PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES - LOS CAMBULOS MANIZALES

CAMARA BYPASS

MANIZALES - 2019

Criterios de Diseño

Propiedad de los Materiales

Todas las estructuras de concreto deben diseñarse con los siguientes parámetros:

Resistencia a Compresión del Concreto (f'c) 28 MPaModulo de Elasticidad del Concreto (Ec) 24,870 MPa

Acero de Refuerzo ASTM A615 grado 60Esfuerzo de fluencia (Fy) 420 MPa

Modelación Computacional

INFORMACIÓN GENERAL

Los cálculos estructurales presentados a continuación son desarrollados para laestructura de las camaras bypass. El sistema estructural corresponde a muros deconcreto reforzado (tanque) apoyado sobre el terreno.

El análisis de la estructura se realiza por medio del software especializado deelementos finitos, el cual permite realizar análisis estático, análisis dinámico, obtenciónde fuerzas internas y deflexiones, y verificación de diseño de elementos en concreto yacero de acuerdo a los parámetros establecidos por la NSR-10.

Caracteristicas Geometricas de Tanque

Dimensiones Internas

Altura Interna muros Hw: m

Diámetro Interno D: m

Predimensionamiento

Muros

Espesor de muros mínimo 1 tmin: m C.23-C.14.6.1

Espesor de muros mínimo 2 tmin: m C.23-C.14.6.2

Espesor escogido de muros tm: m

Losa sobre Terreno

Espesor de losa mínimo 1 tmin: m (1 parrilla)C.23-C.15.14.3.1

Espesor de losa mínimo 2 tmin: m (ParrillaA&B)C.23-C.15.14.3.1

Espesor escogido de losa tm: m

0.10

0.15

0.30

5.85

1.80

DISEÑO DE DIGESTORES

0.20

0.30

0.30

Cargas Actuantes

Carga en Cubierta

Wt: kN/nodo

Caracteristicas Sísmicas y de Suelo

Aa: Av: Suelo Tipo:

Fa: Fv. I:

T0: s Tc: s TL: s

ϒ: kN/m3 Ø: °

Empuje del Suelo

La condiciones de empuje del suelo, se estiman para un material típico de relleno no cohesivo.

ϒ: kN/m3 Ø: ° Ka:

Hw: m Hs: m Kp:

Altura de muro Altura de Suelo

h p5.9 05.9 0

0 15.6

0.25 0.25 C

1.15 1.55 1.50

3.72

0.33

3.00

0.13 0.65

18.0 30.0

8.0 30.0

5.9 5.85

4.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5

Alt

ura

[m]

Empuje del suelo en condición estática [kN/m2]

Empuje de Suelo Estático

Empuje del Suelo + Nivel freático

ϒw: kN/m3 ϒd: kN/m3 Hf: m

Altura nivel freático

h p5.9 05.9 0

0 54.6

Empuje del suelo pseudo-estático

ϒ: kN/m3 Hs: m

kh Se toma Aa de acuerdo a la NSR-10 (Tabla A.2.3-2)

α:

18.0

-2.0 5.85

Debido a que se presenta un nivel freático alto, se considera conveniente obtener las fuerzas del sueloteniendo en cuenta la presión de agua freática, en vez de considerar solo el suelo en condición normal.

10.0

0.25

0.64

5.9

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Alt

ura

[m]

Empuje del suelo en condición estática [kN/m2]

Empuje Suelo Estático + Nivel Freático

qo: kN/m2

H/6: m H/3: m H/2: m

h p0.0 05.9 04.9 16.852.9 16.80.0 0

Calculo de Altura de Ola:

HL: m Iteración I: AIS 180 - 7.6.1-c

Lado Largo

D: m

Tco: s

Saco:

δ: m

HL: m Altura máxima de Operación

0.376

5.47

1.80

1.40

0.497

5.00 1.00

1.0 2.0 2.9

16.8

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Alt

ura

[m]

Empuje del suelo en condición pseudoestática [kN/m2]

Empuje de Suelo Pseudoestático

Peso de Elementos y Liquido Almacenado

Elementos Estructurales ϒ: kN/m3

Muros Wm: kN

Losa sobre Terreno Wl: kN

Tapa Wt: kN

Peso Total Estructura W: kN

Liquido Almacenado ϒ: kN/m3

Peso Total Liquido WL: kN

Presión Hidrostática - Suposición de Tanque lleno

Hp: m ϒ: kN/m3

Puntos 5.85 05.00 0

0 500 0

4

314

10

149

5.00 10.00

24

278

33

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

0 10 20 30 40 50 60

Pro

fun

did

ad[m

]

Presión Hidrostática [kN/m2]

Presión Hidrostática

Fuerzas Hidrodinámicas - AIS 180, ACI 350-06

Hw: m HL: m ML: kg

Lado Largo

D: m

Wi: kN Wc: kN

hi: m hc: m

hi': m hc': m

λ: Tco: s

I: Ri:

Rc: Sai: g

Saco: g

ε:

1.08

0.746

Coeficiente de Masa Efectiva

0.954

Caracteristicas Sísmicas AIS 180

1.50 2.00

1.50

Periodo Para Masa Impulsiva

La Masa Impulsiva se considera que actua para periodos sismicosbajos, por debajo de Tc.

Periodo Para Masa Convectiva

6.01 1.40

4.51

4.511

Posición Centro de Gravedad IBP

2.250

12

Masa Impulsiva - Masa Convectiva

144

Posición Centro de Gravedad EBP

2.331

5.85 5.00 15175

1.80

Sav: g

Ww: kN Ww': kN

Pw: kN Pw': kN

Pr: kN Pi: kN

Pc: kN

V: kN

Mw: kN.m Mr: kN.m

Mi: kN.m Mc: kN.m

Mi': kN.m Mc': kN.m

M: kN.m M': kN.m

FSD: FSV:

Factor de Seguridad a Deslizamiento y Vuelco

13

181 28

Cortante Total en la Base

223

Momentos en Base y Vuelco

418

2 78

6

1.20 0.69

175 28

613 606

139

143 71

Aceleración Vertical

0.72

Fuerzas Dinámicas

278

Presiones - Fuerzas Dinámicas

Pwy: kN/m

Pvy0 kPa PvyHL kPa

Piy0 kN/m PiyHL kN/m

Pcy0 kN/m PcyHL kN/m

Py0 kN/m PyHL kN/m

py0: kN/m pyHL: kN/m

Distribución de Presiones Dinámicas

h px pyPuntos 5.85 0 0

5.00 0 05.00 4.2 ####

0 14 ####

4.22

38.92 11.94

13.76

Presión Convectiva

-0.87 2.09

Presiones Totales - Lineal Equivalente

0.00

Presión Impulsiva

9.35 6.20

Presión Inercial

5.56

Presión Vertical

35.94

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

0 5 10 15

Alt

ura

[m]

Presión Hidrodinámica [kN/m]

Presión Hidrodinámica

Combinaciones de Diseño

Cuantías mínimas

Separación entre Juntas 6 m ρmin: Total

ρmin: Por cara

0.0030

0.0015

Modelo Tridimensional y Cargas Aplicadas

Modelo matemático aplicado:

Representación del suelo:

Se presenta a continuación la capacidad portante y modulo de subrasante dados por en el estudio de suelos:

Capacidad portante qadm= 731.86 kN/m2

Modulo de reación ks= kN/m2/m

Área aferente: 0.3965 m2 ksv: 59475 kN/m

ksr: No se plantea rigidez a rotación

ksh:

Se realizó un modelo matemático de elementos finitos utilizando el software especializado para dicha labor.Para modelar el comportamiento de los muros y las losas, se utilizaron elementos tipo "Plate", discretizandolos mediante un enmallado de tamañoinferior a 0.50 x 0.50 m.

150000

Se plantea representar el suelo como resortes verticales desacoplados con solo capacidad a compresión(Método de Winkler, 1867) este método asume un modelo rígido del suelo por medio de resortes, paralos cuales la constante de rigidez se calcula multiplicando el modulo de reacción de la subrasante por elárea aferente.

Debido a que es una estructura enterrada se esperaque la presión pasiva del suelo sea suficiente paraevitar desplazamientos horizontales, esto serepresentara como una restricción al desplazamientohorizontal o una rigidez muy alta.

Cargas consideradas:

Descripción gráfica del modelo:

Nombre de los elementos:

Modelo 3D Planta de resortes en cimentación

Peso propio del tanque, Empuje activo del suelo, Sismo del suelo, Empuje de Agua (Estanqueidad), Sismo del agua.

1. Muros 2. Losa

Cargas aplicadas:

Carga muerta - peso propio Carga viva

Empuje del agua Empuje Sismico del Agua

Empuje activo del suelo Sismo del suelo

Resultados Modelo Estructural:

Momentos MY Muro y losa [kN.m/m]

Momentos MX Muro y losa [kN.m/m]

Esfuerzo axial circunferencial Muro y losa [kN/m2]

Esfuerzo cortante máximo Muro y losa [kN/m2]

Diseño de Elementos Estructurales

Refuerzo de elementos:

Cuantias Mínimas y máximas :

f'c = 28.00 MPa ρmín.TEMPERATURA. = 0.0015 por cara

Ec= 24870 MPa ρmín.Flex. = 0.0033 1,4/fY

ρmax. = 0.0213 0.75*rb

fy= 420.0 MPaEs= 204000 MPa

Recubrimiento : d' = 0.075 m

FLEXIÓN (REFUERZO VERTICAL) Muros

Positivo Externo

Negativo Interno

B [m] H [m] d [m]Mu

[kN-m]k (MPa) ρcalc ρdiseño As [mm2] Barra # Sreq [m] Soptado [m] ρusado

1.00 0.15 0.08 0.60 107 0.0003 0.0015 225 4 0.57 0.20 0.0086

1.00 0.15 0.08 0.60 107 0.0003 0.0015 225 4 0.57 0.20 0.0086

1.00 0.30 0.23 11.00 217 0.0006 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029

1.00 0.30 0.23 11.00 217 0.0006 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029

1.00 0.30 0.23 18.00 356 0.0009 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029

1.00 0.30 0.23 18.00 356 0.0009 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029

1.00 0.30 0.23 4.00 79 0.0002 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029

1.00 0.30 0.23 4.00 79 0.0002 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029

FLEXIÓN (REFUERZO HORIZONTAL)

B [m] H [m] d [m]Mu

[kN-m]k (MPa) ρcalc ρdiseño As [mm2] Barra # Sreq [m] Soptado [m] ρusado

1.00 0.15 0.08 0.10 18 0.0000 0.0015 225 4 0.57 0.20 0.0086

1.00 0.15 0.08 0.10 18 0.0000 0.0015 225 4 0.57 0.20 0.00861.00 0.30 0.23 2.00 40 0.0001 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.00291.00 0.30 0.23 2.00 40 0.0001 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.00291.00 0.30 0.23 18.00 356 0.0009 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.00291.00 0.30 0.23 18.00 356 0.0009 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.00291.00 0.30 0.23 10.00 198 0.0005 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.00291.00 0.30 0.23 10.00 198 0.0005 0.0015 450 4 0.29 0.23 0.0025

TRACCIÓN (REFUERZO HORIZONTAL - CIRCUNFERENCIAL)

Tu

[kN]

fc

[MPa]

As calc

[mm2]

As min

[mm2]

As cara

[mm2]Barra # Sreq [m] Soptado [m]

16.80 0.11 44 450 225 4 0.57 0.2080.10 0.27 212 450 225 4 0.57 0.201.20 0.00 3 900 450 4 0.29 0.201.50 0.01 4 900 450 4 0.29 0.20Losa (Borde Muros)

Elemento

Losa Cara Externa (Borde)

Elemento

Muros (Mitad)Muros(Bordes)Losa (Mitad)

Losa Cara Interna (Mitad)

Muros Cara Externa (Mitad)Muros Cara Interna (Borde inf)Muros Cara Externa (Borde inf)Losa Cara Interna (Mitad)Losa Cara Externa (Mitad)Losa Cara Interna (Borde)

Muros Cara Interna (Mitad)

Concreto :

Acero :

Elemento

Muros Cara Interna (Mitad)

Muros Cara Externa (Mitad)

Losa Cara Externa (Mitad)

Losa Cara Interna (Borde)

Muros Cara Interna (Borde inf)

Muros Cara Externa (Borde inf)

Losa Cara Externa (Borde)

� � = ∅� � � 1 − 0.59�� �

� ′�� � �

� � = ∅� � � 1 − 0.59�� �

� ′�� � �

CORTANTE

Se configura un plano de cortante? SíTipo de plano de cortante:

Coeficiente de rugosidad µ = 1.00

1.00 0.15 0.08 40.00 661.441.00 0.30 0.23 110.00 661.441.00 0.30 0.23 180.00 661.441.00 0.30 0.23 270.00 661.44

CONTROL DE AGRIETAMIENTO

Condiciones ambientales:

Mserv

[kN-m]

L / H

[m/m]nρ k fs [ksi]

fs lim

[ksi]β Barra # s [m] s máx [m] Cumple?

0.40 < 2.0 0.0688 0.308 1.34 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK0.40 < 2.0 0.0688 0.308 1.34 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK9.00 < 2.0 0.0229 0.192 9.61 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK9.00 < 2.0 0.0229 0.192 9.61 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK

14.00 < 2.0 0.0229 0.192 14.95 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK14.00 < 2.0 0.0229 0.192 14.95 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK4.00 < 2.0 0.0229 0.192 4.27 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK4.00 < 2.0 0.0229 0.192 4.27 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK

Mserv

[kN-m]

L / H

[m/m]nρ k fs [ksi]

fs lim

[ksi]β Barra # s [m] s máx [m] Cumple?

0.10 < 2.0 0.0688 0.308 0.33 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK0.10 < 2.0 0.0688 0.308 0.33 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK0.10 < 2.0 0.0229 0.192 0.11 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK0.10 < 2.0 0.0229 0.192 0.11 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK

14.00 < 2.0 0.0229 0.192 14.95 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK14.00 < 2.0 0.0229 0.192 14.95 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK8.00 < 2.0 0.0229 0.192 8.54 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK8.00 < 2.0 0.0199 0.181 9.78 20.00 1.35 4 0.23 0.30 OK

ESFUERZO POR TRACCIÓN (REFUERZO HORIZONTAL - CIRCUNFERENCIAL)

T

[kN]

As opt.

[mm2]n εsh Ac [mm2]

fc

[MPa]

fclim

[MPa]Cumple?

10.65 645 8 0.0003 150000 0.32 2.8 OK63.00 645 8 0.0003 150000 0.6604 2.8 OK1.20 645 8 0.0003 300000 0.1333 2.8 OK1.50 645 8 0.0003 300000 0.1343 2.8 OKLosa (Borde Muros)

Muros Cara Externa (Mitad)Muros Cara Interna (Borde inf)Muros Cara Externa (Borde inf)Losa Cara Interna (Mitad)Losa Cara Externa (Mitad)

Elemento

Muros (Mitad)Muros(Bordes)Losa (Mitad)

Losa Cara Externa (Borde)

Muros Cara Interna (Borde inf)Muros Cara Externa (Borde inf)Losa Cara Interna (Mitad)Losa Cara Externa (Mitad)Losa Cara Interna (Borde)

Elemento

Muros Cara Interna (Mitad)Muros Cara Externa (Mitad)

Muros Cara Interna (Mitad)

Muros(Bordes) NO REQUIERE

Losa (Mitad) NO REQUIERE

Losa (Borde Muros) NO REQUIERE

Severas

Refuerzo Vertical

Elemento

ϕvckN/m2

Requiere

refuerzo?Muros (Mitad) NO REQUIERE

Elemento B [m] H [m] d [m] vu kN/m2

Sección de análisis a 'd' de la cara del apoyo

Refuerzo Horizontal

Losa Cara Interna (Borde)Losa Cara Externa (Borde)

Concreto intencionalmente rugoso

� � � � � =� � �

� � � � � � �� �

�

��[ksi]

Condiciones Ambientales Normales

� � � � � =� � �

� � � � � � �� �

�

��[ksi]

Condiciones Ambientales Severas

Condiciones Ambientales NormalesRetención de líquidos con pH >5.0 ócontenido de sulfatos < 1000 ppmCondiciones Ambientales SeverasEl resto

� � =� �

� �∅� � = 0.75 ×

1

6� � ��

Chequeo de Capacidad portante

Capacidad de resortes

Capacidad portante (Estudio de suelos): 731.86 kN/m2

Modulo de subrasante (resorte): 150000 kN/m2/m

Máxima fuerza permitida por resorte: 290.18 kN

Resultados de fuerzas máximas de resortes en nodos de cimentación de modelo

Max Fx 2 9 S2 2.625 3.562 0 0 0 0 OKMin Fx 44 18 S11 -4.119 2.266 -0.913 0 0 0 OKMax Fy 2 18 S11 -0.372 9.375 0 0 0 0 OKMin Fy 72 21 S14 -3.281 -2.986 0 0 0 0 OKMax Fz 107 9 S2 0 3.562 2.625 0 0 0 OKMin Fz 37 9 S2 0 3.562 -2.625 0 0 0 OKMax Mx 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OKMin Mx 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OKMax My 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OKMin My 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OKMax Mz 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OK

Min Mz 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OK

Calculo aproximado de presión de suelo y estado de capacidad

Carga muerta:

Peso tapa: 1.50 kN/m2

Peso agua 90 kN/m2

Peso tanque de concreto: 24 kN/m2

Carga viva:

Tapa: 1.8 kN/m2

Total Muerta + Viva 117.30 kN/m2

Capacidad portante (Estudio de suelos): 731.86 kN/m2

Estado de capacidad: OK

Fz [kN]Mx

[kN.m]My

[kN.m]Mz

[kN.m]EstadoNode Load/Comb Fx [kN] Fy [kN]