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Proyecto: ESTANQUES PARA LUBRICANTES PETROBRAS Propietario:

MEMORIA DE CÁLCULO FUNDACIONES ANULARES PARA ESTANQUES – VOLUMEN 30 M3

CONTENIDO 1. 2. 3. 4. 5. 5.1. 5.2. 6. 6.1. 6.1.1. 6.1.2. 6.1.3. 6.1.4. 6.1.5. 6.1.6. 6.2. 6.2.1. 6.2.2. 6.2.3. 7. 8.

Generalidades ...................................................................................................................2 Normas de Referencia.......................................................................................................2 Antecedentes de Estanque ...............................................................................................2 Geometría del Estanque....................................................................................................2 Parámetros de Diseño .......................................................................................................3 Suelo Fundación................................................................................................................3 Hormigón en Fundación ....................................................................................................4 Solicitaciones para Diseño de Fundaciones......................................................................4 Solicitaciones por Sismo....................................................................................................4 Momento Volcante (M): .....................................................................................................4 Corte Basal (V) ..................................................................................................................6 Verificación del Estanque al Volcamiento..........................................................................6 Fuerza de Compresión en el Manto (b) .............................................................................7 Compresión del Manto sobre el Hormigón de Fundación .................................................7 Verificación del Estanque al Deslizamiento.......................................................................8 Solicitaciones por Viento ...................................................................................................8 Momento Volcante por Viento ...........................................................................................8 Verificación al Volcamiento por Viento ..............................................................................9 Verificación al Deslizamiento por Viento .........................................................................10 Diseño de Fundaciones ...................................................................................................10 Cálculo de Armadura del Anillo .......................................................................................12

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GENERALIDADES

El presente documento corresponde al diseño de las fundaciones para estanques de almacenamiento de lubricantes de volumen 30 m3, que serán dispuestos en la planta de almacenamiento de Petrobras. 2.

NORMAS DE REFERENCIA

Para el diseño de las fundaciones de los estanques se utilizaron las siguientes normas o códigos de diseño: 

NCh2369.Of2003, “Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales”.



NCh432.Of71, “Cálculo de acción del viento sobre las construcciones”.



NCh433.Of96, “Diseño sísmico de edificios”.



NCh1537.Of86, “Diseño estructural de edificios – Cargas permanentes y Sobrecargas de Uso”.



Código de Diseño de Hormigón Armado”, basado en el ACI 318-2002.



Manual of Steel Construction Allowable Stress Design, American Institute of Steel Construction



API STANDAR 650, Tenth Edition, Nov. 1998, Adendum 1, Jan. 2000, Adendum 2, Nov. 2001.



Fundaciones para Tanques de Almacenamiento (L-STC-006 PDVSA)

3.

ANTECEDENTES DE ESTANQUE

Fluido contenido:

Aceite lubricante

Densidad fluido:

0.9956 (Ton/m3)

Capacidad Nominal:

30 (m3)

Material:

Acero ASTM A-36

 Acero:

7.86 (Ton/m3)

4.

GEOMETRÍA DEL ESTANQUE

La configuración dimensional del estanque queda establecida según la Figura 4.1 y por los parámetros siguientes: Diámetro:

3.2 m

Altura nominal (de llenado) H:

3.73 m

Volumen nominal:

30 m3

Altura total del Manto H1:

4.0 m

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Volumen Total:

32.17 m3

Altura techo cónico:

0.15 m

Diámetro plancha de fondo:

3.33 m

Espesor Manto:

PL6 mm

Espesor Techo:

PL6 mm

Espesor Plancha Fondo:

PL8 mm

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. Figura 4.1. Geometría de estanque para almacenamiento de lubricantes.

5.

PARÁMETROS DE DISEÑO

5.1.

SUELO FUNDACIÓN

Peso específico:

1.65 (Ton/m3)

Ángulo de fricción :

30º

 admisible estático:

25 (Ton/m3)

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 admisible dinámico:

5.2.

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30 (Ton/m3)

HORMIGÓN EN FUNDACIÓN

Hormigón H20:

fc’ = 200 (Kg/cm2)

Acero A63-42H:

Fy = 4200 (Kg/cm2)

6.

SOLICITACIONES PARA DISEÑO DE FUNDACIONES

6.1.

SOLICITACIONES POR SISMO

6.1.1. Momento Volcante (M): El momento volcante y corte basal será determinado según los criterios de NCh2369.Of2003, así como por API650, considerando finalmente el valor más desfavorable de los dos casos.

M  T * ZC  Ws * Xs  Wt * Ht  W 1 * X 1  Z * C 2 * W 2 * X 2  Donde: M:

Momento volcante

Z:

Factor de zona sísmica (Z=0.4, Zona sísmica 4 API caso más desfavorable, Zona 3 NCh2369)

I:

Factor de importancia (I=1.2, categoría edificio C1)

Ws:

Peso manto

Wt:

Peso techo

W1:

Masa impulsiva

W2:

Masa convectiva

X1:

Altura desde base a punto aplicación de W1

X2:

Altura desde base a punto aplicación de W2

Ht:

Altura total de estanque (Ht=4.15 m)

C1, C2:

Coeficientes sísmicos

H1:

Altura nominal de estanque

Peso Manto (Ws) Peso techo (Wt)

= 1.897 (Ton) = 0.395 (Ton)

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a)

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Masa Impulsiva (W1), Convectiva (W2), X1, X2: según Figura E-2 y E-3 API 650.

Masa contenido (W) = 29.87 (Ton), D/H = 0.86, H1 =4.0 m W1/W = 0.84  W1 = 25.09 (Ton) W2/W = 0.22  W2 = 6.57 (Ton) X1/H1 = 0.44  X1 = 1.76 m X12H1= 0.75  X1 = 3.0 m Xs = H1/2 = 2.0 m b)

Cálculo Coeficientes Sísmicos

b.1)

Según API650 (E3.3)

Coeficientes Fuerzas Laterales: C1 =0.6 0.75*S/T,

Si T  4.5

C2 = 3.375*S/T2, Si T  4.5

T  1.81 * k * D 0.5 D: Diámetro del estanque S: factor según tipo de suelo (S=1.2, suelo tipo 2, Tabla E-3) K: Factor adimensional (Figura E-4) T = 1.91  4.5 C2 = 0.471 Coeficientes sísmicos: Masa Impulsiva: Masa Convectiva:

b.2)

Z*C1 = 0.24 Z*C2 = 0.189

Según NCh2369.Of2003

Masa Impulsiva: ξ = 0.02 (Mantos de acero soldados) R=4, (Estanques de acero de eje vertical con manto continuo hasta el suelo)

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Zona sísmica 3 C1 = Cmáx =0.32

Masa Convectiva:

2.75 * Ao  T '   0.05  C T *    gR     n

0.4

 0.1 * Ao / g

C2= 0.04 Coeficientes sísmicos: Masa Impulsiva: Masa Convectiva:

Z*C1 = 0.128 Z*C2 = 0.016

Resumen de Momentos Volcantes: Norma API650 NCh2369.Of2003

Momento Volcante (Ton-m) 18.75 12.08

Por lo tanto las solicitaciones sísmicas son controladas por la Norma API650. M volcante = 18.75 (Ton-m)

6.1.2. Corte Basal (V)

V  I * ZC1 * Ws  Wt  W 1  ZC 2 * W 2 Por lo tanto:

V= 9.37 Ton

6.1.3. Verificación del Estanque al Volcamiento Peso del Contenido Resistente al Volcamiento (WL):

WL  7.9tb * Fby * G * H  1.25 * G * H * D Donde: tb:

Espesor de placa de fondo bajo (mm) (tb = 6 mm = 0.236 in)

Fby:

Tensión de fluencia de placa de fondo (36259.4 Lb/in2)

G:

peso específico del líquido contenido (0.9956)

H:

Nivel máximo de diseño (3.73 m = 12.238 ft)

D:

diámetro nominal (3.2 m= 10.499 ft)

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WL= 1239.22 (Lb/ft) > 1.25*G*H*D = 159.9 (Lb/ft) = 0.238 (Ton/m)

Peso del manto y techo resistente al volcamiento

wt 

Ws  Wt  *D

Wt = 0.228 (Ton/m) Estabilidad del estanque al volcamiento Si se cumple:

M  1.57 D * ( wt  WL) 2

Luego: M / (D2*(wt+WL)) = 3.93 > 1.57

POR LO TANTO SE REQUIEREN ANCLAJES

6.1.4. Fuerza de Compresión en el Manto (b)

b  wt 

1.273M D2

M = 135584.3 (Lbf ft) D= 10.499 Ft Wt= 153.25 (Lbf/ft) b= 1719.07 (Lbf/ft) = 2558.26 (Kg/m) 6.1.5. Compresión del Manto sobre el Hormigón de Fundación

Pc 

b  0.6 fc' (6Taf  t ) * 100

Donde: b : Fuerza de compresión en el manto inferior (Kgf/m) taf : Espesor de la plancha anular de fondo (cm) t : Espesor del tramo inferior del manto (cm)

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Así: taf =

8 mm = 0.8 cm

t=

6 mm = 0.6 cm

fc’ = 200 kgf/cm2 Pc = 4.73 (kgf/cm2) < 0.6 fc’ = 120 (kgf/cm2)

(OK)

6.1.6. Verificación del Estanque al Deslizamiento Corte Resistente (VR): VR= 0.25 x (Ws + Wt + Wf + W) Donde: Ws = 1.897 (Ton) Peso del Manto Wt = 0.395 (Ton) Peso del Techo Wf = 0.548 (Ton) Peso Plancha de Fondo W = 29.87 (Ton) Peso del Contenido VR= 8.18 (Ton) < V= 9.37 (Ton) Por lo tanto Estanque se desliza por efecto de sismo. Se deberán considerar llaves de corte. 6.2.

SOLICITACIONES POR VIENTO

6.2.1. Momento Volcante por Viento Momento Volcante (Mv) Mv = MV1 + MV2 Donde: Mv1 = qM * H2/2 Mv2 = P (H + h/3) qM = PV2 *D P = 0.25*PV3* D2 *tg θ h = 0.15 m H=4 m D=3.2 m

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Tal que: Mv1:

Momento volcante debido a la carga de viento proyectado sobre la superficie cilíndrica.

MV2:

Momento volcante debido a la carga de viento proyectado sobre la superficie cónica.

:

Ángulo del techo (5º)

D:

Diámetro del Estanque

Pv2:

Presión básica del viento (95 Kgf/m2)

Como la velocidad de viento de diseño es mayor que 100 (Mph) las cargas de viento deben ser corregidas por el factor (87.5/100)2 = 0.765 Según la Norma Chilena NCh432.Of.71 para estructuras ubicadas campo abierto o en sitios asimilables a estas condiciones, la distribución de presión básica en altura está dada por: Altura (m) Presión Básica (Kgf/m2) 0 70 4 70 7 95 qM = 0.765* 95* 3.2 = 232.56 (Kgf/m) = 0.233 (Ton/m) Mv1 = 0.233* 42/2 = 1.864 (Ton m) P =0.765*0.25*95*3.22 *tg 5º =16.27 (Kg/m) =0.0162 (Ton/m) Mv2 =0.0162*(4+0.15/3) = 0.066 (Ton m) MV = 1.864+0.066 =1.929 (Tf m) Fuerza Deslizante FD = qM H + P = 0.233*4+0.0162 = 0.948 (Ton) 6.2.2. Verificación al Volcamiento por Viento El peso resistente al volcamiento corresponde a la sumatoria de los pesos del manto, plancha de fondo y techo, excluidos el sobre-espesor por corrosión y el contenido. Ws = 1.897 (Ton) Peso del Manto Wt = 0.395 (Ton) Peso del Techo Wf = 0.548 (Ton) Peso Plancha de Fondo

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Peso Total resistente WR = 2.841 (Ton) Momento Resistente: MR = WR*D/2 MR = 4.54 (Ton m) > MV =1.929 (Ton m) Por lo tanto el estanque no vuelca por efecto del viento. (OK)

6.2.3. Verificación al Deslizamiento por Viento Fuerza Resistente FR = 0.25 x (Ws + Wt + Wf) = 0.710 (Ton) FR = 0.710 (Ton)  FD =0.948 (Ton) Por lo tanto el estanque se desliza por efecto de cargas de viento. Considerar Llaves de corte. 7.

DISEÑO DE FUNDACIONES

Se proyectan fundaciones tipo anillo, según se muestra en Figura 7.1. Figura 7.1.



Vista Frontal

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Vista Planta Anillo Fundación

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El detalle de cálculo se anexa en planilla de cálculo adjunta.

Geometría de Anillo de Fundación Base B = 0.8 m Altura h=1.2 m 1) Caso Dinámico: Z: Distancia desde eje neutro a punto de máxima compresión ( máx). S: Longitud de arco medio de sector comprimido. Re: radio del estanque (Re=DE/2=1.6 m) Ms: momento en sello de la fundación Ms = M+(h1+h2)*V M= 18.75 Ton m V= 9.37 Ton Ms= 29.99 Ton m Ps: Peso sobre fundación = peso manto (ws) +Peso techo (Wt)+ Contenido (W)+ PP fundación+peso relleno Ps = 38.52 Ton e: Excentricidad, e = Ms/Ps = 0.78 S= *Re  = +2 (rad) r = D/2 = 2 m r1 = D1/2 = 1.2 m e/r=0.4 r1/r=0.6 Z= 3.68

(Beton Kalender, Tabla 6)

Ac: Área de suelo comprimido Ac = S (r- r1) = 6.57 m2 A: Área en sello de fundación A = 8.04 m2 máx / medio = 2.2

(Beton Kalender, Tabla 7)

medio = Ps / A = 4.79

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Verificación Compresión en Sello: Porcentaje de Área de Fundación Comprimida (%Bc) %Bc = Ac / A = 81.8 % > 80%

OK

Tensión máxima del Suelo;  máx = 10.5 (Ton/m2) <  adm.

dinámico

= 35 (Ton/m2)

OK

2) Caso Estático: Descargas sobre fundación por unidad de longitud: Peso manto (Ws) = Ws/(2*π*Re) = 0.189 (Ton/m) Peso techo (Wt) = Wt/(2*π*Re)=

0.039 (Ton/m)

Peso contenido (W)= L*H1*B/2 = 1.485 (Ton/m) Peso fundación = )= HA*B*/h=

2.306 (Ton/m) Pse = 3.019 (Ton/m)

Mse = W*B/4 = 0.297 (Ton m/m)

e = Mse / Pse = 0.098 < B/6 = 0.13 Por lo tanto cae dentro del núcleo central, 100% comprimido.

OK

 1,2 = P/A +- Mse/ I = P/B +-Mse /(B2/6) 1 = 6.558 (Ton/m2) <  admisible estático = 25 (Ton/m2) 2 =0.989 (Ton/m2) <  admisible estático = 25 (Ton/m2)

8.

OK

CÁLCULO DE ARMADURA DEL ANILLO

Del análisis de una sección o corte transversal del anillo se obtiene que la fuerza horizontal neta corresponde a: F = Ka*s*h2/2 + Ka*h*q*H Donde: F: Fuerza radial hacia fuera del anillo = ángulo fricción suelo relleno = 30°

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Ka= s = h= H= q=

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coeficiente de presión activa (Ka=tg2(45-/2=0.33)) peso específico suelo=1.65 (Ton/m3) altura fundación = 0.8 m H1: altura líquido = 3.73 m peso específico líquido = 09956 (Ton/m3)

F=0.33*1.65*0.82/2+0.33*0.8*0.9955*3.73=1.155 (Ton/m) La fuerza horizontal F origina una tensión en el anillo igual a: T = F*D/2 = 1.155*3.2/2 =1.847 (Ton/m2) L acero de refuerzo horizontal se calcula para absorber totalmente esta fuerza: Tu = B*T = 1.7*1.847 = 3.14 (Ton) As req = Tu/(Fy) = 3.14/(0.85*4.2) = 0.879 cm2 Armadura mínima por retracción mín = 0.0025 (B.4.2.3.d) As = 0.0025.80*120 = 24 cm2 (722) Según punto B 4.2.3e del código API, la cuantía mínima de la armadura vertical corresponde a 1.5 °/°° de la sección horizontal del muro vertical (estribos). Av = 0.0015*B*100/2 = 6 cm2/m De acuerdo a código ACI 318, esta cuantía corresponde a 0.0025, por lo tanto:}} Av = 0.0025*B*100/2 = 10 cm2/m (16a20)

722

16a20

722

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ANEXO

DISEÑO Y VERIFICACIÓN GEOTÉCNICA EN ANILLO DE FUNDACIÓN

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(Nota: Figura es referencial).

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