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    UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

    FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA

    CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

    CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE HORMIGÓN

    ARMADO CON SISTEMA DE RECIRCULACIÓN Y BOMBEO

    TRABAJO DE GRADUACIÓN PREVIO LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE

    INGENIERO CIVIL

    AUTOR: PASTILLO ANDRANGO JAIME RAMIRO

    TUTOR: Ing. JORGE LUIS SANTAMARIA CARRERA, MSc

    QUITO-ECUADOR

    2014

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    DEDICATORIA

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

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

    constantes errores.

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

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

    en mis momentos de enojo y desesperación.

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

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

    realidad.

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

     Pero sobre todo dedicado a Dios

     Jaime Pastillo

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    AGRADECIMIENTOS

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

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

    aprendizajes experiencias y sobre todo felicidad.

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

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

    educación en el transcurso de mi vida.

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

    tras día y a mi hijo Kevin también.

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

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

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

    conocimientos.

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

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

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

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

     para mi formación profesional.

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

     Jaime Pastillo

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    AUTORIZACION DE AUTORIA INTELECTUAL

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

    investigación o tesis realizada sobre: CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES

    RECTANGULARES DE HORMIGÓN ARMADO CON SISTEMA DE

    RECIRCULACIÓN Y BOMBEO, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD

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

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

    investigación.

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

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

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

    reglamento.

    Quito, 11 de diciembre de 2014

    Pastillo Andrango Jaime Ramiro

    CI. 1003369541

    iv

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    Quito, 04 de diciembre de 2014

    IngenieraSusana GUZAMAN, MSc.DIRECTORA, CARRERA INGENIERA CIVIL

    Presente. -

    De mi consideración:

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

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

     Atentamente,

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

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    INFORME SOBRE CULMINACIÓN Y TERMINACIÓN DE TESIS

    Tema: “CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE

    HORMIGÓN ARMADO CON SISTEMA DE RECIRCULACIÓN Y BOMBEO”

    Tutor: Msc. Ing. Jorge Luis Santamaría Carrera

    1.- Antecedentes

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

    Carretera de ingeniería Civil autoriza la correspondiente denuncia de tesis

    “CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE HORMIGÓN

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

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

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

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

    de culminación de trabajo de graduación.

    2.- Desarrollo de la tesis

    - CAPITULO I:

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

    trabajo de graduación.

    - CAPITULO II:

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

    combinaciones que se dispone en la Norma Ecuatoriana de la construcción

     N E C-13.

    - CAPITULO III:

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

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

    actuando el empuje suelos.

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    Con el método de seceionamiento con fórmulas empíricas se procede al

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

    de fondo y pared y losa de tapa simplemente apoyada.

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

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

    CAPITULO IV:

    Se procede al análisis del tanque elevado siguiendo el mismo procedimiento

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

    hidrostática.

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

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

    reglamentos se dispone en la Norma Ecuatoriana de la Construcción Capitulo

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

    computacional para análisis de estructuras Sap2000.

    CAPITULO V:

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

    recirculación y sistema de bombeo basándonos en Bibliografías nacionales e

    internacionales, verificamos las especificaciones de la bomba a utilizarse.

    CAPITULO VI:

    Se hace investigaciones sobre los aspectos fundamentales a tomar en cuenta

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

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

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

    especial atención a los métodos constructivos.

    CAPITULO VII:

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

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

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

    la construcción de noviembre-diciembre.

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    - CAPITULO VII:

    En este capítulo se describe las conclusiones más importantes del trabajo

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

    construcción de tanque enterrados y elevados con el sistema de recirculación

    y bombeo

    3.- Conclusiones

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

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

    adquiriendo criterio y experiencia a través del planteamiento de soluciones

    viables a los diferentes problemas del cálculo estructural y se recomienda

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

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

    medio una norm a específica para dicho proyectos.

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

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

    son los esperados.

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

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

    ANDRANGO JAIME RAMIRO

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

    í * í   ii f   !

     ¿ i   ,-f-J L

    íng. Jorge SANTAMARÍA, MSc 

    DOCENTE, CARRERA ING, CIVIL

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    UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR

    FACULTAD DE INGENIERÍA, CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA  

    CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL 

    DIRECCIÓN

    RESULTADO DEL TRABAJO DE GRADUACIÓN

    Quito DM.: J .Ç ...P .Í7 ...

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

    TEMA: _ -

    fè .£ 5 f £ .c u  u i  C ( 0 ^

    y   b ô m b ^ ô

    CALIFICACION:

    TRIBUNAL PROFESOR (A)NOTA SOBRE VEINTE

    FIRMA

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

    r~> t^D JO &  ér#/fc>Ÿ a  o  í°!

    3 > ) í 2 y \)J o 'Bue-

     jjm d O l G U Ü O ú V t

    PROMEDIO )9   DJec/'/jvei/g.

    Dra. Ruth Flores Chacón

    SECRETARIA ABOGADA

    0 ^ o T e H a

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

    mailto:[email protected]:[email protected]

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    CONTENIDO

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    1.1 

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

    1.2 

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

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

    1.3.1 

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

    1.3.2 

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

    1.3.3 

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

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

    1.3.3.2 

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

    1.4 

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

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

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

    1.4.3 

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

    1.4.3.1 

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

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

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

    2.1  ACCIONES DE DISEÑO PARA TANQUES ENTERRADOS Y 

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

    2.1.1 

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

    2.1.2 

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

    2.1.3 

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

    2.1.3.1 

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

    2.1.4 

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

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

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

    ANALISIS Y DISEÑO DE TANQUE RECTANGULAR ENTERRADO .. 25 

    3.1 

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

    3.1.1 

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

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

    3.1.1.2 

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

    3.1.2 

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

    3.1.2.1 

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

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

    3.2.1 

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

    3.2.1.1 

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

    3.2.1.2 

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

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

    3.2.2 

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

    3.2.2.1 

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

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

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

    3.2.3.2 

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

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

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

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

    4.1.1 

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

    4.1.1.1 

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

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

    4.2.1 

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

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

    4.2.2.1 

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

    4.2.2.2 

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

    4.3 

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

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

    4.3.2 

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

    4.3.2.1 

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

    4.3.2.2 

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

    4.3.2.3 

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

    4.4 

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

    4.4.1 

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

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

    4.4.1.2 

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

    4.4.2 

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

    4.4.2.1 

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

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

    4.4.3.1 

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

    4.4.3.2 

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

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

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

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

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

    5.1.2.1 

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

    5.2 

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

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

    5.2.2 

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

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

    5.2.2.2 

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

    5.3 

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

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

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

    5.3.2 

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

    5.3.2.1 

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

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

    5.3.2.3 

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

    5.3.3 

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

    5.3.3.1 

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

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

    5.3.4.1 

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

    5.3.4.2 

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

    5.3.5 

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

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

    5.3.6.1 

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

    5.3.6.2 

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

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

    5.3.7.1 

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

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    xiv

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

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

    ASPECTOS FUNDAMENTALES DE CONSTRUCCION DE LOS

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

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

    6.1.1 

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

    6.1.2 

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

    6.1.3 

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

    6.1.4 

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

    6.2 

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

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

    6.2.1.1 

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

    6.2.1.2 

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

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

    6.2.2 

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

    6.2.2.1 

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

    6.2.2.2 

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

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

    6.2.2.4 

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

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

    7.1 

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

    7.2 

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

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

    7.3.1 

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

    7.4 

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

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

    7.6 

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

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    xv

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

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

    7.6.3 

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

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

    8.1 

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

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

    8.3 

    ANEXO A: PLANOS DE IMPLANTACION Y PLANOS 

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

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

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    LISTA DE TABLAS

    TABLA 1 

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

     

    TABLA 2 

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

    TABLA 3 

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

    TABLA 4 

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

    TABLA 5 

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

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

    TABLA 7 

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

    TABLA 8 

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

    TABLA 9 

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

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

    TABLA 11 

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

    TABLA 12 

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

    TABLA 13 

    Acero de refuerzo por flexión ............................................................ 55 

    TABLA 14 

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

    TABLA 15 

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

    TABLA 16 

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

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

    TABLA 18 

    Acero de refuerzo por flexión ............................................................ 58 

    TABLA 19 

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

    TABLA 20 

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

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

    TABLA 22 

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

    TABLA 23 

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

    TABLA 24 

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

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    xvii

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

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

    TABLA 27 

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

    TABLA 28 

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

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

    TABLA 30 

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

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

    TABLA 32 

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

    TABLA 33 

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

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

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    LISTA DE FIGURAS

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

    FIGURAS 2 

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

    FIGURAS 3 

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

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

    FIGURAS 5 

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

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

    FIGURAS 7 

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

    FIGURAS 8 

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

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

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

    FIGURAS 11 

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

    y “fricción”)  31 

    FIGURAS 12 

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

    FIGURAS 13 

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

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

    FIGURAS 15 

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

    FIGURAS 16 

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

    FIGURAS 17 

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

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

    FIGURAS 19 

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

    FIGURAS 20 

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

    FIGURAS 21 

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

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

    FIGURAS 23 

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

    FIGURAS 24 

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

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

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

    FIGURAS 27 

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

    FIGURAS 28 

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

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

    FIGURAS 30 

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

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

    FIGURAS 32 

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

    FIGURAS 33 

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

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

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

    FIGURAS 36 

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

    FIGURAS 37 

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

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

    FIGURAS 39 

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

    FIGURAS 40 

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

    FIGURAS 41 

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

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

    FIGURAS 44 

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

    FIGURAS 45 

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

    FIGURAS 46 

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

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

    FIGURAS 48 

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

    FIGURAS 49 

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

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

    FIGURAS 51 

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

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

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

    FIGURAS 54 

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

    FIGURAS 55 

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

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

    FIGURAS 57 

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

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

    FIGURAS 59 

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

    FIGURAS 60 

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

     

    FIGURAS 61 

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

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

    de bombeo. 132 

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

    FIGURAS 64 

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

    FIGURAS 65 

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

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

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

    FIGURAS 68 

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

    FIGURAS 69 

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

    FIGURAS 70 

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

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    RESUMEN

    CÁLCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE HORMIGON

    ARMADO CON SISTEMA DE RECIRCULACION Y BOMBEO

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

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

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

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

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

    seccionamiento con fórmulas empíricas que proporcionan resultados dentro de lo establecido

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

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

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

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

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

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

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

    que Ecuador es un país de actividad sísmica alta.

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

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

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

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

    hormigón armado.

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

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

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

    DESCRIPTORES: TANQUES RECTANGULARES/ SISTEMA DE BOMBEO/

    SISTEMA DE RECIRCULACIÓN/ SAP2000/ ESTRUCTURA SOPORTANTE/

    POTENCIA DE BOMBAS/ BOMBAS CENRIFUGAS/ HORMIGÓN ARMADO

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    xxii

    ABSTRACT

    CALCULATION AND DESIGN OF RECTANGULAR CONCRETE TANKS WITH

    CIRCULATING SYSTEM AND PUMPING

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

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

    volume storage and disposal of hydrostatic and earth pressure loads.

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

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

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

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

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

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

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

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

    seismic activity.

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

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

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

    the design of reinforced concrete structures.

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

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

    difference that only intervenes earth pressure calculation.

    DESCRIPTORS: TANKS RECTANGULAR / PUMPING SYSTEM / CIRCULATION

    SYSTEM / SAP2000/ SUPPORTING STRUCTURE/ POWER PUMP / PUMPS

    CENRIFUGAS / CONCRETE

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    xxiii

    CERTIFICACION

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

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

    otorgado por la ESCUELA POLITECNICA DEL EJÉRCITO  –  DEPARTAMENTO

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

    sobre el Tema:

    “CALCULO Y DISEÑO DE TANQUES RECTANGULARES DE

    HORMIGON ARMADO CON SISTEMA DE RECIRCULACION Y

    BOMBEO” 

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

    lo mencionado con el documento adjunto.

    Quito, 11 de Diciembre de 2014

    Atentamente,

    Luis Alexander Ortega Ushiña

    C.C. 171963339-6

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    1  GENERALIDADES DEL PROYECTO

    1.1  INTRODUCCION

    Alcance

    Las recomendaciones contenidas en el siguiente documento son aplicables al análisis

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

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

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

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

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

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

    estructural de los depósitos de Hormigón Armado, algunas recomendaciones,

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

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

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

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

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

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

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

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

    armaduras de manera correcta.

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

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

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

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

    satisfactorio durante su vida útil.

    Antecedentes

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

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

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    26/221

    2

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

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

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

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

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

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

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

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

    recomendaciones pertinentes para lograr un buen diseño y construcción.

    1.2  OBJETIVOS

    Objetivo general

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

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

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

    almacenamiento de agua para el Laboratorio de Hidrología.

    Objetivos específicos

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

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

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

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

    con los cuales se llevará a cabo el diseño.

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

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

    depósito de agua de manera totalmente satisfactoria para la tipología en

    Hormigón Armado.

      Establecer las diferentes bases y criterios adoptados para los diferentes

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

    este proyecto.

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    3

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

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

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

     provocar el colapso de la misma.

    1.3  MARCO TEORICO

    1.3.1  Introducción

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

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

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

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

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

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

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

    estático equilibrante.

    1.3.2  Tipo de proyecto

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

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

    almacenamiento de agua en un laboratorio de Hidráulica e Hidrología.

    1.3.3  Geometría de los depósitos

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

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

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

    rectangular o cuadrada.

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

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

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

    mínimo a igualdad de superficie.

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

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

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    4

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

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

    muros divisorios para mantener sin interrupción el funcionamiento del depósito

    durante esos lapsos de tiempo.

    1.3.3.1  Depósitos enterrados

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

    emplean cuando el terreno de desplante es adecuado para el funcionamiento

    hidráulico del sistema de redistribución y cuando es necesario excavar hasta

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

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

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

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

    dificultad para descubrir las posibles filtraciones y fugas del líquido.

    FIGURAS 1  Tanque enterrado

    1.3.3.2  Depósitos elevados

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

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

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

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

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

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    5

    FIGURAS 2  Tanque elevado

    1.4  ESTRUCTURACIÓN DE LOS DEPÓSITOS

    1.4.1  Lineamientos básicos de estructuración

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

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

    contacto con el agua freática.

    Los depósitos se componen de diversos elementos, como son:

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

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

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

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

    de los depósitos.

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

    membrana impermeable de hormigón sin función estructural.

    Las cubiertas o tapas de los depósitos.

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

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    6

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

    columnas de hormigón armado.

    Comportamiento estructural

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

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

    a su rigidez, pueden absorber las deformaciones diferenciales.

    Ventajas y desventajas de los depósitos de hormigón armado

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

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

    sobre otros materiales. Entre ellas se cuentan:

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

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

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

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

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

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

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

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

    tomen las precauciones necesarias para evitar que estos ocurran.

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

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

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

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

    consiste en utilizar hormigones que cumplan con las siguientes cualidades:

    Adecuada dosificación

    Baja relación agua/cemento

    Buena colocación

    Enérgico vibrado

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    Curado eficiente y prolongada

    Adecuada localización y construcción de las juntas.

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

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

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

    arena, grava, cemento, agua y aditivos.

    1.4.2  Formas estructurales de los depósitos de hormigón armado

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

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

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

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

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

    enterrado o semienterrado.

    Tanques rectangulares enterrados

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

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

    consideración son:

      Peso propio

      Empuje del liquido

      Empuje lateral del terreno, incluyendo cierta sobrecarga sobre éste

     

    Presión del agua del subsuelo

      Carga viva sobre la tapa o relleno, y

      Cargas accidentales

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

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

    tapa:

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    8

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    cuál sería un peligro latente en esas instalaciones.

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

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

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

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

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

    fugas.

    Tanques rectangulares elevados

    Se considerarán las recomendaciones de los tanques superficiales y enterrados que

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

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

    que actúa sobre el fondo.

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

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

  • 8/16/2019 Estudio de Agua Residual

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    9

    1.4.3  Procedimientos para el análisis estructural

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

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

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

    llevará a cabo el diseño.

    Efectos que se deben considerar en el análisis estructural

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

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

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

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

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

    las cuales se conocen con cierta precisión.

    El espesor mínimo de las paredes de los depósitos

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

    Environmental Engineering Concrete Structures, los muros de hormigón reforzado

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

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

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

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

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

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

    hormigón, se considerará un espesor mayor.

    El refuerzo mínimo

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

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

     ,

      , 

     

      (Ec. 10.3 de ACI 318S-11)

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    10

    Pero no menor a:

    1,4

       

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

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

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

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

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

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

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

    Las losas donde se utilice acero de refuerzo menor a:

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

    Separación máxima del refuerzo para contracción y temperatura 

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

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

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

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

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

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

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

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

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    11

    1.4.3.1  Factores de reducción de la resistencia

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

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

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

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

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

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

    factores ϕ de reducción de resistencia dados a continuación. 

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

    torsión, tendrán los valores que se indican enseguida:

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

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

    Secciones controladas por compresión:

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

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

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

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

    1.5  DISEÑO DE CIMENTACION Y LOSA TAPA DE LOS TANQUES

    Introducción

    A continuación se mencionan las recomendaciones mínimas básicas para tomarse en

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

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

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

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

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

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    12

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    limitarse los hundimientos diferenciales y el hundimiento medio. Los hundimientos

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

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

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

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

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

    inmediata del suelo y la diferida.

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

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

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

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

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

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

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

    impermeable

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

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

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

    subsuelo y cimentar superficialmente. Deben evitarse cimentaciones mixtas. Debido

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

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

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

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

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

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

    depósito

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

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

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

    que salva dicha losa

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

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

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

     pisos.

    Muro perimetral

    del depósito

    CimentaciónJunta

     

    FIGURAS 3 

    Unión losa y muros macizas

    Losas macizas

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

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

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

    directamente a través de este diafragma.

    El espesor mínimo será de 10 cm.

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

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

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

    según lo requiera el diseño.

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

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

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

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

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

    mínimo especificado.

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

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

    hormigón.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    movimiento diferencial de las juntas.

    Losas apoyada en vigas

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

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

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

    estructural.

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

    recipiente de conjunto pueda resistir las deformaciones diferenciales, conservando su

    integridad e impermeabilidad.

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

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

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

    suelo reduzcan el soporte de la losa de piso.

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

     presiones hidrostáticas cuando el tanque se encuentre vacío.

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

    Losas corridas.

    Sistemas de losas y vigas de cimentación.

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

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

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

     procedimiento tiene limitaciones económicas.

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

    losa y permitir espesores económicos de ésta.

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

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

    de cimentación para proporcionar rigidez a la losa de fondo.

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    2  ANALISIS DE CARGAS

    2.1  ACCIONES DE DISEÑO PARA TANQUES ENTERRADOS Y

    ELEVADOS

    Consideraciones generales

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

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

    carga más desfavorable que pueda presentarse durante su vida útil.

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

    cuenta para el diseño de tanques.

    2.1.1  Las acciones permanentes

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

    cuya intensidad puede considerarse constante en el tiempo.

    Carga muerta

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

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

    de construcción podrán suministrar valores de los pesos volumétricos de los

    materiales empleados.

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

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

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

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

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

    consideración las futuras ampliaciones.

    Cargas del agua

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

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

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

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

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

    capacidad.

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

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

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

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

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

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

    Cargas del terreno

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

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

    que pueda presentarse por efecto de cargas vivas rodantes.

    2.1.2  Las acciones variables

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

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

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

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

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

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

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

    Carga viva

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

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

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

    tanques, son las siguientes:

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

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

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

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

    kg/m2.

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

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

    interior del recipiente.

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

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

    cualquier punto del pasamanos y en cualquier dirección.

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

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

    diferencial de temperatura no inferior a los 20ºC.

    2.1.3  Las acciones accidentales

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

    lapsos breves pueden alcanzar intensidades significativas. Pertenecen a esta

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

    otros fenómenos que pueden presentarse en casos extraordinarios. Será necesario

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

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

    tener lugar.

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

    construcción y que pueden alcanzar intensidades significativas sólo durante lapsos

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

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

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

    estructura, en el caso de que ocurran estas acciones.

    Viento

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

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

    tanto exista la posibilidad de volcamiento o de deslizamiento.

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

    tableros prefabricados de los tanques, cuando se encuentren provisionalmente

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

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

     por lo menos en dos direcciones perpendiculares entre sí.

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

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

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

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

    vacío cuando está expuesto a la acción del viento.

    2.1.3.1  Sismo

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

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

     parte superior.

    Los reglamentos locales suministrarán información en cuanto a los coeficientes

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

    y las características del suelo donde se construyan los tanques.

    2.1.4  Efectos de las cargas permanentes, variables y accidentales

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

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

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

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

    únicamente para la condición más desfavorable entre ambas acciones.

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    2.2  CONDICIONES DE CARGA

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

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

    de fugas antes de rellenar el terreno.

    FIGURAS 4 

    Condición en que solo existe carga hidrostática.

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

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

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

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

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

    la tapa le transmita momentos a los muros.

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

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

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    22

    FIGURAS 7  Condición en que se analiza la flotación.

    2.2.1  Combinación de cargas

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

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

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

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

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

    1.4 D

    1.2 D + 1.6 L + 0.5 (Lr ó S ó R)

    1.2 D + 1.6 (Lr ó S ó R) + (L ó 0.5W)

    1.2 D + 1.0 W + L + 0.5 (Lr ó S ó R)

    1.2 D + 1.0 E + L + 0.2 S

    0.9 D + 1.0 W

    0.9 D + 1.0 E

    Con excepción de:

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

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

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

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

    estructura.

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    23

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    diseño sismo resistente de la NEC.

     Dónde:

    D: carga muerta

    L: carga viva (sobrecarga)

    Lr: carga viva (sobrecarga cubierta)

    E: carga de sismo

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

    Fa: carga de inundación

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

    materiales a granel

    R: carga de lluvia

    S: carga de granizo

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

    retracción, y asentamiento diferencial

  • 8/16/2019 Estudio de Agua Residual

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    W: carga de viento

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

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

    considerados simultáneamente.

  • 8/16/2019 Estudio de Agua Residual

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    25

    3  ANALISIS Y DISEÑO DE TANQUE RECTANGULAR ENTERRADO

    3.1  ANALISIS DE TANQUES ENTERRADO

    3.1.1  Elementos mecánicos en muros: Condición de carga Nº 1

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

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

    vez están