Estudio de Agua Residual

8/16/2019 Estudio de Agua Residual

1/221

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE HORMIGÓN

ARMADO CON SISTEMA DE RECIRCULACIÓN Y BOMBEO

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREVIO LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE

INGENIERO CIVIL

AUTOR: PASTILLO ANDRANGO JAIME RAMIRO

TUTOR: Ing. JORGE LUIS SANTAMARIA CARRERA, MSc

QUITO-ECUADOR

2014


2/221

ii

DEDICATORIA

Para mis padres Damacio y Rosita por su interminable apoyo en todo momento de

mi vida por sus enseñanzas, consejos y por su eterna paciencia y perdón ante mis

constantes errores.

Para mi esposa Teresa por su interminable amor que en todo momento ha sido

apoyo y fuerza junto a mi hijo Kevin. Por su paciencia y ternura con que respondía

en mis momentos de enojo y desesperación.

Para mis hermanos Jorge, Luis, Anita, Armando, Juan Carlos y Rosita la menor,

porque han sido las personas que aportaron mucho para que este logro se haga

realidad.

Para toda mi familia por el amor y cariño que me han dado siempre

Pero sobre todo dedicado a Dios

Jaime Pastillo


3/221

iii

AGRADECIMIENTOS

Le agradezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera,

por ser fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una vida llena de

aprendizajes experiencias y sobre todo felicidad.

Le doy gracias a mis padres por apoyarme en todos momentos, por los valores que

me han inculcado y por haberme dado la oportunidad de tener una excelente

educación en el transcurso de mi vida.

Le agradezco a mi esposa por estar siempre a mi lado y llenarme de felicidad día

tras día y a mi hijo Kevin también.

A mis hermanos por ser parte importante de mi vida y representar la unidad familiar

Gracias al Ingeniero Ernesto Ortiz por brindarme su apoyo incondicional desde el

inicio de la carrera y a todos mis profesores por brindarme sus valores y

conocimientos.

A los Ingenieros Jorge Santamaría, Ernesto Pro y Paulina Lima, Tutor y tribunal de

mi grado por ser quienes me guiaron en la realización del presente trabajo.

A la Facultad de Ingeniería Ciencias Físicas y Matemática, Carrera de ingeniería

Civil de la Universidad Central del Ecuador, por los conocimientos que he adquirido

para mi formación profesional.

A mis amigos y compañeros, por su ayuda durante toda la vida universitaria.

Jaime Pastillo


4/221

AUTORIZACION DE AUTORIA INTELECTUAL

Yo, PASTILLO ANDRANGO JAIME RAMIRO, en calidad de autor del trabajo de

investigación o tesis realizada sobre: CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES

RECTANGULARES DE HORMIGÓN ARMADO CON SISTEMA DE

RECIRCULACIÓN Y BOMBEO, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD

CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen

o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de

investigación.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente

autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los

artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la ley de Propiedad Intelectual y su

reglamento.

Quito, 11 de diciembre de 2014

Pastillo Andrango Jaime Ramiro

CI. 1003369541

iv


5/221

Quito, 04 de diciembre de 2014

IngenieraSusana GUZAMAN, MSc.DIRECTORA, CARRERA INGENIERA CIVIL

Presente. -

De mi consideración:

En relación al oficio FI-DCIC-2014-1234, en calidad de Tutor de proyecto de investigación: “CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE HORMIGÓN ARMADO CON SISTEMA DE RECIRCULACIÓN Y BOMBEO”,presentado y desarrollado por el señor PASTILLO ANDRANGO Jaime Ramiro, previo a la obtención del Título de Ingeniera Civil, considero que dicho trabajo CUMPLE con los requisitos necesarios.

Particular que comunico a fin de que se continúe con el trámite pertinente.

Atentamente,

Ing. Jorge SANTAMARÍA, MSc. DOCENTE, CARRERA ING. CIVIL


6/221

INFORME SOBRE CULMINACIÓN Y TERMINACIÓN DE TESIS

Tema: “CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE

HORMIGÓN ARMADO CON SISTEMA DE RECIRCULACIÓN Y BOMBEO”

Tutor: Msc. Ing. Jorge Luis Santamaría Carrera

1.- Antecedentes

Mediante el Oficio FI-DCIC-2012-766 del 05 de diciembre de 2014, el director de la

Carretera de ingeniería Civil autoriza la correspondiente denuncia de tesis

“CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE HORMIGÓN

ARMADO CON SISTEMA DE RECIRCULACIÓN Y BOMBEO" solicitando alingeniero Ernesto Ortiz en calidad de tutor se sirva analiza, dirigir y orientar, y, a su

vez, emitir el presente informe para la elaboración del trabajo de graduación.

Por otro lado mediante el oficio FI-DCIC-20I4-1234, se delega como nuevo tutor en

reemplazo del Ing. Ernesto Ortiz al Ing. Jorge Santamaría para que emita el informe

de culminación de trabajo de graduación.

2.- Desarrollo de la tesis

- CAPITULO I:

Este capítulo hace referencia al marco concep tual del contenido del presente

trabajo de graduación.

- CAPITULO II:

Se realiza un análisis las cargas a intervenir en el proyecto y sus respectivas

combinaciones que se dispone en la Norma Ecuatoriana de la construcción

N E C-13.

- CAPITULO III:

Análisis del tanque enterrado en la condición de que el tanque se encuentra

lleno actuando la presión del agua y la más crítica cuando se está vacío

actuando el empuje suelos.


7/221

Con el método de seceionamiento con fórmulas empíricas se procede al

cálculo de esfuerzos tomando en cuenta que la estructura tiene la unión rígida

de fondo y pared y losa de tapa simplemente apoyada.

Se realiza el diseño de todos los elementos del Tanque Enterrado aplicando

las normas vigentes locales y se verifica los diseño por corte y flexión.

CAPITULO IV:

Se procede al análisis del tanque elevado siguiendo el mismo procedimiento

del tanque enterrado con la diferencia que en este actúa solamente la presión

hidrostática.

Se realiza el análisis de la estructura soportante del tanque tomando en cuenta

la alta actividad sísmica que tiene nuestro país, donde las normas y

reglamentos se dispone en la Norma Ecuatoriana de la Construcción Capitulo

de Riesgo Sísmico. Para este caso nos ayudamos con el programa

computacional para análisis de estructuras Sap2000.

CAPITULO V:

En este capítulo dimensionamos y calculamos el cuarto de bombas, canal de

recirculación y sistema de bombeo basándonos en Bibliografías nacionales e

internacionales, verificamos las especificaciones de la bomba a utilizarse.

CAPITULO VI:

Se hace investigaciones sobre los aspectos fundamentales a tomar en cuenta

durante el diseño y construcción como son: fugas, durabilidad,

impermeabilidad, corrosión del acero y agrietamiento. Para lograr que los

depósitos cumpla el destino para el que fue diseñado es necesario poner

especial atención a los métodos constructivos.

CAPITULO VII:

Se realiza con base en los planos y en las especificaciones técnicas del

proyecto, además de otras cond iciones de ejecución, se elaboran el

presupuesto referenc ial con los precios un itarios publicados por la cámara de

la construcción de noviembre-diciembre.


8/221

- CAPITULO VII:

En este capítulo se describe las conclusiones más importantes del trabajo

realizado y también se realiza las recomendaciones de análisis, diseño y

construcción de tanque enterrados y elevados con el sistema de recirculación

y bombeo

3.- Conclusiones

• La realización de este tipo de proyectos, favorece a la formación profesional

del futuro Ingeniero Civil, ya que permite llevar a la práctica la teoría,

adquiriendo criterio y experiencia a través del planteamiento de soluciones

viables a los diferentes problemas del cálculo estructural y se recomienda

Tomar en cuenta los actuales criterios de diseños en este trabajo y

corroborarlo con las normas técnicas Internacionales ya que no existe en el

medio una norm a específica para dicho proyectos.

En virtud a lo manifestado anteriormente, todas las actividades desarrolladas lian

sido satisfactorias y los resultados obtenidos en el transcurso del desarrollo de la tesis

son los esperados.

Por consiguiente emito mi aprobación a este trabajo de graduación y recomiendo

proseguir con el trámite respectivo hasta la graduación del señor PA STILLO

ANDRANGO JAIME RAMIRO

En la ciudad de Quito, a los 14 días del mes de noviembre del 2014.

í * í ii f !

¿ i ,-f-J L

íng. Jorge SANTAMARÍA, MSc

DOCENTE, CARRERA ING, CIVIL


9/221

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

DIRECCIÓN

RESULTADO DEL TRABAJO DE GRADUACIÓN

Quito DM.: J .Ç ...P .Í7 ...

Señor. d c z t ì ± T .l .L ^ ... ^ . h B Æ Ç .Ç . .â.î*L5.5?.

TEMA: _ -

fè .£ 5 f £ .c u u i C ( 0 ^

y b ô m b ^ ô

CALIFICACION:

TRIBUNAL PROFESOR (A)NOTA SOBRE VEINTE

FIRMA

NÚMEROS LETRAS7x>ci?kj> r &p f l jOC/PAC

r~> t^D JO & ér#/fc>Ÿ a o í°!

3 > ) í 2 y \)J o 'Bue-

jjm d O l G U Ü O ú V t

PROMEDIO )9 DJec/'/jvei/g.

Dra. Ruth Flores Chacón

SECRETARIA ABOGADA

0 ^ o T e H a

Ciudad Univers itaria - Telf.: 2236-987 ext. 216 - Telefax: 2226-039 - E-mail: [email protected]

mailto:[email protected]:[email protected]


10/221

x

CONTENIDO

DEDICATORIA .......................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. iii

AUTORIZACIÓN DE AUTORÍA INTELECTUAL ................................................. iv

CERTIFICACIÓN ....................................................................................................... v

INFORME SOBRE CULMINACIÓN Y TERMINACIÓN DE TESIS .................... vi

RESUSLTADOS DEL TRABAJO DE GRADUACIÓN........................................... ix

LISTA DE TABLAS ................................................................................................ xvi

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................. xviii

RESUMEN ................................................................................................................ xxi

ABSTRACT ............................................................................................................. xxii

1

GENERALIDADES DEL PROYECTO ......................................................... 1

1.1

INTRODUCCION ........................................................................................... 1

1.2

OBJETIVOS .................................................................................................... 2

1.3 MARCO TEORICO ......................................................................................... 3

1.3.1

Introducción ................................................................................................. 3

1.3.2

Tipo de proyecto .......................................................................................... 3

1.3.3

Geometría de los depósitos .......................................................................... 3

1.3.3.1 Depósitos enterrados .................................................................................... 4

1.3.3.2

Depósitos elevados ....................................................................................... 4

1.4

ESTRUCTURACIÓN DE LOS DEPÓSITOS ................................................. 5

1.4.1 Lineamientos básicos de estructuración ....................................................... 5

1.4.2 Formas estructurales de los depósitos de hormigón armado ........................ 7

1.4.3

Procedimientos para el análisis estructural .................................................. 9

1.4.3.1

Factores de reducción de la resistencia ...................................................... 11

1.5 DISEÑO DE CIMENTACION Y LOSA TAPA DE LOS TANQUES .......... 11


11/221

xi

2 ANALISIS DE CARGAS .............................................................................. 17

2.1 ACCIONES DE DISEÑO PARA TANQUES ENTERRADOS Y

ELEVADOS ............................................................................................................... 17

2.1.1

Las acciones permanentes .......................................................................... 17

2.1.2

Las acciones variables ................................................................................ 18

2.1.3

Las acciones accidentales ........................................................................... 19

2.1.3.1

Sismo .......................................................................................................... 20

2.1.4

Efectos de las cargas permanentes, variables y accidentales ..................... 20

2.2 CONDICIONES DE CARGA ........................................................................ 21

2.2.1 Combinación de cargas .............................................................................. 22

3

ANALISIS Y DISEÑO DE TANQUE RECTANGULAR ENTERRADO .. 25

3.1

ANALISIS DE TANQUES ENTERRADO ................................................... 25

3.1.1

Elementos mecánicos en muros: Condición de carga Nº 1 ....................... 25

3.1.1.1 Estructura de unión articulada de fondo y pared ........................................ 27

3.1.1.2

Estructura de unión rígida de fondo y pared .............................................. 28

3.1.2

Elementos mecánicos en muros: Condición de carga Nº 2 ....................... 29

3.1.2.1

Teoría de Rankine en suelos con “cohesión y fricción” ............................ 29

3.2 DISEÑO DEL TANQUE ............................................................................... 33

3.2.1

Diseño de muros ......................................................................................... 35

3.2.1.1

Momentos mayorados de diseño ................................................................ 38

3.2.1.2

Verificación del cortante ............................................................................ 38

3.2.1.3 Acero de refuerzo por flexión .................................................................... 40

3.2.2

Diseño de losa de fondo unión empotrada ................................................. 41

3.2.2.1

Acero de refuerzo por flexión. ................................................................... 42

3.2.3 Analisis y diseño de la losa tapa ................................................................ 44

3.2.3.1 Momentos flectores y fuerzas cortantes ..................................................... 45

3.2.3.2

Calculo del acero de refuerzo para momentos positivos ............................ 47


12/221

xii

3.2.3.3 Verificación al corte ................................................................................... 48

4 ANALISIS Y DISEÑO DE TANQUE RECTANGULAR ELEVADO........ 49

4.1 DISEÑO DE MUROS .................................................................................... 50

4.1.1

Momentos mayorados de diseño ................................................................ 53

4.1.1.1

Verificación del cortante ............................................................................ 53

4.2 DISEÑO DE LOSA DE FONDO ................................................................... 56

4.2.1

Estructura de unión rígida de fondo y pared .............................................. 56

4.2.2 Estructura simplemente apoyada................................................................ 59

4.2.2.1

Momentos flectores y fuerzas cortantes ..................................................... 61

4.2.2.2

Calculo del acero de refuerzo para momentos positivos ............................ 62

4.3

ANALISIS DE LA ESTRUCTURA SOPORTANTE ................................... 66

4.3.1 Prediseño de elementos de la estructura..................................................... 66

4.3.2

Determinación del Cortante basal de diseño y fuerzas sismicas ................ 68

4.3.2.1

Tanques con Fondos Apoyados ................................................................. 69

4.3.2.2

Cortante basal ............................................................................................. 71

4.3.2.3

Análisis de la estructura soportante del Tanque Elevado........................... 73

4.4

DISEÑO DE LA ESTRUTURA SOPORTANTE .......................................... 75

4.4.1

Diseño de vigas .......................................................................................... 75

4.4.1.1 Diseño a cortante ........................................................................................ 78

4.4.1.2

Diseño a cortante ........................................................................................ 82

4.4.2

Diseño de columnas ................................................................................... 85

4.4.2.1

Diseño a corte ............................................................................................. 90

4.4.3 Diseño de Cimentaciones ........................................................................... 92

4.4.3.1

Momentos flectores .................................................................................... 94

4.4.3.2

Fuerzas cortantes ........................................................................................ 94

5

DISEÑO DEL SISTEMA DE RECIRCULACIÓN Y BOMBEO .............. 100

5.1 CÁLCULO Y DISEÑO DEL CUARTO DE BOMBAS .............................. 100


13/221

xiii

5.1.1 Diseño de paredes .................................................................................... 101

5.1.2 Análisis y diseño de la losa tapa .............................................................. 102

5.1.2.1

Momentos flectores y fuerzas cortantes ................................................... 104

5.2

CANAL DE RECIRCULACIÓN ................................................................. 106

5.2.1 Características físico-hidráulicas de un canal rectangular ....................... 106

5.2.2

Diseño del canal ....................................................................................... 107

5.2.2.1 Determinación tipo de flujo ..................................................................... 111

5.2.2.2

Determinación del espesor de las paredes del canal ................................ 111

5.3

PRINCIPIOS BÁSICOS PARA EL CÁLCULO DE LAS BOMBAS ......... 112

5.3.1 Estaciones de bombeo .............................................................................. 112

5.3.1.1 Elementos de las estaciones de bombeo................................................... 112

5.3.2

Tipos de bombas ...................................................................................... 113

5.3.2.1

Bombas centrifugas horizontales ............................................................. 113

5.3.2.2 Bombas centrifugas verticales.................................................................. 117

5.3.2.3

Motores .................................................................................................... 120

5.3.3

Selección de bombas centrifugas ............................................................. 122

5.3.3.1

Datos requeridos para seleccionar bombas centrifugas ........................... 122

5.3.4 Determinación de la curva del sistema..................................................... 124

5.3.4.1

Curvas características de bombas centrífugas .......................................... 125

5.3.4.2

Relaciones y características de las bombas centrifugas ........................... 125

5.3.5

Determinación de la bomba ..................................................................... 128

5.3.6 Cuarto de bombas ..................................................................................... 130

5.3.6.1

Tubería y accesorios de succión ............................................................... 132

5.3.6.2

Tuberías y accesorios de impulsión ......................................................... 137

5.3.7 Calculo de la potencia de la Bomba del Proyecto .................................... 138

5.3.7.1

Carga neta positiva de succión ................................................................. 138


14/221

xiv

5.3.7.2 Elección del modelo de bomba adecuado ................................................ 143

5.3.7.3 Potencia de la bomba ............................................................................... 144

6

ASPECTOS FUNDAMENTALES DE CONSTRUCCION DE LOS

TANQUES ............................................................................................................... 147

6.1 INTRODUCCION ....................................................................................... 147

6.1.1

Materiales ................................................................................................. 148

6.1.2

Mezclado del Hormigón ........................................................................... 153

6.1.3

Pruebas al hormigón ................................................................................. 154

6.1.4

Requisitos de seguridad............................................................................ 155

6.2

INSPECCIÓN DURANTE EL PRIMER LLENADO ................................. 156

6.2.1 Llenado del tanque. .................................................................................. 157

6.2.1.1

Prueba de estanqueidad ............................................................................ 157

6.2.1.2

Durabilidad ............................................................................................... 158

6.2.1.3 Impermeabilidad ...................................................................................... 159

6.2.2

Juntas ........................................................................................................ 159

6.2.2.1

Juntas de construcción ............................................................................. 160

6.2.2.2

Juntas de expansión o de dilatación ......................................................... 162

6.2.2.3 .Juntas de contracción .............................................................................. 163

6.2.2.4

Las juntas estructurales ............................................................................ 163

7

PRESUPUESTO .......................................................................................... 165

7.1

CARACTERÍSTICAS DEL PRESUPUESTO. ........................................... 165

7.2

PRESUPUESTO Y COSTOS DE CONSTRUCCIÓN. ............................... 166

7.3 COSTO DE DIRECTO. ............................................................................... 169

7.3.1

Costo de los Equipos de Construcción y Herramientas. .......................... 173

7.4

COSTOS INDIRECTOS. ............................................................................. 173

7.5 PRESENTACIÓN DE UN PRESUPUESTO. .............................................. 175

7.6

CANTIDADES DE OBRA .......................................................................... 175


15/221

xv

7.6.1 Planilla de hierros ..................................................................................... 175

7.6.2 Volumen de Hormigón en Estructuras ..................................................... 179

7.6.3

Presupuesto Referencial del Proyecto ...................................................... 180

8

CONCLUSIONES, RECOMENDACIONES Y ANEXO ........................... 181

8.1

CONCLUSIONES ....................................................................................... 181

8.2 RECOMENDACIONES .............................................................................. 182

8.3

ANEXO A: PLANOS DE IMPLANTACION Y PLANOS

ESTRUCTURALES ................................................................................................ 182

8.4 BIBLIOGRAFIA ......................................................................................... 196


16/221

xvi

LISTA DE TABLAS

TABLA 1

Repartición de la presión , en los marcos horizontales T. Enterrado 36

TABLA 2

Coeficientes de durabilidad según la PCA ......................................... 38

TABLA 3

Momentos y Tensiones marco horizontales T. Enterrado .................. 38

TABLA 4

Acero de refuerzo por flexión ............................................................ 40

TABLA 5

Acero de Refuerzo + Tensión ............................................................ 41

TABLA 6 Acero mínimo .................................................................................... 41

TABLA 7

Armadura marcos horizontales .......................................................... 41

TABLA 8

Momento en marcos verticales T. Enterrado ..................................... 42

TABLA 9

Acero de refuerzo + Tensión .............................................................. 43

TABLA 10 Acero de refuerzo mínimo ................................................................. 43

TABLA 11

Armadura marcos verticales ............................................................... 44

TABLA 12

Momentos y Tensiones, marcos horizontales T. Elevado .................. 53

TABLA 13


TABLA 14

Acero de refuerzo por flexión + tensión ............................................ 55

TABLA 15

Acero de refuerzo mínimo ................................................................. 56

TABLA 16

Armadura en marcos horizontales T. Elevado ................................... 56

TABLA 17 Momentos y tensiones en marcos verticales T. Elevado.................... 57

TABLA 18


TABLA 19

Acero de refuerzo por flexión + tensión ............................................ 58

TABLA 20

Armadura mínima .............................................................................. 59

TABLA 21 Armadura marcos verticales T. Elevado ............................................ 59

TABLA 22

Factores para determinar el cortante basal ......................................... 71

TABLA 23

Fuerzas sísmicas ................................................................................. 73

TABLA 24

Momentos y cortantes extraídos del Sap2000 .................................... 76


17/221

xvii

TABLA 25 Relación de base/altura en vigas ........................................................ 77

TABLA 26 Relación de base/altura en vigas ........................................................ 81

TABLA 27

Esfuerzos para el diseño de columnas ................................................ 92

TABLA 28

Velocidades permisibles para evitar erosión .................................... 108

TABLA 29 Valores del coeficiente de rugosidad ............................................... 110

TABLA 30

Velocidad de giro de motores eléctricos. ......................................... 121

TABLA 31 Alturas máximas de succión. ........................................................... 133

TABLA 32

Diámetro de la tubería de succión en función a la velocidad. .......... 134

TABLA 33

Valores del coeficiente C de Hazen-Williams. ................................ 134

TABLA 34 Valores aproximados de K (pérdidas de carga locales). .................. 135


18/221

xviii

LISTA DE FIGURAS

FIGURAS 1 Tanque enterrado .................................................................................. 4

FIGURAS 2

Tanque elevado .................................................................................... 5

FIGURAS 3

Unión losa y muros macizas .............................................................. 13

FIGURAS 4 Condición en que solo existe carga hidrostática. ............................... 21

FIGURAS 5

Condición en que solo existe presión lateral de tierras. ..................... 21

FIGURAS 6 Condición en que el tanque está tapado y lleno. ................................ 21

FIGURAS 7

Condición en que se analiza la flotación. ........................................... 22

FIGURAS 8

Carga distribuida por presión hidrostática ......................................... 27

FIGURAS 9 Momentos de empotramiento marcos horizontales............................ 27

FIGURAS 10 Unión rígida entre losa de fondo y pared ....................................... 29

FIGURAS 11

Estados plásticos en el diagrama de Mohr. (Suelos con “cohesión”

y “fricción”) 31

FIGURAS 12

Diagrama de presión activa de Rankine ......................................... 32

FIGURAS 13

Vista en Planta Tanque Enterrado .................................................. 35

FIGURAS 14 Elevación Tanque Enterrado .......................................................... 35

FIGURAS 15

Acero de refuerzo por flexión ........................................................ 43

FIGURAS 16

Vista en planta losa tapa Tanque Enterrado ................................... 44

FIGURAS 17

Franjas de diseño losa tapa T. Enterrado ....................................... 45

FIGURAS 18 Carga en franja de diseño Lado corto ........................................... 46

FIGURAS 19

Carga en franja de diseño Lado largo ............................................ 46

FIGURAS 20

Vista en Planta tanque elevado ...................................................... 50

FIGURAS 21

Elevación tanque elevado ............................................................... 50

FIGURAS 22 Losa de fondo Tanque elevado ...................................................... 60

FIGURAS 23

Carga en franja de diseño lado corto .............................................. 61

FIGURAS 24

Carga en franja de diseño Lado Largo ........................................... 62


19/221

xix

FIGURAS 25 Areas cooperantes en columnas Tanque Elevado .......................... 67

FIGURAS 26 Modelado tanque elevado en Sap2000 ........................................... 74

FIGURAS 27

Presión Hidrostática en paredes del tanque .................................... 74

FIGURAS 28

Fuerzas sísmicas en sentido Y ....................................................... 75

FIGURAS 29 Configuración de vigas y columnas ............................................... 75

FIGURAS 30

Momento en viga crítica lado largo ............................................... 76

FIGURAS 31 Cuantía de acero en viga crítica lado largo .................................... 78

FIGURAS 32

Momento en viga crítica lado corto ............................................... 80

FIGURAS 33

Cuantía de acero en viga crítica lado corto .................................... 82

FIGURAS 34 Armadura en viga crítica ................................................................ 84

FIGURAS 35 Esfuerzo en columnas extraídos del Sap2000 ................................ 85

FIGURAS 36

Armadura longitudinal en columnas .............................................. 88

FIGURAS 37

Configuración de cimentación combinada ..................................... 93

FIGURAS 38 Cargas actuantes en cementación combinada ................................ 94

FIGURAS 39

Área actuante de corte .................................................................... 95

FIGURAS 40

Área de colocación de acero transversal ........................................ 97

FIGURAS 41

Armadura en cimentación combinada ............................................ 99

FIGURAS 43 Diagrama de momentos unión losa de fondo-muro ..................... 100

FIGURAS 44

Geometría cuarto de bombas ........................................................ 103

FIGURAS 45

Flujo en canales abiertos .............................................................. 106

FIGURAS 46

Relación geométrica de un Canal Rectangular ............................ 107

FIGURAS 47 Sistema de recirculación en planta ............................................... 107

FIGURAS 48

Sistema de recirculación en elevación ......................................... 108

FIGURAS 49

Canal de recirculación .................................................................. 108

FIGURAS 50 Predimensionado de canales rectangulares .................................. 109

FIGURAS 51

Dimensiones constructivas del canal ........................................... 111


20/221

xx

FIGURAS 52 Armado de refuerzo de canales .................................................... 112

FIGURAS 53 Bomba Centrifugas horizontales .................................................. 115

FIGURAS 54

Bombas Monobloc ....................................................................... 115

FIGURAS 55

Bombas de silla ............................................................................ 116

FIGURAS 56 Bombas de caja partida horizontal ............................................... 117

FIGURAS 57

Bombas centrifugas de eje vertical. ............................................. 118

FIGURAS 58 Bombas sumergibles .................................................................... 119

FIGURAS 59

Curvas características de la bomba centrifuga ............................. 125

FIGURAS 60

Determinación de características de la bomba para una velocidad derotación distinta al original (n2). .............................................................................. 127

FIGURAS 61

Curva característica de bomba centrifuga de eje horizontal. ....... 129

FIGURAS 62 Disposición de bombas centrífugas de eje horizontal en una cisterna

de bombeo. 132

FIGURAS 63 Zona succión e Impulsión de bombas .......................................... 139

FIGURAS 64

Sistema de bombeo ...................................................................... 144

FIGURAS 65

Junta de construcción verticales en losas ..................................... 161

FIGURAS 66 Junta de construcción horizontal en muros .................................. 161

FIGURAS 67 Junta de expansión ....................................................................... 162

FIGURAS 68

Junta de contracción ..................................................................... 163

FIGURAS 69

Unión entre muro y losa de cubierta ............................................ 164

FIGURAS 70

Unión entre muro losa de cimentación......................................... 164


21/221

xxi

RESUMEN

CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE HORMIGON

ARMADO CON SISTEMA DE RECIRCULACION Y BOMBEO

En el presente trabajo de graduación titulado, se describe en una forma general los conceptos

básicos para la construcción de este tipo de estructuras, enfocándose principalmente en las

consideraciones que se deben tomar en cuenta como, tipo de depósito, geometría, volumen

de almacenamiento y la disposición de cargas hidrostáticas y empuje de suelos.

Para el análisis de muros y losas de fondo y tapa de los tanques se utiliza el método de

seccionamiento con fórmulas empíricas que proporcionan resultados dentro de lo establecido

en las normas. Para el tanque elevado, calculamos la estructura soportante con el programa

computacional Sap2000. Enfocándonos al análisis de un parapeto de péndulo invertido con

una forma cuadrada, vigas de apoyo y columnas de sección cuadrada. Las columnas tendrán

en la parte intermedia de su altura unas vigas que le darán mayor rigidez y evitar la esbeltez

de las mismas, todo esto se hará con el fin de evitar las fallas de corte directo y flexión

ocasionadas por los sismos, las flexiones y los momentos ocasionadas por las cargas axiales

y por el peso de la estructura en conjunto con el agua respectivamente, tomando en cuenta

que Ecuador es un país de actividad sísmica alta.

Para los diseños a realizarse se utilizaran diferentes normativas como la Norma Ecuatoriana

de la construcción NEC-13, El ACI 350-06 Estructuras de Concreto para ingeniería

Medioambiental y el ACI 318-11 Reglamento Estructural para Edificaciones, además del

uso de diversa bibliografía nacionales e internacional para el diseño de estructuras de

hormigón armado.

Por ultimo procedemos a la determinación del tipo de bombas con sus respectivas

especificaciones técnicas y al dimensionamiento y diseño del cuarto de bombas con

procedimiento de cálculo similar al tanque enterrado con la diferencia que solamenteinterviene el empuje de suelos.

DESCRIPTORES: TANQUES RECTANGULARES/ SISTEMA DE BOMBEO/

SISTEMA DE RECIRCULACIÓN/ SAP2000/ ESTRUCTURA SOPORTANTE/

POTENCIA DE BOMBAS/ BOMBAS CENRIFUGAS/ HORMIGÓN ARMADO


22/221

xxii

ABSTRACT

CALCULATION AND DESIGN OF RECTANGULAR CONCRETE TANKS WITH

CIRCULATING SYSTEM AND PUMPING

In this paper entitled graduation, described in a general form the basics for building such

structures, focusing primarily on considerations to consider as deposit type, geometry,

volume storage and disposal of hydrostatic and earth pressure loads.

For analysis of walls and slabs bottom and top of the tanks sectioning method with empirical

formulas that provide results within the provisions of the rules is used. For the elevated tank,

calculate the supporting structure with Sap2000 computer program. Focusing the analysis of

a parapet inverted pendulum with a square shape, support beams and square columns. The

columns will be in the middle of its height beams that will give greater rigidity and prevent

the slenderness of them, all this is done in order to avoid failures direct shear and bending

caused by earthquakes, pushups and moments caused by the axial loads and the weight of the

structure together with water respectively, considering that Ecuador is a country of high

seismic activity.

For designs made various regulations such as building Reporting Standard NEC-13, ACI

350-06 Concrete Structures for Environmental Engineering and ACI 318-11 Structural Rules

for Buildings were used, and the use of diverse national bibliography and international for

the design of reinforced concrete structures.

Finally we come to the determination of the type of pumps with their technical specifications

and sizing and design of pump room with procedure similar to tank buried with the

difference that only intervenes earth pressure calculation.

DESCRIPTORS: TANKS RECTANGULAR / PUMPING SYSTEM / CIRCULATION

SYSTEM / SAP2000/ SUPPORTING STRUCTURE/ POWER PUMP / PUMPS

CENRIFUGAS / CONCRETE


23/221

xxiii

CERTIFICACION

A petición del Sr. PASTILLO ANDRANGO JAIME RAMIRO, yo Luis Alexander

Ortega Ushiña con C.I. 1003369541, con el título de Suficiencia en el Idioma Ingles

otorgado por la ESCUELA POLITECNICA DEL EJÉRCITO – DEPARTAMENTO

DE LENGUAS, he realizado la traducción del resumen de trabajo de graduación

sobre el Tema:

“CALCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE

HORMIGON ARMADO CON SISTEMA DE RECIRCULACION Y

BOMBEO”

Dado que poseo los conocimientos necesarios para realizar dicho trabajo y certifico

lo mencionado con el documento adjunto.

Quito, 11 de Diciembre de 2014

Atentamente,

Luis Alexander Ortega Ushiña

C.C. 171963339-6


24/221

xxiv


25/221

1 GENERALIDADES DEL PROYECTO

1.1 INTRODUCCION

Alcance

Las recomendaciones contenidas en el siguiente documento son aplicables al análisis

y diseño estructural y la construcción de los depósitos de Hormigón Armado para el

almacenamiento de agua potable. Estos depósitos vistos en planta, pueden presentar

una geometría rectangular, circular o poligonal ya sean depósitos enterrados o

elevados. Sin embargo, en este tratado haremos hincapié en los depósitos regulares,

esto es: ya sea de planta cuadrada o rectangular enterrados y elevados.

Se ha tenido en mente proporcionar a los profesionistas involucrados en el diseño

estructural de los depósitos de Hormigón Armado, algunas recomendaciones,

sugerencias y lineamientos, para mejorar y facilitar la realización de los proyectos

estructurales. Analizando las acciones que deben considerarse en el cálculo del

depósito. Se exponen los criterios a emplear en un tema tan sensible como es la

abertura máxima de fisura permitida en el depósito. Así como las armaduras mínimas

que debemos considerar con objeto de prevenir posibles fisuraciones debidas aretracción del fraguado, variaciones de temperatura y otras acciones no contempladas

en el cálculo. Seguidamente se aborda el cálculo de la pared de depósitos

rectangulares de hormigón armado. La manera de evaluar los esfuerzos de flexión,

cortante y tracción combinados con la fisuración, para al final, poder disponer las

armaduras de manera correcta.

Se dan también algunas recomendaciones para lograr que el hormigón empleado en

la construcción de los depósitos reúna en todo lo concerniente a su dosificación,

elaboración, transportación, colocación y curado, los requisitos necesarios para

lograr una estructura resistente, durable y tenga al mismo tiempo, un desempeño

satisfactorio durante su vida útil.

Antecedentes

Los códigos, reglamentos y guías de diseño utilizados en otros países, por lo general,

se encuentran en otro idioma diferente al español y su tratamiento se hace con


26/221

2

unidades diferentes a las que se usan en nuestro país. Por otro lado, gran parte del

material técnico útil se encuentra disperso en más de una publicación, por lo cual es

difícil para el usuario hallar en una sola de ellas todo el material necesario para un

diseño dado. En el presente documento se han recopilado el material y las normas

aplicables actualizadas, tanto nacionales como extranjeras, las cuales rigen a este tipo

de estructuras y son útiles para el análisis, diseño estructural y para la construcción

de depósitos de Hormigón Armado para el almacenamiento de agua potable, agua

tratada o algún otro fluido. Con base en todo ese material, se ofrecen las

recomendaciones pertinentes para lograr un buen diseño y construcción.

1.2 OBJETIVOS

Objetivo general

El objeto del presente proyecto es la definición, Análisis, diseño, justificación técnica

y valoración, con el nivel de detalle correspondiente a un proyecto de fin de carrera,

de un sistema de depósitos enterrado y elevado con recirculación y bombeo para el

almacenamiento de agua para el Laboratorio de Hidrología.

Objetivos específicos

Para el análisis de las estructuras de los depósitos se emplea el método de

análisis elástico reconocido y aceptado en la ingeniería estructural. A partir

de las acciones permanentes, variables y accidentales a que estará sujeta la

estructura, se determinarán los elementos mecánicos que actúan sobre ésta y

con los cuales se llevará a cabo el diseño.

Encontrar un diseño estructural y hacer que la estructura cumpla con los

códigos vigentes para este tipo de estructura. Facilitar al técnico las herramientas necesarias para que pueda calcular un

depósito de agua de manera totalmente satisfactoria para la tipología en

Hormigón Armado.

Establecer las diferentes bases y criterios adoptados para los diferentes

cálculos, con más exactitud el diseño de los dos depósitos que intervienen en

este proyecto.


27/221

3

El propósito del diseño es el de lograr una probabilidad aceptable de que la

estructura que se vaya a construir no sufra deterioro alguno, de tal suerte que

éstos demeriten el uso para el cual fue destinada o que inclusive pudiesen

provocar el colapso de la misma.

1.3 MARCO TEORICO

1.3.1 Introducción

El Análisis Estructural es la parte de la Mecánica que estudia las estructuras,

consistiendo este estudio en la determinación de los esfuerzos y deformaciones a que

quedan sometidas, por la acción de agentes externos (cargas gravitatorias, fuerzas

sísmicas, variaciones térmicas, etc.) Las estructuras se componen de una o más

piezas ligadas entre sí y al medio exterior, de modo de formar un conjunto estable.

Esto es, un conjunto capaz de recibir cargas externas, resistirlas internamente y

transmitirlas a sus apoyos, donde esas fuerzas externas encontrarán su sistema

estático equilibrante.

1.3.2 Tipo de proyecto

Las estructuras que se cubren para el propósito de este documento son: Tanque

enterrado, tanque elevado, cuarto de bombas y canal de recirculación en HormigónArmado y además el sistema de bombeo, Los mismos que servirá para el

almacenamiento de agua en un laboratorio de Hidráulica e Hidrología.

1.3.3 Geometría de los depósitos

La configuración teórica más conveniente para un depósito es aquella que para una

altura y volumen dados, se tenga un perímetro mínimo, lo cual implica una geometría

cilíndrica. Sin embargo, pueden existir otras razones que obliguen a la planta

rectangular o cuadrada.

En los depósitos rectangulares, cuando tienen dos compartimentos, conviene tener

una relación 3: 4 en la longitud de los lados. Cuando exista un compartimento, la

relación recomendable es de n + 1: 2n, por ser ésta la que proporciona el perímetro

mínimo a igualdad de superficie.

En los grandes depósitos, especialmente los rectangulares, se recomienda el diseño

de divisiones o “muros-guía”, que permiten la renovación del agua en el interior de


28/221

4

esas divisiones, evitándose el estancamiento de la misma, en especial en las esquinas.

Para proceder a la limpieza, reparaciones o mantenimiento, son convenientes los

muros divisorios para mantener sin interrupción el funcionamiento del depósito

durante esos lapsos de tiempo.

1.3.3.1 Depósitos enterrados

Los depósitos enterrados se construyen totalmente bajo la superficie del terreno. Se

emplean cuando el terreno de desplante es adecuado para el funcionamiento

hidráulico del sistema de redistribución y cuando es necesario excavar hasta

encontrar un estrato de soporte más resistente. Tienen la ventaja de conservar el agua

a resguardo de las grandes variaciones de temperatura; no alteran el paisaje. Sus

inconvenientes son el tener que efectuar excavaciones costosas, la dificultad de

observar y mantener las instalaciones de conexión del abastecimiento, así como, la

dificultad para descubrir las posibles filtraciones y fugas del líquido.

FIGURAS 1 Tanque enterrado

1.3.3.2 Depósitos elevados

Los depósitos elevados son aquellos cuya base está por encima del nivel del suelo, y

se sustenta a partir de una estructura. Generalmente son construidos en zonas con

topografía plana donde no se dispone en su proximidad de elevaciones naturales con

altimetría apropiada. El depósito elevado se refiere a la estructura integral que

consiste en el tanque, la torre y la tubería de alimentación y descarga.


29/221

5

FIGURAS 2 Tanque elevado

1.4 ESTRUCTURACIÓN DE LOS DEPÓSITOS

1.4.1 Lineamientos básicos de estructuración

Es de primordial importancia que los depósitos se mantengan impermeables a la

filtración del agua. Se evitará asimismo, la contaminación del agua potable por el

contacto con el agua freática.

Los depósitos se componen de diversos elementos, como son:

Los muros que soportan las acciones consistentes de los empujes de agua y de tierra;

así como las fuerzas provocadas por el sismo y el viento.

Las cimentaciones que pueden consistir de zapatas corridas bajo los muros o una losa

que ejerza una función estructural y que al mismo tiempo, constituya el piso o fondo

de los depósitos.

Los pisos o fondos de los depósitos, los cuales pueden ser una losa estructural o una

membrana impermeable de hormigón sin función estructural.

Las cubiertas o tapas de los depósitos.

Elementos accesorios tales como: escaleras, tuberías, válvulas, etc.


30/221

6

Cimentaciones aisladas y es el caso de depósitos elevados con sostenimiento de

columnas de hormigón armado.

Comportamiento estructural

Los elementos que conforman los depósitos de hormigón armado tienen la ventaja de

poseer capacidad a la compresión, tensión, flexión y cortante y por otra parte, debido

a su rigidez, pueden absorber las deformaciones diferenciales.

Ventajas y desventajas de los depósitos de hormigón armado

Gran parte de los depósitos para el almacenamiento del agua se construyen de

hormigón armado. Muchas son las ventajas que tienen los depósitos de este material

sobre otros materiales. Entre ellas se cuentan:

La impermeabilidad que por sí misma contiene el hormigón bien dosificado y

compactado; requiere un mantenimiento mínimo, posee una gran resistencia al

ataque de los agentes químicos y al intemperismo, sin embargo.

La impermeabilidad de los depósitos se ve afectada por la secuencia de la

construcción, así como la ubicación y el detallado de las juntas. Al perder humedad

debido al proceso de fraguado, la masa de hormigón tiende a contraerse, lo que da

lugar a esfuerzos de tensión en dicha masa. Como el hormigón no es apto para

soportar altos esfuerzos de tensión, se presentarán agrietamientos, a menos que se

tomen las precauciones necesarias para evitar que estos ocurran.

Entre estas precauciones se deberá observar la separación, colocación y tipo de las

juntas. Éstas se diseñarán para tomar en cuenta el fenómeno de la contracción, así

como los cambios de temperatura y evitar así, el agrietamiento que es consecuencia

de estos fenómenos. El mejor camino para reducir los efectos de la contracción

consiste en utilizar hormigones que cumplan con las siguientes cualidades:

Adecuada dosificación

Baja relación agua/cemento

Buena colocación

Enérgico vibrado


31/221

7

Curado eficiente y prolongada

Adecuada localización y construcción de las juntas.

El hormigón terminado tiene la gran ventaja de que se le puede dar la forma deseada,tan sólo con preparar el encofrado para tal objeto. Otra ventaja del hormigón es la de

poder establecer a voluntad la resistencia de proyecto (dentro de ciertos límites

máximos), lo cual se logra mediante la dosificación apropiada de los ingredientes:

arena, grava, cemento, agua y aditivos.

1.4.2 Formas estructurales de los depósitos de hormigón armado

Los procedimientos de análisis varían, dependiendo de las proporciones y de la

forma del depósito. También influyen las características del terreno de desplante, asícomo, que el depósito esté o no cubierto. En el funcionamiento estructural de los

depósitos cuadrados o rectangulares predomina la flexo-tensión. La principal acción

sobre los muros es el empuje hidrostático del agua de adentro hacia afuera y los

empujes exteriores del relleno y del agua freática, si el depósito se encuentra

enterrado o semienterrado.

Tanques rectangulares enterrados

En general son aplicables las recomendaciones para tanques sobre el terreno, con las

modificaciones y/o adiciones que se indican a continuación. Las acciones a tomar en

consideración son:

Peso propio

Empuje del liquido

Empuje lateral del terreno, incluyendo cierta sobrecarga sobre éste

Presión del agua del subsuelo

Carga viva sobre la tapa o relleno, y

Cargas accidentales

Durante el análisis y diseño se deben incluir las dos condiciones siguientes, tanto

para la estabilidad general como para el dimensionamiento de las paredes, fondo y

tapa:


32/221

8

Tanque vacío: bajo la acción del empuje del terreno, con la sobrecarga superficial

correspondiente y la presión del agua del subsuelo. Ésta consideración cubre las

situaciones en que, antes de entrar en servicio o durante operaciones de

mantenimiento o por alguna otra razón el tanque se encuentre vacío. Se considerará o

no el apoyo que suministra la tapa según que esta se coloque antes o después del

relleno, y de acuerdo con la manera en que este unida a las paredes.

Tanque lleno: sin ningún empuje lateral externo. Ésta condición es a causa de que el

tanque debe llenarse de agua para detectar posibles fugas, antes de colocar el relleno

a su alrededor. Otra razón para no considerar el empuje del terreno como acción

favorable es la posible contracción del relleno que tienda a separarlo de la pared del

tanque. Por otro lado, si en el futuro se realiza alguna ampliación en las instalacionesy se excava alrededor del recipiente estando éste lleno, puede ocurrir una falla

repentina si la pared no se diseñó para resistir por sí sola la presión del líquido, lo

cuál sería un peligro latente en esas instalaciones.

Se recomienda tener presente la posibilidad de que, accidentalmente, el tanque

subterráneo se vea obligado a trabajar a presión interior, es decir, con una

distribución de presión del líquido trapezoidal y no triangular. Asimismo, se

recomienda que antes de colocar el relleno alrededor del tanque, y antes de aplicar

algún tratamiento superficial, del depósito se pruebe con agua para detectar posibles

fugas.

Tanques rectangulares elevados

Se considerarán las recomendaciones de los tanques superficiales y enterrados que

sean aplicables. Además, se tendrá en cuenta que, generalmente, conviene usar las

paredes del tanque trabajando en su plano como vigas diafragma. También se prestará cuidado a la tensión vertical en las paredes, provocada por el peso del agua

que actúa sobre el fondo.

Como es nuestro caso se presenta otra forma estructural para tanque rectangular

elevado, en la que se ha usado como fondo un sistema de vigas y losa.


33/221

9

1.4.3 Procedimientos para el análisis estructural

Para el análisis de las estructuras de los depósitos se emplea el método de análisis

elástico, reconocido y aceptado en la ingeniería estructural. A partir de las acciones

permanentes, variables y accidentales a que estará sujeta la estructura, sedeterminarán los elementos mecánicos que actúan sobre ésta y con los cuales se

llevará a cabo el diseño.

Efectos que se deben considerar en el análisis estructural

Las acciones que se consideran para el análisis de las estructuras que se cubren en

este Manual, se determinarán a partir del tirante y el peso volumétrico del líquido y/o

los sólidos que contenga; el peso de los equipos que se instalen; las cargas dinámicas

de dichos equipos; las cargas accidentales, y la presión externa de los rellenos sobre

los muros de los depósitos. En comparación con las cargas muertas y la del líquido,

las cuales se conocen con cierta precisión.

El espesor mínimo de las paredes de los depósitos

De conformidad con el informe 350 de ACI (American Concrete Institute)

Environmental Engineering Concrete Structures, los muros de hormigón reforzado

con una altura del líquido igual o mayor a 3.00 m, tendrán un espesor mínimo de 30

cm. En términos generales, el espesor mínimo de cualquier elemento estructural de

los depósitos deberá ser de 15 cm. Se requerirá un mínimo de 20 cm donde el

recubrimiento del hormigón para protección del acero de refuerzo sea de 5 cm o más.

Sin embargo, cuando se usen dispositivos para la retención de agua y la posición del

acero de refuerzo que puedan afectar adversamente a la colocación apropiada del

hormigón, se considerará un espesor mayor.

El refuerzo mínimo

En toda sección de un elemento sometido a flexión, cuando por análisis se requiera

refuerzo de tracción el proporcionado no debe ser menor que el contenido pormedio de la siguiente ecuación:

,

,

(Ec. 10.3 de ACI 318S-11)


34/221

10

Pero no menor a:

1,4

Donde es el ancho de la viga o de la nervadura es el peralte del elemento aflexión considerado y el esfuerzo de fluencia del acero de refuerzo.Refuerzo para contracción y temperatura

Requisitos del subcapítulo 7.12, de ACI 318S-11, aplicables a los depósitos:

En losas estructurales donde el refuerzo a flexión se extiende en una sola dirección,

se debe colocar refuerzo normal al refuerzo a flexión para resistir los esfuerzosdebido a la retracción y temperatura. (ACI 318S-11, unidad 7.12.1).

La cuantía mínima de refuerzo de retracción y temperatura medida sobre el área

bruta de la sección debe ser al menos igual a los valores dados a continuación, pero

no menos que 0.0014 (ACI318S-11, subunidad 7.12.2.1)

Las losas donde se utilice acero de refuerzo menor a:

4200/²………………………..……………….. 0.0020 Las losas donde se utilicen varillas corrugadas de 4200/² o refuerzo electrosoldado de alambre:……………..………. 0.0018

Separación máxima del refuerzo para contracción y temperatura

Según ACI 318S-11, en la subunidad 7.12.2.2, la separación máxima del refuerzo

para contracción y temperatura no será mayor a 5 veces el espesor de la losa ni

450mm. La cantidad de refuerzo por contracción y temperatura que es necesario

suministrar, está en función de la distancia entre las juntas de movimiento, las cuales

disipan la contracción y los esfuerzos causados por la temperatura en la dirección del

refuerzo. Además, la cantidad de refuerzo por contracción y temperatura está en

función de la mezcla específica de hormigón, la cantidad de agregado, el espesor del

muro, su refuerzo y las condiciones ambientales de la obra.


35/221

11

1.4.3.1 Factores de reducción de la resistencia

Se recomienda el uso de los factores de reducción de la resistencia ϕ, que se

transcriben a continuación (Sección 4.1.2.2, Capitulo 4 NEC 2013):

La resistencia de diseño proporcionada por un elemento, sus conexiones con otros

elementos, así como sus secciones transversales, en términos de flexión, carga axial,

cortante y torsión, debe tomarse como la resistencia nominal calculada de acuerdo

con los requisitos y suposiciones del reglamento NEC 2013, multiplicado por los

factores ϕ de reducción de resistencia dados a continuación.

Los factores de reducción ϕ de la resistencia para flexión, carga axial, cortante y

torsión, tendrán los valores que se indican enseguida:

Secciones controladas por tracción………………………..…… 0.90

Tracción Axial…………………………………….……………..0.90

Secciones controladas por compresión:

Elementos con refuerzo transversal en espiral……..……0.75

Otros elementos reforzados……………………………... 0.65

Cortante y torsión……………………………………………….. 0.75

Aplastamiento en el hormigón………………………………….. 0.65

1.5 DISEÑO DE CIMENTACION Y LOSA TAPA DE LOS TANQUES

Introducción

A continuación se mencionan las recomendaciones mínimas básicas para tomarse en

cuenta durante al análisis y diseño de las cimentaciones de tanques.

En general, la solución de cimentación a emplear debe definirse para cada situación

en particular en acorde con las condiciones del lugar y al resultado del estudio de

mecánica de suelos; los estudios de campo se deben efectuar mediante exploración

directa (pozos a cielo abierto y sondeos) cuyos requisitos mínimos en número,


36/221

12

espaciamiento y profundidad, dependen de la geometría en planta y condiciones de

descarga del tanque, así como del suelo de cimentación (clasificado en forma

preliminar), se debe ejecutar un programa de muestreo alterado e inalterado y de

ensayos en el laboratorio, que proporcionen los parámetros que definan sus

propiedades índice y sus características hidráulicas, de resistencia y deformabilidad.

Es importante que al explorar las condiciones del terreno se registre el nivel freático

al inicio y al final de la exploración y después, diariamente, durante el mayor tiempo

posible. Se registrarán el máximo y mínimo nivel freático así determinado.

Durante el diseño del tanque debe revisarse la resistencia del terreno y deben

limitarse los hundimientos diferenciales y el hundimiento medio. Los hundimientos

diferenciales se limitan en función de la capacidad del tanque para deformarse sinagrietarse; el hundimiento medio se limita en función de la capacidad de

deformación de las tuberías y conexiones que ligan el tanque con el exterior, así

como de los requisitos de desnivel de los orificios de salida. En un tanque sobre el

terreno, debe evitarse que su fondo llegue a quedar abajo del nivel del terreno por

efecto del hundimiento. Al determinar los hundimientos, se incluirá la deformación

inmediata del suelo y la diferida.

Si las exploraciones indican que el subsuelo soportará la sobrecarga impuesta por el

tanque con hundimientos tolerables y sin que haya riesgo de falla por resistencia,

esto es, cuando el terreno sobre el que se desplantan los depósitos experimenta pocas

deformaciones y cuenta con una buena capacidad de carga, se recurrirá a una

cimentación somera (zapatas corridas) y bastara retirar los materiales superficiales

sueltos o de origen orgánico, en tanto que el piso será una losa de poco espesor,

reforzada sólo para los efectos de la temperatura que funcionará como una membrana

impermeable

Si el subsuelo resulta débil o inadecuado para soportar la sobrecarga del tanque sin

sufrir hundimientos excesivos, antes de recurrir a la cimentación con pilotes, pilas u

otro tipo de cimentaciones profundas, se recomienda mejorar las condiciones del

subsuelo y cimentar superficialmente. Deben evitarse cimentaciones mixtas. Debido

a ésta poca capacidad de carga, es necesario que la losa de piso tenga una función

estructural para repartir la carga en un área mayor de apoyo. En estos casos, el muro

y la losa de fondo podrán ser continuos y ésta realizará una función estructural para


37/221

13

repartir las descargas al terreno de una manera más eficiente. Por supuesto, también

tendrá que ser lo suficientemente impermeable para evitar las filtraciones de agua,

tanto desde adentro hacia afuera, como el paso de las aguas freáticas al interior del

depósito

En los casos de terrenos con muy poca capacidad de carga y para depósitos de

grandes dimensiones, será necesario que la losa de piso contenga trabes de

cimentación que ayuden a reducir su espesor, mediante la disminución de los claros

que salva dicha losa

Los depósitos de pequeñas dimensiones en planta, con muros cuya longitud oscile

entre 5 y 10 m, normalmente se construyen con una losa corrida de cimentación, aun

cuando el terreno sea firme, con el objeto de evitar las juntas de construcción en los

pisos.

Muro perimetral

del depósito

CimentaciónJunta

FIGURAS 3

Unión losa y muros macizas

Losas macizas

Se emplearán en aquellos suelos con buena capacidad de carga y que no sean

deformables, tiene la función de integrar un diafragma impermeable para conservar

la impermeabilidad del recipiente, toda vez que las cargas se transmiten al terreno

directamente a través de este diafragma.

El espesor mínimo será de 10 cm.


38/221

14

Refuerzo mínimo: para el control de los agrietamientos, el área de refuerzo respecto

a la del hormigón, será de 0.005 en cada una de las direcciones ortogonales.

Se proporcionará refuerzo adicional en las orillas del piso y otras discontinuidades,

según lo requiera el diseño.

El refuerzo puede consistir de un emparrillado de varillas o una malla de alambre

soldado. Dependiendo del espesor de la losa de piso, se colocarán uno o dos capas de

refuerzo. Si se coloca uno solo, éste se localizará próximo a la cara superior de la

losa, con un recubrimiento mínimo de 5cm. En el caso de dos capas, se colocarán en

las caras superior e inferior del piso, teniendo cuidado de mantener el recubrimiento

mínimo especificado.

El recubrimiento mínimo en el fondo de la losa será de 5 cm sobre el terreno. El

refuerzo se mantendrá en una correcta posición por medio de cubos (galletas) de

hormigón.

Las losas que tengan un espesor de 20 cm o más, tendrán un porcentaje mínimo de

refuerzo de 0.006, distribuido en dos parillas. Una de las parrillas se localizará con

un recubrimiento mínimo de 5 cm respecto de la cara superior de la losa. Esta parrilla

proporcionará un porcentaje mínimo de área de refuerzo al área total del hormigón de

0.004, en cada una de las direcciones ortogonales. La segunda parrilla se localizará

en los 9 cm inferiores de la losa y tendrá un recubrimiento mínimo de 5 cm sobre el

firme. Esta parrilla proporcionará un porcentaje mínimo de área de refuerzo al área

total del hormigón de 0.002, en cada una de las direcciones ortogonales.

Los pisos sujetos a subpresiones que excedan de dos terceras partes el peso del

sistema de losa de piso, se dotarán de subdrenes, con el objeto de controlar dichassubpresiones.

Con el objeto de colocar el menor número posible de juntas de construcción, el

hormigón de los pisos se vaciará sin interrupciones, en secciones tan grandes como

resulte práctico. En secciones grandes del piso, se deberán tomar precauciones para

limitar la contracción a largo plazo, mediante el empleo de hormigón de bajo

asentamiento, de un refuerzo adecuado y de condiciones apropiadas de curado para el


39/221

15

control de la humedad. La losa de piso se mantendrá saturado mediante anegación u

otros medios, hasta que la estructura sea puesta en servicio.

Cuando se diseñen juntas en el hormigón, los detalles de éstas deberán garantizar la

impermeabilidad para una carga hidrostática igual a la altura del recipiente. La

rigidez del subsuelo y su uniformidad se controlarán cuidadosamente, para limitar el

movimiento diferencial de las juntas.

Losas apoyada en vigas

Cuando se tengan terrenos compresibles o exista una subpresión proveniente de las

aguas freáticas, se hace necesaria una ampliación del área que transmite las cargas al

terreno o para resistir las que proceden de la subpresión y para ello se utiliza un piso

estructural.

La losa de fondo del recipiente se deberá estructurar de manera tal, que todo el

recipiente de conjunto pueda resistir las deformaciones diferenciales, conservando su

integridad e impermeabilidad.

Se requerirán pisos estructurales cuando se utilicen pilotes a causa de una inadecuada

capacidad soportante del suelo, subpresión o suelos expansivos. También podrán

utilizarse las losas de tipo estructural donde los asentamientos locales excesivos del

suelo reduzcan el soporte de la losa de piso.

Dichas losas se diseñarán para que puedan resistir las reacciones del terreno y las

presiones hidrostáticas cuando el tanque se encuentre vacío.

Las losas de tipo estructural pueden ser de dos tipos diferentes:

Losas corridas.

Sistemas de losas y vigas de cimentación.

El diseño de las losas de piso que salvan el claro entre dos muros paralelos puede

llevarse a cabo, incrementando su espesor para contrarrestar la subpresión con la

ayuda de un mayor peso, lo que reducirá la cantidad de refuerzo. Sin embargo, este

procedimiento tiene limitaciones económicas.


40/221

16

En estos casos, se podrán utilizar vigas de cimentación para reducir los claros de la

losa y permitir espesores económicos de ésta.

En los recipientes cuya longitud oscile entre 5 m a 10m, se podrán colocar losas de

cimentación corridas. Para dimensiones mayores, es conveniente el empleo de vigas

de cimentación para proporcionar rigidez a la losa de fondo.


41/221

17

2 ANALISIS DE CARGAS

2.1 ACCIONES DE DISEÑO PARA TANQUES ENTERRADOS Y

ELEVADOS

Consideraciones generales

Para el diseño estructural de los tanques se tomarán en cuenta los efectos de las

cargas permanentes, variables y accidentales, o los que resulten de la combinación de

carga más desfavorable que pueda presentarse durante su vida útil.

Existen acciones permanentes, variables y accidentales, que deberán de tomarse en

cuenta para el diseño de tanques.

2.1.1 Las acciones permanentes

Las acciones permanentes son las que actúan en forma continua sobre la estructura y

cuya intensidad puede considerarse constante en el tiempo.

Carga muerta

Las cargas muertas son los pesos de los elementos que componen el tanque y

corresponden al valor calculado con las dimensiones establecidas en los planosestructurales y las densidades nominales de los materiales. Los reglamentos locales

de construcción podrán suministrar valores de los pesos volumétricos de los

materiales empleados.

Para los casos en que las cargas permanentes sean favorables a la estabilidad del

conjunto, como en la revisión por volteo, deslizamiento o flotación, se deberán

utilizar los valores de densidad mínimos probables. En las cargas muertas se deberá

considerar el peso de los equipos incluyendo la carga dinámica del agua, el peso de

las tuberías y del agua en su interior, válvulas, atraques y silletas, tomando en

consideración las futuras ampliaciones.

Cargas del agua

Para determinar la magnitud de las cargas debidas al agua, se deberá considerar la

altura del agua en el recipiente, hasta el nivel de vertido de excedencias, con un peso

volumétrico de 1.000 ⁄ para tanques enterrado y 1.400 ⁄ por mas


42/221

18

seguridad en el diseño. Al evaluar las deformaciones en la estructura y en la

cimentación de los tanques se supondrá que el recipiente está lleno al 100% de su

capacidad.

Para el análisis de tanques enterrados o semienterrados, ubicados en terrenos donde

el nivel de aguas freáticas se encuentre temporal o permanentemente arriba de la losa

de fondo, se deberá tener en cuenta la acción hidrostática lateral del agua sobre los

muros y el efecto de la flotación del conjunto, considerando el nivel de aguas

freáticas máximo esperado en el sitio. Se deberá tener en cuenta que el nivel de aguas

freáticas local puede elevarse por fugas de agua de los tanques o tuberías cercanas.

Cargas del terreno

En el análisis de los muros exteriores de los tanques enterrados o semienterrados,

se deberá tener en cuenta el empuje activo del terreno, y considerando la sobrecarga

que pueda presentarse por efecto de cargas vivas rodantes.

2.1.2 Las acciones variables

Son las que actúan sobre la estructura con una intensidad que varía

significativamente con el tiempo. Las principales acciones que corresponden a esta

categoría, son: la carga viva; el empuje estático del líquido y de tierras en el caso de

tanques enterrados; los efectos de los cambios de temperatura; las deformaciones

impuestas y los hundimientos diferenciales que tengan una intensidad variable con el

tiempo y las acciones debidas al funcionamiento de maquinaria y equipo, incluyendo

los efectos dinámicos que puedan presentarse debido a vibraciones e impactos.

Carga viva

Las cargas vivas actúan en las cubiertas de los tanques, plataformas y escaleras, es el

peso de las personas que interviene en el tanque en el mantenimiento y reparaciones

de los mismos. Las cargas vivas recomendadas para el análisis de las cubiertas de los

tanques, son las siguientes:

En tanques que se construyan sobre el nivel del terreno, en un área de acceso

restringida, con cubiertas de pendiente igual o menor al 5%, la carga viva en la losa

de cubierta se deberá considerar igual o mayor que 120 kg/m2.


43/221

19

En tanques enterrados, la carga viva en la losa de cubierta no será menor que 500

kg/m2.

En recipientes a presión, se considera como carga viva a la presión interior, la cual es

la carga por unidad de superficie, generada por la acción del agua, alimentado al

interior del recipiente.

Sobre las escaleras, pasillos y plataformas se considerará una carga viva de 500

Kg/m2. Los barandales de diseñaran para una carga de 100 Kg, capaz de actuar en

cualquier punto del pasamanos y en cualquier dirección.

Otros valores de las cargas vivas para los cambios de temperatura podrán tomarse de

los reglamentos locales y se considerarán las condiciones locales, pero con un

diferencial de temperatura no inferior a los 20ºC.

2.1.3 Las acciones accidentales

Son las que no se deben al funcionamiento normal de la construcción y sólo durante

lapsos breves pueden alcanzar intensidades significativas. Pertenecen a esta

categoría: las acciones de viento, las acciones sísmicas, explosiones, incendios y

otros fenómenos que pueden presentarse en casos extraordinarios. Será necesario

tomar precauciones en la estructura, cimentación y en los detalles constructivos, a fin

de evitar su comportamiento catastrófico, en caso de que estas acciones llegasen a

tener lugar.

Las acciones accidentales son las que no se deben al funcionamiento normal de la

construcción y que pueden alcanzar intensidades significativas sólo durante lapsos

breves. Pertenecen a esta categoría: las acciones sísmicas y de viento; nieve, granizo,

explosiones, incendios y otros fenómenos que puedan presentarse en casosextraordinarios. Será necesario tomar precauciones en la estructura, su cimentación y

en los detalles constructivos, a fin de evitar un comportamiento catastrófico de la

estructura, en el caso de que ocurran estas acciones.

Viento


44/221

20

En el diseño de tanques elevados, tendrá especial importancia el efecto del viento

sobre el área expuesta de la estructura, cuando el tanque se encuentre vacío y por lo

tanto exista la posibilidad de volcamiento o de deslizamiento.

También es importante tomar en cuenta el efecto del viento durante el montaje de los

tableros prefabricados de los tanques, cuando se encuentren provisionalmente

sostenidos, en tanto se conectan en forma definitiva al resto de la construcción.

En los depósitos rectangulares o cuadrados, se supondrá que el viento puede actuar

por lo menos en dos direcciones perpendiculares entre sí.

Cuando se considere el efecto del viento simultáneamente con el peso del agua, se

supondrá que el tanque se encuentra lleno al 100% de su capacidad. En los tanques

de regulación se considerará el 80% de su capacidad. Sin embargo, una condición de

carga que puede resultar crítica para el volteo del depósito, es la de considerarlo

vacío cuando está expuesto a la acción del viento.

2.1.3.1 Sismo

En el análisis por sismo deberá suponerse que el tanque está lleno al 80% de su

capacidad, y para valuar deformaciones diferidas en la estructura y en cimentación,se supondrá lleno al 70% de su capacidad; excepto en tanques que viertan por la

parte superior.

Los reglamentos locales suministrarán información en cuanto a los coeficientes

sísmicos y los espectros de diseño aplicables, de conformidad con la sismicidad local

y las características del suelo donde se construyan los tanques.

2.1.4 Efectos de las cargas permanentes, variables y accidentales

En el diseño de las estructuras para los depósitos de agua, se tomarán en cuenta los

efectos de las cargas muertas, las cargas vivas y las provocadas por el sismo y el

viento, cuando estos últimos sean significativos. Sin embargo, no será necesario

diseñar para la envolvente de los efectos simultáneos de sismo y viento, sino

únicamente para la condición más desfavorable entre ambas acciones.


45/221

21

2.2 CONDICIONES DE CARGA

Condición en que el tanque está lleno y no se tiene colaboración del suelo para

resistir la carga del agua, esta condición se da cuando el tanque es probado en busca

de fugas antes de rellenar el terreno.

FIGURAS 4

Condición en que solo existe carga hidrostática.

Condición en que el tanque está vacío y se tiene carga solamente producida por la

presión lateral del suelo, esta condición se da durante el funcionamiento del tanque.

FIGURAS 5 Condición en que solo existe presión lateral de tierras.

Condición en que el tanque está lleno y tapado, en la que el suelo no contribuye para

resistir los esfuerzos generados, es necesario analizar esta condición en caso de que

la tapa le transmita momentos a los muros.

FIGURAS 6 Condición en que el tanque está tapado y lleno.

Condición en que el tanque es analizado para probar si su propio peso puede resistirla fuerza de flotación.


46/221

22

FIGURAS 7 Condición en que se analiza la flotación.

2.2.1 Combinación de cargas

Las estructuras, componentes y cimentaciones, deberán ser diseñadas de tal manera

que la resistencia de diseño iguale o exceda los efectos de las cargas incrementadas,

de acuerdo a las siguientes combinaciones que recomienda el ACI 318S-11,

subcapítulo 9.2 o` el NEC (Norma ecuatoriana de la construcción)

La resistencia requerida R se calculará multiplicando las cargas de servicio por losfactores de carga que se establecen enseguida:

1.4 D

1.2 D + 1.6 L + 0.5 (Lr ó S ó R)

1.2 D + 1.6 (Lr ó S ó R) + (L ó 0.5W)

1.2 D + 1.0 W + L + 0.5 (Lr ó S ó R)

1.2 D + 1.0 E + L + 0.2 S

0.9 D + 1.0 W

0.9 D + 1.0 E

Con excepción de:

El factor de incremento de carga para L en las combinaciones 3, 4 y 5, puede ser 0.5

para todos los casos en los cuales sea igual o menor que 480 kg/m²; con excepciónde las áreas destinadas a estacionamientos y reuniones públicas.

Cuando la carga H esté presente, se incluirá de la siguiente manera:

1.6H, cuando el efecto de H contribuye a la acción de otras cargas sobre la

estructura.


47/221

23

0.9H, cuando el efecto de H contrarreste la acción de otras cargas sobre la estructura.

El factor de incremento de carga para H, se puede considerar igual a cero, si la

acción estructural debido a H contrarresta o neutraliza la acción debida a W ó E.

La aplicación de la carga S en las combinaciones 2, 4 y 5, será considerada como

carga de granizo en cubiertas planas (pf) o en cubiertas con pendiente (ps).

Cuando esté presente la carga F, se debe incluir el factor de incremento para la carga

permanente, en las combinaciones 1 a 5 y en la 7.

Cuando sea aplicable los efectos de la carga T en las estructuras, en la combinación

con otras cargas, se debe utilizar un factor de incremento igual o mayor que 1.0.

La carga símica E, será determinada de acuerdo al capítulo de peligro sísmico y

diseño sismo resistente de la NEC.

Dónde:

D: carga muerta

L: carga viva (sobrecarga)

Lr: carga viva (sobrecarga cubierta)

E: carga de sismo

F: carga de fluidos con presiones y alturas máximas bien definidas

Fa: carga de inundación

H: carga por la presión lateral de suelo, presión de agua en el suelo, o presión de

materiales a granel

R: carga de lluvia

S: carga de granizo

T: cargas por efectos acumulados de variación de temperatura, flujo plástico,

retracción, y asentamiento diferencial


48/221

24

W: carga de viento

Cuando sea apropiado, se deberá investigar cada estado límite de resistencia. Los

efectos más desfavorables, tanto de viento como de sismo, no necesitan ser

considerados simultáneamente.


49/221

25

3 ANALISIS Y DISEÑO DE TANQUE RECTANGULAR ENTERRADO

3.1 ANALISIS DE TANQUES ENTERRADO

3.1.1 Elementos mecánicos en muros: Condición de carga Nº 1

El diseño por el método de las secciones considera que los tanques están

conformados por losas que constituyen su tapa, base y muros y estos elementos a su

vez están

Estudio de Agua Residual

Documents

Transcript of Estudio de Agua Residual

tratamiento de agua residual industrial

Planta de Tratamiento de Agua Residual

Agua Residual

PREFERMENTACIÓN DE AGUA RESIDUAL URBANA EMPLEANDO …

Estudio de tratabilidad de agua residual de industria ...

PLANTA AGUA RESIDUAL

BOMBAS SUMERGIBLES PARA AGUA RESIDUAL

DEPURACIÓN agua residual

Procesos de Tratamiento de Agua Residual

Presentación trabajo colaborativo reuso agua residual

CAPÍTULO 7 TRATAMIENTO BIOLÓGICO DEL AGUA RESIDUAL

Pretratamiento Agua Residual

Articulo Recurso Agua Tratamiento Preliminar Agua Residual

TRATAMIENTO AGUA RESIDUAL

TIPOS DE AGUA RESIDUAL

73087511 Tratamiento Avanzado de Agua Residual Metcalf

Tratamiento de agua residual

Tratamiento Avanzado de Agua Residual - Metcalf

Efecto Del Agua Residual (Reutilizacion )

3. SISTEMAS DE AGUA RESIDUAL