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TituloDISEO ESTRUCTURAL DE TANQUES ELEVADOS DE ACERO (Sistema de Marcos Especiales Embreizados Concntricamente -SCBF-)MSc. Marco Antonio Ruano Paz

Guatemala, 15 de Abril de 2,0151NO existe en nuestro pas alguna normativa relacionada con Tanques Elevados de Acero.

NO existe una metodologa de diseo estructural claramente establecida. (Cada Diseador utiliza Cdigos y Parmetros que considere convenientes y algunas veces no actualizados)

Muchos diseadores realizan solamente anlisis del tipo Lineal Esttico, siendo lo conveniente, adems de stos, realizarlos tambin del tipo Lineal Dinmico. (Propuesto en la metodologa con la utilizacin del software o programa SAP2000)

Por lo que se debe enfocar adecuadamente la filosofa de diseo sismo-resistente a stas estructuras en el territorio nacional.

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AGIES2010(NSE)

FEMANDSAWSAPIJSIACI2008ASCE2010AISC2010AWWA2005IBC2009Muchos Cdigos o Normas ExtranjerasPocas Normas Nacionales3ACIASCEAISCIBCAGIES2010(NSE)Normas de Seguridad Estructural -AGIES 2010-FILTRO4ACIASCEAISCIBCFILTROMetodologa para Diseo Estructural de Tanques Elevados de Acero(Sistema SCBF-)De similar forma AGIESAWWA5Metodologa para Diseo Estructural de Tanques Elevados de AceroTIPOS DE TANQUES QUE SE CONSIDERANDe conformidad con su posicin relativa al terreno, los tanques pueden clasificarse como enterrados, superficiales y elevados. En esta metodologa slo se cubren los tanques elevados de acero apoyados sobre una torre, la cual estar formada por un nmero de columnas (n) mltiplo de 2:

n = 4, 6, 8, etc.

GEOMETRA DEL TANQUESi la relacin de altura del tanque con respecto a su dimetro (h/D), se expresa como una constante C=h/D, se puede decir que los tanques son altos cuando C es mayor que 1 y bajos cuando C es menor que 1. En esta metodologa se cubren los tanques verticales cilndricos con valores de C entre 1 y 1.4, es decir altos, por lo que la altura mxima ser igual a 1.4 veces su dimetro, o sea:1 C 1.4 h= C x D

TANQUE ELEMENTOS:- CUERPOTECHO- FONDO

Dimensionamiento de elementos del Tanque

Altura CuerpoEl cuerpo se dimensionar asumiendo valores para el dimetro del cuerpo (Dcuerpo) y para la constante C:hcuerpo = C x D Altura TechoEl techo se dimensionar asumiendo una altura de techo (htecho) que deber encontrarse en el rango de:1 pie htecho Dcuerpo/6 y de acuerdo al estndar AWWA D 100-05, tendr como mximo una pendiente de 9/12 (=37) y como mnimo 2/12 (=9.5), con respecto a la horizontal:tan = (htecho/R) = tan-1 (htecho/R) ; R = Dcuerpo/29.5 37

Anillo de CoronamientoSer el mayor valor del mdulo de seccin (S) que se encuentre por la formula:

Por lo general es una seccin de angular soldado en la parte superior interna o externa del cuerpo, para que el techo se pueda soldar a ste.

Altura FondoEl fondo se dimensionar asumiendo una altura de fondo (hfondo) que deber encontrarse en el rango de:2 pies hfondo Dcuerpo/4

DIMENSIONES:PARTE SUPERIORPARTE INFERIOR

ELEMENTOS:COLUMNAHORIZONTALBREIZA

Dimensionamiento de elementos de la Torre TORRE

11Parte SuperiorEl nmero de columnas (n) de la torre vistas en planta se ubicarn con un ngulo () formado entre un radio que pasa por una columna(c) y la proyeccin del eje central horizontal:

La parte superior de la torre (Bs) se dimensionar de acuerdo a la expresin:

Parte InferiorEl eje de las columnas(c) de la torre vistas en perspectiva no podr desviar su inclinacin (m) del zenit por ms del 15% de la altura de torre (Htorre), esto para limitar la separacin de las columnas en la parte inferior y evitar la necesidad de terrenos demasiado extensos, determinndose as las distancias Lz y L:

0% m 15% ;

por lo que la parte inferior de la torre (Bi) se dimensionar de acuerdo a la expresin:

Geometra de Columnas, Horizontales, y BreizasEl nmero de elementos columnas(c), horizontales(h), y breizas(b) depender de la geometra de la torre, y el espaciamiento entre los elementos horizontales, el cual deber procurarse que sea en tramos pares, depender a su vez de la altura de torre (Htorre), ya que es conveniente establecer tramos iguales para lograr simetra en la estructura de la torre; quedando a criterio de cada diseador la cantidad y espaciamiento de cada uno de stos.

Definidas las dimensiones de los elementos del tanque y los elementos de la torre, el tanque elevado de acero quedar de la siguiente forma:

PRE-DIMENSIONESELEMENTOS:COLUMNAHORIZONTALBREIZA

Pre-Dimensionamiento de secciones de elementos de la Torre TORRE

Para establecer un valor inicial del peso de la torre, previo a la integracin de cargas, se debern predimensionar las secciones de los elementos denominados columnas(c), horizontales(h), y breizas(b); para el efecto, se proponen como valores iniciales los parmetros indicados en la Tabla I.

TANQUE ESPESORES:- TECHOCUERPO- FONDO

Diseo de Espesores de elementos del TanqueEl estndar AWWA D100-05 establece:

donde:t = espesor requerido, en pulgadashp = altura del nivel de diseo del lquido, en piesDcuerpo = dimetro nominal del cuerpo del tanque, en piesG = gravedad especfica del lquido, para agua 1.0s = esfuerzo permisible de diseo, en lb/pul2 E = eficiencia de la junta

SISMO:CLASE DE SITIO(SUELO)PARAMETROS Y COEFICIENTES DE ACELERACION SISMICA (ASCE 7, IBC, & AGIES)VIENTO:VELOCIDAD BSICA (AGIES)FACTORES Y COEFICIENTES DE VIENTORELACIN As/Ag(ASCE 7)GRAVITACIONALES:CARGAS MUERTAS:- PESOS PROPIOS (SAP2000) PESO DEL AGUA (Pfondo) PRESIN EN CUERPO (Pcuerpo) REVISIN ESPESORES TANQUE (TEORA DE FALLA DE VON MISSES e < Fy)CARGAS VIVAS:- CARGAS DE SERVICIO (CVtecho)Integracin de Cargas22

Modelo del Tanque Elevado de Acero y Anlisis EstructuralSAP 2000-MODELA ESTRUCTURAS EN 3 DIMENSIONES-METODO ELEMENTOS FINITOS-IMPLEMENTACIN DEL CALCULO SSMICO24

MTODO DE DISEO PARA ESTRUCTURAS SOMETIDAS A LA ACCIN SSMICADiseo por CapacidadSE SELECCIONA ELEMENTO (ESLABN DEBIL O ELEMENTO DCTIL) QUE RESISTIR FUERZAS GRAVITATORIAS Y SSMICAS Y SE DISEA PARA QUE SEA CAPAZ DE DISIPAR ENERGA POR DEFORMACIN INELSTICAEL OBJETIVO DEL DISEO POR CAPACIDAD ES CONSEGUIR UNA ESTRUCTURA EXTREMADAMENTE TOLERANTE A LOS DESPLAZAMIENTOS IMPUESTOS POR EL SISMO, PARA ASEGURAR QUE LA FLUENCIA OCURRA SLO EN ZONAS DCTILES ESCOGIDAS, LO QUE ORIENTA A EVITAR EL COLAPSO, A PESAR DE HABERSE EXCEDIDO SU RESISTENCIA25

CDIGOS DE DISEO:AISC 360-10AISC 341-05ASCE 7-10

ESPECIFICACIONES:LRFDDISEO DE BREIZASTENSIN Y COMPRESIN MXIMAS APLICADAS EN STAS Y OBTENIDAS DE ANLISIS ESTRUCTURAL EN SAP2000Diseo Elementos TorreDISEO DE COLUMNASTENSIN Y COMPRESIN MXIMAS APLICADAS EN STAS Y OBTENIDAS DE CAPACIDAD DE LAS BREIZASDISEO DE HORIZONTALESCOMPONENTES DE TENSIN Y COMPRESIN APLICADAS EN STAS Y OBTENIDAS DE CAPACIDAD DE LAS BREIZASELEMENTO DCTILBREIZA26Diseo de Breizas

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Resultados obtenidos del Anlisis Estructural y de Capacidad de las BreizasSDS =0.8667Numeral 2.5.3.6.FUERZA DE COMPRESION GRAVITACIONAL EN COLUMNAS (COMBINACION GRAVITACIONAL)TramoCARGA MUERTA (C.M.)(Klb)SOBRECARGA (Agua)(Klb)CARGA VIVA (C.V.) (Klb)(1.20 + 0.20 SDS) C.M. + 0.5 C.V. (Klb)63.20548.7660.86971.80852.83633.0310.58849.55243.33333.1150.58650.34835.27943.2400.72566.99626.15543.0550.72287.32518.48353.6620.90285.797 =0.90Ry =1.40Tabla I-6-1, AISC 341-05Fybreiza=42.00klb/pul2FUERZA TOTAL DE COMPRESION EN COLUMNAS (CAPACIDAD DE LAS BREIZAS + COMPRESIN GRAVITACIONAL)TramoCompresin Breiza 0.3 Pn cos (Klb)Tensin Breiza Ry Fy Ag cos (Klb)Compresin Gravitacional (Klb)CompresinTotal(Klb)60.000.0071.80871.808518.420.0049.55267.97440.00128.5450.348197.313315.270.0066.996229.23120.00174.5487.325424.09710.000.0085.797422.570Diseo de Columnas29FUERZA TOTAL DE TENSION EN COLUMNAS (CAPACIDAD DE LAS BREIZAS - COMPRESIN GRAVITACIONAL)TramoCompresin Breiza 0.3 Pn cos (Klb)Tensin Breiza Ry Fy Ag cos (Klb)Compresin Gravitacional (Klb)TensinTotal(Klb)60.000.00-71.808-71.80850.00140.69-49.55291.140415.270.00-50.348105.61130.00128.55-66.996217.518220.290.00-87.325217.47510.000.00-85.797219.003

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Diseo de HorizontalesResultados obtenidos de la Capacidad de las BreizasCAPACIDAD DE LAS BREIZAS Y COMPONENTES INDUCIDAS POR LAS BREIZASElemento Horizontal Compresin Pn(Klb)TensinRy Fy Ag (Klb)Componente Horizontal Ph=(Ry Fy Ag + Pn) sin (Klb)Componente Vertical Pv=(Ry Fy Ag - Pn) cos (Klb)h.467.76155.23-94.06-79.2861.46155.23121.3877.65h.261.47155.23-121.40-77.6590.44233.44214.93106.91CORTANTE, CARGA AXIAL, Y MOMENTOS MXIMOS EN ELEMENTOS h.4 y h.2Elemento Horizontal LONGITUD (L)(Pie)Cortante Mximo (Klb)Carga Axial Mxima (klb)MomentoM = Pv L/4 (Klb-pie)Momento Mximo(Klb-pie)h.413.201.6327.32-261.635.39256.24h.218.0529.2693.53-350.40132.05482.45CORTANTE, CARGA AXIAL, Y MOMENTOS MXIMOS EN ELEMENTOS h.5, h.3, Y h.1 Elemento Horizontal LONGITUD (L) (Pie)Cortante Mximo (Klb)Carga Axial Mxima (klb)Momento Mximo(Klb-pie)h.510.760.14223.690.404h.315.640.17514.110.232h.120.520.2291.960.800

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Verificacin del Diseo en SAP2000REVISAR:

QUE LA RELACIN DEMANDA/CAPACIDAD DE LOS ELEMENTOS DISEADOS SEA MENOR DEL 95%, DE ACUERDO CON EL CDIGO DE COLORES QUE INDICA EL PAQUETE DE SOFTWARE O PROGRAMA SAP200034

Diseo de Conexiones con Placa

TramoDimetro Breiza (DHSS)(Pul)Ancho de WhitmoreA= 2(Lconexin Seno 30)+DHSS(Pul)55.0019.0045.0019.0035.0019.0025.5021.50FUERZAS DE TENSIN Y COMPRESIN MAXIMAS APLICADASTramoTensin MximaTmax= Ry Fy Ag(Klb)Compresin MximaPmax= 1.1 Ry Pn(Klb)5155.23104.344155.2394.653155.2394.662233.44139.28

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Diseo de Breiza HorizontalResultados obtenidos de Capacidad de Elementos HorizontalesCAPACIDAD AXIAL EN ELEMENTOS HORIZONTALES h.4 Y h.2Elemento Horizontal Longitud (L) (Pie)Capacidad Axial (Pr=cPn) (Klb)h.413.2058.88h.218.05502.03

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SE DEBER REALIZAR UTILIZANDO LOS RESULTADOS DE LA FUERZA DE COMPRESIN MXIMA APLICADA EN STA, Y ESTABLECIDA DE ACUERDO A LA CAPACIDAD DE LOS ELEMENTOS BREIZASDiseo de Placa de Base

41Diseo de Pernos de AnclajeDEBERN ESTAR DISEADOS PARA PROPORCIONAR LA RESISTENCIA NECESARIA A LAS CARGAS SOBRE EL PEDESTAL DE CONCRETO, INCLUYENDO LAS COMPONENTES DE TENSIN NETA DE CUALQUIER MOMENTO DE VOLTEO (Mv) EN LA PARTE INFERIOR DE LA TORRE (Bi) QUE PUEDA RESULTAR DE LA ACCIN DEL CORTANTE ESTTICO EN LA BASE (Vesttico) POR LA ALTURA AL CENTRO DE MASA DEL TANQUE (Hcm)

PEDESTAL + CIMENTACINSE DEBER REALIZAR UTILIZANDO COMO BASE LOS RESULTADOS DE LAS CARGAS QUE ACTAN SOBRE STE, Y SE REVISAR QUE CUMPLA CON LOS REQUERIMIENTOS ESTABLECIDOS EN EL -ACI 318-08-Diseo de PedestalDiseo de CimentacinSE DEBER REALIZAR UTILIZANDO COMO BASE LOS RESULTADOS DE LAS CARGAS QUE ACTAN SOBRE STA, Y SE REVISAR QUE CUMPLA CON LOS REQUERIMIENTOS ESTABLECIDOS EN EL -ACI 318-08-Revisin Estabilidad TanqueSI LA RELACIN Mr/Mv > 1.50 EL TANQUE SE CONSIDERA ESTABLE, DE LO CONTRARIO SE DEBER DISEAR LA CIMENTACIN PARA RESISTIR LA TENSIN PROVOCADA POR EL MOMENTO DE VOLTEO (EXTRACCIN)43

Detalles para Plano44Se proporciona una gua en la cual se complementan normas nacionales y cdigos internacionales, que contiene los factores y/o parmetros necesarios para el adecuado diseo estructural de tanques elevados de acero en la Repblica de Guatemala. Se define un procedimiento y una metodologa de aplicacin general en la cual se enfoca adecuadamente la filosofa de diseo sismo resistente para la realizacin de diseos que satisfagan la demanda ssmica de nuestro pas.

El uso del software o programa SAP2000 acelera la obtencin de los resultados del anlisis estructural, por lo que el diseador puede dedicar mayor tiempo a la realizacin de detalles y otros aspectos importantes dentro del diseo, efectuando un modelo ms apegado a la realidad y por consiguiente un diseo optimizado.CONCLUSIONES45AOProcesadorOperaciones por segundoVelocidad Relativa1963CDC-640050,00011967CDC-6600100,00021974CRAY-13,000,000601981IBM-309020,000,0004001981CRAY-XMP40,000,0008001990DEC-50003,500,000701994Pentium-903,500,000701995Pentium-1335,200,0001041995DEC-5000 upgrade14,000,0002801998Pentium II - 33337,500,0007501999Pentium III - 45069,000,0001,3802003Pentium IV 2,000220,000,0004,4002006AMD - Athlon440,000,0008,800Uso de software o programas acelera procesos de clculos46RECOMENDACIONESQue se utilice esta metodologa como una gua general que sirva de ayuda a los estudiantes y profesionales dedicados a la realizacin de este tipo de diseos, ya que con sta se obtienen diseos de tanques metlicos elevados que satisfacen la demanda ssmica de nuestro pas.

Que se realicen consultas peridicas a las normas, especificaciones, cdigos, y dems documentos que publiquen entidades como AGIES, ASCE, AISC, AWWA, ACI, e IBC, para actualizar los parmetros o coeficientes utilizados y as proponer los cambios necesarios a la metodologa presentada.

47GRACIAS POR SU ATENCIN!!!!!