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• WILBER CUTIMBO CHOQUE

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ANALISIS, EVALUACION Y REFORZAMIENTO DE TANQUE ELEVADO LOS GRANADOS Presentado por: Ing. Segundo Lajo Vega 1. RESUMEN El presente trabajo tiene por objetivo estudiar el comportamiento estructural de un Tanque Elevado (Ver Figura 01 y 02), a fin de determinar las causas que originaron fallas locales en la superestructura y una excesiva filtración en la cuba del mismo. La capacidad física del tanque era de 290m3, pero la excesiva filtración hizo que se redujera su capacidad de almacenamiento de agua a 170m3; sin embargo la filtración persistía y ante la existencia de fisuración en algunos elementos estructurales debido al sismo del 23 de junio de 2001, la entidad encargada de su administración en el 2004 se vio en la imperiosa necesidad de realizar una evaluación estructural de la infraestructura y plantear las mejoras si fuera el caso. Realizados lo estudios respectivos, tanto en resistencia, rigidez e impermeabilidad de la cuba, se determinaron las deficiencias y las causas que las originaron; siendo necesario su reforzamiento estructural para lo cual se plantearon diversas alternativas a fin de determinar la que presentará un adecuado comportamiento estructural (rigidez y resistencia adecuada), asociado a un costo razonable que hiciera factible su ejecución. Para el análisis estructural tridimensional del tanque elevado, fue de vital importancia la elaboración de adecuados modelos matemáticos que reflejaran tanto el comportamiento dinámico de la estructura, como el comportamiento dinámico del agua y la interacción fluido-estructura. La superestructura se modelo como un pórtico espacial reticular que incluye muros de cortante, la cuba por elementos laminares tipo membrana y placa a la ves, la rigidez del agua por resortes equivalentes en función al modelo matemático definido, utilizándose para su análisis de sofisticados softwares.

Figura 01.- Elevación

Figura 02.-Vista isométrica del tanque

2. OBJETIVO El objetivo del presente trabajo es ejemplificar, estudiar y plantear alternativas de solución a la estructura dañada, emplazada en zonas de riesgo sísmico. Presentándose un modelo espacial, partiendo de modelos lineales, para el efecto hidrodinámico del agua sobre la estructura en el cual se considera la rigidez del agua evaluada en el plano.

3. INTRODUCCION Las estructuras de almacenamiento de fluidos como son los tanques elevados, reservorios, cisternas, etc. Presenta características sísmicas distintas debido al efecto hidrodinámico del agua, este efecto 1 Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia www.construccion.org.pe / [email protected] / Telfax: (51-1) 421 - 7896

ha sido estudiado anteriormente considerando modelos lineales, es decir, métodos en el plano dando como resultado estructuras conservadoramente reforzadas. Es por ello que para la evaluación y reforzamiento de la presente estructura se plantea un modelo espacial, partiendo de modelos lineales; para el efecto hidrodinámico del agua sobre la estructura, se considera la rigidez del agua evaluada en el plano según su configuración estructural y la discretización de la masa en la altura que hará que la estructura tenga un adecuado comportamiento en el análisis. Para la evaluación de la estructura ha sido considerada el elemento finito como base para la determinación de los esfuerzos y desplazamientos de las estructuras analizadas. 4. METODOLOGIA Para realizar el análisis, evaluación y reforzamiento del tanque elevado Los Granados; era necesario empezar por una inspección general de sus características geométricas, daños, deformaciones y resistencia de los elementos estructurales; que será de vital importancia tanto en la evaluación estructural, como para el planteamiento de alternativas de reforzamiento que mejoren su comportamiento estructural. 4.1 DE LA INSPECCION Como parte importante para la evaluación estructural se procedió a realizar la inspección, cuya actividad incluyó la visita general de la edificación, levantamiento de daños, dimensiones, deformaciones y resistencia de los elementos estructurales. .- La Superestructura: Sistema aporticado con cerramientos con muros de espesor 0.20m, columnas de 0.50x0.50m, losa macizas de piso 0.35m y de techo 0.20m, provista de vigas de 0.25x0.60m y 0.50x0.60m. La cisterna presenta muros de 0.25m y piso de 0.25m. .- La Sub-estructura: Cimentación conformado por la cisterna (Techo, muros y piso). 4.1.1 OBSERVACIONES DE DAÑOS Del piso de Tanque Elevado: No presenta daños. De los Muros: Presencia de fisuración, filtraciones, alambres #8 que atraviesan el muro.

Figura 03.- Fisuración de muros de tanque

Figura 04.- Fisuración de muros interiores

Del Techo del Tanque elevado: Presencia de Fisuración superficial. De las vigas: No presenta daños. De las columnas: Presencia de fisuración en unión columna-Techo de cisterna y fisuración en unión columna-Piso de Tanque Elevado (Ver Figura 05 y 06).

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Figura 05.- Fisuración en columnas

Figura 06.- Fisuración en muros cortina.

4.1.2 DETERMINACION DE RESISTENCIA DEL CONCRETO La Determinación de la Resistencia del Concreto, se realizó mediante prueba de esclereometría a cargo del Laboratorio de Mecánica de Rocas-Concreto de la Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann (Ver Figura 07 y 08), obteniéndose: Columnas de Tanque Elevado Concreto F’c=294kg/cm2. Vigas de Amarre Tanque Elevado Concreto F’c=312kg/cm2. Muros Tanque Elevado Concreto F’c=192kg/cm2. Muros y Techo Cisterna Concreto F’c=280kg/cm2.

Figura 07.-Prueba de resistencia en columnas

Figura 08.- Prueba de resistencia en muros

4.1.3 DEFORMACION REAL DE TANQUE ELEVADO BAJO CARGAS ESTATICAS Se determinó en campo la deformación a tanque lleno (170m3). (Ver Figura 13). 4.2 DE LA EVALUACION Con los datos obtenidos de la inspección y la revisión de los planos; se procedió a determinar la magnitud de las cargas a que estaría sometida la estructura y a la elaboración del modelo estructural que asemeje al comportamiento real de la estructura. 4.2.1.- CARGAS Las cargas empleadas para la evaluación estructural son: debido al peso propio, carga viva, presión del agua y la carga por efectos sísmicos. Carga muerta: Peso específico del concreto armado = 2400 Kg./m³ Carga viva Losa de techo = 150 kg/m² Carga sísmica: (Ver referencia 6.7) Difundido por: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia

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Espectro de respuesta de aceleración según Norma E-030= ZUSCg/R. Donde: Z= 0.4, U=1.5, S=1.2, Rx=Ry=4.0*3/4(Por ser Irregular), Tp= 0.6 seg., g= 9.81 m/seg² 4.2.2.- DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL 4.2.2.1 DEL METODO DE ANÁLISIS ESTRUCTURAL El análisis empleado en este trabajo esta basado en el método de rigideces por procedimientos matriciales, en el cual los muros y losas han sido modelados por elementos laminares, y las vigas y columnas por elementos reticulares. El análisis sísmico dinámico esta basado en el método Espectral, considerando un análisis de masas concentradas, con 3 grados de libertad de oscilación por nudo. Por la forma especial de su configuración estructural y carga hidrodinámica a que estará sometida la estructura, ha sido imprescindible la elaboración de un modelos matemático que refleje tanto el comportamiento dinámico de la estructura, como el comportamiento dinámico del agua y la interacción agua-estructura del tanque elevado. Teniéndose para ello 2 modelos, cuya suma de efectos da como resultado los esfuerzos totales en la estructura. -Análisis Sísmico Dinámico de la estructura: El cual contempla el análisis sísmico de la estructura debido a la masa de la estructura y masa fija estática del agua y al análisis hidrodinámico(interacción agua-estructura), el cual esta en función a la masa móvil del agua (Ver Figura 10). El modelo matemático realizado esta basado en el sistema mecánico equivalente de Graham y Rodríguez que se presenta a continuación (Ver Refer. 6.1): Mn = Tanh(2µnH/L) Mf

µ3n H/L ∞

Σ Mn Mo = 1 - n=1 Mf Mf Zn = 1/2 -

Tanh(µnH/L)

H

µn H/L ∞

Zo H

Figura 09.-Modelo Hidrodinámico Mecánico Equivalente de Graham y Rodríguez Para H/L>0.75 Donde: Mf=Masa Fija + Masa Móvil, Mo=Masa Fija, Mn=Masas Móviles, D=Diametro o Largo, H=Altura, K=Rigidez del agua, Tn=Periodo del agua.

= - Mf Σ n=1 Mo

Mn Mf

Zn H

H Kn = 2 Tanh2(2µnH/L) Mf g Tn = 2 π

µ2n Mn Kn

µn = (2 n-1) π/2

-Análisis para cargas estáticas: Modelo con cargas debido peso propio, carga viva y presión estática del agua. El uso de 2 modelos para el análisis del tanque elevado, es debido al modelo dinámico en el cual la rigidez del agua es modelada por resortes estáticos; lo cuales para el análisis por cargas estáticas (presiones y cargas de gravedad) absorberían esfuerzos, situación que no se ajustaría al comportamiento real de la estructura; por ello la necesidad de apoyarse en un modelo sin resortes para realizar el análisis de los efectos por cargas estáticas.

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MODELO CARGAS ESTATICAS

MODELO DINAMICO MODELO DE LA LOSA Y MUROS POR ELEMENTOS LAMINARES

Masa Móvil

Masa Fija

Y-Y

X-X

MODELO DE COLUMNAS Y VIGAS POR ELEMENTOS RETICULARES

Y-Y

X-X

Figura 10.-Modelo actual del tanque para cargas estáticas y dinámicas 4.2.2.2 VERIFICACION DE RESISTENCIA Y RIGIDEZ La verificación de resistencia de los elementos estructurales estuvo en función a la resistencia del concreto obtenida de pruebas de esclereometría y las ecuaciones proporcionadas por la NTE-060-89 de Concreto Armado, empleándose en algunos casos el ACI-318-95. La Carga sísmica y los rangos de permisibles de desplazamientos laterales, han sido obtenidos de la Norma E.030. 4.3 DEL REFORZAMIENTO Estudiadas las deficiencias que presentaba el tanque elevado, se elaboraron diversos planteamientos estructurales a fin de determinar la que presentará la mayor seguridad asociada a un mínimo costo. Las cargas son similares a las utilizadas en el modelo de evaluación; a excepción de la variación de peso y masa de los nuevos elementos estructurales, y carga hidrodinámica que va deacuerdo a la capacidad máxima posible del tanque elevado, la cual estará en función de la rigidez lateral y la capacidad resistente de la cimentación actual. El modelo estructural del reforzamiento es similar al modelo de evaluación, con excepción de la variación de la carga hidrodinámica y presión estática del fluído, la cual varía deacuerdo al volumen de almacenamiento del tanque. (Ver Figura 11) Todos los elementos estructurales de reforzamiento se han diseñado en base a todas las combinaciones de esfuerzos y para verificar la resistencia de los elementos estructurales se han empleado las ecuaciones proporcionadas por la NTE-060-89 de Concreto Armado y en algunos casos se ha empleado el código de edificación ACI-318-95. MODELO CARGAS ESTATICAS

MODELO DINAMICO MODELO DE LA LOSA Y MUROS POR ELEMENTOS LAMINARES

Masa Móvil

Masa Fija

Y-Y

X-X

MODELO DE COLUMNAS Y VIGAS POR ELEMENTOS RETICULARES

Y-Y

X-X

Figura 11.- Modelo del reforzamiento para cargas estáticas y dinámicas

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5. RESULTADOS 5.1. –RIGIDEZ TANQUE ELEVADO. 5.1.1.-Periodos de la estructural:(Ver Figura 12) Modos 1er Modo 2do Modo 3er Modo 4to Modo 5to Modo 6to Modo 7mo Modo

ACTUAL Tanque V=170m3 Ty= 2.6654 seg Tx= 2.6654 seg Tx= 1.5350 seg Ty= 1.5350 seg Ty= 0.4880 seg Tx= 0.4880 seg To= 0.3839 seg

REFORZAM. Tanque V=220m3 Ty= 2.7403 seg Tx= 2.7403 seg Tx= 1.5949 seg Ty= 1.5949 seg Ty= 0.3993 seg Tx= 0.3993 seg To= 0.3575 seg

Periodo del agua Periodo del agua Periodo del agua Periodo del agua Periodo de la estructura Periodo de la estructura Periodo de la estructura

Tanque V=170m3 corresponde al volumen a que se ha limitado actualmente.

ESTRUCTURA REFORZADA 3 VOL. 220M

ESTRUCTURA ACTUAL 3 VOL. 170M

1ER MODO PERIODO DEL AGUA EN LA DIRECCION Y-Y Ty = 2.6654seg.

Y-Y

Y-Y X-X

X-X

1ER MODO PERIODO DEL AGUA EN LA DIRECCION Y-Y Ty = 2.7403seg.

Figura 12.-Períodos fundamentales de estructura actual y reforzada 5.1.2.-Máximos desplazamientos Inelásticos debido a Fuerzas Sísmicas. (Ver Tabla 01) TABLA 01 NIVELES

h(m)

DESPLAZAMIENTOS DE LA ESTRUCTURA ACTUAL V=170M3 REFORZADA V=220M3 dx(m) dy(m) Drx Dry dx(m) dy(m) Drx Dry

Sup. Tanque 7.05 0.1769 0.1769 Inf. Tanque 4.25 0.1606 0.1606 npt+13.05 4.25 0.1358 0.1358 npt+8.80 4.25 0.1100 0.1100 npt+4.55 4.25 0.0657 0.0657 Base npt+0.3 4.25 0.0000 0.0000 x , y= Desplazamientos Elasticos dx, dy = Desplazamientos Inelasticos Drx, Dry= Desplazamiento Relativo Entrepiso

0.0023 0.0023 0.0058 0.0058 0.0061 0.0061 0.0104 0.0104 0.0155 0.0155 0.0000 0.0000 No Pasa No Pasa Norma Drx