A12-15

Universidad de Concepcin

Departamento de Ingeniera Civil

Asociacin Chilena de Sismologa e

Ingeniera Antissmica

N A12-15. EVALUACIN DE LA NUEVA NORMA ACI 350 EN ESTANQUES

SEMIENTERRADOS DE HORMIGN ARMADO.

Fernando Yez Uribe1 y Cristin Fuentes Henrquez2

1.- Ingeniero Civil, Director del IDIEM, Universidad de Chile. Plaza Ercilla 883, Santiago, Chile. email: [email protected] 2.- Ingeniero Civil, IDIEM, Universidad de Chile. Plaza Ercilla 883, Santiago, Chile. email: [email protected]

RESUMEN

En nuestro pas no existe una norma especfica para el diseo de estanques de hormign armado, esto motiva a evaluar como impactara el uso del cdigo ACI 350-01, en la prctica chilena. Para ello se escogi un estanque rectangular semienterrado, diseado hace 20 aos que tiene una capacidad de 20.000 m

3, el que se rediseo utilizando ssmicamente el ACI 350.03-01, complementaria al ACI 350- 01.

Las normas americanas no incluyen sismos de origen subductivos, por lo que fue necesario ajustar los parmetros y ecuaciones. Este ajuste fue realizado utilizando la norma NCh 2369 Of. 2003 Diseo Ssmico de estructuras e instalaciones industriales.

El anlisis de las fuerzas ssmicas indica que la normativa Chilena, al exigir coeficientes ssmicos mnimos para el caso convectivo y coeficientes ssmicos mximos para el caso impulsivo sobredimensiona el diseo. El uso del procedimiento descrito en el cdigo ACI 350.03-01 considerando Ri=4 para el caso impulsivo, Rc=1 para el caso convectivo y los parmetros ssmicos de la norma NCh 2369 Of. 2003 conduce a un diseo muy similar al usado tradicionalmente en Chile.

Palabras Clave: Estanques, Diseo Ssmico, ACI 350.

Congreso Chileno de Sismologa e Ingeniera Antissmica IX Jornadas, 16-19 de Noviembre de 2005, Concepcin - Chile

1. INTRODUCCION

Los estanques son instalaciones indispensables en el proceso de distribucin del agua potable, son ellos los que permiten regular el volumen y reservar el agua para las horas de mayor consumo o que se requiere en situaciones especiales como un incendio. Forman parte del sistema de almacenamiento y estn destinados a recibir, almacenar, regular y entregar a la red de distribucin el agua potable producida en la planta de potabilizacin, o bien extrada desde pozos subterrneos.

Estas obras deben mantener su funcionamiento en forma permanente, por lo que el criterio de diseo debe ajustarse a las condiciones de uso, resistir los esfuerzos internos y no presentar filtraciones. La presencia de estas ltimas puede originar una interaccin entre el ambiente externo y el agua, permitiendo el ingreso de agentes contaminantes y ocasionar problemas de salud a la poblacin abastecida.

En estanques elevados un mal diseo puede ser fcilmente detectado, sin embargo, en estanques enterrados y semienterrados se presentan diferencias significativas con respecto a los que estn sobre el nivel del suelo, debido a que la mayor parte de ste no est a la vista, por lo que la mayora de los daos directos no sern visibles, lo que har que la determinacin real de los daos sea usualmente mucho ms lenta y laboriosa.

Cuando un estanque de agua sufre deterioros en cualquiera de sus componentes, representa prdidas econmicas, adems un estanque fuera de funcionamiento trae como consecuencia directa dejar a una poblacin sin abastecimiento, lo que es inaceptable. Adems se debe considerar que el proceso de reparacin o rehabilitacin es mucho ms costoso que un tratamiento preventivo al momento de construir.

En Chile la gran mayora de los estanques enterrados y semienterrados son realizados en hormign armado, debido a su facilidad de moldeo, bajo costo relativo y gran durabilidad. Aparte de la capacidad resistente de la estructura, el principal problema es el de conservar su estanquidad (considerando que este tipo de estructuras mantienen volmenes que van desde los 20 m3 a 20.000 m3) mediante el empleo de elementos adecuados y un correcto control de la fisuracin producto de un buen diseo y detallamiento. Por otra parte, en nuestro pas no existe una norma dedicada exclusivamente al diseo ssmico de estanques, sin embargo, consideraciones mnimas para este tipo de estructuras son incluidas en la norma chilena NCh 2369 Of. 2003: Diseo Ssmico de Estructuras e Instalaciones Industriales.

No obstante, es necesario utilizar normas y bases de diseo apropiadas al tipo de estructura que se planee construir. En este caso una excelente norma es la ACI 350-01 Code Requirements for Environmental Engineering Concrete Estructures.

En este trabajo se pretende comparar un diseo realizado con esta norma, ACI 350-01, con un diseo de acuerdo a la prctica corriente chilena.


2. ANLISIS SISMICO

La Norma NCh 2369 Of. 2003 seala que los estanques deben ser analizados, como mnimo para las acciones ssmicas en dos direcciones horizontales perpendiculares. No obstante, los elementos se pueden disear para el sismo actuando segn cada una de las direcciones del anlisis considerado, adems el modelo de anlisis debe considerar tanto la respuesta horizontal impulsiva como la respuesta horizontal convectiva asociada a la superficie libre.

Un procedimiento de diseo ssmico comn para los estanques se basa en el modelo mecnico derivado por G.W. Housner para estanques rgidos. Housner utiliza un modelo anlogo a un modelo mecnico, es decir, formul una idealizacin para estimar la respuesta lquida en estanques rgidos, rectangulares y cilndricos ssmicamente excitados. En su modelo, dividi la presin hidrodinmica del lquido contenido en dos componentes: la presin impulsiva, causada por la porcin de lquido que aceleraba solidaria con el estanque, y la presin convectiva causada por la porcin del lquido que oscila dentro del estanque. La componente convectiva entonces fue modelada como un oscilador de un grado de libertad, considerando el lquido como un material viscoso, y homogneo.

Basndose en lo anterior el cdigo de diseo ACI 350-01, gener un cdigo especial para el diseo de estanques bajo las solicitaciones ssmicas (ACI 350.03-01), dentro de este cdigo se establece una metodologa para realizar el anlisis ssmico siguiendo el modelo de G.W. Housner para calcular las masas y perodos de vibracin de las masas impulsivas y convectivas, y a partir de esto parmetros calcular los esfuerzos ssmicos. Esta metodologa es la siguiente:

1. Calcular el peso de los muros del estanque Ww y de la losa de cubierta Wr. Calcular el coeficiente 1 de acuerdo a la siguiente ecuacin:

0.1021.11908.00151.02

+

=

LL HL

HL

con el coeficiente anterior se debe calcular el peso efectivo:

We = Ww + Wr. ( 2.2 ) 2. Calcular el peso efectivo de la componente impulsiva Wi y de la componente convectiva Wc:

=

L

L

L

HL

HL

WWi

866.0

866.0tanh ( 2.3 )

1 El coeficiente corresponde a la razn entre la masa dinmica equivalente de la cscara del estanque y la masa total de este.

( 2.1)


=

LH

HL

WWc L

LL

16.3tanh264.0 ( 2.4 )

3. Calcular las frecuencias naturales de vibrar para la componente impulsiva i y para la componente convectiva c: mw=Hw*tw*c corresponde a la masa del muro. ( 2.5 )

LLL

ii H

LWW

m **2

*

= corresponde a la masa impulsiva. ( 2.6 )

m = mw+mi ( 2.7 ) luego la frecuencia y perodo para el modo impulsivo quedan definidos como sigue:

m

Ki =. ( 2.8 )

donde K es la rigidez del muro de hormign y se define como 3

6 *10*4

=

htEcK w ( 2.9 )

y h es la altura del centro de gravedad entre la masa del muro y la masa impulsiva definindose como

iw

iiww

mm

mhmhh+

+= ( 2.10 )

De lo anterior se tiene que el periodo impulsivo es :

iiT

pi2= ( 2.11 )

por otra parte para la componente convectiva, la frecuencia y el periodo se calculan como sigue:

=

LHg L16.3tanh16.3 ( 2.12 )

Lc

= frecuencia. ( 2.13 )

c

cT

pi2= periodo. ( 2.14 )

4. Seleccionar la zona ssmica, tipo de suelo, factor de importancia de la estructura de acuerdo a su tipo y el lugar donde ser emplazado. Los parmetros involucrados son: Z que corresponde a la aceleracin


mxima efectiva del suelo, S que es un parmetro de acuerdo al tipo de suelo, I que es el factor de importancia.2 5. Calcular los factores de amplificacin espectral (Ci para el caso impulsivo y Cc para el caso convectivo) de acuerdo a los perodos obtenidos en el punto 3 para cada componente.

Para el caso impulsivo se tiene lo siguiente: Si Ti 0.31 seg.:

SCi

75.2= ( 2.15 )

para T> 0.31 seg.:

STC

i

i75.225.1

32 = ( 2.16 )

Para el caso convectivo se tiene que el factor de amplificacin esta dado por:

Tc2.45 seg.:

20.6

c

c TC = ( 2.17 )

Tc< 2.4 seg.:

STC

c

c

75.2875.13

2 = ( 2.18 )

6. Seleccionar los factores de reduccin de la respuesta R, para cada una de las componentes, impulsiva Rwi y convectiva Rwc , y para los muros del estanque en general Rw.

7. Calcular las fuerzas laterales dinmicas y el corte basal de acuerdo a las siguientes expresiones:

ii Rw

WwZSICPw = ( 2.19 )

ii Rw

WwZSICPw = ( 2.20 )

i

RiR Rw

WZSICP = ( 2.21 )

2 Todos estos parmetros estn tabulados en el cdigo y deben ser ajustados a la realidad chilena.


i

iii Rw

WZSICP = ( 2.22 )

c

cc RwWcZSICP = ( 2.23 )

con lo anterior se tiene que el corte basal est dado por :

( ) 22cRi PPPwPV +++= ( 2.24 )

8. Calcular las alturas importantes del centro de gravedad. Ac se distinguen dos casos, el primero es excluyendo la presin en la base (EBP) y el segundo es incluyendo la presin en la base (IBP): caso EBP: la altura impulsiva esta dada por:

=

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