¿Tanques elevados de almacenamiento de agua sismo resistentes según la norma del INSOPAL, norma ACI 350.03 en

Colombia “departamento del magdalena”?

José Gregorio Rodríguez Martínez

Estudiante de ingeniería civil

2009215064

Universidad del Magdalena

Programa de ingeniería civil

Santa Marta D.T.H.C.

Miércoles 21 del 2010

INTRODUCCION

Los tanques de almacenamiento de agua potable se puede definir como la estructura necesaria en el proceso de distribución del agua potable, y es así a partir de ellos que se puede llegar a regular o controlar el volumen y las reservas de agua para las horas de mayor consumo o cuando se requieran en situación de emergencia como lo incendios. Los tanques son parte fundamental del sistema de almacenamiento y están destinado a recibir, almacenar, regular y entregar a la red que la distribuye el agua potable producida en un plata procesadora de agua potable “potabilización” o bien si es extraída desde los pozos subterráneos.

Los tanques de almacenamiento de agua en Colombia hacen parte fundamental en el campo de abastecimiento o suministro de agua, en especial de ciudades o pueblos en los que el sistema de acueducto no asimila grandes proporciones de este liquido. Por otro lado los tanques elevados presentan un esquema diferente dentro los distinto tipos que existen, los cuales trabajan a una cota de distribución que se obtiene de alturas que se obtiene por medios de columnas y vigas que lo soportan, con su adecuada cimentación, y que son típicos de ciudades plana, a diferencia de aquellos que adquieren su altura por ubicarse sobre formaciones montañosas de la ciudad y que se denominan subterráneos o semienterrados.

El diseño estructural de tanques de almacenamiento de agua potable es un proceso que se debe hacer teniendo en cuenta todos los probables tipos de fallas, los cuales pueden surgir por distintos eventos, como los generados por fuerzas de cargas muertas y vivas, movimiento oscilatorio de la estructura si son tanques elevados debido a desplazamiento horizontales a razón de sismos de grandes magnitudes, las estructura de cimentación sobre la cual descansaría el tanque de almacenamiento de agua, partiendo de la capacidad portante del terreno, y los efectos que conlleva el movimiento oscilatorio del agua cuando esta trabaja a impulsión o convección, evento el cual se ve influenciado por la geometría del mismo, y la capacidad de almacenamiento.es por estas razones que el diseño de los tanques se debe ajustar a parámetros básicos que no implique la presencia de esfuerzos internos que conlleven a grietarse o filtraciones , que pueda afectar a la

población en su salud por la incursión de agentes contaminantes en el agua que el tanque almacena o peor de las situaciones a rupturas del tanque mismo.

Población en su salud por la incursión de agentes contaminantes en el agua que el tanque almacena o peor de las situaciones a rupturas del tanque mismo.

Aspecto fundamental para el diseño de tanques de almacenamiento se evidencia en la resistencia a las acciones sísmicas de la zona, las cuales a su vez se manifiestan mas en el estado de sus componentes estructurales, por lo cual es necesario diseñar tanques elevados basados en especificaciones simorresistentes, con el de evitar desastres que en otras circunstancias de diseño se podrían presentar.

Además de esto como secuencia adicional de los efectos del sismo, el agua dentro del tanque responde de manera diferente que una masa rígida ante la presencia de los sismo, por lo que investigadores como Housner (1963) 1 modelo una porción de agua como si estuviera rígidamente unida a la pared del tanque impartiendo fuerzas de la impulsión. La otra porción de agua fue unida al tanque mediante resortes, lo cual produce un efecto ondulatorio o de convección.

A partir de estas informaciones se hace viable la realización de la búsqueda y puesta en marcha de los posibles efectos sísmico de aquellos tanques elevados de almacenamiento de agua que fueron construido siguiendo la guía de diseño estructural del INFOPAL (Instituto Nacional de Fomento Municipal), en la cual no se contempla un diseño asociado con solicitaciones sísmicas, para cual se basan en el código “Seismic Design of Liquid-containing concrete structures (ACI350.3-01) and commentary (350.3r-01)” .

1 HOUSNER, GF. W.; “The dynamic behavior of wáter tanks” citado por Fernando Yáñez Uribe y Cristian fuentes Henríquez. Evolución de la norma ACI350 en estanques semienterrados de hormigón armado. Santiago de chile: 2005. P. 3.

Planteamiento del problema

En cualquier sistema de distribución de agua potable, los tanques de almacenamiento cumplen una función muy importante para el beneficio de la comunidad, ya que además de mantener el abastecimiento de agua de forma constante, estos son diseñados con un volumen de agua adicional en caso de emergencia. Los tanques de almacenamiento de agua potable que se encuentran ubicados en los diferentes municipios por ejemplo del departamento del Magdalena, proporcionan una muestra ideal para demostrar la debilidad y el alto riesgo de los tanques elevados de almacenamiento de agua, ya que estos fueron diseñados basando en los parámetros de las guías de diseño estructural del INFOPAL (Instituto Nacional de Fomento Municipal) las cuales datan de muchos años atrás.

El poco conocimiento que se tiene acerca del comportamiento de estas estructuras ante un movimiento sísmico, provienen de teorías realizadas por investigadores de otros países mas desarrollados como USA, JAPÓN, CHILE, ESPAÑA, entre otros, en donde el sistemas constructivo difiere un poco de los nuestros (Colombia). Además se debe tener presente que a partir de la ultima actualización de norma de diseño sismo resistente por la ley 400 de 1997 y el decreto de 1998 ubico a nuestro departamento en una zona de amenaza sísmica intermedia, por lo cual se genera una incertidumbre acerca de ¿que pasaría con los tanques elevados de distribución de agua construido con estas guías, si llegase a producirse un evento sísmico propio en la región?

Las implicaciones de no tener un estimativo de que tan confiables son estas guías de diseño estructural, han llevado a pensar en una seria de posibles efectos locales asociados con la interacción entre el servicio de distribución de agua y la población como lo serian:

No se podría prestar el servicio de abastecimiento de agua para la población.Los planes de contingencias para fortalecer y restablecer el sistema de abastecimiento fuera insuficiente. Es por eso que se hace necesario realizar una serie de pruebas que determinar cual seria la mejor opción a la hora de emplear el código de construcción de estructuras de contención de líquidos de concreto ACI 350.3 (american concrete institute),

Por lo tanto es necesario preguntarse:

¿Cual será las posibles consecuencias y comportamiento de los tanques elevados de almacenamiento de agua potable ante una eventual llegada de un sismo?¿como puede mitigarse el problema del colapso de los tanques elevados de almacenamiento de agua a estos se le esta aplicando una fuerza sísmica?¿Cuál seria el mejor diseño según la normas capas de resistir estas eventualidades?

Antecedentes.

Al momento de evaluar la respuesta de cargas de cualquier estructura, es de gran importancia, conocer el comportamiento de dichas estructuras cuando ocurre un movimiento sísmico. Es por esto que en la actualidad, los investigadores se han dedicado a trabajar en el estudio de los sismo y a partir de estos, han logrado diseñar códigos de construcción sismo-resistentes.

La vulnerabilidad sísmica de edificaciones y estructuras ha sido un tema en cual muchos han basado sus estudios debido a la importancia que esta representa para el bienestar de la sociedad, entre los ingenieros que han realizado algún tipo de investigación relacionada con el destacamos los siguientes:

Flores V. F, granco s. ch, Fernández - Dávila G.; v:;Ellos realizaron la investigación sobre el “Análisis y diseño sísmico de estanques elevados de hormigón armado con aislación basal”. La cual fue publicada en la VII jornada de sismología e ingeniería antisísmica en Valparaíso; Chile,

Antecedentes de normativa de diseño y construcción en Colombia

Después del sismo ocurrido en la ciudad de Popayán el 31 de marzo del año 83 y de las consecuencias que trajo consigo dicho sismo en lo que ha perdidas económicas y humano se refiere, el congreso de Colombia expidió la ley 11 del año 93 en la que, entre otras cosas autorizo al gobierno ha expedir una seria de reglamentaciones de construcción antisísmica, de allí que entro en vigencia en todo Colombia el código colombiano de construcciones sismo resistentes CCCSR-84.

A medida que transcurrieron los años y a pesar que las edificaciones construidas bajo el CCCSR-84 cumplieron su cometido; en los recientes sismos con el de Pereira de febrero del 95 la experiencia dio uno bofetada impostergable que era la actualización de la norma y de adoptar nuevos esquemas de seguridad y de acomodarlos a las nuevas tendencias de la técnica y la ciencia. Con este propósito el gobierno en el 98 decreta la normativa que busca actualizar la normativa del CCCSR-84.

Antecedentes de daños en las estructuras de abastecimiento y almacenamiento de agua debido a sismos

en Latinoamérica y Colombia

Los tipos de fallas mas comunes en los tanques de almacenamientos de agua se deben a grandes esfuerzos axiales de compresión, también a nivel hidrodinámico al movimiento oscilatorio del agua que se mueve con el tanque (modo impulsivo), la cual alcanza la misma aceleración del terreno durante el evento sísmico, contribuyendo así a un mayor cortante en la base, y al momento de volcamiento. A continuación se da una relación de los daños ocasionados en los sino mas importantes de Latinoamérica y Colombia.

Latinoamérica

Entre los sismos mas importantes que se han presentando en América latina se mencionan a continuancion2

Sismo san Fernando california USA (9 de febrero 1971) magnitud 6.6 grados. Los daños en estructuras hidráulicas a causa del terremoto los efectos mas importantes se dieron en el sistema de agua potable, reservorios de aguas y represas tuberías y tanques de almacenamientos

2 Greces José Ing. Civil mitigación de desastres naturales en sistemas de agua potable y alcantarillado sanitario. Guías para análisis de la vulnerabilidad 1997

2. Sismo de Managua, Nicaragua (23 de diciembre de 1972), magnitud de 6.6 grados; se identificaron mas de 100 roturas de conducción los techos de estaciones de bombeo colapsaron tanques dañados por motivos de repturas y filtraciones.

3. Sismo san Juan y Mendoza Argentina (23 noviembre de 1977) magnitud de 7.4 grados; La red de distribución de la ciudad presento ruptura en todo el sistema de conducción de agua potable (aproximadamente 40 KM)

4. Sismo de San salvador, el Salvador (10 de octubre 1986) magnitud 5.4 grados; como consecuencia del sismo, hasta 20 días después del sismo se seguían reportando 2400 ruptura en la línea de conducción esencialmente en la red de agua potable y en sus tanques de almacenamiento.

5. Sismo Loma prieta, california USA (17 octubre de 1989) magnitud de 7.1 grados; las tuberías matrices en el aérea de la falla y zonas de almacenamiento sufrieron daños de consideración dejando sin suministro de agua a la pequeña ciudad por mas de tres días.

5. Sismo de northridge, los Ángeles USA (17 de enero de 1994) Magnitud de 6.7 grados. Los principales daños sufridos en las tuberías de distribución y tanques elevados de almacenamiento se debieron a vibraciones y movimientos intensos. Las mas afectadas entre ellos fueron aquellas de hierro que poseían juntas rigidas deterioradas por el oxido.

6. Sismo de Santa rosa, california USA (1 octubre de 1969) tuvo una magnitud de 5.7 grados; hubo daños menores en los tanques de almacenamiento, estaciones de bombeo, ocurrieron daños significativos en el sistema de tuberías de distribución.

8. Sismo Nazca, Perú (12 noviembre 1996) Este Sismo tuvo una magnitud de 7.7 grados y es considerado uno de lo mas transcendentales de la historia; los daños ocurridos a nivel de sistemas de agua y desagüe, consistieron en daños en tanques elevados con estructuras aporticadas de concretos.

Sismo en Colombia

1. Eje cafetero ( 25 enero 1999) magnitud 6.7 y afecto todo el eje cafetero, se tiene registro de daños en las redes de distribución de agua potable, en donde fueron necesaria tuberías de 3,4y 6 pulgadas además de daños en ´planta de tratamiento, tanques elevados y tanques de almacenamientos3

3 Observatorio sismológico del sur occidente www.osso.org.co

Marco teórico conceptual

Para el análisis y posible obtención de un diseño apropiado de sismo resistencia de un tanque elevado de almacenamiento de agua se deben considerar una serie de factores que intervienen en el sistema tanque-fluido y que muchos códigos tienen en cuenta para el cálculo de los esfuerzos máximos de cortes para el mismo. Estos factores se sintetizan en:

Modelo mecánico y sus parámetros. Presión hidronímica debido a la excitación lateral y vertical. Periodo de tiempo en los modos laterales y verticales del tanque. Efecto de la flexibilidad

Entre estos factores se pueden destacar como los de mayor importancia aquellos que van asociados con los movimientos oscililatorios del agua en modos impulsivos y convectivos los cuales fueron modelados por G. W. Housner (1963)4

para el diseño sísmicos de tanques.

Por otro lado los efectos del suelo se pueden ver reflejados en asentamientos diferenciales los cuales son muy comunes en suelos que se densifican muy fáciles. Los asentamientos diferenciales se pueden presentar de igual forma por cimentaciones o suelos que varían a lo largo de la estructura o por el comportamiento de fluido denso que el suelo asume por estar sometido a vibraciones lo que se conoce como licuefacción del suelo.

Teniendo en cuenta estos factores se han concedido una variedad de códigos que establecen sus condiciones para el calculo y diseño de estructuras de almacenamiento de fluidos, los cuales algunos se presenta a continuación en breves palabras.

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4 HOUSNER, G. W.; OP. CITA

Códigos para el diseño de estructura de almacenamiento de fluidos 5

Aci 371 (1998) tanto el ACI 371 como el ACI 350.3 da las pautas para el diseño sísmico de tanques de concreto de almacenamiento de liquido.

El ACI 371 de 1998 provee recomendaciones para evaluar las fuerzas sísmicas de tanques apoyados sobre pedestales de concreto, con algunas modificaciones del FEMA (Federal Emergency Managment Agency). El ACI 371 no da detalles del componente que actúa conectivamente, pero si recomienda que se tome en cuenta cuando el peso del agua es menor que el 80% de la carga total por la gravedad del tanque de almacenamiento de liquido.

ACI 350 (2001) el ACI 350.3 de 2001 ofrece un procedimiento para el diseño sísmico de tanques en concreto de contención de líquidos, especificando en el componente que actúan en forma convectiva e impulsiva. El ACI 350.3 abarca el diseño de tanques soportados sobre terreno y considera sugerencia realizadas por el FEMA 386. En el código ACI 350.3-01 también llamado Seismic design of Liquid-Containing Concrete Structures, estableció una metodología para realizar análisis sísmico siguiendo el modelo de G. W. Housner para calcular las masas y periodos de vibración de las masa impulsivas y conectivas debido a la oscilación del agua durante el sismo.

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5 DR. Durgesh c. rai y DR. sudhir k. jain review of codeprovisions on design seismic forces liquid storage tanks, india p 3 - 19

Con el fin de poder llevar una metodología ordenada para el diseño sísmico de los tanques elevados de almacenamientos de agua, el código ACI 350.03 ha sugerido procedimiento, sobre la cual se sustentara es estudio de vulnerabilidad sísmica de dichos tanques, el cual se enmarca bajo los lineamientos de la actividad de la fuerzas impulsivas y conectivas6

6 aci committee 350 environmental engineering concrete structures. Seismic design of liquid-containing concrete strectures (ACI350.03-1) and commentary (350.3R-01) USA 2001.

Awwa standards, American water works association standars: este código provee lineamientos para el diseño y construcción de diferentes tipos de tanques de almacenamiento de agua potable.

Justificación

El instituto de fomento municipal dentro de sus políticas institucionales, esta la de cumplir a cabalidad los requerimientos del sector del agua potable y saneamiento básico, procurando mejorar las condiciones de vida de la población sobre la cual este se distribuye, para ello este ente nacional, debe llevar a cabo los siguientes lineamientos.

I. Ordenamiento de las funciones de planificación, regulación y prestación de los servicios de agua y saneamiento básico, conforme a las leyes vigentes.

II. Aumento de la capacidad técnicas de los prestadores de servicios III. Monitoreo y mejoramiento de la calidad del agua a nivel nacional.

Habiendo conocido algunas de las acciones encaminadas a mejorar la calidad de vida de las personas que conforman una determinada comunidad, se puede ver claramente el papel que juega la guía de diseño estructural, elaborada por el instituto de fomento municipal (INSOPAL).

Los tanques de almacenamiento de agua tienen una función vital operación de un sistema de distribución después de un sismo. El funcionamiento adecuado de los tanques es un aspecto importante, ya que el agua almacenada en estos como función principal es la de abastecer a la comunidad afecta y combatir los incendios

Esta revisión bibliográfica provee una metodología sencilla para dar respuesta ala pregunta ¿Tanques elevados de almacenamiento de agua sismo resistentes según la norma del INSOPAL, norma ACI 350.03 en Colombia “departamento del magdalena”? De acuerdo al resultados se definen cuales son las normas y diseños para tener tanques de almacenamiento de agua sismo-resistentes en Colombia y en particular en el magdalena.

De igual forma esta revisión bibliográfica se justifica partiendo del punto de que nunca antes se había incursionado en alguna revisión bibliográfica que implicara un análisis detallado de los sistemas empleados para la construcción de las

estructuras de los tanques elevado de almacenamiento de agua potable,, como lo es la guía de diseño propuesta por el INFOPAL, en donde considera aquellos movimientos vibratorios típicos del departamento del Magdalena descrito específicamente de la norma ACI 350.3 y los parámetros diseño en Colombia por NSR 1998 “tomado código colombiano de construcción anti-sísmica” y “ norma sismo resistente NSR 1998”

Hipótesis

Teniendo en cuenta la situación en la que ubico la Norma Sismo Resistente (NSR 1998) al departamento del magdalena, la presente revisión bibliográfica plantea como proposiciones probables referidas al problema la siguiente hipótesis:

Los tanques de almacenamiento de agua diseñados por medio de las guías de diseño y construcción del INFOPAL, no cumplen con un diseño sismo-resistente, necesario ante fuerzas sísmicas impuestas en comparación con otros tanques construidos y diseñados recientemente bajo las normas colombianas de diseño y construcción sismo resistente (NSR1998).

Los tanques elevados de almacenamiento de agua potable pueden colapsar total o parcialmente debido al mal comportamiento de algunas elementos estructurales ante la eventualidad de un sismo

Movimiento sísmico de intensidad moderada o fuerte en el

departamento del magdalena

CAUSA

Falla de los elementos estructurales del

tanque de almacenamiento de

AGUA

EFECTOS

INTERRUPCION DEL SUMINISTRO DE AGUA POTABLE ALA POBLACION

AFECTADA DEL SISMO

Planteamiento de la solución del problema

Dentro de la revisión bibliográfica las posibles soluciones al planteamiento del problema más representativo son

En primer lugar se plantea la posibilidad de arriostrar las estructuras ya construidas mediantes guías aquí expuesta a consideración.

Rediseñando las estructuras ya construida por medio de la normativa vigente en la actualidad mediante la incorporación de elementos estructurales acordes con las exigencias y prevenciones de futuras eventualidades sísmicas.

Segundo la utilización norma ACI 350.03 para la construcción de nuevos tanque elevados que reemplace los existente para asi eliminar el posible peligro que existe ante un eventual sismo moderado a intenso previsto en la región del magdalena. Además de la utlizacion derequisitos de NSR 1998.

Conclusiones

De la anterior revisión bibliográfica se pueden sacar muchas anotaciones importantes, en cuanto respecta a la eficiencia y confiablidad de los tanques de almacenamiento de agua que fueron diseñados siguiendo los parámetros de la guía de diseño estructural propuesta por el INFOPAL instituto nacional de fomento municipal.

Si bien quedo claro en muchos apartes de esta revisión bibliográfica; un tanque de almacenamiento de agua es una estructura de vital importancia después de la presencia de un evento sísmico independiente de la zona en la que esta ocurre, es por eso que se debe preocuparse realizar diseño ingeniería con el menor riesgo posible que una vez construido este colapse o llegue a fallar uno de sus elementos estructurales en caso critico que enmarcaría la imposibilidad de funcionar adecuadamente.

Para una zona de capacidad de disipación de energía moderada, como es el caso del departamento del Magdalena, se aprecia que en las estructura de almacenamiento de agua la disipación de energía es muy baja y por tanto tiende a acumular grandes cantidades de esta, y puede perder la cualidad de trabajar en el rango de elasticidad de respuesta ante un sismo.

Algunas de las especificaciones plateadas en la guía de diseño estructural del INFOPAL va encontra con la reglamentación de construcción y diseño colombiana de 1998.

BIBLIOGRAFIA

. NORMA COLOMBIANA DE DISEÑO Y CONSTRUCCION SISMO RESISTENTE DEL 98 (NSR-98), Asociación colombiana de ingeniería sísmica, Colombia 1998

. ACI COMMITTEE 350 ENVIRONMENTAL ENGINEERING CONCRETE STRUCTURES. Seismis design of liquid-containing concrete structures (ACI350.3-01) and commentary (350.3r-01) USA 2001

. Yañez Uribe Fernando Henrique Christian, “evaluación de la nueva norma ACI 350 en estanques semienterrados de hormigón armado” Santiago de chile. Chile

. Graces jose, “mitigación de desastres naturales en sistemas de agua potable y alcantarillado sanitario” guias para el análisis de la vulnerabilidad. 1997.

Terzariol Roberto e. Aissa Gonzales m.; arrua pedro A. “diseño sísmico de estructuras de contención en suelos granulares” Córdoba Argentina.

. Dr: O. R. jaiswal, “review of code provisions on design seismic forces for liquid storage tanks” department of applied mechanics visvesvaraya national institute of technology , nagpur . india