FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS CARRERA DE ...

FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS

CARRERA DE INGENIERIA CIVIL

ESTUDIO PARA LA REMEDIACIÓN DE LOS ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES

DEL TANQUE T85-110 N, UBICADO EN LA COOP. JUAN MONTALVO,

ABASTECEDOR DE AAPP EN EL SECTOR EL FORTIN

AUTORA: CELI SILVA GUADALUPE JOHANNA

TUTOR: ING. ADOLFO VILLACRESES VERA, M.Sc.

GUAYAQUIL, ABRIL 2019

ii

Agradecimiento

Agradezco a Dios por haberme dado los dones necesarios para concluir con mi carrera

profesional.

Agradezco a mi madre Jacqueline Silva Vera y a mi padre Juan Celi Valle por su apoyo

incondicional, su compañía y dedicación para poder forjar al ser humano que soy hoy.

Agradezco a mis hermanos Victoria, Gabriela, Juan y Roberth por todo su cariño y

amor. Agradezco a mi sobrino Jake por ser siempre la pequeña persona que me llena de

orgullo, y dar su pequeño grano de arena para que esto pueda cumplirse.

Agradezco a mi tía Mariana y sus hijos quienes han sido mi segunda familia y por

siempre darme un refugio y un consejo cuando más lo necesitaba.

Agradezco a todos mis amigos por el valor que me brindaron cuando sentía que no

podía más, y gracias a que me escucharon supieron brindarme el ánimo para continuar

por este camino.

Agradezco a mis amigos y compañeros del trabajo porque gracias a ellos he podido

adquirir la experiencia que hoy tengo.

Agradezco a mis profesores y a mi tutor por todas sus enseñanzas, por compartir sus

conocimientos y sus experiencias.

iii

Dedicatoria

Dedico este trabajo a mi abuela Victoria Valle de Celi, sé que desde donde esté ella

está orgullosa de que su “Lajita” haya logrado culminar con éxitos esta etapa.

También lo dedico a mis padres, cada esfuerzo realizado para culminar mi carrera

siempre ha sido por y para ustedes.

A la familia Morán Fernández quienes por un largo período durante mi carrera ellos

formaron parte de mi familia, y siempre los llevaré en mi corazón.

iv

Declaración expresa

Articulo XI.- del Reglamento Interno de graduación de la Facultad de

Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil.

La responsabilidad de los hechos, ideas y doctrinas expuestas en este trabajo de

titulación corresponden exclusivamente al autor y al patrimonio intelectual de la

Universidad de Guayaquil.

Celi Silva Guadalupe Johanna

C.I.: 0954006532

vii

Tribunal de graduación

Ing. Gustavo Ramírez Aguirre, M.Sc. Ing. Adolfo Villacreses, M.Sc.

Decano Tutor

Ing. Douglas Iturburu Salvador, M.Sc. Ing. Marcelo Moncayo Theurer, M.Sc.

Vocal Vocal

viii

INDICE GENERAL

CAPITULO I

GENERALIDADES

1.1 Introducción ......................................................................................................... 1

1.2 Objetivos .............................................................................................................. 2

1.2.1 Objetivo general. ........................................................................................... 2

1.2.2 Objetivos específicos. ................................................................................... 2

1.3 Planteamiento del problema ................................................................................ 2

1.4 Justificación e importancia ................................................................................... 3

1.5 Ubicación ............................................................................................................. 3

CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

2.1 Cimentaciones ................................................................................................. 4

2.2 Carga última ........................................................................................................ 5

2.3 Carga admisible ................................................................................................... 5

2.4 Asentamientos diferenciales ................................................................................ 6

2.4.1 Asentamiento inmediato. ............................................................................... 6

ix

2.4.2 Asentamiento por consolidación primaria. ..................................................... 6

2.4.3 Asentamiento por consolidación secundaria. ................................................. 7

2.4.4 Asentamientos uniformes. ............................................................................. 7

2.4.5 Asentamientos diferenciales. ......................................................................... 7

2.5 Jet Grouting. ...................................................................................................... 12

2.5.1 Clasificación. ............................................................................................... 14

2.5.1.1 Inyección por intrusión. .......................................................................... 15

2.5.1.2 Inyección por desplazamiento................................................................ 15

2.5.1.3 Inyección por fracturación. ..................................................................... 15

2.5.2 Proceso constructivo. .................................................................................. 17

2.5.3 Ventajas del sistema. .................................................................................. 19

2.5.4 Especificaciones técnicas. .......................................................................... 19

2.5.5 Materiales.................................................................................................... 19

2.5.6 Agua. ........................................................................................................... 20

2.5.7 Cemento...................................................................................................... 20

2.5.8 Parámetros para jet grouting. ...................................................................... 20

2.5.9 Condiciones de proceso de ejecución ......................................................... 21

2.5.10 Supervisión y pruebas de proceso ............................................................ 22

2.5.10.1 Pruebas preliminares. ......................................................................... 23

2.5.10.2 Pruebas durante la obra...................................................................... 23

2.6 Conformación del modelo dinámico de interacción suelo-estructura fluido

(Método de Housner) ................................................................................................... 24

x

CAPITULO III

MARCO LÓGICO

3.1 Ensayos geotécnicos ......................................................................................... 26

3.2 Modelación de comportamiento suelo-estructura en Plaxis 3D .......................... 27

3.3 Análisis de estructura con SAP2000 .................................................................. 28

3.4 Análisis sísmico basado en la NEC-2015........................................................... 29

3.5 Análisis de comportamiento de las placas ......................................................... 29

CAPITULO IV

METODOLOGÍA

4.1 Geotecnia .......................................................................................................... 30

4.1.1 Calicatas. ................................................................................................... 30

4.1.2 Ensayos de sísmica pasiva REMI + MASW. .............................................. 31

4.2 Análisis en Plaxis 3D ......................................................................................... 31

4.3 Modelo en SAP2000 .......................................................................................... 34

4.4 Análisis sísmico basado en NEC-2015 .............................................................. 34

4.5 Combinaciones de carga ................................................................................... 34

4.6 Revisión de resistencia de elementos estructurales ........................................... 34

xi

CAPITULO V

DESARROLLO

5.1 Etapas de cálculo .............................................................................................. 36

5.2 Resultados obtenidos ........................................................................................ 38

5.3 Análisis estructural de la losa en Plaxis 3D ....................................................... 41

5.4 Análisis en SAP2000 ......................................................................................... 46

5.4.1 Estructura del tanque. ................................................................................. 46

5.4.2 Modelación del suelo comparando con los resultados de Plaxis 3D. ........... 47

5.5 Casos de análisis para los diferentes escenarios modelados en SAP2000........ 50

5.5.1 Análisis del tanque cimentado en suelo infinitamente rígido. ....................... 51

5.5.2 Análisis del tanque para suelo en condiciones actuales. ............................. 54

5.5.3 Análisis del tanque para condición de suelo mejorado. ............................... 55

5.5.4 Análisis dinámico en suelo mejorado........................................................... 57

5.5.4.1 Conformación del modelo dinámico de interacción suelo-estructura

fluido (Método de Housner). ............................................................................. 58

5.6 Análisis sísmico basado en la NEC-2015........................................................... 63

5.6.1 Espectro de respuesta elástico. ................................................................... 64

5.6.2 Combinaciones de carga aplicando SAP2000. ............................................ 66

5.6.3 Resultados obtenidos de fuerzas internas de los elementos ....................... 66

6.7 Revisión de resistencia de elementos estructurales ........................................... 72

xii

5.7.1 Revisión de resistencia a flexión en losa de cimentación. ........................... 78

5.7.2 Revisión de resistencia a flexión y corte en el anillo de cimentación. .......... 80

CAPITULO VI

6.1 Conclusiones ..................................................................................................... 82

6.2 Recomendaciones ............................................................................................. 83

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS

xiii

TABLA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1: Ubicación del tanque 85-110N ............................................................ 3

Ilustración 2: Asentamientos totales y diferenciales de una estructura..................... 8

Ilustración 3: Foto de prueba de asentamiento del tanque. ...................................... 8

Ilustración 4: Asentamiento por ubicación de pernos 24-mayo-2014 ....................... 9

Ilustración 5: Asentamiento por ubicación de pernos 28-mayo-2014 ....................... 9

Ilustración 6: Asentamiento por ubicación de pernos septiembre del 2014 ............ 10

Ilustración 7: Asentamiento por ubicación de pernos septiembre del 2014 ............ 10

Ilustración 8: Asentamiento por ubicación de pernos junio del 2016 ...................... 11

Ilustración 9: Rangos de granulometría para la aplicación de inyección de

cemento ................................................................................................................... 13

Ilustración 10: Rangos de granulometría para la aplicación de inyecciones

químicas .................................................................................................................. 14

Ilustración 11: Rangos de granulometrías para la aplicación del Jet Grouting. ...... 14

Ilustración 12: Tipos de inyección para mejoramiento de suelo ............................. 16

Ilustración 13: Esquema de Jet Grouting como base para cimentación ................. 17

Ilustración 14: Esquema de soporte para cimentación existente ........................... 17

Ilustración 15: Esquema de inyección de Jet Grouting inclinado ............................ 18

Ilustración 16: Comportamiento dinámico del tanque. ............................................ 24

Ilustración 17: Método de Housner ........................................................................ 25

Ilustración 18: Diseño del Jet Grouting en cimentación del tanque. ....................... 32

Ilustración 19: Corte A-A’, diseño de Jet Grouting vista en perfil. ........................... 32

Ilustración 20: Esquema de modelo de tanque con columnas Jet Grouting ........... 33

xiv

Ilustración 21: Se realiza un diseño de modelamiento del suelo con

mejoramiento. .......................................................................................................... 36

Ilustración 22: Tanque con elementos de mejora de Jet Grouting en anillo de

cimentación………………………………………………………………………………….37

Ilustración 23: Diseño de tanque con Jet Grouting soportando cargas

hidrostáticas. ........................................................................................................... 37

Ilustración 24: Se analizan los asentamientos más críticos en el lado del suelo

arcilloso y se crea un diseño con Jet Grouting para mejora. .................................... 39

Ilustración 25: Distribución de esfuerzos verticales hacia las columnas de jet

grouting ................................................................................................................... 39

Ilustración 26: Deformación horizontal Ux en la estructura del tanque. ................. 40

Ilustración 27: Deformación vetical Uz en la estructura del tanque. ....................... 40

Ilustración 28: Esquema de detalle para columnas de jet grouting con inclinaciones

respectivas. ............................................................................................................. 41

Ilustración 29: Momentos flectores 1-1 en losa del tanque para diseño con Jet

Grouting para mejora. .............................................................................................. 42

Ilustración 30: Momentos flectores 2-2 en losa del tanque para el diseño con Jet

Grouting para mejora. .............................................................................................. 42

Ilustración 31: Momento torsionante 1-2 en losa del tanque para el diseño con Jet

Grouting para mejora ............................................................................................... 43

Ilustración 32: Relación entre Momentos flectores (M11, M22) y Momento

Torsionante (M12). .................................................................................................. 44

Ilustración 33: Esfuerzos cortantes dirección 2-3 en la losa del tanque para el

xv

diseño con Jet Grouting para mejora ....................................................................... 45

Ilustración 34: Esfuerzos cortantes dirección 1-3 en la losa del tanque para el

diseño con Jet Grouting para mejora ....................................................................... 45

Ilustración 35: Asentamientos obtenidos en el modelo PLAXIS 3D para suelo

en condición actual. ................................................................................................. 47

Ilustración 36: Asentamientos obtenidos en el modelo SAP2000 para suelo

en condición actual. ................................................................................................. 48

Ilustración 37: Asentamientos obtenidos en PLAXIS 3D en condiciones de

suelo mejorado. ....................................................................................................... 49

Ilustración 38: Asentamientos obtenidos en SAP2000 en condiciones de

suelo mejorado. ....................................................................................................... 50

Ilustración 39: Convención de signos en el modelo SAP2000 ............................... 51

Ilustración 40: Fuerzas en el sentido vertical F22 para cargas de servicio

(Ton/m). ................................................................................................................... 52

Ilustración 41: Fuerzas en el sentido horizontal F11 para cargas de servicio

(Ton/m). ................................................................................................................... 53


(Ton/m). ................................................................................................................... 54

Ilustración 43: Fuerzas en el sentido horizontal F11 para cargas de servicio

(Ton/m). ................................................................................................................... 55


(Ton/m) .................................................................................................................... 56

Ilustración 45: Fuerzas en el sentido F11 para cargas de servicio (Ton/m). ........... 57

xvi

Ilustración 46: Rigidez de la masa convectiva ........................................................ 59

Ilustración 47: Distribución de los resortes. ............................................................ 60

Ilustración 48: Distribución de elementos resortes en SAP2000 ............................ 61

Ilustración 49: Vista de los resortes 3D SAP2000 .................................................. 62

Ilustración 50: Zonificación sísmica en el Ecuador - Aceleración Máxima en

Roca ........................................................................................................................ 63

Ilustración 51: Espectro de diseño según la norma NEC-15 para suelo tipo E para

el 5% de amortiguamiento estructural. ..................................................................... 65

Ilustración 52: Fuerzas en sentido vertical F22 para la combinación

U = D + L + S (Ton/m). ............................................................................................ 66


U = D + L + S (Ton/m). ............................................................................................ 67

Ilustración 54: Momento M11 en losa para la combinación U = D + L + S

(Ton/m). ................................................................................................................... 67

Ilustración 55: Momento M22 en losa para la combinación U = D + L + S

(Ton/m). ................................................................................................................... 68

Ilustración 56: Desplazamientos vertical U3 en losa para la combinación

U = D + L + S (m). ................................................................................................... 68

Ilustración 57: Momento M3 en el anillo de cimentación para la combinación

U = D + L + S (Ton/m). ............................................................................................ 69


U = 1.2D + 1.6L (Ton/m). ......................................................................................... 69


xvii

U = 1.2D + 1.6L (Ton/m). ......................................................................................... 70

Ilustración 60: Momento M11 en losa para la combinación U = 1.2D + 1.6L

(Ton-m/m) ................................................................................................................ 70

Ilustración 61: Momento M22 en losa para la combinación U = 1.2D + 1.6L

(Ton-m/m). ............................................................................................................... 71

Ilustración 62: Desplazamiento vertical U3 en losa para la combinación

U = 1.2D + 1.6L (m). ................................................................................................ 71

Ilustración 63: Momento M3 en el anillo de cimentación en el punto crítico para

la combinación U = 1.2D + 1.6L (Ton-m). ................................................................ 72

Ilustración 64: Comparación de daño del Tanque vs estado de esfuerzos

(Ton/m). ................................................................................................................... 75

xviii

INDICE DE TABLAS

Tabla 1: Representación numérica de los asentamientos……………………………. 11

Tabla 2: Parámetros de Jet Grouting por sistema………………………….………….. 21

Tabla 3: Propiedades para modelo de columnas de jet grouting…………….………. 33

Tabla 4: Cuadro de Resultados de momentos para la losa del tanque diseño con

Jet Grouting para mejora……………………………………………………….………… 43

Tabla 5: Espesores de elementos estructurales que componen el Tanque

T85-110N…………………………………………………………………………………… 47

Tabla 6: Rigidez de los resortes…………………………………………………………. 62

Tabla 7: Factores Z para las zonas sísmicas de la región ecuatoriana…………….. 63

Tabla 8: Cálculo de resistencia a la compresión………………………………………. 73

Tabla 9: Resistencia vs Demanda en zona crítica (Daño actual en tanque)……….. 73

Tabla 10: Comparación entre suelo en condición actual y sin asentamiento………. 74

Tabla 11: Resistencia nominal a tensión de las placas de acero…………………….. 76

Tabla 12: Resistencia vs Demanda en zona crítica…………………………………… 77

Tabla 13: Resistencia vs Demanda en zona crítica…………………………………… 79

Tabla 14: Demandas de momentos para combinaciones de carga…………………. 81

xix

RESUMEN

En el presente trabajo se realizó una investigación para la remediación de los

asentamientos diferenciales que sucedieron en una estructura.

Inicialmente se realizaron los estudios de suelo requeridos para determinar los daños

causados, la estructura tenía un asentamiento de aproximadamente 20 mm de un lado,

lo que ocasionaba que la estructura tuviese una deformación, la cual con el tiempo iría

incrementando.

La remediación presentada para los asentamientos diferenciales en este trabajo se

consideró columnas de Jet Grouting.

En el presente trabajo se realizó un diseño completo para la aplicación de dicha

remediación, se utilizaron programas como plaxis 3D y SAP2000 para modelar las

columnas de Jet Grouting y obtener los resultados más cercanos a la realidad de su

comportamiento. Los resultados fueron muy buenos, y se aspira que la estructura

regrese a su estado original.

Palabras claves: ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES, REMEDIACIÓN, ESTUDIO,

DISEÑO, JET GROUTING.

xx

ABSTRACT

In the present work an investigation was made for the remediation of the differential

settlements that happened in a structure.

Initially the soil studies required to determine the damage caused were carried out, the

structure had a settlement of approximately 20 mm on one side, which caused the

structure to have a deformation, which over time would increase.

The remediation presented for differential settlements in this work was considered Jet

Grouting columns.

In the present work a complete design was made for the application of said

remediation, programs like 3D plaxis and SAP2000 were used to model the Jet Grouting

columns and obtain the results closest to the reality of their behavior. The results were

very good, and the structure is expected to return to its original state.

Keywords: DIFFERENTIAL SETTLEMENTS, REMEDIATION, STUDY, DESIGN, JET

GROUTING.

1

CAPITULO I

GENERALIDADES

1.1 Introducción

El presente trabajo tiene el fin de presentar una remediación para los asentamientos

diferenciales que se están dando en el tanque de distribución de AAPP del sector el

fortín, y así poder escoger la solución más factible para la remediación del presente

problema.

Se planteó un método de solución en base a los diferentes parámetros que debe

cumplir los comportamientos del suelo ante dichas estructuras, se sugiere que uno de

los principales motivos por los que ocurrieron estos asentamientos es porque durante el

proceso constructivo se debieron haber realizado mejoramiento de suelo y no se realizó,

y esto se dio porque no estaba contemplado dentro de los diseños proporcionados por

la entidad contratante, esto nos lleva a que otra de las causas por las que sucedieron

estos asentamientos es porque no se realizaron los respectivos estudios en todo el

diámetro donde se realizaría la construcción del tanque, si no, solo de un punto, por lo

tanto, se asume que no se realizaron los suficientes estudios de suelo para la

construcción de la estructura en mención.

La remediación que se recomiende dentro de esta investigación hará que la estructura

recupere una parte de su nivel original constructivo y además debe tener la función de

recuperar en gran medida la forma original del tanque, debido a que por los

asentamientos que se están dando en la estructura se ha podido apreciar que ésta

también se ha deformado.

2

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo general.

Evaluar las condiciones de la cimentación aplicada del tanque; y, según sus resultados

buscar la remediación apropiada, realizando los cálculos correspondientes para su

resultado.

1.2.2 Objetivos específicos.

Determinar el perfil estratigráfico, mediante ensayos geotécnicos para conocer

el terreno y dar una solución a los asentamientos.

Modelar el comportamiento suelo-estructura en el programa Plaxis 3D, para

determinar el proceso de deformación del tanque.

Desarrollar un análisis de la estructura con ayuda del programa SAP2000 para

determinar la influencia de los asentamientos excesivos en la estructura del

tanque.

Realizar un análisis sísmico en base a la NEC2015 para conocer los momentos

actuantes en la losa de cimentación con la remediación aplicada.

Analizar que las placas tengan un buen comportamiento al aplicar la

remediación, realizando el análisis de resistencia nominal y definir si es

superior o inferior a la demanda.

1.3 Planteamiento del problema

El funcionamiento del tanque distribuidor de AAPP del sector “El Fortín” se ha visto

afectado por los asentamientos que han estado ocurriendo desde el año 2012, que fue

construido, hasta la actualidad; estos asentamientos han provocado que el tanque tenga

deformaciones y no ha podido realizar su función, que es la de distribuir AAPP al Sector

3

mencionado por lo cual esa población ha pasado necesidades al no gozar de su derecho

de recibir agua potable en sus casas. El proyecto es dar una solución factible y detener

los asentamientos diferenciales que están ocurriendo actualmente.

1.4 Justificación e importancia

Debido que la estructura a evaluarse beneficia a todo un sector, es sumamente

importante que su funcionamiento no se vea afectado por problemas estructurales ni de

cimentación, por lo tanto, este proyecto es precisamente para dar una remediación al

problema que hemos presentado anteriormente y de esa manera la estructura podrá

realizar su función.

1.5 Ubicación

Ilustración 1: Ubicación del tanque 85-110N

Fuente: Google Earth, (2011)

4

CAPITULO II

MARCO TEÓRICO

2.1 Cimentaciones

Una cimentación es la que separa a la estructura del terreno en el que se afirma y se

encarga de transmitir las cargas de la estructura de forma adecuada y uniforme según la

capacidad del suelo en que se apoya para evitar los asentamientos diferenciales. Hay

varios tipos de cimentaciones que son los siguientes:

Cimentaciones profundas

Pilotes

Cimentaciones superficiales:

Zapatas corridas

Zapatas aisladas

Zapatas combinadas

Losa de cimentación

Anillo de cimentación

En la estructura en la cual está basado este trabajo se construyó un anillo de

cimentación, ésta era la más factible debido a que su apoyo se realiza sobre toda el área

de la construcción. Se escogió este tipo de cimentación debido a la excelente calidad de

suelo que se encontró cerca del nivel de terreno natural, sin embargo, hubo un tramo del

lugar de construcción en el cual no había la misma calidad de suelo y es lo que nos lleva

a los asentamientos diferenciales.

5

2.2 Carga última

Para determinar el tipo de cimentación utilizada en la estructura se realizaron los

respectivos estudios de suelo, y el trabajo en gabinete donde se determinó a través del

método de Terzaghi los parámetros admisibles de la siguiente manera:

(Terzaghi, 1996) 𝑞𝑢𝑙𝑡 = 𝑐𝑁𝑐 + 0.5 ∗ 𝛾 ∗ 𝐵 ∗ 𝑁𝛾 + 𝛾 ∗ 𝐷 ∗ 𝑁𝑞

Qult: carga última

𝑁𝑐, 𝑁𝛾, 𝑁𝑞: Factores de capacidad de carga adimensionales que están en función de

Φ.

c, Φ, γ son los parámetros ponderados obtenidos mediante ensayos:

c: cohesión

Φ: ángulo de fricción

γ : peso específico del suelo

2.3 Carga admisible

“La capacidad de carga admisible en una cimentación es aquella que puede aplicarse

sin producir desperfectos en la estructura teniendo un margen de seguridad dado por el

coeficiente de seguridad La capacidad de carga depende del tipo de suelo (gravas,

arenas, arcillas o combinaciones de ella), de las características de cimentación y de la

estructura y del coeficiente de seguridad adoptado. La teoría de Terzaghi es uno de los

primeros esfuerzos por adaptar a la mecánica de suelos los resultados de la mecánica

del medio continuo. La teoría de Terzaghi cubre el caso más general de suelos con

“cohesión” y “fricción” su impacto en la mecánica de suelos ha sido de tal trascendencia

que aun hoy es posiblemente la teoría más usada para el cálculo de capacidad de carga

6

de los suelos en proyectos prácticos. Especialmente en el caso de cimientos poco

profundos.” (Das, 1983)

Una vez calculada la carga última se calcula la carga admisible:

𝑞𝑎𝑑𝑚 =𝑞𝑢𝑙𝑡

𝐹𝑆⁄

FS= factor de seguridad

2.4 Asentamientos

Un asentamiento es causado por los esfuerzos que transmite una estructura al suelo,

y por la resistencia del mismo. La resistencia del suelo dependerá del tipo de éste, sin

embargo, es inevitable que haya deformaciones (asentamientos) en una estructura que

transmita toda su carga a su cimentación. Hay diferentes tipos de asentamientos:

2.4.1 Asentamiento inmediato.

Este es provocado por la deformación elástica del suelo seco y de suelos húmedos y

saturados sin ningún cambio en el contenido de agua. Los cálculos de los asentamientos

inmediatos se basan, generalmente, en ecuaciones derivadas de la teoría de la

elasticidad. (Das, 1983).

2.4.2 Asentamiento por consolidación primaria.

Es el resultado de un cambio de volumen en suelos saturados cohesivos debido a la

expulsión el agua que ocupa los espacios vacíos. (Das, 1983).

7

2.4.3 Asentamiento por consolidación secundaria.

Se observa en suelos saturados cohesivos y es resultado del ajuste plástico de la

estructura del suelo. Éste sigue al asentamiento por consolidación primaria bajo un

esfuerzo efectivo constante. (Das, 1983).

2.4.4 Asentamientos uniformes.

Se dan cuando en toda el área de la construcción el tipo de suelo es el mismo y su

nivel freático es invariable. Aquí la estructura irá descendiendo toda por igual, siempre y

cuando la carga sea la misma en toda la cimentación.

2.4.5 Asentamientos diferenciales.

Se dan cuando existen diferentes tipos de suelo en el área de la construcción, y estas

no son consideradas al momento de construir la estructura provocando que haya

diferentes asentamientos de un punto a otro.

En la estructura que se estudió se produjo este asentamiento, el cual es bastante

común en el medio, esto estaba provocando que la estructura tuviese un volcamiento

debido a que en un extremo se estaba asentando y el en otro extremo se estaba

elevando, esto también provocó deformaciones internas en el tanque.

8

Ilustración 2: Asentamientos totales y diferenciales de una estructura

Fuente: Tsao, F., (2008)

Ilustración 3: Foto de prueba de asentamiento del tanque.

Elaborado por: Guadalupe Celi

En las siguientes figuras se apreciarán los asentamientos del tanque a través del

tiempo (estos datos fueron facilitado por Interagua IA):

9

Ilustración 4: Asentamiento por ubicación de pernos 24-mayo-2014


Ilustración 5: Asentamiento por ubicación de pernos 28-mayo-2014


10

Ilustración 6: Asentamiento por ubicación de pernos septiembre del 2014


Ilustración 7: Asentamiento por ubicación de pernos septiembre del 2014


11

Ilustración 8: Asentamiento por ubicación de pernos junio del 2016


Tabla 1: Representación numérica de los asentamientos.

TANQUE T85-110N

PERNO # ASENTAMIENTO

(mm) PERNO #

ASENTAMIENTO (mm)

1 1 24 12

2 2 25 5

3 2 26 3

4 2 27 5

5 2 28 2

6 10 29 2

7 0 30 4

8 3 31 2

9 0 32 5

10 2 33 20

11 2 34 20

12 6 35 25

13 2 36 13

14 10 37 14

15 12 38 10

12

16 10 39 8

17 15 40 15

18 0 41 1

19 3 42 1

20 0 43 8

21 3 44 6

22 8 45 2

23 10 46 1 Elaborada por: Guadalupe Celi

2.5 Jet Grouting.

El Jet Grouting es básicamente un método de tratamiento para mejorar el terreno por

debajo de la superficie. Fue desarrollada en Japón a comienzos de los años 70. Su

concepción y primeros usos de la técnica se remonta a los años 60 en este mismo país,

pero su aplicación sistemática fue en los años 70 y basada en investigaciones

realizadas por los japoneses Yahiro, Yoshida y Nishi del Kajima Institute of Construction

Technology de Tokio, Japón.

Estas investigaciones fueron dadas a conocer en 1973 durante el Congreso

Internacional de Mecánica de Suelos celebrado en Moscú. Desde entonces el Jet

Grouting ha tenido aceptación y uso durante más de diez años en Europa, Estados

Unidos de América, Suramérica y en los países que conformaban la Unión Soviética.

El comité de Ingeniería Geotécnica de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles

dedicado a las inyecciones en el suelo por medio de lechadas, definió en 1980 al Jet

Grouting, como una técnica en la que se utiliza tubería especial de perforación que

combina chorros de agua horizontales y verticales a alta presión para excavar suelos.

Y cuya finalidad es producir columnas duras e impermeables por medio del bombeo

13

de una lechada de agente cementante a través de toberas horizontales, la cual se

mezcla con el suelo mientras se extrae la tubería de perforación.

El Jet Grouting viene a ser un tipo de mejoramiento del suelo por medio de inyección

completamente distinta e innovador, ya que su aplicación y tipo de lechada, no

depende de la permeabilidad del suelo ni tamaño de las partículas que componen el

terreno. El Jet Grouting utiliza la energía de la erosión en el terreno para permitir la

introducción de la lechada de inyección, esto hace posible la aplicación de esta

técnica en prácticamente cualquier tipo de terreno (desde las arcillas hasta las gravas).

Este método se clasifica como una inyección a alta velocidad.

A continuación, se muestran los rangos de granulometría para las cuales son

factibles las inyecciones de cemento o de resinas químicas (figuras 9 y 10), mientras

que el Jet Grouting abarca un mayor rango que incluye las granulometrías de las

otras inyecciones gracias a su no dependencia directa en la permeabilidad del suelo

(figura 11).

Ilustración 9: Rangos de granulometría para la aplicación de inyección de cemento


14

Ilustración 10: Rangos de granulometría para la aplicación de inyecciones químicas


Ilustración 11: Rangos de granulometrías para la aplicación del Jet Grouting.


2.5.1 Clasificación.

Existen varias técnicas de mejoramiento del suelo por medio de inyecciones, cuya

finalidad es la de mejorar las características de resistencia, deformabilidad e

impermeabilidad del terreno. Estas técnicas se aplican dependiendo del tipo de suelo,

15

mientras que el Jet Grouting es aplicable a cualquier tipo de terreno. Dentro de estas

se encuentran las siguientes:

2.5.1.1 Inyección por intrusión.

En ellas, la lechada del agente cementante es introducido en el suelo a baja presión,

para llenar sus vacios sin modificar significativamente la estructura y volumen del terreno.

Este tipo de inyección, la permeabilidad del suelo juega un papel importante y

determinante para la selección del agente cementante (para permeabilidades mayores

a 10-2 cm/seg se utilizan lechadas de agua y cemento, mientras que para valores

de permeabilidad tan bajas como 10-5cm/seg la utilización de resinas es la indicada).

Los suelos con permeabilidades menores a 10-6 cm/seg no pueden ser tratados con esta

técnica.

2.5.1.2 Inyección por desplazamiento.

Conocidas también como inyecciones de compactación, son aquellas en las cuales

se introduce una lechada altamente viscosa y con alta fricción interna dentro de un

suelo capaz de compactarse. En este tipo de inyecciones la lechada actúa

radialmente y análogamente a un gato hidráulico que desplaza físicamente las

partículas del suelo, obteniéndose una densificación controlada de terreno.

2.5.1.3 Inyección por fracturación.

En las que se utilizan tubos-manguitos, por medio de los cuales se introduce la

lechada cementante a presiones altas para fracturar el suelo, y para rellenar con la misma

lechada las fisuras producidas en el proceso. El resultado que se obtiene es una

compresión del suelo circundante y una masa de suelo de mayor densidad.

16

Ilustración 12: Tipos de inyección para mejoramiento de suelo


Como medida de remediación para los daños en la losa que se producirían al llenar

nuevamente el tanque, se ha definido el uso de jet Grouting en el estrato arcilloso

compresible. Al realizar las inclusiones de columnas de jet Grouting se prevé que las

cargas del tanque se transmitan hacia las columnas de mejoramiento y

subsecuentemente hacia el estrato rocoso de Lutita meteorizada. Con esto se evitarán

deformaciones adicionales en el estrato arcilloso que en las condiciones actuales se

encuentra en la fase plástica de deformación. A continuación, se describen las

características de los elementos de jet Grouting.

Jet Grouting se define como el método que propone mezclar, cortar y excavar el

material in situ, con una lechada de cemento a una alta presión (20-50 MPa), la cual

disgrega la estructura del suelo y forma una mezcla de suelo-cemento o termina

reemplazándose por una columna de cemento, mejorando las propiedades mecánicas,

compresión y módulo de elasticidad al mismo tiempo que reduce la permeabilidad.

17

Ilustración 13: Esquema de Jet Grouting como base para cimentación


Ilustración 14: Esquema de soporte para cimentación existente


2.5.2 Proceso constructivo.

La implementación de la técnica de Jet grouting comienza con una perforación vertical

o inclinada como se muestra en la Figura 15, según se considere en el estudio. Y se

procede mediante los pasos siguientes.

18

Se realiza una perforación con un diámetro variable a una profundidad

requerida de acuerdo a los parámetros estipulados en el proyecto.

Por medio de esta perforación se introduce el tubo de inyección de la lechada

de cemento.

Se debe controlar la estabilidad de la perforación pues los excedentes

generados por la inyección deben alcanzar la superficie por esta misma vía.

Durante el proceso de inyección el material es cortado y reemplazado o

mezclado con el suelo con cualquiera de los tres sistemas de Jet grouting antes

mencionados.

Se determina la geometría de la columna de suelo cemento rotando la tubería

de inyección a una velocidad controlada.

Ilustración 15: Esquema de inyección de Jet Grouting inclinado


Para verificar y controlar que el proceso constructivo se esté ejecutando de acuerdo a

las especificaciones requeridas, es necesario realizar controles de calidad a cada uno de

los procedimientos para asegurar el éxito del programa del Jet grouting. Adicionalmente

se deben monitorear las estructuras e incluir pruebas de permeabilidad.

19

2.5.3 Ventajas del sistema.

Entre las ventajas del Jet grouting tenemos las siguientes:

Construcción de la superposición de columnas de suelo-cemento (empotrada

muros de cortante)

Reduce tensiones de cizalladura inducida por el terremoto de las zonas

tratadas.

Aumenta la resistencia al corte de material compuesto de las zonas tratadas.

Evita la migración de exceso de poros entre las zonas tratadas y no tratadas.

Puede apuntar intervalo de profundidad específica.

2.5.4 Especificaciones técnicas.

El sistema escogido como solución de remediación para el proyecto será el de jet

grouting de fluido doble (agua). En el sistema de doble fluido con agua la desagregación

del suelo se obtiene por un chorro de agua a alta presión, utilizando como segundo fluido

una lechada para conseguir la cementación del suelo.

2.5.5 Materiales.

Los materiales a utilizar en el tratamiento del terreno serán mezclas de agua y

cemento. Esta mezcla tendrá una relación agua-cemento (a/c) comprendida entre 0,5 y

1,5 y se podrán utilizar aditivos con el fin de reducir el contenido de agua, variar la

viscosidad, así como para estabilizar o aumentar la impermeabilidad de la mezcla.

20

2.5.6 Agua.

Como norma general, podrá ser utilizada todo tipo de agua que, empleadas en casos

análogos, no haya producido eflorescencia ni originado perturbaciones en el proceso de

fraguado y endurecimiento de los hormigones y morteros con ellos fabricados.

Por tanto, en caso de existir dudas de que pueda presentar efectos negativos sobre

el fraguado y el endurecimiento deberá analizarse el agua antes de utilizarse.

2.5.7 Cemento.

El conglomerado empleado en la fabricación de hormigones, morteros y lechadas de

Condiciones para la Recepción de Dirección de Obra en función de las particularidades

del caso. No se utilizarán las mezclas de cementos de distintas procedencias, ni, a ser

posible, mezclas de distintas partidas, aunque sean de la misma procedencia. La

resistencia del cemento no será inferior a doscientos cincuenta kilopondios por

centímetro cuadrado (250 kp/cm²), y deberá ser capaz de proporcionar al mortero las

cualidades que a éste se le exige en el capítulo 4. (NEC-15, 2015).

2.5.8 Parámetros para jet grouting.

En la Tabla 2 se presentan los parámetros a tomar en cuenta para cada sistema de

Jet Grouting. En el caso del proyecto se deberán tomar en cuenta los parámetros

descritos para el sistema de doble fluido con agua.

21

Tabla 2: Parámetros de Jet Grouting por sistema

Fuente: Inyección del suelo por medio de la técnica de Jet Grouting (2014)

2.5.9 Condiciones de proceso de ejecución

Se debe tomar en cuenta las siguientes consideraciones durante la colocación de jet

grouting:

Elementos de limpieza durante la perforación se podrán utilizar, dependiendo

de las necesidades de aire, agua, lodo o espuma, y en los casos que sea

necesario se empleará revestimiento.

Con respecto a la máxima desviación permitida en las perforaciones, con

relación a su eje teórico, será de un dos por ciento (2 %).

El espacio anular entre la perforación y el varillaje de jet-grouting deberá ser

suficiente para permitir la salida de los rechazos sin ningún tipo de obstrucción.

22

La ejecución del jet-grouting debe detenerse a la profundidad señalada en los

planos, a fin de evitar y efectos indeseables como levantamientos locales o

fugas de lechada por la superficie. En consecuencia, debe rellenarse el último

tramo sin presión.

Se deberá llevar del detritus, agua y lechada de inyección no admitida por el terreno,

que sale hacia superficie por el espacio anular entre el varillaje y el terreno, con el objeto

de evitar sobrepresiones en el terreno generadas por eventuales obstrucciones y

estrangulamientos locales que pudieran producirse por desprendimientos de las paredes

del taladro y que dieran lugar a un efecto de gato hidráulico, con un claro riesgo de

desplazamientos en las estructuras cercanas a la zona de trabajo.

Este aspecto se considera fundamental y exige un control permanente mediante

auscultación (nivelación de precisión) durante el proceso de inyección, para verificar que

no se inducen desplazamientos indeseables. En caso de que se observara cualquier

indicio de movimientos en las estructuras cercanas se deberá interrumpir de inmediato

el tratamiento.

2.5.10 Supervisión y pruebas de proceso

Manómetros y otros medidores se utilizarán en las mediciones de los

parámetros de chorro y se calibrarán antes del comienzo de las obras.

La presión de los fluidos se mide comúnmente como presión de la bomba. En

los casos de tratamientos muy profundos las pérdidas de carga deben tenerse

en cuenta.

23

La inclinación de los elementos de inyección de lechada se evaluó midiendo la

inclinación de la cadena de jet grouting en la superficie antes y durante la

perforación, si no se indica de otra manera por el diseño.

El flujo de retorno botín y características se observan visualmente y la

descripción registran.

La densidad de la devolución botín debe medirse y registrarse periódicamente.

Las razones por las que los resultados inesperados deben explorarse.

Las muestras representativas de la devolución botín se deben tomar y

sometidos a ensayos de compresión.

Las siguientes pruebas en la mezcla de lechada deben realizarse.

2.5.10.1 Pruebas preliminares.

Densidad;

Purga (3 horas en 1 000 cm3, 60mm de diámetro, cilindro);

Viscosidad del pantano;

ajuste de tiempo;

Ensayos de compresión no confinada en muestras cilíndricas (altura / diámetro

relación 2,0) a los 3, 7, 28 días; 56 días si lentamente endurecimiento se

utilizan mezclas

2.5.10.2 Pruebas durante la obra.

Densidad (mínimo dos veces por turno);

Viscosidad Marsh (diario);

Sangrado (todos los días).

24

2.6 Conformación del modelo dinámico de interacción suelo-estructura fluido

(Método de Housner)

La Figura 16 representa el comportamiento dinámico del conjunto líquido– estructura

durante una perturbación sísmica, si se observa bien, podemos distinguir que el total de

la masa del agua contenida en el tanque, una parte de la masa de agua queda

impregnada rígidamente en las paredes del reservorio y además que esta se encuentra

confinada y se ubica en la parte inferior contados a partir del piso del tanque. A esta

masa se le conoce como Masa Impulsiva, Wi. (Lino, 2014).

Ilustración 16: Comportamiento dinámico del tanque.

Fuente: Lino, J., (2014)

Asimismo, el complemento de la masa impulsiva que se ubica ciertamente sobre esa,

al no encontrarse confinada (ya que tiene libertad por un borde libre) oscila durante la

perturbación sísmica generándose en ella un oleaje. A esta masa complementaria se le

conoce como Masa Convectiva (𝑊𝑐). Para tener en cuenta los efectos hidrodinámicos

se utiliza en el Método de Housner (1963), que se muestra en la Figura 45, en la cual se

25

aprecia la existencia de la masa Impulsiva (𝑊𝑖) que se adhiere rígidamente a las paredes

interiores del reservorio y que dicha masa al estar totalmente confinada, deberá unirse a

las paredes del tanque a través de resortes cuya rigidez es infinita. Lino, J., (2014).

De la misma forma puede apreciarse la existencia de la Masa Convectiva (Wc) la cual

tiene una posición por encima de la Masa Impulsiva y que se adhiere a las paredes del

reservorio a través de resortes cuya rigidez axial, corresponde a la del líquido contenido.

(Lino, 2014).

Ilustración 17: Método de Housner

Fuente: Lino, J., (2014)

26

CAPITULO III

MARCO LÓGICO

3.1 Ensayos geotécnicos

El primer paso a realizar en este trabajo, es analizar los estudios geotécnicos y

determinar los motivos de los asentamientos diferenciales dados en la estructura. Para

dicho análisis se requiere de un perfil estratigráfico, el cual al obtenerlo podremos

determinar el tipo de suelo que se halla debajo de la cimentación.

Los ensayos realizados son los siguientes:

Calicatas: Se llevaron a cabo dos calicatas manuales con la finalidad de conocer

los materiales existentes en la zona de implantación del tanque. Una de las

calicatas se realizó en el punto más crítico y mayor importancia para el estudio, la

cual es la zona de deformación del tanque, la otra calicata se realizó del otro lado

del tanque entre la perforación P-1 y P-2 realizadas por la compañía mencionada

anteriormente. Se consideró como condición más crítica a la dirección

perpendicular al talud, conociendo que para la implantación del tanque fue

necesaria la colocación de algún tipo de material de relleno para compensar el

nivel de base. Se planteó realizar las calicatas hasta una profundidad de 1.50 m.

tomando en cuenta que el anillo de cimentación de la estructura del tanque se

encuentra a 0.50 m de profundidad.

Ensayo de sísmica pasiva de REMI + MASW: Se realizaron dos ensayos REMI +

MASW con centro en cada calicata respectivamente. Para la medición de Vs se

ubicó los geófonos con un arreglo circular perimetral alrededor del tanque. Evalúa

27

las ondas Rayleigh que se transmiten por la superficie del terreno, cuyo rango de

profundidad es proporcional a su longitud de onda (λ). Su velocidad de

propagación, se define como velocidad de fase CR, y la relación entre estas con

la Velocidad de las ondas de cortes, Vs, se expresa como CR = 0,94 Vs.

3.2 Modelación de comportamiento suelo-estructura en Plaxis 3D

En base a lo observado en campo y en el perfil geotécnico trazado, se ha procedido a

analizar y determinar las posibles causas de la deformación del tanque las que serán

verificadas con un modelo de Plaxis 3D que considere la interacción suelo-estructura.

Adicionalmente, se realizó un análisis estructural para verificar el comportamiento de los

elementos estructurales que componen el tanque.

Algunas observaciones a ser consideradas en los modelos numéricos son:

El perfil geotécnico y un diagrama de deformaciones muestran que la capa de arcilla

en la zona de las deformaciones es mayor, mientras que esta disminuye hacia la zona

del talud.

El modelo de Plaxis 3D debe incluir el basamento de roca, la capa de arcilla y el

relleno que deben ser definidos con los modelos constitutivos adecuados para cada

material.

Se debe además definir la losa del tanque sobre la que se aplica la presión

hidrostática a los diferentes niveles del agua en el tanque.

28

El modelo en Plaxis 3D ayudará a describir los asentamientos y la distribución de

esfuerzos sobre los diferentes estratos definidos en el perfil geotécnico. Estos se esperan

que tengan mayor concentración en la zona de la roca (zona sur del tanque), y que

disminuyan hacia la zona de mayor espesor de las arcillas (zona norte del tanque).

Una vez definida la distribución de esfuerzos y la magnitud de los asentamientos

será posible definir las causas de las deformaciones en el tanque. Además, se podrán

acoplar los resultados a un modelo estructural en el que es posible analizar debidamente

el comportamiento de la superestructura del tanque.

Mediante el modelo estructural se podrá determinar las cargas que soportan los

elementos de la superestructura del tanque que el modelo geotécnico no es capaz de

estimar con precisión. Con esto se determinará y comprobará la causa de deformación

del tanque definiendo si son de carácter geotécnico o estructural.

3.3 Análisis de estructura con SAP2000

Para determinar el comportamiento del tanque se realizó un análisis de interacción

suelo-estructura acoplado en el programa SAP2000 para 4 escenarios que se detallan a

continuación:

Suelo infinitamente rígido (cero asentamientos)

Suelo en condiciones actuales

Suelo en condición mejorado (alternativa de remediación)

Suelo en condiciones mejorado para caso dinámico

29

3.4 Análisis sísmico basado en la NEC-2015

Se realiza un análisis sísmico basado en los parámetros dados por la NEC-2015 para

determinar el espectro de respuesta elástica en la zona de construcción de la estructura.

3.5 Análisis de comportamiento de las placas

Para determinar el estado de las placas para la condición de suelo mejorado se

seleccionaran las placas con los mayores esfuerzos en cada uno de los anillos para

comparar con la resistencia y determinar el desempeño de la estructura del tanque.

30

CAPITULO IV

METODOLOGÍA

4.1 Geotecnia

Se realizará una retrospección hacia los estudios preliminares a la construcción del

tanque para determinar las causas de los asentamientos diferenciales que se dieron en

la estructura (las pruebas de suelo se verán en los anexos).

Además, se realizará una evaluación a los estudios geotécnicos que se realizaron

después de la construcción y determinaremos los daños en la cimentación de la

estructura, y a su vez se desarrollará la remediación para los asentamientos diferenciales

(las pruebas de suelo se verán en los anexos).

Como parte para la elaboración del estudio geotécnico se llevaron a cabo tareas de

campo con la finalidad de obtener información actual sobre los geo materiales que

componen el suelo de la zona de estudio.

Los trabajos realizados se describen a continuación:

2 calicatas de 1.5 m de profundidad con mediciones de módulo de Young con

Geogauge.

2 ensayos de sísmica pasiva Remi + Masw

4.1.1 Calicatas.

Se llevaron a cabo dos calicatas manuales con la finalidad de conocer los materiales

existentes en la zona de implantación del tanque. Las calicatas se realizaron en un eje

perpendicular a las dos perforaciones anteriores realizadas por la compañía Borleti S.A.

(2014). Una de las calicatas se realizó en el punto más crítico y mayor importancia para

31

el estudio, la cual es la zona de deformación del tanque, la otra calicata se realizó del

otro lado del tanque entre la perforación P-1 y P-2 realizadas por la compañía

mencionada anteriormente. Se consideró como condición más crítica a la dirección

perpendicular al talud, conociendo que para la implantación del tanque fue necesaria la

colocación de algún tipo de material de relleno para compensar el nivel de base. Se

planteó realizar las calicatas hasta una profundidad de 1.50 m. tomando en cuenta que

el anillo de cimentación de la estructura del tanque se encuentra a 0.50 m de profundidad.

(Anexos 2 y 3)

4.1.2 Ensayos de sísmica pasiva REMI + MASW.

Se realizó un ensayo tipo REMI+MASW, el cual servirá para complementar la

información obtenida mediante los ensayos mecánicos (perforaciones).

Evalúa las ondas Rayleigh que se transmiten por la superficie del terreno, cuyo rango

de profundidad es proporcional a su longitud de onda (λ). Su velocidad de propagación,

se define como velocidad de fase CR, y la relación entre estas con la Velocidad de las

ondas de cortes, Vs, se expresa como CR = 0,94 Vs. (Anexos 4 y 5).

4.2 Análisis en Plaxis 3D

Para la solución de remediación propuesta se procedió a realizar un análisis mediante

elementos finitos (Plaxis 3D) para determinar la viabilidad y funcionamiento de estos

elementos de jet grouting en interacción con la estructura del tanque y el suelo.

Los elementos de jet grouting se modelaron como columnas las cuales se ubicarían

perimetralmente bajo la losa de cimentación del tanque, y desplantándose hasta llegar

al estrato de suelo rígido, es decir, la roca de gran módulo (Figura 18 y Figura 19).

32

Mediante la colocación de estos elementos se pretende darle mayor rigidez a la zona del

tanque asentada en el estrato de arcilla compresible, y tratar de mitigar los asentamientos

en dicha zona.

Ilustración 18: Diseño del Jet Grouting en cimentación del tanque.


Ilustración 19: Corte A-A’, diseño de Jet Grouting vista en perfil.


33

Ilustración 20: Esquema de modelo de tanque con columnas Jet Grouting


Como se aprecia en la Figura 20, los elementos de Jet Grouting se modelaron como

inclusiones solidas rígidas en el suelo con las siguientes propiedades:

Tabla 3: Propiedades para modelo de columnas de jet grouting

PROPIEDADES

Modelo Linear Elastic

φ (m) 1

γ (KN/m³) 24

f'c (Mpa) 2

E (Mpa) 6.69E+03

v 0.2 Elaborada por: Guadalupe Celi

Cabe señalar que la longitud de estos elementos, dependiendo de su ubicación, es

variable debido a que el elemento debe desplantarse hasta llegar al estrato de suelo

rígido, siendo los elementos al extremo del tanque los que mayor longitud tendrán.

34

4.3 Modelo en SAP2000

Para determinar el comportamiento del tanque se realizó un análisis de interacción

suelo estructura acoplado en el programa SAP2000 para 4 escenarios que se detallan a

continuación:

Suelo infinitamente rígido (cero asentamientos)

Suelo en condiciones actuales

Suelo en condición mejorado (alternativa de remediación)

Suelo en condiciones mejorado para caso dinámico

4.4 Análisis sísmico basado en NEC-2015

Se realiza una evaluación del peligro sísmico de la zona para analizar cuanto influye

esto en los asentamientos de la estructura. Este análisis sísmico se lo realiza utilizando

las tablas y los parámetros de la NEC-2015 capitulo Peligro Sísmico y con la evaluación

de los ensayos realizados para estudiar las ondas generadas en el sitio durante un sismo.

4.5 Combinaciones de carga

Para el diseño estructural de los diversos componentes de la estructura se emplearon

el método de diseño por factores de carga y resistencia, Sección 8.1 del ACI 350-01. La

resistencia requerida, U, se obtiene multiplicando las cargas de servicio por factores de

carga, estas combinaciones a su vez tienen en cuenta la posibilidad de ocurrencia

simultánea de los esfuerzos máximos.

4.6 Revisión de resistencia de elementos estructurales

Revisión de resistencia nominal a compresión para los elementos de acero La

resistencia nominal de las placas se las determinará mediante la siguiente expresión:

35

𝑓𝑐𝑟 = (𝐾 ∗ 𝜋² ∗ 𝐸)/ (3 ∗ (1 − 𝜇 2) ∗ ( )²)

Donde

𝑓𝑐𝑟: 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑑𝑒𝑜

𝑘: 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑛𝑑𝑒𝑜 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙

𝜇: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑃𝑜𝑖𝑠𝑜𝑛 0.3 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑒𝑟𝑜

𝑏: 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎

𝑡: 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎

𝐸: 𝑚ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 2100000 𝑘𝑔/𝑐𝑚2

𝑃𝑛 = 𝜑 ∗ 𝐴𝑔 ∗ 𝑓𝑐𝑟

𝑃𝑛: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛

𝜑: 𝑅𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 0.85

𝐴𝑔: á𝑟𝑒𝑎 𝑔𝑟𝑢𝑒𝑠𝑎 𝑏 ∗ 𝑡

36

CAPITULO V

DESARROLLO

5.1 Etapas de cálculo

Se realizaron diferentes etapas de cálculo para evaluar el comportamiento del sistema

durante la etapa de construcción. Se organizaron las etapas de la siguiente manera:

En primera instancia se modelo el suelo de la zona de implantación como se

muestra en la Figura 21.

Ilustración 21: Se realiza un diseño de modelamiento del suelo con mejoramiento.


Luego se procedió a modelar el tanque con su respectiva cimentación, y soportada

por los elementos de jet grouting (Figura 22).

37

Ilustración 22: Tanque con elementos de mejora de Jet Grouting en anillo de cimentación.


Posteriormente se procedió a cargar la estructura con la carga equivalente de

agua para la altura de operación del tanque la cual corresponde a los 6.8 m de

altura (Figura 23).

Ilustración 23: Diseño de tanque con Jet Grouting soportando cargas hidrostáticas.


Para este análisis no fue necesario agregar una etapa de descarga ya que el interés

del modelo era observar los esfuerzos y deformaciones en el tanque para la etapa más

38

crítica (fase 2) la cual es cuando el tanque se ve sometido a las cargas hidrostáticas del

agua.

5.2 Resultados obtenidos

Los resultados obtenidos para el análisis de elementos finitos con la inclusión de las

columnas de jet grouting son muy satisfactorios, ya que como se puede observar en la

Figura 24 los asentamientos en la zona compresible (arcilla) se reducen al orden de los

0.3 cm que son considerados como aceptables ya que no exceden el valor máximo de

diseño para el tanque el cual es de 1/2 pulg. (1.25 cm).

Por otro lado, se puede observar que al ser las columnas de jet grouting elementos de

soporte para la losa de cimentación, los esfuerzos verticales del tanque se ven

distribuidos uniformemente hacia las columnas de jet (ver Figura 25). Sin embargo,

podemos observar que el esfuerzo vertical se ha incrementado de gran manera en

comparación a la condición original.

En las Figura 26 y Figura 27 se puede observar las deformaciones producidas en la

estructura del tanque las cuales disminuyen con respecto a lo observado en el análisis

de evaluación suelo-estructura al considerar la capa de arcilla sin mejoramiento.

39

Ilustración 24: Se analizan los asentamientos más críticos en el lado del suelo arcilloso y se crea un diseño con Jet Grouting para mejora.


Ilustración 25: Distribución de esfuerzos verticales hacia las columnas de jet grouting


40

Ilustración 26: Deformación horizontal Ux en la estructura del tanque.


Ilustración 27: Deformación vetical Uz en la estructura del tanque.


41

Una vez modelada la solución y obteniendo resultados satisfactorios para el modelo

realizado, se procede a definir una distribución de columnas jet perimetralmente

alrededor de la zona de arcilla debajo del anillo de cimentación del tanque. Estas estarán

a una separación de 2.5 m y tendrán una inclinación de 10 y 40 grados alternadamente

como se muestra en Figura 28.

Ilustración 28: Esquema de detalle para columnas de jet grouting con inclinaciones respectivas.


5.3 Análisis estructural de la losa en Plaxis 3D

Para el caso de mejoramiento con elementos de jet grouting, las condiciones de apoyo

originales del tanque se verán modificadas, por lo tanto ocurrirá una redistribución de

esfuerzos tanto para el tanque como para su losa de cimentación, y se reducirán los

momentos en comparación con el estado original. Los momentos para la condición de

mejoramiento con Jet Grouting se muestran en la Figura 29 y Figura 30. El momento más

crítico para este caso es el de orientación M 1-1 con una magnitud de 2.4 Ton – m (ver

Figura 29).

42

Ilustración 29: Momentos flectores 1-1 en losa del tanque para diseño con Jet Grouting para mejora.


Ilustración 30: Momentos flectores 2-2 en losa del tanque para el diseño con Jet Grouting para mejora.

Elaborado por: Guadalupe Celi.

43

Ilustración 31: Momento torsionante 1-2 en losa del tanque para el diseño con Jet Grouting para mejora

Elaborado por: Guadalupe Celi.

Tabla 4: Cuadro de Resultados de momentos para la losa del tanque diseño con Jet Grouting para mejora

MOMENTOS CONDICION JET GROUTING

Ubicación M 1-1 M 2-2 M 1-2

Losa (KN-m/m) (KN-m/m) (KN-m/m)

Centro 2.5 2 1

Extremo 23.55 22.11 6.9 Elaborada por: Guadalupe Celi

Los momentos que se generan en la losa de cimentación del tanque, para la condición

de mejoramiento, se reducen en alrededor de 40% con respecto a los momentos

originales.

En la Figura 32 se detalla la relación de los momentos para un modelo de

mejoramiento con jet grouting, y el modelo original de suelo.

44

Ilustración 32: Relación entre Momentos flectores (M11, M22) y Momento torsionante (M12).


A pesar de que no se registra un aumento en los momentos de la losa del tanque, se

procede a revisar la capacidad estructural de la losa de cimentación. Considerando que

el momento de mayor magnitud es el 1-1 se lo analizará como el más crítico y así estudiar

si será soportado por toda la losa.

Para el caso de los esfuerzos cortantes, producto del análisis en Plaxis 3D se obtienen

los siguientes cortantes para la losa de cimentación del tanque, descrito en la Figura 33

y Figura 34. Siendo el esfuerzo cortante más crítico el de la Figura 34 de 5.3 Ton/m, se

procederá a revisar que la sección de losa soporte la concentración de cortante mostrada

en la figura.

45

Ilustración 33: Esfuerzos cortantes dirección 2-3 en la losa del tanque para el diseño con Jet

Grouting para mejora


Ilustración 34: Esfuerzos cortantes dirección 1-3 en la losa del tanque para el diseño con Jet Grouting

para mejora


46

5.4 Análisis en SAP2000

5.4.1 Estructura del tanque.

La estructura fue modelada en SAP2000 utilizando la información de los Planos que

se detallan a continuación:

Dimensiones generales

Radio del tanque: 19.8 m

Altura del tanque 7.2 m

Nivel de agua en el Tanque 6.8 m

Materiales

Hormigón armado 𝑓`𝑐 = 280 𝑘𝑔/𝑐𝑚2

Acero de refuerzo 𝑓𝑦 = 4200 𝐾𝑔/𝑐𝑚2

Acero estructural 𝑓𝑦 = 2500 𝐾𝑔/𝑐𝑚2

𝐸𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 = 2100000 𝑘𝑔/𝑐𝑚2

Elementos estructurales

47

Tabla 5: Espesores de elementos estructurales que componen el Tanque T85-110N

Elaborada por: Guadalupe Celi

5.4.2 Modelación del suelo comparando con los resultados de Plaxis 3D.

El suelo fue acoplado en el modelo SAP2000 como un elemento resorte cuyo módulo

de Balastro se lo estimó en un proceso iterativo hasta obtener los resultados de

deformaciones elásticas del suelo estimados en el análisis geotécnico. Estimación de los

módulos de balastro para las condiciones actuales del suelo. De acuerdo con el análisis

realizado en el modelo PLAXIS 3D se obtuvieron las deformaciones en la losa que se

muestran en las condiciones de suelo actuales.

Ilustración 35: Asentamientos obtenidos en el modelo PLAXIS 3D para suelo en condición actual.


48

En el programa SAP2000 se ingresaron módulos de balastro en el orden de los 7000

Ton/m2 para las zonas de roca y para las zonas de arcilla los módulos se los varío en el

orden de las 500 Ton/m2 hasta obtener el mismo comportamiento estimado en el análisis

geotécnico mostrado en la figura anterior.

Ilustración 36: Asentamientos obtenidos en el modelo SAP2000 para suelo en condición actual.


Estimación de los módulos de balastro para las condiciones de suelo mejorado (Jet

Grouting) Para esta condición el suelo ha sido mejorado con columnas de Jet Grouting

que fueron modeladas en el programa PLAXIS 3D donde se pudo obtener el

comportamiento que se muestra en la Figura 37.

49

Ilustración 37: Asentamientos obtenidos en PLAXIS 3D en condiciones de suelo mejorado.


Con las deformaciones del suelo se calcularon los módulos de balastro los cuales se

incrementaron radicalmente al rango de los 6500 Ton/m2 debido a la colocación de las

columnas de Jet Grouting, con esta información en SAP2000 se realizó un proceso

iterativo variando los módulos de balastro hasta obtener una similitud con los resultados

obtenidos en la Figura 38.

50

Ilustración 38: Asentamientos obtenidos en SAP2000 en condiciones de suelo mejorado.


5.5 Casos de análisis para los diferentes escenarios modelados en SAP2000

Como se mencionó anteriormente se realizaron 4 tipos de análisis para establecer el

comportamiento del tanque para diferentes condiciones del suelo y analizar el estado de

esfuerzos en las placas para los diferentes escenarios. Las fuerzas de diseño del tanque

son gobernadas por la presión hidrostática del líquido almacenado que generan fuerzas

de tensión y compresión en las placas de acero. El nivel de agua en el tanque se ha

considerado de 6.8 m. Los resultados obtenidos se mostrarán de acuerdo a lo indicado

en la Figura 39 donde el signo será positivo para las fuerzas de tensión y negativo para

las fuerzas de tensión.

51

Ilustración 39: Convención de signos en el modelo SAP2000


5.5.1 Análisis del tanque cimentado en suelo infinitamente rígido.

El tanque ha sido modelado sin deformaciones en la cimentación (suelo infinitamente

rígido) para determinar los estados de esfuerzos en las placas sin influencia del suelo.

El resultado de las fuerzas se presenta en la Figura 40 y la Figura 41.

52

Ilustración 40: Fuerzas en el sentido vertical F22 para cargas de servicio (Ton/m).


En la Figura 40 se observa que para el primer anillo se generan fuerzas de compresión

sobre la placa en el orden de las 4 Ton/m, el segundo anillo presenta fuerzas de

compresión alrededor de las 2 Ton/m, el tercer anillo las fuerzas de compresión son del

orden de 0.6 Ton/m, en el cuarto anillo las fuerzas de compresión presentan valores

hasta 1 Ton/m y para el quinto anillo las fuerzas de compresión son de hasta 2.7 Ton/m.

53

Ilustración 41: Fuerzas en el sentido horizontal F11 para cargas de servicio (Ton/m).


En la Figura 41 se muestran los resultados de las fuerzas en el sentido horizontal

donde se puede apreciar que para para el segundo anillo las fuerzas de tensión se

encuentran en el orden de las 70 Ton/m, el tercer anillo las fuerzas de tensión se

encuentran en el orden de las 40 Ton/m y para el cuarto anillo son del orden de las 30

Ton/m.

54

5.5.2 Análisis del tanque para suelo en condiciones actuales.

Ilustración 42: Fuerzas en el sentido vertical F22 para cargas de servicio (Ton/m).


Como se aprecia en la Figura 42 el comportamiento del tanque para esta condición

muestra que las placas mayoritariamente trabajan a tensión y donde se ha evidenciado

el daño en el tanque existe una concentración de fuerzas de compresión en el orden de

6 Ton/m que en comparación al caso anterior se ha incrementado considerablemente.

55

Ilustración 43: Fuerzas en el sentido horizontal F11 para cargas de servicio (Ton/m).


Para el caso de las fuerzas horizontales se puede apreciar que las placas del tanque

trabajan mayoritariamente en tensión y en comparación al caso anterior se observa un

ligero decremento en el estado de esfuerzos de la placa. Para el caso del segundo anillo

las fuerzas de tensión se encuentran en el orden de los 55 Ton/m, el tercer anillo se

encuentran en el orden de los 50 Ton/m y el cuarto anillo 24 Ton/m.

5.5.3 Análisis del tanque para condición de suelo mejorado.

Para esta condición considera un suelo mejorado con columnas de Jet Grouting las

cuales tiene la función de incrementar la rigidez del suelo en las zonas de arcilla y así

reducir los asentamientos elásticos del suelo, los resultados se muestran en la Figura 44

se puede apreciar que la concentración de esfuerzos disminuye notablemente en la zona

central del tanque de 6 Ton/m a 2 Ton/m y se mantiene en la zona superior al tanque con

56

respecto al caso anterior, por lo cual se evidencia que el tanque en esta condición tiene

un mejor comportamiento.

Ilustración 44: Fuerzas en el sentido vertical F22 para cargas de servicio (Ton/m)


Para el caso de las fuerzas en el sentido horizontal se puede observar que para el

segundo anillo se tiene una fuerza de tensión de aproximadamente 60 Ton/m, el tercer

anillo de 40 Ton/m y el cuarto anillo una fuerza de tensión de 25 Ton/m. Las cuales no

difieren significativamente con el análisis anterior.

57

Ilustración 45: Fuerzas en el sentido F11 para cargas de servicio (Ton/m).


5.5.4 Análisis dinámico en suelo mejorado.

En condiciones sísmicas suponiendo que el tanque está lleno o parcialmente lleno y

que el líquido contenido sea agua, la perturbación sísmica genera aceleraciones en las

paredes del tanque, lo que induce a que se produzcan movimientos inerciales del líquido

confinado en la parte interior, este impacto del agua contra las paredes del tanque se

genera fuerzas impulsivas. De la misma forma y puesto que la parte superior de masa

de agua total, no está confinada, (debido a la existencia de un borde libre), la perturbación

dinámica, genera un oleaje periódico, que se traducen en presiones convectivas contra

las paredes del tanque, que son una consecuencia lógica del movimiento inercial. Estos

impactos del agua contra las paredes del tanque, que se traducen en presiones

impulsivas y convectivas se conocen como la Interacción Hidrodinámica Líquido –

58

Estructura, y como es lógico pensar, tales efectos hidrodinámicos deben ser

considerados de manera adicional con los esfuerzos provenientes de la interacción

hidrostática que genera en este caso el agua estancada o en reposo, y no solo como un

efecto comparativo.

5.5.4.1 Conformación del modelo dinámico de interacción suelo-estructura

fluido (Método de Housner).

Determinación de la masa inercial y su punto de aplicación

𝑊𝑖 = tanh (0.866 𝐷/ 𝐻𝐿) / (0.866 𝐷/ 𝐻𝐿) × 𝑊𝐿

𝑊𝑖 = (tanh (0.866 * 19.8/ 6.8 ) / (0.866 * 19.8/ 6.8)) × 19.8² 𝜋/ 4 × 6.8

𝑊𝑖 = (tanh(2.52) / 2.52)) × 2094

𝑊𝑖 = 0.4 × 2094 = 820.3 𝑡𝑜𝑛

ℎ 𝑖 = [0.5 − 0.09375 𝐷 / 𝐻𝐿] × 𝐻𝐿

ℎ 𝑖 = 0.22 × 6.8 = 1.55 m

Determinación de la masa convectiva y su punto de aplicación

𝑊𝑐 = 0.23 𝐷/ 𝐻𝐿 × tanh (3.68 𝐻𝐿/ ) × 𝑊𝐿

𝑊𝑐 = 0.67 × tanh(1.26) × 2094

𝑊𝑐 = 0.67 × tanh(1.26) × 2094

𝑊𝑐 = 0.6 × 2094 = 1194 𝑡𝑜𝑛

ℎ 𝑐 = [1 – (cosh(3.68 𝐻𝐿/ 𝐷) – 1) / (3.68 𝐻𝐿 𝐷 × sinh (3.68 𝐻𝐿/ 𝐷)) ] × 𝐻𝐿

59

ℎ 𝑐 = [1 – (cosh(1.26) – 1) / (1.26 × sinh(1.26)) ] × 𝐻𝐿

ℎ 𝑐 = [1 − 0.91/ 2.1 ] 6.8 = 0.55 × 6.8 = 3.8 𝑚

Determinación de la rigidez de los resortes Kc

𝑘𝑐 = ((4.75)(𝑔)𝑚𝑖²/ 𝑊𝐿) × (𝐻𝐿/ (𝐷/ 2 )² )

𝑘𝑐 = ((4.75)(820.3)² / 2094) × (6.8/ ( 19.8/ 2)²)

𝑘𝑐 = 1526.4 × 6.8 98.01

𝑘𝑐 = 105.9 𝑡𝑜𝑛/m

Ilustración 46: Rigidez de la masa convectiva


Para alcanzar resultados más aproximados a la realidad, se distribuye los resortes

alrededor del resorte que se une con la pared del reservorio, para ello se descompone la

rigidez en K* para cada uno de los resortes, ver Figura 47.

60

Ilustración 47: Distribución de los resortes.


Tenemos:

2 ∗ (𝑘 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛼1 + 𝑘 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛼2 + 𝑘 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛼3 … … ) = 𝐾𝑐

𝑘 ∗= 𝑘𝑐 / (𝑘 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛼1 + 𝑘 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛼2 + 𝑘 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛼3 … … )

𝐾 ∗= 4.16

61

Ilustración 48: Distribución de elementos resortes en SAP2000


Con el K* se calculó la rigidez en el sentido x de los resortes para cada uno de los

elementos que se indican en la Figura 48.

62

Tabla 6: Rigidez de los resortes


Ilustración 49: Vista de los resortes 3D SAP2000


63

5.6 Análisis sísmico basado en la NEC-2015

Considerando la ubicación geográfica del proyecto y con referencia al mapa de

Zonificación Sísmica para Diseño (NEC-2015), nos muestra que el sitio de estudio se

encuentra en la Zona Sísmica V, lo cual representa un factor Z de 0.4 g de aceleración

máxima esperada.

Ilustración 50: Zonificación sísmica en el Ecuador - Aceleración Máxima en Roca

Fuente: NEC, (2015)

Tabla 7: Factores Z para las zonas sísmicas de la región ecuatoriana

Fuente: NEC, (2015)

64

Para la evaluación de los efectos locales de la respuesta sísmica, la NEC-2015

presenta la clasificación de perfiles de suelo mostrada en la Tabla 7. Los parámetros de

esta tabla deben ser representativos a los 30 metros por debajo del nivel de terreno

natural.

De acuerdo a los parámetros obtenidos en cuanto a la velocidad de onda (𝑉𝑠30 = 600

𝑚/𝑠𝑒𝑔) se ha clasificado el suelo encontrado en el sitio del proyecto como Suelo Tipo C.

5.6.1 Espectro de respuesta elástico.

El espectro de respuesta elástico de aceleraciones se expresa como una fracción de

la aceleración de la gravedad, considerando el factor Z de la zona sísmica, el tipo de

65

suelo del sitio donde se proyecta colocar las estructuras y los valores de los coeficientes

de suelo que se detallan en la Tabla 3, Tabla 4 y Tabla 5 del capítulo de Peligro Sísmico

de la NEC-2015. Dicho espectro obedece a una fracción de amortiguamiento respecto al

crítico de 0.05.

Los valores de los coeficientes de suelo Fa, Fd y Fs considerados son iguales a 1.2,

1.1 y 1.1, respectivamente. En la Figura 51 se presenta el espectro de diseño elástico de

aceleraciones para el sitio del proyecto.

Ilustración 51: Espectro de diseño según la norma NEC-15 para suelo tipo E para el 5% de

amortiguamiento estructural.


66

5.6.2 Combinaciones de carga aplicando SAP2000.

Combinaciones realizadas

𝑈 = 1.𝐷 + 1.6𝐿 𝑆

𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 = 𝐷 + 𝐿

𝑈 = 𝐷 + 𝐿 + 𝑆

Dónde:

D: carga muerta (Se incluye la carga por líquido)

L: carga viva

S: Sismo

5.6.3 Resultados obtenidos de fuerzas internas de los elementos

Resultados de fuerzas internas en el tanque en condiciones dinámicas

Ilustración 52: Fuerzas en sentido vertical F22 para la combinación U = D + L + S (Ton/m).


67

Ilustración 53: Fuerzas en sentido vertical F11 para la combinación U = D + L + S (Ton/m).


Resultados de fuerzas internas en la losa en condiciones dinámicas

Ilustración 54: Momento M11 en losa para la combinación U = D + L + S (Ton/m).


68

Ilustración 55: Momento M22 en losa para la combinación U = D + L + S (Ton/m).


Resultados de los desplazamientos en la losa en condiciones dinámicas

Ilustración 56: Desplazamientos vertical U3 en losa para la combinación U = D + L + S (m).


Resultados de fuerzas internas para los anillos de cimentación en condiciones dinámicas.

69

Ilustración 57: Momento M3 en el anillo de cimentación para la combinación U = D + L + S (Ton/m).


Resultados de fuerzas internas para el tanque en condiciones estáticas

Ilustración 58: Fuerzas en sentido vertical F22 para la combinación U = 1.2D + 1.6L (Ton/m).


70

Ilustración 59: Fuerzas en sentido vertical F11 para la combinación U = 1.2D + 1.6L (Ton/m).


Resultados de fuerzas internas en la losa en condiciones estáticas

Ilustración 60: Momento M11 en losa para la combinación U = 1.2D + 1.6L (Ton-m/m)


71

Ilustración 61: Momento M22 en losa para la combinación U = 1.2D + 1.6L (Ton-m/m).


Resultados de desplazamientos en la losa en condiciones estática

Ilustración 62: Desplazamiento vertical U3 en losa para la combinación U = 1.2D + 1.6L (m).


Resultados de fuerzas internas para el anillo de cimentación en condiciones estática

72

Ilustración 63: Momento M3 en el anillo de cimentación en el punto crítico para la combinación U = 1.2D + 1.6L (Ton-m).


6.7 Revisión de resistencia de elementos estructurales

Para el caso de análisis las placas en los diferentes niveles de los anillos se asumirá

que estas se encuentran apoyadas en sus 4 lados por lo que se utilizará un k=6.97. Los

cálculos para determinar la resistencia a compresión de las placas de acero del tanque

se muestran en la Tabla 8.

73

Tabla 8: Cálculo de resistencia a la compresión.


Para determinar el estado de las placas para la condición de suelo mejorado se

seleccionaran las placas con los mayores esfuerzos en cada uno de los anillos para

comparar con la resistencia y determinar el desempeño de la estructura del tanque.

Como se puede observar en la Tabla 9 las placas a partir de tercer anillo sobrepasan

el límite de pandeo (Pn) tanto para las condiciones estáticas y dinámicas.

Tabla 9: Resistencia vs Demanda en zona crítica (Daño actual en tanque)


74

El estado de esfuerzos actual del tanque en condiciones de servicio se muestra en la

Tabla 10, donde se puede observar que para las condiciones de suelo en estado actual

(SNM) y para un suelo sin asentamientos (SIR) las placas a partir del 4º anillo fallan por

pandeo local.

Tabla 10: Comparación entre suelo en condición actual y sin asentamiento.


Nota: Condición de suelo no mejorado en la tabla se abrevia con SNM y para la

condición de suelo infinitamente rígido se abrevia SIR.

Los daños reflejados en el tanque que se muestran en la Figura 64 evidencian daños

en el cuarto y sexto anillo, los cuales son congruentes con un incremento de esfuerzos

de compresión en las placas de acero.

El 4º anillo muestra un incremento de esfuerzo de compresión de 1.20 Ton/m a 3Ton/m

para las condiciones mencionadas, esto quiere decir que el tanque si no hubiera

experimentado asentamientos probablemente no se hubiera dañado por efectos de la

sobre resistencia de los materiales y por el efecto de reducción de resistencia Ф pero los

75

asentamientos en el suelo produjeron un incremento de más del 100% a su capacidad

nominal y por motivo se evidencia daños.

Ilustración 64: Comparación de daño del Tanque vs estado de esfuerzos (Ton/m).


El sexto anillo tanto en condiciones de suelo sin asentamiento como del suelo en

estado actual presentan un esfuerzo superior a su resistencia nominal; se puede concluir

que el tanque no tiene la capacidad estructural para resistir las cargas de servicio. Esto

se evidencia en el daño producido en el sexto anillo resaltado en la Figura 64 el cual

presenta un daño más severo en comparación al daño de las demás placas.

76

Revisión de resistencia nominal a tensión para los elementos de acero

La resistencia nominal de las placas de acero se las calculó con la siguiente expresión:

𝑇𝑛 = 𝜑 ∗ 𝑓𝑦 ∗ 𝐴𝑔

Donde

𝜑: 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 0.9

𝑓𝑦: 𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝐴36 2500 𝑘𝑔/𝑐𝑚2

𝐴𝑔: á𝑟𝑒𝑎 𝑔𝑟𝑢𝑒𝑠𝑎 ℎ ∗ 𝑡

La resistencia nominal a tensión para los elementos de acero de los anillos se lo

determina en la Tabla 11.

Tabla 11: Resistencia nominal a tensión de las placas de acero.


Las demandas de fuerzas de tensión en las placas críticas se las comparará con su

resistencia nominal para establecer el compartimento estructural para este estado de

esfuerzos en el tanque.

77

Tabla 12: Resistencia vs Demanda en zona crítica


Como se evidencia en la Tabla 12 las placas tienen un adecuado comportamiento a

esfuerzos de tensión producto de la presión hidrostática, siendo la condición estática más

crítica que la dinámica; esto se observa en la Figura 54 donde los esfuerzos de

compresión en el estado estático se distribuyen a fuerzas de tensión para el caso

dinámico.

78

5.7.1 Revisión de resistencia a flexión en losa de cimentación.

79

Para las diferentes combinaciones de carga se ha obtenido el momento más crítico

que se muestran en la Tabla 13 y se comparó con el momento nominal para cada

combinación de carga.

Tabla 13: Resistencia vs Demanda en zona crítica

Combinación de carga

M11 (Ton- m/m)

M22 (Ton- m/m)

Mn (Ton- m/m)

Observación

L + D + S 1.6 1.9 5.95 ok

1.2D + 1.6L 2.4 3.15 5.95 ok


80

Las demandas de flexión en la losa en la combinación de carga estática son más

críticas que en la condición dinámica; se puede concluir que el sismo no causa efectos

en la cimentación del tanque.

5.7.2 Revisión de resistencia a flexión y corte en el anillo de cimentación.

El cálculo del momento nominal en el anillo de cimentación se lo realizará mediante la

siguiente expresión:

𝑀𝑛=𝜑∗𝑏∗𝑑2∗𝑓𝑐∗𝑤∗(1+0.59𝑤)

Donde

𝑏:𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝑑:𝑝𝑒𝑟𝑎𝑙𝑡𝑒

𝑓𝑐:𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 ℎ𝑜𝑟𝑚𝑖𝑔ó𝑛

𝑤=𝜌∗𝑓𝑐/𝑓𝑦

𝑓𝑦:𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 4200𝑘𝑔/𝑐𝑚2

𝜌:𝑐𝑢𝑎𝑛𝑡í𝑎

Acero colocado

𝐴𝑠 (𝑐𝑜𝑙𝑜𝑐𝑎𝑑𝑜)=6.28 𝑐𝑚2

𝜌=6.28/53∗90=0.0013

𝑤=0.0013∗4200/280=0.019

Acero requerido

81

6.64∗105=0.9∗53∗90²∗280∗𝑤∗(1−0.59∗𝑤)

𝑤=0.0061

𝜌=0.0061∗280/4200=0.00041

𝐴𝑠 (𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜)=𝜌∗𝑏∗𝑑=0.00041∗53∗90=1.93 𝑐𝑚2

𝐴𝑠 (𝑐𝑜𝑙𝑜𝑐𝑎𝑑𝑜)/𝐴𝑠 (𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜)=6.28/1.93=3.25 > 3

∴𝐷𝑒 𝑎𝑐𝑢𝑒𝑟𝑑𝑜 𝑐𝑜𝑛 𝐴𝐶𝐼 318−14 9.6.1.3 𝑛𝑜 𝑠𝑒 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑖𝑒𝑟𝑒 𝑐𝑢𝑚𝑝𝑙𝑖𝑟 𝑐𝑜𝑛 9.6.1.2

Momento nominal

𝑀𝑛=0.9∗53∗902∗280∗𝑤∗(1−0.59𝑤)

𝑀𝑛=20.32 𝑇𝑜𝑛−𝑚

La cuantía proporcionada en el anillo de cimentación es insuficiente y no cumple con

los requisitos ACI para cuantía mínima por flexión. Las demandas de momento se

detallan en la tabla a continuación:

Tabla 14: Demandas de momentos para combinaciones de carga.


82

CAPITULO VI

6.1 Conclusiones

Se ha obtenido el perfil estratigráfico de la zona (Anexo 1) en el que se puede

apreciar el lecho rocoso de lutita meteorizada, seguido por un estrato de arcilla

de alta plasticidad (CH) y el relleno de material arenoso (SM). El estrato de

arcilla de alta plasticidad presenta un espesor variable de 5.0 a 7.0 m en la zona

norte del tanque disminuyendo de espesor hacia la zona sur.

En base a modelos en Plaxis 3D para determinar el comportamiento suelo-

estructura se ha podido determinar el proceso de deformación del tanque. Se

ha modelado las diversas etapas de construcción y funcionamiento del tanque

pudiendo observarse en el modelo numérico que durante el funcionamiento del

tanque hasta la cota de diseño se obtienen deformaciones de hasta 1.4 cm,

mientras que para la etapa de descarga las deformaciones se mantienen en 1

cm.

Se desarrolló un análisis de la estructura en SAP en tres condiciones para

determinar la influencia de los asentamientos excesivos en la estructura del

Tanque. Los análisis son: (1) Tanque sin deformaciones en la losa, (2) Tanque

cimentado en las condiciones actuales, (3) Tanque con mejoramiento de jet

grouting. En estos análisis se ha observado que en el caso (2) las fuerzas de

compresión vertical en las paredes de la estructura se incrementan con

respecto al caso (1), lo que se ha estimado, provocó falla por pandeo en las

pantallas. Adicionalmente los elementos críticos en el modelo de SAP son

83

coincidentes con lo observado en campo. En el caso (3) el incremento de

esfuerzos es leve con respecto al caso (1).

Se ha desarrollado un análisis sísmico para determinar los momentos

actuantes en la losa de cimentación con el mejoramiento de jet grouting, así

como las fuerzas de compresión en las pantallas del tanque y verificar la

capacidad bajo sismo de estos elementos.

Para el análisis estructural de los elementos que componen la estructura del tanque

se pudo concluir lo siguiente:

Las placas tienen un buen comportamiento a fuerzas de tensión en el sentido

horizontal y vertical; se evidencia que la demanda es inferior a la resistencia

nominal.

6.2 Recomendaciones

Se ha propuesto el uso de jet grouting para mitigar las deformaciones producidas en

el funcionamiento del Tanque 85-110N de Interagua. Al rigidizar el material compresible

bajo la estructura y redistribuir las cargas hacia el material rocoso de lutita meteorizada

las deformaciones diferenciales en la losa bajo la carga de agua en la cota de

funcionamiento que son menores a las máximas admisible en la estructura (1.25 cm).

Algunas de las recomendaciones en la implementación de jet grouting son:

Inicialmente, se deben realizar sondeos en campo para verificar el espesor del

estrato de arcilla con lo que se comprobará la profundidad de las columnas de

jet grouting.

84

Se recomienda el sistema de Jet grouting de doble flujo con agua debido a los

espesores y profundidad de suelos cohesivos que se tienen bajo el área de las

estructuras.

Antes de realizar el proceso constructivo es bueno realizar columnas de prueba

de suelo-cemento a escala real, con el fin de asegurar la calidad y geometría

de las columnas de suelo-cemento.

Se debe realizar extracción de núcleos del mejoramiento de jet grouting para

ser ensayados a compresión simple. La resistencia debe ser mayor a los 2

MPa.

Es necesario realizar pruebas de laboratorio a las mezclas de lechada que se

introducirán en las columnas a fin de controlar la calidad y la resistencia

requerida para el proyecto.

Las placas del tanque requieren ser reforzadas a partir del tercer anillo ya que

las demandas del esfuerzo a compresión sobrepasan el esfuerzo crítico de

pandeo en las zonas críticas donde actualmente existen daños de pandeo local.

Se recomienda un análisis estructural dedicado a evaluar el comportamiento

del tanque bajo cargas sísmicas.

BIBLIOGRAFÍA

Das, B. M. (1983). Fundamentos de Ingeniería Geotécnica. Estados Unidos.

Earth, G. (2011). Google Earth. Guayaquil, Guayas, Ecuador.

Lino, J. (2014). Inyección del suelo por medio de la técnica del Jet Grouting. Guayaquil.

NEC-15. (2015). Estructuras de hormigón armado. Ecuador.

NEC-15. (2015). Peligro sísmico. Ecuador.

Terzaghi, K. (1996). Soil mechanics in engineering practice. Estados Unidos.

Tsao , F. (2008). Mejoras de suelos con la técnica de Jet Grouting. Mexico.

ANEXOS

Anexo 1: Perfil geotécnico.

Anexo 2: Resultados de ensayos de calicatas 1.

Anexo 3: Resultados de ensayos de calicatas 2.

Anexo 4: Resultados REMI + MASW 1 ensayo sísimico

Anexo 5: Resultados REMI + MASW 2 ensayo sísimico

REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA

FICHA DE REGISTRO DE TESIS / TRABAJO DE GRADUACIÓN

TÍTULO Y SUBTÍTULO:

Estudio para la remediacion de los asentamientos diferenciales del tanque T85-110N, ubicado en la Coop. Juan Montalvo, abastecedor de AAPP en el sector El Fortin.

AUTOR(ES) (apellidos/nombres):

Celi Silva Guadalupe Johanna

REVISOR(ES)/TUTOR(ES) (apellidos/nombres):

Ing. Adolfo Villacreses Vera M.Sc Ing. Leonardo Palomeque Freire M.Sc

INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil

UNIDAD/FACULTAD: Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas

MAESTRÍA/ESPECIALIDAD:

GRADO OBTENIDO:

FECHA DE PUBLICACIÓN: 2019 No. DE PÁGINAS: 84

ÁREAS TEMÁTICAS: Remediación de asentamientos diferenciales

PALABRAS CLAVES/ KEYWORDS:

<ASENTAMIENTOS DIFERENCIALES> <REMEDIACION> <ESTUDIO> <DISEÑO> <JET GROUTING>

RESUMEN/ABSTRACT (150-250 palabras): En el presente trabajo se realizó una investigación para la remediación de los asentamientos diferenciales que sucedieron en una estructura. Inicialmente se realizaron los estudios de suelo requeridos para determinar los daños causados, la estructura tenía un asentamiento de aproximadamente 20 mm de un lado, lo que ocasionaba que la estructura tuviese una deformación, la cual con el tiempo iría incrementando. La remediación presentada para los asentamientos diferenciales en este trabajo se consideró columnas de Jet Grouting. En el presente trabajo se realizó un diseño completo para la aplicación de dicha remediación, se utilizaron programas como plaxis 3D y SAP2000 para modelar las columnas de Jet Grouting y obtener los resultados más cercanos a la realidad de su comportamiento. Los resultados fueron muy buenos, y se aspira que la estructura regrese a su estado original.

ADJUNTO PDF: SI NO

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