MANUAL DE INGENIERIA DE DISEÑO VOLUMEN 18–I PROCEDIMIENTO DE INGENIERIA
PDVSA N
°
L–STC–006
TITULO
FUNDACIONES PARA TANQUES DE ALMACENAMIENTO
2
ENE.94
Modificado el Párrafo 5.2.3
8
1
ABR.91
APROBADA
8
REV.
FECHA
APROB.
PDVSA,
José Gilarranz
1983
DESCRIPCION FECHA ABR.91
PAG. APROB.
L.T.
E.J.
A.N. J.S.
REV.
Eduardo Santamaría
APROB. APROB. FECHA ABR.91
ESPECIALISTAS
PROCEDIMIENTO DE INGENIERIA
FUNDACIONES PARA TANQUES DE ALMACENAMIENTO
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2
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ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2
REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.1 2.2 2.3
2 2 2
3
4
5
Guías de Ingeniería PDVSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Especificaciones de Ingeniería PDVSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Normas Industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CONDICIONES DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3.1 3.2 3.3 3.4
Cargas Verticales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cargas Horizontales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capacidad de Soporte del Suelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 3 3 3
FUNDACIONES TIPICAS PARA TANQUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
4 4 4 5 5
Fundaciones Tipo I. Colchón de Arena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fundaciones Tipo II. Anillos de Piedra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fundaciones Tipo III. Fundaciones Anulares de Concreto . . . . . . . . . . . . Fundaciones Tipo IV. Placa de Concreto Armado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fundaciones Tipo V. Placa Nervada de Concreto Armado . . . . . . . . . . . .
FUNDACIONES ANULARES DE CONCRETO . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5.1 5.2
5 6
Dimensionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esfuerzos y Acero de Refuerzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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ALCANCE
1.1
Esta sección describe los procedimientos de an álisis y diseño de las fundaciones para tanques de almacenamiento.
1.2
En general, el tipo de tanques utilizados en las plantas industriales, constan de paredes cil índricas, fondo esencialmente plano y techo c ónico o flotante o una combinaci ón de ambos tipos. Los di ámetros varían desde m (9,8 pies) hasta m ás de 61 m (200 pies) y las alturas no exceden de 15 m (49,2 pies), normalmente.
1.3
Debido a la amplia variedad de condiciones del terreno, tanto en superficie como en el subsuelo y clim áticas; es muy difícil seleccionar un procedimiento de dise ño específico aplicable a todos los casos de dise ño de fundaciones para tanques de almacenamiento.
2
2.1
REFERENCIAS
Guías de Ingeniería PDVSA 90615.1.010 90615.1.011 90615.1.003
2.2
Especificaciones de Ingeniería PDVSA A – 211 A – 251 AG – 211 – PRT AG – 212 – PT AI – 211 AK – 211 F – 201 – PRT AM – 211 – PRT
2.3
3.1
Concreto – Materiales y Construcci ón Concreto en Fundaciones y Concreto Pobre – Diseño Diques de Tierra para Tanques de Almacenamiento Muros de Concreto para Tanques de Almacenamiento Limpieza del Sitio y Movimiento General de Tierra Movimiento de Tierra – Excavaci ón y Relleno Tanques Fundaciones para Tanques de Almacenamiento
Normas Industriales ACI API COVENIN 1753
3
Fundaciones para Tanques de Almacenamiento Estudios de Suelos en Tierra Firme Diseño de Concreto
American Concrete Institute American Petroleum Institute Estructuras de Concreto Armado. An álisis y Diseño
CONDICIONES DE DISEÑO
Cargas Verticales Las fundaciones de tanques de almacenamiento deben ser dise ñadas para soportar el peso propio del tanque m ás el peso del volumen almacenado de producto o de agua, tom ándose el mayor valor entre los dos.
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3.2
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Cargas Horizontales En condiciones normales, el dise ño de fundaciones de tanques de almacenamiento no considera los efectos de cargas horizontales, sin embargo, para cada caso se deber án verificar las especificaciones de dise ño correspondientes a fin de determinar si se deben considerar los efectos debidos a fuerzas por viento o sismo.
3.3
Capacidad de Soporte del Suelo La capacidad de soporte del suelo es el par ámetro más importante en la selecci ón del tipo adecuado de fundaci ón. Asimismo, es necesario determinar, las propiedades geot écnicas del suelo con objeto de prevenir asentamientos excesivos del tanque y su posible falla.
3.4
Temperatura El diseño de fundaciones deber á considerar y adaptarse a las condiciones de temperatura de operaci ón del tanque.
4
FUNDACIONES TIPICAS PARA TANQUES
4.1
En los casos en que los tanques vayan a ser colocados sobre zonas de suelos firmes, solamente se requerir á una sencilla preparaci ón del sitio.
4.2
En los casos en que el subsuelo del área de ubicaci ón de los tanques de almacenamiento, consista de estratos de suelos blandos y compresibles, cuyo espesor total no exceda de 6 m (19,7 pies), se recomienda la utilizaci ón de los siguientes métodos de dise ño de fundaciones:
4.2.1
Cuando el espesor total de suelos compresibles o blandos var ía entre 915 mm y 1524 mm (3 a 5 pies), es recomendable la excavaci ón de los mismos y su reemplazo con material granular de relleno compactado. Es importante, indicar que el relleno compactado cubrir á un área mayor que la comprendida en el perímetro del tanque.
4.2.2
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 construcci ón 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 operaci ón.
4.2.3
Eventualmente puede adoptarse una soluci ón consistente en colocar la fundaci ón del tanque sobre una capa de relleno de alta resistencia, la cual “flota”
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sobre los estratos blandos o compresibles subyacentes. Esta soluci ón es práctica, cuando el área de colocación de los tanques debe ser rellenada por otras razones; en cuyo caso, la capa de relleno deber á ocupar un área más extensa que la base del tanque y tener el espesor suficiente para prevenir la deformaci ón o flujo lateral de los estratos blandos referidos. Otras alternativas para evitar la deformaci ón lateral del subsuelo y la consecuente falla de la fundaci ón del tanque, est án representadas por el uso de tablestacas de acero, anillos de concreto o de piedra picada.
4.3
de Arena Fundaciones Tipo I. Colch ón
4.3.1
Este tipo de fundaciones son recomendables para zonas relativamente secas y donde no exista mucho arrastre de sedimentos causado por cambios clim áticos o estacionales.
4.3.2
Su uso está limitado a zonas donde el suelo superficial o a poca profundidad, tiene la capacidad requerida para soportar las cargas de dise ño.
4.4
Fundaciones Tipo II. Anillos de Piedra
4.4.1
Las fundaciones Tipo II deber án usarse en lugar de las fundaciones Tipo I, cuando la zona de ubicaci ón de los tanques presenta una o ambas de las siguientes caracter ísticas: a. b.
Clima húmedo. Considerable arrastre de sedimentos causado por cambios clim áticos o estacionales.
Este tipo de fundaciones deber á utilizarse únicamente en zonas donde los estratos de suelo superficiales o con profundidad de hasta 457 mm (18 pulg.) tienen la capacidad requerida para soportar las cargas de dise ño.
4.5
Fundaciones Tipo III. Fundaciones Anulares de Concreto
4.5.1
Se recomienda este tipo de fundaci ón, cuando el suelo resistente se encuentra a una profundidad mayor que 457 mm (18 pulg.).
4.5.2
La profundidad del anillo de concreto deber á ser la necesaria para apoyarlo en el estrato con capacidad de soporte adecuada, pero sin exceder el l ímite de 1524 mm (5 pies) por debajo del nivel superficial del terreno.
4.5.3
En caso de que el subsuelo consista de estratos de alta plasticidad, donde el estrato con capacidad de soporte adecuada este a mas de 1524 mm (5 pies) de profundidad, se recomienda el uso de un anillo de tablestacas de acero coronado con un anillo de concreto reforzado. La profundidad de hincado de las tablestacas será la necesaria para obtener un factor de seguridad de 1,1 contra falla del suelo de fundaci ón.
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4.5.4
La fundaci ón anular será diseñada para soportar las presiones laterales de suelo causadas por los valores m áximos de sobrecarga esperados.
4.5.5
El dimensionamiento de la fundaci ón anular debe asegurar que la presi ón unitaria promedio en la base del anillo sea aproximadamente igual a su correspondiente debajo del suelo confinado a la misma profundidad. Sin embargo, el espesor mínimo del muro ser á de 203 mm (8 pulg.) y su di ámetro medio será igual al diámetro nominal del tanque.
4.5.6
La fundaci ón anular tendr á orificios o escotaduras necesarias para puntos de limpieza, tubos acodados para el drenaje del tanque u otros accesorios que se requieran.
4.6
Fundaciones Tipo IV. Placa de Concreto Armado
4.6.1
Las fundaciones Tipo IV deber án usarse en zonas acondicionadas y para tanques de diámetro no mayor que 6,1 m (20 pies). Para tanques cuyo di ámetro exceda el valor antes indicado, se usar á el tipo de fundaci ón adecuado a las condiciones del suelo existente.
4.6.2
El diseño de la parte correspondiente a la placa de fundaci ón debe considerar los esfuerzos cortantes y de tensión que pudieran ser originados por el asentamiento diferencial del subsuelo.
4.6.3
Debido a que la fundaci ón Tipo IV es una modificaci ón de la fundaci ón Tipo III, la construcci ón del anillo deber á cumplir con lo indicado en la Secci ón 4.5 anterior.
4.7 4.7.1
4.8
5
Indice manual
Fundaciones Tipo V. Placa Nervada de Concreto Armado En aquellos casos cuando sea conveniente la verificaci ón de filtraciones a trav és del fondo del tanque (ejemplo: tanques de almacena – miento de l íquidos corrosivos), se deber á usar este tipo de fundaciones. Debido a que las fundaciones Tipo V son una modificaci ón de las fundaciones Tipo IV, se considera válido lo indicado en la secci ón 4.6 anterior. Para tanques de di ámetro no mayor de 4,57 m (15 pies), se deber á considerar el uso de una fundaci ón octogonal de espesor uniforme en vez de los tipos antes referidos. Para los casos en que la capacidad de soporte del subsuelo sea insuficiente, se deben considerar las alternativas de pilotaje o de mejoramiento del suelo.
FUNDACIONES ANULARES DE CONCRETO
5.1
Dimensionamiento El espesor del anillo est á determinado por la siguiente consideraci ón relativa a la presión de apoyo sobre el suelo, la cual establece que con objeto de minimizar
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la magnitud de los asentamientos diferenciales del tanque, la presi ón de apoyo en la base del anillo debe ser igual a la presi ón debajo del fondo del tanque, a la profundidad de apoyo del anillo. La presión de apoyo sobre el suelo debajo del fondo del tanque, resulta de la siguiente ecuaci ón: P o = q.H +g s .h
La presión de apoyo sobre el suelo en la base del anillo, resulta de la siguiente ecuación:
P o 1 W t
12
(t .q. H )
h.t . c
Donde: q
= Peso específico del fluido contenido en el tanque, kg/m 3.
H
= Altura del fluido contenido en el tanque, m.
s
= Peso espec ífico del suelo debajo del tanque, kg/m 3.
c
= Peso espec ífico del concreto, kg/m 3.
h
= Altura del anillo, m.
t
= Ancho del anillo, m.
W
= Peso del tanque por metro de circunferencia, kg/m.
Resolviendo el sistema de ecuaciones y despejando el valor de “t”, t
q. H
2W pero no menor que 203 mm (8 pulg). 2h ( S – C )
Los anillos cuyo espesor sea mayor que 254 mm (10 pulg.) deber án constar de acero de refuerzo en dos direcciones y colocado en dos capas paralelas a las caras del anillo.
5.2 5.2.1
Esfuerzos y Acero de Refuerzo Del análisis de una secci ón o corte transversal del anillo, puede verse que la fuerza horizontal neta es igual a: F 1 K a 2
S
F K a h
Donde:
h2
q H
K a h q H
1 h 2 S
ó
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q
= Peso unitario del producto almacenado, kg/m 3.
F
= Fuerza radial hacia afuera sobre el anillo, kg/m.
Ka
= Coeficiente de presi ón activa.
Indice norma
Ø
= Angulo de fricci ón interna del suelo.
s
= Peso unitario del suelo debajo del tanque, kg/m 3
h
= Altura del anillo, m
H
= Altura del l íquido contenido en el tanque, m
Nota: Cuando se desconozca el valor de “”, se asumirá que Ka = 0,3. 5.2.2
La fuerza horizontal “F” origina una tensi ón en el anillo, igual a: T
1 F . D 2
Donde:
5.2.3
T
= Tensión axial en el anillo.
D
= Diámetro nominal del tanque.
El acero de refuerzo horizontal deber á calcularse para absorber totalmente esta fuerza, por las siguientes f órmulas dependiendo de la teor ía de cálculo utilizada. Teoría Elástica A S
Teoría de Rotura
T F S
A S
T u F Y
El valor de esfuerzo admisible del acero no deber á aumentarse para las pruebas, a menos que así lo indiquen las especificaciones. El acero de refuerzo vertical cumple el doble objetivo de acero de amarre y por temperatura. Los valores m ínimos de área de acero de refuerzo horizontal y vertical ser án de 0,0025 y 0,0015 de la secci ón del anillo, respectivamente. Estos valores pueden reducirse a 0,0020 y 0,0012, en caso que el di ámetro máximo de las cabillas sea de 16 mm (5/8 pulg.) y el refuerzo consista de malla electrosoldada o cabillas estriadas con esfuerzo de cedencia m ínima de 4200 kg/cm 2 (60000 lb/pulg 2). Los esfuerzos de tensi ón en el concreto deber án verificarse mediante la siguiente ecuación: f ct
C . E S . A S T A C n . A S
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Donde: C
= Coeficiente de retracci ón (normalmente igual a 0,0003)
n
= Es /Ec.
Es
= Módulo de elasticidad del acero de refuerzo.
Ec
= Módulo de elasticidad del concreto.
Ac
= Area de la secci ón del anillo.
Los valores admisibles de esfuerzos de tensi ón del concreto var ían entre 10% y 15% de f’c. Sin embargo, dependiendo de las especificaciones de dise ño pueden permitirse valores mayores a los antes indicados.
