TANQUES Los tanques son estructuras cuya función es almacenar líquidos. Son de tres tipos: enterrados, superficiales o elevados. Los primeros están constituidos por piscinas, cisternas, reservorios de agua potable, etc. Los segundos son aquéllos que están apoyados sobre la superficie del terreno y son utilizados como una alternativa a los tanques enterrados cuando el costo de la excavación del terreno es elevado o cuando se desea mantener la altura de presión por la topografía del terreno. Los tanques elevados se emplean cuando se necesita elevar la altura de presión del agua para su distribución. Son de diferentes tamaños dependiendo del volumen de líquido que almacenarán y ésto condiciona su forma como se mostrará más adelante. En la figura se muestran algunos tipos de tanques. Los tanques también se clasifican por su forma en planta en: cuadrados, rectangulares o circulares.
Los tanques deben proyectarse y construirse buscando garantizar su hermetismo. Esto se consigue controlando el fisuramiento del concreto, ubicando, diseñando y detallando juntas, distribuyendo convenientemente el refuerzo, etc. Para el diseño, algunos autores recomiendan emplear el método elástico. De este modo, controlan directamente el esfuerzo de trabajo del acero manteniéndolo en límites que no agudicen el agrietamiento del concreto. Sin embargo, el ACI recomienda tanto el método de diseño a la rotura como el método elástico, presentando algunos criterios adicionales a ser tomados en cuenta en este tipo de estructuras. En el presente capítulo se desarrollarán los criterios propuestos por el código del ACI para el diseño de tanques por el método de diseño a la rotura. CONSIDERACIONES GENERALES PARA EL DISENO
Recubrimiento del refuerzo Para las estructuras retenedoras de líquidos, el ACI sugiere los recubrimientos mínimos mostrados en la Tabla
Método de diseño a la rotura Las combinaciones de carga presentadas en el capítulo 1 serán utilizadas para el diseño de estructuras retenedoras de líquidos con la única diferencia que el factor de amplificación del empuje hidrostático será 1.7 y no 1.4, en las expresiones (1 -9) y (1 - 10).
Adicionalmente, las cargas amplificadas evaluadas a través de las expresiones planteadas en el capítido 1, serán incrementadas por los coeficientes de durabilidad presentados en la Tabla 18.2
Control de rajaduras
El control de rajaduras se efectúa siguiendo el procedimiento presentado en el capítulo 8 y con los anchos mínimos de rajaduras allí indicados. Con ellos se determina el espaciamiento máximo entre armaduras. Juntas y detallado de las uniones El concreto, por su naturaleza, es un material que está sometido a continuos cambios de volumen los cuales son respuesta a cambios de humedad y temperatura. Para evitar el agrietamiento que esto ocasiona es necesario proveer juntas de contracción. En la figura 18.2 se muestra algunos tipos de juntas que se utilizan en tanques. El ancho de estas juntas depende de la magnitud del desplazamiento que se espera en la estructura. El detallado de la unión de la base y las paredes del tanque también es muy importante para garantizar el almacenamiento del líquido. En la figura 18.3 se muestran algunos tipos de uniones pared-base. El primero permite deslizamiento entre ambos, el segundo actúa como un apoyo rotulado y el tercero, como uno empotrado. Este último es el más usado.
ANÁLISIS DE TANQUES RECTANGULARES Y CIRCULARES Tanques rectangulares Las paredes, la base y la tapa de los tanques rectangulares son losas sometidas cargas uniformemente distribuidas, triangulares o trapezoidales. Dependiendo de sus dimensiones, experimentan flexión en una o dos direcciones. Conservadoramente, se puede considerar que estos elementos trabajan en ambas direcciones independientemente, analizando la flexión primero en una dirección y luego en la otra. Las fuerzas internas se calculan resolviendo los marcos obtenidos de cortes horizontales y verticales, como se muestra en la figura 18.4. Este procedimiento de análisis suele dar como resultado armaduras excesivas. Sin embargo, en tanques pequeños un análisis más exhaustivo no reduce considerablemente la cantidad de refuerzo ya que el diseño se ve dominado por el control del fisuramiento.
En tanques grandes, un análisis más cuidadoso es justificable pues la cantidad de acero que puede ser ahorrada es considerable. Para ello, se toma en cuenta que las paredes, base y techo del tanque trabajan como losas armadas en dos sentidos. Por las características geométricas de estas estructuras y el tipo de carga a que están sometidas, no es posible emplear los métodos de diseño propuestos en el capítulo 15. En estos casos se emplean tablas como las mostradas en el apéndice E en las cuales se muestran los esfuerzos que se desarrollan en diversos puntos de las losas, con diferentes condiciones de apoyo, sometidas a diversos tipos de carga. Las paredes se analizan como losas con dos lados continuos los que corresponden a las paredes adyacentes a ellas. La condición de apoyo de sus otros dos lados depende de cada caso particular. Si el tanque es cuadrado, los momentos en las paredes adyacentes serán iguales y la esquina no rotará. Sin embargo, en el caso de un tanque rectangular, los momentos en dos paredes adyacentes no serán iguales y para conservar el equilibrio será preciso efectuar una redistribución de momentos en función a sus rigideces. Puesto que los momentos varían a lo alto del tanque, la redistribución se efectuará en varios niveles. Los esfuerzos en los puntos interiores de la losa, se ajustarán acorde con la variación de éstos en sus extremos.
Todas las caras de un tanque, además de los esfuerzos de flexión y corte, soportan fuerzas de tracción o compresión provenientes de las reacciones de las caras perpendiculares: El acero necesario para soportar estas tracciones debe sumarse el necesario para la flexión y el concreto de la sección debe estar capacitado para resistir la compresión adicional.
Tanques circulares Los tanques circulares presentan la ventaja que la relación entre la superficie de contacto con el agua y su capacidad es menor que la correspondiente a los tanques rectangulares, requiriendo, además, menor cantidad de materiales. Por otro lado, presentan la desventaja que el costo de su encofrado es mayor. Para estructuras de gran capacidad, su utilización resulta más económica, sin embargo, no es conveniente emplearlos en estructuras pequeñas. En la figura 18.5.a se muestra la distribución de la fuerza anular en la pared de un tanque circular considerándola empotrada en la base en un caso y rotulada en el otro. Como se aprecia, la distribución no es triangular la cual se presentaría si la base no restringiera su desplazamiento. En la figura 18.5.b se presenta la distribución de los momentos verticales en la pared. Si se considera que la base de la pared está empotrada, la tensión en la cara interior se presenta en la parte baja, mientras que, en casi toda su altura, la cara exterior está traccionada.
Al igual que para el diseño de tanques rectangulares, existen tablas que permiten determinar la fuerza anular y los momentos verticales en las paredes de tanques circulares. Conocidas estas fuerzas internas es posible determinar el refuerzo horizontal y vertical de las paredes del reservorio. Del mismo modo, existen tablas que permiten determinar los momentos y fuerzas cortantes en losas circulares sometidas a cargas uniformemente distribuidas.
TANQUES ENTERRADOS Las dimensiones del tanque son definidas, en principio, por la capacidad de almacenamiento requerido. Sin embargo, durante el proceso de diseño, es preciso verificar que la carga que trasmiten al terreno no sobrepase su capac@lad portante. Del mismo modo, si el nivel freático es elevado, debe verificarse su estabilidad bajo la situación crítica de tanque vacío.
En caso que el peso de la estructura sea insuficiente para evitar la flotación, éste puede ser incrementado aumentando el grosor de las paredes, fondo y techo del tanque o disponiendo aletas en los lados como se muestra en la figura 18.6. Estos dispositivos no sólo incrementan el peso de la estructura sino el área de contacto entre la estructura y el terreno, reduciendo la presión que ejerce sobre el último.
La condición de carga crítica para el diseño de tanques enterrados se presenta cuando el tanque está vacío. Sobre el techo, si está presente, actúa su peso propio, el peso del piso terminado y la sobrecarga. En las paredes actúa el empuje del suelo y el empuje de la sobrecarga del terreno, y en la base, la reacción del suelo correspondiente al peso de las paredes, del techo y a las cargas que actúan sobre éste. El peso propio del fondo no genera flexión sobre sí mismo. Las fuerzas internas se determinan con los procedimientos presentados en la sección precedente. En la figura 18.7 se muestran los diagramas de momentos típicos de tanques rectangulares enterrados analizados por el método simplificado. Como se puede apreciar, la presencia de tapa en el depósito modifica el comportamiento de éste y por lo tanto la distribución del acero
El diseño de canales de paredes verticales se efectúa con un procedimiento similar al presentado en esta sección pues estas estructuras son en realidad tanques enterrados sin tapa de una gran longitud. En estos casos, las paredes del canal trabajan a flexión en una sola dirección, requiriendo refuerzo principal en esta dirección. En la otra se dispone refuerzo mínimo de contracción y temperatura. En este tipo de estructuras es necesario darle especial atención a la distribución de juntas de contracción a todo lo largo del canal, para evitar el agrietamiento del concreto y consecuente filtración del líquido transportado. Los canales suelen llevar revestimiento con bloques de granito si transportan agua que acarrean arenas, piedras, troncos, etc.
TANQUES SUPERFICIALES El dimensionamiento de los tanques superficiales debe efectuarse verificando que no se supere la capacidad portante del suelo. La condición de carga crítica para este tipo de estructuras se presenta cuando el tanque está lleno. Sobre el techo, si existe, actúa su peso propio, el peso de alguna cobertura y la sobrecarga mientras que en las paredes, la presión del líquido contenido. La base está sometida a la reacción del suelo proveniente del peso de las paredes, del techo y de las cargas que éste soporta. En la figura 18.8 se muestran los diagramas de momentos típicos para tanques con y sin tapa, obtenidos a través del método simplificado. Al igual que en el caso anterior, la presencia de la tapa modifica el comportamiento de la estructura. El procedimiento de cálculo del refuerzo es el desarrollado en los capítulos previos.
TANQUES ELEVADOS Los tanques elevados constan de dos partes principales: el tanque propiamente dicho o cuba y la estructura portante (ver figura 18.1). La estructura portante puede estar constituida por un fuste cilíndrico o tronco-cónico, el cual es usado para tanques de grandes dimensiones o por una serie de columnas arriostradas, usadas en tanques pequeños y medianos. La presente sección está orientada al diseño de éstos.
Diseño de la cuba El diseño de la cuba es básicamente igual que en los casos ya presentados. Las cargas que actúan sobre la estructura son las mostradas en la figura 18.9. Si el tanque es grande, puede ser necesario disponer vigas que sirvan de apoyo a la losa de fondo. Sin embargo, para tanques pequeños, ésta se apoya en las paredes. El diagrama de momentos obtenido por el método simplificado se presenta en la figura
Las paredes, además del refuerzo requerido por el empuje hidrostático del agua, deben diseñarse para soportar tanto la carga que le transmite el techo como la que le transmite la losa de fondo. De ser el caso, se diseñan como vigas peraltadas y se calculan siguiendo los criterios presentados en la sección 6.4 que se apliquen a este caso. Las cargas a considerar serán las mostradas en la figura 18.10.
Diseño de la estructura portante Los tanques elevados apoyados en columnas arriostradas se caracterizan porque son estructuras con gran masa concentrada en su parte superior y una estructura portante flexible. Por ello, la solicitación más importante para el diseño de la estructura portante es la condición que incluye las cargas sísmicas. Dado que la mayor parte del peso del tanque está ubicado en la cuba, se puede considerar que la fuerza sísmica actúa sobre el centro de gravedad de ésta. Las columnas se diseñan para resistir el peso de la cuba y los esfuerzos generados por la carga sísmica que dependerá de la ubicación y del terreno pero se recomienda que siempre sea mayor que 20% de las cargas verticales. Para su predimensionamiento se puede asumir que toda la estructura del tanque es una viga en voladizo. Bajo esta suposición, las cargas axiales en las columnas se determinan en función a la distancia del elemento al eje neutro del conjunto, el cual es también su eje de simetría. En la figura 18.11.a se muestra una distribución de cuatro columnas y el eje neutro está trazado en líneas punteadas. El momento de inercia del conjunto respecto al eje neutro, despreciando la inercia propia de las columnas es:
La flexión alrededor del eje neutro constituido por la recta que une dos columnas opuestas también debe considerarse. En este caso el momento de inercia será (ver figura 18.11 .b):
donde :
: Distancia de la columna al nuevo eje neutro.
Como se aprecia, las columnas ubicadas sobre el eje neutro no participan para la determinación del momento de inercia del conjunto. La carga axial en las columnas más esforzadas-será:
Las columnas se predimensionan con la carga más crítica. Para otras distribuciones de columnas, el procedimiento es similar, es decir, se analiza la flexión respecto a los ejes de simetría que ésta presente. Por su parte, los arriostres se predimensionan con un peralte de aproximadamente 118 a 1/10 de su longitud y un ancho que es de 112 a 2/3 del peralte. Se especifica que el ángulo formado entre dos arriostres adyacentes varíe entre 75" y 105O para que el elemento pueda considerarse eficiente. Además el espaciamiento vertical de estos elementos debe definirse buscando siempre que la esbeltez de las columnas no se incremente al punto de requerir un diseño especial bajo consideraciones de esbeltez. Estando los elementos predimensionados, la estructura portante se analiza. Se determinan los esfuerzos y se diseña el refuerzo longitudinal y transversal. Los arriostres deben contar con refuerzo en su cara superior e inferior para que puedan soportar la inversión de esfuerzos que se presenta ante solicitaciones sísmicas. El refuerzo transversal también se extiende a todo lo largo de las piezas para que sirva de apoyo al refuerzo longitudinal y para que absorba las fuerzas cortantes que se desarrollan. Debe cumplir las recomendaciones presentadas para estructuras sometidas a la acción de cargas sísmicas. TIPOS ESPECIALES DE TANQUES ELEVADOS Los tanques elevados de gran capacidad son por lo general de planta circular. Este tipo de estructuras presentan, además, la ventaja que pueden ser provistas de un fondo abovedado que trabaje íntegramente a compresión, evitando el uso de losas planas para las cuales es indispensable colocar vigas de apoyo. En el fondo del tanque se coloca un cinturón armado, como se aprecia en la figura 18.12, que absorbe el empuje lateral generado por la bóveda. Este tipo de tanques tienen diámetros de 12 a 14 m. con espesores de losa de hasta 15 cm.
Si el tanque tiene diámetros mayores, se puede utilizar secciones como la mostrada en la figura 18.13. De este modo el empuje generado por la bóveda interior es compensado por el empuje generado por el fondo exterior. La carga sobre el cinturón y el diámetro del fuste son disminuidos con el consecuente ahorro en la cantidad de concreto. Este tipo de tanques se denomina tanque Intze.
Información básica
Propósito del almacenamiento
Pozo de agua tratada
Volumen y presión adecuados
Impacto del almacenamiento deficiente
Variación en la demanda de agua
La finalidad del almacenamiento es asegurar la disponibilidad constante de agua segura en situaciones normales y de emergencia.
El almacenamiento de agua tratada a menudo se inicia en la planta de tratamiento en lo que se conoce como pozo de agua clara o tratada. En el sistema de distribución, los tanques de almacenamiento generalmente se colocan sobre soportes de acero o se construyen en una elevación para que haya presión del agua. Los sistemas más pequeños suelen usar un tanque que proporciona presión, conocido como tanque hidroneumático. El servicio de agua deben proveer agua segura en todo momento: � en volúmenes adecuados � con presión suficiente (normalmente no menos de 2,4 kgf/cm2 ó 24 m de columna de agua en cualquier punto del sistema) La presión baja, volúmenes inadecuados y la contaminación de los reservorios son el resultado de deficiencias en: diseño construcción operación mantenimiento. A lo largo del día se producen cambios significativos en la demanda de agua del sistema de distribución. Por ello, un reservorio de agua tratada actúa como una reserva o amortiguador y previene cambios súbitos en la presión de agua. A continuación se presenta un ejemplo de la variación de la demanda de agua en un día.
Pozo de agua tratada
Los pozos de agua tratada a menudo se ubican en tanques subterráneos que proporcionan un reservorio de agua clara de donde se bombea agua para el Almacenamiento y distribución. Generalmente, el tiempode contacto se logra en el pozo, a menudo con deflectores o pantallas para asegurar una CT adecuada.
Almacenamiento por gravedad Tipos Las instalaciones (tanques) de almacenamiento por gravedad se deben colocar en un lugar elevado para mantener la presión suficiente en el sistema a fin de atender a todos los usuarios del área de servicio. Esa elevación se logra al: Montar el tanque en soportes estructurales sobre el terreno. Construir el tanque en una colina o promontorio.
Preferencia por tanques de gran diámetro En sistemas que utilizan almacenamiento por gravedad, la presión de carga del sistema de distribución fluctúa según el nivel de agua del tanque. Se prefieren los tanques de almacenamiento poco profundos y de mayor diámetro que aquellos profundos y de menor diámetro porque los primeros tienen más agua por metro de descenso de nivel y, por ende, son menos propensos a los cambios de presión.
Materiales Los tanques de almacenamiento se construyen usualmente con acero o concreto reforzado. Las torres de agua y tanques elevados prefabricados tienen diversas capacidades. Los tanques de concreto precomprimido son comunes a nivel del terreno y subterráneos. Son muy populares ya que requieren menos mantenimiento que los de acero. Componentes Además del tanque básico, los reservorios (para tanques elevados y pozos de agua clara) incluyen algunos o todos estos componentes:
Componentes y propósito
ÍTEM Cubierta o techo
Ventilación (con rejilla)
Tubería de rebose (con rejilla) Tubería de entrada y salida Tubería de drenaje Válvulas esclusas Tapas de acceso Placas de protección catódica Escaleras y pasillos
Cerca Escala hidrométrica con flotador Sensor ultrasónico Manómetro Sistema de control Válvula reguladora de nivel
Caja de válvulas Sistema de alarma
PROPÓSITO Protege contra la lluvia y sustancias extrañas (aves, excrementos de aves, hojas, etc.). No debe haber ninguna brecha entre las uniones del techo y las paredes laterales. Los tanques por gravedad deben ‘respirar’ mientras se llenan y vacían. Un orificio de ventilación obstruido puede causar daño estructural en el tanque debido a un vacío o exceso de presión. La ventilación debe tener una rejilla para evitar el ingreso de aves, insectos y mamíferos. Previene el exceso de presión y el daño estructural en el tanque y sistema de distribución si no se apagan las bombas de suministro. En el área de rebose se requiere una rejilla para evitar el ingreso de aves, insectos y mamíferos. Conexión del sistema de distribución para llenar y vaciar el tanque. Vacía la instalación de almacenamiento (pero no en el sistema distribución). Aísla el tanque del sistema distribución Para la inspección y mantenimiento. Acceso a las varillas de protección catódica. Para la inspección y mantenimiento del interior y exterior. Los pasillos interiores deben tener un piso sólido con bordes elevados para evitar que el agua se ensucie. Para la vigilancia y seguridad Para medir el nivel de agua en el tanque. Para medir el nivel de agua en el tanque Para medir la presión o carga ejercida por el agua. Mantiene el nivel de agua en el tanque. Previene el desborde de un tanque situado en una menor elevación, a la vez que permite el llenado de un tanque ubicado en un lugar más elevado. Contiene una válvula reguladora de nivel, válvula de aislamiento y válvulas de drenaje. Detecta niveles de agua inaceptables por ser excesivamente altos o bajos y envía señales a los operadores.
Ventajas Un sistema de almacenamiento por gravedad ofrece varias ventajas en comparación con otros sistemas (por ejemplo, hidroneumáticos): mayor flexibilidad para satisfacer las demandas máximas con menor variación de presión almacenamiento en caso de control de incendios
almacenamiento de uno a cinco días para satisfacer la demanda de agua uso de pozos de baja capacidad (pozos no requeridos para satisfacer la demanda máxima del sistema) dimensionamiento adecuado de las bombas para aprovechar los descuentos en las tarifas eléctricas (capacidad de bombeo durante las horas de menor demanda y costo) reducción del ciclo de encendido y apagado de las bombas.
Dos métodos de llenado y uso de reservorios Se puede bombear directamente a un tanque de almacenamiento por gravedad de donde el agua fluye a los puntos de uso de acuerdo con la demanda. Este diseño se denomina bombeo directo. Este método se puede diseñar para proporcionar tiempo de contacto del cloro para la desinfección.
También se puede bombear agua al sistema de distribución desde un tanque ubicado a varias millas del tanque principal con la ayuda de un tanque flotante en el sistema.
Información básica sobre tanques hidroneumáticos Uso en sistemas pequeños
Generalmente, los sistemas hidroneumáticos se usan para mantener la presión de la distribución en pequeños sistemas de agua (con menos de 150 usuarios). No son adecuados para almacenamiento o control de incendios. Estos sistemas combinan la energía de una bomba con el principio de presión atmosférica para forzar la salida de agua hacia el sistema de distribución. Es necesario conocer la operación básica del sistema y la función de sus componentes para comprender por qué el sistema hidroneumático es sensible a riesgos sanitarios. ¿Cómo funciona? El sistema opera de la siguiente manera: 1. La bomba de suministro de agua se activa cuando la presión desciende a un nivel predeterminado (presión de entrada). La energía de la bomba presuriza un bolsón de aire (volumen de aire) ubicado en la parte superior del tanque de presión. 2. Cuando la presión alcanza un nivel predeterminado alto (presión de salida), la bomba se detiene y el aire comprimido fuerza el agua hacia el sistema de distribución. 3. Cuando la presión es muy baja (a menudo de 1,3 a 2,4 kgf/cm2) (20 a 35 psi) la bomba se activa nuevamente y el ciclo se repite. La tasa de ciclos corresponde al número de veces que la bomba se enciende y se apaga en una hora. Componentes Un sistema hidroneumático típico tiene las siguientes partes:
Componentes y propósito
ÍTEM Tanque de acero Control del volumen de aire Válvula de alivio Tubería de entrada y salida Mirilla (tubo)
Manómetros Controles de la bomba y motor Controles del nivel alto y bajo del agua Controles de presión o caudal bajo Compresor de aire Caudalímetro principal Contador de ciclos Medidor de tiempo
PROPÓSITO Almacena agua Regula el volumen de aire en el tanque Previene la presión muy alta Permite el ingreso y salida del agua Permite la observación directa de la proporción de aire en relación con el agua (por lo general, un tercio de aire por dos tercios de agua) Monitorean la presión (por lo general, un calibrador de 7 kgf/cm2) (100 psi) Controla los puntos de entrada y salida Regulan el nivel de agua en el tanque Mantienen el balance entre el agua y la presión de aire Fuerza el ingreso de aire adicional al tanque para incrementar la presión (pre-presurización) Mide la cantidad de agua bombeada Cuenta el número de ciclos de la bomba/hora Registra las horas de operación
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