desempeÑo sismico de reservorios elevados con …

__________________________________________________________________ Autor 1: Luis Wilmer Núñez Echaccaya, email: [email protected] 1

DESEMPEÑO SISMICO DE RESERVORIOS ELEVADOS CON SOPORTE TIPO

MARCO EN ICA

ING. LUIS WILMER NUÑEZ ECHACCAYA Resumen:

Los Sismos demostraron en el Perú, la vulnerabilidad de los reservorios elevados con estructura de soporte tipo marco o pórticos (vigas-columnas), como el caso de los reservorios construidos en la provincia de Ica, departamento Ica, que varían en las capacidades entre 500 a 1000 m3, y con alturas entre 10 a 30 metros (03 casos de estudio). Con daños importantes en la estructura de soporte, debido a la concentración de esfuerzos en los nudos entre vigas-columnas.

A causa de este efecto, resulta conveniente considerar los tanques

elevados para agua, como un caso especial de péndulo invertido y que se modulan como estructuras con dos o más grados de libertad, y con el uso del programa SAP 2000, se hace la representación de las solicitaciones sísmicas (método dinámico).

No obstante, por la disponibilidad de software accesible, se convierte las características del sistema de un grado de libertad equivalente, como el NonLin IDA, para tal, se seleccionó 10 registros sísmicos (sismos peruanos-chilenos) para un suelo tipo S1 (Ica), cuyas plateas generadas se encuentran en el rango entre 0.4 s hasta 0.6 s, con esto asumimos que estamos sobre suelos blandos pudiendo ser estos de tipo 2 o 3.

Con el análisis dinámico incremental (IDA), con valores de Sa, entre 0.10g

y 3g, en incrementos de 0.10g, usando la curva de peligro, se verificó el desempeño de estos reservorios como, Pórticos No Dúctiles de concreto armado, cuyos resultados de distorsión oscilan entre 1.48% a 3.10%, superiores a 1.00%, el cual representa el Colapso, determinándose de esta manera, que el desempeño de estas estructuras resultan ser No aceptables para suelos blandos en la Zona

En la franja costera del Perú, desde Tumbes hasta Tacna, existen más de 200 reservorios elevados, construidos con el mismo sistema, cuyo gasto aproximado en el reforzamiento, representaría más 2 de millones de dólares. Frente a la apatía del estado Peruano y muchas otras limitaciones, es probable enfrentar esforzándonos en comunicar como Ingenieros Civiles.


1. INTRODUCCIÓN

Los reservorios elevados con soporte tipo marco (vigas, Columnas), son depósitos de agua y que se consideran como servicios importantes de una ciudad. Su desempeño durante terremotos fuertes es una preocupación crítica. No deben fallar después de un terremoto, de modo que puedan ser utilizados para satisfacer las necesidades esenciales suministro de agua potable y la extinción de incendios.

El fracaso de estas estructuras de agua puede causar algunos de los riesgos para la salud de la ciudad debido a la escasez de agua o la dificultad de la extinción de incendios en condiciones críticas.

El sismo de Pisco demostró la vulnerabilidad de los reservorios elevados con estructura de soporte tipo marco, como es el caso del reservorio de agua elevado de Ica de 500 m3 el cual presentó daños importantes en la estructura de soporte (concentración de esfuerzos en los nudos viga-columna), ocasionado principalmente por los excesivos desplazamientos laterales, resultado de su poca rigidez lateral.

Muy pocos estudios se han centrado en el comportamiento de los tanques elevados. Por lo tanto, la atención se centra generalmente en el comportamiento dinámico del fluido y / o la estructura de soporte.

Diseños sísmicos de estos tanques se hacen en los diferentes países siguiendo los códigos acreditados y bien conocidas como IBC, UBC y ACI.

No hay certeza sobre el desempeño práctico de estas estructuras durante los terremotos debido a sus complejidades por tanto, se necesitan más estudios de investigación.

2.-ANTECEDENTES


En el sismo de San Fernando, California (1971), los daños presentados fueron en las uniones soldadas o remachadas de los tanques metálicos, los cuales tenían algunos más de 40 años de construidas. Los modos más frecuentes de daño se debieron al pandeo de la cáscara en la base, desplazamiento horizontal en su cimentación y rotura de las tuberías de abasto y salida, en especial en las conexiones. El sismo de 1979 en el área de Los Ángeles, California causó serios daños en tres Reservorios Elevados. En uno de ellos, con 380m3 de capacidad construidos en 1962, el sistema de arriostramiento diagonal sufrió daños considerables. En el Centro, un reservorio construido en los años 30 y habiendo por tanto soportado el terremoto de 1940, experimentó grandes alargamientos en las barras diagonales del nivel superior, pandeo en los puntales y falla en los pernos de anclaje en las planchas de apoyo. El sismo de Nasca en noviembre de 1996, en el Reservorio Elevado “Bisambra”, se observaron grietas en las vigas de los dos primeros anillos en la zona del encuentro con las columnas.

Figura Nº 01

Presencia de grietas en las conexiones Viga-Columna.

En el terremoto reciente en Bhuj el 26 de enero del 2001 (India), en el pueblo de chobari y Manfera los reservorios elevados de agua con estructura de soporte (Fuste y Columna-Viga) colapsaron. El colapso se debió a que los reservorios elevados no soportaron las fuerzas laterales inducidas por el sismo

3.- ANÁLISIS

Figura Nº 02.

Colapso de un Reservorio Elevado de agua de 265m3 con estructura de soporte tipo fuste, en el pueblo de Chobari a 20km del epicentro. El reservorio se encontraba a medio llenar durante el terremoto.


3.1 MODELO Y CARACTERISTICAS

Tomaremos el reservorio elevado con soporte tipo marco el de 500 m3, para realizar los análisis por desempeño

Reservorio Elevado Cachiche

25 m3

Reservorio Elevado Huanuco

105 m3

Reservorio Elevado Pucallpa

130 m3

Reservorio Elevado San Isidro 300 m3

Reservorio Elevado Nazca

500 m3

Ubicación del reservorio Ica Huanuco Ucayali Lima Ica- Nazca

Fecha de diseño del reservorio 1960 2005 2006 1950 1940

Fecha de construccion del reservorio 1960 2006 2006 1950 1940

Existia norma sismica en el Peru No Si Si No No

Fuerza lateral considerado en el diseñoViento (250

Kg/m2X0.77)

0.10 - 0.20 W 0.10 - 0.20 W Viento (250

Kg/m2X0.77)

Viento (250

Kg/m2X0.77)

Resistencia del concreto f'c 210 Kg/cm2 210 Kg/cm2 210 Kg/cm2 210 Kg/cm2 210 Kg/cm2

Resistencia del acero f'y 4200 Kg/cm2 4200 Kg/cm2 4200 Kg/cm2 4200 Kg/cm2 4200 Kg/cm2

Peso unitario del concreto 2400 Kg/m3 2400 Kg/m3 2400 Kg/m3 2400 Kg/m3 2400 Kg/m3

Peso unitario del agua 1000 Kg/m3 1000 Kg/m3 1000 Kg/m3 1000 Kg/m3 1000 Kg/m3

Aceleracion de la gravedad 9.8 m/s2 9.8 m/s2 9.8 m/s2 9.8 m/s2 9.8 m/s2

Calidad del suelo de cimentacion Regular Bueno Regular Regular Regular

Tipo de reservorio Circular Circular Intze Intze Intze

Capacidad del reservorio 25 m3 105 m3 140 m3 300 m3 500 m3

Borde libre del agua 0.32 m 0.40 m 0.20 m 0.20 m 0.20 m

Altura de soporte 15.62 m 19.00 m 14.15 m 18.98 m 13.51 m

Altura de cuba 2.40 m 3.70 m 5.00 m 7.15 m 7.20 m

Diametro de cuba 4.10 m 4.41 m 4.41 m 9.89 m 12.70 m

Numero de columnas 6 6 8 6 6

Disposicion de las columnas circunferencial circunferencial circunferencial circunferencial circunferencial

Disposicion de las vigas circunferencial circunferencial circunferencial circunferencial circunferencial

Separacion de arriostres de columnas 3.00 m 4.00 m 4.50 m 4.70 m 3.90 m

Diametro inferior de soporte 3.55 m 8.73 m 11.26 m 10.28 m 9.20 m

Diametro superior de soporte 3.55 m 5.54 m 7.40 m 6.50 m 8.44 m

Dimension de las columnas 0.25 m x 0.25 m Angulos 0.30X.23 0.40 m x 0.50 m 0.60 m x 0.40 m 0.60 m x 0.80 m

Dimension de las vigas 0.20 m x 0.20 m 0.30 m x 0.30 m 0.40 m x 0.60 m 0.60 m x 0.80 m

Dimensiones de las vigas de arriostre 0.20 m x 0.20 m 0.20 m x 0.30 m 0.25 m x 0.50 m 0.30 m x 0.50 m

Espesor del sector cilindrico de la cuba 0.20 m 0.20 m 0.15 m 0.25 m 0.15 m

Espesor de la losa/cupula de fondo 0.25 m 0.40 m 0.15 m 0.25 m 0.20 m

Espesor de la losa/cupula superior 0.15 m 0.10 m 0.07 m 0.06 m 0.06 m

Dimension de la viga de anillo de fondo 0.20 m x 0.20 m 0.30 m x 0.40 m 0.40 m x 0.50 m 0.30 m x 0.50 m 0.60 m x 0.80 m

Dimension de la viga de anillo medio 0.25 m x 0.50 mDimension de la viga de anillo superior 0.20 m x 0.20 m 0.30 m x 0.40 m 0.20 m x 0.30 m 0.40 m x 0.40 m 0.25 m x 0.50 m

Reservorio Elevado Cachiche 25 m3

Reservorio Elevado Huanuco 105 m3

Reservorio Elevado Pucallpa 130 m3

Reservorio Elevado San Isidro 300 m3

Reservorio Elevado Nazca 500 m3

Software empleado SAP 2000 V12 SAP 2000 V12 SAP 2000 V12 SAP 2000 V12 SAP 2000 V12

Tipo de analisis estructural Linealmente Elastico Linealmente Elastico Linealmente Elastico Linealmente Elastico Linealmente Elastico

Fuerza sismica Reducida Reducida Reducida Reducida Reducida

Modulo elasticidad E=15000 √f'c 2173706 Tn/m2 2173706 Tn/m2 2173706 Tn/m2 2173706 Tn/m2 2173706 Tn/m2

Modelo de las columnas y vigas Elemento Frame Elemento Frame Elemento Frame Elemento Frame Elemento Frame

Modelo de la cuba Elemento Shell Elemento Shell Elemento Shell Elemento Shell Elemento Shell

Masa impulsiva de agua Mo 1.29 Tn x s2/m 2.79 Tn x s2/m 7.46 Tn x s2/m 13.62 Tn x s2/m 18.17 Tn x s2/m

Masa convectiva del agua M1 1.00 Tn x s2/m 6.22 Tn x s2/m 5.43 Tn x s2/m 13.38 Tn x s2/m 25.78 Tn x s2/m

Rigidez equivalente del agua K 9.71 Tn/m 21.44Tn/m 30.25Tn/m 51.63Tn/m 70.50Tn/m

Ubicación Mo - fondo de cuba ho 0.71 m 0.71 m 1.29 m 1.47 m 1.48 m

Ubicación M1 - fondo de cuba h1 1.11 m 1.51 m 2.06 m 2.24 m 2.17 m


Fig 03 Modelo 3d de reservorio con soporte tipo marco de

500 M3 de capacidad


3.1.- ANALISIS NO LINEAL ESTATICO- PUSHOVER.

Atreves del análisis no lineal estativo – pushover, determinamos la curva de capacidad, para obtener valores que ingresaremos al Nonlin


Fig 04

Rotulas plásticas

Fig 05

Comparando las curvas se observa que la curva más crítica está a 20°. Comparando las curvas, la más crítica es considerando una carga puntual que una distribuida, de ello se determina .

K1=147/0.0385 = 3818T/m

0

500

1000

0.00 0.50 1.00 1.50

CORTA

NTE

EN LA BASE (T)

DESPLAZAMIENTO (m)

CURVA DE CAPACIDAD CON CARGA MODAL

0°

10°

0

1000

2000

0.00 0.50 1.00 1.50

CORTA

NTE

EN LA BASE (T)

DESPLAZAMIENTO (m)

CURVA DE CAPACIDAD CON CARGA PUNTUAL

0°

10°

0

200

400

600

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40

CORTA

NTE

EN LA BASE (T)

DESPLAZAMIENTO (m)

CURVA DE CAPACIDAD A 20°

CP


K1=3818T/m

Fluencia=287 T

K2=(337-311)/(0.157-0.075)

K2=26/0.082=317T/m

K2/K1=8.3%

Masa=137500.00 KN

Periodo Fundamental de la Estructura T=3.81 s (sap 2000)

3.2.- ANÁLISIS TIEMPO HISTORIA

Ingresamos los registros al Nonlin, para desarrolla un análisis no lineal, con los registros sísmicos considerados: Modelo matemático SDOF

Fig 06

Tenemos un modelo de 1 grado de libertad Luego seleccionamos 10 registros sísmicos

Concepción 1 (escalado) Concepción 2 (escalado)


Talca 1 (escalado) Talca 2 (escalado)

Constitución 1 (escalado) Constitución 2 (escalado)

Fig. 07

Registros sísmicos tomados

h=13.51 m

Peligro PGA Concepcion 1 Concepcion 2 Talca 1 Talca 2 Constitucion 1 Constitucion 2

Frecuente 0.21 6.1897 6.2657 2.0661 2.9988 4.2806 3.01

Ocasional 0.31 9.1797 8.7439 3.0499 4.4268 6.3190 4.4606

Raro 0.4 9.4781 12.6156 3.9354 5.712 8.1763 5.7557

Muy Raro 0.7 21.481 16.9627 6.8869 8.3091 11.5509 8.8061

Frecuente 0.21 0.00458 0.00464 0.00153 0.00222 0.00317 0.00223

Ocasional 0.31 0.00679 0.00647 0.00226 0.00328 0.00468 0.00330

Raro 0.4 0.00702 0.00934 0.00291 0.00423 0.00605 0.00426

Muy Raro 0.7 0.01590 0.01256 0.00510 0.00615 0.00855 0.00652

Frecuente 0.21 2383.7091 2394.6570 793.7125 1144.9447 1144.9447 1642.9367

Ocasional 0.31 3056.0934 3010.1352 1171.6708 1699.2601 2425.2875 2425.2875

Raro 0.4 3076.4517 3187.0739 1638.8294 1194.6000 2992.9704 2206.7952

Muy Raro 0.7 3429.3235 3347.2769 2645.7084 3025.7444 3167.5861 3021.4955

Desplazamiento (cm)

Drift

Cortante Base (KN)

DESEMPEÑO DEL RESERVORIO ELEVADO TIPO MARCO EN UN MODELO MATEMATICO SDOF ‐NONLIN


Por tanto, podemos apreciar los desplazamientos, y los cortantes en un modelo matemático SDOF, escalados a los niveles de peligro como: frecuente, ocasional, raro, y muy raro.

3.3.- ANÁLISIS DINAMICO INCREMENTAL-IDA

Suelo S1 Usando las características del Sistema de un Grado de Libertad Equivalente, además del Software NoLin IDA, se seleccionó 10 registros sísmicos para un suelo tipo S1 y se realizó el análisis dinámico incremental - IDA, con valores de SA entre 0.10g y 3g, en incrementos de 0.10g.


Fig. 08 Registros de aceleración seleccionados.


Fig. 09 Espectros de aceleración de cada registro.

Usando la curva de peligro se verifica el desempeño, para Pórticos No Dúctiles de Concreto Armado. Peligro sísmico para un factor de Z = 0.40 g (zona 3) con una probabilidad de 10% de ser excedida en un periodo de 50 años.

Calculamos la probabilidad según el PGA considerado:


Donde la probabilidad será P = 1/500 = 0.002

Se halla la máxima aceleración de diseño en función de la probabilidad hallada:

Por lo tanto se considerara una aceleración máxima de 2g para una probabilidad de 0.002. Hallamos el desplazamiento según los espectros señalados:


Desplazamiento máximo: 0.269m

Distorsión: 1.95%

Para pórticos no dúctiles de concreto se observa que para porcentaje > 1.50% se presenta COLAPSO de la estructura.

Para el cálculo de desplazamiento se ha indicado en el gráfico el desplazamiento máximo, sin embargo del NonLin se obtienen los siguientes desplazamientos :

∆ mín = 0.14m ∆ máx = 0.269m

∆ promedio = 0.204 m Distorsión = 1.48%


Con este valor de distorsión y para una altura de 13.8 m. para pórticos no dúctiles se observa que para este valor medio de distorsión de 1.48% > 1.00 % se presenta ídem el COLAPSO de la estructura.

El Desempeño de la Estructura resulta ser No Aceptable.

Suelo S2, S3

De la misma forma usando las características del Sistema de un Grado de

Libertad Equivalente, además del Software NonLin IDA, se seleccionó 10

registros sísmicos de chile (últimos sismos) para un suelo tipo S2 o S3 y

realizo el Análisis Incremental-IDA con valores de SA entre 0.10g y 3g, en

incrementos de 0.10g.


Fig. 10 Registros de aceleración seleccionados.

Fig. 11

Espectros de aceleración de cada registro.

Se observa los espectros donde las plateas generadas superan en

promedio 0.4 s hasta 0.6 s, con esto asumimos que estamos sobre

suelos blandos pudiendo ser estos de tipo 2 o 3.


Usando la Curva de peligro se verifico el desempeño, para Pórticos No

Dúctiles de Concreto Armado.

Peligro sísmico para un factor de Z = 0.30 g (zona 2) con una

probabilidad de 10% de ser excedida en un periodo de 50 años.

Calculamos la probabilidad según el PGA considerado:

Donde la probabilidad será P = 1/200 = 0.005

Se halla la máxima aceleración de diseño en función de la probabilidad

hallada:


Por lo tanto se considerara una aceleración máxima de 1g para una

probabilidad de 0.005. Hallamos el desplazamiento según los espectros

señalados:

Desplazamiento máximo: 0.610m

Distorsión: 3.95%

Para pórticos no dúctiles de concreto se observa que para porcentaje

> 1.50% se presenta COLAPSO de la estructura.

De los cálculos resulta los desplazamientos y la distorsión:


∆ mín = 0.225m ∆ máx = 0.610m

∆ promedio = 0.418 m Distorsión = 3.10%

Con este valor de distorsión y para una altura de 13.8 m. para pórticos no dúctiles se observa que para este valor medio de distorsión de 3.10% > 1.00 % se presenta ídem el COLAPSO de la estructura.

El Desempeño de la Estructura resulta ser No Aceptable para suelos blandos o intermedios ubicados en la zona 2.

4.- PROPUESTAS Y COSTOS DE REFORZAMIENTOS

4.1.- INCREMENTO DE SECCIONES.


4.2.-COLOCACION DE ARRIOSTRES CON TUBOS METALICOS.

S10

Costo al

Und. Precio $. Total $.

67,054.606,705.463,352.73

---------------77,112.7913,880.30

=========

90,993.09$

Lugar NAZCA-ICA-PERU

Presupuesto

Presupuesto PRESUPUESTO REFORZAMIENTO CON PLACAS RESERVORIO ELEVADO - TIPO 5

Item Descripción Metrado

SUB T OT A L

IGV 18%

C OST O D IR EC T O

GA ST OS GEN ER A LES 10%

SET 2 012

T OT A L P R ESUP UEST O

UT ILID A D 5%


S10

Costo al

Und. Precio $. Total $.

79,108.247,910.823,955.41

---------------90,974.4816,375.41

=========

107,349.88$

Presupuesto

Presupuesto PRESUPUESTO REFORZAMIENTO ARRIOSTRAMIENTO DIAGONAL

SET 2012

Lugar NAZCA-ICA-PERU

Item Descripción Metrado

C OST O D IR EC T O

GA ST OS GEN ER A LES 10%

UT ILID A D 5%

SUB T OT A L

IGV 18%

T OT A L P R ESUP UEST O


CONCLUSIONES

Se demuestra la vulnerabilidad sísmica de los tanques de agua elevados con soporte tipo marco, utilizando el diseño basado en el desempeño

La demanda del sistema se evalúa a un conjunto de los registros de sismos mediante el uso de análisis lineal y no lineal.

Para pórticos no dúctiles de concreto se observa que para porcentaje > 1.50% se presenta COLAPSO de la estructura, y de los cálculos resulta los desplazamientos y las distorsiones, por tanto el desempeño de la estructura resulta ser No Aceptable para suelos blandos o intermedios ubicados en la zona 2.

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parte 2: el comentario, la Agencia Federal para el Manejo de

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