tanques elevados metalicos para agua

8/13/2019 Tanques Elevados Metalicos Para Agua

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1. USO DE TANQUES METLICOS PARA AGUA Y SUS VENTAJAS

1.1. Uso de tanques metlicos para agua

El uso del tanque puede ser muy variado principalmente en:

Hospitales, centros de salud, etc.

Bomberos y polica: estaciones de bomberos, polica, crceles, etc.

Edificios pblicos: edificios del estado, municipalidades, museos, etc.

Edificios que contienen qumicos y explosivos

Edificios educativos: universidades, colegios, escuelas, etc.

Edificios de comercio e industria: centros comerciales, oficinas, agroindustria,

etc. Vivienda: lotificaciones, condominios, colonias, etc.

1.2. Ventajas de los tanques metlicos para agua

Entre las ventajas ms importantes pueden mencionarse

Economa en consumo elctrico en distribucin por gravedad.

Conservacin de agua y presin por la altura del tanque, inclusive cuando falta

energa elctrica.

Conservacin de la potabilidad del agua por oxigenacin.

Menor inversin en construccin y operacin de un tanque metlico elevado; al

compararlo con un tanque elevado de concreto o con un tanque subterrneo

con sistema de bombeo a presin.

Facilidad de reparacin, mantenimiento y limpieza general.

Facilidad de deteccin y control de fugas de agua.

Facilidad de desmontaje y recuperacin de la estructura metlica hasta un90%, aproximadamente.

Nota : al construir un tanque metlico elevado para servicios pblicos y/o comerciales

se puede utilizar el cuerpo exterior del tanque para publicidad.

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2. PROCEDIMIENTO PARA EL DISEO

El procedimiento general incluye los siguientes renglones:

a) Elementos bsicos o preliminares

Inspeccin ocular del rea donde se va a localizar el tanque

Determinacin del uso al que se destinar el tanque

Capacidad: se define un volumen segn la necesidad

Altura de la torre: se define dependiendo de la presin mnima y mxima de la

localizacin del tanque en el rea.

b) Elementos de diseo

Levantamiento topogrfico: esto se realiza por el hecho de que se puede

encontrar distintas condiciones de terreno, laderas, veredas, caminos, planicies

pretendiendo ubicar el tanque en los puntos ms altos

Estudio de suelos se determinar por medio de pruebas en el campo el valor

soporte del suelo y sus caractersticas.

c) Diseo estructural

Diseo del tanque

Diseo de la torre y accesorios

Diseo de la cimentacin

Planos arquitectnicos de diseo y de taller para fabricacin y campo.

d) Realizacin de obra

Mtodo y los alcances de fabricacin de tanque, torre y cimentacin Trabajo de campo: cimentacin y supervisin

Trabajo en fbrica: realizacin de elementos prefabricados (compra, cortado,

rolado y soldadura)

Transporte de elementos prefabricados al campo: reconocimiento de la ruta

desde la fbrica a la obra, determinacin del medio de transporte segn el

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recorrido. Transportar la torre en piezas y el tanque segn condiciones del

terreno

Montaje en el campo segn condiciones existen de los mtodos de armado y

ereccin, manuales y/o equipo pesado (gras), erecin de la torre, supervisin

detallada de soldaduras y colocacin de accesorios Realizacin de la cimentacin y pruebas de laboratorio

Ereccin de la torre

Colocacin del cuerpo del tanque

Colocacin de accesorios

e) Acabados y pruebas: llenar el tanque a especificacin del ingeniero de suelos,

limpieza y lavado del interior del tanque, tuberas, pruebas de vlvulas y fugas,

vaciar y llenar completo el tanque

Pintura final interior, exterior, vaciar y llenar por completo el tanque

Limpieza general

f) Elementos de proteccin:

f.1) Cerca perimetral

f.2) Puerta y sealizacin

f.3) Engramado

2.1 Factores a cons iderar en el diseo de tanques metlicos

Algunos factores en el diseo de un tanque metlico elevado son la localizacin,

exploracin del entorno, dimensiones previas, estudio de suelos y planos.

2.1.1 Localizacin

Es importante conocer las caractersticas y dimensiones del lugar donde se va a

construir el tanque, buscando la localizacin y orientacin adecuada.

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2.1.2 Exploracin del entorno

De ser posible deben tenerse los datos ms actuales de las condiciones

naturales, accesos, proximidades a cambios geogrficos, localizacin de factor de

sismo en el mapa de macrozonificacin de zona ssmica, vientos ms comunes en losltimos 20 aos, etc.

2.1.3 Dimensiones previas

Por medio del estudio del ingeniero hidrulico, se determina la capacidad del

tanque, la altura de la torre entre el suelo y la parte inferior del tanque; y del proyectista:

topografa del lugar, localizacin y exploracin del entorno.

2.1.4 Estudio de suelos

Es uno de los principales factores para empezar a desarrollar el diseo del

tanque metlico elevado. Se investiga la capacidad soporte del suelo que se va a

utilizar, sus caractersticas mecnicas y el factor de importancia del tanque metlico

elevado segn su uso. Este estudio, previo al proyecto y a la construccin, es

necesario para saber qu sistema y procedimiento de construccin se va a seguir; se

har un muestreo del suelo en toda el rea que ser ocupada por la cimentacin o que

le afecte directa o indirectamente y en la profundidad que llegar la influencia del

tanque elevado.

Para lograr obtener los datos definitivos sobre las caractersticas del suelo es

necesario un estudio serio del mismo para llegar a asegurarse que el tanque ser

estable. Es preciso obtener en forma adecuada las muestras de suelo, para realizar las

pruebas correspondientes. Como resultado de lo anterior, se liga estrechamente el

muestreo y la realizacin de las pruebas de laboratorio.

2.1.5 Pasos a seguir para la realizacin del estudio de suelos

1) Determinar el sitio donde se construir el tanque y localizacin de muestras.

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2) Realizar las perforaciones para obtener las muestras. Se determina el mnimo de

dos perforaciones, que se marcarn en posicin diagonal a las columnas del tanque,

tendrn de 4 a 6 metros de distancia o separacin en cada extremo de las

columnas. Para estas perforaciones se recomiendan los pozos de cielo abiertorealizados a mano, como mnimo de 4.00 metros, de profundidad y 0.90 metros de

dimetro.

3) Identificar visualmente la conformacin del suelo de cada una de las perforaciones y

registrarlas en grficas; se anotan los estratos del suelo de cada perforacin. En el

caso de haber nivel fritico, indicar la cota.

4) La obtencin de muestras se formar de estas perforaciones donde se extraern de

las paredes de los pozos muestras inalteradas de los estratos, tratando de

aproximarlos a la cimentacin del tanque. (estas muestras se recubren de parafina y

se trasladan a un laboratorio de suelos para analizarlas.)

5) Ensayos de laboratorio: con estas muestras se determina el contenido natural de

humedad, el tipo de estrato del subsuelo, identificndolos con sus caractersticas

propias como tipo, color, plasticidad, contenidos orgnicos, suelo natural o relleno y

peso.

6) Se determina la capacidad soporte permisible del suelo, y se realizan ensayos de

corte directo rpido, drenado y consolidado, de identificacin y compresin.

7) Se determina el tipo de cimiento a utilizarse con base en los resultados del estudio

de suelos, peso de la estructura del tanque, torre y cimiento aproximado; se redefine

el factor de seguridad y el tipo de cimentacin que debe utilizarse (aislada,

combinada, continua o con pilotes).

8) Se determina la cota mnima y mxima del cimiento, que ser producto del anlisis

de los estratos del suelo y las curvas de capacidad permisibles.

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9) El informe de suelos deber contener por lo menos: el croquis de localizacin del

tanque; perforaciones e influencias externas; descripcin detallada de la perforacin

con los estratos del suelo por capas; resumen de resultados con diagramas, grficas

y reportes de laboratorio. Se har una recomendacin de las necesidades de los

tratamientos previos a la fundicin de la cimentacin, as como de la forma y tiempodel llenado del tanque para controlar los posibles asentamientos en los cimientos.

Con lo descrito el estudio de suelos ser significativo para el diseo de tanques

metlicos elevados.

10) En el momento de la excavacin de la cimentacin, el ingeniero debe aclarar las

condiciones de sta y verificar que sean lo ms parecidas a las perforaciones del

estudio de suelos, para ver si existen cambios en las condiciones y asegurar la

estabilidad de la obra.

2.1.6 Planos de diseo y de taller

a) Planos de arquitectura: estos han de contener el diseo completo con medidas,

secciones y localizacin relativa de los diversos miembros. Se busca que estn los

dibujos en forma secuencial a la realizacin del proyecto, plantilla de cimientos,

detalles de cimientos, cuerpo de la torre con tanque, detalles de la torre y del

tanque; todo ser acotado a ejes y proyecciones exteriores, se deben de acotar los

niveles de la torre. En los detalles de uniones en cimientos, torre, tanque y

accesorios, han de dibujarse a una escala suficientemente grande para mostrar en

forma adecuada la informacin. Estos planos son para el proyectista, cliente,

constructor, supervisor y las autoridades municipales. Deben contener las firmas de

responsabilidad del diseador, y del fabricante del tanque metlico elevado.

b) Grficos, diagramas, y memoria de diseo: estos han de contener el diseo

completo con medidas, secciones, proyecciones, detalles y localizacin de todos los

miembros. Se acotarn todos los componentes. Han de dibujarse para mostrar en

forma adecuada toda la informacin. En ellos se indicar el tipo de construccin

segn su destino, las cargas supuestas de las fuerzas cortantes, momentos y

fuerzas axiales que han de ser resistidos por todos los miembros y sus conexiones,

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las juntas ensambladas con tornillos de alta resistencia, tipos de soldadura con

dimensiones requeridas, para resistir esfuerzos cortantes entre las partes unidas.

Se debe precisar el tipo de conexin que contendr todos los datos requeridos para

la preparacin adecuada de los planos de taller.

c) Planos de taller: antes de iniciar propiamente la fabricacin de la estructura, debern

prepararse los planos de taller. Estos debern contener la informacin completa

para la fabricacin de los elementos de la estructura, dado por los grficos,

diagramas y memoria del diseador, incluyendo la localizacin, tipo y dimensiones

de todos los elementos como remaches, tornillos y soldaduras. En los planos debe

indicarse, cmo se efectuarn los cortes, soldaduras y de qu tipo, as como

dimensiones de elementos a utilizarse y la indicacin del material sobrante y su

cuantificacin, con el objetivo de evaluar costos reales. Se utilizarn las ms

modernas prcticas vigentes en el pas, se deber tener en cuenta la rapidez,

economa en la fabricacin y el montaje de la estructura. En el caso de las

soldaduras debe indicarse las longitudes efectivas.

NOTA: en los planos de arquitectura, grficos, diagramas, memoria de clculo y planos

de taller, se incluirn smbolos normalizados, de preferencia de la Sociedad Americana

de Soldadura (AWS).

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3. DISEO DE TANQUES METLICOS ELEVADOS

En el diseo se deben de tomar en cuenta los elementos que se describen a

continuacin:

3.1 Cargas y fuerzas

3.1.1 Carga muerta

La carga muerta en el diseo consistir en la suma de los pesos del acero

utilizado, concreto reforzado de la cimentacin, agua potable del cilindro lleno y

accesorios.

3.1.2 Carga viva

La carga viva, es la sumatoria del peso de las personas que interviene en el

montaje del tanque, o el mantenimiento y reparaciones del mismo, tomndose el valor

mayor de ambas.

3.1.3 Cargas de viento

Se deber prever en el diseo los esfuerzos causados por el viento durante el

montaje, as como despus de terminada la obra.

La carga de viento se ha tomado en cuenta en este trabajo, para estructuras

elevadas de la siguiente manera. La presin por viento P est determinada por la

frmula

P C C q I e q s w=

donde:

P = Diseo de presin de viento en lbs/pie2.

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Ce = Coeficiente de exposicin que depende de la altura, factor de rfaga de

viento, etc. (ver tabla I)

Cq = Coeficiente de presin. (ver tabla II)

qs= Valor normalizado de presin de viento. (ver tabla III)

Iw = Factor de importancia para viento. (ver tabla IV)El coeficiente de exposicin y factor de rfaga de viento (Ce), es el

coeficiente que incorpora estas influencias por un nmero de efectos de

exposicin basado en la altura de la estructura arriba del nivel del suelo y

expuesto a la condicin del lugar, por lo que esta combinacin entre altura,

exposicin y el coeficiente de factor de rfaga de viento es variable segn las

explicaciones siguientes:

Exposicin B: se caracteriza por localizarse en terreno donde hay edificios

y, bosques y superficies irregulares, con diferencias de 20

pies en altura y cubriendo el 20% del rea en una milla a la

redonda 1.6 kilmetros

Exposicin C: se caracteriza por localizarse en terreno donde hay edificios

por lo menos a 1 millas de distancia 2.4 kilmetros

Exposicin D: representa una localizacin donde hay mucha exposicin

directa a la estructura cercana a grandes cuerpos de agua,

donde pueden haber fuerzas muy grandes de viento como

huracanes, tornados, ventarrones, etc.

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Tabla I. Coeficientes (Ce) de exposicin y rfaga de viento

Altura desde el terreno a la

parte superior del tanque

Exposicin

D

Exposicin

C

Exposicin

B

Pies Metros15 4.57 1.39 1.06 0.62

20 6.10 1.45 1.13 0.67

25 7.62 1.50 1.19 0.72

30 9.14 1.54 1.23 0.76

40 12.20 1.62 1.31 0.84

60 18.29 1.73 1.43 0.95

80 24.39 1.81 1.53 1.04

100 30.48 1.88 1.61 1.13

120 36.58 1.93 1.67 1.20

El coeficiente de presin Cqsirve para determinar la resistencia del sistema

principal y de los componentes estructurales donde su valor vara de 1.4 a

0.8 segn tabla II

Tabla II. Coeficientes de presin (Cq)

Estructura o parte

de ella misma

Forma de la base del

tanque

Coeficiente de

presin en cualquier

direccin

Cuadrada o rectangular 1.4

Tanques Hexagonal u octogonal 1.1

Circular o elptica 0.8

El valor normalizado en libras por pies cuadrado (psf) de presin de viento

(qs) est determinado por la frmula:

200256.0 vqs =

donde: v= velocidad de diseo del viento en millas por hora.

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Estimar para Guatemala, v = 80 millas/h = 129 Km/h, a excepcin de los

caones de Paln y la Sierra de Las Minas, donde puede estimarse una

velocidad hasta de 112 millas/h = 180 Km/h. Se utilizar la tabla III como base

de presiones estandarizadas de viento (qss)) para diferentes velocidades de

viento:

Tabla III. Presin estndar de viento(qs) aproximado:

Millas por hora 70 80 90 100 110 120 130

Kilmetros por hora 113 129 145 161 177 193 210

Presin qs(psf) 12.6 16.4 20.8 25.6 31.0 36.9 43.3

El factor de importancia de viento(Iw) sirve para incrementar el valor de diseo

segn el tipo de edificaciones que presta el servicio de agua. Los tanques

elevados caen en la categora de instalaciones esenciales.

Tabla IV. Factor de importancia de viento (Iw) segn el tipo de edificaciones

que alimenta el tanque metlico elevado

Tipo de edificacin Factor de importancia

(Iw)

Hospitales 1.15

Bomberos y polica 1.15

Edificios pblicos 1.15

Edificios que contiene qumicos y explosivos 1.15

Edificios escolares 1.00

Comercio e industria 1.00

Vivienda 1.00

3.1.4 Cargas de sismo y otras fuerzas

Las estructuras sujetas a sismos, huracanes y otras condiciones extraordinarias,

se disearn para tales condiciones que tienen que resistir esos efectos. Los

procedimientos y limitaciones para el diseo de estructuras deben determinarse por la

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localizacin zonal, caractersticas, tipo de edificaciones que sirve o alimenta

(ocupacin), sistema estructural segn altura y seccin. El mnimo diseo de fuerzas

ssmicas, se determina por la fuerza esttica lateral y sus efectos relacionados.

Diseo por cortante basal (UBC 941).El cortante basal total con una direccin determinada est dado por la siguiente

frmula:

WR

CIZV

w

e

=

donde:

V = Cortante basal, en libras.

Z = Factor Z de zona ssmica. (ver tabla V)

Ie = Factor de importancia de sismo. (ver tabla VI)

C = Factor de fuerza horizontal.

Rw= Factor de estructuras de pndulo invertido que es 3 constante.

W = Peso propio de la estructura en libras.

El factor de fuerza horizontal C est dado por la frmula:

3

2

25.1

T

SC s

=

donde:

C = no se puede exceder de 2.75

Ss= Factor que depende del tipo de suelo, segn clasificacin (ver tabla VII)

T = Perodo fundamental de vibracin de la estructura en segundos

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Figura 7. Mapa de macrozonificacin ssmica de la repblica de Guatemala

Tabla V. Factor (Z) de zona ssmica (ver figura 7)

Zona Z

2A 0.15

2B 0.20

3 0.304 0.40

Tabla VI. Factor de importancia de sismo(Ie) segn edificaciones que alimenta el

tanque de agua

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Tipo de edificacin Factor de importancia (Ie)

Hospitales 1.25

Bomberos y polica 1.25

Edificios pblicos 1.25

Edificios que contiene qumicos y explosivos 1.25Edificios escolares 1.00

Comercio e industria 1.00

Vivienda 1.00

Tabla VII. Factor (Ss) que depende del tipo del suelo, segn clasificacin

Tipo de

SueloDescripcin del perfil o tipo del suelo

(ver figura 8)

Factor

(Ss)

S1

Suelo con cualquiera de las siguientes caractersticas:

A) Roca de cualquier clase con velocidades de onda de corte

mayores de 2500 pies por segundo (762 m/s)

B) Medio firme a firme o medio rgido a rgido donde el suelo

est a menos de 200 pies (60960 mm)

1.0

S2

Suelo con predominio de granular medio denso y denso o limos

densos y depsitos de cenizas volcnicas donde estn a ms

de 200 pies (60960 mm)

1.2

S3

Perfil del suelo conteniendo ms de 20 pies (6096 mm) de

arcilla blanda o semiblanda, pero no ms de 40 pies (12192

mm) de arcilla blanda.

1.5

S4

Perfiles del suelo conteniendo ms de 40 pies (12192 mm) de

arcilla blanda caracterizada por su velocidad de onda de corte

menor que 500 pies por segundo (152.4 m/s). Para determinar

este factor, hay necesidad de consultar con un ingeniero

gelogo

2.0

Aprox.

El perodo (T) fundamental de vibracin de la estructura, en segundos, se determina por

medio de la siguiente frmula

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( )T C ht n= 3

4

donde:

Ct= 0.035 constante.

hn= Altura desde el terreno a la parte superior del tanque en pies.

Figura 8. Comportamiento de diferentes perfiles del suelo (Ss y T)

3.2 Materiales

3.2.1 Acero estructural

El material que se ajuste a las siguientes normas, podr ser usado bajo estas

especificaciones:

Acero estructural con lmite de fluencia mnimo de 29.5 Kg/mm2y con un espesor

mximo de 12.7 mm, ASTM A529 Tubos de acero, con o sin costura, negros y galvanizados, por inmersin en caliente,

ASTM A53

Tubos de acero al carbono para usos estructurales, formados en fro, con o sin

costura, de seccin circular o de otras formas, ASTM A500

Acero estructural, ASTM A36

14


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Lmina de acero de baja aleacin y alta resistencia, laminada en caliente y laminada

en fro, resistente a la corrosin, ASTM A606

Lmina de acero al carbono laminada en caliente, para uso estructural, ASTM A570

El fabricante deber presentar los informes certificados de las pruebas delaboratorio de los materiales a usar, de acuerdo con normas ASTM A6 o ASTM A568,

para el uso aceptable de estos materiales.

3.2.2 Remaches

Los remaches de acero cumplirn con la ltima edicin de la siguiente norma:

Remaches de acero estructural, ASTM A502

La certificacin del fabricante constituir evidencia suficiente de que el material cumple

con la norma.

3.2.3 Tornillos

Los tornillos de acero cumplirn con la ltima edicin de una de las siguientes

normas:

Sujetadores estndar de acero al bajo carbono, roscados interna o externamente,

ASTM A307

Tornillos de alta resistencia para conexiones de acero estructural, incluyendo

tuercas y arandelas, ASTM A325

Tornillos de acero de aleacin templado y endurecido para conexiones de acero

estructural, ASTM A490

La certificacin del fabricante constituir evidencia de que el material cumple con la

norma.

3.2.4 Electrodos y fundentes

Segn el caso, los electrodos y fundentes para soldadura, cumplirn con la

ltima edicin de una de las siguientes normas de la Sociedad Americana de Soldadura

(AWS)

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Electrodos de acero al carbono, recubiertos para soldadura por arco elctrico, AWS

A5.1

Electrodos de acero de baja aleacin, recubiertos, para soldadura por arco elctrico,

AWS A5.5

Electrodos de acero al carbono para soldadura, por arco con electrodo tubularcontinuo, AWS A5.20

La certificacin del fabricante constituir suficiente evidencia de conformidad con las

especificaciones.

3.2.5 Pernos conectores de cor tante

Los pernos conectores de cortante, cumplirn con los requisitos de los artculos

relativos del Cdigo de Soldadura Estructural, AWS D1.1 de la Sociedad Americana de

Soldadura (AWS)

La certificacin del fabricante constituir suficiente evidencia de que el material cumple

con el cdigo.

3.3 Mtodo de diseo

Todos los componentes de la estructura sern diseados de tal manera que los

esfuerzos, no excedern los valores permisibles siguientes

Acero estructural

Tensin: Ft no exceder de 0.60 Fyen el rea total, ni de 0.50 Futen el rea neta

efectiva

donde:

Ft = esfuerzo en tensin

Fy = esfuerzo permisible en tensin

Fut= esfuerzo ltimo en tensin

Cortante: en el rea efectiva de la seccin transversal que resiste el esfuerzo

cortante,

Fuc= 0.40 Fy

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donde:

Fy = esfuerzo permisible cortante

Fuc= esfuerzo ltimo cortante

En perfiles laminados y en perfiles armados, el rea efectiva para

resistir cortante podr calcularse como el producto del peralte total porel espesor del alma.

Compresin: En la seccin total de miembros cargados en compresin axial, cuya

seccin transversal cumple con las disposiciones de relacin ancho-

espesor, cuando Kl/r, la mayor reaccin de esbeltez efectiva de

cualquier segmento no arriostrado como se define en la estabilidad y

relaciones de esbeltez, es menor que cc:

Fa

K l r

Cc F

Kl r

C

Kl r

C c

y

c

=

+

1 2

5

3

3

8 8

2

2

3

3

( / )

( / ) ( / )

en donde:

CE

Fc y=

2 2

En la seccin total de miembros en compresin axial, cuando Kl/r

excede Cc :

FE

Kl ra =

12

23

2

2

( / )

en la seccin total de arriostramientos y en miembros secundarios cargados

axialmente cuando L/r excede 120,

F

F

l

r

as

a

= 16200

.

con estas expresiones se calculan las capacidades de las columnas que se

encuentran en el apendice.

Esfuerzos a tensin: de acuerdo a AISC, en cualquier fuerza el esfuerzo mximo

de trabajo a tensin no ser mayor a 0.45 Fy, para la seccin neta.

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Esfuerzos a cortante: de acuerdo a AISC, para secciones laminadas el esfuerzo

cortante permisible se calcula como 0.40 Fy.

Esfuerzo a flexin: de acuerdo a AISC, para esfuerzos permisibles, debencumplirse las relaciones siguientes,

0.1+b

b

a

a

F

f

F

f

3.4 Diseo del tanque

El diseo del tanque se analiza en los siguientes cinco componentes: capacidad, techo,

cuerpo, fondo, base del tanque para la torre, siguiendo el mtodo de diseo indicado en

el punto.

3.4.1 Diseo de capacidad o volumen

Para disear la capacidad del tanque se necesita estimar el volumen de agua en

litros o galones, se hace con relacin entre altura y base del cilindro (h/b), donde la

mnima recomendable es 1/1 y la mxima 1.4/1. Se hace un primer tanteo para la altura

hasta llegar a medidas comerciales; luego se hace un primer tanteo con el permetro del

tanque hasta llegar a medidas comerciales para evitar cortes hasta dejar fijo el dimetro

de la base. Luego se calcula la capacidad final del tanque, dentro de las relaciones

altura sobre base indicadas. Con estas medidas se determinan las dimensiones de

lminas a utilizarse en el tanque, para obtener el mayor ahorro posible de soldaduras,

cortes y mano de obra.

Las lminas en el mercado guatemalteco estn clasificadas por ancho, longitud y

espesor. En el caso de diseo por capacidad, lo que interesa son medidas de lminas

de 3, 4, 6 y 8 pies de ancho por 10 o 20 de longitud, pero se pueden conseguir de

longitudes hasta de 40 pies de longitud, y de 1/16, 3/32, 1/8, 5/32, 3/16, 1/4, 5/16,

3/8, 1/ 2, 5/8 pulgadas de espesor.

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Figura 9. Diagrama de Capacidad del Tanque

Volumen del tanque

hDV = 2

4

3.4.2 Diseo del cuerpo del tanque

Donde,V = volumen en pies3D1= dimetro del cilindro en

piesh = altura del cilindro en piesh1 = altura inicial del primer

tanteo en piesP = permetro en pies

P1= permetro inicial delprimer tanteo en pies

Wagua= Peso del agua enlibras

Variables:H, D, V,Wagua

hD=

= 7854.04

37854.0 hV =

3

7854.0

Vh=

3 2732.1 Vh =

3 3 3Pasar de galones a pies o metros a pies ,encontrar una altura inicial h1 como primer tanteo

30839.11 Vh =

h

VD

=

7854.01

Aproximar h1a enteros de mltiplos variados entre4, 6, 8 pies, hy encontrar el dimetro inicial D1

Encontrar permetro P1 en

= 11 DP 30839.1 Vh =

Aproximar P1 en largos de lmina en pies enteros

PD=

Encontrar volumen V,

hDV = 24

19


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El cuerpo es un cilindro vertical que se calcula como un depsito de pared

delgada, el cual va a contener agua a una presin p en libras/pie2; est sometido a

fuerzas de tensin segn su seccin transversal, y las paredes han de resistir estas

fuerzas para evitar que colapse. Se considera primeramente la seccin A-A que es un

corte diametral del cilindro y el segundo diagrama de cuerpo libre de una de las mitadesdel cilindro. Aqu se representa la fuerza elemental, que acta normalmente a un

elemento diferencial de la pared del cilindro, a un ngulo del dimetro vertical, que

es

dF pdA pLD

d= =2

Por simetra respecto al plano vertical que pasa por el eje del cilindro, a cada dF

le corresponde otra, cuyo componente vertical ser igual, pero de sentido contrario, por

lo que todas las parejas de componentes verticales se equilibran y la fuerza total F que

tiende a separar una mitad del cilindro de la otra, es la suma de las componentes

verticales de dichas fuerzas elementales:

[ ]F pLD

d sen pLD

=

= 2 2

0 0

cos

que se reduce a: F pDL= evidentemente y para mantener el equilibrio del medio

cilindro, la fuerza total F, que acta normalmente al plano A-A, es resistida por las

fuerzas iguales P que actan en las dos secciones cortadas de la pared del cilindro, por

tanto,

[ V= 0] F pDL P= =2

Un procedimiento ms sencillo para determinar la fuerza F resultante de todas las

fuerzas elementales en una direccin, es el indicado en la figura anterior. La mitad

inferior del cilindro est ocupada por fluido y puesto que ste transmite por igual las

presiones en todas las direcciones, la distribucin de presiones y de las fuerzas

elementales es la misma.

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Figura 10. Seccin transversal del tanque

en donde se representa el diagrama de cuerpo libre correspondiente a la mitad inferior

del cilindro, es evidente que la fuerza F es igual a la presin por el rea en la que acta.

Como esta rea es la superficie libre de fluido, o sea DL se obtiene como antes, que

F=pDL.

El esfuerzo en la seccin longitudinal que soporta la fuerza F resulta de dividir

sta entre el rea de las dos secciones de corte. Por tanto,

Este esfuerzo se llama esfuerzo circunferencial que puede usarse para calcular el

cilindro y el cono inferior fondo.

t

DP

S 2

=

( ) ( )

S

Dht

t

DhS

t

Dpuhpu

Pie

pu

Pie

Pie

Lbs

t

dPS

=

=

==

60.2

6000.2

2

lg12lg12lg124.62

2

2

tpDL

tL

pD

t= =2 2

21


23/43

Figura 11. Diagrama de clculo de paredes del cuerpo

Variables:h,D,V,P agua,

A cilindro

81

1281

6.0,#22000

1 +

=+

=

==

ypies

agua

y

agua

yby

fD

W

fP

Wt

fff p h

F p D

tF

f

pies

Lbs

pies

pies pies

pies

p

pie y

=

=

=

+

62 4

12

121

8

3

2

2

.

#

#

lg

Revisart1

Revisart2

Colocar el mayor entre t1 y t2 en pulg /16

Constantes:h,D,V,P agua,

A

22


24/43

3.4.3 Diseo de cubierta o techo

La funcin principal del techo es cubrir el depsito de la intemperie y de los rayos del

sol, para evitar que se formen algas en el agua o que caiga material contaminante.

Figura 12. Longitud radial de la cubierta

El techo puede ser de forma plana o cnica. La forma plana necesita vigas internas

y refuerzos, mientras que la cnica slo necesita de estos, segn el criterio del

diseador. En el techo de forma cnica (Figura 12) las pendientes del mismo pueden

ser desde 1/6 hasta 3/8, donde se relaciona la altura del cono del techo sobre la base

ho/(D/2).

Las placas del techo no sern menores de 3/16 de espesor, pero se debe de

incrementar un factor de grosor adicional por corrosin de 1/8 en lugares con grado de

humedad o salinidad relativos mayores que la normal y por condiciones extremas de

lluvia, granizo o nieve. El techo de un tanque deber soportar una carga viva mnima

de diseo de W=20 lbs/pie2, que ser igual a la carga de servicio para techos sin

acceso. El techo se disea dependiendo del dimetro y normalmente se calcula sin

refuerzos. Si fuere necesario calcular con refuerzos, estos pueden ser vigas radiales,

las cuales produce mayor rigidez, al igual a un anillo de cerramiento.

Para disear la cubierta o techo, se toma sin el saliente o voladizo de los extremos.

La longitud l se calcula con: ( ) ( )l h Do= +2

2

2

Donde,

l = longitud radial de cubierta o techo

ho= altura del cono

D = Dimetro del cilindro

23


25/43

Cuando se necesita reforzar este techo, se utiliza una estructura con vigas o

refuerzos internos radiales para tratar de conservar la lmina delgada. El cono del

techo visto en planta es una circunferencia y sta se divide en secciones radiales que

estn inscritas en la circunferencia. Se plantea inicialmente el clculo con cuatro

secciones, luego se toma el centro de cada seccin para calcular el refuerzo (figura 13),y se divide por franjas de 1 para ver cul es el lugar ms dbil de la seccin.

Normalmente no se toma la primera puesto que estar soldada con el cuerpo del

tanque por lo tanto se toma la 2da. despus del borde se calcula si resiste. Si cumple

con las condiciones de clculo, se determina el nmero de refuerzos y sus condiciones.

Figura 13. Diseo de 2da franja

Si esta primera prueba no cumple con las condiciones se subdividen las secciones

simtricamente y se vuelve a realizar el clculo, as hasta conseguir un refuerzo

econmico y adecuado.

Para el clculo del refuerzo se toma la longitud de curva de la seccin y el radio

de sta y se disear la franja ms crtica.

Para disear la franja ms crtica se determina la longitud de radio como l . Para

determinarlo se utiliza

[ ]lD pies

n"

( .=

2 15 donde D

= dimetro del tanque y n = lados inscritos en crculo

Para determinar el peso total (W)

24


26/43

vivaaL

viva

aL

MnimoaL

WWw

mnimapie

lbsW

pie

lbs

pu

piest

pie

lbsW

+=

=

==

min

2

2

min

3min

20

lg12490

Para la franja l ( ) pieWWw vivaal 1min += , con este valor calcular el espesor porflexin considerando apoyos en el borde y en el vrtice del cono formado,

s

reqF

MS

n

LWM =

= ,

2

, despus despejar el espesor t

Para

disear las( )[ ]

vigas o

refuerzos se

utiliza

fM

SS

M

fS

M

w l

Sb h

h

w l

b

= = = =

=

=

18000

8

18000 6

818000 6

2

2

2, despejar h

h>=3/16

Anillo de cerramiento:

En la parte alta del tanque se necesita un elemento estructural que conecte el

techo a las paredes del cilindro llamado anillo estructural o viga - anillo. El mdulo

de seccin en pulgadas cbicas, ser el mayor valor que se encuentre por la frmula

siguiente:

250

2

1

DZ = donde,

[ ]( ){ }

W W W W

W

r h r

n

r h r

nr h

Total Techo Viva Viga

Total

o

o

= + +

=

+

+

+

+

2 2

2 2

38

112 490

201

41

12 490

25


27/43

Z1 = Mdulo de seccin (pulgadas cbicas)

D = Dimetro del tanque (pies)

En general, el anillo estructural es un angular soldado en la parte alta del tanque del

lado exterior, as el techo tiene un lugar firme donde soldarse.14. Detalle del anillo de cerramiento

3.4.4 Diseo del fondo

Existen varios tipos de fondo en los tanques metlicos elevados, pero en este

trabajo, se utilizar el fondo suspendido. Entre los ms utilizados en nuestro medio,

estn los cnicos ya que por su pendiente permiten evacuar los sedimentos que

recolecta el agua en el fondo y as removerlos por medio de vlvulas de lavado. Cuando

se disea el tanque, se tiene que tomar en cuenta la posicin de las arriostras de la

torre para que stas no doblen el fondo del tanque. El diseo del espesor de la lmina

del fondo se hace por tensin ya que se considera que otra condicin es poco probable,

y se usa el esfuerzo circunferencial deducido.

t

dP

Sagua

2

=

Figura 15. Comparacin entre fondo y refuerzos de la torre

26


28/43

( ) ( )

( ) ( )

( )

CorrosionhConofinal

fondoque

puAltura

pupuagua

ttt

S

dht

t

dhhS

t

dhPiePie

Pie

Lbs

t

dPS

+=

=

+=

=

=

sec60.2

sec6000.2

2

121212

4.62

2

tan

lg

lglg

2

27


29/43

Figura 16. Diagrama de clculo de tanque

Constantes:h, D, V, Pagua,

Acilindro, tcilindroy tfondo

Encontrar reas y pesos de

la tapadera, Fondo, Cilindroaccesorios

ta ata ata a tAP = fondofondofondo tAP =

cilindrocilindro

PhA

DP

Cilindro

=

=

( )

( )

4

2

2

38

1

4

44

2

4

2

4

4

cilindrotapa

cilindro

piescilindro

pies

DDA

rD

hDr

Dh

Tapa

=

=

+

=

( )

( )

4

2

2

5.44

2

3

33

2

3

2

3

3

cilindrofondo

cilindro

cilindro

pies

DDA

rD

hD

r

piesD

h

Fondo

=

=

+

=

cilindrocilindrocilindro tAP =

ondocilindrota atotal PPPP ++=

Accesorios son

el 10% delPtotal

28


30/43

3.4.5 Diseo de base del tanque para la torre

El diseo de la base del tanque depende de los apoyos de la torre, depender de

los esfuerzos de carga normal, con sismo y viento juntos.

Esta base est formada por esquineros por dentro del tanque en cada columna,

comunmente se colocan en la parte interna, o externo del tanque, deben de tener la

altura del corte de la columna como mnimo. Para tener un apoyo que transmita los

momentos y fuerzas de sismo y otras cargas se refuerza con una placa llamada aletn

que va por debajo del fondo y la columna, normalmente est soldado a la columna y en

el campo se suelda al tanque. En base tienen que coincidir la arista del tanque con el

eje de la columna y entre ms acople de la columna, mejor. Normalmente va soldado

en el lugar y depende de cada tanque.

Figura 17. Placa entre columna y tanque

3.5 Diseo de la torre

La torre es una armazn estructural de gran altura con la funcin de sostener un

tanque para agua a una altura determinada. Est compuesta de un conjunto de

elementos (columnas, riostras o arriostas y tensores) unidos entre s por medio de

29


31/43

placas. Cada uno de estos elementos debe estar diseado lo ms simple posible; las

uniones entre estos elementos pueden ser soldadas, pernadas o remachadas.

Figura 18. Diseo de torre en perspectiva

Las columnas son elementos sujetos acompresin, su funcin principal es de

sostener el tanque; estas columnas son

colocadas verticalmente o ligeramente

inclinadas con el zenit; est inclinacin

depende del diseo de viento y sismo.

Las columnas tienen una seccin constante,

esta seccin puede ser un perfil estructural

con forma tubular (redondas, cilndricas

cuadradas, rectangulares) o tipo I, T que

son compuestas. El eje de las columnas

no debe desviar su inclinacin del zenit, por

ms del 10% de pendiente de su longitud y el mnimo dimetro exterior de una columna

tubular, exceder el 2% del dimetro nominal exterior; la seccin debe estar libre de

abolladuras y si existieran, no deben ser mayores que el espesor de la seccin.

Los tubos y las secciones tubulares (redondas, cuadradas o rectangulares), se

recomiendan para cargas medianas en las columnas, por lo fcil de calcular. Algunas

de las ventajas de estas secciones tubulares son:

El miembro sujeto a compresin ms eficiente, es aquel que tiene el radio de

giro constante con respecto a cualquier eje que pase por su centroide, propiedad

exclusiva de secciones tubulares y redondas.

Las superficies lisas permiten pintarse con mayor facilidad

Tienen excelente resistencia a la torsin

Las superficies son bastante atractivas

Presentan menor resistencia cuando quedan expuestas a la accin del viento.

30


32/43

3.5.1 Centro de gravedad

El centro de gravedad del tanque se toma en cuenta desde el centro geomtrico del

cilindro y el centro de gravedad del cono infertido de fondo hasta el nivel del suelo.

Componente Volumen en metros3

Z en metros Z x volumen

Cilindro V r hCilindro Cilind = 2

Ztierra=1/2xhCilindro+

Ztorre

Htierrax VCilindro

ConoV

r hCono

Cono= 2

3

Ztierra=3/4xhcono+ Ztorre Htierrax VCono

Volmenes ( ) VolmeneZ ( )

=

Volmenes

VolmenesZZ

3.5.2 Diseo de columnas

Diseo para miembros sujetos a compresin (columna):

Suponer que el 200,4836 ==r

KlksiFksiF yy

Suponer una seccin tentativa que normalmente se encuentran en el manual de

AISC, en la seccin de columnas. Entonces escoger una seccin, anotar el rea y

radio de giro (r)

Calcular la relacin de esbeltezKl

rsiendo l la longitud de la columna desde nudo a

nudo sin soporte, en pies, r es el radio de giro, K se le da un valor igual a uno.

Con la relacin de esbeltez, se calcula el esfuerzo unitario permisible en la tabla

de esfuerzos permitidos para miembros a compresin, en el manual AISC.

Fa

Multiplicar la , encontrada en el paso anterior por el rea transversal, este

producto dar la carga permisible sobre la seccin de la columna.

Fa

31


33/43

Comparar la carga permisible encontrada en el paso anterior con la carga de diseo,

si la carga permisible en la seccin propuesta es menor que la de diseo, probar

una seccin mayor y revisar de la misma manera, hasta encontrar la indicada.

3.5.3 Diseo de arriost ras hor izontales

Los miembros horizontales son llamados arriostras y los miembros inclinados son

llamados tensores o arriostras inclinadas; cualquiera de estos elementos estn

sometidos principalmente a fuerzas de tensin, se encuentran unidos a las columnas y

su funcin principal es aumentar la resistencia de la armazn manteniendo fijas a las

columnas.

Estos miembros sometidos a tensin, se caracterizan por no sufrir pandeo. La

seccin de la pieza que est sujeta a fuerza de tensin no puede exceder de Ft=0.60 Fy

segn el cdigo AISC (Seccin D). Esto hace simple el clculo de la seccin de cada

elemento, por lo que el rea de la seccin es igual a la fuerza (F)dentro del esfuerzo

permisible (Ft)

AF

Frequerida t=

donde: Areq= rea requerida (pulg

2

), F = Fuerza de la arriostra o tensor, desde nudoinicial al nudo final (lbs), Ft= Esfuerzo de tensin permisible de la seccin en (lbs/pulg

2)

donde Ft= 0.60 (36,000) = 21,600 lbs/pulg2

El tipo de pieza a usar puede ser canal, tensor, t, angular, en todos estos casos

depende de la unin de conexin en los extremos, por lo que pueden estar perneados o

soldados.

Figura 19. Detalles entre placa, columna y tanque

32


34/43

Figura 20. Detalles entre placa, arriostres y columna

Figura 21. Detalles entre placa, arriostres y columna

33


35/43

3.5.4 Diseo de arriost ras inclinadas

Son piezas que estn a tensin o compresin, la funcin principal de los tensores es

resistir la fuerza de sismo o viento extremo en la estructura. Se desprecia la condicin a

compresin ya que al sufrir pandeo deja a las piezas a tensin toda la accin de

resistencia.

Si estn a compresin calcular con el procedimiento indicado en el punto 3.5.2

como si fuesen columnas y si estn a tensin por medio d formulas de tensin, como en

lo indicado en el punto.

3.5.5 Diseo de placas para riostras y columnas

Solo se escoge una placa que geomtricamente permita colocar con facilidad las

piezas que llegan a esa unin y se determina el espesor por tensin, ya que va soldada

a todos los miembros.

3.5.6 Diseo de placas de base de tor res

La unin entre la columna de acero y el pedestal de concreto del cimiento es una

placa metlica asegurada con pernos de anclaje.

Figura 22. Detalles de placa de base de torres

34


36/43

Se usa el pedestal para mantener la columna de metal por encima del terreno para

prevenir la corrosin.

La placa de base y el extremo de la columna que est en contacto con dicha placa

se pueden alisar para efectuar la transferencia de carga por asiento directo. La placa

de base se asienta sobre la cimentacin usando una lechada de cemento, la cual tiene

como objetivo igualar un desajuste entre la cimentacin y la columna

Se pueden usar angulares para atornillar o soldar la placa de base a la columna con

pernos anclados a la cimentacin siempre y cuando se diseen para resistir fuerzas que

traten de levantar la columna. Es ventajoso usar atiesadores en el diseo de las bases

de columnas, esto determina el tamao y el espesor de las placas. El tamao se

determina por el rea de apoyo requerida sobre la cimentacin y el espesor se obtiene

con el esfuerzo de flexin en la placa, que no exceda el valor permisible.

Las dimensiones de las placas de base requeridas dependen de la presin unitaria

permisible de contacto de la cimentacin. El espesor de la placa de base depende de

la presin de contacto de la placa de base, y produce flexin en la seccin crtica.

Cuando la base de la columna resiste un momento, deben ajustarse las

dimensiones de la placa de manera que

35


37/43

F fP

A

M

SP p =

donde: S es el mdulo de seccin de la placa rectangular de base con respecto al eje

de momentos.

El rea de la placa de base de la columna es

B CP

Fp =

Se puede obtener un nmero de combinaciones para los lados B y C, pero se debe

usar la combinacin que haga que m n .

Figura 23. Detalle de seccin de columna con base

Se obtiene el espesor de la placa de base considerando la flexin en una seccin crtica

a la distancia m o ndel borde libre correspondiente. Para una presin uniforme y una

franja m o n x 1unidad de ancho x un espesor t, se tiene M q mm

= ( )2

o M q nn

= ( )2

usando el valor mayor de M y notando que si m = n estos momentos son iguales, se

tiene f FM

S

M

tb b= = =

62 Resolviendo para t, se obtiene

( )t

M

F

q m n

Fb b=

=

6 32 2o

donde = presin real de contacto,q F Fb y=0 75.

Para pernos de anclaje, suponiendo que deban de soportar todo el momento aun

cuando la fuerza axial reducir considerablemente el momento, donde TM

d= y

36


38/43

F Ft y=0 6. por lo que el rea requerida es AT

Frequerida t= donde: D

A

n

requerida=

4

donde n =

nmero de pernos requeridos en tensin

3.6 Diseo de cimentacin

Figura 24. Planta de cimientos individuales

3.6.1 Diseo de zapatas

Procedimiento para diseo de zapatas

Determinar la capacidad permisible de apoyo del suelo, con base en los datos de las

perforaciones de pruebas del sitio y de las investigaciones del suelo.

Determinar las cargas de servicio que actan en la base de las columnas que

soportan la estructura. Seleccionar la combinacin de cargas de servicio y

momentos ms desfavorables, si existe una combinacin de carga y momento

flexionante.

37


39/43

Calcular el rea necesaria de la zapata, dividiendo la carga total de servicio entre la

capacidad permisible de apoyo que se seleccion para el suelo, si la carga es axial

o tambin tomando en cuenta los esfuerzos de flexin ms desfavorables, si existe

una combinacin de carga y momento flexionante.

Figura 25. Planta y armado de zapata para cimientos

Calcular las cargas y momentos factorizados para las condiciones determinantes y

encontrar los valores nominales de resistencia que se requieren, dividiendo las

cargas y los momentos factorizados entre los factores de resistencia pertinentes.

Determinar por prueba y ajuste, el peralte efectivo d que se requiere en la seccin

para que cuente con una capacidad adecuada para resistir el cortante por

penetracin a una distancia 0.5dde la cara de apoyo, revisar la capacidad cortante

como viga en cada direccin, en los planos situados a una distancia d de la cara de

la columna de apoyo.

Calcular el momento resistente factorizado Muen un plano en la cara de la columna

de apoyo hasta el extremo de la zapata. Encontrar Mn = Mu/0.9 y selecionar un

rea total de refuerzo As con base en Mny el peralte efectivo aplicable.

38


40/43

Determinar el tamao y la separacin del refuerzo por flexin de las direcciones

larga y corta: distribuir uniformemente el acero en todo el ancho de la zapata, en

cualquier direccin. Verificar que el rea de acero, en cada direccin principal de la

zapata en planta, exceda al valor mnimo necesario por contraccin y temperatura.

Revisar la longitud disponible de desarrollo y anclaje, para comprobar si se

satisfacen los requerimientos de adherencia.

Revisar los refuerzos de aplastamiento en la columna y en la zapata en sus reas

de contacto.

Determinar la cantidad y tamao de las varillas de dovela que transfieren la carga de

la columna a la losa de la zapata.

3.6.2 Diseo de pedestales

La seccin del pedestal tendr desde 2.54 cm. (1 pulg.) hasta 3 cms. (1 pulg.) de

la columna a la placa base en todo su alrededor y sta ser la seccin del pedestal.

El pedestal debe de trabajar para el cimiento como columna corta por lo tanto la

relacin de esbeltez tiene que ser menor o igual a 22.

Figura 26. Seccin de armado de pedestal

39


41/43

La capacidad nominal de la seccin del pedestal a compresin ser considerando

un rea bruta de la seccin transversal Ag de ancho b y un peralte total h, que est

reforzada con un rea total de acero Astrepartida en todas las caras de la columna. El

rea neta de la seccin transversal de concreto es Ag- Ast. Por lo tanto para obtener la

capacidad mxima de carga axial para la columna sumando la contribucin delconcreto, siendo ( Ag- Ast) 0.85 fcy la contribucin del acero, que es Astfy, en las que Ag

es el rea bruta total de la seccin de concreto y A st el rea del acero = As+ As se

obtiene

P f c A A Ao g st fst y= +0 85. ' ( )

El refuerzo lateral para columnas se requiere para prevenir el desplazamiento del

concreto o el pandeo local de las varillas longitudinales. El refuerzo lateral se puede

lograr con estribos distribuidos uniformemente en la altura de la columna a intervalos

especficos, por lo tanto debe de cumplir con que:

El tamao del estribo no debe ser menor que una varilla de No. 3 (9.5 mm). Si el

tamao de la varilla longitudinal es mayor al No. 10 (32 mm), entonces los estribos

debern ser por lo menos del No. 4 (12 mm).

K lr donde l h

K hr

r l

K

h

l

h

l

h

l

uu

= >

==

= =

22

0 25

0 8 1 0

0 2522 22 0 25 55

55

.

( . . )

.. .

.

La separacin vertical de los estribos no debe exceder a 48 veces el dimetro del

estribo, 16 veces el dimetro de la varilla longitudinal y la menor dimensin lateral de

la columna.

40


42/43

Figura 27. Relacin de altura y seccin de pedestal

Figura 28. Armados de pedestales

3.6.3 Diseo de vigas cimiento

La viga cimiento es una viga que acta para absorber la fuerza lateral, por lo tanto

slo se disea a tensin. Se coloca en la parte alta del pedestal y se toman el 10% de

los esfuerzos mximos de la fuerza cortante basal, esto hace que se disee slo con

refuerzo de acero pero al estar sometida a intemperie y al suelo se recubre con 2

pulgadas de concreto, por lo tanto, sale una viga armada simple con refuerzo. El

tamao de la seccin debe ser con las condiciones de una viga simplemente reforzada

y que cumpla con las condiciones de concreto mnimo para el rea de acero.

Figura 29. Armado de viga de amarre

41


43/43

tanques elevados metalicos para agua

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