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CORPORACIÓN NACIONAL DEL COBRE DE CHILE CODELCO – CHILE

CRITERIO DE DISEÑO CORPORATIVO ESTRUCTURAL – ESTANQUES ATMOSFERICOS DE HORMIGON ARMADO Y ACERO

DCC2008-VCP.GI-CRTES02-0000-003-0 REVISIÓN 0

SGP-GI-ES-CDI-003

VICEPRESIDENCIA CORPORATIVA DE PROYECTOS GERENCIA DE INGENIERÍA

VIGENCIA 28 DE OCTUBRE DE 2008 Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

Fecha Impresión 28/10/2008

CODELCO CHILE VICEPRESIDENCIA CORPORATIVA DE PROYECTOS

GERENCIA DE INGENIERÍA CRITERIO DE DISEÑO CORPORATIVO ESTRUCTURAL – ESTANQUES ATMOSFERICOS DE HORMIGON ARMADO Y ACERO DCC2008-VCP.GI-CRTES02-0000-003-0

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PREFACIO El presente Criterio de Diseño se emite en cumplimiento del mandato de la Vicepresidencia Corporativa de Proyectos de Codelco – Chile de elaborar un conjunto de documentos técnicos que, organizados de una manera sistemática y accesible, constituyan un marco de referencia general para la ejecución de los diseños de ingeniería estructural de los proyectos que desarrolle la corporación a partir de 2006. Este Criterio de Diseño se sustenta en tres bases. La primera son las normas técnicas que regulan las condiciones de diseño en materia estructural, la segunda son las instalaciones existentes en las distintas divisiones de la Corporación y la tercera es la amplia experiencia y lecciones aprendidas dentro de la Corporación en el ámbito de la Ingeniería Civil Estructural. Este Criterio de Diseño es general y debe entenderse como un estándar mínimo, en consideración a que no puede ser exhaustivo debido a la gran cantidad de combinaciones de requerimientos, especificidades y detalles que se pueden presentar en los distintos proyectos y a la gran variedad de condiciones ambientales y disposición del terreno de cada una de las divisiones de la Corporación, desde Chuquicamata en la segunda región hasta Sewell en la sexta. Por lo tanto, en caso de requerirse, el presente Criterio puede ser ampliado en cada Proyecto, por medio de un documento complementario, que agregue y precise los detalles y aspectos que sean necesarios. En una próxima revisión se espera incorporar una parte importante de los detalles de diseño, que pueden ser incluidos en este Criterio general, en la medida en que han llegado a ser estándares para todas las instalaciones de la Corporación. Finalmente, los redactores manifiestan su agradecimiento a los ingenieros de contrapartida que se desempeñan en los proyectos de la Corporación, quienes hicieron numerosas observaciones en las revisiones preliminares, las cuales, en distintos sentidos, contribuyeron en una magnitud importante a que este documento pueda salir a la luz mejor integrado para ser una herramienta útil en su objetivo de servir a la Corporación y a la comunidad que participa en los proyectos corporativos. También se agradece a los distintos representantes, integradores y entes externos por su valioso aporte de información y experiencia.

NOTA: Este Criterio de Diseño puede ser modificado sólo con la aprobación del Líder Funcional de la Disciplina Civil Estructural, del Gerente Funcional de Ingeniería y la autorización del Vicepresidente Corporativo de Proyectos de CODELCO-Chile. Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

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ÍNDICE 1

INTRODUCCION ................................................................................................................. 8 1.1 Alcance......................................................................................................................... 8 1.2 Niveles de Exigencias por Etapas en los Proyectos................................................ 9 1.3 Estados y Combinaciones de Cargas...................................................................... 10 1.4 Análisis y Diseños ..................................................................................................... 10 1.5 Estudios Geotécnicos y Análisis ............................................................................. 10 1.6 Coeficiente de Importancia (I) .................................................................................. 11 1.7 Unidades .................................................................................................................... 12 2 NORMAS, CODIGOS Y ESTUDIOS RECOMENDADOS ............................................. 13 2.1 Normas Nacionales ................................................................................................... 13 2.2 Normas Internacionales ............................................................................................ 13 2.3 Otras Referencias...................................................................................................... 14 2.4 Documentos Corporativos VCP-Codelco................................................................ 15 2.5 Otros Documentos Codelco ..................................................................................... 15 3 ESTANQUES DE HORMIGON ARMADO ...................................................................... 16 3.1 Bases de Diseño ........................................................................................................ 16 3.1.1 Metodología de Análisis.................................................................................... 16 3.1.2 Modelaciones ..................................................................................................... 22 3.1.3 Factores de Seguridad ...................................................................................... 23 3.1.4 Tensiones de Contacto ..................................................................................... 23 3.1.5 Coeficientes Sísmicos para los Empujes del Suelo ....................................... 24 3.1.6 Consideraciones de Diseño.............................................................................. 25 3.2 Estados de Cargas .................................................................................................... 27 3.2.1 Peso Propio (PP)................................................................................................ 27 3.2.2 Operación (PV)................................................................................................... 27 3.2.3 Empuje Activo del Terreno (EA) ....................................................................... 27 3.2.4 Empuje sísmico del Terreno (ES)..................................................................... 28 3.2.5 Presión Estática del Líquido Almacenado (PE) .............................................. 29 3.2.6 Presiones Hidrodinámicas del Líquido Almacenado (PH)............................. 30 3.2.7 Fuerzas Sísmicas (S)......................................................................................... 32 3.2.8 Fuerza Boyante .................................................................................................. 32 3.3 Esfuerzos de Diseño ................................................................................................. 33 3.4 Combinaciones de Cargas........................................................................................ 33 3.4.1 Estanques Superficiales ................................................................................... 34 3.4.2 Estanques Enterrados....................................................................................... 34 3.5 Control del Ancho de Grieta ..................................................................................... 35 3.5.1 Vigas ................................................................................................................... 35 3.5.2 Losas .................................................................................................................. 37 3.5.3 Estanques Circulares ........................................................................................ 38 3.6 Ola Sísmica ................................................................................................................ 38 3.6.1 Valores de ACI 350.3 (19) .................................................................................. 38 3.6.2 Recomendaciones ............................................................................................. 39 3.7 Consideraciones Especiales de Diseño .................................................................. 40 3.7.1 Distanciamiento Mínimo de Refuerzos ............................................................ 40 3.7.2 Armadura Mínima .............................................................................................. 40 Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

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3.8 Juntas ......................................................................................................................... 41 3.8.1 Juntas de Expansión......................................................................................... 41 3.8.2 Juntas de Contracción ...................................................................................... 42 3.8.3 Juntas de Construcción.................................................................................... 42 4 ESTANQUES DE ACERO APOYADOS EN EL SUELO – ATMOSFERICOS............ 43 4.1 Bases de Diseño ........................................................................................................ 43 4.1.1 Metodología de Análisis.................................................................................... 43 4.1.2 Disposiciones del Código API 650 (24) ........................................................... 46 4.2 Estados de Cargas .................................................................................................... 47 4.2.1 Carga de Peso Propio (PP) ............................................................................... 47 4.2.2 Empujes del Terreno en Fundaciones (TE) ..................................................... 48 4.2.3 Sobrecarga de Techo (SC)................................................................................ 48 4.2.4 Carga de Viento (V)............................................................................................ 48 4.2.5 Carga de Nieve (N)............................................................................................. 48 4.2.6 Carga de Sismo (S)............................................................................................ 48 4.2.7 Cargas de Operación (OP) ................................................................................ 48 4.2.8 Presiones Hidrostáticas (PE)............................................................................ 48 4.2.9 Presiones Hidrodinámicas (PH) ....................................................................... 49 4.2.10 Fuerzas Sísmicas (S)......................................................................................... 50 4.3 Combinaciones de Cargas........................................................................................ 50 4.3.1 Diseño del Manto (Método ASD) y Verificaciones de Estabilidad................. 50 4.3.2 Diseño de Fundaciones .................................................................................... 50 4.4 Solicitaciones Sísmicas ............................................................................................ 51 4.4.1 Esfuerzo de Corte .............................................................................................. 51 4.4.2 Momento Volcante............................................................................................. 51 4.4.3 Esfuerzos de Diseño ......................................................................................... 51 4.5 Diseño del Manto ....................................................................................................... 52 4.5.1 Recomendaciones del Criterio de Diseño Estructural CD-7/94 (56) ............. 52 4.5.2 Recomendaciones de Normas Internacionales (56)....................................... 53 4.6 Diseño del Techo ....................................................................................................... 54 4.7 Fundaciones .............................................................................................................. 54 4.8 Sistemas de Anclajes ................................................................................................ 55 4.9 Deformaciones Sísmicas .......................................................................................... 57 4.10 Ola Sísmica ................................................................................................................ 57 4.11 Requerimientos para Plataformas ........................................................................... 59 4.12 Requerimientos para Escaleras ............................................................................... 60 4.13 Recomendaciones Generales................................................................................... 61 5 ESTANQUES ELEVADOS – ATMOSFÉRICOS ............................................................ 62 5.1 Análisis....................................................................................................................... 62 5.2 Combinaciones de Cargas........................................................................................ 68 5.3 Diseño......................................................................................................................... 68

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APENDICE 1 ZONIFICACION SIMICA POR DIVISIONES CODELCO ..................................... 70 APENDICE 2 CONDICIONES AMBIENTALES Y SISMICAS (Valores Referenciales) ........... 70 APENDICE 3 TIPOS DE JUNTAS PARA ESTANQUES DE HORMIGON ARMADO............... 71 APENDICE 4 ESQUEMAS DE FUNDACIONES PARA ESTANQUES DE ACERO ................. 74 A.4.1 Tipos de Fundaciones para Estanques de Acero......................................................... 74 APENDICE 5 METODOLOGIAS PARA ANALISIS DE FUNDACIONES .................................. 75 A.5.1 Flexibilidad de las Fundaciones..................................................................................... 75 A.5.2 Interacción Suelo-Estructura.......................................................................................... 78

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1 1.1

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INTRODUCCION Alcance

1.1.1

Este Criterio de Diseño está orientado a Estanques de Hormigón Armado y Acero, los que deberán aplicarse a todas las estructuras industriales relacionadas y proyectadas por CODELCO-Chile, las Empresas de Servicios de Ingeniería (el "Ingeniero") y/o los Fabricantes de las Estructuras. Estos criterios se aplican a todas las estructuras especificadas en este documento que se proyecte instalar en cualquier división de CODELCO-Chile. No es parte del alcance de este documento el estudio de Estanques de Hormigón Postensado y Prefabricados.

1.1.2

Todas las desviaciones de estos criterios se dejarán establecidas en Especificaciones Especiales del Proyecto y serán obligatorias de acuerdo a los términos del contrato correspondiente. Cualquier especificación adicional debe ser aprobada por el Líder de la Disciplina Civil Estructural y por el Gerente de Ingeniería del Proyecto.

1.1.3

Todas las cargas, condiciones de cargas y metodologías de diseño que no estén explícitas en este Criterio o en las Especificaciones Especiales del Proyecto, serán definidas por el Ingeniero o Contratista de Servicios de Ingeniería y sometidas a la aprobación por parte del Proyecto. La aprobación por parte del Proyecto será concedida sin perjuicio de la responsabilidad correspondiente del Ingeniero o Contratista.

1.1.4

Las Especificaciones Técnicas Generales preparadas por la VCP pueden complementar algunos de los requerimientos contenidos en este Criterio de Diseño. Sin embargo, las Especificaciones que prepara el Ingeniero o Contratista no pueden modificar ningún requerimiento de este Criterio de Diseño ni de las Especificaciones Técnicas Generales de la VCP. Si así se pretendiere, la modificación o sustitución será nula y considerada como inexistente.

1.1.5

Los documentos y planos que no estén de acuerdo con los requerimientos de este Criterio de Diseño y/o las Especificaciones Técnicas Generales de la VCP, deberán ser rehechas aún si hubieran sido erróneamente aprobadas.

1.1.6

Cualquier complemento, modificación o sustitución a este Criterio de Diseño será admitida y acordada antes de la suscripción del contrato, si y solamente si ambas partes suscribieren un documento separado especial aceptando esa modificación singular. Cualquiera otra modificación no incluida en ese documento será considerada nula.

1.1.7

Debido a las condiciones climáticas extremas en que se encuentran algunas Divisiones de CODELCO por su ubicación geográfica, se solicitarán estudios para la definición de las cargas de nieve específicos ya que la Norma Chilena NCh431 no entrega soluciones reales para la determinación de estas cargas para las Divisiones Andina y el Teniente. En conjunto con los estudios solicitados se recomienda utilizar las especificaciones del código ASCE 7-05 (29) en su capítulo 7 de Cargas de Nieve.

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1.1.8

En este Criterio de Diseño no se consideran los efectos de las avalanchas en el diseño de los estanques.

1.1.9

En ausencia de estudios específicos referente a aspectos ambientales se deben aplicar las recomendaciones del Apéndice 2 de este Criterio de Diseño.

1.1.10 La empresa que desarrolle el proyecto deberá entregar, de acuerdo a cada Fase y conforme a la Especificación Técnica Corporativa Entregables de Ingeniería DCC2008VCP.GI-ESPMD02-0000-001-0, adicionalmente a lo que no se indique en ese documento, Estudios, Especificaciones Técnicas, Memorias de Cubicaciones, Memorias de Cálculo, Esquemas y Planos que deberán contener a lo menos la siguiente información: • • • • • • • • 1.2

Planos con todas las vistas y detalles de las estructuras y sus componentes. Planos de formas y armaduras, para hormigón armado. Planos de diseño y detalle, para acero estructural. Planos de insertos, pernos de anclaje y llaves de corte. Resistencia especificada del hormigón. Tensión de fluencia del acero estructural y pernos de anclaje. Códigos de diseño utilizados. Capacidad del estanque y estados de cargas aplicados en el diseño. Niveles de Exigencias por Etapas en los Proyectos

1.2.1

En forma complementaria a lo indicado en la Especificación Técnica Corporativa Entregables de Ingeniería DCC2008-VCP.GI-ESPMD02-0000-001-0, cabe señalar lo siguiente:

1.2.2

Se aceptará un cierto nivel de profundización para la metodología utilizada en el análisis y diseño de los estanques, de acuerdo a la fase del proyecto en que se aplique este Criterio de Diseño y tomando en cuenta las recomendaciones del párrafo 1.2. En adelante las etapas del proyecto se designarán de la siguiente manera: Ingeniería Conceptual Ingeniería Básica Ingeniería de Detalles

1.2.3

: : :

IC IB ID

En IC se aceptarán criterios conservadores para el prediseño de los estanques, en cambio en IB se permitirán métodos tradicionales especificados en este Criterio de Diseño, por último durante la ID los diseños se harán a través de análisis dinámicos con los respaldos de los resultados obtenidos en cada una de sus etapas. A continuación se indican los requerimientos mínimos que se deberán cumplir según la etapa del proyecto que se este ejecutando.

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1.3

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Estados y Combinaciones de Cargas

1.3.1 En IC e IB se aceptarán prediseños considerando las combinaciones de cargas de mayor incidencia en cuanto a su magnitud. Se podrán estimar las cargas con respecto a información de proyectos de características similares en cuanto a dimensiones de estructuras y magnitudes de cargas. 1.3.2 En ID se exigirán los diseños con la verificación de a lo menos todas las combinaciones de cargas que se establecen en este Criterio de Diseño, sin perjuicio que en casos especiales el Líder de la Disciplina Civil-Estructural del Proyecto considere casos adicionales. Se exigirá para el diseño la información aprobada por la Gerencia del Proyecto tanto para estanques de hormigón armado construidos in situ (Disciplinas de Proceso y Mecánica según corresponda), como para los estanques fabricados en acero (Información Vendor Certificada). 1.3.3 Lo anterior es válido para todos los tipos de estanques que tratan este Criterio de Diseño. 1.4

Análisis y Diseños

1.4.1 En IC será opcional realizar análisis pseudos-estáticos. 1.4.2 En IB se aceptarán análisis pseudos-estáticos. 1.4.3 En ID se exigirán análisis dinámicos. 1.4.4 Lo indicado se refiere principalmente a la aplicación de estados y combinaciones de cargas, cálculo de períodos de vibración, esfuerzos, solicitaciones de diseño y demás análisis que complementan la memoria de cálculo. 1.4.5 En cualquier etapa del proyecto se exigirá el uso de las normas de diseño indicadas en el Capítulo 2 de este Criterio de Diseño, principalmente el código ACI 318 para estructuras de hormigón y AISC para estructuras de acero. 1.5

Estudios Geotécnicos y Análisis

1.5.1 En IC se aceptarán parámetros de diseño de referencias de literaturas utilizadas usualmente, previamente aprobados por un Especialista Geotécnico. Se exigirán además antecedentes validados que permitan sustentar las hipótesis generales del diseño. El Proyecto será responsable en esta etapa de descartar problemas de amplificación dinámica de suelos y el potencial riesgo de licuación, estos estudios deberán estar respaldados de un informe preparado por un especialista geotécnico aprobado por el Proyecto. Si de este estudio se decide agregar mayor valor al proyecto, se deben realizar a lo menos ensayos tales como: Sondajes, Down Hole, Placa de Carga u otro que solicite el especialista Mecánico de Suelos. Estos ensayos normalmente se desarrollaran a comienzos de la IB.

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1.5.2 En IB se exigirá un Estudio de Mecánica de Suelos para las instalaciones en general. Además de lo anterior, se exigirán estudios específicos para las zonas que se emplazaran los estanques, por lo que no se permitirán extrapolaciones de valores para el diseño de los estanques y/o sus fundaciones, con el fin de evitar trabajar con información que no sea representativa y posibles asentamientos y posteriores fallas en estas estructuras. En esta etapa el Proyecto deberá entregar un informe demostrando que no existen problemas amplificación dinámica de suelos y potencial riesgo de licuación, validado por un especialista geotécnico aprobado por el Proyecto. 1.5.3 En ID y específicamente al comienzo del desarrollo de esta fase, se exigirá (además de lo indicado para IB) un Estudio de Riesgo Sísmico nuevo o existente de la zona preparado o validado por un especialista calificado. 1.5.4 Los Estudios de Mecánica de Suelos, Perfiles Geosísmicos y Estudios de Riesgo Sísmico, serán preparados por Especialistas Geotécnicos o Expertos previamente aprobados por el Líder de Disciplina y la contraparte Civil-Estructural del Proyecto. 1.5.5 Especialmente durante la ID cuando se exijan análisis especiales, estos deberán ser acompañados con parámetros de diseño y/o otros datos especiales relacionados con estos estudios. 1.5.6 Los estudios solicitados anteriormente (Mecánica de Suelos, Riesgo Sísmico y otros) para las diferentes etapas del proyecto, deberán estar terminados previo al inicio de las etapas respectivas. 1.5.7 En IC e IB se aceptarán análisis estáticos considerando la fundación apoyada en un estrato de suelo infinitamente rígido, en cambio en ID se exigirá análisis dinámico que incluya interacción suelo-estructura apoyada en medio elástico. 1.6

Coeficiente de Importancia (I) El valor del coeficiente de importancia que se aplicará en el análisis de cada estanque, será definido por la Gerencia del Proyecto en conjunto con la Disciplina de Procesos. En ausencia de un valor específico para los estanques, se recomienda utilizar los criterios que se indican en este párrafo y que se ajusten a las condiciones del proyecto, los que deberán ser aprobados previamente por el Líder de Disciplina y la contraparte CivilEstructural del Proyecto.

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A continuación, se indican valores de coeficientes de importancia que proponen las normas más utilizadas en el diseño de estanques: Código de Diseño NCh2369 (10) API 650 (24) ACI 350.3 (19)

Categoría C1 C2 C3 C1 C2 C3

Coeficiente de Importancia 1,20 1,0 0,8 1,5 1,25 1,0

Categoría C1 Obras Críticas, fallas prolongadas y pérdidas importantes en la producción. Categoría C2 Obras Normales, fallas menores no causan detenciones prolongadas ni pérdidas importantes en la producción. Categoría C3 Obras y Equipos Menores, fallas menores no causan detenciones prolongadas ni hay peligro en obras de categorías 1 y 2. Los valores propuestos se han uniformado de acuerdo a criterios generales según su categoría. 1.7

Unidades

1.7.1

Todas las dimensiones serán dadas en el sistema métrico, preferentemente en milímetros. No serán necesarias abreviaciones (mm).

1.7.2

Para el acero estructural fabricado en Chile se utilizará la designación del Manual del Instituto Chileno del Acero (ICHA). Para el acero estructural fabricado en el extranjero se utilizará la denominación del país de origen (sic).

1.7.3

Los cálculos y análisis estructurales se harán en el Sistema Métrico Técnico (fuerzas expresadas en kg o toneladas métricas y masas en unidades técnicas) o en el Sistema Internacional de unidades MKS (fuerzas expresadas en Newton o kN y masas en kg).

1.7.4

Toda información VENDOR deberá regirse por el párrafo 1.4 de este Criterio de Diseño.

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NORMAS, CODIGOS Y ESTUDIOS RECOMENDADOS A menos que se indique expresamente en este documento, todos los diseños y detalles se deberán realizar con la última revisión de los documentos listados a continuación, los que forman parte integrante de este Criterio de Diseño. Si existieran contradicciones entre estos documentos se aplicará el que resulte más restrictivo.

2.1

Normas Nacionales

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)

NCh 170.Of85 NCh 203.Of2006 NCh 204.Of2006 NCh 211.Of70 NCh 428.Of1957 NCh 431.Of77 NCh 432.Of71 NCh 433.Of96 NCh 1537.Of86

(10) NCh 2369.Of2003 (11) NCh 2745.Of2003 2.2

Normas Internacionales

(12) ACI 207.2R-95 (13) (14) (15) (16) (17)

Hormigón – Requisitos generales. Acero para uso estructural – Requisitos. Acero – barras laminadas en caliente para hormigón armado. Barras con resaltes en obras de hormigón armado. Ejecución de construcciones de acero. Construcción – Sobrecargas de nieve. Cálculo de la acción del viento sobre las construcciones. Diseño sísmico de edificios. Diseño estructural de edificios – Cargas permanentes y sobrecargas de uso. Diseño sísmico de estructuras e instalaciones industriales. Análisis y diseño de edificios con aislación sísmica.

ACI 224R-01 ACI 224.1R-93 ACI 224.2R-92 ACI 224.3R-95 ACI 318-08

(18) ACI 350 (19) ACI 350.3 (20) ACI 371R-98 (21) AISC 2005 (22) AISI 1996 (23) ASME 2004 (24) API 650 (25) API 620 (26) AWWA D100

Effect of Restraint, Volume Change and Reinforcement on Cracking of Mass Concrete. Control of Cracking in Concrete Structures. Causes, Evaluation and Repair of Cracks in Concrete Structures. Cracking of Concrete Members in Direct Tension. Joints in Concrete Construction. Building code Requirements for Structural Concrete and Commentary. Code Requirements for Environmental Engineering Concrete Structures and Commentary. Seismic Design of Liquid-Containing Concrete Structures. Guide for the Analysis, Design and Construction of ConcretePedestal Water Towers. Specification for Structural Steel Building. ASD and LRFD. Specification for the Design of Cold Formed Steel Structural Members. Boiler & Pressure Vessel Code. Welded Steel Tanks for Oil Storage. American Petroleum Institute. Design and Construction of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks. Welded Steel Tanks for Water Storage. American Water Works Association.

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2.3

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ASME STS-1 AWS D1.1 2004 ASCE 7-05 ASTM A36 ASTM A307

Steel Stacks. Structural Welding Code – Steel. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures. Standard Specification for Carbon Structural Steel. Standard Specification for Carbon Steel Bolts and Studs, 60000 PSI Tensile Strength. ASTM A325 Standard Specification for Structural Bolts, Steel, Heat Treated, 120/105 ksi Minimum Tensile Strength. ASTM A325M Standard Specification for High-Strength Bolts for Structural Steel Joints (Metric). ASTM A500 Standard Specification for Cold-Formed Welded and Seamless Carbon Steel Structural Tubing in Rounds and Shapes. IBC 2006 International Building Code. BS 1966 Domed Ends for Tanks and Pressure Vessels. BS 2594 Carbon Steel Welded Horizontal Cylindrical Storage Tanks. BS 8007 Code of Practice for Design of Concrete Structures for Retaining Aqueous Liquids. NZS 3106 Code of Practice for Concrete Structures for the Storage of Liquids. NZS 4203 Code of Practice for General Structural Design and Design Loadings for Buildings. Seismic Design of Storage Tanks, New Zealand National Society for Earthquake Engineering, December 1986.

Otras Referencias

(42) Criterios para Evaluar Presiones inducidas por sismos sobre Estructuras de Contención de Suelos, Horacio Musante, IDIEM. (43) Comportamiento Sísmico de Muros, Pedro Ortigosa, IDIEM Universidad de Chile, 2002. (44) Muros de Contención y Muros de Sótano, 2º Edición, J. Calavera, INTEMAC. (45) Fórmulas de atenuación para la subducción de Chile considerando los dos mecanismos de sismogénesis y los efectos de suelo, S. Ruiz y Saragoni G. R., Congreso Chileno de Sismología e Ingeniería Antisísmica, Noviembre de 2005. (46) Estudio de peligro sísmico y generación de registros artificiales para el Tranque de Relaves Carén, S & S Ingenieros Consultores, CODELCO Chile División El Teniente, Marzo 2006. (47) General Technical Specifications Seismic Design, ENDESA, GTS-1015, May 87.

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2.4

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Documentos Corporativos VCP-Codelco

(48) Criterio de Diseño Corporativo Estructural. DCC2008-VCP.GI-CRTES02-0000-001-0. (49) Criterio de Diseño Corporativo Estructural - Sísmico. DCC2008-VCP.GI-CRTES02-0000002-0. (50) Criterio de Diseño Corporativo Geotécnico y de Mecánica de Suelos. DCC2008-VCP.GICRTGE02-0000-001-A. (51) Especificación Técnica Corporativa Geotécnica – Estudios de Mecánica de Suelos. DCC2008-VCP.GI-ESPGE02-0000-001-A. (52) Especificación Técnica Corporativa Hormigón Estructural. DCC2008-VCP.GI-ESPES020000-001-0. (53) Especificación Técnica Corporativa Estructural – Estudios de Riesgo Sísmico. DCC2008VCP.GI-ESPES02-0000-002-A. (54) Especificación Técnica Corporativa Estructural - Fabricación y Montaje de Estructuras de Acero. DCC2008-VCP.GI-ESPES02-0000-009-0. (55) Especificación Técnica Corporativa – Entregables de Ingeniería. DCC2008-VCP.GIESPMD02-0000-001-0. 2.5

Otros Documentos Codelco

(56) Criterio de Diseño Civil-Estructural CD-7 / 94.División Chuquicamata Subgerencia Ingeniería y Mantención.

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3

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ESTANQUES DE HORMIGON ARMADO

3.1

Bases de Diseño

3.1.1

Metodología de Análisis

3.1.1.1

• • • • • • •

Para el análisis, diseño y aspectos constructivos de este tipo de estanques se deben aplicar las normas que se indican en este párrafo, evitando mezclar disposiciones de normas diferentes. NZS Seismic Design of Storage Tanks – 1986 (41). BS 8007 Code of Practice for Design of Concrete Structures for Retaining Aqueous Liquids (38). NZS 3106 Code of Practice for Concrete Structures for the Storage of Liquids (39). ACI 350.3 Seismic Design of Liquid Containing Concrete Structures and Commentary (19). ACI 224.1R Causes, Evaluation and Repair of Cracks in Concrete Structures (14). ACI 224.2R Cracking of Concrete Members in Direct Tension (15). ACI 224R Control of Cracking in Concrete Structures (13).

3.1.1.2

Para el análisis y diseño se deben considerar las cargas a las que estarán sometidos los estanques durante su vida útil y construcción. Los estados y combinaciones de cargas que cubren estos requerimientos se indican en los párrafos siguientes según su ubicación respecto el nivel de terreno, ya sea superficiales, semi enterrados o enterrados.

3.1.1.3

El modelo de análisis debe considerar tanto las respuestas impulsivas y convectivas horizontales, como la respuesta vertical del estanque con el líquido almacenado de acuerdo a lo siguiente:

•

Respuesta Impulsiva: es producto del movimiento horizontal del estanque, generada por la masa impulsiva que llega hasta la altura en donde se comienzan a producir las olas. Debido a su confinamiento esta masa tiene una respuesta de alta frecuencia. Esta masa se comporta como si estuviera unida rígidamente al manto del estanque, por lo que se debe sumar directamente a la masa de dicho manto y del techo, en los cálculos dinámicos.

•

Respuesta Convectiva: se debe al movimiento de la masa convectiva del líquido que produce las olas superficiales generadas durante el movimiento. Dicha masa tiene respuesta de baja frecuencia. Debido a que el fluido oscila con un período natural determinado, esta masa se considera como parte de un oscilador de un grado de libertad conectado al manto del estanque a través de un resorte (ficticio), cuya rigidez es igual al producto de la masa convectiva por el cuadrado de la frecuencia natural de las ondas.

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3.1.1.4

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Las masas, alturas sísmicas y períodos de vibración asociados a los modos de las respuestas impulsiva y convectiva, se deben determinar de acuerdo a las Figuras 3.1 y 3.2 para Estanques Rectangulares y 3.3 y 3.4 para Estanques Circulares, que provienen de la norma ACI 350.3. De las normas API 650, AWWA D100 y Neozelandesa se obtienen valores similares para estos parámetros, sin embargo, la Norma Neozelandesa considera la interacción suelo-estructura para el cálculo de los períodos de vibración, además del modo vertical, en el caso de requerirse un análisis más detallado.

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3.1.1.5

La aplicación de los métodos de análisis y diseño según lo especifica el párrafo 1.2 de este documento (estático, dinámico u otro), así como los parámetros de diseño que se deben aplicar a los estanques, se hará de acuerdo a lo especificado en el Criterio de Diseño Corporativo Estructural Sísmico DCC2008-VCP.GI-CRTES02-0000-002-0, en su Capítulo 4 y Apéndices.

3.1.1.6

Cuando se efectúen análisis tridimensionales se desarrollarán mediante programas computacionales, considerando las indicaciones del párrafo 3.1.2 en cuanto a grados de libertad, masas participantes y otros aspectos del análisis considerado.

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3.1.1.7

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Cuando se desarrolle un análisis dinámico (modal espectral) se deberá aplicar el espectro de aceleraciones de la Norma Chilena NCh2369, propuesto en el párrafo 5.4.2 de esta Norma y que se indica: n

Sa =

2,75 ⋅ A o ⋅ I ⎛ T` ⎞ ⎛ 0,05 ⎞ ⎟⎟ ⋅ ⎜ * ⎟ ⋅ ⎜⎜ R ⎝T ⎠ ⎝ ξ ⎠

0,4

En que Sa no debe ser mayor que ICmáx x g, en que Cmáx se obtiene de la Tabla 5.7 de NCh2369. En el caso de caso que se aplique el Estudio de Riesgo Sísmico especificado en el párrafo 1.5 de este documento, se utilizará el espectro que entregue valores de aceleraciones mayores para los períodos con mayor masa traslacional. El análisis modal espectral debe considerar una cantidad de modos de vibrar suficientes de manera que la suma de las masas equivalentes, en cada dirección del análisis, sea igual o superior al 90% de la masa total. 3.1.1.8

En el análisis sísmico de los estanques de hormigón armado se deben aplicar las ecuaciones y parámetros de diseño, especificados entre los párrafos 3.1.1.9 y 3.1.1.18 de este Criterio de Diseño.

3.1.1.9

Este valor se aplica considerando la construcción normal de unión continua entre muro y losa de fondo. Si esta condición no se cumple se deben usar valores de R menores, los que deberán ser justificados por el Ingeniero Estructural y serán sometidos a la aprobación del Líder de la Disciplina Civil-Estructural del Proyecto.

3.1.1.10 Coeficiente sísmico del Modo Impulsivo, se obtiene de la Tabla 5.7 de la Norma Chilena NCh2369.Of2003 aplicando los siguientes parámetros de diseño: • •

Factor de modificación de la respuesta : R = 3 Razón de amortiguamiento : ξi = 0,03 Coeficiente Sísmico Impulsivo

: Ci = 0,34

3.1.1.11 Coeficiente sísmico del Modo Convectivo, se debe calcular de acuerdo a la ecuación 5-2 especificada en la Norma Chilena NCh2369.Of2003, aplicando los siguientes parámetros de diseño: • •

Factor de modificación de la respuesta : R = 3 Razón de amortiguamiento : ξi = 0,005 Coeficiente Sísmico Convectivo

2, 75 ⋅ A o : Cc = g⋅R

⎛ T` ⎞ ⋅⎜ * ⎟ ⎝T ⎠

n

⎛ 0, 05 ⎞ ⋅⎜ ⎟ ⎝ ξ ⎠

0,4

En ningún caso este valor será menor que 0,10Ao/g. Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

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3.1.1.12 El coeficiente sísmico vertical deberá ser igual a 2/3 del coeficiente sísmico del modo impulsivo.

2 C v = ⋅ Ci 3 3.1.1.13 Aceleración efectiva máxima del suelo Ao: se debe obtener de la Tabla 5.2 de la Norma Chilena NCh2369.Of2003 de acuerdo a la zona sísmica en donde este ubicado el estanque, la zonificación sísmica de las Divisiones de CODELCO se encuentra en el Apéndice 1 de este Criterio de Diseño. 3.1.1.14 Para estanques rectangulares, el período fundamental de vibración T* en la dirección del análisis sísmico deberá respaldarse a través de un análisis dinámico o por algún método alternativo. En ausencia de algún procedimiento confiable, se deben aplicar las recomendaciones que se indican a continuación: k m m = m w + mi

ωi =

Ti = ωc =

2π m = 2π k ωi λ L

⎡ ⎛H λ = 3,16 ⋅ g ⋅ tanh ⎢3,16 ⋅ ⎜ L ⎝ L ⎣ 2 π 2π Tc = = ⋅ L ωc λ

⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦

Siendo: ωi k mw mi Ti

: : : : :

Frecuencia circular de vibración para el modo impulsivo, en rad/s. Rigidez a la flexión por unidad de ancho del muro, en kg/cm2. Masa del muro por unidad de ancho, en kg·seg2/m4. Masa impulsiva del líquido almacenado por unidad de ancho, en kg·seg2/m4. Período fundamental de vibración del estanque más la componente impulsiva del líquido almacenado, en seg. HL : Altura de diseño del líquido almacenado, en m. L : Largo interior del estanque en dirección paralela a la dirección de la fuerza sísmica, en m. ωc : Frecuencia circular de vibración para el modo convectivo, en rad/s.

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3.1.1.15 Para estanques circulares, de igual manera que lo indicado en el párrafo 3.1.1.14 se deben aplicar las recomendaciones que se indican a continuación: Para uniones rígidas (empotramiento) manto-losa de fondo: ωi = C I ⋅

Ec 12 ⋅ HL ρc

C I = C w ⋅ 10 ⋅ Ti =

tw 12R

2π ωi

Para uniones flexibles (apoyo simple) manto-losa de fondo: Ti =

2π(Ww + Wr + Wi ) < 1,25s g ⋅ D ⋅ ka

⎡⎛ A ⋅ E ⋅ cos 2 (α ) ⎞ ⎛ 2G p ⋅ w p ⋅ L p ⎟+⎜ k a = 144 ⋅ ⎢⎜ s s ⎜ ⎟ ⎜ L s ⋅ Ss t p ⋅ Sp ⎠ ⎝ ⎣⎢⎝ λ ωc = D

⎞⎤ ⎟⎥ ⎟⎥ ⎠⎦

⎡ ⎛ H ⎞⎤ λ = 3,68 ⋅ g ⋅ tanh ⎢3,68 ⋅ ⎜ L ⎟⎥ ⎝ D ⎠⎦ ⎣ 2π 2π Tc = = ⋅ D ωc λ

Siendo: Cw : Ec : ρc : tw : Ww : Wr :

Coeficiente que se obtiene de la Figura 3.5. Módulo de elasticidad del hormigón, en lb/in2. Densidad de masa del hormigón, en lb-s2/ft4. Espesor promedio del manto, en pulgadas. Peso del manto del estanque, en libras. Peso del techo del estanque mas la porción de la carga de nieve considerada como carga muerta, en libras. Wi : Peso de la componente impulsiva del líquido almacenado, en libras. ka : Constante de resorte del manto del estanque, en lb/ft2.

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3.1.1.16 Parámetros que dependen del tipo de suelo de fundación T` y n, los cuales se debe obtener de la Tabla 5.3 de la Norma Chilena NCh2369.Of2003. 3.1.1.17 El esfuerzo de corte basal de diseño se debe calcular de acuerdo a la fórmula especificada en el capítulo 5 de la Norma Chilena NCh2369, el cual no debe ser inferior al que resulta de aplicar las disposiciones del párrafo 3.1.1 de este documento.

Qo = ⎡⎣Ci ⋅ ( Pi + Pm + Pt ) + Cc ⋅ Pc ⎤⎦ ⋅ I Siendo: Qo : Esfuerzo de corte basal. Ci : Coeficiente sísmico impulsivo, definido en el párrafo 3.1.1.11. Cc : Coeficiente sísmico convectivo, definido en el párrafo 3.1.1.12. I Pi Pm Pt

: : : :

Coeficiente de importancia, definido en párrafo 1.6 de este Criterio de Diseño. Peso de la masa impulsiva del líquido almacenado. Peso de los muros del estanque. Peso de la losa de techo del estanque, si existiera.

3.1.1.18 En los casos que corresponda, los esfuerzos y deformaciones modales se deben superponer según el criterio especificado en el párrafo 3.3 de este Criterio de Diseño. 3.1.2 3.1.2.1

Modelaciones Una vez calculados los empujes y presiones que actúan en los estanques, para la determinación de los esfuerzos de corte y momentos flectores en los muros y losas, se deben emplear los métodos indicados en los párrafos 3.1.2.2 y 3.1.2.3.

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3.1.2.2

Modelo computacional a través de elementos finitos considerando una cantidad suficiente de mallas que representen fielmente el comportamiento de losas y muros, referido a la flexibilidad o rigidez de los elementos, que contenga un número suficiente de grados de libertad asociados a las masas participantes, todos los empujes indicados en este capítulo, provenientes del líquido almacenado y del suelo en el caso de estanques enterrados. Se debe corregir el modelo respecto a la eliminación de elementos (resortes) traccionados, se deberá asegurar que el modelo representa la realidad respecto a la condición de los elementos en contacto con el suelo.

3.1.2.3

Cálculo manual que considere todos los empujes indicados anteriormente, compensación de esfuerzos en los encuentros de muros y losas considerando sus rigideces a través de una redistribución de esfuerzos.

3.1.2.4

La información geotécnica que se utilizará en los análisis especificados en los párrafos 3.1.2.2 y 3.1.2.3, tendrá el nivel de detalle indicado en el párrafo 1.2 de este Criterio de Diseño.

3.1.2.5

Ante la aplicación de cualquiera de los métodos indicados en los párrafos 3.1.2.2 y 3.1.2.3 se deben considerar los siguientes aspectos:

•

Características de rigidez del suelo (interacción suelo-estructura) traducidas en coeficientes de balastos horizontales, verticales y de giro. Rigidez y masa del estanque. La memoria de cálculo deberá incluir (excepto para la Ingeniería Conceptual) los análisis para todas las combinaciones de cargas especificadas en el párrafo 3.4 de este Criterio de Diseño.

• •

3.1.3

Factores de Seguridad

3.1.3.1

• •

A menos que se especifique lo contrario en el Estudio de Mecánica de Suelos de cada proyecto, se debe verificar la estabilidad de los estanques de acuerdo a los siguientes factores de seguridad. Volcamiento : FSv = 1,5 Deslizamiento : FSd = 1,25 Se deben verificar los estados anteriores con y sin empuje pasivo.

3.1.3.2 Estas condiciones se deben verificar con los estados de cargas sin mayorar. 3.1.4 3.1.4.1

Tensiones de Contacto A menos que el Estudio de Mecánica de Suelos de cada proyecto imponga una restricción mayor, la superficie de contacto debe estar a lo menos un 80% comprimida para la combinación que considere 1 carga eventual, caso estático.

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3.1.4.2

En el diseño de las fundaciones durante la ID se deben aplicar los criterios indicados en el Apéndice 5 de este Criterio de Diseño.

3.1.4.3

Las restricciones anteriores no se aplican en los casos que se utilicen anclajes entre la fundación y el suelo.

3.1.5

Coeficientes Sísmicos para los Empujes del Suelo En general, para estanques enterrados los coeficientes sísmicos utilizados para la evaluación de los empujes deberán considerar los siguientes criterios:

3.1.5.1

Los valores de Kh y Kv se deben obtener del Estudio de Riesgo Sísmico e Estudio de Mecánica de Suelos preparados especialmente para cada proyecto.

3.1.5.2

En caso de haber diferencias entre los valores entregados por el Estudio de Riesgo Sísmico respectivo y los indicados en este párrafo, el valor a aplicar se someterá a la aprobación del Líder de la Disciplina Civil-Estructural del Proyecto.

3.1.5.3

Se permite utilizar las fórmulas de atenuación, para aceleraciones máximas horizontales y verticales, propuestas por Saragoni (45) y (46) de acuerdo al mecanismo de falla y tipo de suelo. Sismos tipo Interplaca Subductivo (45) y (46) Dirección

Tipo de Suelo

Horizontal

Roca Dura

Horizontal Vertical Vertical

Roca o Suelo Duro Roca Dura Roca o Suelo Duro

Fórmulas de Atenuación aH = aH = aV = aV =

Unidad

4 ⋅ e1,3⋅Ms

cm/seg2

2 ⋅ e1, 28⋅Ms

cm/seg2

11 ⋅ e1,11⋅Ms

cm/seg2

18 ⋅ e1,31⋅Ms

cm/seg2

(R + 30)1,43 (R + 30)1,09 (R + 30)1,41 (R + 30)1,65

Sismos tipo Intraplaca de Profundidad Intermedia (45) y (46) Dirección

Tipo de Suelo

Horizontal

Roca o Suelo Duro

Vertical

Roca o Suelo Duro

Fórmulas de Atenuación 565898 ⋅ e1, 29⋅Ms

cm/seg2

66687596 ⋅ e1, 2⋅Ms

cm/seg2

aH = aV =

Unidad

(R + 80)3,24

(R + 80)4,09

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Sismos tipo Cortical o Superficial (45) y (46) Dirección

Tipo de Suelo

Horizontal

Roca o Suelo Duro

Fórmulas de Atenuación

Unidad

1080 ⋅ e 0,5⋅Ms

cm/seg2

aH =

(R + 25)1,32

Velocidades de ondas de corte representativas para los tipos de suelos indicados. Roca o suelo duro: 360m/s ≤ Vs ≤ 1500m/s Siendo: Ms R Kh Kv 3.1.5.4

3.1.6

: : : :

Magnitud de Richter para ondas superficiales. Distancia hipocentral, en Km. Coeficiente sísmico horizontal (aH / g). Coeficiente sísmico vertical (aH / g).

En la aplicación de las fórmulas de atenuación para la determinación de los coeficientes sísmicos, se deben analizar los valores obtenidos del Sismo de Operación y Sismo Máximo Probable. Consideraciones de Diseño

3.1.6.1

El diseño de los elementos de hormigón armado que componen los estanques se debe realizar en su totalidad siguiendo las recomendaciones del código ACI 318 en su última edición. Los análisis para el diseño de los elementos deben ser del tipo lineal elástico.

3.1.6.2

Se deben controlar los asentamientos diferenciales y globales de los estanques, de acuerdo a las restricciones del Estudio de Mecánica de Suelos preparado para cada proyecto, con el fin de evitar agrietamientos y/o posteriores fallas en sus elementos.

3.1.6.3

El diseño deberá regirse por las recomendaciones del Estudio de Mecánica de Suelos bajo el apartado especial que contenga especificaciones para estanques.

3.1.6.4

En estanques rectangulares, las uniones muro-losa de fondo, muro-muro y murotecho, se deben diseñar para las fuerzas de corte sísmicas en base a los siguientes mecanismos de transferencia de corte:

•

Los muros perpendiculares a la dirección de las fuerzas sísmicas, se deben analizar como losas sometidas a las presiones horizontales indicadas en el capítulo 3.2. Los esfuerzos de corte a lo largo del fondo (muro-losa de fondo), uniones laterales (muro-muro) y en la parte superior (muro-losa superior) de estanque en el caso que este cubierto, corresponden a las reacciones de las losas.

•

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•

Los muros que se encuentren paralelos a la dirección de las fuerzas sísmicas, deben ser analizados como muros de corte sometidos a las fuerzas que actúan en el mismo plano.

3.1.6.5

En estanques circulares, las uniones muro-fundación y muro-techo se deben diseñar para las fuerzas de corte sísmicas.

3.1.6.6

Los muros, losas de fondo y losas superiores de los estanques, se deben diseñar para resistir los efectos de las aceleraciones horizontales y verticales combinadas con los efectos de las cargas estáticas.

3.1.6.7

El Ingeniero calculista debe asegurar que la longitud de desarrollo de las armaduras en las uniones de los elementos del estanque, muro-muro y muro-losa, cumpla con las disposiciones del código ACI 318 respecto a que estas reflejen fielmente las condiciones de borde adoptadas en los modelos de análisis.

3.1.6.8

Las disposiciones de este documento referente al control del ancho de grieta, juntas en elementos de hormigón y todos los aspectos relacionados con el diseño y construcción de elementos de hormigón armado, se deben complementar con las recomendaciones de los siguientes documentos Corporativos:

•

Criterio de Diseño Corporativo Estructural DCC2008-VCP.GI-CRTES02-0000-001-0. Específicamente, Capítulo 12 Requisitos de Diseño para las Estructuras de Hormigón Armado y Fundaciones. Especificación Técnica Corporativa Hormigón Estructural DCC2008-VCP.GIESPES02-0000-001-0.

•

3.1.6.9

El diseño de los elementos de hormigón se debe realizar considerando una de las fases de agrietamiento definidas a continuación:

•

Fase 1: Cargas estáticas de operación permanente tales como la presión hidrostática del líquido almacenado y los empujes del suelo. Se aplican las combinaciones de cargas del párrafo 3.4 sin factores de cargas. No es necesario el uso de revestimientos. Fase 2: Cargas permanentes mas la acción del sismo, debiéndose cumplir los controles del ancho de grieta especificados en el párrafo 3.5 de este Criterio de Diseño. Se aplican las combinaciones de cargas del párrafo 3.4 con factores de cargas. Es necesario implementar el uso de revestimientos.

•

Cuando se aplique el método clásico para el diseño de los estanques, las tensiones admisibles se deben incrementar en un 33%. En los diseños y verificaciones se deben considerar las recomendaciones de la norma ACI 350 (18). La metodología de diseño que se adopte deberá ser aprobada por el Líder de la Disciplina Civil-Estructural del proyecto. Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

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3.1.6.10 En caso de considerar algún tipo de revestimiento en los elementos de los estanques, se deben diseñar aplicando los factores de carga y resistencia especificados en el código ACI 318. En caso contrario, se debe diseñar sin factores de cargas, de acuerdo al método elástico o clásico. 3.1.6.11 Los recubrimientos mínimos en los elementos no deben ser inferiores a los especificados en el código de diseño ACI 318, en el párrafo 7.7. 3.1.6.12 En estanques de poca profundidad o parcialmente enterrados, se deben considerar los cambios volumétricos provocados por variaciones de temperatura entre la tapa y la parte baja del estanque. Al respecto, se recomienda diseñar los apoyos de la tapa de modo que esta pueda deslizarse horizontalmente sobre las paredes. 3.1.6.13 Se debe evitar utilizar valores diferentes de resistencias especificadas del hormigón, para los diferentes elementos de un estanque (losas, muros, vigas y fundaciones). 3.2

Estados de Cargas Los estados de cargas que actúan en estos estanques dependen de su disposición respecto al nivel de terreno. De acuerdo a esto, se indican los tipos de cargas y su determinación, las que serán aplicadas de acuerdo a las combinaciones que se especifican en el punto 3.4.

3.2.1

Peso Propio (PP) Se deben considerar las cargas provenientes de los pesos propios del estanque, líquido almacenado y terreno, cuando exista sobre la losa superior y/o voladizos laterales en la losa de fondo del estanque.

3.2.2

Operación (PV) Se considera el peso del líquido almacenado en estado estático de acción vertical.

3.2.3

Empuje Activo del Terreno (EA) En los casos en que el muro se desplaza permitiendo la expansión lateral del suelo, se genera el empuje activo ((42), (43) y (44)) que se calculará como se indica a continuación: i ∆EAE

Ew β

W

H

γ = Peso especifico del suelo φ = Angulo de friccion interna del suelo

Ea

2H/3 H/3

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El punto de aplicación del empuje activo es a 1/3 de la altura del muro que esta en contacto con el relleno, tomado desde la base del mismo. EA =

KA

1 ⋅ γS ⋅ H2 ⋅ K A 2

⎡ ⎤ cos(β − φ) ⎢ ⎥ cos(β ) ⎥ = ⎢⎢ ⎥ ⎢ cos(β + δ ) + sen (φ + δ ) ⋅ sen (φ − i ) ⎥ cos(β − i ) ⎢⎣ ⎥⎦

2

Siendo: Ea γS β φ δ i 3.2.4

: : : : : :

Empuje activo del terreno lateral al estanque. Peso específico del suelo. Inclinación de la cara interior del muro. Angulo de fricción interna del relleno. Angulo de fricción entre el relleno y el muro. Inclinación de la superficie del relleno posterior.

Empuje sísmico del Terreno (ES) Previo a iniciar el diseño de los estanques Enterrados, el Ingeniero Calculista debe asegurar la condición de estabilidad sísmica de los taludes adyacentes a los muros. Para que la ecuación de Mononobe – Okabe ((42), (43) y (44)) indicada más adelante este definida, lo que implica que el talud sea estable sísmicamente, se debe cumplir la siguiente condición: φ-i-θ≥0 El punto de aplicación del empuje sísmico es a 2/3 de la altura del muro que esta en contacto con el relleno, tomado desde la base del mismo.

3.2.4.1

Muros Deformables (47) El empuje total por unidad de longitud del muro, en condiciones sísmicas, se debe calcular a través de la siguiente ecuación: E AE =

1 ⋅ γ S ⋅ H 2 ⋅ (1 − K V ) ⋅ K AE 2

Para muros gravitacionales o semi gravitacionales se aplicará el método de Mononobe – Coulomb: K AE =

cos 2 (φ − θ − β) ⎡ sen (φ + δ ) ⋅ sen (φ − θ − i ) ⎤ cos(θ) ⋅ cos (β + θ ) ⋅ cos(δ + β + θ) ⋅ ⎢1 + ⎥ cos(δ + β + θ) ⋅ cos(i − β) ⎥⎦ ⎢⎣

2

2

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⎛ Kh θ = arctg⎜⎜ ⎝ 1− K V

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

EAE : Empuje sísmico del terreno lateral al estanque. Para muros de contrafuerte en voladizo (Cantilever) se aplicará el método de Mononobe – Rankine:

K AE =

[

cos(i ) ⋅ cos(i − θ) − m

[

]

2

+ [sen (i + θ) − sen (i − θ)]2

cos(θ) ⋅ cos(i + θ) + m

]

m = cos(i + θ) − cos 2 (φ)

3.2.4.2

Muros Indeformables (47) El empuje total por unidad de longitud del muro, bajo condiciones sísmicas, se debe calcular a través de la siguiente ecuación: E AE =

1 ⋅ γ S ⋅ H 2 ⋅ (1 − K V ) ⋅ K OS 2

KOS = f ·KO

Siendo Ko el coeficiente de empuje en reposo. f=

K AE KA

: coeficiente de amplificación, considerando los coeficientes de empuje sísmico y estático. La componente de empuje sísmico se determina como se indica:

f

∆E AE = E AE − E A

Para determinar los valores de Kh y Kv ver párrafo 3.1.5 de este documento. 3.2.5

Presión Estática del Líquido Almacenado (PE) Pe

: Presión estática que ejerce el líquido almacenado sobre las paredes del estanque. Pe = γ L ⋅ H

γL

: Peso específico del líquido almacenado.

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3.2.6

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Presiones Hidrodinámicas del Líquido Almacenado (PH)

3.2.6.1

Estanques Rectangulares Las presiones sísmicas ejercidas por el líquido en los muros de estanques rectangulares se deben aplicar de acuerdo a las siguientes disposiciones: En el muro frontal (dimensión B perpendicular) a la dirección del sismo se deben considerar:

• • • •

Fuerza inercial del muro. La mitad de la fuerza impulsiva total. La mitad de la fuerza convectiva total. En las combinaciones de cargas se debe sumar el efecto de la presión hidrostática. En el muro posterior (dimensión B perpendicular) a la dirección del sismo se deben considerar:

• • • •

Fuerza inercial del muro. La mitad de la fuerza impulsiva total. La mitad de la fuerza convectiva total. Fuerza sísmica ejercida por el suelo y contenido de agua en la parte del estanque que se encuentre enterrado, si así fuere el caso. En los muros paralelos (dimensión L) a la dirección de sismo se deben considerar:

• Fuerza inercial de los muros. • Fuerzas correspondientes a las reacciones en los bordes de los muros frontales a la fuerza sísmica. La fuerza hidrodinámica a cualquier altura y desde la base del estanque se determina como se indica: Py =

(Piy + Pwy )2 + Pcy 2 + (p vy ⋅ B)2

Siendo: Py : Fuerza horizontal combinada a altura y desde la base del muro, en kN/m de altura del muro. Piy : Fuerza lateral impulsiva debido a Wi, desde la base del estanque hasta la altura y, por unidad de altura del muro, en kN/m. Pwy : Fuerza lateral inercial del muro, desde la base del estanque hasta la altura y, por unidad de altura del muro, en kN/m. Pcy : Fuerza lateral convectiva debido a Wi, desde la base del estanque hasta la altura y, por unidad de altura del muro, en kN/m.

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pvy : Presión vertical dinámica, en kN/m2. B : Longitud del muro en sentido perpendicular a la dirección del sismo, en m.

Piy =

Pi 2

⎡ ⎛ y ⎢4H L − 6h i − (6h L − 12h i ) ⋅ ⎜⎜ ⎢⎣ ⎝ HL 2 HL

⎛ C Pwy = Z ⋅ S ⋅ I ⋅ ⎜⎜ i ⎝ R wi

Pcy =

p wy =

⎞⎤ ⎟⎟⎥ ⎠⎥⎦

⎞ 1 ⎟⎟ ⋅ [ε(γ c ⋅ B ⋅ t w )] ⋅ 12 ⎠

⎛ y Pc ⎡ ⎢4H L − 6h c − (6h L − 12h c ) ⋅ ⎜⎜ 2 ⎣⎢ ⎝ HL

⎞⎤ ⎟⎟⎥ ⎠⎦⎥

HL2

Pwy B

p cy =

;

B

⎡ ⎛ L ε = ⎢0,0151 ⋅ ⎜⎜ ⎢ ⎝ HL ⎣

p vy = &u& v ⋅ q hy

&u& v = Z ⋅ S ⋅ C v ⋅ I ⋅

Pcy

b R wi

p iy =

; 2

Piy B

⎞ ⎛ L ⎟⎟ − 0,1908 ⋅ ⎜⎜ ⎠ ⎝ HL

⎤ ⎞ ⎟⎟ + 1,021⎥ ≤ 1,0 ⎥ ⎠ ⎦

C v = 1,0

Siendo: : Factor de zona sísmica según zonificación indicada en el Apéndice 1 de este criterio de diseño. S : Parámetro que depende del tipo de suelo, ver NCh2369 (10).

Z

3.2.6.2

Estanques Circulares Consideraciones para Estanques Circulares: • Fuerza inercial del muro distribuida uniformemente alrededor de toda su circunferencia. • La mitad de la fuerza impulsiva total aplicada simétricamente en p = 0 actuando en el exterior del manto. • La mitad de la fuerza impulsiva total aplicada simétricamente en p = π actuando en el interior del manto. • Las componentes de la fuerza convectiva se aplican de igual manera que las fuerzas impulsivas. • Fuerza sísmica ejercida por el suelo y contenido de agua en la parte del estanque que se encuentre enterrado, si así fuere el caso. La fuerza hidrodinámica a cualquier altura y desde la base del estanque se determina de igual manera que en el caso de estanques rectangulares.

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El cálculo de las fuerzas y presiones sísmicas se realiza de manera similar al caso de los estanques rectangulares, incluyendo las siguientes consideraciones: p wy =

Pwy π⋅R

p cy =

;

Cv =

p hy = &u& v ⋅ q hy ⎡ ⎛ D ε = ⎢0,0151 ⋅ ⎜⎜ ⎢ ⎝ HL ⎣

3.2.7

2

16 ⋅ Pcy 9⋅π⋅R 1,25 Tv 2 / 3

⎞ ⎛ D ⎟⎟ − 0,1908 ⋅ ⎜⎜ ⎠ ⎝ HL

≤

⋅ cos(θ)

;

p iy =

2 ⋅ Piy π⋅R

⋅ cos(θ )

2,75 S

⎤ ⎞ ⎟⎟ + 1,021⎥ ≤ 1,0 ⎥ ⎠ ⎦

Fuerzas Sísmicas (S) Las fuerzas sísmicas provenientes de las estructuras que componen los estanques y sus equipos, serán calculadas de acuerdo a las disposiciones del párrafo 3.1.

3.2.8

Fuerza Boyante

3.2.8.1

La presión del agua que contiene el suelo saturado (napa subterránea) bajo el estanque puede causar que este literalmente flote. Esta situación puede producir grietas en los muros y losa del estanque, además del levantamiento del mismo.

3.2.8.2

La fuerza de levantamiento que produce la presión del agua es resistida por el peso del estanque, más el peso del suelo (si es que lo hubiere) ubicado sobre la losa superior (si es que lo hubiere) y/o sobre los voladizos de la losa inferior (si es que los hubiere).

3.2.8.3

Se debe dimensionar el estanque de modo que se impida una posible flotación del mismo, para ello se verificará el peso del estanque vacío como se indica: P ≥ γ ⋅ a1 ⋅ b1 ⋅ (h1 - h0) ⋅ δ Siendo, P γ a1 ⋅ b1 h1 h0 δ

: : : : : :

Peso del estanque vacío. Factor de seguridad que varía de 1,1 a 1,2. Superficie del fondo del estanque. Profundidad de la losa de fondo del estanque. Profundidad de la napa freática. Peso específico del agua, se considera 1.0ton/m3.

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3.3

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Esfuerzos de Diseño Los esfuerzos resultantes se obtienen combinando las respuestas máximas en cada dirección, respecto al modos impulsivo, convectivo y vertical aplicando el Método de la Raíz Cuadrada de la Suma de los Cuadrados (SRSS). Qs = Qi 2 + Qc 2 Ms = Mi2 + Mc2 ps = pi 2 + pc 2 + p v 2

Siendo: Qs Qi Qc Ms Mi Mc ps pi pc pv 3.4

: : : : : : : : : :

Esfuerzo de corte basal total, en ton. Esfuerzo de corte correspondiente a la masa impulsiva, en ton. Esfuerzo de corte correspondiente a la masa convectiva, en ton. Momento volcante total, en ton-m. Momento volcante correspondiente a la masa impulsiva, en ton-m. Momento volcante correspondiente a la masa convectiva, en ton-m. Presión total, en ton/m2. Presión impulsiva, en ton/m2. Presión convectiva, en ton/m2. Presión vertical, en ton/m2.

Combinaciones de Cargas Cuando se apliquen los factores de cargas indicados en los párrafos 3.4.1 y 3.4.2 considerando revestimientos, la resistencia requerida debe multiplicarse por los factores de durabilidad ambiental especificados en el Capítulo 9 del código ACI 350 (18), que se indican a continuación: S = 1.3 S = 1.65 S = 1.3

Flexión Tracción Corte

Los factores definidos anteriormente no deben ser aplicados a las combinaciones de cargas que incluyan el efecto sísmico.

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3.4.1

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Estanques Superficiales

3.4.1.1 Para verificación de la estabilidad y tensiones en el terreno: Combinación 1: Combinación 2:

PP + PV + PE PP + PV + PE + PH + S

(normal) (eventual)

La combinación 1 se debe verificar con la tensión admisible que especifique el Estudio de Mecánica de Suelos en condición estática. La combinación 2 se debe verificar con la tensión admisible que especifique el Estudio de Mecánica de Suelos en condición sísmica. 3.4.1.2 Para diseño en hormigón armado: Combinación 1: Combinación 2: 3.4.2

1.4 x (PP + PV + PE) 1.2 x (PP + PV + PE) + 1.0 x (PH + S)

(normal) (eventual)

Estanques Enterrados

3.4.2.1 Para verificación de la estabilidad y tensiones en el terreno: Combinación 1: Combinación 2: Combinación 3: Combinación 4: Combinación 5: Combinación 6:

PP + PV + PE PP + PV + PE + PH + S PP + PV + EA + S PP + PV + EA + ES + S PP + PV + PE + EA + S PP + PV + PE + PH + EA + ES + S

(normal) (eventual) (normal) (eventual) (normal) (eventual)

Las combinaciones 1, 3 y 5 se deben verificar con la tensión admisible que especifique el Estudio de Mecánica de Suelos en condición estática. Las combinaciones 2, 4 y 6 se deben verificar con la tensión admisible que especifique el Estudio de Mecánica de Suelos en condición sísmica. 3.4.2.2 Para diseño en hormigón armado: Combinación 1: Combinación 2: Combinación 3: Combinación 4: Combinación 5: Combinación 6:

1.4 x (PP + PV + PE) 1.2 x (PP + PV + PE + PH + S) 1.4 x (PP + PV + EA + S) 1.2 x (PP + PV + EA + ES + S) 1.4 x (PP + PV + PE + EA + S) 1.2 x (PP + PV + PE + PH + EA + ES + S)

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(normal) (eventual) (normal) (eventual) (normal) (eventual)

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3.5

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Control del Ancho de Grieta Se debe controlar el efecto de agrietamiento en estanques que almacenan líquidos, producido principalmente por la retracción de fraguado y temperatura. Las fisuras que se producen afectan la estanqueidad y aceleran la corrosión de las armaduras. Para estos efectos se deben aplicar las disposiciones de las normas ACI 224R-01, 224.1R-93 y 224.2R-92, considerando las reglas que se indican en este capítulo. Debido a que se verificarán las fases del hormigón en estado de agrietamiento, el ancho de la grieta admisible será el menor valor que resulte entre el código ACI y las fases consideradas.

3.5.1 3.5.1.1

Vigas La ecuación que permite pronosticar de mejor manera el máximo ancho de fisura superficial probable, por flexión en la cara en tensión, fue desarrollada por Gergely y Lutz (1968) y la versión simplificada de esta ecuación es: w v = 0,076 ⋅ β ⋅ f s ⋅ 3 d c ⋅ A

Siendo: wv : Ancho máximo de la grieta en vigas, en milésimas de pulgada. β : Relación entre las distancias desde la cara de máxima tensión y desde el centroide del acero hasta el eje neutro, igual a h2/h1. fs : Tensión en el acero para la carga con la cual se desea determinar el ancho de la grieta, en klb/pulg2. dc : Espesor de recubrimiento entre la fibra traccionada y el centro de la barra más próxima a la misma, en mm. A : Área de hormigón que rodea una barra, igual al área total efectiva a tensión del hormigón que rodea el refuerzo y que tiene el mismo centroide, dividido por el número de barras, en pulg2. 3.5.1.2

La tensión calculada en la armadura debido a las cargas de servicio (sin mayorar) fs, debe calcularse como el momento dividido por el producto del área de armadura por el brazo de palanca interno. Alternativamente, se permite considerar fs como el 60% de la tensión de fluencia especificada fy.

3.5.1.3

Cuando la tensión de fluencia de diseño fy para la armadura en tracción supera los 280MPa, las secciones transversales de momentos máximos positivos y negativos deben dimensionarse de modo que el valor “z” no exceda de 30MN/m para exposición interior y 25MN/m para exposición exterior. z = fs ⋅3 dc ⋅A

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Eje neutro h1 h 2 Area de concreto efectiva a tension

Centroide del acero

dc

3.5.1.4

En las tensiones que se utilizaran para la determinación del ancho de las grietas, se deben aplicar las cargas de servicio sin mayorar.

3.5.1.5

El ancho aceptable para las grietas de flexión en el estado de servicio depende principalmente de las condiciones de exposición y debe establecerse, con relación a la posibilidad de corrosión del refuerzo.

3.5.1.6

Se debe tener en cuenta que la ecuación de Gergely y Lutz estima el ancho de la grieta en la superficie del elemento, el que es menor en la interfase acero-hormigón. El aumento en el recubrimiento de hormigón, aunque aumenta el ancho de la grieta en la superficie, puede ser benéfico para evitar la corrosión.

3.5.1.7

En la tabla siguiente se entregan valores admisibles para el ancho de la grieta de acuerdo a las condiciones del entorno del estanque, bajo cargas de servicio, según las disposiciones del código ACI 224R-01. En el caso que se requiera demasiada ductilidad de las armaduras se podría restringir el acero de refuerzo a A440-280H. Anchos admisibles de grietas en hormigón armado bajo cargas de servicio (13)

Condición de exposición Aire seco o membrana protectora. Humedad, aire húmedo, suelo. Químicos para deshielo. Agua de mar y rocío, de agua de mar: humedecimiento y secado. Estructuras de contención de agua, se excluyen ductos sin presión. Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

Ancho admisible de la grieta pulgadas mm 0,016 0,41 0,012 0,30 0,007 0,18 0,006 0,15 0,004

0,10

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3.5.2

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Losas

3.5.2.1

El ancho de las grietas en losas es controlado principalmente por el nivel de tensiones y espaciamiento del acero de refuerzo, en sus dos direcciones perpendiculares.

3.5.2.2

Para la determinación del máximo ancho de grieta en losas, se debe utilizar la ecuación propuesta por Nawy y Blair (1971): w L = k ⋅β⋅ fs ⋅ 3 I

Siendo: wL : Ancho máximo de la grieta en losas en la cara del hormigón sometido a la flexión principal, en milésimas de pulgada. k : Coeficiente de fractura con los siguientes valores: k = 2,8·10-5 para cargas uniformes que actúan en las dos direcciones. k = 2,1·10-5 para cargas concentradas o reacciones o cuando la relación entre el lado corto y el largo es menor que 0,75 valor que debe ser mayor que 0,5. k = 1,6·10-5 para relaciones de esbelteces menores que 0,5. β : Factor que varía entre 1,20 y 1,35 para simplicidad de los cálculos usar 1,25. fs : Tensión en el acero para la carga a la cual se desea determinar el ancho de la grieta, en klb/pulg2. Con: I=

d b1 ⋅ s 2 s 1 ⋅ s 2 ⋅ d c 8 ⋅ = π ρ t1 d b1

Siendo: db1 s1 s2 ρt1

: : : :

Diámetro del refuerzo en la Dirección 1 (lado menor), en pulgadas. Espaciamiento de los refuerzos en la Dirección 1, en pulgadas. Espaciamiento de los refuerzos en la Dirección 2 perpendicular a 1, en pulgadas. Cuantía activa de acero.

Con:

ρ t1 =

As 12 ⋅ d b1 + 2 ⋅ c1

Siendo: As : Área del acero por pie de ancho. c1 : Recubrimiento medido desde la cara en tracción del hormigón hasta el eje más cercano del refuerzo en la Dirección 1. 3.5.2.3

Alternativamente, para la tensión calculada en la armadura debido a las cargas de servicio (sin mayorar) fs, se permite aplicar el 40% de la tensión de fluencia especificada fy.

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3.5.2.4

3.5.3

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Se puede reducir la fisuración por asentamiento de los agregados, como así también la retracción por secado de muros, reduciendo el contenido de agua del hormigón a medida que se cuela el muro, desde la parte inferior hasta la superior. Es fundamental controlar el hormigón cuidadosamente y compactarlo de manera adecuada. Estanques Circulares Para el caso de muros de hormigón armado curvos que estén sometidos a tracción simple, se puede controlar la fuerza máxima de tracción teniendo en cuenta la figuración, aplicando la fórmula empírica de Faury:

N=

1 γf

⎡ ⎛ 100 s2 ⎞⎤ ⋅ ⎢ A c ⋅ f ct + 100 ⋅ A s ⋅ ⎜ − ⎟⎥ ⎝ s + 4 300 ⎠ ⎦ ⎣

Siendo: N γc Ac fct As s 3.6

: Esfuerzo de tracción máximo previsto, en kg. : Coeficiente de seguridad a la figuración, 1.5 para estanques de agua. : Área de la sección del hormigón, en cm2. : Resistencia a la tracción del hormigón, en kg/cm2. : Sección total de las armaduras, en cm2. : Separación de las barras, en cm.

Ola Sísmica Debido a las aceleraciones horizontales que produce un sismo, en el líquido almacenado se producen olas superficiales (modo convectivo) que pueden ocasionar derrames, daños en el techo y en la parte superior del estanque, por lo que se debe dejar una distancia libre entre la superficie del líquido y el techo que se denomina “revancha”. La altura de la revancha debe ser a lo menos un 4% de la profundidad del líquido. La altura máxima de oscilación estimada de las olas superficiales esta dada por las siguientes expresiones:

3.6.1

Valores de ACI 350.3 (19) Los valores de la revancha considerando los coeficientes sísmicos se determinan de la siguiente manera: Para Estanques Rectangulares:

d max =

L ⋅ Z ⋅S⋅ I ⋅ Cc 2

Para Estanques Circulares: se debe reemplazar “L” por “D” en la fórmula de estanques rectangulares.

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Siendo: dmáx Z S Cc L D

: Altura de la ola sísmica desde la superficie del líquido en reposo, en m. : Factor de zona sísmica. : Coeficiente que representa las características del tipo de suelo de fundación. : Factor de amplificación espectral, correspondiente al modo convectivo de oscilación, para el 5% de amortiguamiento crítico. : Largo interior del estanque rectangular, paralelo a la dirección de la fuerza sísmica, en m. : Diámetro interior del estanque circular, en m.

Los valores de la revancha considerando los espectros de diseño específicos de la zona se determinan como se indica: Para Estanques Rectangulares:

d max

S L = ⋅ I ⋅ ηc ⋅ D 2 g

⎛ 2π ⎞ ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ Tc ⎠

2

Para Estanques Circulares se debe reemplazar “L” por “D” en la fórmula anterior. Con:

ηc =

3,043 2,73 − 0,45 ⋅ ln(β )

Siendo: I : Coeficiente de importancia definido en el párrafo 1.3 de este Criterio de Diseño. Tc : Período de vibración para el primer modo convectivo, en segundos. SD : Desplazamiento espectral correspondiente a Tc obtenido del espectro de diseño de la zona en estudio, siendo Tc > 4s. 3.6.2

Recomendaciones

•

Entre los valores especificados en el párrafo 3.6 para el cálculo de la revancha, se debe escoger el más conservador y será sometido a la aprobación del Líder de la Disciplina Civil-Estructural del Proyecto.

•

Se permite emplear revanchas menores a las calculadas siempre que se consideren las subpresiones originadas por el contacto entre el líquido y el techo o losa superior, las que se deben aplicar en su diseño.

•

En los casos que se almacenen líquidos peligrosos como ácidos sulfúricos o similares se deberán reducir los valores calculados para las revanchas, debiendo aplicarse criterios conservadores que impidan cualquier tipo de derrame producto del movimiento lateral del estanque por efecto de las fuerzas sísmicas. Los valores adoptados serán previamente aprobados por el Líder de la Disciplina Civil-Estructural del Proyecto.

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3.7 3.7.1

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Consideraciones Especiales de Diseño Distanciamiento Mínimo de Refuerzos El código ACI 318 en la sección 10.6 no hace distinción entre exposición interior y exterior, se especifica que para vigas y losas el espaciamiento mínimo de las armaduras cercanas a la superficie en tracción no debe exceder del siguiente valor: ⎛ 280 ⎞ ⎟ − 2,5c c s = 380 ⋅ ⎜⎜ ⎟ ⎝ fs ⎠

Siendo: s fs cc 3.7.2

: Espaciamiento medido centro a centro del refuerzo de tracción por flexión más cercana a la cara extrema en tracción, en mm. : Esfuerzo en el refuerzo calculado para las cargas de servicio, en MPa. : Recubrimiento libre desde la superficie más cercana en tracción a la superficie del refuerzo en tracción, en mm.

Armadura Mínima El código ACI 224R-01 en la sección 4.2.3.2 el área mínima de acero de refuerzo requerido para el control del ancho de grieta, de acuerdo a lo siguiente: As =

k c ⋅ k ⋅ f ct ,eff ⋅ A ct σs

Siendo: As kc k fct,eff 3.7.3

: Área de refuerzo dentro de la zona en tracción, en mm2. : Coeficiente que depende de la naturaleza de la distribución de tensiones: kc = 1,0 para tracción pura kc = 0,4 para flexión : Coeficiente que considera las tensiones no uniformes debido a las deformaciones por contracción, este valor varía entre 0,5 y 1,0. : Resistencia efectiva del hormigón en la formación de la primera grieta, se pueden aplicar 3MPa.

Para estanques de gran magnitud se deberá demostrar que no se requiere el uso de contrafuertes en los muros, debiendo ser empotrados en la losa base. Con esta solución se pretende reducir los esfuerzos en los muros de altura y largo considerable, ya que las solicitaciones en su mayoría son absorbidas por los contrafuertes que actúan como vigas T, los que se calculan como elementos en voladizo.

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3.7.4

3.8

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En estanques con muros de gran longitud y/o sometidos a presiones importantes, es recomendable disponer en el borde superior de vigas de hormigón armado para reducir los esfuerzos de diseño y deformaciones de los muros, las vigas deben cumplir con el ancho de grieta admisibles de acuerdo a la metodología indicada en el párrafo 3.5.1 de este Criterio de Diseño. Juntas Se deben ejecutar juntas de construcción y dilatación en los elementos de los estanques, con el fin de evitar la generación y propagación de grietas mayores a las admisibles, producto de cambios de temperatura que generen contracciones y dilataciones en el hormigón. Debido a que la temperatura que produce las contracciones y dilataciones en el hormigón, son función de la distancia entre la disposición de juntas de contracción, se recomienda que la distancia entre juntas no exceda de 9m a 15m. Se deben controlar las limitaciones por volumen de hormigón según temperatura y ancho de grieta admisible, ver recomendaciones de código ACI 207.2R-95 (12). Se deben considerar las recomendaciones de la Especificación Técnica Corporativa Hormigón Estructural DCC2008-VCP.GI-ESPES02-0000-001-0. En el código de diseño BS8007 se proponen soluciones para ejecutar las juntas en los elementos que componen los estanques, los que se indican en los esquemas del Apéndice 3 de este Criterio de Diseño. Será requisito para la aprobación de los planos de detalles de los estanques rectangulares, disponer de planos que indiquen el diseño y ubicaciones de las juntas horizontales y verticales.

3.8.1

Juntas de Expansión En estas juntas se interrumpe el refuerzo y se deja una holgura entre las superficies del hormigón que se rellena con un material compresible, deben evitarse para este fin materiales que se expandan en contacto con el agua. Debe utilizarse además tapa junta y en la cara en contacto con el líquido algún sellador adecuado. En general, deberán emplearse para separar secciones de estructuras de diferente masa, en las uniones de losa de fondo no estructural con las paredes del estanque o con columnas interiores.

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3.8.2

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Juntas de Contracción En ellas se interrumpe la continuidad del refuerzo, pero el hormigón puede permanecer en contacto. Pueden utilizarse barras sin adherencia que pasen a través de la junta para prevenir movimientos relativos accidentales, deberán usarse tapajuntas (Waterstop). También pueden inducirse después del vaciado, formando una ranura cuando el hormigón esta aún en estado plástico o dejando un hueco interior a lo largo de ella. En una junta de contracción basta interrumpir por lo menos el 50% del refuerzo transversal a ella.

3.8.3

Juntas de Construcción Estas juntas solo separaran un vaciado de hormigón de otro, en ellas existe normalmente continuidad del refuerzo a menos que el vaciado se haga terminar en una junta de contracción o expansión. Se deberá asegurar la impermeabilidad de las juntas preparando adecuadamente las superficies o usando tapajuntas. La disposición de las juntas deberá determinarla el calculista en base a la mínima pérdida de resistencia estructural y de suministrar una separación adecuada de las partes de la estructura.

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4

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ESTANQUES DE ACERO APOYADOS EN EL SUELO – ATMOSFERICOS

4.1

Bases de Diseño

4.1.1

Metodología de Análisis

4.1.1.1

Este Criterio de Diseño aborda el capítulo de Estanques de Acero desde el punto de vista Civil-Estructural, por lo que se indican fórmulas para estimar el diseño de sus partes, tales como el manto, techo y fondo. Para el diseño detallado y de todas sus componentes se deben aplicar los Criterios de Diseño y Especificaciones Técnicas Corporativas de la Disciplina Mecánica, los que complementan este documento.

4.1.1.2

Para el análisis y diseño a nivel Civil-Estructural de estos estanques se deben aplicar las normas que se indican en este párrafo, dependiendo del líquido almacenado y evitando mezclar disposiciones de normas diferentes.

• • •

Petróleo y derivados Agua Cualquier líquido

: : :

API 650 Welded Steel Tanks for Oil Storage (24). AWWA D100 Welded Steel Tanks for Water Storage (26). NZS Seismic Design of Storage Tanks – 1986 (41).

Una vez calculadas las fuerzas sísmicas el diseño se efectúa según la norma adoptada entre las que se indican anteriormente. 4.1.1.3

Este capítulo se refiere a estanques cilíndricos de eje vertical que comúnmente tienen diámetros de 3 a 25m y altura variable de 3 a 16m, apoyados directamente en el suelo con planchas de acero en el fondo. Los valores anteriores se basan en la información de las normas extranjeras citadas en el párrafo 2.2 de este Criterio de Diseño.

4.1.1.4

El techo puede ser fijo ligeramente cónico de planchas de acero o flotante sobre el líquido contenido.

4.1.1.5

En el diseño de estos estanques se deben utilizar los parámetros especificados en la Norma Chilena NCh2369.Of2003.

4.1.1.6

Para el modelo de análisis se debe considerar la acción del líquido almacenado con la respuesta impulsiva, convectiva y vertical, de acuerdo a la descripción del párrafo 3.1.1.3 y los posteriores al 4.1.1.7.

4.1.1.7

Las masas, alturas hidrodinámicas y períodos de vibración asociados a los modos de las respuestas impulsivas y convectivas, se deben determinar de acuerdo a las Figuras 4.1 y 4.2 para estanques circulares que provienen de la norma ACI 350.3. Los gráficos propuestos en las normas de diseño de estanques tanto de acero como hormigón provienen del método de Housner, por lo que son aplicables a este capítulo. Para un análisis detallado de la interacción suelo-estructura la Norma Neozelandesa (41) propone una metodología que considera este efecto.

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De manera alternativa se pueden calcular las masas y alturas sísmicas con las fórmulas que se indican a continuación: Masa impulsiva para relación D/H ≥ 1,333: D⎞ ⎛ tanh ⎜ 0,866 ⋅ ⎟ H⎠ ⎝ Wi = ⋅ Wp D 0,866 ⋅ H

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Masa impulsiva para relación D/H < 1,333: D⎤ ⎡ Wi = ⎢1 − 0,218 ⋅ ⎥ ⋅ Wp H ⎦ ⎣

Masa convectiva: Wc = 0,230 ⋅

H⎞ D ⎛ ⋅ tanh⎜ 3,67 ⋅ ⎟ ⋅ Wp H D⎠ ⎝

Altura impulsiva para relación D/H ≥ 1,333: h i = 0,375 ⋅ H

Altura impulsiva para relación D/H < 1,333: D⎞ ⎛ h i = ⎜ 0,5 − 0,094 ⋅ ⎟ ⋅ H H⎠ ⎝

Altura convectiva: ⎛ ⎞ H⎞ ⎛ ⎜ cosh⎜ 3,67 ⋅ ⎟ − 1 ⎟ D⎠ ⎜ ⎟ ⎝ h c = ⎜1 − ⋅H H H⎞⎟ ⎛ ⎜⎜ 3,67 ⋅ ⋅ sinh ⎜ 3,67 ⋅ ⎟ ⎟⎟ D D⎠⎠ ⎝ ⎝

4.1.1.8

Para el cálculo de las solicitaciones sísmicas se deben aplicar las disposiciones especificadas entre los párrafos 4.1.1.9 y 4.1.7 de este Criterio de Diseño. Estas recomendaciones corresponden a un análisis pseudos-dinámico basado en el período natural de vibración de los estanques con sus contenidos.

4.1.1.9

Coeficiente sísmico del modo impulsivo, se debe obtener de la Tabla 5.7 de la Norma Chilena NCh2369.Of2003 considerando los siguientes parámetros de diseño:

• •

Factor de modificación de la respuesta : R = 4 Razón de amortiguamiento : ξi = 0,02 Coeficiente Sísmico Impulsivo

: Ci = 0,32

4.1.1.10 Coeficiente sísmico del modo convectivo, se debe calcular de acuerdo a la ecuación 5-2 especificada en la Norma Chilena NCh2369.Of2003, considerando los siguientes parámetros de diseño: • •

Factor de modificación de la respuesta : R = 4 Razón de amortiguamiento : ξi = 0,005

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Coeficiente Sísmico Convectivo

2, 75 ⋅ A o : Cc = g⋅R

⎛ T` ⎞ ⋅⎜ * ⎟ ⎝T ⎠

n

⎛ 0, 05 ⎞ ⋅⎜ ⎟ ⎝ ξ ⎠

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0,4

En ningún caso este valor será menor que 0,10Ao/g. 4.1.1.11 El coeficiente sísmico vertical deberá ser igual a 2/3 del coeficiente sísmico del modo impulsivo.

2 C v = ⋅ Ci 3 4.1.1.12 Aceleración efectiva máxima del suelo Ao: se debe obtener de la Tabla 5.2 de la Norma Chilena NCh2369.Of2003 de acuerdo a la zona sísmica en donde este ubicado el estanque, se indica zonificación sísmica de las Divisiones de CODELCO en el Apéndice 1 de este Criterio de Diseño. 4.1.1.13 Período fundamental de vibración T* en la dirección del análisis sísmico, valor que deberá calcularse a través de alguno de los métodos propuestos a continuación: 4.1.2 •

Disposiciones del Código API 650 (24) Período de vibración para el modo impulsivo: Ti =

Ci ⋅ H 2⋅ tu D

⎡ ρ⎤ ⋅⎢ ⎥ ⎣⎢ E ⎥⎦

Siendo: Ti Ci H tu D ρ E •

: : : : : : :

Período natural de vibración para el modo impulsivo, en segundos. Coeficiente para determinar el período impulsivo del estanque. Altura máxima del líquido almacenado, en m. Espesor promedio del manto del estanque, en mm. Diámetro nominal del estanque, en m. Densidad de masa del líquido almacenado, en kg/m3. Módulo de elasticidad del material del estanque, en MPa.

Período de vibración para el modo convectivo: Tc = 1,8 ⋅ K s ⋅ D Ks =

0,578 ⎛ 3,68 ⋅ H ⎞ tanh ⎜ ⎟ ⎝ D ⎠

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Siendo: Tc D H

: Período natural de vibración para el modo convectivo, en segundos. : Diámetro nominal del estanque, en m. : Altura máxima del líquido almacenado, en m.

4.1.3

Parámetros que dependen del tipo de suelo de fundación T` y n, se deben obtener de la Tabla 5.3 de la Norma Chilena NCh2369.Of2003.

4.1.4

En los casos que corresponda, los esfuerzos y deformaciones modales se deben superponer según el criterio especificado en la norma de diseño utilizada.

4.1.5

La respuesta amplificada del estanque debido a las aceleraciones verticales de la base no contribuye al corte basal, pero afecta a las tensiones en el manto del estanque.

4.1.6

Si se efectúa un análisis suelo-estructura (solo en Ingeniería de Detalles) se deben tener en consideración los siguientes aspectos en la modelación.

•

Los estanques deben disponer de fundaciones de hormigón armado conformadas por anillos, losas o tipos similares apoyadas en el suelo. Los estanques deben estar debidamente anclados, cumpliendo con las disposiciones del párrafo 4.7 de este Criterio de Diseño. El esfuerzo de corte basal y momento volcante para el modo impulsivo, no deben ser menores que el 80% de los valores obtenidos del análisis sin considerar la interacción suelo-estructura.

• •

4.1.7 • • • • • 4.2

Los efectos de la respuesta vertical proveniente de las fuerzas sísmicas deben considerarse en los siguientes aspectos: Tensiones de diseño del manto, en especial en la compresión. Diseño de anclajes. Componentes de las conexiones del techo. Deslizamiento. Diseño de fundaciones. Estados de Cargas

4.2.1

Carga de Peso Propio (PP) Se deben considerar todos los componentes del estanque siendo a lo menos lo que se indica a continuación:

• • • •

Líquido almacenado. Manto. Techo. Plataformas y escaleras.

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• • 4.2.2

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Equipos. Accesorios tales como manholes, escapes de aire (ventosas), etc. Empujes del Terreno en Fundaciones (TE) Corresponde a los empujes del suelo en las fundaciones de los estanques, este estado de carga solo se considera en las verificaciones de estabilidad global.

4.2.3

Sobrecarga de Techo (SC) Se considera la sobrecarga mínima de techo que indica la Norma Chilena NCh1537 (9), a menos que las condiciones de operación del proyecto especifiquen un valor diferente, en cuyo caso se aplicará el mayor valor. qsc = 100kg/m2 Esta sobrecarga no considera el efecto de la nieve.

4.2.4

Carga de Viento (V) Se deben aplicar las cargas según lo especificado por la Norma Chilena NCh432 (7).

4.2.5

Carga de Nieve (N) De acuerdo a lo especificado en el párrafo 1.1.7 de este Criterio de Diseño, las cargas por efecto de la nieve deben provenir de un estudio preparado para el sector en donde se ubique el proyecto.

4.2.6

Carga de Sismo (S) Se refiere a las cargas por efecto de un sismo para las estructuras y componentes indicadas en el párrafo 4.2.1.

4.2.7

Cargas de Operación (OP) Se considera el peso del líquido almacenado en estado estático de acción vertical.

4.2.8

Presiones Hidrostáticas (PE) Se considera la presión estática que ejerce radialmente el líquido sobre el manto del estanque. Pe = γ L ⋅ H

Pe : Presión estática que ejerce el líquido almacenado sobre las paredes del estanque. γL : Peso específico del líquido almacenado. Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

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4.2.9

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Presiones Hidrodinámicas (PH) Para el cálculo de las presiones hidrodinámicas se debe emplear los criterios de la norma NZS Seismic Design of Storage Tanks – 1986, de acuerdo a los siguientes criterios: pt

H

q

pt

=

q h

H/2

EQUIVALENTE

UNIFORME

h pb

ACTUAL

qu

=

+

qh H/3

pt

pb- pt

HIDROSTATICO

Efecto Impulsivo 1 ⋅ (p bi + p ti ) ⋅ H 2 1 1 M i = ⋅ p ti ⋅ H 2 + ⋅ (p bi − p ti ) ⋅ H 2 2 6 4⋅ Qi 6⋅ Mi p bi = − H H2 6 ⋅ Mi 4 ⋅ Qi p tc = − H H2

Qi =

Qi Mi pbi pti

: : : :

Esfuerzo de corte impulsivo. Momento volcante impulsivo. Presión impulsiva en el fondo del estanque. Presión impulsiva en la superficie del estanque.

Efecto Convectivo 1 ⋅ (p bc + p tc ) ⋅ H 2 1 1 M c = ⋅ p tc ⋅ H 2 + ⋅ (p bc − p tc ) ⋅ H 2 2 6 4⋅Qc 6⋅ Mc p bc = − H H2 6 ⋅ Mi 4 ⋅ Qi p tc = − H H2

Qc =

Qc Mc pbc ptc

: : : :

Esfuerzo de corte convectivo. Momento volcante convectivo. Presión convectiva en el fondo del estanque. Presión convectiva en la superficie del estanque.

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Qi = Ci ⋅ mi Qc = Cc ⋅ mc

Efecto Vertical pv = Cv ⋅ γL ⋅H

pv : Presión vertical sísmica. 4.2.10 Fuerzas Sísmicas (S) Las fuerzas sísmicas provenientes de las estructuras que componen los estanques y sus equipos, serán calculadas de acuerdo a las disposiciones del párrafo 4.1. 4.3

Combinaciones de Cargas En el diseño del manto del estanque, techo, fundaciones y anclajes se deben considerar las combinaciones de cargas que se indican en los párrafos 4.3.1 y 4.3.2. El estado de carga proveniente del empuje del suelo se debe considerar solo para verificaciones de estabilidad global y diseño de fundaciones.

4.3.1

Diseño del Manto (Método ASD) y Verificaciones de Estabilidad Combinación 1: Combinación 2: Combinación 3: Combinación 4: Combinación 5: Combinación 6: Combinación 7: Combinación 8: Combinación 9: Combinación 10: Combinación 11:

4.3.2

PP + OP + PE + TE PP + OP + PE + TE + SC PP + OP + PE + TE + N PP + OP + PE + TE + V PP + OP + PE + TE + 0,7x(S + PH) PP + OP + PE + TE + 0,75x(SC + V) PP + OP + PE + TE + 0,75x(SC + N) PP + OP + PE + TE + 0,53x(S + PH) + 0,75xSC PP + OP + PE + TE + 0,53x(S + PH) + 0,75xN PP + TE + V PP + TE + S

(normal) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual)

Diseño de Fundaciones Combinación 1: Combinación 2: Combinación 3: Combinación 4: Combinación 5: Combinación 6: Combinación 7: Combinación 8: Combinación 9:

1,2x(PP + OP + PE) + 1,6xTE + 0,5xSC 1,2x(PP + OP + PE) + 1,6xTE + 0,5xN 1,2x(PP + OP + PE) + 1,6x(TE + SC) + 0,8x(S + PH) 1,2x(PP + OP + PE) + 1,6x(TE + N) + 0,8x(S + PH) 1,2x(PP + OP + PE) + 1,6x(TE + V) + 0,5xSC 1,2x(PP + OP + PE) + 1,6x(TE + V) + 0,5xN 1,2x(PP + OP + PE) + 0,2xN + 1,0x(S + PH) 0,9x(PP + OP + PE) + 1,6x(TE + V) 0,9x(PP + OP + PE) + 1,6xTE + 1,0x(S + PH)

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4.4 4.4.1

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Solicitaciones Sísmicas Esfuerzo de Corte El esfuerzo de corte basal de diseño se debe calcular de acuerdo a la fórmula especificada en el capítulo 5 de la Norma Chilena NCh2369, el cual no debe ser inferior al que resulta de aplicar las disposiciones del párrafo 4.1.1.8 de este documento. Q o = C i ⋅ I ⋅ (Pi + Pm + Pt ) + C c ⋅ I ⋅ Pc

Siendo: Qo Ci Cc Pi Pc Pm Pt I 4.4.2

: : : : : : : :

Esfuerzo de corte basal total, en ton. Coeficiente sísmico impulsivo. Coeficiente sísmico convectivo. Peso de la masa impulsiva de liquido, en ton. Peso de la masa convectiva de liquido, en ton. Peso del manto del estanque, en ton. Peso del techo del estanque, en toneladas. Coeficiente de importancia, definido en párrafo 1.6 de este Criterio de Diseño.

Momento Volcante El momento volcante de diseño se debe calcular de acuerdo a la siguiente fórmula: M o = C i ⋅ I ⋅ (Pi ⋅ h i + Pm ⋅ h m + Pt ⋅ h t ) + C c ⋅ I ⋅ Pc ⋅ h c

Siendo: hi hc hm ht 4.4.3

: : : :

Altura de la masa impulsiva de líquido, en m. Altura de la masa convectiva de líquido, en m. Centro de gravedad del manto, en m. Centro de gravedad del techo, en m.

Esfuerzos de Diseño Para determinar la respuesta resultante total del estanque se deben combinar las máximas respuestas espectrales en cada dirección, correspondientes a los modos Impulsivo, Convectivo y Vertical aplicando el Método de la Raíz Cuadrada de la Suma de los Cuadrados (SRSS). Qs = Qi 2 + Qc 2 Ms = Mi2 + Mc2 ps = pi 2 + pc 2 + p v 2

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Siendo: Qs Qi Qc Ms Mi Mc ps pi pc pv 4.5

: : : : : : : : : :

Esfuerzo de corte basal total, en ton. Esfuerzo de corte correspondiente a la masa impulsiva, en ton. Esfuerzo de corte correspondiente a la masa convectiva, en ton. Momento volcante total, en ton-m. Momento volcante correspondiente a la masa impulsiva, en ton-m. Momento volcante correspondiente a la masa convectiva, en ton-m. Presión total, en ton/m2. Presión impulsiva, en ton/m2. Presión convectiva, en ton/m2. Presión vertical, en ton/m2.

Diseño del Manto Para el diseño del manto se debe efectuar una evaluación de la esbeltez del estanque con el fin de aplicar los valores más conservadores, se deben considerar los siguientes criterios:

4.5.1

Si D/H < 1,33:

Ecuaciones del párrafo 4.5.1

Si D/H ≥ 1,33:

Ecuaciones del párrafo 4.5.2

Recomendaciones del Criterio de Diseño Estructural CD-7/94 (56) De acuerdo a lo especificado por el Ingeniero Rodolfo Saragoni en el Criterio de Diseño CD-7/94 preparado para Codelco, con el fin de prevenir el pandeo del manto o colapso elasto-plástico (Pata de Elefante) en la primera hilada inferior de planchas, las tensiones admisibles se deben calcular de acuerdo a las siguientes fórmulas: F = 0,908 ⋅ α ⋅ E ⋅

t < 0,375 ⋅ Fy D

En que: α=

0,83 1 + 0,005 ⋅

α=

D < 424 t

si D t

0,70 0,1 + 0,005 ⋅

si D t

D ≥ 424 t

Siendo: F E t D Fy

: : : : :

Tensión admisible de compresión por flexión, en kg/cm2. Módulo de elasticidad del acero, en kg/cm2. Espesor de la hilada inferior del manto, en m. Diámetro del estanque, en m. Módulo de elasticidad del acero, en kg/cm2.

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Si D/t es menor que: 2,422 ⋅ α ⋅

GERENCIA DE INGENIERÍA CRITERIO DE DISEÑO CORPORATIVO ESTRUCTURAL – ESTANQUES ATMOSFERICOS DE HORMIGON ARMADO Y ACERO DCC2008-VCP.GI-CRTES02-0000-003-0 E Fy

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, la falla corresponde a un pandeo inelástico.

Para prevenir este efecto, la tensión admisible F debe ser calculada considerando una variación lineal entre: 0,375 ⋅ Fy ≤ F ≤ 0,60 ⋅ Fy

Dentro del rango:

0≤

D E ≤ 2,422 ⋅ α ⋅ t Fy

Cuando se presente la condición: F = 0,20 ⋅ E ⋅

400 ≤ D/t ≤ 2000, se debe aplicar:

t < 0,375 ⋅ Fy D

Considerando una variación lineal de la tensión admisible F como se indica: 0,375 ⋅ Fy ≤ F ≤ 0,60 ⋅ Fy

Dentro del rango:

0≤

D E ≤ 0,534 ⋅ t Fy

En el proceso de fabricación de las planchas del manto se debe mantener un estricto control de las deformaciones e imperfecciones, este efecto se puede considerar con las correcciones indicadas en la norma Neozelandesa para el diseño de estanques de acero (41). 4.5.2

Recomendaciones de Normas Internacionales (56) Se deberán aplicar los códigos de diseño especificados en la Norma Chilena NCh2369.Of2003 y que se indican en el párrafo 4.1.1.2 de este Criterio de Diseño. La oficina de proyectos encargada del diseño de los estanques deberá efectuar un análisis comparativo, considerando las normas mencionadas y el CD-7 debiéndose aplicar los valores más conservadores de las tensiones admisibles para el diseño, según el tipo de líquido almacenado. Los valores finales utilizados en el diseño deberán ser aprobados por el Líder de la Disciplina Civil-Estructural del Proyecto.

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4.6

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Diseño del Techo El diseño del techo se debe realizar con las presiones producidas por la ola convectiva, por efecto del movimiento lateral de estanque ante las fuerzas sísmicas. Se indica la metodología que propone la norma Neozelandesa (41) para este efecto: p r = p b + cs ⋅ u 2 ⋅

γL 2⋅g

pb = γL ⋅h r

u=

2⋅π ⋅ d max T1

Siendo: pr cs u γL g pb hr 4.7

: : : : : : :

Presión total en el techo, en ton/m2. Coeficiente de impacto de la ola, se debe considerar el valor 5,0. Velocidad de las partículas de la ola, en m/seg2. Peso especifico del líquido almacenado, en ton/m3. Aceleración de gravedad, en m/seg2. Presión boyante en el techo, en ton. Altura proyectada de la ola sobre la revancha, en m.

Fundaciones

4.7.1 • •

Se deben usar dos tipos de bases para los estanques. Ancladas a la fundación. Libres o no ancladas. Ver figuras en Apéndice 4.

4.7.2

El tipo de fundación a usar dependerá de tanto del tipo de suelo como de la base del estanque, de acuerdo a lo siguiente:

•

Base anclada: se recomienda utilizar zapatas de hormigón armado con pernos de anclaje de acuerdo a lo indicado en el párrafo 4.8. Base libre, sin pernos de anclaje: es recomendable utilizar un anillo circular de hormigón armado bajo el manto de acero, con base de ripio compactado (de acuerdo a lo especificado en el Estudio de Mecánica de Suelos de cada proyecto) bajo las planchas de fondo.

•

4.7.3

En casos puntuales en que la resistencia del suelo a la compresión sea muy baja, se requiere losa de fundación bajo las planchas de fondo y eventualmente apoyadas sobre pilotes.

4.7.4

En estanques no anclados se debe dar al fondo una inclinación cónica de 1% como mínimo para reducir el riesgo de deslizamiento horizontal.

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4.7.5

La calidad de los materiales que componen el sistema de fundación, tanto los pernos de anclaje, topes sísmicos, planchas para las sillas y llaves de corte, como el grado del hormigón armado, deben cumplir con las disposiciones del Criterio de Diseño de cada proyecto además de lo especificado en la Norma Chilena NCh2369.Of2003.

4.7.6

Las recomendaciones para los tipos de fundaciones más usuales en estanques se entregan en las normas y capítulos que se indican a continuación:

• • • 4.7.7

4.8

API 650 : Apéndice B AWWA D100 : Capítulo 12 NZS 1986 : Capítulos 5 y C5 En el diseño de las fundaciones se deben aplicar los criterios indicados en el Apéndice 5 de este Criterio de Diseño. Sistemas de Anclajes

4.8.1

La decisión de anclar o no el estanque se debe tomar en base a los criterios especificados en el código de diseño que se aplique (los mas utilizados que son API 650, AWWA D100 y NZS 1986 entregan ecuaciones para determinar esta condición) en conjunto con el Líder de la Disciplina Civil-Estructural del Proyecto.

4.8.2

En estanques de acero anclados de fondo plano, el diseño de los pernos de anclaje se debe hacer de modo que 1/3 del número total de pernos sean capaces de tomar el esfuerzo de corte sísmico total, a no ser que el sistema de anclaje considere un dispositivo que garantice que el 100% de los pernos sean activos para tomar el corte sísmico total. Se aceptará una distribución de esfuerzos de corte en los pernos siempre que se acompañe un análisis de respaldo justificado, en función de su variación por efecto de la relación D/H del estanque, el que deberá ser aprobado por el Líder de la Disciplina Civil-Estructural del Proyecto.

4.8.3

En el diseño de las placas de corte no se debe considerar la resistencia del mortero de nivelación.

4.8.4

En el caso que se utilicen placas de corte se supondrán activas el 50% del total de ellas.

4.8.5

El diseño de los elementos de anclaje al corte no debe contemplar el roce entre la placa base y la fundación.

4.8.6

Se debe verificar la interferencia entre llaves de corte y pernos de anclaje debiendo ser intercalados como solución.

4.8.7

No se debe considerar la superposición de resistencia entre llaves de corte y pernos de anclaje.

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DCC2008-VCP.GI-CRTES02-0000-003-0

4.8.8

Cuando el esfuerzo de corte sísmico trasmitido a cada perno efectivo sea superior a 5ton, se debe usar placas de corte embebidas en la fundación o topes sísmicos diseñados para resistir el 100% del esfuerzo de corte sísmico basal.

4.8.9

Los pernos de anclaje deben sujetar el manto de acero a través de sillas de anclaje o por medio de un anillo de anclaje continuo reforzado.

4.8.10 El sistema de anclaje debe diseñarse de manera que los pernos fluyan antes que el manto. 4.8.11 En el diseño de los anclajes se debe verificar a lo menos los siguientes efectos: • • • • • • •

Tracción del anclaje. Corte del anclaje. Arrancamiento del hormigón por tracción del anclaje. Arrancamiento del hormigón por corte del anclaje. Extracción por deslizamiento del anclaje en tracción. Desprendimiento lateral del hormigón por tracción del anclaje. Desprendimiento del hormigón por cabeceo del anclaje por corte.

4.8.12 El diseño de los pernos debe considerar la ocurrencia simultánea de las tensiones por tracción y por cizalle según lo siguiente: N ua Vua + = 1,2 φN n φVn

Siendo: Nua : φ : Nn : Vua : Vn :

Fuerza mayorada de tracción aplicada a un anclaje o grupo de anclajes, en ton. Factor de reducción de resistencia. Resistencia nominal en tracción, en ton. Fuerza de corte mayorada aplicada a un anclaje o grupo de anclajes, en ton. Resistencia nominal de corte, en ton.

4.8.13 El espaciamiento mínimo entre centros de anclajes debe ser: • •

Para anclajes preinstalados no sometidos a torsión : 4·d0 Para anclajes preinstalados sometidos a torsión : 6·d0 Siendo: d0 : Diámetro exterior de un anclaje o diámetro del fuste del perno con cabeza, en mm.

4.8.14 La distancia crítica al borde requerida para desarrollar la resistencia básica del hormigón al arrancamiento, para un anclaje post instalado en hormigón no figurado sin refuerzo suplementario para controlar el hendimiento debe ser:

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• • •

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Para anclajes con sobre perforación en su base : Para anclajes con torsión controlada : Para anclajes con desplazamiento controlado :

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2,5·hef 4·hef 4·hef

4.8.15 La profundidad efectiva de empotramiento del anclaje no debe exceder al mayor valor entre 2/3 del espesor del elemento o el espesor del elemento menos 100mm. 4.8.16 Los planos del proyecto deben especificar los anclajes con la distancia mínima al borde que se considero en los diseños. 4.8.17 El calculista debe asegurar en el diseño la falla dúctil del acero de los anclajes, por lo que el acero deberá fallar antes que el hormigón a la falla cónica por tracción por efecto del reventón lateral. De no cumplirse alguna de estas condiciones se deberá colocar armaduras de refuerzo que intercepten los planos de agrietamientos potenciales. 4.9

Deformaciones Sísmicas Con el fin de evitar daños o arrancamientos de los apoyos de equipos, cañerías, escaleras u otros elementos conectados a los estanques así como choques con estructuras adyacentes por efecto de las fuerzas sísmicas, las deformaciones se deben limitar de acuerdo a lo siguiente:

• •

Cálculo de Deformaciones Separación entre Estructuras

: Párrafo 6.1 de NCh2369 (10) : Párrafo 6.2 de NCh2369 (10)

Las deformaciones sísmicas máximas calculadas no deben exceder de: d máx = 0,015 ⋅ h

Siendo: h

: Altura entre dos puntos ubicados sobre una misma vertical.

Esta limitación se puede obviar siempre que se demuestre que una deformación mayor puede ser resistida por los elementos estructurales y los no estructurales. 4.10 Ola Sísmica 4.10.1 Con el fin de reducir el riesgo de derrames y prevenir daños en el techo y en la parte superior del manto del estanque, se debe dejar una revancha entre la superficie libre del líquido y la estructura del techo, la que deberá ser mayor que la altura de la ola del modo convectivo. Esta revancha se determina según lo especificado en el párrafo 4.10.4 de este Criterio de Diseño. 4.10.2 Se pueden emplear revanchas menores a las calculadas siempre y cuando se consideren las subpresiones originadas por el contacto entre el líquido y el techo, con las que se deben diseñar el techo y sus conexiones con el resto de las estructuras. Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

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4.10.3 Debido a que las olas producidas por el movimiento del líquido producen fuertes presiones que ocasionan pandeo en los anillos superiores, ruptura de planchas en el techo y fallas en las bases de las columnas, para evitar estos daños se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones: • • •

No soldar las planchas del techo del estanque a las costaneras. Duplicar el diámetro normal de los escapes de aire (ventosas) en el techo. Diseñar las bases de las columnas con apoyos deslizantes en sentido vertical, para permitir el desplazamiento de las columnas sobre el fondo del estanque.

4.10.4 A continuación se recomiendan algunos métodos para determinar la altura de la Ola Sísmica propuestos por los códigos de diseño mas utilizados. Sin embargo, los valores obtenidos deberán ser aprobados por el Líder de la Disciplina Civil-Estructural del Proyecto. API 650 (24) La altura de la revancha se puede estimar de acuerdo a lo siguiente: δ s = 0,5 ⋅ D ⋅ a f

Para SUG I y II: ⎛ I ⎞ a f = K ⋅ S DI ⋅ I ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ Tc ⎠ ⎛ 4 ⎞ a f = K ⋅ S DI ⋅ I ⋅ ⎜ 2 ⎟ ⎜T ⎟ ⎝ c ⎠

Para Tc < 4seg: Para Tc > 4seg: Para SUG III: Para Tc < TL

:

Para Tc > TL

:

⎛ I ⎞ a f = K ⋅ S DI ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ Tc ⎠ ⎛T ⎞ a f = K ⋅ S DI ⋅ ⎜ L2 ⎟ ⎜T ⎟ ⎝ c ⎠

Valores Mínimos para Revanchas Valores de SDS SDS < 0,33·g SDS < 0,50·g

SUG I

SUG II

SUG III

0,7·δS (a) 0,7·δS (a)

0,7·δS (a) 0,7·δS (b)

δS (c) δS (c)

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(a) Se recomienda una revancha de 0,7·δS cuando no predomina el aspecto económico en el diseño. (b) Se recomienda una revancha de 0,7·δS a menos que se cumpla alguna de las siguientes situaciones: - Elementos secundarios contengan posibles derrames. - El techo y el manto sean diseñados para contener la acción de la masa convectiva. (c) Se recomienda una revancha de δS a menos que se cumpla alguna de las siguientes situaciones: - Elementos secundarios contengan posibles derrames. - El techo y el manto sean diseñados para contener la acción de la masa convectiva. Siendo: K : Coeficiente de ajuste para la aceleración espectral para 0,5 a 5% de amortiguamiento, valor igual a 1,5. SDI : Parámetro de respuesta para la aceleración espectral, para períodos largos (sobre 1 segundo). SDS : Parámetro de respuesta para la aceleración espectral, para períodos cortos (cercano a 2 segundos). I : Coeficiente de importancia, definido en párrafo 1,3 de este Criterio de Diseño. Tc : Período natural de vibración para el modo convectivo, en segundos. TL : Valor representativo de la zona para períodos largos, en segundos. Grupos de Uso Sísmico SUG III

SUG II SUG I

Estanques que deben seguir abasteciendo las instalaciones industriales luego de un sismo y esenciales para asegurar la salud de las personas, o que contienen cantidades importantes de substancias peligrosas y no cuentan con sistemas de control para evitar la exposición de estos líquidos a las personas. Estanques que almacenan substancias peligrosas para las personas con riesgo de derrames o que abastecen a instalaciones industriales importantes. Estanques de menor importancia que no clasifican en SUG III o II.

4.11 Requerimientos para Plataformas Se indican las consideraciones mínimas que se deben tener en cuenta para las plataformas de mantención de los estanques. 4.11.1 Todas sus componentes deben ser metálicas. 4.11.2 El ancho mínimo a nivel de piso debe ser de 610mm. 4.11.3 El piso debe ser de grating o algún material antideslizante. 4.11.4 La altura a la parte superior de los pasamanos desde el piso debe ser de 1070mm. Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

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4.11.5 La altura mínima del rodapié debe ser de 75mm. 4.11.6 La distancia máxima entre los elementos verticales de las barandas debe ser de 2400mm. 4.11.7 La estructura completa debe ser capaz de soportar una carga concentrada de 500kg al centro de la luz de las vigas principales, los pasamanos deben ser capaces de soportar una carga concentrada de 100kg aplicada en cualquier dirección y punto de su parte superior. 4.11.8 Los pasamanos se deben disponer en ambos lados de la plataforma, pero se pueden suspender en los sectores de acceso. 4.11.9 Las plataformas que conecten estanques adyacentes, un estanque con el suelo u otras estructuras anexas, deben disponer de apoyos deslizantes que permitan el movimiento de estas de acuerdo a las consideraciones del párrafo 4.9 de este Criterio de Diseño. 4.12 Requerimientos para Escaleras Se indican las consideraciones mínimas que se deben tener en cuenta para las escaleras de mantención de los estanques. 4.12.1 Todas sus componentes deben ser metálicas. 4.12.2 El ancho mínimo de los peldaños debe ser de 610mm. 4.12.3 El ancho mínimo de las huellas debe ser de 200mm. 4.12.4 El piso u huellas que conformas las escaleras deben ser de grating o algún material antideslizante. 4.12.5 La distancia máxima entre los elementos verticales de la baranda medida en dirección de su pendiente, debe ser de 2400mm. 4.12.6 La estructura completa debe ser capaz de soportar una carga concentrada de 500kg al centro de la luz de las vigas principales, los pasamanos deben ser capaces de soportar una carga concentrada de 100kg aplicada en cualquier dirección y punto de su parte superior. 4.12.7 Para escaleras rectas se debe disponer de pasamanos en ambos costados, del mismo modo para escaleras circulares cuando la distancia libre entre mantos de estanques exceda de 200mm. 4.12.8 Las escaleras circulares deben estar completamente apoyadas en el manto del estanque y en el suelo de fundación.

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4.13 Recomendaciones Generales Se deben tener presente las siguientes consideraciones destinadas al uso óptimo de los estanques durante su vida útil: • • • • • • • •

Determinar un revestimiento adecuado y aplicarlo con cierta frecuencia. Realizar inspecciones rigurosas con las técnicas disponibles. Efectuar una limpieza total y periódica a los estanques. Fijar un programa de mantenimiento para evitar fallas en el estanque antes del tiempo estimado. Evitar pérdidas o fugas, considerando la importancia, costos y alto riesgo de algunos productos almacenados, tales como: agua potable, petróleo, ácidos, etc. Durante los períodos de fabricación y montaje de los estanques se requiere una inspección minuciosa, ya que por lo general contienen químicos en su interior. Los sistemas de cañerías y sus conexiones deben ser diseñados con una amplia capacidad de deformación, con el fin de evitar daños debido a los posibles levantamientos del fondo o desplazamientos del estanque. Las planchas del manto se deben disponer de tal forma que las uniones verticales (soldaduras) no queden alineadas.

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ESTANQUES ELEVADOS – ATMOSFÉRICOS

5.1

Análisis

5.1.1

En este capítulo se entregarán recomendaciones para el análisis y diseño de Estanques Elevados que están apoyados en pedestales y/o torres de hormigón armado y/o acero, además de aspectos constructivos.

5.1.2

En complemento con este Criterio de Diseño, evitando mezclar disposiciones de normas diferentes, se deben aplicar las especificaciones de las siguientes normas de diseño:

• • • • • •

NZS Seismic Design of Storage Tanks – 1986 (41). ACI 371R-98 Guide for the Analysis, Design and Construction of Concrete Pedestal Water Towers (20). ACI 350.3 Seismic Design of Liquid Containing Concrete Structures and Commentary (19). ACI 224R-01 Control of Cracking in Concrete Structures (13). ACI 224.1R-93 Causes, Evaluation and Repair of Cracks in Concrete Structures (14). ACI 224.2R-92 Cracking of Concrete Members in Direct Tension (15).

5.1.3

Los métodos de análisis y diseño que especifica el párrafo 1.4 de este documento, así como los parámetros de diseño que se deben aplicar, se complementaran con el Criterio de Diseño Corporativo Estructural Sísmico DCC2008-VCP.GI-CRTES02-0000-002-0.

5.1.4

Los análisis tridimensionales se desarrollarán a través de programas computacionales, considerando grados de libertad, masas participantes y otros aspectos del análisis.

5.1.5

Se podrá optar entre un análisis estático o dinámico siempre que la distribución de masas en planta y elevación, no tenga una variación mayor a ±20% de la distribución uniforme.

5.1.6

En las etapas de Ingeniería Conceptual y Básica se podrá optar por un análisis estático, debido a que estas estructuras son susceptibles de ser reducidas a un sistema de un grado de libertad.

5.1.7

El modelo de análisis debe considerar tanto la respuesta impulsiva y convectiva horizontales como la respuesta vertical del estanque con el líquido almacenado, además de la masa y flexibilidad del sistema de apoyo de la estructura, pedestal o torre. Se permite despreciar la flexibilidad del manto del estanque en el análisis. La Figura 5.1 indica las masas sísmicas correspondientes al líquido almacenado.

5.1.8

En el cálculo de la respuesta en términos de aceleración para el modo impulsivo, se deben aplicar los valores de ductilidad y razón de amortiguamiento equivalentes indicados en los párrafos posteriores.

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5.1.9

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Para el cálculo de la respuesta de aceleración para el modo convectivo, se debe aplicar un espectro elástico asociado a períodos largos.

masa convectiva k1 /2 k1 /2 m1 m0 masa impulsiva

Figura 5.1 Masas Hidrodinámicas 5.1.10 La determinación de masas y alturas sísmicas se determinaran según lo indicado en los párrafos 3.1 y 4.1 de este Criterio de Diseño, de acuerdo a las características del estanque. En el modelo de la Figura 5.1 la masa m1 corresponde a la componente convectiva del líquido y la componente impulsiva es la masa m0 del líquido mas la masa de la estructura de soporte del estanque. La posición de la masa impulsiva del líquido se ubica en el centro de gravedad de la componente total considerando la estructura de apoyo del estanque. 5.1.11 La estabilidad del sistema estructura de apoyo y estanque se debe verificar para las siguientes condiciones a lo menos: • •

Estanque vacío mas carga máxima de viento. Estanque lleno mas carga máxima de sismo.

5.1.12 La rigidez lateral de la masa convectiva conectada como un resorte al manto del estanque, se calcula a través de la siguiente fórmula: k 1 = 4π 2 ⋅ T12 ⋅ m1

Siendo: T1 : Período de vibración del primer modo convectivo. m1 : Masa de la componente convectivo del líquido almacenado.

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5.1.13 En las etapas de IC e IB se permite aplicar un modelo simplificado que incluya 2 masas desacopladas, con la aplicación de las fuerzas sísmicas considerando 2 sistemas de 1 grado de libertad por separado como se indica: • •

Un sistema que represente la masa convectiva del líquido conectada al manto del estanque a través de resortes (párrafo 5.1.11). Un sistema que represente la componente impulsiva del líquido más la masa de la estructura, con el comportamiento de un péndulo invertido con rigidez igual a la del sistema de apoyo (pedestal o torre). Este método es aplicable solo si se cumple que los períodos de estos 2 sistemas difieren en un factor de proporción mayor a 2,5.

5.1.14 Se recomienda que las columnas exteriores del sistema de apoyo (en el caso de considerarse una torre) sean inclinadas hacia el interior, con el fin de aumentar la estabilidad de la estructura de apoyo. 5.1.15 En la etapa de ID se deberá realizar un análisis dinámico del sistema estructural estanque-apoyo. 5.1.16 Si la estructura de apoyo del estanque se define para tener una cantidad importante de ductilidad, esta se deberá diseñar para responder una vez sobrepasado el nivel de fluencia sometida a cargas sísmicas. En tal caso, la aceleración de respuesta de la masa impulsiva se debe reducir considerando la absorción de energía ante la fluencia del sistema. A continuación se propone un método para considerar el efecto de la ductilidad para un sistema elástico equivalente: Te = 1 + 0,12 ⋅ (µ − 1)0,94 T

ξ e = ξ + 5,9 ⋅ (µ − 1)0,37

Siendo: Te T µ ξe ξ

: : : : :

Período de vibración para el sistema lineal equivalente. Período de vibración basado en la rigidez en estado de fluencia. Factor de ductilidad al desplazamiento. Amortiguamiento viscoso para el sistema lineal equivalente, porcentaje del crítico. Amortiguamiento viscoso estimado para la respuesta por sobre el estado de fluencia, porcentaje del crítico.

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5.1.17 Cuando se desarrolle un análisis dinámico se deberá aplicar el espectro de aceleraciones de la Norma Chilena NCh2369, propuesto en el párrafo 5.4.2 de esta Norma de acuerdo a lo siguiente: n

Sa =

2,75 ⋅ A o ⋅ I ⎛ T` ⎞ ⎛ 0,05 ⎞ ⎟⎟ ⋅ ⎜ * ⎟ ⋅ ⎜⎜ R ⎝T ⎠ ⎝ ξ ⎠

0,4

En que Sa no debe ser mayor que ICmáx x g, en que Cmáx se obtiene de la Tabla 5.7 de NCh2369. En el caso de caso que se aplique el Estudio de Riesgo Sísmico especificado en el párrafo 1.5 de este documento, se utilizará el espectro que entregue valores de aceleraciones mayores para los períodos con mayor masa trasnacional. El análisis modal espectral debe considerar una cantidad de modos de vibrar suficientes que para la suma de las masas equivalentes, en cada dirección del análisis, sea igual o superior al 90% de la masa total. 5.1.18 Factor de modificación de la respuesta estructural para estructuras de péndulo invertido, considerando estructuras de apoyo de acero u hormigón armado será: R = 3 Con mas del 50% de la masa sobre el nivel superior y un solo elemento resistente. 5.1.19 Coeficiente sísmico del Modo Impulsivo, se debe obtener de la Tabla 5.7 de la Norma Chilena NCh2369.Of2003 con los siguientes parámetros de diseño: •

Razón de amortiguamiento:

ξi = 0,02

Coeficiente Sísmico Impulsivo:

Ci = 0,40

5.1.20 Coeficiente sísmico del modo convectivo: se debe calcular de acuerdo a la ecuación 5-2 especificada en la Norma Chilena NCh2369.Of2003, con los siguientes parámetros de diseño: •

Razón de amortiguamiento:

ξc = 0,005

Coeficiente Sísmico Convectivo:

2, 75 ⋅ A o Cc = g⋅R

⎛ T` ⎞ ⋅⎜ * ⎟ ⎝T ⎠

n

⎛ 0, 05 ⎞ ⋅⎜ ⎟ ⎝ ξ ⎠

0,4

En ningún caso este valor será menor que 0,10Ao/g. 5.1.21 El coeficiente sísmico vertical deberá ser igual a 2/3 del coeficiente sísmico del modo impulsivo.

2 C v = ⋅ Ci 3 Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

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5.1.22 En las etapas de Ingeniería Conceptual y Básica se permitirá determinar el período fundamental de la estructura de apoyo, cuando la carga correspondiente al líquido almacenado en un 80% o más de la carga total por peso propio de acuerdo a lo siguiente: T = 2π

kc =

WL g ⋅ kc

3 ⋅ Ec ⋅ Ic L cg 3

La rigidez lateral kc de la estructura de soporte se calcula considerando una viga en voladizo con una carga concentrada actuando en el extremo. Siendo: T : Período fundamenta de vibración de la estructura, en segundos. WL : Masa de la parte de la estructura que esta apoyada sobre la torre o columna, que consiste en: - Peso propio del estanque más la losa de fondo. - Dos tercios del peso propio de la estructura de soporte. - Masa del líquido almacenado. g : Aceleración de gravedad. kc : Rigidez lateral a la flexión del sistema de apoyo de la estructura. 5.1.23 En la etapa de ID el cálculo del período fundamental de vibración del sistema de apoyo, se debe calcular considerando las propiedades de la estructura además de las características deformacionales de los elementos resistentes, a través de un análisis justificado. Sin embargo, se podrá aplicar la fórmula de Rayleigh que se indica:

∑ (w ⋅ δ ) g ⋅ ∑ (F ⋅ δ ) 2

T = 2π

i

i

i

i

Siendo: wi : Parte de la masa total cuyo centro de gravedad se encuentra en el nivel i a una distancia Li sobre la base. δi : Deformación elástica estática de la estructura en el nivel i debido a la fuerza Fi. Fi : Parte del esfuerzo de corte sísmico total que actúa en el nivel i. 5.1.24 La esbeltez de la estructura de soporte del estanque debe asegurar una deformación lateral máxima de 0,02R, siendo R el radio de la estructura de soporte. 5.1.25 La determinación de las dimensiones de la estructura de apoyo del estanque, se debe efectuar considerando el efecto P-Delta en el análisis. Este Documento es propiedad de CODELCO CHILE. Se prohíbe su reproducción, y exhibición, sin el consentimiento de CODELCO CHILE. El documento, una vez impreso, se considera una copia NO CONTROLADA y puede estar obsoleta. Consulte la revisión vigente del documento SGP-GI-ES-CDI-003 en el Escritorio de la VCP

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5.1.26 Se debe asegurar la distribución de las fuerzas de corte y momentos flectores desde la estructura de apoyo a la fundación, en relación a las rigideces de cada componente de dicha estructura. 5.1.27 Se debe considerar en el análisis la excentricidad de las cargas por peso propio más las del líquido almacenado, las que generan momentos volcantes adicionales en la estructura. El valor de la excentricidad se deberá considerar a lo menos el siguiente valor: eg = e0 +

Lg 400

Siendo: eg : Excentricidad de las cargas verticales, en mm. e0 : Excentricidad mínima de las cargas verticales, en mm. Lg : Distancia desde el fondo de la fundación hasta el centro de gravedad del líquido almacenado, en mm. 5.1.28 Cuando se considere que la estructura tiene cierta inclinación debido a asentamientos diferenciales del suelo y estos no excedan de 1/800, la excentricidad se deberá considerar a lo menos: ⎛ 1 ⎞ + tan θ g ⎟ eg = e0 + Lg ⎜ ⎝ 800 ⎠

Siendo: θg : Inclinación de la fundación, en grados. 5.1.29 En estanques de hormigón armado se deberá controlar el ancho de la grieta de acuerdo a las recomendaciones del párrafo 3.5 de este Criterio de Diseño. 5.1.30 La rigidez de la losa de fondo del estanque debe ser de características tales, que se eviten las rotaciones bajo cargas muertas y provenientes del líquido almacenado, las que pueden causar deformaciones importantes en la estructura de soporte y el estanque. 5.1.31 En el diseño de las fundaciones se deben aplicar los criterios indicados en el Apéndice 5 de este Criterio de Diseño.

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5.2

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Combinaciones de Cargas Método ASD. Combinación 1: Combinación 2: Combinación 3: Combinación 4: Combinación 5: Combinación 6:

D+F D+F+G+S+L 0,75 [D + F + G + L + W] 0,75 [D + F + G + L + Eh] + Ev 0,75 [D + W] 0,75 [D + F + Eh] + Ev

(normal) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual)

1,4D + 1,6F 1,4(D + G) + 1,6F + 1,7(S + L) 1,1(D + G) + 1,2F + 1,3(L + W) γE [1,2(D + F) + 0,5(G + L) + Eh] + Ev 0,9D + 1,3W γE [0,9(D + F) + Eh] + Ev

(normal) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual) (eventual)

Método LRFD. Combinación 1: Combinación 2: Combinación 3: Combinación 4: Combinación 5: Combinación 6: Siendo: D : Peso propio de la estructura y estanque. F : Peso propio del líquido almacenado. G : Cargas excéntricas provenientes del peso propio de la estructura y estanque mas el líquido almacenado. S : Mayor carga de nieve o carga viva mínima de techo. L : Carga viva interior en la losa de fondo. W : Carga de viento. γE : Factor de carga para fuerzas sísmicas, obtener de código ASCE 7-05 (29). Eh : Fuerza sísmica horizontal. Ev : Fuerza sísmica vertical. Las cargas producidas por efecto del viento, nieve y vivas se deben determinar de acuerdo a lo especificado en párrafos anteriores de este Criterio de Diseño. 5.3

Diseño

5.3.1

• •

Para el diseño de los estanques y de las estructuras que los soportan, se deberán aplicar los códigos de diseño que se indican a continuación según el tipo de material que las componen: ACI 318 AISC 2005

Building code Requirements for Structural Concrete (17). Specification for Structural Steel Building. ASD and LRFD (21).

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5.3.2

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Los esfuerzos resultantes se obtienen combinando las respuestas máximas en cada dirección, respecto al modos impulsivo, convectivo y vertical aplicando el Método de la Raíz Cuadrada de la Suma de los Cuadrados (SRSS). Qs = Qi 2 + Qc 2 Ms = Mi2 + Mc2 ps = pi 2 + pc 2 + p v 2

5.3.3

Cada base de las columnas que componen el sistema de apoyo, debe tener dimensiones tales que asegure la distribución de cargas a la fundación de manera que no se excedan las tensiones admisibles del suelo. Por otra parte, las conexiones de las columnas con las placas base deben diseñarse para prevenir el levantamiento de la estructura.

5.3.4

Cuando las estructuras de apoyo para los estanques sean de acero, las conexiones se deben diseñar más resistentes que los arriostramientos. Lo anterior debe asegurar que fallen primero los arriostramientos produciéndose la fluencia y mayor absorción de energía, reduciendo la carga global sobre la estructura.

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APENDICE 1 ZONIFICACION SIMICA POR DIVISIONES CODELCO División Codelco Norte División Salvador División Ventanas División Andina División El Teniente

: : : : :

Zona 2 Zona 2 Zona 3 Zona 2 Zona 2

De acuerdo a las disposiciones de la Norma Chilena NCh2369 (10), se deben aplicar los valores de la aceleración efectiva máxima del suelo que se indican: Zona 1 : Zona 2 : Zona 3 :

Ao = 0,20g Ao = 0,30g Ao = 0,40g

APENDICE 2 CONDICIONES AMBIENTALES Y SISMICAS (Valores Referenciales)

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APENDICE 3 TIPOS DE JUNTAS PARA ESTANQUES DE HORMIGON ARMADO

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APENDICE 4 ESQUEMAS DE FUNDACIONES PARA ESTANQUES DE ACERO A.4.1 Tipos de Fundaciones para Estanques de Acero

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APENDICE 5 METODOLOGIAS PARA ANALISIS DE FUNDACIONES A.5.1 Flexibilidad de las Fundaciones En la Ingeniería Conceptual y Básica se podrán aplicar las siguientes recomendaciones: En el diseño de las fundaciones se debe diferenciar entre grandes estanques (flexibles) y menores (rígidas), para lo cual se debe realizar la verificación y posterior análisis considerando la relación de rigidez entre la fundación y el suelo en medio elástico, de acuerdo a las siguientes recomendaciones: Previo al diseño de la fundación se debe evaluar si considerará como un elemento rígido o como una viga apoyada en un medio elástico o flexible, de acuerdo a los siguientes criterios: Elementos rígidos: Elementos flexibles:

π 4 λL > π

λL