inferior) se acomodará cada piedra a manera de llenar lo mejor posible el hueco
formado por las piedras contiguas asentando con piedra entera para reducir los vacíos
al tiempo que se vierte la mezcla de concreto con una dosificación 1:3:5, procurando
mezclar perfectamente el concreto con las piedras, de tal forma que se evite la
continuidad en sus juntas. El concreto ciclópeo se realizará añadiendo piedras más o
menos grandes a medida que se va vaciando para economizar material. Utilizando este
sistema, se puede emplear piedra más pequeña que en los cimientos de mampostería
de concreto. La técnica del concreto ciclópeo consiste en lanzar las piedras desde el
punto más alto de la zanja sobre el concreto en masa, que se depositará en la
fundación.
Precauciones:
a) Tratar que las piedras no estén en contacto con la pared de la zanja.
b) Que las piedras no queden amontonadas.
c) Alternar en capas el concreto y las piedras.
d) Cada piedra debe quedar totalmente envuelta por el concreto
Por lo general, este tipo de cimientos suele tener en el fondo un manto de arena
de un espesor de 10 cm.
190
5.3.3 Procedimiento de diseño para el cálculo de fundaciones Tipo III.
Fundaciones
Anulares de Concreto.
5.3.3.1 Análisis estructural de fundaciones anulares de concreto:
Se parte del caso general de fundación anular, tal como se indica en la figura
5.17. Se supone que el área ro de la superficie media de apoyo de la construcción en el
anillo coincide con la circunferencia lugar geométrico de los centros de gravedad de
los sectores anulares correspondientes a un ángulo d y esto conduce a que la
sección recta del anillo no experimente rotaciones debidas a la reacción del suelo,
correspondiente a cargas verticales, ni a las acciones verticales de la estructura sobre
la fundación.
191
Figura 5.17 Fundación anular de concreto [7]
La condición anterior conduce al cálculo de ro:
2
1
2
2
3
1
3
2
2r
1r
2r
1ro
rr
rr
3
2
d.2
d.2r
(5.34)
Para los cálculos se necesitarán las expresiones clásicas del área del anillo y del
momento de inercia de dicha área respecto a su eje diametral.
)rr(A 2
1
2
2
(5.35)
)rr(4
I 4
1
4
2s
(5.36)
Dada la elevada rigidez vertical que la estructura del tanque de estas obras
presenta, podemos aceptar que la línea de contacto entre el frente y el anillo,
permanece plana, aunque en efecto, su plano gire al hacerlo la estructura y la
fundación bajo las acciones horizontales.
Dada la flexibilidad relativa de la estructura del tanque en comparación con la
fundación, puede aceptarse que, en los casos habituales, el momento transmitido por
la fundación a la pared de la estructura (del tanque en este caso), provocado por el
giro de la sección recta del anillo, sea despreciable.
192
5.3.3.2 Comportamiento del anillo de fundación apoyado sobre el suelo:
Si la estructura tuviera simetría de forma y carga, es decir, si no estuviera sometida a
acciones verticales, la reacción del suelo sería uniforme (figura 5.18) y el anillo
estaría sometido sólo a flexiones radiales.
Figura 5.18 Acciones radiales en anillo de fundación
Bajo acciones horizontales, además de las verticales, podemos considerar tres
casos:
1) Si la fundación puede considerarse con infinitamente rígida, gira conjunta y
solidariamente con la estructura un ángulo , con reacción del suelo linealmente
variable y flexión de la fundación exclusivamente radial (figura 5.19).
193
Figura 5.19 Anillo de fundación infinitamente rígido [7]
2) Si la fundación puede considerarse como infinitamente flexible, la estructura gira
un ángulo como cuerpo rígido pero la zapata se torsiona para conservar la
horizontalidad correspondiente a una reacción uniforme del suelo (figura 5.20).
194
Figura 5.20 Anillo de fundación infinitamente flexible [7]
3) En la práctica se está en un caso intermedio, en que la rigidez, aun siendo elevada,
es finita, y además de la flexión radial aparecen esfuerzos de flexión longitudinal,
tangenciales y de torsión (figura 5.21)
195
Figura 5.21 Anillo de fundación flexible y rígido [7]
5.3.3.3 Especificaciones de diseño: los tanques de gran tamaño y con placas pesadas o
altas y/o techos auto apoyados imponen una carga sustancial a la fundación bajo la
placa de fondo. Esto es importante particularmente con respecto a la distorsión de
placas de fondo en tanques de techo flotante. Cuando existen dudas sobre si una
fundación será capaz de resistir la placa de fondo directamente deberá usarse la
fundación anular de concreto. Cuando se diseña un anillo de concreto, será
proporcionado de modo que la capacidad de soporte aceptable del suelo no sea
excedida. El anillo de concreto no será menor de 300 mm (12 plg) de espesor. El
diámetro del anillo deberá ser igual al diámetro nominal del tanque, sin embargo el
diámetro del anillo puede variar de ser requerido para facilitar la colocación de pernos
de anclaje o satisfacer los límites del suelo para cargas sísmicas o fuerzas de elevación
excesivas. La profundidad del anillo dependerá de condiciones locales, pero debe ser
196
la suficiente para colocar el anillo inferior dentro de los estratos especificados. Como
mínimo el anillo inferior a ser fundado sobre el suelo será localizado a una
profundidad de 0.6 m (2 pies). Se proporcionarán hendiduras en la pared para los
colectores, sumideros y cualquier otro accesorio.
Un anillo de concreto debería ser reforzado contra cambios de temperatura y
encogimiento y para resistir a la presión lateral del límite de llenado y sobrecargas.
La utilización de la Fundación Anular de Concreto presenta las siguientes
ventajas:
a) Proporciona la mejor distribución de la carga concentrada de la placa para
producir una carga casi uniforme del suelo debajo del tanque.
b) Proporciona un plano nivelado, que sirve de base sólida para la
construcción de laminas delgadas.
c) Proporciona el mejor medio para nivelar el tanque, y es capaz de
conservar su contorno durante la construcción.
d) Conserva el terraplén en la parte inferior del tanque y previene la pérdida
de material como resultado de la erosión.
e) Minimiza la humedad debajo del tanque
Con respecto a los valores de tensión de diseño, datos específicos de materiales
y desarrollo de nuevas barras y techos:
197
a) El anillo de concreto será reforzado para resistir a la tensión del aro
directo que es el resultado de la presión lateral de la tierra sobre la cara interior del
anillo. A no ser este justificado por el análisis geotécnico apropiado, la presión lateral
de la tierra será asumida de al menos 50 % de la presión vertical debido al peso del
suelo y el fluido. Si se utiliza relleno granular se usará un coeficiente de presión
lateral de tierra de 30 %.
b) El anillo será reforzado para resistir al momento graduado que es
resultado de la carga de momento uniforme. La carga de momento uniforme
representa las excentricidades de la lámina aplicada y presionará cargas en relación
con el centroide de la presión del suelo. La carga de presión es debida a la presión
fluida sobre la proyección horizontal del anillo dentro de la placa de fondo.
c) El anillo será reforzado para resistir al doblamiento y momentos de
torsión como resultado lateral de cargas de viento o sísmicas aplicadas
excéntricamente a ello, mediante un análisis racional que incluye el efecto de la
rigidez de fundación, la determinación de estos momentos y las distribuciones de
presión del suelo.
d) Cuando el ancho del anillo excede 460 mm (18 plg) se debe usar un
pedestal. Los pedestales también pueden ser útiles para resistir fuerzas de
volcamiento.
e) El relleno estructural dentro y adyacente al anillo de concreto y alrededor
de los sumideros, las tuberías debajo del tanque y colectores, requieren del control en
campo para mantener las tolerancias establecidas, el relleno deberá ser de material
granular permeable no corrosivo, comprimido y con la densidad especificada en los
datos de construcción de la fundación. Para otros materiales de relleno, se deberán
realizar suficientes prueba para verificar que el material tiene la resistencia adecuada.
198
5.3.3.4 Dimensiones y propiedades geométricas del anillo:
Figura 5.22 Vista de planta anillo de fundación
199
Figura 5.23 dimensiones y propiedades geométricas del anillo
Donde:
ht: Altura del anillo sobre el terreno, expresada en mts.
hp: Altura del anillo 1, expresada en mts. (Mínimo 1.00)
hz: Altura del anillo 2, expresada en mts. (Mínimo 0.30)
bp: Ancho de pedestal, expresado en mts. (Mínimo 0.30)
bz: Ancho mínimo preliminar del anillo, expresada en mts. (Mínimo 0.20)
SECCIÓN A-A
200
Figura 5.24 Fundación anular de concreto
El ancho mínimo preliminar del anillo se calculará mediante la ecuación D. 1,
apéndice D, este valor debe chequearse y se utiliza como punto de inicio de los
cálculos.
También se deberá obtener los valores de:
De: diámetro externo del anillo, expresado en mts. (Ecuación D. 2, apéndice D)
Di: diámetro interno del anillo, expresado en mts. (Ecuación D. 3, apéndice D)
A: área de la base del anillo (Ecuación D. 4, apéndice D)
S: modulo de sección. (Ecuación D. 5, apéndice D
201
Estos datos son obtenidos por medio del ingeniero Mecánico y algunos
aplicando formulas básicas como el área, volumen y peso, ya que se necesitan ciertos
datos para realizar los cálculos de la fundación.
Los anillos cuyo espesor sea mayor que 254 mm (10”) deberán constar de acero
de refuerzo en dos direcciones y colocado en dos capas paralelas a las caras del
anillo.
5.3.3.5 Verificación de esfuerzos en el suelo:
Cargas verticales (por unidad de longitud de circunferencia):
Peso de paredes y techo tanque (Wt1): Ecuación D. 5, apéndice D.
Peso del líquido sobre el anillo (Wt2): Ecuación D. 6, apéndice D.
Peso del anillo de concreto (Wt3): Ecuación D. 7, apéndice D.
Máxima compresión en la base por sismo (Wt4): ecuaciones D. 8 a D. 10, apéndice D.
Combinaciones de cargas:
Caso: Operación (tanque lleno): CP + F
Cálculo de esfuerzos en el suelo mediante la ecuación D. 11, apéndice D.
Caso: Operación + Sismo (tanque lleno): CP + F + S
Cálculo de esfuerzos en el suelo mediante la ecuación D. 12, apéndice D.
También, utilizando el método sugerido en API 650 y FJ-251 (ecuación D. 13,
apéndice D) se puede calcular el esfuerzo en el suelo y el valor deberá ser el mismo.
202
Caso: Tanque vacio + Viento: CP + V
Cálculo de esfuerzos en el suelo: mediante las ecuaciones D. 14 a D. 16, apéndice D.
5.3.3.6 Diseño del acero de refuerzo:
Presión horizontal Interna del Anillo: del análisis de una sección o corte
transversal del anillo se determina su presión horizontal (ecuaciones D. 18 a D. 21,
apéndice D)
Tracción actuante en el anillo: la fuerza horizontal “F” origina una tensión en el
anillo, se determinará mediante las ecuaciones D. 22 y D. 23, del apéndice D.
Acero principal requerido por tracción: los valores mínimos de área de acero de
refuerzo horizontal y vertical serán de 0.0025 y 0.0015 de la sección del anillo,
respectivamente. El acero horizontal deberá calcularse para absorber totalmente esta
fuerza, por las ecuaciones D. 25 y D. 26, del apéndice D.
Acero vertical requerido en cada Cara (estribos): ecuación D. 27, apéndice D.
Tracción admisible en el concreto: los valores de esfuerzos de tensión del
concreto varían entre 10% y 15% de f’c. Sin embargo, dependiendo de las
especificaciones de diseño pueden permitirse valores mayores a los antes indicados
(ecuaciones D. 28 a D. 30 del apéndice D)
Tracción actuante: los esfuerzos de tensión en el concreto deberán verificarse
mediante la ecuación D. 31, del apéndice D.
203
5.3.4 Procedimiento de diseño para el cálculo de fundaciones Tipo IV. Placa
de Concreto Armado
5.3.4.1 Generalidades: la losa se podrá diseñar y analizar como cualquier cuerpo rígido
o como placa flexible apoyada sobre un suelo de fundación elástico. Normalmente se
realiza el análisis combinando ambas situaciones. Se puede realizar un diseño teórico
de la losa como placa en un suelo de fundación elástico, sin embargo, un número de
factores reduce rápidamente la exactitud a una combinación de aproximaciones. Estos
incluyen:
1) Gran dificultad en la predicción de respuestas de subgrado y asignación
de la plataforma de base que predicen incluso parámetros elásticos aproximados al
suelo.
2) Grosor de estratos de suelo finito y variaciones en propiedades del suelo
tanto horizontalmente como verticalmente.
3) Forma de la losa.
4) Efecto de la rigidez de la superestructura sobre la losa (y viceversa)
Con estos factores en mente, será necesario diseñar de manera conservadora
manteniendo un factor de seguridad adecuado.
Cuando se excava el terreno para el vaciado de una losa de fundación a menudo
la extensión del suelo bajo la excavación se expande, cuanto se expande depende de
varios factores:
1) La profundidad de la excavación (cantidad de presión perdida por la
sobrecarga)
204
2) El tipo de suelo (arena o arcilla) la arena se expande menos que la arcilla.
La expansión principal en arcilla sobrepuesta en arena se desarrolla generalmente en
la arcilla.
3) Antecedentes de las tensiones anteriores del suelo.
4) Las presiones del suelo disminuyen durante la excavación de operación
de la construcción. La cantidad expandida puede extenderse de ½ a 2 adentro (15 a 50
mm) a valores mucho más grandes.
Este tipo de fundación se empleará cuando las cargas del suelo se deban
distribuir sobre un área más grande que el área del tanque. Se puede requerir pilotes
bajo la losa para el apoyo apropiado del tanque o del mejoramiento del suelo en el
caso que la capacidad de soporte del subsuelo sea insuficiente, el diseño estructural
de la losa con o sin pilotes representará todas las cargas impuestas ante losa por el
tanque. Esta losa de fundación será de forma circular y con un diámetro mayor al del
tanque, bordeado con un nervio de concreto armado en su extremo para dar mayor
apoyo a las paredes del tanque. Este tipo de fundación soportará únicamente tanques
de diámetro entre 4.57 m (15 pie) y 6.1 m (20 pie), para tanques de diámetro menor a
4.57 se deberá considerar el uso de una fundación octogonal de espesor uniforme.
205
Figura 5.25 Características placa de concreto armado [3]
5.3.4.2 Presión del suelo en placa de concreto armado para tanques de almacenamiento
(Crudo/Agua): dependiendo de la geometría y del peso del tanque, la losa podrá
“poner a flote” la estructura en el suelo de modo que el asentamiento sea controlado.
La losa se diseña como una gran fundación para las paredes y el líquido del tanque. La
presión sobre el suelo se aproxima como una presión constante obtenida de la carga
total (distribuida) dividida por el área total. Esta presión de soporte debe ser menor
que la capacidad del suelo. En general la presión que causa el asentamiento en un
análisis de fundación se calculará como:
Presión Neta = Peso de la estructura (incluyendo el peso de la losa) – Peso de tierra
excavada Area de la losa
206
Figura 5.26 Presión sobre el suelo [3]
5.3.4.3 Cargas actuantes en la placa de concreto armado para tanque de
almacenamiento (Crudo/Agua): se consideran 2 situaciones de cargas. La primera
implica el suelo no saturado, así no hay ninguna elevación de la presión del agua. En
este caso el suelo soporta el líquido, las paredes y la losa. Sin embargo, para el diseño
del acero a flexión, el peso del líquido y la losa son resistido igualmente por las
presiones del suelo, dejando solo el peso de las paredes.
207
Figura 5.27 Primera situación de carga [3]
La segunda situación de carga a considerar es la de un tanque vacío, con el
nivel de agua freática más alta. Las cargas para el diseño del acero a flexión de la losa
son el peso de la losa y de las paredes (distribuidas) que empujan hacia abajo, y la
presión del agua (distribuida) que empuja hacia arriba.
208
Figura 5.28 Segunda situación de carga [3]
El mayor valor de las dos situaciones de cargas gobernará el diseño de la losa.
Se considera el ancho de la losa para el diseño de acero a flexión.
5.3.4.4 Espesor de la placa de concreto armado para tanque de almacenamiento
(Crudo/Agua): se debe diseñar un nervio en la losa en la ubicación de la pared del
tanque. La longitud del nervio se diseñará como se muestra en la figura 5.42. Las
secciones críticas permanecen en la cara de la pared. La losa será colocada de modo
que el espesor de la misma sea totalmente integrado al suelo circundante.
5.3.4.5 Acero de refuerzo en la placa de concreto armado para tanques de
209
almacenamiento (Crudo/Agua): el refuerzo para la placa se extiende a través del
nervio, según lo ilustrado en la figura 5.29. Serán necesarias barras adicionales en la
parte inferior del nervio de la losa.
Figura 5.29 Acero de refuerzo en placa de concreto armado
5.4.4.6 Profundidad no embutida en el suelo de la placa de fundación: se requiere que
el peso del tanque vacío exceda la elevación del nivel más alto del agua subterránea,
con un factor de seguridad de 1.25.
25.1 Carga muerta / elevación
(5.37)
210
Figura 5.30 Profundidad no embutida en placa de concreto armado
Para diseñar una placa de concreto armado o una placa nervada existen
diferentes métodos de diseño para su análisis por lo que no es posible establecer un
procedimiento específico a seguir. A continuación se describen algunos de los
métodos más importantes en la resolución de losas de fundación:
5.3.4.7 Procedimiento de diseño de placas de fundación según Documento ACI
336.2R-02[2]
1) proporcionar el plano de fundación usando cargas mayoradas y cualquier
momento de vuelco como:
Z
e6
B
e61
Bz
Pq
yx
(5.38)
211
La excentricidad ex, ey resultan de las cargas de la columna, P incluye el
efecto de cualquier momento de vuelco u otros efectos. La excentricidad ex, ey son
computados usando la estática, se suman los momentos cercanos a la losa de
fundación. Los valores del diseño ex, ey serán levemente diferentes si están calculados
usando cargas factorizadas o descompuestas en factores. Las cargas factorizadas
reales se utilizan como comparación a la presión del suelo.
La presión permisible del suelo se puedo suministrar como uno o más valores
dependiendo de la carga a largo plazo o de incluir cargas transitorias tales como
viento. Para el diseño de la fuerza es necesario descomponer en factores esta presión
permisible del suelo a un pseudo “ultimo” valor, que se puede hacer como sigue:
ault qq (suma de cargas de calculo descompuestas en factores factorizadas)
(5.39) suma de cargas de calculo factorizadas
2) Calcular el espesor mínimo de la losa basado en el corte de perforación de las
columnas criticas (esquinas, lados, interior) basado en la carga de columna y el
perímetro del corte. Es común no utilizar el refuerzo del corte de manera que la
profundidad de la losa sea un máximo. Esto aumenta la rigidez a flexión y aumenta la
confiabilidad de uso.
3) Diseñar el acero de refuerzo tratando la losa como un cuerpo rígido y
considerando líneas a ambos lados, si se cumplen los criterios siguientes:
a) El espaciado de la columna será < X
75,1 o, la fundación será muy gruesa.
212
b) La variación en cargas de columna y espaciado no será más del 20%. Para losas
que no abarcan o cumplen con estos criterios se regirán directamente por el paso N°
4.
Estas líneas son analizadas como zapatas combinadas con las columnas
múltiples cargadas con la presión del suelo. En la línea y las reacciones de columna
iguales (o factorizadas) a las cargas descompuestas en factores obtenidas del análisis
de la superestructura. Puesto que una losa transfiere la carga horizontalmente, la línea
dada puede no satisfacer una adición vertical de la carga a menos que la
consideración se de a la transferencia del corte entre las líneas.
4) Realizar un análisis de aproximación o un análisis computarizado de la losa y
revisar el diseño del cuerpo rígido cuando sea necesario. El análisis de aproximación
para losas de fundación se basa generalmente en una aproximación donde la losa se
divide en un número de elementos (finitos) discretos usando líneas de rejilla. Hay 3
formulaciones discretas generales del elemento que pueden ser utilizadas:
a) Diferencia finita
b) Método de la rejilla finita
c) Método de elementos finitos
Estos dos últimos métodos se pueden utilizar para las losas con limites
curvados (losas circulares) o con esquinas semicirculares. Los 3 métodos utilizan él
modulo de reacción K de la plataforma de base como la contribución del suelo al
modelo estructural.
213
El método de la diferencia finita es un procedimiento que proporciona muy
buenos resultados para las aproximaciones usadas. Este procedimiento fue utilizado
excesivamente en el pasado pero se utiliza a veces para verificar métodos de elemento
finito.
El método de la rejilla finita individualiza la fundación en un número de
elementos del eje-columna con los dobles y la resistencia torsional. La resistencia
torsional se utiliza para incorporar la torsión de la placa usando el modulo G del
corte. En la terminología de elementos finitos, este método produce elementos no
conformes, es decir, la compatibilidad del interelemento se asegura solamente en los
nodos.
El método de los elementos finitos individualiza la losa en un número de
elementos rectangulares y/o triangulares.
5.3.4.8 Procedimiento de diseño de placas de fundación por el Método de
Coordenadas Polares [7]
:
Cuando la placa circular esté simétricamente cargada, se distribuirá sobre el eje
perpendicular a la placa a través de su centro. En estos casos, la superficie de
deflexión a la cual el eje medio de la placa está inclinado también será simétrica. El
análisis de placas circulares puede realizarse convenientemente usando coordenadas
polares.
214
Figura 5.31 Placa circular de fundación [7]
Los resultados de la tensión en un elemento circular de la placa se muestran en
la figura 5.32 a continuación:
Figura 5.32 fuerzas resultantes en placa circular de concreto armado [7]
La ecuación diferencial de gobierno se expresa en coordenadas polares como:
Superficie Media
215
D
q
dr
dwr
dr
d
r
1
dr
dr
dr
d
r
1
(5.40)
En donde q es la intensidad de la carga. En el caso de una placa circular
uniformemente cargada (ecuación 5.118) puede ser integrado sucesivamente y la
deflexión en cualquier momento en una distancia r del centro se puede expresar
como:
32
2
1
4
o Ca
rlogC
4
r*C
D64
r*qW
(5.41)
En donde qo es la intensidad de carga y a es el radio de la placa. C1, C2 y C3 son
constantes de integración que se determinaran usando las condicione de límite.
Para una placa con los bordes afianzados con abrazaderas debajo de qo
uniformemente distribuido de carga, la superficie de la deflexión se reduce a:
222o )ra(
D64
qW
(5.42)
La deflexión máxima ocurre en el centro, donde r = 0 y se da por:
D64
aqW
4
o
(5.43)
216
Los momentos de flexión en las direcciones radiales y tangenciales se dan
respectivamente como:
)3(r)1(a16
qM 22o
r
(5.44)
)31(r)1(a16
qM 22o
t
(5.45)
El método de superposiciones puede ser aplicado en el cálculo de las deflexiones para
las placas circulares con los bordes simplemente apoyados. Las expresiones para el
momento de la deflexión se dan:
22
22
o ra1
5
D64
)ra(qW
(5.46)
D
aq
)1(64
5W
4
o
max
(5.47)
22o
r ra316
qM
(5.48)
)31(r)3(a16
qM 22o
t
(5.49)
217
Esta solución se puede utilizar en placas con un agujero circular en el centro y sujetar
a las fuerzas concéntricas del momento y de corte. Las placas sujetan la carga
concéntrica y la carga concentrada también se puede resolver con este método.
Tabla 5.21 Condiciones típicas de carga límite para placas circulares
Caso
Nº
Sistema estructural y carga
estática Deflexión y fuerzas internas
Tabla 5.21 Cont. Condiciones típicas de carga y limite para placas circulares
218
Tabla 5.21 Cont. Condiciones típicas de carga límite para placas circulares
219
5.3.5 Procedimiento de diseño para el cálculo de fundaciones Tipo V. Placa
Nervada de Concreto Armado
Este tipo de fundación se utiliza cuando el corte en la sección crítica es mayor
que la capacidad. Para el diseño de la placa nervada de concreto armado para tanques
de almacenamiento, se tomará en cuenta los mismos criterios de la placa de concreto
armado de la sección 5.3.4.1 a 5.3.4.4, además de lo siguiente:
Figura 5.33 Características placa nervada de concreto armado
220
5.3.5.1 Espesor de la placa nervada de concreto armado para tanques de
almacenamiento (Crudo/Agua): la placa nervada de concreto armado llevará además
del nervio en el borde de la losa, nervios internos longitudinales. Este tipo de
fundaciones se empleará para soportar tanques de diámetro también entre 4.57 m (15
pie) y 6.1 m (20 pie)
Figura 5.34 Espesor de placa nervada de concreto armado
5.3.5.2 Acero de refuerzo en placa nervada de concreto armado para tanques de
almacenamiento (Crudo/agua): el acero de refuerzo se extiende a través de cada uno
de los nervios y de la losa, como lo ilustra la figura 5.35, serán necesarios el empleo de
barras adicionales para la parte inferior del nervio de la losa.
221
Figura 5.35 Acero de refuerzo en placa nervada de Concreto armado
5.3.5.3 Profundidad no embutida en el suelo de la placa de fundación: se requiere que
el peso del tanque vacío exceda la elevación del nivel más alto del agua subterránea,
con un factor de seguridad de 1.25
25.1 Carga muerta / elevación
(5.50)
222
Figura 5.36 Profundidad no embutida en placa nervada
5.3.6 Diseño área de contención o dique de tierra para tanques de
almacenamiento (Crudo/Agua): las áreas de diques son usadas para conservar la
descarga accidental de productos provenientes del tanque con la finalidad de
impedir que el líquido se esparza a zonas adyacentes, instalaciones o vías
fluviales, entre otros. También son usadas para controlar el agua pluvial y para
proteger el tanque de la contaminación.
Otros métodos como diques de concreto y sistemas de desviación son usados
para controlar derrames de tanques. Normalmente el sistema de desviación canalizará
el drenaje por gravedad a un área de retención. El área de retención podrá estar
formada por la instalación de un dique de retención cerca de un área cercada.
El diseño de diques debe ser lo suficientemente impermeable para contener un
producto que se derrame en un periodo de tiempo adecuado para su recuperación y
limpieza. Ellos serán capaces de soportar un lleno hidrostático del agua, vibraciones
sísmicas, entre otros.
223
5.3.6.1 Preparación inicial: antes de comenzar la construcción del dique, se debe
remover la capa vegetal de la superficie del suelo, despejar 150 mm a 200 mm de
profundidad y excavar 300 mm más ancho que el dique propuesto para luego
comprimir de nuevo el área. Si el suelo original es arena, se deberá excavar a una
profundidad de 460 mm antes de la colocación del material para la construcción del
dique.
5.3.6.2 Dimensiones del dique y solape:
Tabla 5.22 dimensiones de diques
Altura 3000 mm (9” – 10”) máximo
(lado de tanque)
Solape
Compatible con el ángulo de
reposo del suelo usado. No mas
escarpado que 2 horizontal a 1
vertical.
Ancho en la parte superior 1000 mm ( 3 ft) mínimo
224
Figura 5.37 Dimensiones del dique y solape
5.3.6.3 Material utilizado para la construcción de diques de tierra para tanques de
almacenamiento (Crudo/Agua): prácticamente cualquier tipo de suelo es apto, excepto
agregados finos, limos, arenas o la grava pueden ser usados. Un material
probablemente será satisfactorio si, pasa por el tamiz N° 200 con el contenido mas
bajo de agua. El mejor material es una arcilla o un limo arcilloso el cual es
impermeable cuando es correctamente colocado. Si solo se dispone de material
granular u otro material permeable, una base impermeable puede ser incorporada al
dique, esta base puede consistir en un suelo de arcilla importada.
5.3.6.4 Espaciado entre el dique y el tanque de almacenamiento: el espaciado dique-
tanque no será menor que la altura del tanque. El espaciado entre tanques adyacentes
no será menor que 1 - ½ veces el diámetro del tanque más pequeño. Para todos los
casos, la capacidad de contenido del dique del tanque será al menos el 150 % del
volumen del tanque más grande mas el volumen desplazado del resto de los tanques.
En la figura 5.38 a continuación se muestra el espaciado mínimo necesario entre el
dique y el tanque.
225
Asimismo en la figura 5.39 se muestra el espaciado mínimo necesario en el caso de
tanques de almacenamiento adyacentes, el cual debe ser mayor o igual al diámetro del
tanque más pequeño o 0.5 veces el diámetro del tanque más pequeño.
Figura 5.38 Espaciado entre dique y tanque
226
Figura 5.39 Espaciado entre tanques de almacenamiento adyacentes
5.3.6.5 Protección de erosión: el método más usado consiste en una primera capa de
mezcla de 75 % de asfalto RC-2 y 25 % de kerosene ejerciendo presión sobre el
rociado a una rata de 1.2 a 1.5 l/m2 (dependiendo del suelo) y una segunda capa 100 %
de asfalto RC-2. Otros métodos para la protección de la erosión son la tela metálica,
agregado granular, asfalto PC-2 y los paneles prefabricados de concreto.
5.4 Desarrollo de propuesta de actualización del procedimiento de ingeniería
PDVSA Nº L-STC-006 “Fundaciones para Tanques de Almacenamiento” con las
últimas emisiones de las normas COVENIN 1753-06 “Proyecto y Construcción
de Obras Complementarias en Concreto Estructural”, COVENIN 1756-01
“Edificaciones Sismorresistentes”, Código ACI 318-05 “Requisitos de
Reglamento para Concreto Estructural”
La propuesta de actualización se fundamenta en un procedimiento de trabajo
mediante el empleo de un diagrama de flujo o flujograma, el cual expresa
227
gráficamente las distintas operaciones y actividades que componen un procedimiento,
establece una secuencia cronológica y además de la secuencia de actividades, el
flujograma muestra lo que se realiza en cada etapa y las decisiones que deben ser
tomadas. El flujograma tendrá naturaleza de instrucción, representando así, la mejor
forma de realizar los diseños desde el punto de vista de tiempo, esfuerzo y dinero,
siendo importante que se elabore de forma secuencial, cronológica y se mantenga
actualizado, ya que así se evita la inconsistencia al momento de transmitir la
información.
En la elaboración de los flujogramas de trabajo propuestos, además de las
normas mencionadas en el título del objetivo específico, se utilizaron para el diseño
sismorresistente, verificación de la estabilidad y diseño de los diferentes tipos de
fundación, las normas: COVENIN 1618-98 “Estructuras de Acero para Edificaciones.
Método de los Estados Limites, “PDVSA N° FJ-251 “Diseño Sismorresistente de
Tanques Metálicos”, PDVSA N° 221 “Diseño Sismorresistente de Instalaciones
Industriales”; para el diseño de fuerzas de viento: COVENIN 2003-89 “Acciones del
Viento sobre las Construcciones”, y para el diseño del área de contención o dique se
utilizaron las normas PDVSA N° 0602.1.472 “Earth Dikes for Storage Tanks”
228
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fundaciones Tipo I. Colchón de Arena Hoja:
1
229
Inicio
Datos para el
Diseño
Calcular
pesos
efectivos y
alturas
efectivas,
Figuras A.1 y
A.2
Parámetros
que definen la
zona sísmica,
Tabla 5.8,
Figuras A.3 y
A.4
Característic
as del
contenido y
riesgos
asociados.
Tabla B.1
Aceleración
horizontal y
vertical máxima
del terreno.
Ec. C.2 o C.3 y
C.4
Espectros
de
respuestas *T,T,,
Tablas
5.10, 5.15 y
5.16
¿Condición
inicial de
anclaje
asumida para
el tanque?
DIS
EÑ
O S
ISM
OR
ES
IST
EN
TE
PA
RA
TA
NQ
UE
S D
E A
LM
AC
EN
AM
IEN
TO
(C
RU
DO
/ A
GU
A)
No
Anclado
Seleccionar factor
de
amortiguamiento
. Tabla B.2
Esta condición
deberá ser
verificada en el
cálculo de la
estabilidad
Calcular
Efecto
impulsivo
horizontal,
vertical y
efecto
convectivo
(*
). Ec. C.6 Calcular
periodos de
vibración
(T1 , T2 y Tv).
Ec. C.7, C.8 y
C.9
Calcular ordenadas
de los espectros de
diseño para la
componente
horizontal (Ad).
Ec. 5.30, 5.31 y
5.32 Calcular
altura
máxima de
oscilación
del líquido
(h).
Ec. C.11
Calcular de fuerzas en
la base del tanque
(V1, V2, V, M1, M2, M,
Mr)
Ec. C.13 a C.20
Calcular
esfuerzo
circunferencia
l y admisible.
Ec. C.21 a
C.23 1
230
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fundaciones Tipo I. Colchón de Arena
Hoja: 2
DIS
EÑ
O D
E F
UE
RZ
AS
DE
VIE
NT
O
Seleccionar la
velocidad básica
del viento (Bwp)
Figura A.7 o Tabla
B.4
Seleccionar
el factor de
carga por
viento.
Tabla B.5
Calcular la fuerza
horizontal
resultante en la
pared del tanque
(Fw). Ec. C.25
Calcular el
momento de
volcamiento
(Mv).
Ec. C.26
VE
RIF
ICA
CIO
N D
E L
A E
ST
AB
ILID
AD
Calcular el
peso máximo
del contenido
que resiste el
volcamiento
(WL)
Calcular el
peso de
tanque
vacío (Wt)
Tanque inestable:
Cambiar la fundación a tipo de
III, IV o V.
Modificar las proporciones del
tanque, aumentado el diámetro y
reduciendo la altura.
1
Calcular el
momento
resistente del
tanque (Mr)
¿ ?
OK
Si
No
231
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fundaciones Tipo I. Colchón de Arena
Hoja: 3
DIS
EÑ
O D
E L
A F
UN
DA
CIÓ
N C
OL
CH
ÓN
DE
AR
EN
A
DIS
EÑ
O D
EL
AR
EA
DE
CO
NT
EN
CIO
N O
DIQ
UE
Definir las
características
del terreno
Seleccionar el
material base de
construcción
Especificaciones
técnicas
Predimension
ar la
Fundación
Tipo I:
Colchón de
Arena
Forma de
ejecución
Realizar
la
preparaci
ón inicial
de terreno
Establecer las
dimensiones del
dique: altura,
solape y ancho en
la parte superior
Seleccionar
el material
para la
construcción
del dique
Establecer
el
espaciado
entre el
dique y el
tanque
Definir el
método
para la
protección
de erosión
FIN
Calcular los esfuerzos en el
suelo
(
232
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fundaciones Tipo II. Anillos de Piedra Hoja: 1
233
Inicio
Datos para el
Diseño
Calcular
pesos
efectivos y
alturas
efectivas,
Figuras A.1 y
A.2
Parámetros
que definen la
zona sísmica,
Tabla 5.8,
Figuras A.3 y
A.4
Característic
as del
contenido y
riesgos
asociados.
Tabla B.1
Aceleración
horizontal y
vertical máxima
del terreno.
Ec. C.2 o C.3 y
C.4
Espectros
de
respuestas *T,T,,
Tablas
5.10, 5.15 y
5.16
¿Condición
inicial de
anclaje
asumida para
el tanque?
DIS
EÑ
O S
ISM
OR
ES
IST
EN
TE
PA
RA
TA
NQ
UE
S D
E A
LM
AC
EN
AM
IEN
TO
(C
RU
DO
/ A
GU
A)
No
Anclado
Seleccionar factor
de
amortiguamiento
. Tabla B.2
Esta condición
deberá ser
verificada en el
cálculo de la
estabilidad
Calcular
Efecto
impulsivo
horizontal,
vertical y
efecto
convectivo
(*
). Ec. C.6 Calcular
periodos de
vibración
(T1 , T2 y Tv).
Ec. C.7, C.8 y
C.9
Calcular ordenadas
de los espectros de
diseño para la
componente
horizontal (Ad).
Ec. 5.30, 5.31 y
5.32 Calcular
altura
máxima de
oscilación
del líquido
(h).
Ec. C.11
Calcular de fuerzas en
la base del tanque
(V1, V2, V, M1, M2, M,
Mr)
Ec. C.13 a C.20
Calcular
esfuerzo
circunferencia
l y admisible.
Ec. C.21 a
C.23 1
234
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fundaciones Tipo II. Anillos de Piedra
Hoja: 2
DIS
EÑ
O D
E F
UE
RZ
AS
DE
VIE
NT
O
Seleccionar la
velocidad básica
del viento (Bwp)
Figura A.7 o Tabla
B.4
Seleccionar
el factor de
carga por
viento.
Tabla B.5
Calcular la fuerza
horizontal
resultante en la
pared del tanque
(Fw). Ec. C.25
Calcular el
momento de
volcamiento
(Mv).
Ec. C.26
VE
RIF
ICA
CIO
N D
E L
A E
ST
AB
ILID
AD
Calcular el
peso máximo
del contenido
que resiste el
volcamiento
(WL)
Calcular el
peso de
tanque
vacío (Wt)
Calcular la
compresión actuante
en el anillo inferior
(b):
factor de estabilidad
(No anclado):
Tanque inestable:
Cambiar la fundación a tipo de
III, IV o V. Aumentar el espesor tc del anillo
inferior de la pared del tanque.
Modificar las proporciones del
tanque, aumentado el diámetro y
reduciendo la altura.
Sí
¿SF
0,785? 2
rt
D
M273,1Wb Sí
¿0,785 < SF
1,5?
Sí “b” se
calcula
mediante la
Figura A.8
N
o
¿1,5 < SF
1,57?
N
o
2/1
Lt
2
rLt
L
)WW(D
M637,01
490,1
WW
Wb
N
o
1
ct
bfc
10
235
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fundaciones Tipo II Anillos de Piedra Hoja: 3
DIS
EÑ
O D
E L
A
FU
ND
AC
IÓN
AN
ILL
LO
S D
E
PIE
DR
A
Seleccionar el
material y
control de
calidad
Especificacio
nes técnicas
Definir la
forma de
ejecución
DIS
EÑ
O D
EL
AR
EA
DE
CO
NT
EN
CIO
N O
DIQ
UE
Realizar
la
preparaci
ón inicial
de terreno
Establecer las
dimensiones del
dique: altura, solape
y ancho en la parte
superior
Seleccionar
el material
para la
construcción
del dique
Establecer
el
espaciado
entre el
Definir el
método
para la
protección
de erosión
FIN
2
2
VE
RIF
ICA
CIO
N D
E L
A
ES
TA
BIL
IDA
D
OK. Los espesores
de pared son
adecuados
¿fc <
fa?
Si
No
Se requiere aumentar el espesor del anillo
inferior tc
En base al informe
de laboratorio se
determina el
esfuerzo admisible
en la piedra (fa)
Predimensionado
de la fundación
tipo II: Anillos
de Piedra
236
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fundaciones Tipo III. Anulares de Concreto Hoja: 1
237
Inicio
Datos para el
Diseño
Calcular
pesos
efectivos y
alturas
efectivas,
Figuras A.1 y
A.2
Parámetros
que definen la
zona sísmica,
Tabla 5.8,
Figuras A.3 y
A.4
Característic
as del
contenido y
riesgos
asociados.
Tabla B.1
Aceleración
horizontal y
vertical máxima
del terreno.
Ec. C.2 o C.3 y
C.4
Espectros
de
respuestas *T,T,,
Tablas
5.10, 5.15 y
5.16
¿Condición
inicial de
anclaje
asumida para
el tanque?
DIS
EÑ
O S
ISM
OR
ES
IST
EN
TE
PA
RA
TA
NQ
UE
S D
E A
LM
AC
EN
AM
IEN
TO
(C
RU
DO
/ A
GU
A)
No
Anclado
Anclado
Seleccionar factor
de
amortiguamiento
. Tabla B.2
Esta condición
deberá ser
verificada en el
cálculo de la
estabilidad
Calcular
Efecto
impulsivo
horizontal,
vertical y
efecto
convectivo
(*
). Ec. C.6 Calcular
periodos de
vibración
(T1 , T2 y Tv).
Ec. C.7, C.8 y
C.9
Calcular ordenadas
de los espectros de
diseño para la
componente
horizontal (Ad).
Ec. 5.30, 5.31 y
5.32 Calcular
altura
máxima de
oscilación
del líquido
(h).
Ec. C.11
Calcular de fuerzas en
la base del tanque
(V1, V2, V, M1, M2, M,
Mr)
Ec. C.13 a C.20
Calcular
esfuerzo
circunferencia
l y admisible.
Ec. C.21 a
C.23 1
238
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fundaciones Tipo III. Anulares de Concreto Hoja: 2
DIS
EÑ
O D
E F
UE
RZ
AS
DE
VIE
NT
O
VE
RIF
ICA
CIO
N D
E L
A E
ST
AB
ILID
AD
Calcular el
peso máximo
del
contenido
que resiste el
volcamiento
(WL)
Calcular el
peso de
tanque
vacío (Wt)
¿Condición
inicial de
anclaje
asumida para
el tanque? Anclado
No anclado
tWd
fc2
273.1
)WW(d
MrSF
Lt
2
¿SF >
1,57?
N
o Tanqu
e
establ
e Tanque inestable. Colocar
anclajes
Sí
Requerimie
nto de
anclaje
C = 2M /
dW
¿C >
0.66?
No se
requiere
n
anclajes Sí
Diseñar los
pernos de
anclajes
N
o
Calcular la
tracción en
pernos de
anclajes
Tuniforme
Verificar
de
esfuerzos
máximos
en pernos
de anclaje
Factor de
estabilidad
(SF)
1
2
Seleccionar la
velocidad básica
del viento (Bwp)
Figura A.7 o Tabla
B.4
Seleccionar
el factor de
carga por
viento.
Tabla B.5
Calcular la fuerza
horizontal
resultante en la
pared del tanque
(Fw). Ec. C.25
Calcular el
momento de
volcamiento
(Mv).
Ec. C.26
239
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fundaciones Tipo III. Anulares de Concreto Hoja: 3
DIS
EÑ
O D
E L
A
FU
ND
AC
IÓN
AM
UL
AR
DE
CO
NC
RE
TO
Dimensionar el
anillo de
fundación (ht,
hp, hz, bp, bz)
Verificar
los
esfuerzos
en el suelo
DIS
EÑ
O D
EL
AR
EA
DE
CO
NT
EN
CIO
N O
DIQ
UE
Realizar
la
preparaci
ón inicial
de terreno
Establecer las
dimensiones del
dique: altura,
solape y ancho en
la parte superior
Seleccionar
el material
para la
construcción
del dique
Establecer
el
espaciado
entre el
Definir el
método
para la
protección
de erosión
FIN
2
VE
RIF
ICA
CIO
N D
E L
A
ES
TA
BIL
IDA
D
Diseñar el
acero de
refuerzo
Análisis estructural
de fundaciones
Anulares de
Concreto
Comportamiento
del anillo de
fundación apoyado
sobre el suelo
Calcular la
compresión
admisible en el
anillo inferior (fa)
¿G HL D
2 / tc
2
44?
Fa = L
c H.G7,68d
t388
Fa = 844 tc /
D
¿fc <
fa?
OK. Los espesores
de pared son
adecuados
Se requiere aumentar el espesor del anillo
inferior tc
Sí
Sí
N
o
N
o
240
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fund. Tipo IV. Placa de Concreto Armado Hoja: 1
Fund. Tipo V. Placa Nervada de Concreto
241
Inicio
Datos para el
Diseño
Calcular
pesos
efectivos y
alturas
efectivas,
Figuras A.1 y
A.2
Parámetros
que definen la
zona sísmica,
Tabla 5.8,
Figuras A.3 y
A.4
Característic
as del
contenido y
riesgos
asociados.
Tabla B.1
Aceleración
horizontal y
vertical máxima
del terreno.
Ec. C.2 o C.3 y
C.4
Espectros
de
respuestas *T,T,,
Tablas
5.10, 5.15 y
5.16
¿Condición
inicial de
anclaje
asumida para
el tanque?
DIS
EÑ
O S
ISM
OR
ES
IST
EN
TE
PA
RA
TA
NQ
UE
S D
E A
LM
AC
EN
AM
IEN
TO
(C
RU
DO
/ A
GU
A)
No
Anclado
Anclado
Seleccionar factor
de
amortiguamiento
. Tabla B.2
Esta condición
deberá ser
verificada en el
cálculo de la
estabilidad
Calcular
Efecto
impulsivo
horizontal,
vertical y
efecto
convectivo
(*
). Ec. C.6 Calcular
periodos de
vibración
(T1 , T2 y Tv).
Ec. C.7, C.8 y
C.9
Calcular ordenadas
de los espectros de
diseño para la
componente
horizontal (Ad).
Ec. 5.30, 5.31 y
5.32 Calcular
altura
máxima de
oscilación
del líquido
(h).
Ec. C.11
Calcular de fuerzas en
la base del tanque
(V1, V2, V, M1, M2, M,
Mr)
Ec. C.13 a C.20
Calcular
esfuerzo
circunferencia
l y admisible.
Ec. C.21 a
C.23 1
242
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fund. Tipo IV. Placa de Concreto Armado Hoja: 2
Fund. Tipo V. Placa nervada de Concreto Armado
DIS
EÑ
O D
E F
UE
RZ
AS
DE
VIE
NT
O
VE
RIF
ICA
CIO
N D
E L
A E
ST
AB
ILID
AD
1 Seleccionar la
velocidad básica
del viento (Bwp)
Figura A.7 o Tabla
B.4
Seleccionar
el factor de
carga por
viento.
Tabla B.5
Calcular la fuerza
horizontal
resultante en la
pared del tanque
(Fw). Ec. C.25
Calcular el
momento de
volcamiento
(Mv).
Ec. C.26 Calcular el
peso máximo
del contenido
que resiste el
volcamiento
(WL)
Calcular el
peso de
tanque
vacío (Wt)
Calcular el
momento resistente
del tanque (Mr)
¿ ?
OK
Tanque inestable:
Modificar las proporciones del
tanque, aumentado el diámetro y
reduciendo la altura.
Si
N
o
243
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fund. Tipo IV. Placa de Concreto Armado Hoja: 2
Fund. Tipo V. Placa nervada de Concreto Armado
Sit. Carga N°
1
>
Sit. Carga
N° 2
N
o
Sí Gobierna
situación N°2
Gobierna
situación
N°1
Escoger el
espesor de la
placa de
concreto armado
Determinar el
acero de
refuerzo en la
placa de
concreto
armado
Determinar
la
profundidad
no embutida Diseñar la losa por el:
Procedimiento de
diseño de placas de
fundación según
documento ACI 336 2R-
02.
Procedimiento de
diseño de placas de
fundación por el método
de coordenadas polares.
DIS
EÑ
O D
E L
A F
UN
DA
CIÓ
N P
LA
CA
DE
CO
NC
RE
TO
AR
MA
DO
Y P
LA
CA
NE
RV
AD
A D
E
CO
NC
RE
TO
AR
MA
DO
Determinar la
presión del suelo
en la placa de
concreto armado
Determinar las cargas
actuantes en la placa de
concreto armado
244
Nombre de la Organización: Petróleos de Venezuela, S.A (PDVSA)
Nombre del Procedimiento: Fund. Tipo IV. Placa de Concreto Armado Hoja: 3
Fund. Tipo V. Placa Nervada de Concreto Armado
DIS
EÑ
O D
EL
AR
EA
DE
CO
NT
EN
CIO
N O
DIQ
UE
Realizar la
preparación inicial
de terreno
Establecer las
dimensiones del
dique: altura,
solape y ancho en
la parte superior Seleccionar
el material
para la
construcción
del dique
Establecer
el
espaciado
entre el
dique y el
tanque
Definir el
método
para la
protección
de erosión
FIN
245
5.5 Aplicación del procedimiento propuesto al modelo típico de fundación que
indica la Norma PDVSA N° L-STC-006 “Fundaciones para Tanques de
Almacenamiento”; Fundaciones tipo III: Fundaciones Anulares de Concreto
5.5.1 Planteamiento
Con la finalidad de hacer más claro y específico lo expuesto en los objetivos
anteriores, se calculo una fundación para tanque cilíndrico metálico para
almacenamiento de agua, el cual fue instalado en el Tejero, Edo. Monagas, con una
capacidad nominal de 1000 bls.
5.5.2 Diseño del tanque de almacenamiento
5.5.2.1 Etapa I: Diseño sismorresistente
Información requerida
Datos del Sitio: obtenidos del estudio geotécnico
Capacidad Portante del Suelo Rs = 1,50 kg/cm2
Peso Unitario del Suelo s = 1.850,00 kg/m3
Ángulo de Fricción Interna del Suelo = 30 °
Peso Especifico del Fluido L = 1.000,00 kg/m3
Peso Especifico del Agua agua = 1.000,00 kg/m3
Presión Básica del Viento Bwp = 102,00 Kg/m2
Modulo de Balasto del suelo Kb = N/A
246
Datos del tanque:
Altura del Tanque H = 7,32 m
Diámetro Nominal del Tanque D = 5,18 m
Nivel máximo del líquido HL= 6,30 m
Espesor Promedio de Paredes tm = 6,88 mm
Espesor Plancha base tb = 8,00 mm
Peso Paredes del Tanque Ws = 6.348,00 kg
Peso Techo del Tanque Wr = 1.016,00 kg
Peso del Fondo del Tanque Wf = 1.995,00 kg
Espesor del anillo inferior tc = 6,8 mm
Cámara de aire del tanque S = 1,02 m
Altura centro de gravedad Xs = 3,66 m
Características de los materiales
Peso Especifico del Concreto Armado c = 2.500,00 kgf/m3
Resistencia a compresión del Concreto f´c = 250,00 kgf/cm2
Resistencia a fluencia del acero de refuerzo Fby = 2.500,00 kgf/cm2
Esfuerzo Admisible del material de diseño Sd = 1.631,12 kgf/cm2
Módulo de Elasticidad de las Paredes del Tanque E = 2.100.000 kgf/cm2
Recubrimientos: 7,50 cm
Cálculo de pesos y alturas efectivas:
Peso total del líquido
4
HdW LL
2
W =
132.767 kg
247
Peso efectivo
Entrando con la relación LH
d=
m30.6
m18.5 en la figura A.1 Apéndice A, se
obtuvieron los valores:
Wt
W1 =
Wt
W2 = ; Wt = W
Despejando W1:
W1 = 0.859*W,
W1 =
Despejando W2:
W2 = 0.189*W
W2 =
Alturas efectivas
0,82
0,859
0,18
114.047 kg
25.093kg
248
Con la relación LH
d= se intercepto en las curvas de la figura A.2 del
apéndice A y obtuvieron los valores:
H
X1
H
X 2
Despejando los valores de X1 y X2:
X1 = 0,423*HL
X1 =
X2 = 0,781*HL
X2 =
Parámetros que definen la zona sísmica:
Ubicación de la estructura: El Tejero, Municipio Ezequiel Zamora, Edo.
Monagas.
Zona sísmica: 5 (obtenido de la Tabla 5.9)
0,82
0,423
0,781
2,664 m
4,920 m
249
a* = 50 cm/s2
Características del contenido y riesgos
asociados (Tabla B.1, apéndice B):
Contenido del Tanque:
Lucro Cesante:
Impacto Ambiental:
Grado de Riesgo:
Probabilidad de excedencia anual del movimiento sísmico de diseño:
Aceleración horizontal del terreno:
a = a* [-ln (1-P1) ]
-1/γ
a =
g = 981 cm/s2
Ao = a / g
Ao =
Comparando este valor calculado con el de la Tabla 5.10, de la sección 5.1, el
mismo resulta inferior, por lo tanto se tomo el establecido en la tabla.
Ao =
Figuras A.3 y A.4 del apéndice A
Agua (no inflamable)
Despreciable
Poco o nulo
A
P1 = 0.002
207,244 cm/s2
0,211
0,30
37.4
250
Aceleración vertical máxima del terreno:
Aov = 0.70*(Ao)
Aov =
Valores que definen el espectro de respuesta: las características del suelo
están indicadas en la tabla 5.23 de acuerdo a los estudios de suelo suministrados por
PDVSA, en el cual se establece como referencia el estudio de suelo existente de la
zona como parámetros para el diseño inicial de las fundaciones.
Tabla 5.23 Características del suelo natural
PARÁMETROS UNIDAD MAGNITUD
Peso Específico del Suelo Kgf/cm3 1640 - 2000
Capacidad portante Kgf/cm2 1,0 - 1,5
Módulo de Balasto 1.00 - 1.40
Se considera el perfil del suelo: (Tabla 5.11) = (Tabla 5.11)
T* = (Tabla 5.18)
T° = 0.25T*
To =
Condición inicial de anclaje asumida para el tanque:
Coeficiente de amortiguamiento equivalente
0,21
S2
0,95
0,7 seg
0,175 seg
No anclado
251
a) Efecto impulsivo horizontal: con la condición de no anclado, tipo de suelo y
dirección horizontal, se obtuvo de Tabla B.3,
(Tabla 5.18)
Utilizando la ecuación C. 7 del apéndice C, se obtuvo:
*
b) Efecto convectivo: con condición no anclado, tipo de suelo y efecto convectivo,
se obtuvo de la Tabla B. 3 del apéndice B:
*
c) Efecto impulsivo vertical: con la condición de no anclado, tipo de suelo y
dirección vertical, se obtuvo de la Tabla B. 3 del apéndice B:
*
0,10
2,6
2,02
0,005
4,523
0,05
2,599
252
Periodos de vibración:
Modo impulsivo horizontal
tm = (datos del tanque)
r = 2
D=
2
18.5
r =
r1000
tm =
r
H L =
Con los valores de R1000
tm y
r
H L se intercepto la figura A.5 del apéndice A y se
obtuvo:
Kh =
Utilizando la ecuación C. 7 del apéndice C, se obtuvo:
T1 =
Efecto Convectivo: utilizando la ecuación C. 8, del apéndice C, resulto:
T2 =
Periodo de vibración vertical: Con los valores de 0027,01000r
tm y 432,2
r
HL se
obtuvo de la gráfica A. 6 el valor:
Kv =
6,88 mm
2,59 m 0,0027
2,432
0,12
0,064 s
2,380 s
0,124
253
Utilizando la ecuación C. 9 se obtiene:
Tv =
Ordenadas de los espectros de diseño:
a) Ordenada del espectro para el modo impulsivo horizontal:
Según Tabla 5.12 la fundación se clasifica como Grupo C por lo tanto no le
corresponde ningún valor de .
Ao = para una zona sísmica 5 (tabla 5.10)
(Tabla 5.11)
6,2 De acuerdo a forma espectral S2 (Tabla 5.18)
R = (Tabla 5.17)
Donde:
R = Estructuras de acero, nivel de diseño ND3, Tipo de estructura IV: estructuras que
no poseen diafragmas con la rigidez y resistencia necesarias para distribuir
eficazmente las fuerzas sísmicas entre los diversos miembros verticales. Estructuras
sustentadas por una sola columna. Edificaciones con losas sin vigas.
C = 4 /R
C =
0.0612 s
0,30
0,95
2,00
0,936
254
T+ = 0,1(R-1)
T+ = 0,1 seg
T* = (Tabla 5.19)
T° = 0,25 T*
T° =
T1 = 0,064 seg
Como *TTT => 7.01.0175.0 no cumple, entonces T+ = T° = 0.175 seg.
Empleando la ecuación 5.30, de la sección 5.1, se obtuvo:
Ad1 =
0.064 < 0.175
b) Ordenada del espectro para el modo convectivo horizontal:
Con el valor de T2 = 2,380 s y la ecuación 5.32 se obtuvo:
Ad2 =
c) Ordenada del espectro para la componente vertical del sismo:
Con el valor de Tv = 0.0612 s, y la ecuación 5.30 se obtuvo:
Adv =
0,7
0,175 seg
0,3478
0,399
0,3457
255
Figura 5.40 Espectros de Diseño
Altura máxima de oscilación del líquido:
h = 0.48*D*Ad2
h =
h (cámara de aire) = H - HL
h (cámara de aire) =
h < h (cámara de aire) CUMPLE
Fuerzas en la base del tanque:
Fuerza cortante en la base del tanque:
a) Modo impulsivo:
V1 = Ad1 (W1 + Ws + Wr)
V1 =
b) Modo convectivo:
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0 2 4 6 8 10T (seg)
Ad
ESPECTRO ELASTICO
ESPECTRO INELASTICO
0,99 m
1,02 m
42.226,7458 kg
256
V2 = Ad2*W2
V2 =
d) Cortante basal máximo probable:
V = (V12 + V2
2)
1/2
V =
e) Cortante basal reducida en la base:
Vr = 0.8 V
Vr =
Momento de volcamiento en la base del tanque:
a) Modo impulsivo:
M1 = Ad1 (W1*X1 + Ws*Xs + Wr*Xr)
M1 =
b) Modo convectivo:
M2 = Ad2W2X2
M2 =
c) Momento de volcamiento máximo probable (momento último):
M = (M12 + M2
2)
1/2
10.012,107 kg
kg
43.397,469 kg
34.717,975 kg
116.336,3204 kg-m
49.259,566 kg-m
126.335,443 kg-m
257
M =
d) Momento de volcamiento reducido en la base (momento de servicio):
Mr = 0.8 M
Mr =
Esfuerzo circunferencial:
Componente sísmica horizontal:
cL
rh
tH
V
10
h
Componente sísmica vertical:
c
Lvv
t*10*25.1
)R*H*(Ad
v
Esfuerzo circunferencial neto:
2/12
v
2
h
c
L
t*10
R*H*
Esfuerzo admisible:
Sd*33,1ADM
ADM > 168,756 kg/cm2 CUMPLE
101.068,354 kg-m
25,796 kg/cm2
66,362 kg/cm2
168,756 kg/cm2
2.169,3896 kg/cm2
258
5.5.2.2 Etapa II: Cálculo de fuerzas de viento
Velocidad básica del viento:
Bwp = (Tabla B. 4 apéndice B)
Factor de carga por viento:
De la tabla B.5, apéndice B se selecciono: Factor =
Fuerza horizontal resultante en la pared del tanque por viento:
Empleando la ecuación C.25, Apéndice C, tenemos:
Fw = 0,6 * H * Bwp* Factor ; H = 7,32 m
Fw =
Momento de volcamiento por viento:
Empleando la ecuación C.26, apéndice C, tenemos:
Mw = anillow h2
HF hanillo= asumido de 1,1 m
Mw =
5.5.2.3 Etapa III. Verificación de la estabilidad:
Peso máximo del contenido que resiste el volcamiento:
WL = 3.16 tb Lby H.G.F
WL =
102 km/h
1,18
528,621 kg
2.516,236 kg-m
3.173,00 kg
259
Pero WL no debe exceder de:
WL máx = 20*G*HL*D
WL máx = 653 kg
Por lo tanto, se escoge:
WL =
Peso del tanque vacío por unidad de circunferencia (solo pared y techo)
D*
WrWsWt
Wt
Compresión actuante en el anillo inferior
Sf = fc =)WWt(D
Mr
L
2
Por sismo: > 1,57 (Tanque lleno
=> WL 0)
Por viento: < 1,50 (Tanque
vacio => WL = 0)
Verificando estos valores con la ecuación C. 35 resulta que:
“EL TANQUE ES INESTABLE, SE DEBE COLOCAR ANCLAJES”
Requerimiento de anclaje:
W = Ws + Wr (Peso Pared + Peso de Techo)
W =
W = Ws + Wf (Peso Pared + Peso lámina de
Fondo)
W =
Se escoge el menor valor, en este caso: W =
653 kg
453 kg
3,40
7.364 kg
8.343 kg
7.364 kg
0.21
260
W*d
M*2C ; M = 101.068,352 kg/m
GOBIERNA SISMO
C = > 0,66 SE
REQUIEREN ANCLAJES
Diseño de pernos de anclajes:
Separación máxima de anclajes:
Smax = (Criterios de
Diseño, sección 5.2.2.5)
Número mínimo de anclajes
Np min = maxS/D
Np min = 10,84
Diámetro pernos de anclaje (min. 1 ¼”):
Dp = (Tabla B. 6,
apéndice B)
Diámetro de círculo de pernos de anclaje:
Dcp = (D + 2X) ; X = 0.20 m (asumido)
Dcp =
Diámetro de orificio para pernos de anclajes:
Dop = perno + 1/8”
Dop = 1 ¼” + 1/8”
Dop = 1 3/8”
Dop =
5,29
1,50
11 anclajes
31,8 mm
5,58 m
0,035 m
A-325
261
Calidad de pernos: (Tabla B. 7. Apéndice B)
Tracción en pernos de anclaje:
Tuniforme = (1,273*Mr / D2) – Wt
Tsismo =
Tviento =
Separación entre pernos de anclaje:
p
cp
pN
D*S
Sp =
Tracción máxima en cada perno:
Tmax = max Tuniforme* Sp
Tmax =
Verificación de esfuerzos en pernos de anclaje:
Esfuerzo en tracción:
Ab = 7.92 cm2 (Tabla B.6)
Aef (efectiva) = 0,75*Ab
Aef (efectiva) =
Ft act = ef
m ax
A
T
Ft act =
Ft adm = 1.33* Ft act
Ft adm =
Compresión admisible en el anillo inferior
G H D2 / tc
2 < 44
3,65 < 44
4.341,949 kg/m
-333.623 kg/m
2 m
8.683,898 kg
5,94 cm2
1.461,936 kg/cm2
1.944,374 kg/cm2
262
Fa = L
c H.G7,68d
t388
Fa = 681,779 kg/cm2
Sf < fa OK los espesores de pared
son adecuados
Figura 5.41 Detalle perno de anclaje
263
Figura 5.42 Ubicación perno
de anclaje
5.5.3 Diseño de la fundación anular:
5.5.3.1 Dimensiones y propiedades geométricas del anillo:
Altura del anillo sobre el terreno: vht = 0,45 m
Altura del anillo 1: hp = 0,80 m
Altura del anillo 2: hz = 0,30 m
Ancho de pedestal: bp = 0,40 m
Ancho mínimo preliminar del anillo: usando la ecuación D.1, apéndice C,
se obtuvo:
203,0)(h2H*
W*2bz
csLL
t m h =
bz = 0,12 0,203 m NO CUMPLE
Altura del
anillo 0,90 m
asumido
264
SE AUMENTA EL ANCHO MÍNIMO:
Diámetro externo de anillo: De = 5,189 m
Diámetro interno del anillo: Di = 5,171 m
Área de la base del anillo: A = 0,146 m2
Módulo de sección: S = 0,189 m
Área sección transversal de anillo: At =0,27 m2
Figura 5.43 Vista de planta anillo de fundación
Bz = 0,90 m
m
265
Figura 5.44 Predimensionado anillo de fundación
5.5.3.2 Verificación de esfuerzos en el suelo:
Cargas verticales (por unidad de circunferencia):
Peso de paredes y techo tanque:
Wt1 =
Peso del líquido sobre el anillo:
2.835 kg/m
453 kg/m
266
Wt2 =
Peso del anillo de concreto:
Wt3 =
Máxima compresión en la base por sismo:
Wt4 =
Presión sobre el suelo
czLLo *bz*h)H**bz(2
1W
bz
1P
Po =
Resumen de cargas sobre la fundación:
Figura 5.45 Resumen de cargas sobre la fundación
675 kg/m
4.795 kg/m
0,44 kg/cm2
267
CARGA MUERTA, (1) CARGAS DEBIDAS EL
VIENTO, (2)
Peso total del tanque: a. Corte:
b. Reacción vertical:
c. Momento:
CARGAS DEBIDO AL SISMO, (3) PESO DEL ANILLO
DE CONCRETO, (4)
a. Corte: Peso concreto anillo:
b. Reacción vertical:
c. Momento:
PRESIÓN DEL LIQUIDO EN EL FONDO, (5)
Q =
Combinaciones de cargas:
Tabla 5.24 Combinaciones de cargas
COMBINACIÓN R. Axial
(kg/m)
Corte
(kg)
Esf.
Suelo
(kg/cm2
)
Esf.
Adm
suelo
(kg/cm2
)
Vacío + Peso de Fundación 1.128 --- 0,125 1,50
Vacío + Peso de Fundación +
Viento 1.242,361 528,621 0,138 2,00
Operación + Peso de Fundación 3.510 --- 0,390 1,50
Operación + Peso de Fundación +
Viento 3.624,361 528,621 0,403 2,00
Oper + P. Fund + Sismo Horiz +
0,30 Sismo Vert 3.965,359
34.717,97
5 0,440 2,00
528,621 kg/m
114,361 kg-m
1.934,753 kg-m
453 kg/m
1.934,753 kg-m
4.795 kg/m 101.068,352 kg/m
675 kg/m
6.300 kg/m2
268
Oper + P. Fund + 0,30 Sismo Horiz
+ Sismo Vert 3.862,859 4.795 0,429 2,00
La capacidad Portante del Suelo es: Rs = 1,50 kg/cm2
El Esfuerzo Admisible del Suelo es: Rs*33,1adm
00,2adm kg/cm2 (cuando se consideran
las fuerzas de viento)
El esfuerzo máximo en el suelo es: 0,44 < 2,00 CUMPLE
5.5.3.3 Diseño del acero de refuerzo:
Presión horizontal interna del anillo:
2
**30,0*
hHhP suelo
LL
P =
Tracción actuante en el anillo:
DFT *2
1
T = (Servicio)
Tu = 1.7T
Tu = (última)
Acero principal requerido por tracción:
Ash =yF9.0
Tu
2.414,775 kg/m
6.254,267 kg
10.623,253 kg
269
Ash = 2,81 cm2
Ashmin = 0,0025 * ho* bp
Ashmin = 0,0025 * 1,1 m* 0,40 m
Ashmin = 0,0011 m2
Ashmin = 11,00 cm2
Ashcolocado =
Área de cabilla ½”: 1,27 cm2
N° de cabillas a usar: 2
2
cm27,1
cm00,11= 8,66 9,00cabillas
Usar 9 cabillas # 4 ½” en el sentido horizontal para garantizar el
confinamiento
Acero vertical requerido en cada cara (estribos):
Asv = 2
100*b*0015.0 p
Asv = 2
100*40,0*0015.0
Asv =
Asv = 3,00 m2/cara
Espaciamiento: cm1*cm03.0
cm27.12
2
=
Usar cabillas # 3 3/8” a cada 45 cm en el sentido vertical, como lo
indica la Norma COVENIN 1753-06: las ligaduras transversales deben
ser al menos de #2 para refuerzo longitudinal #4, #3 para cabillas de
diámetros comprendidos entre #4 y #11.
Tracción admisible en el concreto:
Fct adm = 0.15*f’c
Fct adm =
Ec = 15100 * (f’c)1/2
Ec =
11,00 cm2
45 cm
0,03 cm2/cara
37,50 kg/cm2
238.752 kg/cm2
2,1x106 kg/cm
2
270
Es =
n = c
s
E
E
n =
Tracción actuante:
Ac = bp * h
Ac = 0,44 m2
Ac =
Ash = N° cabillas * Area cabilla
Ash =
C =
Ash*nA
TAsh*E*Cf
c
s
ct
fct =
5.5.4 Diseño del área de contención o dique:
La fundación para el tanque de almacenamiento de agua analizado
en esta sección no requiere del diseño del área de contención, puesto que
si se derrama, el mismo no ocasiona ningún daño a instalaciones vecinas
o personas, sin embargo se diseñó el dique a manera de ejemplo.
5.5.4.1 Dimensiones del dique:
Área de contención: m18,52*m50,8*m18,52*m50,8A contencion
Acontencion =
Vcontencion = Acontencion * hcontencion
8,80
4.400 cm2
11,43 cm2
0,0003
2,99 kg/cm2
491,9524 m2
271
Vcontencion = 491,9524 m2 * 3 m
Vcontencion =
Vtanque = agua
2 h*r*
Vtanque = m30,6*)2/m18,5(* 2
Vtanque =
tanquecontencion VV
1.475,852 m3
132,767 m3 CUMPLE
5.5.4.2 Espaciado entre el dique y el tanque:
Ed-t ≥ H
Ed-t ≥ 7.32
8,50 m ≥ 7,32 m CUMPLE
1.475,8572 m3
132,767 m3
272
Figura 5.46 Dimensiones del área de contención
273
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
1. El incremento en la separación del acero de refuerzo identificado en la
revisión de las normas COVENIN 1753-87 “Estructuras de Concreto Armado para
Edificaciones. Análisis y Diseño” con COVENIN 1753-06 “Proyecto y Construcción
de Obras Complementarias en Concreto Estructural” aumenta el área de vaciado del
concreto en sitio, evitando que quede mal distribuido, beneficiando este cambio
directamente al procedimiento de diseño para las fundaciones Tipo III y IV
respectivamente.
2. El aumento de 5 zonas sísmicas a 8 zonas identificado en la revisión de la
norma 1756-01 “Edificaciones Sismorresistentes” con respecto a la edición del año
1989 implicó la selección de un coeficiente de aceleración sísmica mayor para la zona
5, lo que hace más seguro el diseño sismorresistente del tanque de almacenamiento
(Crudo / Agua).
3. La fundación tipo III: Anular de concreto es la más empleada por la
industria petrolera hoy en día para tanques de almacenamiento (Crudo/Agua), y
constituyó el punto de partida para el análisis y diseño de las fundaciones restantes
tipo I, II, IV y V con su respectivo procedimiento de cálculo.
4. Las losas de fundación tipo IV y V permiten la transferencia de carga
desde la pared del tanque hasta la losa de fundación, esto acompañado con el
reforzamiento de la base del tanque mediante pernos de anclaje, hace que el tanque
274
5. trabaje más como un cuerpo rígido en lugar de flexionarse cuando ocurre
un sismo. El peso del líquido contenido (crudo o agua) en el tanque evitará que se
voltee.
6. El uso de las fundaciones tipo IV y V placa de concreto armado y placa
nervada de concreto armado, respectivamente, en lugar de fundación tipo III anular
de concreto resulta conveniente en los casos de un suelo base con baja capacidad
portante, zonas débiles o rocas sueltas entre otros, y la posibilidad de una subpresión
ocasionada por ascenso del nivel freático, porque evita grandes asentamientos al
distribuir mejor los esfuerzos y reducir las presiones de contacto.
7. El área de contención del tanque proporciona seguridad al personal que
labora en las instalaciones petroleras e instalaciones vecinas al momento de una
emergencia por derrame del contenido ya que ésta retiene el líquido derramado
accidentalmente y evita que se propague el incendio a zonas adyacentes.
8. Los flujogramas de trabajo propuestos para el cálculo de fundaciones para
tanques de almacenamiento (Crudo/Agua) se estima que reducen en un 80 %
aproximadamente el tiempo horas-hombre de diseño que emplea el ingeniero civil
para cada aplicación de fundación requerida, alcanzando de esta manera la
optimización del tiempo de diseño.
9. Las etapas de diseño del tanque de almacenamiento (Crudo/Agua) son
comunes en los cinco tipos de fundaciones, sin embargo, se incluyó en cada uno de
los flujogramas para no interrumpir su secuencia.
10. En el caso del ejemplo de cálculo incluido en este trabajo, el suelo de
fundación en la zona El Tejero Edo. Monagas, presentó un esfuerzo admisible de 1,5
275
kg/cm2, mientras que los esfuerzos producidos por la fundación planteada resultaron
inferiores, evitando con esto cualquier problema de falla por corte en la superficie
interna del suelo.
11. La presión del suelo generada por la combinación de cargas no debe ser
mayor al esfuerzo máximo admisible del suelo, de lo contrario se deberá rediseñar la
fundación.
Recomendaciones
1. Dar a conocer los resultados de esta investigación a los especialistas
encargados para que revisen y aprueben la propuesta y se haga la respectiva
sustitución de la información en el manual de ingeniería de diseño PDVSA N° L-
STC-006 “Fundaciones para tanques de almacenamiento”, procedimiento de
ingeniería, volumen 18-I.
2. Antes de diseñar cualquiera de los cinco tipos de fundación, deberá
realizarse todos los estudios de suelo necesarios para conocer sus características para
el diseño.
3. Las fundaciones tipo III, IV y V deberán tener una inclinación hacia el
exterior, desde el borde de la base del tanque para prevenir la humedad debida al agua
que pueda ingresar por esta parte.
4. Se recomienda el uso de asfalto entre el tope de la fundación y la base del
tanque, ya que este actúa como un empaque o sello y evita que la humedad penetre
debajo del piso del tanque.
276
5. Realizar constantemente labores de mantenimiento en las fundaciones
Tipo I, II, III, IV y V ya que la base del tanque que esta en contacto con el concreto,
la humedad y la acción galvanizada entre los diferentes metales llevará con el tiempo
a una corrosión de la base metálica.
6. Galvanizar los pernos de anclaje, tuercas y arandelas sujetas a ambientes
corrosivos, si no es posible la galvanización en el sitio de la construcción, todas las
tuercas, pernos y arandelas deben ser galvanizadas en el taller.
277
REFERENCIAS
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REQUIREMENTS FOR STRUCTURAL CONCRETE (318-05) AND
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ELABORACIÓN, PRESENTACIÓN Y EVALUACIÓN DE LOS TRABAJOS
ESPECIALES DE GRADO. Caracas: Decanato de Postgrado y Extensión. (pp. 17).
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EDIFICACIONES EN CONCRETO ARMADO. Editorial librería universitaria de
occidente, Coro, Venezuela, (pp. 133-136).
Hoja de Metadatos para Tesis y Trabajos de Ascenso 1/5
Título
“Procedimiento de ingeniería para el diseño de fundaciones
para tanques de almacenamiento (Crudo/Agua) en concordancia con las Normas PDVSA, COVENIN y ACI 318”
Subtítulo
Autor(es)
Apellidos y Nombres Código CVLAC / e-mail
Yánez A. Oscar J.
CVLAC 19.298.347
e-mail [email protected]
CVLAC
CVLAC
CVLAC
Palabras o frases claves:
Procedimiento de ingeniería
las Normas PDVSA
diseño de fundaciones
COVENIN y ACI 318
283
Hoja de Metadatos para Tesis y Trabajos de Ascenso 2/5
Líneas y sublíneas de investigación:
Área Subárea
Departamento de Ing. Civil Ing. Civil
Resumen (abstract):
El presente proyecto seguirá los lineamientos de una investigación tipo documental, de
nivel descriptivo, enmarcado en la modalidad de proyecto factible, cumpliendo así con los
aspectos metodológicos de requisito para sustentar el estudio. El procedimiento de
ingeniería se desarrollará mediante un flujograma de trabajo basado en las normas
COVENIN 1753-06 “Proyecto y Construcción de Obras Complementarias en Concreto
Estructural”, COVENIN 1756-01 “Edificaciones Sismorresistentes”, Código ACI
“Requisitos de Reglamento Estructural” y a las especificaciones de ingeniería de PDVSA
N° L-STC-006 “Fundaciones para Tanques de Almacenamiento”, PDVSA N° FJ-251
“Diseño Sismorresistente de Tanques Metálicos”, PDVSA N° JA-221 “Diseño
Sismorresistente de Instalaciones Industriales” entre otras, el uso de otras normativas
complementaron las descripción de los procedimientos a emplear para ciertos tipos de
fundación utilizadas en las instalaciones de la industria petrolera en el ámbito nacional
indicados en el Manual de Ingeniería de Diseño PDVSA N° L-STC-006 “Fundaciones para
tanques de almacenamiento”. Se realizará una revisión en algunas de las normas antes
mencionadas para identificar los cambios normativos respecto a su última edición, y así,
proponer el procedimiento de ingeniería, luego se aplicará el procedimiento propuesto a la
Fundación Tipo III: Anular de Concreto que servirá como cimiento de un tanque cilíndrico
metálico de almacenamiento para agua de servicio. Finalmente se presentaran
ordenadamente los diversos cálculos y resultados obtenidos.
284
Hoja de Metadatos para Tesis y Trabajos de Ascenso 3/5
Contribuidores:
Apellidos y Nombres ROL / Código CVLAC / e-mail
Grus M. Carlos M.
ROL
CA AS TU x JU
CVLAC 8.866.972
Pérez T. Carlos A.
ROL
CA AS TU JU x
CVLAC 5.335.965
Echeverría D. Dafnis J.
ROL
CA AS TU JU x
CVLAC 4.506.408
e-mail e-mail
ROL
CA AS TU JU
CVLAC
Fecha de discusión y aprobación:
Año Mes Día
2010 06 08
Lenguaje: spa
285
Hoja de Metadatos para Tesis y Trabajos de Ascenso 4/5
Archivo(s):
Nombre de archivo Tipo MIME
Tesis-Oscar Yanez.doc Application/msword
Caracteres permitidos en los nombres de los archivos: A B C D E F G H I J K L M N O
P Q R S T U V W X Y Z a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 _ - .
Alcance:
Espacial: (Opcional)
Temporal: (Opcional)
Título o Grado asociado con el trabajo:
Ing. Civil
Nivel Asociado con el Trabajo: Pregrado
Área de Estudio:
Departamento de Ing. Civil
Institución(es) que garantiza(n) el Título o grado: Universidad de Oriente
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