0.-Mc Diseño Estructura Ptar

DISEÑO ESTRUCTURAL PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES (P. T. A. R)

1. GENERALIDADES El diseño estructural de los diferentes componentes de la planta de tratamiento de Aguas Residuales, los cual comprenden comprenden criterios criterios de de funcionalidad, funcionalidad, durabilidad, resistencia y estabilidad frente a variables que condicionan su diseño como: carga y descarga hidráulica, montaje y mantenimiento, cargas de eventos extraordinarios como: viento, sismo y empuje de terreno. En líneas generales se ha considerado en su diseño las especificaciones de la norma ACI 318-08, ACI 350, E.030. La planta de tratamiento de aguas residuales, será construida el centro poblado de Masquin, con la finalidad de tratar las aguas servidas en todo el circuito ( Zona este) de redes de alcantarillado del proyecto( Esta es una componente del proyecto: “ MEJORAMIENTO Y AMPLIACION DEL SERVICIO D AGUA POTABLE E INSTALACION DEL SERVICIO DE ALCANTARILLADO EN EL CENTR POBLADO DE MASQUIN, DISTRITO DE CAYNA – AMBO – HUANUCO”

2. OBJETIVO El objetivo del presente estudio es sustentar el diseño estructural de los componentes de la planta de tratamiento de aguas residuales para el proyecto: “ MEJORAMIENTO Y AMPLIACION DEL SERVICIO D AGUA POTABLE E INSTALACION DEL SERVICIO DE ALCANTARILLADO EN EL CENTR POBLADO DE MASQUIN, DISTRITO DE CAYNA – AMBO – HUANUCO”

Los componentes a diseñar son los siguientes: -

Camara de Rejas

- Desarenador -

Tanque Séptico

-

Lecho de secado

3. MARCO TEÓRICO Para el presente estudio se ha tenido como antecedentes los siguientes documentos: -

CÓDIGO ACI 350 – DISEÑO SISMO RESISTENTE DE TANQUES

-

CÓDIGO ACI 318 – 08 DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO ARMADO

-

CIRCULAR CONCRETE TANKS – WITHOUT PRESTRESSING

MUNICIPALIDAD

PROYECTO: “ MEJORAMIENTO Y AMPLIACION DEL SERVICIO

REVISIÓN

DE AGUA POTABLE E INSTALACION DEL SERVICIO DE ALCANTARILLADO EN EL CENTRO POBLADO DE MASQUIN, DISTRITO DE CAYNA – AMBO - HUANUCO ”

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PROVINCIAL DE CAYNA

LIC. MARCO ANTONIO FERNANDEZ

DISEÑO ESTRUCTURAL – PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

-

RNE E.020 – NORMA DE CARGAS

-

RNE E.030 – NORMA DE DISEÑO SISMO RESISTENTE EN EDIFICACIONES

-

RNE E.050 – NORMA DE MECÁNICA DE SUELOS Y CIMENTACIONES

3.1. CARACTERÍSTICA DE LOS MATERIALES Concreto: Resistencia característica a la compresión:

210 y 280 kg/cm 2

Peso específico:

2400 kg/m 3

Módulo de elasticidad

217370.6 Kg/cm 2

Acero de refuerzo: Límite de fluencia del acero:

4200 kg/cm2

Peso específico:

7850 kg/m3

Módulo de elasticidad

2 000 000 kg/cm 2

Diferenciando:

4.

-

Concreto armado para cimentación 210 kg/cm 2

-

Concreto armado para muro 280 kg/cm2

ANÁLISIS ESTRUCTURAL 4.1.

ESTRUCTURACIÓN

Las estructuras está conformada íntegramente por concreto armado, básicamente por elementos tipo losa para cimentaciones y techo de algunas estructuras, y muros todos de concreto armado. Entonces las partes de mayor siguientes figuras:

importancia de la estructura tal como muestran las

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MUNICIPALIDAD PROVINCIAL DE CAYNA


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Figura N° 1:

Plano de planta y corte Cámara de Rejas

Fuente:

Equipo de trabajo

Figura N° 4:

Planta y Corte de Lecho de secado

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PLANTA COBERTURA LECHO DE SECADO Esc:1/25

Madera Rollizo ø 6"

CORTE A-A COBERTURA LECHO DE SECADO Esc:1/25

Madera Rollizo ø 3"@0.85m

Calamina Galvanizada

5%


Madera Rollizo ø 6"

2.15 1.95

A


0.60

Concreto f`c=100 kg/cm2

0.60

0.40

0.40

Concreto f`c=100 kg/cm2

Fuente:

Equipo de trabajo

Figura N° 5:

Planta y Corte del Pozo Percolador

Fuente:

Equipo de trabajo

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REVISIÓN


1



4.2.

CARGAS

4.2.1. CARGAS ESTÁTICAS 4.2.1.1.

Cargas Muertas

La carga muerta está dada por el peso propio de la estructura, de acuerdo a la característica de los materiales.

4.2.1.2.

Cargas de Presión del líquido

El valor de la presión del fluido varía de acuerdo a la profundidad, y según la densidad del líquido almacenado en este caso consideraremos una densidad constante (liquido isotrópico) considerando una presión promedio, ya que la isotropía solo es ideal.

4.2.1.3.

Condiciones de Cimentación

Se ha tomado valores del módulo de balasto para modelar el terreno como si fuese un resorte, que solamente actúa a cargas de compresión, según el comportamiento del terreno (de acuerdo al modelo Terzagui y al módulo de Winkle). Módulo de Balasto: 15kg/cm3

4.2.2. CARGAS DE SISMO 4.2.2.1.

PARÁMETRO SÍSMICO

4.2.2.1.1. Factor de Zona La PTAP se encuentra ubicado en el centro poblado de Masquin , Provincia de Ambo y Departamento Huanuco , la cual según la Norma E.030 pertenece a la

zona 2, por lo tanto le corresponde un factor de zona Z=0.3.

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4.2.2.1.2. Factor de Uso El inmueble compuesto por estructuras conformados por contenedores de fluido, en formas de tanque por lo cual le corresponde, según la norma E.030, la categoría A por lo tanto se le asigna U=1.5.

4.2.2.1.3. Factor de Suelo 5



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Se puede incluir al suelo dentro de las características tipo S2, por lo que le corresponde un valor de S=1.4 y el periodo del terreno es de Tp=0.6 s.

4.2.2.1.4. Factor de Amplificación Sísmica Se calcula de acuerdo a la siguiente formulación: Periodo de la edificación aproximado:

 = 2.5 × ( ) ≤ 2.5

4.2.2.1.5. Factor de Modificación de Respuesta De acuerdo con las condiciones de apoyo establecidos para la estructura proyectada se plantean los siguientes factores de modificación de respuesta.

Rwi=4.25 y Rwc=1, son los factores de modificación de respuesta que se emplearan.

4.2.2.2.

ESPECTRO DE SISMO

Con los parámetros Sísmicos definidos se plantea los siguientes espectros de aceleración sísmica. El espectro de aceleración se calcula bajo la siguiente formulación:

 =  ×  × ×  ×  Dónde:

g = gravedad = 9.81 m/s2 6



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Espectros de sismo calculado y empleado en el modelo estructural dinamico:

Figura N° 7:

Espectro: caso impulsivo 0.400 0.350 0.300

) 2 0.250 s / m0.200 ( a 0.150 S 0.100 0.050 0.000 0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

2.500

3.000

PERIODO (s)

Espectro: caso convectivo 0.400

0.300

) 2 s / m0.200 ( a S 0.100

0.000 0.000

0.500

1.000

1.500

PERIODO (s)

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2.000



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Espectro: caso impulsivo - convectivo 0.400

0.300

) 2 s / m0.200 ( a S 0.100

0.000 0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

PERIODO (s)

Fuente: Equipo de Trabajo – Sap2000 4.3. CASOS DE EVALUACIÓN ESTRUCTURAL

5.5.1. DIRECCIONES IDEALES DE SISMO Se plantea la acción de sismo en las dos direcciones global principal de la estructura X e Y. Los casos de carga de sismo se definen en los ejes principales de acuerdo a los siguientes gráficos, se conoce que la norma E.030 establece la siguiente combinación de respuestas elásticas r:

Alternativamente la E.030 establece que se puede emplear la Combinación

Cuadrática Completa (CQC) de respuestas elásticas, la cual se empleara en este caso:

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Figura N° 8:

Caso de carga dinámica (Espectral):

Fuente:

Equipo de Trabajo – Sap2000

5.5.2. CASO MUERTO Se calculan todas las deformaciones y respuestas debido a la acción de cargas tipo Muerto, tales como Peso Propio, Acabados, etc.

5.5.3. CASO VIVO Se calculan las respuestas físicas de la estructura debido a la acción de las sobrecargas que actúan de forma variada.

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4.4.

COMBINACIONES DE CARGA

Las combinaciones de carga a considerar son:

4.5.

MASA DE LA ESTRUCTURA

4.5.1. MASA DE LA ESTRUCTURA SEGÚN ACI 350.06 De acuerdo con el código ACI 350, el modelo matemático simplificado en el análisis de tanques (en este caso el reservorio elevado) se reduce al cálculo de dos masas: Impulsiva y Convectiva, las cuales tienen una determinada posición, tal como se muestra en la figura:

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Figura N° 9:

Modelo matemático simplificado:

Fuente:

código ACI 350

4.6.

RESULTADOS DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL

Para tener en cuenta los efectos hidrodinámicos se utiliza el Sistema Mecánico Equivalente de Housner (1963), que se muestra en la Fig. N° 9, en ésta figura se puede apreciar la existencia de la masa fija o impulsiva (mi) que se adhiere rígidamente a las paredes inferiores del tanque (PTAR) y que dicha masa al estar totalmente confinada, deberá unirse a las paredes del tanque a través de resortes cuya rigidez es infinita. De la misma forma puede apreciarse la existencia de la masa convectiva o móvil (mc) la cual como es obvio, tiene una posición por encima de la masa impulsiva y que se adhiere a las paredes del tanque a través de resortes cuya rigidez axial, corresponde a la del líquido contenido. Las cuantificaciones de las masas dependen de la geometría de los PTAR (H: altura y D: diámetro o L: lado) y de la masa total del agua contenida.

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El estado más crítico de cualquier componente de planta de tratamiento es cuando está vacío, debido a que se encuentra sometido a la presión del suelo, ya que todas las estructuras se encuentran enterradas. Ya que en el estado lleno, que generalmente predomina en estas estructuras en el estado de servicio de estas estructuras, la presión del fluido se equilibra con las presiones ejercidas por el filtro.

4.7.

DISEÑO ESTRUCTURAL

De acuerdo a la configuración estructural, los estados de carga y a las combinaciones de carga se han procedido a diseñar y verificar los elementos estructurales, según el código de diseño ACI 318 -05 para el caso elementos de Concreto. Parámetros de diseño considerados para caso de elementos de concreto

4.7.1. CÁLCULOS DE REFUERZO 4.7.1.1.

DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO (ACI – 318 - 05)

Teniendo en consideración la conclusión establecido en el análisis estructural, para el estado más crítico y dadas los espesores mínimos que se tomó en cuenta al momento de predimencionar las estructuras, se considera la cantidad de refuerzo de acero mínimo, que según norma que equivale a (0.0012bd) para zonas sísmicas, donde “b” es el ancho unitario y “d” es el espesor efectivo del muro. Y de (0.0006bd) para zonas 12



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sísmicas, donde “b” es el ancho unitario y “d” es el espesor efectivo de la losa. Ver

detalle de acero de refuerzo en los planos.

CONCLUSIONES

1.

De acuerdo a los cálculos estructurales realizados para los diferentes componentes de la PTAR se ha concluido lo siguiente:

PRIMERO:

EL DISEÑO Y VERIFICACION DE LAS ESTRUCTURAS DE CONCRETO

SE HA REALIZADO DE ACUERDO AL CODIGO DE DISEÑO DEL ACI 318-05.

SEGUNDO: EL TIPO DE CONCRETO A EMPLEARSE ES TIPO IP PARA LOS MUROS ES DE 280 KG/CM2 (RESISTENCIA A LA COMPRESION ALCANZADA A LOS 28 DIAS), LA CALIDAD DEL CONCRETO A EMPLEARSE PARA LAS CIMENTACIONES Y ANCLAJES ES DE 210 KG/CM2 (RESISTENCIA A LA COMPRESION ALCANZADA A LOS 28 DIAS), LA CALIDAD DEL CONCRETO A EMPLEARSE PARA LOS SOLADOS ES DE 100 KG/CM2 (RESISTENCIA A LA COMPRESION ALCANZADA A LOS 28 DIAS), LA CALIDAD DEL CONCRETO A EMPLEARSE PARA LOS DADOS DE SOPORTE DE TUBERIA Y CAJA DE REGISTRO ES DE 175 KG/CM2 (RESISTENCIA A LA COMPRESION ALCANZADA A LOS 28 DIAS).

TERCERO:

LA DISTRIBUCIÓN DE LOS ACEROS DE REFUERZO DEBEN DE

CUMPLIR CON LOS CÁLCULOS REALIZADOS EN EL PRESENTE DOCUMENTO, DE ACUERDO A LOS PLANOS.

CUARTO: NO DEBE DE VACIARSE A MÁS DE 1.5 M3 POR DÍA (CASO CONTRARIO CONSULTAR CON EL RESIDENTE DE OBRA) A FIN DE EVITAR LA SEGREGACIÓN DEL CONCRETO Y POR ENDE TENER MALA CALIDAD DE VACIADO Y BAJA RESISTENCIA DE LA REQUERIDA.

QUINTO:

EMPLEAR LOS IMPERMEABILIZANTES Y LOS SELLADORES

NECESARIOS A FIN DE ASEGURAR LA DURABILIDAD DE LA ESTRUCTURA Y CUMPLIR LAS EXIGENCIAS DE CALIDAD. 13



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SEXTO:

SE DEBERÁ VERIFICAR LA AGRESIVIDAD DE LAS SALES EN EL MEDIO

(SUELO DE FUNDACIÓN) SOBRE EL CUAL SE DESPLANTARA LA ESTRUCTURA, A FIN DE DETERMINAR EL TIPO DE CEMENTO A EMPLEAR (SEA TIPO I O TIPO IP (EN CUALQUIER CASO SE DEBE DE CONSULTAR AL INGENIERO RESIDENTE)).

SEPTIMO:

EL PRESENTE CÁLCULO ES VÁLIDA SOLO PARA LAS CONDICIONES

PLANTEADAS, SI SE SUCITARSE EVENTOS ADICIONALES QUE SOBRECARGUEN LA ESTRUCTURA AMERITARA UN NUEVO CÁLCULO ESTRUCTURAL.

OCTAVO:

EL TIPO DE CEMENTO A EMPLEARSE PARA EL MURO Y LAS

CIMENTACIONES Y ELEMENTOS ENTERRADOS DE CONCRETO ES CEMENTO TIPO IP - PUZOLANICO (RECOMENDABLE DE MARCAS RECONOCIDAS Y CERTIFICADAS).

NOVENO:

LOS AGREGADOS A EMPLEARSE SON ARENA Y GRAVA, LAS CUALES

DEBEN DE PROCEDER DE LAS CANTERAS RECOMENDADAS POR EL ESTUDIO DE MECANICA DE SUELOS O DE ALGUN OTRO QUE PROPORCIONE EL DISEÑO DE MEZCLA PARA ALCANZAR LAS RESISTENCIAS MENCIONADAS EN EL ITEM OCTAVO.

DECIMO: EN CUANTO A LOS ADITIVOS A EMPLEARSE, SERA

DECISION DEL

INGENIERO RESIDENTE EN CUANTO A LOS ADITIVOS CATALIZADORES (ACELERANTES O RETARDANTES).

DECIMO PRIMERO: LAS MEZCLAS DE CONCRETO EN GENERAL SE REALIZARAN CON

MAQUINAS

MEZCLADORAS

ESPECIALIZADAS

COMO

EL

TROMPO

MEZCLADOR, LA CAPACIDAD LO DEFINIRA EL INGENIERO RESIDENTE, NO SE PERMITE LA MEZCLA MANUAL EN NINGUN CASO.

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DECIMO SEGUNDO:

PARA EL ENSAYO DE CALIDAD DE LOS CONCRETOS

EMPLEADOS, SE TOMARAN 3 TESTIGOS DE PROBETA DE 30 CM X 15 CM POR CADA ELEMENTO ESTRUCTURAL Y NO ESTRUCTURAL DIFERENTE

DECIMO TERCERO: LAS EXCAVACIONES REALIZADAS SERAN COMPACTADAS CON MATERIAL DE PRESTAMO Y MATERIAL PROPIO, SEGÚN LA CALIDAD DE TERRENO PARA SER COMPACTADO, DE ACUERDO AL CRITERIO DEL INGENIERO RESIDENTE, TODO TALUD SERA PERFILADO CON LA PENDIENTE DE 2:1

DECIMO CUARTO: TODOS LOS CALCULOS DEBEN DE SER COMPATIBLES O MENORES QUE LAS DIMENSIONES, CUANTIAS, CALIDADES PLANTEADAS EN LOS PLANOS, SIEMPRE QUE SE CUMPLA ESTA CONDICION, LOS PLANOS SON LOS QUE RIGEN EL DISEÑO ANTE CUALQUIER CONTRADICCION ENTRE EL DOCUMENTO DE CALCULO Y EL PLANO.

DECIMO QUINTO: TODO EL DISEÑO Y CALCULOS HAN SIDO RELIZADOS CONSIDERANDO LAS NORMAS VIGENTES E INFORMACION EXISTENTE CON SOFTWARES ACEPTADOS GENERAL,

DE

A NIVEL UNIVERSAL POR LOS CALCULISTAS EN

SUCITARSE

MODIFICACIONES

EN

EL

DISEÑO

DE

LAS

ESTRUCTURAS, O INCREMENTARSE CARGAS, ESTO SERA SUSTENTADO POR UNA NUEVA EVALUACION ESTRUCTURAL, NO SE GARANTIZA LA RESISTENCIA DE LA ESTRUCTURA ANTE EVENTOS SOBRENATURALES NO ESTUDIADAS NI ESPECIFICADAS EN LAS NORMAS DE DISEÑO LOCAL.

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