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MDULO 6: DEPSITO ELEVADO.

2013

Luis J. Crespo Daz-Velarde

Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y

Puertos

CURSO ANLISIS DE ESTRUCTURAS CON SAP2000

V.15

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CURSO DE ANLISIS DE ESTRUCTURAS CON SAP2000 V.15

Mdulo 6.- Depsito elevado.

Un depsito elevado de agua es un elemento que nos sirve para almacenar agua,

compensar las variaciones horarias de la demanda de agua potable y por ltimo,

mantener en la red la presin adecuada en los periodos de consumo de pico,

normalmente se dimensionan para su llenado por la noche y su consumo a lo largo del

da.

Las aguas contenidas en el depsito, van directamente al consumo. En consecuencia,

se debe garantizar la inalterabilidad de la calidad de las aguas que contiene.

La capacidad mnima del depsito ser tal, que pueda almacenarse el agua sobrante

cuando el caudal de consumo sea menor que el abastecimiento, y aporte la diferencia

entre ambos cuando sea mayor el de consumo.

La capacidad normal del depsito ser aquella que cubra la anterior, ms la debidas a

un suplemento extraordinario en caso de incendio y las debidas a atender a la

poblacin en caso de avera que exijan el corte de la conduccin.

La capacidad mxima ser aquella que adems de la anterior cubra un riesgo

extraordinario de una grave avera.

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Un depsito elevado va a estar constituido por las siguientes partes:

Estructura que contiene el agua, normalmente son metlicos o de hormign armado, est compuesta por una base inferior, alzados y una cubierta que los cierra.

Estructura portante, que puede ser de apoyos de fbrica, metlicos o estructura armada.

Cmara de llaves, que aloja todos los dispositivos que sirven para entrada y salida de aguas, as como de limpieza y desage.

La normativa de clculo ser la Instruccin de hormign EHE-08.

Los depsitos elevados como el que vamos a tratar, se ejecutarn primero haciendo la

cimentacin, donde se dejan unas armaduras de espera que nos van a servir para

continuar con los pilares de apoyo y sobre ellos construir la base inferior, alzados y la

cubierta de cierre.

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El modelo que vamos a estudiar tiene las siguientes caractersticas:

Dimensiones (metros).

Planta.

Secciones.

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Radio del depsito: 15 metros.

Espesor de los alzados: 0,30 metros.

Espesor de la base: 0,40 metros.

Espesor de la cubierta: 0,40 metros.

Radio de los pilares: 0,20 metros.

Vigas riostras: 0,30 x 0,30 metros.

Altura del depsito: 15 metros.

Resguardo: 1 metro.

Altura de pilares: 20 metros.

1.- Configuracin del programa.

Una vez arrancado el programa la pantalla que nos aparece es la siguiente.

La primera operacin que haremos ser configurar las unidades en las que vamos a

trabajar.

1.1.- Unidades.

Las unidades de trabajo se encuentran en la zona inferior derecha, lgicamente nos va

a condicionar toda la entrada de datos.

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2.- Geometra.

Para la modelizacin de la estructura, el apartado de la generacin de la geometra es

el ms tedioso, pero es el ms importante ya que una modelizacin incorrecta y/o

insuficiente nos har obtener unos resultados incorrectos.

Para la generacin de la geometra se suelen utilizar dos posibles alternativas.

Introduccin a travs de un modelo creado con Autocad.

Introduccin a travs de la biblioteca de SAP2000.

Cualquiera de los mtodos anteriores son admisibles para generar el modelo, nosotros

en este caso vamos a proceder a crearlo a travs de la biblioteca de SAP2000.

2.1.- Generacin mediante la biblioteca de SAP2000.

Para crear el modelo previamente creamos un modelo nuevo (File > New Model).

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Posteriormente una vez pulsado aadir un nuevo modelo, nos aparecer el men

siguiente a travs de la biblioteca del programa.

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En el que escogeremos la opcin de Grid Only, esto nos generar la siguiente

plantilla para crear la malla que nos permitir introducir los posibles elementos

(Frame, Shell,).

En este nueva pantalla de generacin de la malla, nos permite hacer una generacin en

coordenadas cartesianas o cilndricas segn nos interese, en este caso nos interesa las

coordenadas cartesianas, ya que tenemos un modelo plano. Por otra parte,

necesitamos informarle al programa el nmero de lneas (Number of Grid Lines) que

queremos crear segn los ejes X, Y y Z, que pueden ser iguales o diferentes, el

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espaciado entre ellas (Grid Spacing) en las tres direcciones tambin, que tambin

puede ser igual o diferente y por ltimo el origen de nuestro sistema de referencia

(First Grid Line Location) respecto de los ejes globales que considera el programa.

Nosotros vamos a tomar los siguientes datos, de acuerdo al modelo en estudio:

Number of Grid Lines.

X direction = 4.

Y direction = 1.

Z direction = 3.

Grid Spacing.

X direction= 5,00.

Y direction =1,00.

Z direction =15,00.

First Grid Line Location.

X direction =0.

Y direction =0.

Z direction =0.

Una vez que se nos presenta la siguiente malla (Grid)

El programa nos ha generado dos vistas, la de la izquierda se corresponde con un plano

X-Y y la de la derecha se corresponde con una vista en tres dimensiones, pero para

una mayor comodidad al introducir los datos es mejor modificar la vista de la izquierda

por una vista X-Z, para ello una vez que la ventana est seleccionada, se pulsa sobre el

botn X-Z en el men principal de comandos.

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Como el modelo que hemos creado no se corresponde exactamente con el real en sus

dimensiones vamos a corregir ello editando el Grid, para ello pinchamos dentro del

cuadro de trabajo con el botn derecho del ratn y seleccionamos la opcin de editar.

Si editamos el men que nos aparece, tendremos los Grid de nuestro modelo

corregido

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Procedemos a la simulacin, sta se har mediante un elemento de tipo Frame para

cada lateral, que posteriormente se rotar para crear la geometra definitiva,

crearemos el elemento Frame con el icono que nos aparece en el men lateral.

Si pinchamos en el elemento anteriormente indicado de tipo Frame y ponemos el

ratn en cualquier nudo del Grid y pinchamos con el botn izquierdo, iremos

dibujando de forma progresiva cada una de los diferentes elementos Frame que

forman el contorno y los pilares existentes.

Elemento Frame

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Una vez finalizada la creacin de los elementos de tipo Frame, pasaremos a crear los

diferentes elementos de tipo Shell que constituyen el depsito, ello se har

seleccionando los Frame que forman el depsito y haciendo una extrusin.

Nos aparecer el siguiente men, en el que se ha escogido la generacin radial

En el vamos a escoger que generamos alrededor del eje Z, con un ngulo de 22,5 y 16

partes que formarn la circunferencia completa.

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En esta etapa vemos como tenemos generado el depsito, vamos a proceder a generar

los pilares, para ello se seleccionan de nuevo los elementos Frame que constituyen los

pilares y se le hace una rplica.

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Nos aparece un nuevo men, donde escogemos la rplica radial.

Nos aparecer como modelo extruido

Nos faltara hacer los arcos concntricos que arriostran los pilares, para evitar el

pandeo. Para ello editamos de nuevo nuestro modelo Grid e introducimos las cotas

intermedias a la altura de Z (4,8,12,16,25 y 30).

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En este modelo de grid, se puede ir entrando por cotas e ir creando los

arriostramientos citados, para ello debemos de seleccionar los elementos Frame y

mallarlos. Procedemos a seleccionar y dividir los elementos de tipo Frame del apoyo.

Si desactivamos los elementos de tipo Shell, a travs del icono de set display options

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En el seleccionamos que no queremos visualizar los elementos de tipo rea.

Y como resultado, se tendr:

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Si modificamos el plano de trabajo de la izquierda, diciendo que queremos el plano XZ

y borramos los Frames sobrantes

Vamos amallarlos en 5 partes.

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Una vez dividido, vamos a crear las vigas que arriostran nuestro modelo para evitar el

pandeo.

Haremos lo mismo con el resto de las vigas a diferentes cotas, y tendremos el modelo

siguiente

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En la que nos aparece el modelo tipo con las dimensiones que trae el programa por

defecto. En el apartado siguiente vamos a proceder a personalizar las dimensiones del

mdulo representado a las que tenemos realmente.

3.- Propiedades de los materiales.

Una vez creada la geometra, es necesario en nuestro modelo definir las dimensiones

de las secciones de los elementos, las caractersticas de los materiales que constituyen

el marco y asignar ambas a nuestro modelo.

3.1.- Definicin.

El material de nuestro marco es de hormign armado y por tanto se encuentra

regulado por la normativa EHE-08.

(http://www.fomento.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/ORGANOS_COLEGIADOS/CPH/instrucciones/EHE_es/)

Para una estructura de este tipo que se encuentra en la naturaleza y que vamos a

suponer que est sometida a una humedad alta y una corrosin de origen diferente de

los cloruros, por lo tanto se encuentra en una clase de exposicin general de tipo IIa y

por tanto, se corresponde segn el artculo 37 de la EHE, con un hormign de tipo HA-

25 como resistencia mnima.

Como propiedades para el elemento hormign tomaremos aquellas que estn

establecidas en los artculos 31 y 39 de la EHE-08, necesitaremos las siguientes

propiedades: Peso unitario, Masa unitaria, Mdulo de Young, Mdulo de Poisson y

esfuerzo de compresin.

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De estos valores vamos a obtener todos de la EHE-08, excepto el Mdulo de Young que

vamos a tomarlo del Prontuario Informtico de la EHE de la casa IECA:

Con lo que se tomarn los siguientes valores de propiedades del hormign:

Peso unitario (KN/m3)

Masa unitaria (Mg/m3)

Mdulo de Young (KN/m2)

Coeficiente de Poisson

Resistencia a compresin

(KN/m2)

25,00 2,50 27.000.000,00 0,20 25.000,00

Para tomar las propiedades del acero seguiremos el artculo 32 de la EHE-08, como

propiedades para el elemento hormign necesitaremos las siguientes: Peso unitario,

Masa unitaria, Mdulo de Young, Mdulo de Poisson, Lmite Elstico y Lmite de

Rotura.

La geometra de las diferentes secciones sern las siguientes.

Elemento Dimensiones (metros)

Base depsito 0,40 Alzado depsito 0,30

Cubierta depsito 0,40 Pilares 0,40

Vigas riostras 0,30 x 0,30

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3.2.- Definir y asignar propiedades de los materiales.

A continuacin vamos a asignar las propiedades definidas en el apartado 3.1, para ello

procedemos a seleccionar la geometra y aplicarle las propiedades anteriores.

Para la introduccin de estos datos en SAP2000, vamos a hacerlo a partir del men

principal Define>Materials.

A continuacin empezamos por definir las propiedades de los materiales.

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Modificamos y definimos las propiedades del hormign

3.3.- Definir y Asignar Secciones.

A continuacin vamos a definir y asignar las diferentes secciones que tenemos en

nuestro modelo y que tambin se han definido en el punto 3.1 del presente ejercicio,

para ello procedemos a definir la seccin.

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Modificamos sobre la seccin existente, creando una para los pilares y otra para las

riostras.

Se le asignan las dimensiones

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Haremos lo mismo para la seccin de las vigas riostras, para a continuacin definir las

secciones de los elementos de tipo Shell.

Corregimos el tipo de elemento propuesto, por un elemento de tipo Shell y le

modificamos los espesores de los elementos a 0,40 metros para la base y la cubierta

alzados y 0,30 metros para los alzados.

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Por ltimo, en este apartado, procedemos a seleccionar los objetos y aplicarle las

propiedades anteriores, empezaremos con los diferentes elementos de tipo Shell de

base, alzados y cubierta.

Cambiamos a dos ventanas de trabajo y se selecciona en una de ellas el plano XY y la

cota determinada.

Se le asignar la base, procederemos igual con el resto de elementos.

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Procedemos a asignarle la seccin ya definida a los elementos de tipo Frame, en

riostras y pilares.

Para hacer la de los pilares, procederemos por etapas.

Y cuando asignemos todas las secciones y hagamos la extrusin nos dar la seccin

correcta

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Dado que necesitamos tener un tamao del elemento menor, vamos a proceder a

dividir, cada una de las caras. Para ello seleccionamos un cuadrante y procedemos a

dividir.

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Hacemos la divisin segn nos interese en cada eje en el modelo

Nos aparece este nuevo men

Procedemos a hacer las divisiones correspondientes en el resto de las caras.

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4.- Cargas.

Dado que se trata de una estructura de hormign armado, la normativa que vamos a

utilizar es la EHE-08.

4.1.- Definicin y asignar.

Las acciones que vamos a considerar son las derivadas de la sobrecarga que produce el

agua residual que contiene, los equipos electromecnicos y el empuje horizontal de

tierras sobre los alzados:

Equipos electromecnicos.

Se va a tomar como sobrecarga debido a los equipos electromecnicos que se colocan

en su interior en su base, equivalente a una sobrecarga uniforme de 5,00 KN/m2.

Cargas debido al empuje del agua.

Las cargas procedentes del empuje del agua o empuje hidrosttico es una ley

triangular que se va a obtener multiplicando la densidad del agua por la profundidad

considerada, esto se calcular de la siguiente forma:

Donde:

eu es el empuje unitario del agua.

agua es el peso especfico del agua.

Z es la profundidad del agua.

Si sustituimos con nuestros datos obtendremos

Sobrecarga sobre la cubierta.

Se considerar una sobrecarga sobre la cubierta para consideraciones de

mantenimiento, equivalente a una sobrecarga uniforme de 2,00 KN/m2.

Pasamos a continuacin a definir las cargas en el programa

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Para aplicar las cargas procedemos a seleccionar los nodos correspondientes y se le

asignan las cargas de cada hiptesis anteriormente mencionada.

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Para asignar las cargas en los alzados, es necesario crear lo que el programa llama

Joint Patterns, para ello se seleccionan los hastiales y se define el patrn de nodos.

En el siguiente submen, nos encontramos que hay que definir como vara la

sobrecarga a lo largo del hastial, en este caso es una ley lineal

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A continuacin una vez definida como vara la carga a lo largo del alzado, es necesario

introducir la carga, para ello, seleccionamos de nuevo los alzados y se le asigna una

carga de superficie y a su vez una presin sobre la misma.

Para aplicar la carga es necesario, seleccionamos que la carga se aplica mediante Joint

Pattern y el multiplicador, que nos da la orientacin.

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4.2.- Combinaciones.

Una vez que hemos definido en el apartado anterior las acciones que actuaran sobre el

depsito elevado, es necesario definir las combinaciones de cargas que nos van a dar

los estados lmite ltimos y de servicio de la estructura.

Con ello, las hiptesis de combinacin de acciones a tomar en consideracin para el

dimensionamiento de depsitos elevados, en estado ltimo ser la siguiente:

i. 1,35*Peso propio de la estructura + 1,50*Sobrecarga de los equipos +

1,50* Empuje del agua + 1,50*Sobrecarga cubierta.

De la misma forma el estado lmite de servicio que nos servir para comprobar

deformaciones y dimensionar cimentacin ser:

i. 1,00*Peso propio de la estructura + 1,00*Sobrecarga de los equipos +

1,00* Empuje del agua + 1,00*Sobrecarga cubierta.

Para definir estas combinaciones de carga, procederemos a entrar en definir (Define) y

dentro en el submen de Combinacin de cargas (Load Combinations), nos aparecer

de nuevo otro men como el indicado en la pgina siguiente. En l tendremos que

crear las tres hiptesis de carga con los coeficientes de mayoracin antes indicados.

5.- Condiciones de contorno.

Una vez que se han aplicado las cargas, se necesita indicar cules son las condiciones

de contorno de nuestra estructura, dado que se trata de una estructura enterrada,

vamos a tener una interaccin terreno estructura en la cimentacin.

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5.1.- Cimentacin.

La coaccin existente en los nodos de la cimentacin, se va a modelizar mediante un

empotramiento, para ello seleccionaremos estos nodos y le asignaremos una

condicin de movimientos y giros nula.

6.- Clculo.

Con todos los datos ya introducidos, procedemos a resolver la estructura, para ello si

entramos en el men

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Nos aparece este men sobre el que presionamos Run Now para que resuelva el

modelo

7.- Resultados.

En esta ltima etapa del post-proceso, podemos comprobar los resultados obtenidos.

7.1.- Desplazamientos y giros.

Para obtener los desplazamientos y giros nos basta con entrar en el icono del men

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Una vez pulsado nos opcin de poder escoger entre los diferentes estados de cargas y

las hiptesis introducidas.

Por ltimo si colocamos el ratn sobre los nodos podemos comprobar los movimientos

y giros en cada uno de los nodos.

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7.2.- Reacciones.

Para obtener las reacciones en cada uno de los nodos, entramos de nuevo en el men

principal.

Y le podemos indicar la reaccin frente a los diferentes estados de cargas y las

hiptesis introducidas.

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Los resultados aparecern expresados de la siguiente forma

7.3.- Esfuerzos.

Los esfuerzos a que estar sometida nuestra estructura, se obtienen a travs de entrar

de nuevo en el men principal.

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Y nos dar un submen para escoger hiptesis y tipo de esfuerzo.

Se obtendr la salida del esfuerzo y el caso de carga escogido

Si pasamos con el ratn por encima de cada elemento Frame o Joint nos aparecer un

valor sobre l, pero s que remos ver cada uno de los elementos es mejor editarlos,

para ello nada ms que pincharlo con el botn izquierdo del ratn y editarlo pinchando

con el derecho.

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7.4.- Impresin de resultados.

Para imprimir los resultados anteriores, es necesario cada vez que necesitemos

imprimir un dato de entrada o un resultado entrar en el men principal y mediante la

configuracin de la impresora File>Print Setup for Graphics, nada ms que indicarle

que nos imprima o bien las grficas en File> Print Graphics o bien el listado de clculo

en File> Print Tables.

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7.5.- Listado de clculo.

Si en vez de imprimir el resultado de las grficas, seleccionamos Print Tables, se

obtendr

Aqu podremos seleccionar el tipo de archivo que queremos de salida as como los

datos de entrada y salida que necesitamos.