Tanq Elevado Los Granados--UNJBG

ANALISIS, EVALUACION Y REFORZAMIENTO DE TANQUE ELEVADO LOS GRANADOSPresentado por: Ing. Segundo Lajo Vega 1. RESUMEN El presente trabajo tiene por objetivo estudiar el comportamiento estructural de un Tanque Elevado (Ver Figura 01 y 02), a fin de determinar las causas que originaron fallas locales en la superestructura y una excesiva filtracin en la cuba del mismo. La capacidad fsica del tanque era de 290m3, pero la excesiva filtracin hizo que se redujera su capacidad de almacenamiento de agua a 170m3; sin embargo la filtracin persista y ante la existencia de fisuracin en algunos elementos estructurales debido al sismo del 23 de junio de 2001, la entidad encargada de su administracin en el 2004 se vio en la imperiosa necesidad de realizar una evaluacin estructural de la infraestructura y plantear las mejoras si fuera el caso. Realizados lo estudios respectivos, tanto en resistencia, rigidez e impermeabilidad de la cuba, se determinaron las deficiencias y las causas que las originaron; siendo necesario su reforzamiento estructural para lo cual se plantearon diversas alternativas a fin de determinar la que presentar un adecuado comportamiento estructural (rigidez y resistencia adecuada), asociado a un costo razonable que hiciera factible su ejecucin. Para el anlisis estructural tridimensional del tanque elevado, fue de vital importancia la elaboracin de adecuados modelos matemticos que reflejaran tanto el comportamiento dinmico de la estructura, como el comportamiento dinmico del agua y la interaccin fluido-estructura. La superestructura se modelo como un prtico espacial reticular que incluye muros de cortante, la cuba por elementos laminares tipo membrana y placa a la ves, la rigidez del agua por resortes equivalentes en funcin al modelo matemtico definido, utilizndose para su anlisis de sofisticados softwares.

Figura 01.- Elevacin

Figura 02.-Vista isomtrica del tanque

2. OBJETIVO El objetivo del presente trabajo es ejemplificar, estudiar y plantear alternativas de solucin a la estructura daada, emplazada en zonas de riesgo ssmico. Presentndose un modelo espacial, partiendo de modelos lineales, para el efecto hidrodinmico del agua sobre la estructura en el cual se considera la rigidez del agua evaluada en el plano.

3. INTRODUCCION Las estructuras de almacenamiento de fluidos como son los tanques elevados, reservorios, cisternas, etc. Presenta caractersticas ssmicas distintas debido al efecto hidrodinmico del agua, este efecto 1 Difundido por: ICG Instituto de la Construccin y Gerenciawww.construccion.org.pe / [email protected] / Telfax: (51-1) 421 - 7896

ha sido estudiado anteriormente considerando modelos lineales, es decir, mtodos en el plano dando como resultado estructuras conservadoramente reforzadas. Es por ello que para la evaluacin y reforzamiento de la presente estructura se plantea un modelo espacial, partiendo de modelos lineales; para el efecto hidrodinmico del agua sobre la estructura, se considera la rigidez del agua evaluada en el plano segn su configuracin estructural y la discretizacin de la masa en la altura que har que la estructura tenga un adecuado comportamiento en el anlisis. Para la evaluacin de la estructura ha sido considerada el elemento finito como base para la determinacin de los esfuerzos y desplazamientos de las estructuras analizadas. 4. METODOLOGIA Para realizar el anlisis, evaluacin y reforzamiento del tanque elevado Los Granados; era necesario empezar por una inspeccin general de sus caractersticas geomtricas, daos, deformaciones y resistencia de los elementos estructurales; que ser de vital importancia tanto en la evaluacin estructural, como para el planteamiento de alternativas de reforzamiento que mejoren su comportamiento estructural. 4.1 DE LA INSPECCION Como parte importante para la evaluacin estructural se procedi a realizar la inspeccin, cuya actividad incluy la visita general de la edificacin, levantamiento de daos, dimensiones, deformaciones y resistencia de los elementos estructurales. .- La Superestructura: Sistema aporticado con cerramientos con muros de espesor 0.20m, columnas de 0.50x0.50m, losa macizas de piso 0.35m y de techo 0.20m, provista de vigas de 0.25x0.60m y 0.50x0.60m. La cisterna presenta muros de 0.25m y piso de 0.25m. .- La Sub-estructura: Cimentacin conformado por la cisterna (Techo, muros y piso). 4.1.1 OBSERVACIONES DE DAOS Del piso de Tanque Elevado: No presenta daos. De los Muros: Presencia de fisuracin, filtraciones, alambres #8 que atraviesan el muro.

Figura 03.- Fisuracin de muros de tanque

Figura 04.- Fisuracin de muros interiores

Del Techo del Tanque elevado: Presencia de Fisuracin superficial. De las vigas: No presenta daos. De las columnas: Presencia de fisuracin en unin columna-Techo de cisterna y fisuracin en unin columna-Piso de Tanque Elevado (Ver Figura 05 y 06).

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Figura 05.- Fisuracin en columnas

Figura 06.- Fisuracin en muros cortina.

4.1.2 DETERMINACION DE RESISTENCIA DEL CONCRETO La Determinacin de la Resistencia del Concreto, se realiz mediante prueba de esclereometra a cargo del Laboratorio de Mecnica de Rocas-Concreto de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann (Ver Figura 07 y 08), obtenindose: Columnas de Tanque Elevado Concreto Fc=294kg/cm2. Vigas de Amarre Tanque Elevado Concreto Fc=312kg/cm2. Muros Tanque Elevado Concreto Fc=192kg/cm2. Muros y Techo Cisterna Concreto Fc=280kg/cm2.

Figura 07.-Prueba de resistencia en columnas

Figura 08.- Prueba de resistencia en muros

4.1.3 DEFORMACION REAL DE TANQUE ELEVADO BAJO CARGAS ESTATICAS Se determin en campo la deformacin a tanque lleno (170m3). (Ver Figura 13). 4.2 DE LA EVALUACION Con los datos obtenidos de la inspeccin y la revisin de los planos; se procedi a determinar la magnitud de las cargas a que estara sometida la estructura y a la elaboracin del modelo estructural que asemeje al comportamiento real de la estructura. 4.2.1.- CARGAS Las cargas empleadas para la evaluacin estructural son: debido al peso propio, carga viva, presin del agua y la carga por efectos ssmicos. Carga muerta: Peso especfico del concreto armado = 2400 Kg./m Carga viva Losa de techo = 150 kg/m Carga ssmica: (Ver referencia 6.7)www.construccion.org.pe / [email protected] / Telfax: (51-1) 421 - 7896


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Espectro de respuesta de aceleracin segn Norma E-030= ZUSCg/R. Donde: Z= 0.4, U=1.5, S=1.2, Rx=Ry=4.0*3/4(Por ser Irregular), Tp= 0.6 seg., g= 9.81 m/seg 4.2.2.- DEL ANLISIS ESTRUCTURAL 4.2.2.1 DEL METODO DE ANLISIS ESTRUCTURAL El anlisis empleado en este trabajo esta basado en el mtodo de rigideces por procedimientos matriciales, en el cual los muros y losas han sido modelados por elementos laminares, y las vigas y columnas por elementos reticulares. El anlisis ssmico dinmico esta basado en el mtodo Espectral, considerando un anlisis de masas concentradas, con 3 grados de libertad de oscilacin por nudo. Por la forma especial de su configuracin estructural y carga hidrodinmica a que estar sometida la estructura, ha sido imprescindible la elaboracin de un modelos matemtico que refleje tanto el comportamiento dinmico de la estructura, como el comportamiento dinmico del agua y la interaccin agua-estructura del tanque elevado. Tenindose para ello 2 modelos, cuya suma de efectos da como resultado los esfuerzos totales en la estructura. -Anlisis Ssmico Dinmico de la estructura: El cual contempla el anlisis ssmico de la estructura debido a la masa de la estructura y masa fija esttica del agua y al anlisis hidrodinmico(interaccin agua-estructura), el cual esta en funcin a la masa mvil del agua (Ver Figura 10). El modelo matemtico realizado esta basado en el sistema mecnico equivalente de Graham y Rodrguez que se presenta a continuacin (Ver Refer. 6.1):Mn = Tanh(2nH/L) Mf

3n H/L

Mo = 1 - n=1 Mn Mf MfZn = 1/2 H Zo H Tanh(nH/L)

n H/L= - Mf n=1 Mo

Mn Mf

Zn H

Figura 09.-Modelo Hidrodinmico Mecnico Equivalente de Graham y Rodrguez Para H/L>0.75 Donde: Mf=Masa Fija + Masa Mvil, Mo=Masa Fija, Mn=Masas Mviles, D=Diametro o Largo, H=Altura, K=Rigidez del agua, Tn=Periodo del agua.

H Kn = 2 Tanh2(2nH/L) Mf g Tn = 2

2nMn Kn

n = (2 n-1) /2

-Anlisis para cargas estticas: Modelo con cargas debido peso propio, carga viva y presin esttica del agua. El uso de 2 modelos para el anlisis del tanque elevado, es debido al modelo dinmico en el cual la rigidez del agua es modelada por resortes estticos; lo cuales para el anlisis por cargas estticas (presiones y cargas de gravedad) absorberan esfuerzos, situacin que no se ajustara al comportamiento real de la estructura; por ello la necesidad de apoyarse en un modelo sin resortes para realizar el anlisis de los efectos por cargas estticas.



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MODELO CARGAS ESTATICAS MODELO DE LA LOSA Y MUROS POR ELEMENTOS LAMINARES

MODELO DINAMICO

Masa Mvil

Masa FijaMODELO DE COLUMNAS Y VIGAS POR ELEMENTOS RETICULARES

Y-Y

X-X

Y-Y

X-X

Figura 10.-Modelo actual del tanque para cargas estticas y dinmicas 4.2.2.2 VERIFICACION DE RESISTENCIA Y RIGIDEZ La verificacin de resistencia de los elementos estructurales estuvo en funcin a la resistencia del concreto obtenida de pruebas de esclereometra y las ecuaciones proporcionadas por la NTE-060-89 de Concreto Armado, emplendose en algunos casos el ACI-318-95. La Carga ssmica y los rangos de permisibles de desplazamientos laterales, han sido obtenidos de la Norma E.030. 4.3 DEL REFORZAMIENTO Estudiadas las deficiencias que presentaba el tanque elevado, se elaboraron diversos planteamientos estructurales a fin de determinar la que presentar la mayor seguridad asociada a un mnimo costo. Las cargas son similares a las utilizadas en el modelo de evaluacin; a excepcin de la variacin de peso y masa de los nuevos elementos estructurales, y carga hidrodinmica que va deacuerdo a la capacidad mxima posible del tanque elevado, la cual estar en funcin de la rigidez lateral y la capacidad resistente de la cimentacin actual. El modelo estructural del reforzamiento es similar al modelo de evaluacin, con excepcin de la variacin de la carga hidrodinmica y presin esttica del fludo, la cual vara deacuerdo al volumen de almacenamiento del tanque. (Ver Figura 11) Todos los elementos estructurales de reforzamiento se han diseado en base a todas las combinaciones de esfuerzos y para verificar la resistencia de los elementos estructurales se han empleado las ecuaciones proporcionadas por la NTE-060-89 de Concreto Armado y en algunos casos se ha empleado el cdigo de edificacin ACI-318-95.MODELO CARGAS ESTATICAS MODELO DE LA LOSA Y MUROS POR ELEMENTOS LAMINARES MODELO DINAMICO

Masa Mvil

Masa FijaMODELO DE COLUMNAS Y VIGAS POR ELEMENTOS RETICULARES

Y-Y

X-X

Y-Y

X-X

Figura 11.- Modelo del reforzamiento para cargas estticas y dinmicas



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5. RESULTADOS 5.1. RIGIDEZ TANQUE ELEVADO. 5.1.1.-Periodos de la estructural:(Ver Figura 12)Modos 1er Modo 2do Modo 3er Modo 4to Modo 5to Modo 6to Modo 7mo Modo ACTUAL Tanque V=170m3 Ty= 2.6654 seg Tx= 2.6654 seg Tx= 1.5350 seg Ty= 1.5350 seg Ty= 0.4880 seg Tx= 0.4880 seg To= 0.3839 seg REFORZAM. Tanque V=220m3 Ty= 2.7403 seg Tx= 2.7403 seg Tx= 1.5949 seg Ty= 1.5949 seg Ty= 0.3993 seg Tx= 0.3993 seg To= 0.3575 segPeriodo del agua Periodo del agua Periodo del agua Periodo del agua Periodo de la estructura Periodo de la estructura Periodo de la estructura

Tanque V=170m3 corresponde al volumen a que se ha limitado actualmente.

ESTRUCTURA ACTUAL 3 VOL. 170M

ESTRUCTURA REFORZADA 3 VOL. 220M

1ER MODO PERIODO DEL AGUA EN LA DIRECCION Y-Y Ty = 2.6654seg.

Y-Y X-X

Y-Y

X-X

1ER MODO PERIODO DEL AGUA EN LA DIRECCION Y-Y Ty = 2.7403seg.

Figura 12.-Perodos fundamentales de estructura actual y reforzada 5.1.2.-Mximos desplazamientos Inelsticos debido a Fuerzas Ssmicas. (Ver Tabla 01) TABLA 01NIVELES h(m) DESPLAZAMIENTOS DE LA ESTRUCTURA ACTUAL V=170M3 REFORZADA V=220M3 dx(m) dy(m) Drx Dry dx(m) dy(m) Drx Dry 0.0023 0.0023 0.0058 0.0058 0.0061 0.0061 0.0104 0.0104 0.0155 0.0155 0.0000 0.0000 No Pasa No Pasa Norma Drx

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