FUNDACIONES ANULARES

INEDON INGENIERÍA CIVIL

903-HM170-C31-TEC-052 0 Rev. CRITERIOS DE DISEÑO PARA FUNDACIONES ANULARES DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO

FECHA

MAR. 09

OBJETO

Emisión Original

ELABORÓ Iniciales

REVISÓ Iniciales

APROBÓ Iniciales/Cargo

JLC

DCH

DCH/GU

Este documento sustituye al “CRITERIOS DE DISEÑO PARA FUNDACIONES DE TANQUES T ANQUES DE ALMACENAMIENTO. FUNDACIONES ANULARES ” Nº 903-P3050-C31-TEC-052, Rev. 0, de fecha May-96.

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903-HM170-C31-TEC-052 0 Rev. CRITERIOS DE DISEÑO PARA FUNDACIONES ANULARES DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO Índice Página

1. 2. 3. 4. 5. 5.1. 5.2. 5.3. 6. 6.1. 6.2. 6.2.1. 6.2.2. 6.3. 6.3.1. 6.3.2. 6.3.3. 6.3.4. 6.3.5. 7. 7.1. 7.2. 7.3. 8.

PROPÓSITO .......................................................................................................... 3 ALCANCE ............................................................................................................... 3 IDIOMA ................................................................................................................... 3 CÓDIGOS Y NORMAS........................................................................................... 3 CARGAS DE DISEÑO ............................................................................................ 4 Cargas Verticales ................................................................................................... 4 Cargas Horizontales ............................................................................................... 5 Cargas por Temperatura ........................................................................................ 5 DETERMINACIÓN DEL TIPO DE FUNDACIONES PARA TANQUES .................. 6 Consideraciones Generales ................................................................................... 6 Condiciones del Suelo ............................................................................................ 7 Fundaciones Sin Remoción del Terreno ................................................................. 7 Fundaciones Con Remoción del Terreno ............................................................... 7 Tipo de Fundaciones para Tanques ....................................................................... 8 Colchón de Arena ................................................................................................... 8 Anillo de Piedra....................................................................................................... 8 Anillo de Concreto .................................................................................................. 9 Losa de Fundación de Concreto ............................................................................. 9 Fundación Sobre Pilotes o de Suelo Mejorado ..................................................... 10 FUNDACIONES ANULARES DE CONCRETO .................................................... 10 Dimensionamiento ................................................................................................ 10 Acero de Refuerzo ................................................................................................ 11 Esfuerzos en el Concreto ..................................................................................... 13 REFERENCIAS .................................................................................................... 14

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1.

PROPÓSITO Describir los procedimientos de análisis y diseño de fundaciones de concreto armado tipo anulares para tanques de almacenamiento de los proyectos ejecutados por inelectra.

2.

ALCANCE Este documento es una referencia a utilizar en el análisis y el diseño de fundaciones de concreto armado del tipo anular, las cuales servirán de base para los tanques de almacenamiento utilizados en plantas industriales. Dentro del alcance de estos criterios se considerarán los tanques que tengan las siguientes características, de acuerdo a lo estipulado en la norma API Std 650: - Operan a presión atmosférica o a bajas presiones - De paredes cilíndricas - Fondo esencialmente plano - Techo cónico o flotante - Diámetros comprendidos entre 3 m (≈ 10’) y 61 m ( ≈ 200’) - Alturas de hasta 17 m (≈ 56’) Se debe tener claro que en cada proyecto prevalecerán los criterios particulares del cliente y las normas locales del país donde se ejecute el proyecto. En aquellos casos donde no estén claramente definidos los criterios del cliente, se utilizarán los criterios establecidos en este documento, adaptados a las normas locales del país donde se ejecute el proyecto.

3.

IDIOMA Todos los documentos, planos y hojas de cálculo serán escritos en el idioma que se indique en los criterios de diseño particulares del proyecto. Con el objeto de asegurar el uso de los términos adecuados, de acuerdo al país donde se esté ejecutando el proyecto, se recomienda consultar el documento “Equivalencia de Términos entre Centros de Ejecución” No. 903 -HM010-A90TEC-003.

4.

CÓDIGOS Y NORMAS Las fundaciones anulares serán diseñadas cumpliendo con las últimas revisiones y/o ediciones de los códigos, normas y estándares que apliquen al proyecto,

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entre los cuales deben figurar las normas y códigos gubernamentales del país donde se ejecute la obra. A continuación se listan los códigos, normas y estándares más comúnmente utilizados en los proyectos ejecutados por inelectra, sin embargo, prevalecerán siempre los especificados en los criterios de diseño propios de cada proyecto, así como las regulaciones de cada país: American Concrete Institute (ACI): “Building Code o ACI 318-08:

Requirements Concrete and Commentary”.

for

Structural

American Society of Civil Engineers (ASCE): “Minimum Design Loads for Building and Other o SEI/ASCE 7-02: Structures”. Uniform Building Code (UBC): Volume 2. Chapter o UBC-97: Requirements”.

16:

“Structural

Design

American Petroleum Institute (API): “Design and Construction of Large, Welded, Lowo API std. 620-08: Pressure Storage Tanks", Appendix C and L ”. o API std. 650-07: “Welded Steel Tanks for Oil Storage", Appendix B , E and I”. 5.

CARGAS DE DISEÑO

5.1.

Cargas Verticales Para el diseño de las fundaciones anulares, contempladas en estos criterios, se deberán considerar las siguientes cargas horizontales: Carga Muerta: la cual contempla el peso propio del tanque y de sus componentes o accesorios que permanecen fijos al tanque, tales como plataformas de acceso, tuberías y válvulas, o cualquiera otro indicado por el fabricante. Peso del Líquido Almacenado: se obtiene multiplicando el volumen del líquido almacenado, medido hasta la altura del nivel de diseño del líquido, por la gravedad específica del líquido.

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Prueba Hidrostática: es la carga debida al volumen del tanque lleno de agua hasta el nivel de diseño. Todo de conformidad con lo estipulado en el numeral 5.4 del API Std 620-07 y en el numeral 5.2.1 del API Std 650-07. 5.2.

Cargas Horizontales Las cargas horizontales a considerar se producen por los efectos debidos a las acciones del viento y/o el sismo. Salvo que se especifique lo contrario en los criterios de diseño del proyecto, las solicitaciones debidas a la acción del viento se determinarán de conformidad con lo estipulado en el ASCE 7, según se indica en el aparte 5.4 del API Std 620-07 y en el aparte 5.2.1 del API Std 650-07. En el análisis sísmico para tanques de almacenamiento, se deberá considerar la incidencia de los efectos hidrodinámicos, inducidos por las oscilaciones del líquido contenido en el tanque. Las solicitaciones sísmicas serán calculadas de acuerdo al “Appendix E: Seismic Design of Storage Tanks” del API Std 650-07; a menos que se indique otra cosa en los Criterios de Diseño del Proyecto. En ambos casos las cargas determinadas están basadas en métodos de diseño de esfuerzos admisibles, por tanto se obtienen en cargas de servicio.

5.3.

Cargas por Temperatura El diferencial de temperatura entre el medio ambiente y el contenido del tanque puede llegar a ser de proporciones tales que produzcan deformaciones en el tanque, al grado de producir esfuerzos considerables, por tal razón, el diseño de sus fundaciones deberá considerar y adaptarse a las condiciones de temperatura de operación del tanque. Se tomará en cuenta para el diseño, las indicaciones del “Appendix M: Requirements for Tanks Operating at Elevated Temperatures ” del API Std 650-

07. A menos que se indique otra cosa en las especificaciones del proyecto o por indicación expresa del fabricante.

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6.

DETERMINACIÓN DEL TIPO DE FUNDACIONES PARA TANQUES

6.1.

Consideraciones Generales Debido a la amplia variedad de condiciones del terreno, tanto en la superficie como en el subsuelo y climáticas, es muy difícil aplicar un único procedimiento de diseño a todos los casos de fundaciones para tanques de almacenamiento, por lo que en este documento sólo se analizarán con detenimiento las fundaciones tipo “ Anillo de Concreto”. Sin embargo, a continuación se indican unas recomendaciones sobre el tipo de fundación a escoger, según las características del sitio; de acuerdo a lo estipulado en el “ Appendix B: Recommendations for Design and Construction of Foundations for Aboveground Oil Storage Tanks” del API Std 650 -07. En cualquier caso, se deberá seguir las indicaciones del estudio de suelos correspondiente. Es imperativo que el nivel de la superficie donde descansará el fondo del tanque esté al menos 30 cm por encima de la superficie de terreno alrededor del mismo. Esto proveerá un drenaje adecuado, ayudará a mantener el fondo del tanque seco y compensará cualquier pequeño asentamiento que pudiese ocurrir. Si se espera que ocurran grandes asentamientos, el nivel del fondo del tanque deberá ser levantado a un nivel tal que, el mismo quede al menos 15 cm por encima del nivel del terreno circundante, luego de ocurrido tales asentamientos. La superficie de terreno terminada del fondo del tanque deberá tener una pendiente desde la periferia hacia el centro del mismo a una razón de 1:120, a menos que se especifique otra cosa por el fabricante o por los criterios de diseño del proyecto. Como una alternativa a lo anterior, el fondo del tanque puede ser inclinado hacia un sumidero. El fabricante del tanque deberá ser advertido de este requerimiento. Se recomienda observar los detalles constructivos para la detección de fugas de productos a través del fondo de tanques colocados sobre el nivel del suelo, indicados en el “ Appendix I: Undertank Leak Detection and Sub-grade Protection” del API Std 650 -07. Este apéndice abarca la colocación de materiales sintéticos, como membranas y cualquier tipo de barrera puesta por debajo del tanque con la finalidad de prever, contener o canalizar cualquier fuga.

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6.2.

Condiciones del Suelo La capacidad de soporte del suelo es el parámetro más importante en la selección del tipo adecuado de fundación. Es muy importante contar con un estudio del suelo, lo más completo posible, para determinar las propiedades geotécnicas del suelo, con objeto de prevenir asentamientos excesivos del tanque y su posible falla. Se debe comprobar que las presiones resultantes sobre el suelo, tanto debajo del tanque como de la fundación, no excedan el valor del esfuerzo admisible del suelo, evaluando las condiciones más severas en la que pueda operar el tanque. Dependiendo de la calidad del suelo, es posible fundar el tanque sobre éste en su estado original, o puede hacerse necesario su sustitución. Siempre que el suelo posea suficiente capacidad soporte se podrá fundar sobre el terreno en su estado original, con una simple limpieza y/o acondicionamiento de la superficie; si por el contrario, el suelo es colapsable o no posee suficiente capacidad soporte, el mismo deberá ser reemplazado por material adecuado, debidamente compactado. En función de este criterio se tienen dos opciones para fundar los tanques, como se indica a continuación.

6.2.1. Fundaciones Sin Remoción del Terreno En los casos en que los tanques vayan a ser colocados sobre zonas de suelos firmes, solamente se requerirá una preparación del sitio. Esto implica que el suelo tiene la suficiente capacidad soporte para resistir, con el margen de seguridad establecido por el estudio de suelos, las presiones producto de las cargas del tanque, sin que se produzcan asentamientos considerables del tanque durante su servicio u operación. 6.2.2. Fundaciones Con Remoción del Terreno En los casos en que el subsuelo del área de ubicación de los tanques de almacenamiento consista de estratos de suelos blandos y compresibles, cuyo espesor total no exceda los 6.00 m, se recomienda la utilización de las siguientes soluciones para el diseño de fundaciones: Cuando el espesor total de los suelos compresibles o blandos varíe entre 0.90 m y 1.50 m, es recomendable la excavación de los mismos y su reemplazo con material granular de relleno compactado. Es importante

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indicar que el relleno compactado deberá cubrir un área mayor que la comprendida por el perímetro del tanque. Cuando los estratos de suelos compresibles se ubiquen a mayor profundidad que la antes indicada y en caso de que se disponga del tiempo requerido, se recomienda la precarga del estrato compresible antes de iniciar la construcción del tanque. El objetivo de este procedimiento es aumentar la resistencia del subsuelo y reducir la magnitud de los asentamientos del tanque durante su servicio u operación. Eventualmente puede adoptarse una solución consistente en colocar el tanque sobre una capa de relleno de alta resistencia, la cual disipa las presiones sobre los estratos blandos o compresibles subyacentes. Esta solución es práctica cuando el área de colocación de los tanques debe ser rellenada por otras razones, en cuyo caso, la nueva capa de relleno deberá ocupar un área más extensa que la base del tanque y tener el espesor suficiente para prevenir la deformación o flujo lateral de los estratos blandos referidos. Otras alternativas para evitar la deformación lateral del subsuelo y la consecuente falla de la fundación del tanque son el uso de tablestacas de acero, anillos de piedra picada o de concreto (ver numerales 6.3.2 y 6.3.3). 6.3.

Tipo de Fundaciones para Tanques

6.3.1. Colchón de Arena Este tipo de fundaciones son recomendables para zonas relativamente secas y donde no exista mucho arrastre de sedimentos, causado por cambios climáticos o estacionales. Su uso está limitado a zonas donde el suelo superficial o a poca profundidad, tiene la capacidad requerida para soportar las cargas de diseño. 6.3.2. Anillo de Piedra Las fundaciones de este tipo deberán usarse en lugar de las fundaciones tipo “Colchón de Arena”, cuando la zona de ubicación de los tanques presente al menos una de las siguientes características: a. Clima húmedo. 903HM170C31TEC052/05-Feb-2009/JLC

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b. Considerable arrastre de sedimentos causado por cambios climáticos o estacionales. Deberá utilizarse únicamente en zonas donde los estratos de suelo superficiales o con profundidad de hasta 45 cm, tengan la capacidad requerida para soportar las cargas de diseño. 6.3.3. Anillo de Concreto Es recomendable utilizar este tipo de fundaciones, también conocidas como “Fundaciones Anulares de Concreto”, cuando el estrato del suelo con la capacidad requerida para soportar las cargas de diseño, se encuentre a profundidades superiores a 0.45 m. El anillo de concreto de la fundación deberá tener la profundidad necesaria para apoyarse en el referido estrato, pero no menos de 0.60 m y en ningún caso deberá exceder de 1.50 m debajo de la superficie del terreno; además deberá sobresalir por encima del nivel de terreno o de acabado, al menos 0.15 m. En caso de que esto suceda porque la capacidad requerida del suelo se encuentre a mayor profundidad, se podrá optar por una solución combinada, formada por un anillo de tablestacas de acero coronado por un cabezal anular de concreto armado. La profundidad de hincado de las tablestacas será la necesaria para obtener un factor de seguridad de 1.1 contra la falla del suelo de fundación. Tanto este tipo de anillo de concreto, como el de piedra picada, son particularmente recomendables si las paredes del tanque que se va a fundar son muy pesadas. El diseño del anillo de concreto deberá ser adecuado para soportar las presiones laterales del suelo, causadas por la sobrecarga esperada, y deberá asegurar que la presión unitaria promedio en la base del anillo sea aproximadamente igual a su correspondiente debajo del suelo confinado a la misma profundidad. El espesor del anillo de concreto será al menos de 30 cm y su diámetro tal que las paredes del tanque coincidan con el center line del anillo, es decir, que su diámetro medio sea igual al nominal del tanque. 6.3.4. Losa de Fundación de Concreto Deberá usarse en áreas pavimentadas para tanques hasta 6.10 m de diámetro. Para tanques de mayor diámetro se deberá usar el tipo apropiado de fundación indicado en los puntos anteriores. Para tanques de diámetro menor de 4.57 m

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(15’), se deberá considerar el uso de una fundación octagonal de espesor uniforme en vez de los tipos antes referidos. El diseño de la parte correspondiente a la placa de fundación debe considerar los esfuerzos cortantes y de tensión que pudieran ser originados por el asentamiento diferencial del subsuelo. En aquellos casos que sea necesaria la verificación de filtraciones a través del fondo del tanque, como por ejemplo en tanques de almacenamiento de líquidos corrosivos, se podrá proveer de canales o nervios a la losa de fundación de manera que permita detectar cualquier fuga del líquido del tanque; también se podrá utilizar el detalle constructivo correspondiente a fundaciones de losas, indicado en el “ Appendix I: Undertank Leak Detection and Sub-grade Protection” del API Std 650-07. 6.3.5. Fundación Sobre Pilotes o de Suelo Mejorado Para los casos en que la capacidad de soporte del subsuelo sea insuficiente, se deberá considerar la alternativa de apoyar el tanque sobre una losa-cabezal soportada por pilotes o la de realizar un mejoramiento general del suelo. Dicho mejoramiento pudiera ser por un relleno compactado o por densificación del suelo con micro-pilotes de piedra o de concreto. Siempre siguiendo las recomendaciones del respectivo estudio de suelos. 7.

FUNDACIONES ANULARES DE CONCRETO

7.1.

Dimensionamiento El espesor del anillo estará determinado por una consideración relativa a la presión de apoyo sobre el suelo, la cual establece que con objeto de minimizar la magnitud de los asentamientos diferenciales del tanque, la presión de apoyo en la base del anillo debe ser aproximadamente igual a la presión debajo del fondo del tanque, a la profundidad de apoyo del anillo. En ningún caso el ancho del anillo deberá ser menor de 30 cm, o lo que sea necesario para permitir un recubrimiento adecuado de los pernos de anclaje, en caso de que estos sean requeridos. Si el ancho del anillo excede los 50 cm, se deberá considerar la colocación de una zapata bajo el anillo. Se recomienda que el anillo sobresalga por encima del terreno o del acabado una altura comprendida entre 15 cm y 30 cm. El “center line” del anillo deberá coincidir con el diámetro nominal del tanque.

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La presión de apoyo sobre el suelo debajo del fondo del tanque, a la profundidad de apoyo del anillo, resulta de la siguiente ecuación: P O = q * H +

S

* h + W F

La presión de apoyo sobre el suelo en la base del anillo, resulta de la siguiente ecuación: P O = 1 / t * [W + 1 / 2 (t * q * H) + h * t *

C

Donde, q : Peso específico del fluido contenido en el tanque, [kg/m3]. H : Altura del fluido contenido en el tanque, [m]. h : Altura del anillo, [m]. W : Peso del tanque por metro de circunferencia, incluye el peso propio del techo con su estructura y el de las paredes, [kg/m]. W F : Peso de la plancha metálica del fondo del tanque por metro cuadrado, [kg/m2]. t : Ancho del anillo, [m]. 3 C : Peso especifico del concreto, [kg/m ]. 3 S : Peso especifico del suelo debajo del tanque, [kg/m ]. Resolviendo el sistema de ecuaciones y despejando el valor de " t " se tiene: ≥ 0.30 m.

En ningún caso la presión de apoyo sobre el suelo P O deberá ser mayor que el esfuerzo admisible del mismo indicado por el estudio de suelos. Por último, y en caso de que existan cargas fuertes de sismo y/o viento, se deberá verificar que éstas no produzcan levantamientos en la fundación. Si esto llegara a ocurrir, se deberá aumentar el peso del anillo de concreto o cambiar el tipo de fundación. 7.2.

Acero de Refuerzo El anillo de fundación deberá diseñarse para soportar la presión lateral del suelo originada por la máxima sobrecarga esperada. Deberá tener acero de refuerzo en dos direcciones y colocado en capas paralelas a las caras del anillo. Del análisis de una sección o corte transversal del anillo, puede verse que la fuerza horizontal neta sobre el anillo es igual a:

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2

F = /2 Ka* S*h + Ka*h*q*H

→

F = Ka*h ( S*h/2 + q*H )

Donde, = Fuerza radial hacia afuera sobre el anillo, [kg/m]. = Peso específico del fluido contenido en el tanque, [kg/m3]. = Coeficiente de empuje activo. Ka = tang2 (45° - /2) (Cuando se desconozca el valor de se puede tomar Ka = 0.30) = Ángulo de fricción interna del suelo. s = Peso específico del suelo debajo del tanque, [kg/m3]. h = Altura del anillo, [m]. H = Altura del fluido contenido en el tanque, [m]. F q Ka

La fuerza horizontal " F " origina una tensión axial en el anillo " T ", la cual se determina por la siguiente ecuación: 1

T = / 2 F*D

Donde, T D

= Tensión axial en el anillo. = Diámetro nominal del tanque.

El área del acero de refuerzo horizontal “ AS ”, deberá calcularse para absorber totalmente esta fuerza de tensión con: AS = T / f S

Donde, f S

= Esfuerzo admisible del acero de refuerzo, igual a 0.67∙Fy (ver secciones 10.6.4 y A.3.5, de la norma ACI 318-08).

El valor de esfuerzo admisible del acero no deberá aumentarse para el caso de prueba, a menos que así lo indiquen las Especificaciones de Diseño del Proyecto. El acero de refuerzo vertical cumple el doble objetivo de acero de amarre y acero por temperatura. 903HM170C31TEC052/05-Feb-2009/JLC

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Los valores mínimos de área de acero de refuerzo horizontal y vertical serán de 0.0025 y 0.0015 de la sección del anillo, respectivamente (ver Capítulo 14 del ACI 318-08). Estos valores pueden reducirse a 0.0020 y 0.0012, en caso que el diámetro de las cabillas no sea mayor de 16 mm ( 5/8") y el refuerzo consista de mallas electro-soldadas o cabillas estriadas con Fy ≥ 4200 kg/cm2 (60000 psi). 7.3.

Esfuerzos en el Concreto Los esfuerzos de tensión en el concreto deberán verificarse mediante la siguiente ecuación:

Donde: C n E S E C AC T AS

= = = = = = =

Coeficiente de retracción, normalmente igual a 0.0003. E S / E C Módulo de elasticidad del acero de refuerzo. Módulo de elasticidad del concreto. Área de la sección del anillo de concreto. Tensión axial en el anillo. Área del acero del refuerzo horizontal del anillo.

Los valores admisibles de esfuerzos de tensión del concreto varían entre 10% y 15% de f'c. Sin embargo, dependiendo de las Especificaciones de Diseño del Proyecto, se pueden permitir valores mayores a los antes indicados. Es responsabilidad del fabricante del tanque definir el requerimiento de pernos anclajes, así como el diseño de los mismos; sin embargo es recomendable revisar las especificaciones y requerimientos estipulados en el numeral 5.12 de la norma API Std 650-07.

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8.

REFERENCIAS 903-HM170-C31-GUD-053 “Guía de Diseño para Fundaciones Anulares de Tanques de Almacenamiento” . 903-HM010-A90-TEC-003 “Equivalencia de Términos entre Centros de Ejecución”.

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