proyecto estanque elevado

Evaluacin tcnica y econmica de la construccin de un estanque en altura para agua

Contenido1.1 INTRODUCCIN32.1 BASES DEL DISEO42.1.1 Disposiciones generales4Materiales52.2 NORMAS Y REFERENCIAS62.3 PROYECCIN Y DIMENSIONAMIENTO72.3.1 Estanque72.3.2 Plataforma122.3.3Torre242.3.4Anclaje342.3.5Uniones.372.3.6Uniones soldadas (Cordones de soldadura)432.3.7Fundaciones473. EVALUACIN ECONMICA DEL PROYECTO523.1 PRESUPUESTO Y PROGRAMACIN533.1.1 Estanque:533.1.2 Plataforma y torre543.1.3 Elementos de fijacin553.1.4 Cimientos553.1.5 Anticorrosivo573.1.6 Escalera58Resumen de Costos60

1.1 INTRODUCCIN

En este proyecto, se pretende proyectar y calcular un estanque vertical cilndrico de acero para aguas potables de material A36, en donde podremos calcular la solucin tcnica y econmica ms rentable de este estanque. El proyecto consiste en calcular, disear y dimensionar una estructura conformada por lo siguiente: -Un estanque. -Plataforma. -Torre soportante. -Fundaciones. Se privilegia la utilizacin de los materiales ms econmicos que existen en el mercado, esto es, aquellos que sin ir en desmedro de la funcionalidad ptima de la estructura, aportan un menor peso a sta. Todo lo anterior se plasma, a la vez, en la planimetra adjunta a este documento. Por otra parte se analizarn, en base a la proyeccin o diseo final de la estructura en cuestin, los costos directos que influyen en la construccin de una obra de tales caractersticas. Se evaluarn, por tanto, gastos en materiales, mano de obra, gastos generales, insumos y otros. En las siguientes pginas se dan a conocer tanto la memoria de clculo estructural como el anlisis econmico de construccin de la obra, haciendo especial hincapi, como ya se ha mencionado, en la rentabilidad de sta.

2.1 BASES DEL DISEO

2.1.1 Disposiciones generalesEstanque vertical cilndrico de acero para agua potable, material A36.La proyeccin de la estructura considera un estanque cuya capacidad total es de 95 m3, montado sobre una torre reticulada de elevacin de 4,5 m. Como se aprecia en la figura 2.1.1 a, el proyecto, a grandes rasgos, consiste en:

-Estanque (95 m3): Conformado por planchas del material especificado en 2.1.2; compuesta por un manto, cono, cantoneras, gorro, una escotilla y elementos anexos. Figura 2.1.1 a: Disposiciones generales del proyecto.

-Plataforma: Consiste en una red de envigados ortogonales entre s, compuestos por perfiles metlicos que trabajan a flexin. Sobre esta estructura va montado el estanque. -Torre de elevacin (25 m): Torre reticulada formada por la triangulacin de perfiles verticales, horizontales y diagonales, de igual material que el especificado en 2.1.2. Se unen a la fundacin mediante 4 planchas perforadas por 16 pernos de anclaje (4 pernos en cada plancha con inclinacin al centro del cuerpo). -Fundaciones: Se compone de una losa de hormign armado. Es la estructura encargada de traspasar las cargas al suelo, cuyas caractersticas se explicitan en 2.1.3.

Materiales

Acero Tanto las planchas como los perfiles utilizados son de acero estructural A36, lo que equivale a un A 37-24 ES. Por lo tanto, se identifican: -Esfuerzo de ruptura: Sut = 37 kg/mm2 = 370 MPa = 3.700 kg/cm2. -Esfuerzo de fluencia: Syt = 24 kg/mm2 = 240 MPa = 2.400 kg/cm2.Las armaduras para el hormign que conforma la fundacin se disean de acuerdo a barras estriadas de acero A 44-28 H, en donde: -Esfuerzo de ruptura: fu = 44 kg/mm2 = 440 MPa = 4.400kg/cm2. -Esfuerzo de fluencia: fy = 28 kg/mm2 = 280 MPa = 2.800 kg/cm2. -Mdulo de elasticidad: Es = 210.000 MPa = 2.100.000 kg/ cm2.

Hormign -Resistencia a la compresin El hormign a utilizar en la fundacin corresponde a un H-25: Para elementos estructurales armados, el peso especfico del hormign es 2,4 ton/m3. El recubrimiento mnimo es de 2,5 cm. Considerando en este caso de 5 cm.

Soldadura

Se disponen de uniones soldadas tipo filete. La designacin del electrodo a considerar, segn la AWS, corresponde a un E60 11, con una tensin admisible de corte (sADM) de 124 MPa 1.240 kg/cm2.

Pernos Las uniones apernadas se ejecutan a base de pernos grado 5, cuyos esfuerzos admisibles de rotura, fluencia y corte (admisible) son respectivamente: Sutp = 800 MPa = 8.000 kg/cm2 Sytp = 640 MPa = 6.400 kg/cm2 = 0,5 Syt = 320 MPa = 3.200 kg/cm2

Proteccin Catdica

La proteccin catdica se lleva a cabo mediante la aplicacin de dos manos de pintura anticorrosiva, especificada en el captulo correspondiente a la evaluacin tcnica.

2.2 NORMAS Y REFERENCIAS

La confeccin del presente documento est basada en las siguientes normativas, recomendaciones y metodologas analticas: -Norma NCh433 Of 96; Diseo ssmico de edificios. -Norma NCh 1334 Of 94; Dibujo tcnico Soldadura Representacin simblica en dibujos. -Sociedad Americana de soldadura (AWS); simbologa y alturas mnimas de cordones de soldadura. -Ecuacin de Meyerhof. Clculo de la capacidad de soporte del suelo.

2.3 PROYECCIN Y DIMENSIONAMIENTO2.3.1 Estanque

I. Manto

a) Dimensiones generales

De 2.1.1 se sabe que la capacidad del estanque es de 95 m3 (E95). Otorgando una altura (H) de 4,5 metros al estanque y utilizando la expresin geomtrica del volumen de un cilindro, podemos obtener el dimetro (D) mnimo requerido:

Por lo tanto:

El permetro (P) asociado a este dimetro es: Por lo tanto, el estanque se compone de 5 niveles:-Del nivel 1 al 4, estan conformados por cuatro planchas de 1.000x3.000xtmanto final.-El quinto nivel (superior), formado por una plancha de y una plancha de 1.000x6.000xtmanto final (mm). Figura 2.3.1 a: Dimensiones generales del estanque con las medidas en metros

Con esta configuracin, se es posible calcular un nuevo dimetro (D) a travs de la ecuacin 2.3.1 b:

En donde P corresponde al nuevo permetro asociado a la disposicin de las planchas ya mencionada.Para asegurar la estabilidad del estanque, el diametro debe estar entre un 15% y un 20% de la altura del estanque. Por lo que se debe cumplir:

Reemplazando los valores correspondientes, obtenemos:

Por lo tanto, el estanque es estable.

b) Espesor del manto (tmanto)

El espesor de las planchas metlicas que conforman el manto del estanque en elevacin, se deriva de la siguiente frmula emprica: Donde: p: presin interna (kg/m2). D: Dimetro interior real del estanque (mm). f: Esfuerzo de trabajo admisible (kg/mm2). E: Eficiencia de la soldadura; para TIC o MIC, E = 80%. Para electrodos, E = 75%. c: Tolerancia por corrosin. Por cada 10 aos de vida til, se considera un aumento de espesor de 10 mm.

La presin interna (p), se deduce de: A una temperatura ambiente de 16C, la densidad de agua (agua) es de 1x10-6 kg/mm3. Por lo tanto, utilizando la ecuacin 2.3.1 e, se obtiene:

A la vez, el trmino f corresponde a:

Conforme al material explcito en 2.1.2 (A36):

Considerando el caso ms desfavorable, es decir, aquel en que se utilice soldadura a base de electrodos (E = 0,75), y para una vida til de 20 aos (c = 2 mm.), obtenemos el siguiente espesor para el manto del estanque:

Aplicando un coeficiente de seguridad de 1,25, se obtiene el espesor final del manto (tmanto final):

Lo que implica utilizar un espesor comercial de 5 mm.II. Fondo Posee un espesor igual al del manto (5 mm.). III. Cantoneras

Se calculan segn el anlisis de una viga curva que recibe el peso del agua y el acero que conforma el estanque, multiplicada por un factor dinmico igual a 1,2. La estructura analizada contempla la utilizacin de cantoneras curvas de dimetro igual a 4,46 metros, utilizando perfil L 8 x 5,96 L 80/80/5.

IV. Cono

Para calcular la cantidad de material en el cono utilizaremos la siguiente frmula:

La altura del cono, vara entre 350-450 mm. En nuestros diseos consideramos una altura de 350 mm.

El espesor del cono debe ser 1mm inferior al del manto, por lo tanto este es de 4 mm.La plancha con este espesor va soldada en todo su contorno.

V. Fondo

Para calcular la cantidad de material en el fondo del estanque utilizaremos la formula correspondiente a una circunferencia:

El espesor del fondo es 1mm superior al del manto, por lo que es de 6 mm.

VI. Chimenea

Posee un espesor de 3 mm, una altura de 80 mm y un dimetro de 100 mm. Se corona por un gorro de igual espesor, 30 mm de altura y 200 mm de dimetro. El gorro se adhiere a la parte cilndrica mediante 4 pletinas de 40 x 3.

VI. Peso del estanque

Considerando un peso especfico del acero de 8.000 kg/m3, el peso de la estructura se detalla en la tabla 2.3.1 a.2.3.1 Tabla peso de la estructura.

El peso del estanque es aproximadamente igual a 6.401,62 kg.

2.3.2 Plataforma

I. Dimensiones generales

Corresponde a un envigado de contorno cuadrado, en el cual se monta el estanque (ver figura 2.3.2 a). La distancia A, viene dada por:

Figura 2.3.2 a: Superposicin, en planta, del estanque sobre la plataforma.

El peso total que soporta la plataforma, incluido el peso propio, corresponde a:Lquido (Kg) Estanque (Kg) Plataforma (Kg) Total (Kg)

95.000,009.162,761.600,40103.002,45

Tabla 2.3.2 a: Peso sobre la plataforma(El peso de la plataforma corresponde a un 25% del peso del estanque).

II. Eleccin del perfil ms rentable

Se selecciona la estructura ms liviana de las siguientes alternativas:

a) Utilizando tres divisiones (cada 1,47 metros)

Figura 2.3.2 b: Alternativa a); efectuar divisiones cada 1,47 metros.

El contorno del envigado est conformado por los elementos principales (Ej. viga A-B), mientras que el interior corresponde a los elementos secundarios (Ej. viga C-D; ver figura 2.3.2 b).

a.1) Elementos primarios (viga A-B)

Se disean considerando una carga equitativamente repartida entre la mitad del nmero total de nudos (causando un vuelco del envigado).

El valor de las fuerzas que actan en cada interseccin son:

El momento mximo corresponde a:

Por lo tanto:

El mdulo resistente mnimo (W) se obtiene de la ecuacin 2.3.1 h:

Los posibles perfiles son:

W(cm3)

IN 450/200/14/8IN 45 X 751410

IN 350/250/16/6IN 35 X 77,81370

IN 300/250/20/6IN 30 X 90,71370

HN 300/300/16/8HN 30 X 92,21380

Wmin1370

Perfil elegidoIN 35 X 77,8

a.2) Elementos secundarios (viga C-D) Los elementos secundarios trabajan por aplastamiento, por lo que todos los nudos reciben igual carga en proporcin al nmero de nudos. En tal caso (viga C-D), el valor de las cargas que actan en cada interseccin se obtiene de la ecuacin 2.3.2 b.

El momento mximo se deduce de la ecuacin 2.3.2 c:

El mdulo resistente mnimo (W) se obtiene de la ecuacin 2.3.1 g:

Los posibles perfiles son:

Seleccin del perfil

W

IN 40 x 41,4 cIN 400/150/10/6708

IN 35 x 43,6 cIN 350/150/12/6687

IN 25 x 54,4IN 250/200/14/6668

IN 30 x 41,3 IN 300/150/12/6675

Wmin668

Perfil elegidoIN 30 x 41,3

El perfil que aporta un menor peso por metro lineal es el IN 30 x 41,3(IN 300/150/12/6).

b) Utilizando 4 divisiones (cada 1,10 metros) Figura 2.3.2 e: Alternativa b); efectuar divisiones cada 1,10 metros.

El contorno del envigado est conformado por los elementos principales (Ej. viga A-B), mientras que el interior corresponde a los elementos secundarios (Ej. viga C-D; ver figura 2.3.2 e).

b.1) Elementos primarios (viga A-B) El valor de las fuerzas que actan en cada interseccin se obtienen de acuerdo a la ecuacin 2.3.2 b (teniendo en cuenta que los nodos cargados son 10):

El momento mximo se origina en el centro de la viga, y corresponde a:

Por lo tanto:

El mdulo resistente mnimo a utilizar, en este caso, se obtiene de la ecuacin 2.3.1 g:

Los perfiles ms econmicos son: Seleccin del perfil

W (cm3)

IN 40 x 55,4IN 400/200/12/61600

IN 35 x 90,3 cIN 350/300/16/61620

IN 35 x 93,1IN 350/250/20/61640

Wmin1600

Perfil elegidoIN 40 x 55,4

El perfil que aporta un menor peso por metro lineal es el IN 40 x 55,4 (IN 400/200/12/6).

b.2) Elementos secundarios (viga C-D)

Esta vez la carga se distribuye en los 25 nodos:

El mdulo resistente mnimo se obtiene al unir las ecuaciones 2.3.1 g y 2.3.2 e, (pero considerando los 4.258,14 kg.).

Por lo tanto:

Los perfiles ms econmicos son: Seleccin del perfil

W (cm3)

IN 30 x 44,6IN 300/200/10/6634

IN 35 x 40,9 cIN 350/200/8/6641

IN 30 x 45,8 c IN 300/150/14/6640

HN 20 x 69,4HN 200/200/18/10635

Wmin634

Perfil elegidoIN 35 x 40,9 c

El perfil que aporta un menor peso por metro lineal es el IN 35 x 40,9 c (IN 350/200/8/6).

c) Utilizando 5 divisiones (cada 0,88 metros)

El contorno del envigado est conformado por los elementos principales (Ej. viga A-B), mientras que el interior corresponde a los elementos secundarios (Ej. viga C-D; ver figura 2.3.2 e).Figura 2.3.2 g: alternativa c); efectuar divisores cada 0,88 metros.

c.1) Elementos primarios (viga A-B)

El valor de las fuerzas que actan en cada interseccin se obtienen de acuerdo a la ecuacin 2.3.2 b (teniendo en cuenta que los nodos cargados son 18):

El momento mximo se origina en el centro de la viga, y corresponde a:

Por lo tanto:

El mdulo resistente mnimo a utilizar, en este caso, se obtiene de la ecuacin 2.3.1 g:

Seleccin del perfil

W (cm3)

IN 35 x 62,5 c IN 350/250/12/61080

IN 40x57,1cIN400/250/10/61090

IN 35x62,6cIN 350/300/10/61090

HN 30 x73,9HN 300/300/12/81090

Wmin1080

Perfil elegidoIN 40x57,1c

El perfil que aporta un menor peso por metro lineal es el IN 40x57,1c (IN400/250/10/6).c.2) Elementos secundarios (viga C-D)

Esta vez la carga se distribuye en los 36 nodos:

El mdulo resistente mnimo se obtiene al unir las ecuaciones 2.3.1 g y 2.3.2f.

Por lo tanto:

Seleccin del perfil

W (cm3)

IN 40X36,9cIN 400/150/8/6603

IN 35X39,1cIN 350/150/10/6598

IN 25X46,6IN 250/200/12/5583

IN 25X47,9cIN 250/150/16/6568

IN 30X41,3IN 300/150/12/6568

HN20X60,8HN 200/200/16/8575

Wmin568

Perfil elegidoIN 30X41,3

Los perfiles que posee un menor momento resistente(568 cm3 ) son el IN 25X47,9c y el IN 30 x 41,3. Pero entre los dos, el que aporta un menor peso por metro lineal es el IN 30 x 41,3(IN 300/150/12/6). La evaluacin de la alternativa que otorgue menor peso para la estructura se deriva de la tabla 2.3.2 b. Resumen de alternativas

AlternativasPerfil Peso/metro lineal (kg/ml)Cantidad (ml)Peso Total (kg)

Alt. AIN 35 X 77,877,817,611369,79

IN 30 x 41,3 41,317,61727,15

Total2096,94

Alt. BIN 40 x 55,455,417,61975,40

IN 30 x 44,644,626,411177,88

Total2153,28

Alt. CIN 40x57,1c57,117,611005,33

IN 30X41,341,335,211454,30

Total2459,63

Tabla 2.3.2 b: Resumen por alternativa, del peso de la plataforma.

La alternativa ms rentable es la A porque otorga un menor peso (2096,94 kg).

Como se aprecia en el recuadro anterior, la alternativa a) es la ms rentable, pues otorga un menor peso a la estructura que conforma la plataforma. sta queda configurada de la siguiente manera:

Figura 2.3.2 i: Configuracin final de la plataforma, alternativa a.

2.3.3 Torre

I. Dimensiones Generales

Sabemos que la altura de nuestra torre corresponde a 25 metros por lo que la dividiremos en 8 partes cada una de 3,13 metros. La plataforma la dividimos en 3, cuyo lado (A) mide 4,40 m.Ya que la base de la torre debe tener un ancho entre un 40 a 50% superior al ancho de la plataforma, consideramos para el clculo un 44%.El ancho entre columna y columna (Q) en el nivel de terreno se expresa como:

Por lo tanto:Figura 2.3.3 a: Configuracin de la torre.

El valor de la carga (S) repartida equitativamente entre cada una de las 4 columnas que sostienen el estanque se desprende de la ecuacin 2.3.3 b.

Donde:

N: Peso total de la estructura (kg). Mb sis.: Momento ssmico resultante de trasladar cada carga al nivel de terreno (kgm).

Como necesitamos saber los perfiles que utilizaremos en la torre es importante conocer el peso de esta. Segn norma el peso de la torre debe estar entre un 43% y un 45% de la suma del peso del estanque ms la plataforma. La determinacin de estos parmetros se deduce de la tabla 2.3.3 a. Tabla 2.3.3 a: Determinacin de N y Mb sis.ESTRUCTURAN (kg)Hs (kg)H (m)Mb sis. (kg m)

Estanque 6.401,761.600,4027,2543.611,01

Plataforma 2.096,94524,2325,0013.105,87

Torre 4.249,281.062,3212,5013.278,99

Peso fluido (agua) 95.000,0023.750,0026,80636.500,00

TOTAL 107.747,8326.936,96706.495,88

Nota: -El peso de la torre corresponde al 50% del peso del estanque ms la plataforma. -Hs corresponde a la fuerza ssmica horizontal que aporta cada componente (peso de cada estructura multiplicada por 0,25)-H se refiere a la altura de aplicacin de cada fuerza ssmica (con respecto al nivel de terreno).-Para el agua, se considera la altura de aplicacin de la fuerza ssmica tomando en cuenta un 80% del volumen total del estanque.

Reemplazando estos valores en la ecuacin 2.3.3 b, se obtienen dos valores:

En la figura 2.3.3 a se aprecia la configuracin, que a nuestro parecer, es la ms efectiva. Se subdividi la torre en 8 niveles. La identificacin y medidas de las columnas (c), barras horizontales (h) y barras diagonales (d) que corresponden al punto crtico, se explicitan en la figura 2.3.3b.Figura 2.3.3 a: Punto crtico considerado en el diseo de la torre.

Figura 2.3.3 c: Punto crtico considerado en el diseo de la torre.

Nota: No se considera, en las columnas, el efecto de la inclinacin, pues es despreciable y no altera la dimensin de 3,13 metros.

II. Eleccin de perfil para columnas

Se han definido cinco posibilidades: un perfil cajn (), perfil tubular (O), ngulo (L), ngulo espalda-espalda (TL) y espalda-espalda (IC). Se elegir la que aporte un menor peso a la estructura.

a) Utilizando perfil cajn 25 x 20 x 53,2 ( 250/200/8)

Segn Tabla de perfiles ICHA, posee un rea (A) de 67,8 cm2 y un radio de giro (Rgiro x-x) de 9,52 cm. El largo mximo (Lmx.) es de 3,13 m. Para el clculo del largo efectivo (Lefect), se considera que la barra est fija-libre, por lo que K = 0,8.

Por lo tanto:

La esbeltez mxima se deduce de:

De la tabla A.3[footnoteRef:1], obtenemos para esta esbeltez, la tensin admisible de compresin (cADM; elementos primarios). [1: Tensiones admisibles de compresin para elementos de acero A36.]

La tensin real de compresin () sobre la columna es:

Se observa que > c, por lo que el perfil seleccionado cumple con los requerimientos mnimos de tensin mxima.

b) Utilizando perfil tubular O 12 x 49,7 (O 323,9/6,35)

Perfil tubular con seccin (A = 63,30 cm2) y radio de giro (Rgiro x-x = 11,20 cm).

Utilizando la ecuacin 2.3.3 d:

De la tabla A.3 obtenemos, para esta esbeltez, la tensin admisible de compresin (; elementos primarios).

La tensin real de compresin (c) sobre la columna es:

Se observa que > c, por lo que el perfil seleccionado cumple con los requerimientos mnimos de tensin mxima.

c) Utilizando perfil ngulo L 20 x 46,9 (L 200/200/16).Posee una seccin A = 59,80 cm y un Rgiro x-x = 6,22 cm. Utilizando la ecuacin 2.3.3 d:

De la tabla A.3 obtenemos, para esta esbeltez, la tensin admisible de compresin () (elementos primarios).


Se observa que < c, por lo que el perfil seleccionado no cumple con los requerimientos mnimos de tensin mxima.

d) Perfil ngulo espalda-espalda IC 30 x 86,8 (IC 300/200/12)

Posee un rea A = 111,00 cm y un radio de giro Rgiro x-x = 11,00 cm.Utilizando la ecuacin 2.3.3 d:



Se observa que > c, por lo que es un perfil indicado. e) Perfil ngulo espalda-espalda TL 20 x 60,2 (IC 200/400/10)

Posee un rea A = 76,70 cm y un radio de giro Rgiro x-x = 6,31 cm.Utilizando la ecuacin 2.3.3 d:



Se observa que > c, por lo que es un perfil indicado.

Conclusin: Se utiliza el perfil O 12 x 49,7 (O 323,9/6,35) para conformar las columnas; ya de entre todas las opciones buscadas es el que entrega un menor peso a la estructura.

II. Eleccin de perfil para barras horizontales

Se disean en base a una fuerza horizontal (FH) de compresin igual al 15% de la carga Ntotal (vase tabla 2.3.3 a). Por lo tanto:

El perfil ngulo elegido es el L 15 x 18 (L 150/150/8). Posee un A = 22,90 cm y un Rgiro = 4,73 cm.


De la tabla A.3 obtenemos, para esta esbeltez, la tensin admisible de compresin () (los valores se obtienen del cuadro de elementos primarios, pues para elementos secundarios, la tabla parte con una esbeltez de 121).


Conclusin: Se observa que > c, por lo que es el perfil indicado. Evaluaciones del presente mtodo para perfiles de menor dimensin que ste, arrojan que < c, lo que imposibilita su eventual uso. Por lo que se elige, un perfil L 15 x 18 (L 150/150/8).

III. Eleccin de perfil para barras horizontales

Con el fin de disminuir la longitud efectiva, se coloca un perno en la interseccin de las barras diagonales.Esta barra se disea, al igual que las horizontales, con una fuerza horizontal de compresin igual al 15% del peso Ntotal; de la ecuacin 2.3.3 f, se sabe:

La longitud mxima corresponde a 6.96 m (diagonal completa) y luego de colocar el perno en la interseccin de estas, la con mayor longitud es de 3.55 m.

Se considera un perfil L15 x 13,7 (L 150/150/6).Posee un A = 17,40 cm2 y Rgiro = 4,75 cm.


De la tabla A.3 obtenemos, para esta esbeltez, la tensin admisible de compresin ().


Conclusin: se observa que > c, por lo que es el perfil indicado. Evaluaciones del presente mtodo para perfiles de menor dimensin que ste arrojan que

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