Informe Diseño Estructural Ptar Guacheta_v3

7/24/2019 Informe Diseo Estructural Ptar Guacheta_v3

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DISEO ESTRUCTURAL

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES - MUNICIPIO DEGUACHETA, DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA

BOGOTA D.C., DICIEMBRE DE 2014


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DISEO ESTRUCTURAL PTAR, MUNICIPO DE GUACHETA

TABLA DE CONTENIDO

1 LOCALIZACIN DEL PROYECTO ..............................................................................4

2 DESCRIPCIN DEL PROYECTO ................................................................................43 REQUERIMIENTOS GENERALES DE DISEO Y CONSTRUCCIN ........................4

3.1 ENSAYOIMPERMEABILIDADPARALASESTRUCTURAS ................................7

4 SUELO DE CIMENTACIN ..........................................................................................8

4.1 CAPACIDADPORTANTEYASENTAMIENTOS ...................................................8

5 PARMETROS DE DISEO SSMICO ........................................................................8

6 PREDIMENSIONAMIENTO ........................................................................................10

6.1 REVISINDELPREDIMENSIONAMIENTO .......................................................10

6.1.1 Anlisis de Estabilidad ......................................................................................10

7 DISEO DE LAS JUNTAS .........................................................................................11

7.1.1 Localizacin de las Juntas ................................................................................117.1.2 Tipos de Juntas. ...............................................................................................117.1.3 Detalles de la Juntas ........................................................................................12

8 ANALISIS Y DISEO ESTRUCTURAL DE SEDIMENTADOR PRIMARIO,SECUNDARIO Y ZANJON DE OXIDACION .....................................................................13

8.1 GEOMETRA DEL TANQUE CIRCULAR ........................................................................148.2 MATERIALES ..........................................................................................................14

8.3 ESTIMACIN DEL ESPESOR DE LA PARED DEL TANQUE .............................................158.4 VERIFICAR QUE EL ESPESOR SUPUESTO PARA LA PARED ES EL ADECUADO ............... 168.5 DETERMINACIN DE LAS FUERZAS DE TENSIN ANULAR Y LOS MOMENTOSFLEXIONANTES PRODUCIDOS POR LA PRESIN HIDROSTTICA INTERNA DEL LQUIDO

(CONDICIN DE CARGA NO.1). ..........................................................................................168.6 REVISIN DE CORTANTE PARA LA MISMA CONDICIN DE CARGA NO.1 ...................... 188.7 COMPARACIN CON LA SUPOSICIN DE QUE LA BASE SE ENCUENTRA EMPOTRADA CONEL BORDE SUPERIOR LIBRE ................................................................................................198.8 REVISIN DEL ANLISIS DE BASE EMPOTRADA UTILIZANDO LAS ECUACIONESPROPUESTAS POR TIMOSHENKO ........................................................................................20

8.9 RESUMEN DE RESULTADOS CONDICIN DE CARGA 1 ................................................208.10 PRESIN DE TIERRAS POR EL LADO EXTERIOR (CONDICIN DE CARGA NO.2) ........... 218.11 DISEO PARA MOMENTO,DE CONFORMIDAD CON LAS RESULTANTES DE LOSMOMENTOS FLEXIONANTES ................................................................................................238.12 TENSIN DIRECTA ..................................................................................................248.13 COMPRESIN DIRECTA ...........................................................................................24

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9 ANALISIS Y DISEO ESTRUCTURAL DE TRATAMIENTO PRELIMINAR YESTACION DE BOMBEO ..................................................................................................25

9.1 PARAMETROSDELSUELO ...............................................................................259.2 PROPIEDADESDELOSMATERIALES ..............................................................259.3 COMBINACIONESDECARGA ...........................................................................25

9.4 AVALUODECARGAS .........................................................................................269.5 DISEO ................................................................................................................26

9.5.1 ESTRUCTURA DE TRATAMIENTO PRELIMINAR .........................................289.5.1.1 Muro Posterior ...........................................................................................289.5.1.2 Muro Lateral Derecho ................................................................................309.5.1.3 Muro Interior Rampa de Acceso ................................................................329.5.1.4 Muro Exterior Rampa de Acceso ...............................................................349.5.1.5 Losa para Rampa de Acceso ....................................................................369.5.1.6 Losa de fondo ............................................................................................39

9.5.2 ESTRUCTURA ESTACION DE BOMBEO .......................................................41

9.5.2.1 Muro frontal ...............................................................................................419.5.2.2 Muro posterior ...........................................................................................439.5.2.3 Muro lateral derecho ..................................................................................459.5.2.4 Muro lateral izquierdo ................................................................................479.5.2.5 Losa de fondo ............................................................................................499.5.2.6 Losa superior .............................................................................................51

9.5.3 CAJA DE MANIFOLD .......................................................................................539.5.3.1 Losa inferior ...............................................................................................539.5.3.2 Muro posterior ...........................................................................................559.5.3.3 Muro lateral derecho ..................................................................................579.5.3.4 Muro lateral izquierdo ................................................................................59

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1 LOCALIZACIN DEL PROYECTO

El proyecto se localiza en el municipio de Guacheta, Departamento deCundinamarca, especficamente en el casco urbano, dista de la capital del

departamento (Bogot D.C.) 122 km por carretera 45A.

2 DESCRIPCIN DEL PROYECTO

Las estructuras que se proyectan construir consisten bsicamente en tanquessemienterrados de diferentes dimensiones y profundidades, construidos enconcreto reforzado (Ver Planos). La planta est compuesta por dossedimentadores, un zanjn de oxidacin y una estructura de tratamiento preliminary estacin de bombeo.

3 REQUERIMIENTOS GENERALES DE DISEO Y CONSTRUCCIN

En general los Tanques son estructuras de concreto reforzado y pre- esforzadoque pueden estar enterradas, semienterradas o parcialmente protegidas, que sedisean y construyen para retener lquido (agua) dentro de ellas.

Para que una estructura de este tipo funcione bien desde el proceso de diseo sedebe tener en cuenta las siguientes consideraciones bsicas:

Tamao y forma Localizacin o sito de construccin Estudio de suelos Anlisis y diseo De las juntas De los muros y su cimentacin Del piso con sus juntas De su estanqueidad De su sismo-resistencia entre otros

Para la construccin y diseo de tanques, la norma colombiana NSR-10 estlimitada nicamente a Tanques y compartimientos en la seccin C-23, este temes aplicable nicamente a edificaciones. Por esta razn para el caso particular labase para el diseo es el AC I (Norma americana), la B.S. 8007 de 1987 (normaInglesa) y/o LA GUA PARA DISEAR TANQUES EN CONCRETO con la cual elComit de Estructuras y Edificaciones de la S.C.I. busc llenar el vaco que sobre

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el tema dejo el decreto 1400 (NSR-10) y proporcionar de esta manera unaherramienta para disear y construir tanques y piscinas a la IngenieraColombiana.

Los aspectos importantes a considerar en relacin con las prcticas tradicionales

son:

Cimentacin. Los movimientos del terreno que lleva a desplazamientos yagrietamientos de la estructura retenedora pueden causar filtraciones grandes, portanto se debe contar con un estudio de suelos completo y seguir lasrecomendaciones suministradas por el geotecnista. Adems se debe tenerprecaucin si existen arcillas expansivas en el sitio de cimentacin ya que losesfuerzos generados en los procesos de contraccin y expansin del suelopueden generar resultados desastrosos para la funcionalidad de las estructuras.

Considerando que en el suelo presente en el sitio del proyectoencontramos suelos potencialmente expansivas se debe considerar la adopcinde algunas de las siguientes medidas:

Dividir toda la estructura en compartimientos ms pequeos para reducir elmovimiento diferencial probable en cada compartimiento.

Suministrar juntas especialmente diseadas en la estructura para facilitar elmovimiento

Utilizacin de tcnicas de pre-esfuerzo que acten como una seguridad

contra el agrietamiento. Provisin de secciones flexibles en las tuberas de servicio.

Colocacin de redes de drenaje bajo el piso para prevenir sub-presin encondiciones de diseo en las cuales no se considere agua fretica.

La resistencia propuesta para el concreto sea de verdad impermeable y de grandurabilidad. Es la de 4500 PSI (320 Kg/cm2) a los 28 das o un mnimo contenidode cemento de 350 Kg/m3 y un mximo de relacin agua / cemento de 0.42 (enpeso).

Una reduccin de la relacin A/C puede ser lograda con la adicin de aditivosfluidificantes (plastificantes o superplastificantes). Es esencial que se asegureuna completa compactacin sin agregacin en el sitio.

Trabajabilidad. La manejabilidad del concreto debe ser especificada de acuerdocon el equipo y los mtodos de manipuleo y compactacin, de talforma que el concreto sea colocado sin segregacin, compactado

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completamente, recubriendo la totalidad del refuerzo, tendones, ductos yrellenando completamente la formaleta. Hay que hacer especial nfasis enla importancia de asegurar una compactacin completa en la vecindad de las

juntas de construccin y en las juntas de movimiento, cintas (waterbars)embebidas, tendones de anclaje, tuberas. Etc.

Concreto pobre para solado. Su espesor no debe ser menor de 5 cm. y no msdbil de 1500 PSI (105 Kg/cm2) a los 28 das. Donde se encuentre suelo o aguaagresiva el concreto no debe ser mas pobre que 2500 PSI (170 Kg/cm2) a los 28das.

Vida de diseo y de servicio. La vida de una estructura terminada depende dela durabilidad de sus componentes. En este caso particular la vida til oscila entre40 y 60 aos. Algunos elementos como los materiales selladores de las juntastienen vida til menor y pueden requerir renovacin durante la vida til de la

estructura.

Acero de refuerzo. El mnimo refuerzo por contraccin por secado y temperaturadebe ser barras No. 4; el mximo espaciamiento debe ser de 15 cm. Entre centrosy colocado el 50% en cada cara.

Diseo y construccin de las juntas. Es una de las grandes causas de fallas dediseo que se le estn imputando a los constructores. Las juntas pueden serusadas en conjunto con una correspondiente proporcin de refuerzo, paracontrolar los anchos de grieta en e l concreto, resultantes de contraccin porsecado y los debidos a los cambios trmicos dentro de los lmites aceptables. Conel fin de prever cambios del volumen del concreto de una manera tal que el daoal concreto sea mnimo, se deben proporcionar las JUNTAS CON MOVIMIENTOcon una cierta proporcin de refuerzo desde el momento de la concepcin de laestructura.

Mnimo recubrimiento de concreto para refuerzo. Todas las superficies delconcreto en tanques en contacto con el agua deben tener un mnimo de 4 cm.Como recubrimiento, se puede requerir un mayor recubrimiento en la cara decontacto con suelos agresivos y sometidos a erosin o abrasin.

Ancho mnimo de los muros y cinta (Waterstop). Teniendo en cuenta que paralas juntas con movimiento (expansin, contraccin y contraccin parcial) seutiliza la CINTA PVC de mnimo 20 cm. De ancho con bulbo central y comoadems la distancia de la cinta desde la cara del concreto ms cercano expuestono debe ser menor que la mitad del ancho de la cinta, si infiere que el anchomnimo del muro es de 20 cm y para casos muy especiales hasta de 10 cm enelementos no estructurales como vertederos. El diseo debe estipular

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la continuidad del sistema de cinta a travs de todas las juntas, en particular lasjuntas entre el PISO y LOS MUROS. El procedimiento correcto para unir lasCINTAS PVC es soldndolas con termofusin a TOPE; las de cauchovulcanizndolas; las de cobre o cero soldndolas, abrasndose o traslapndose,de tal forma que haya garanta que por all no se despegar, ni se saldr el agua.

3.1 ENSAYO IMPERMEABILIDAD PARA LAS ESTRUCTURAS

Una vez terminada la construccin de la estructura se debe ensayar la retencinde lquido, la estructura debe estar limpia e inicialmente llenada a un nivel mximonormal a una rata uniforme no mayor que 2 m en 24 horas.

Cuando se llene por primera vez, el nivel del lquido, debe mantenerseadicionndole lquido por un periodo estabilizador mientras tenga lugar laabsorcin y autocicatrizacin. El periodo estabilizador puede ser de 7 das para unancho mximo de grieta de 0.1 mm o de 21 das para 0.2 mm o ms grande.Despus del periodo de estabilizacin el nivel de la superficie del lquido debe seranotado en intervalos de 24 horas para un periodo de ensayo de 7 das. Duranteeste periodo de ensayo la cada total del nivel permisible, permitiendo evaporaciny lluvia no debe exceder 1/500 de la profundidad de agua promedio del tanquelleno, 10 mm u otra cantidad especificada.

Si no se cumple satisfactoriamente esto al completar el ensayo cualquier evidenciade filtracin del lquido a las caras exteriores de los muros se debeimpermeabilizar con el fin de cumplir con la especificacin. Cualquiertratamiento curativo del concreto, de gritas o juntas debe realizarse dondesea practicable. Cuando un recubrimiento remedial se aplique para inhibir unafiltracin en una grieta debe tener adecuada flexibilidad y no tener reaccin con ellquido almacenado.

Luego de haberse realizado la impermeabilizacin a los problemas Se debevolver a llenar y si es necesario dejarlo un periodo adicional de 7 das para unacompleta estabilizacin.

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4 SUELO DE CIMENTACIN

Para el soporte de la estructura Planta de tratamiento de aguas residuales serecomienda utilizar un sistema de soporte con Zapatas cuadradas o rectangulares,

sobre un solado de limpieza de 50 mm de espesor mnimo para uniformizar elterreno excavado, cimentando a una profundidad de fundacin promedio de Df >=1.0 m con respecto al nivel del terreno actual, en el estrato Arcilla Habana convetas carmelitas y/o Carmelita con vetas de oxidacin, de consistenciamedianamente firme y plasticidad media alta.

4.1 CAPACIDAD PORTANTE Y ASENTAMIENTOS

Para la adopcin de un sistema de fundacin y dimensionamiento de la misma, sepuede adoptar una capacidad portante admisible de 15 ton/m2.

Para reducir lo problemas de asentamiento y cumplir las condiciones de rigidez dela cimentacin, se debe efectuar un relleno de nivelacin compactadatcnicamente de 0.05 m.

5 PARMETROS DE DISEO SSMICO

De acuerdo a la Norma sismo resistente colombiana (NSR-10) el municipio deGuacheta se localiza en zona de amenaza INTERMEDIA, donde los parmetros aconsiderar son:

- Coeficiente de Aceleracin Pico efectiva Aa = 0.15g, Av = 0.15g

- Tipo de perfil de suelo es D

- Coeficientes de sitio Fa =1.50, Fv =2.20

- Coeficiente de importancia I = 1.5

CLCULO DEL ESPECTRO DE DISEO (Sa) SEGN NSR-2010

Datos Unidad Pgina

Ubicacin de la Estructura Guacheta Planos

Nmero de la Regin: 3 Ttulo A

Zona de Amenaza Ssmica: Intermedia Ttulo A

Coeficiente de Aceleracin (Aa): 0.15 Ttulo A

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Coeficiente de Velocidad (Av): 0.15 Ttulo A

Tipo de Perfil del Suelo: D Ttulo A

Coeficiente de Amplificacin de Sitio (Fa): 1.50 Ttulo A

Coeficiente de Amplificacin de Sitio (Fv): 2.20 Ttulo A

Grupo de Uso Edificacin: IV Ttulo A

Coeficiente de Importancia (I): 1.50 Ttulo A

Espectro de Diseo (Sa): Grfico g Ttulo A

Perodo de Vibracin Inicial (To): 0.15 seg Ttulo A

Perodo de Vibracin Corto (Tc): 0.70 seg Ttulo A

Perodo de Vibracin Largo (TL): 5.28 seg Ttulo A

Capacidad de Disipacin de Energa: Moderada Ttulo A

Coeficiente de Capacidad de Disipacin de Energa Bsico(R0):

2.0 Ttulo A

Coeficiente de Reduccin (fa): 1.0 Ttulo A

Coeficiente de Reduccin (fp): 1.0 Ttulo A

Coeficiente de Reduccin (fr): 1.0 Ttulo A

Coeficiente de Capacidad de Disipacin de Energa deDiseo (R = fafpfrR0):

2.0 Ttulo A

Mtodo de Anlisis: FHE Ttulo A

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 1.09 1.85 2.61 3.38 4.14 4.91 6.28

Sa

T

Espectro de Diseo

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Altura de la Edificacin (h): 4.0 mts Planos

Coeficiente (Ct): 0.047 Ttulo A

Exponente (a): 0.9 Ttulo A

Perodo de Vibracin Aproximado (Ta = Ctha): 0.16 seg Ttulo A

Espectro de Diseo Aproximado (Sa): 0.84 g Ttulo A

6 PREDIMENSIONAMIENTO

Con el predimensionamiento se busca la solucin ms econmica, la ms sencillaconstructivamente, que brinde una seguridad apropiada y por tanto la mayorfuncionalidad; este predimensionamiento se verifica con el anlisis de estabilidad y

estructural.

Las estructura de contencin se disean como un muro en voladizo y elpredimensionamiento se realiza con base a recomendaciones preestablecidaspara este tipo de elementos as:

6.1 REVISIN DEL PREDIMENSIONAMIENTO

Despus de haber definido las dimensiones preliminares las verificamos por mediode el anlisis de estabilidad y estructural. Para este caso el anlisis se hace para

la condicin crtica que es cuando los compartimientos se encuentre vaca yaque van a estar sometidos al empuje del suelo mientras que cuando seencuentra llenos este empuje es contrarestado en parte por la presin del agua ensu interior.

6.1.1 Anlis is de Estabilidad

Este anlisis contempla dos aspectos: El volcamiento y el deslizamiento a lo largode la base de sustentacin. Para realizar dicho anlisis es necesario realizar un

diagrama de las fuerzas que actan sobre la estructura y se hace por metro deancho.

Se realizar entonces un diseo de los tanques los cuales estarn semi-enterrados y por lo tanto la condicin crtica de diseo de la estructuras es cuandose encuentra vaco.

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- Deslizamiento. La verificacin por este concepto consiste en obtener el factor deseguridad resultante de la oposicin entre la fuerza de friccin en la base desustentacin y la componente horizontal del empuje.

7 DISEO DE LAS JUNTAS

El sistema de juntas a usar debe ser seleccionado desde el mismomomento del diseo. Las juntas se colocan en una estructura con el fin deminimizar su agrietamiento causado por los cambios de volumen del hormigndebido a la variacin de temperatura y por contraccin del concreto y para facilitarsu construccin. Todo concreto, reforzado o no agrieta, y la forma de disminuireste problema es: usando concreto especial (concreto K usado en Europa yEEUU), utilizar refuerzo para contraccin y temperatura para controlar el ancho de

la grieta y su espaciamiento, y otra forma es el uso de juntas.Las juntas reducen los esfuerzos debidos a los cambios volumtricos y permitenque el elemento estructural se mueva. La distancia entre juntas del concretocausa mayores o menores esfuerzos dentro de la estructura.

7.1.1 Localizacin de las Juntas

Las juntas deben localizarse muy cerca de los cambios bruscos de configuracinde la estructura y la cantidad de estas depende del tipo de junta usada, de la

cantidad de contraccin y refuerzo por temperatura usado. De la cantidad deconcreto fundido y colocado en operacin continua.

Cuando se usa la cantidad mnima de refuerzo para contraccin y temperatura, lasjuntas deben colocarse de cada 6 a 9 m pero esta separacin depende de lacantidad logstica que el constructor tenga para fundir concreto continuamente.

7.1.2 Tipos de Juntas.

Existen juntas de expansin (dilatacin), juntas de contraccin, juntas de

contraccin parcial o fajas de contraccin, juntas de control, juntas falsa, juntasaserradas o cortadas, juntas con plano de debilidad o fragilidad, juntas deconstruccin entre otras.

- Juntas de Expansin. En este tipo de juntas se interrumpe el refuerzo para dejarvaco el material compresible que se inserta entre los extremos del concreto.Permite movimiento longitudinal en cualquier direccin y su propsito principal es

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permitir el movimiento debido a expansin trmica y de contraccin por secadodel concreto. Estas juntas frecuentemente filtran agua debido a la malacolocacin de la cinta.

- Juntas de contraccin. Son similares a las juntas de expansin, excepto que el

concreto es solamente separado por un revestimiento o por un separador. Estajunta solo disipa fuerzas de contraccin trmica o de contraccin por secado delconcreto; no reduce efectos de expansin trmica de la estructura. Esta junta esdifcil que filtre ya que la cinta watertops est completamente encapsulada entre elconcreto.

- Juntas de traccin parcial. Con esta junta se intenta permitir contraccin de laestructura pero no se suprime la discontinuidad existente en las juntas decontraccin. La diferencia este estas dos es que una proporcin del refuerzolongitudinal normal se pasa a travs de la junta (generalmente el 50%). Estas

juntas tienen menos problemas de filtraciones que las otras.

- Juntas de Construccin. Tiene todo el refuerzo longitudinal pasando a travs dela junta y el concreto a ambos lados de la junta intencionalmente sepega con resina epxica. Por su diseo no puede disipar ni contraccin niesfuerzos trmicos.

Si se permite que transcurra un tiempo suficiente entre la primera ysegunda fundida (entre 7 y 28 das) es posible controlar la contraccin por secadoen la parte fundida primero.

7.1.3 Detalles de la Juntas

Cualquier junta con movimiento que contenga fluido se le debe poner cinta ya quesiempre estar protegida por el concreto y adems tendr muchsima msdurabilidad que cualquier otro sellador.

Se debe poner especial cuidado a la colocacin de la cinta sin permitir que esta sedoble, amarrndola o fijndola de tal forma que quede suficientemente rgidapara que al caerle el concreto encima no se pliegue o doble. Las cintas de las

placas de fondo se les deber levantar el extremo hacia arriba para colocarle elconcreto debajo y luego bajarla y presionarla contra el concreto y luego colarle esresto de hormign.

Las cintas deben ser continuas a lo largo de las juntas por tanto hay que unirlas(pegarlas fusionarlas) en las uniones, traslapos e intersecciones.

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De acuerdo a las dimensiones y caractersticas de la estructura diseada seplantea la utilizacin de juntas de contraccin con continuidad del 50% delrefuerzo, las cuales se encuentran detalladas en el plano 3.

8 ANALISIS Y DISEO ESTRUCTURAL DE SEDIMENTADOR PRIMARIO,SECUNDARIO Y ZANJON DE OXIDACION

Se trata de realizar el diseo estructural de tres estructuras que se muestran acontinuacin:

Sedimentador primario

Sedimentador secundario

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Zanjn de Oxidacin

Para el anlisis estructural de los tanques de la PTAR se utilizan las tablas decoeficientes, en la publicacin Circular Concrete Tanks without Prestressing, dePortland Cement Association (PCA), edicin 1993.

A manera de ilustracin del procedimiento de clculo se muestra el diseo para elsedimentador primario, los clculos para el resto de estructuras se encuentras ensus respectivas memorias.

8.1 Geometra del tanque circular

Dimetro = 8.1 m Recubrimiento = 0.05 mAltura = 3.8 mAltura Liquido = 3.8 m

8.2 Materiales

Concreto f'c = 320 kg/cm2Acero de refuerzo flexin fy = 4200 kg/cm2Acero tensin directa fs = 1400 kg/cm2

Mdulo de elasticidad del acero Es = 2000000 kg/cm2

Mdulo de elasticidad del concreto Ec = 265872 kg/cm2

Relacin de mdulos n = 7.5

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8.3 Estimacin del espesor de la pared del tanque

El espesor del muro se puede calcular en forma preliminar si se limita la tensinanular a 10% de

Espesor asumido = 0.3 m

H2/(Dt) = 6

El espesor de 30 cm para la pared del depsito es el valor mnimo que recomiendael Comit 350 (seccin 2.5, prrafo 15).

La carga actuante por el lado interior del depsito, es la presin hidrosttica delagua.

De conformidad con las disposiciones contenidas en el informe del Comit 350 deACI, se debe considerar un coeficiente sanitario de 1.65 para la tensin directa yde 1.3 para flexin. Por consiguiente, la carga ltima para tensin directa vale:

wu = (coeficiente sanitario para tensin directa) x (factor de carga) x (w)

y para flexin:

wu = (coeficiente sanitario para flexin) x (factor de carga) x (w)

Carga ultima para tensin directa

Coeficiente sanitario 1.65

Wut = 2805 kg/cm3

Carga ultima flexinCoeficiente sanitario 1.3

Wuf = 2210 kg/cm3

La Tabla A.5 de la PCA suministra los coeficientes para determinar la tensin

anular, en la suposicin de que la base del depsito se encuentra articulada y elborde superior libre.

La tensin anular mxima se determina al multiplicar wuHR por el mayorcoeficiente de la Tabla A.5

Tensin anular mximaCoeficiente + 0.579 a 0.6H Tabla A5 PCA

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N max = 24995 kg

8.4 Verifi car que el espesor supuesto para la pared es el adecuado

Se considera que el coeficiente de contraccin del concreto C = 0.0003 y con unesfuerzo permisible a la tensin del 10% de fc, la frmula siguiente permitecalcular el espesor de la pared de concreto del depsito.

C= 0.0003 d = 0.25As = 1.80

fc = 31.9 kg/cm2 < 0.1 f'c = 32 kg/cm2

El esfuerzo de tensin aceptable para el concreto es de un 10% de su resistenciaa la compresin, de conformidad con Circular Concrete Tanks.

Por consiguiente, el espesor elegido de 30 cm es adecuado.

8.5 Determinacin de las fuerzas de tensin anular y los momentosflexionantes producidos por la presin hidrosttica interna del lquido(condicin de carga No. 1).

Los coeficientes para la tensin anular y el momento flexionante en la pared de undepsito con la base articulada y el borde superior libre, se calculan con las TablasA.5, como ya se ha visto y la A.7 respectivamente.

Para esta condicin de carga con la presin hidrosttica triangular por el interior

del depsito, se tienen las siguientes fuerzas:

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Tensin anular provocada por presin hidrosttica, Base articulada, Borde superior Libre

Punto Coeficientes Fuerza Anular

T A5 H2/Dt=6 N=coef*wuHR+tensin (Kg)

0.0 H -0.011 -475

0.1 0.103 44460.2 0.223 9627

0.3 0.343 14807

0.4 0.463 19987

0.5 0.566 24434

0.6 0.639 27585

0.7 0.643 27758

0.8 0.547 23613

0.9 H 0.327 14116

Wut*H*R = 43168.95 kg/m

Los momentos flexionantes para la misma condicin de carga se determinanmultiplicando los coeficientes de la Tabla A.7, por wuH3. Ntese que wu seobtiene para un coeficiente sanitario de 1.3, que es el correspondiente a la flexin.

Momentos flexionantes provocados por la presin hidrosttica, Base articulada, Bordesuperior Libre

Punto Coeficientes M flexionante

T A7 H2

/Dt2

=6 +tensin cara ext(kg.m/m)

0.1 0 0.00

0.2 0 0.00

0.3 0.0002 24.25

0.4 0.0008 97.01

0.5 0.0019 230.41

0.6 0.0039 472.94

0.7 0.0062 751.86

0.8 0.0078 945.88

0.9 0.0068 824.621.0 H 0 0.00

En el anlisis del depsito con la base articulada y el borde superior libre, se hasupuesto que dicha base est restringida al desplazamiento lateral. Sin embargo,podra suceder que la losa de cimentacin no sea capaz de proporcionar unarestriccin total.

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Tambin, puede suponerse que se utilice la tensin anular mxima para diseartoda la parte inferior de la pared del depsito y despreciarse la reduccin queresulta en los momentos, si la base de la pared se desplaza lateralmente (ver elinciso 11 de Circular Concrete Tanks).

8.6 Revis in de cortante para la misma condicin de carga No. 1

La fuerza cortante aplicada se obtiene multiplicando al coeficiente correspondientede la Tabla A.12, por wuH. El valor wu se aplica con un coeficiente sanitario de1.0, si Vu es < Vc.

wu= (factor de carga) x (coeficiente sanitario) x (peso volumtrico del lquido)

Coeficiente sanitario 1

Wuc = 1700 kg/cm3

Wuc*H2= 24548 kg/m

En la tabla A12 el coeficiente: 0.11

H2/Dt = 6 Carga triangular, base articulada y borde superior libre

Vu = 2700 kg < Vc = 19007 kg

Si la base se encuentra empotrada, el coeficiente vale + 0.236 (Tabla A.12) y porconsiguiente:

En la tabla A12 el coeficiente: 0.197

H2/Dt = 6 Carga triangular, base empotrada y borde superior libre

Vu = 4836 kg < Vc = 19007 kg

Por lo tanto, la seccin de concreto soporta satisfactoriamente la fuerza cortante

impuesta sin necesidad de incrementar sus dimensiones o con un refuerzoespecial.

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8.7 Comparacin con la suposicin de que la base se encuentra empotradacon el borde superior libre

Tensin anular y momentos flexionantes provocados por la presin hidrosttica, Baseempotrada

Borde superior libre

Punto Coeficiente T A1 Fuerza anular Coeficiente T A2Momento

flexionanteFuerza Anular (kg/m) Momentos flex (kg*m/m)

H2/Dt=6 + tensin H2/Dt=6+tensin cara

exterior

0.0 H 0.018 777 - -

0.1 0.119 5137 0.0001 12.13

0.2 0.234 10102 0.0003 36.38

0.3 0.344 14850 0.0008 97.01

0.4 0.441 19038 0.0019 230.410.5 0.504 21757 0.0032 388.05

0.6 0.514 22189 0.0046 557.83

0.7 0.447 19297 0.0051 618.46

0.8 0.301 12994 0.0029 351.67

0.9 0.112 4835 -0.0041 -497.20

1.0 H - - -0.0187 -2267.70

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8.8 Revis in del anlisis de base empotrada uti lizando las ecuacionespropuestas por Timoshenko

Tensin AnularPresin Hidrosttica Wut = 2.81

Ton/m3

Momento flexinPresin Hidrosttica Wuf = 2.21

Ton/m3

Mdulopoissonsupuesto v = 0

Alturarespecto de labase x = 1.52 m

H'

(m)x (m) x/H' x e-x (x) (x)

(1-1/H)

(x)

Nu

(Ton)

Mu (Ton-

m)0 3.8 1 4.537 0.0107 -0.002 -0.011 -0.008 0.44 -0.027

0.38 3.42 0.9 4.083 0.0169 -0.010 -0.014 -0.011 5.20 -0.017

0.76 3.04 0.8 3.630 0.0265 -0.023 -0.012 -0.010 10.06 0.017

1.14 2.66 0.7 3.176 0.0418 -0.042 -0.001 -0.001 14.80 0.092

1.52 2.28 0.6 2.722 0.0657 -0.060 0.027 0.021 18.96 0.217

1.9 1.9 0.5 2.269 0.1035 -0.066 0.079 0.062 21.79 0.386

2.28 1.52 0.4 1.815 0.1629 -0.039 0.158 0.123 22.28 0.556

2.66 1.14 0.3 1.361 0.2564 0.053 0.251 0.195 19.48 0.616

3.04 0.76 0.2 0.907 0.4036 0.248 0.318 0.248 13.11 0.366

3.42 0.38 0.1 0.454 0.6353 0.571 0.278 0.217 4.83 -0.4913.8 0 0 0.000 1.0000 1.000 0.000 0.000 0.00 -2.296

8.9 Resumen de resul tados condicin de carga 1

RESUMEN DE RESULTADOS (Condicin de Carga 1) Presin Hidros ttica

BASEDESLIZANTE

BASEARTICULADA

(tablas PCA)

BASEEMPOTRADA(tablas PCA)

BASEEMPOTRADA(Timoshenko)

N (Ton) 43.17 27.76 @ 0.7 H 22.19 @ 0.6 H 22.28 @ 0.5 H

M base (Ton-m)

-2.27 -2.30

M(+) max 0.95 @ 0.8 H 0.62 @ 0.7 H 0.62 @ 0.6 H

V base (Ton) 2.70 4.84 4.81

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8.10 Presin de tierras por el lado exterior (condicin de carga No. 2)

Podr presentarse la situacin en la que el depsito se encuentre enterrado osemienterrado y al mismo tiempo vaco. En este caso existir un empuje de tierraspor el lado exterior. Para esta condicin de carga habr que determinar:

a) La compresin anular y los momentos flexionantes de la presin exterior delempuje de tierras.

b) Adicionar el efecto de la restriccin al desplazamiento lateral que experimenta elborde superior, en el caso de que el depsito tenga una losa de cubiertasimplemente apoyada sobre el muro.

El depsito con la base articulada y el extremo superior libre est sujeto a unacarga trapecial, que consiste en la presin hidrosttica equivalente del suelo, msla sobrecarga, la cual es usual calcularla como una presin rectangular sobre la

pared del depsito, equivalente a una altura de 90 cm del mismo suelo (la alturade 90 cm es una propuesta de la nueva edicin de Circular Concrete Tanks, PCA1993. Vase en la seccin 20, el ejemplo de diseo y en particular, la Tabla E.3del mismo ejemplo).

Supngase que el peso volumtrico del suelo es de 1800 kg/m3.

Para la carga trapecial se supone un coeficiente sanitario de 1.65, aun cuando ACI350 no previene nada sobre el particular (Circular Concrete Tanks), cuando setrata de una presin de compresin.

Para calcular la compresin anular se utilizan los coeficientes de las Tablas A.5 yA.6, multiplicados por wuHR y puHR, respectivamente, donde wu y pu son elempuje triangular y rectangular equivalente, respectivamente.

Peso volumtrico del suelo = 1800 kg/m3Coeficiente sanitario = 1.65

Empuje triangularequivalente

Wuc*H*R = -77704.11

Empuje rectangular equivalente a 0.90mPuc*H*R = -18403.605

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Punto

Coeficiente fuerzaanular T A5 H2/Dt=6

Coeficientefuerza

anular T A6H2/Dt=6

Fuerzaanular para

cargatriangular

(Kg)

Fuerza anularpara carga

Rectangular(Kg)

Resultante+

tensin(Kg)

0.0 H -0.011 0.989 854.74521 -18201.17 -17346.420.1 0.103 1.003 -8003.52333 -18458.82 -26462.34

0.20.223 1.023

-17328.01653 -18826.89 -36154.90

0.30.343 1.043

-26652.50973 -19194.96 -45847.47

0.40.463 1.063

-35977.00293 -19563.03 -55540.04

0.50.566 1.066

-43980.52626 -19618.24 -63598.77

0.60.639 1.039

-49652.92629 -19121.35 -68774.27

0.7 0.643 0.943 -49963.74273 -17354.60 -67318.34

0.80.547 0.747

-42504.14817 -13747.49 -56251.64

0.90.327 0.427

-25409.24397 -7858.34 -33267.58

Para el clculo de los momentos se utiliza la tabla A.7, multiplicando cada uno delos correspondientes coeficientes por la suma de (wuH3 + puH).

Calculo de momentosCoeficiente sanitario = 1.3

Wu*H3

= -218280.816Pu*H2 = -51698.088

PuntoCoeficiente

Momento A7H2/Dt=6

MomentoFlexionante +tensin (kg-m)

cara interior

0.1 H 0 0.00

0.2 0 0.00

0.3 0.0002 -54.00

0.4 0.0008 -215.980.5 0.0019 -512.96

0.6 0.0039 -1052.92

0.7 0.0062 -1673.87

0.8 0.0078 -2105.84

0.9 0.0068 -1835.86

1.0H 0 0.00

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8.11 Diseo para momento, de conformidad con las resultantes de losmomentos flexionantes

Refuerzo en la cara exteriorMu (+) = 94588.35 kg-cm/md (cm) = 24.4

Mu/(Fr*f'c*b*d2)= 0.0055

De la tabla A20 de la PCA = 0.00624

As =f'c/fy bd = 1.16 cm2/m

Refuerzo mnimo

14/fy*bw*d = 8.12 > As min = 8.30 cm2/m

# 4 @ 0.15 m As efectivo = 8.60 cm2/m

Momento que resiste el refuerzo mnimo

Mr = 7.70 Ton-m

Refuerzo en la cara interior

Mu (+) = 210583.55 kg-cm/md (cm) = 24.2

Mu/(Fr*f'c*b*d2)= 0.012

De la tabla A20 de la PCA = 0.0195

As =bd 3.60 cm2/m

Refuerzo mnimo

= f'c/fy 0.0015 < min = 0.0033

# 4 @ 0.15 m As efectivo = 8.47 cm2/m

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8.12 Tensin directa

La tensin directa en condiciones ltimas se obtiene de la resultante de la fuerzaanular, que consiste en la superposicin de la presin hidrosttica. Este ltimo es,como el caso de los momentos, de muy poca cuanta.

Nu = 27.76 TonRefuerzo necesario

As = 7.34 cm2/mCon esfuerzos de trabajo

As = 7.07 cm2/m

Cuanta mnima NSR 10 Tabla C.23-C.7.12.2.1 min = 0.005

As = 6.05 cm2/m Refuerzo por cara

# 4 @ 0.21 m As efectivo = 6.05 cm2/m

8.13 Compresin directa

Los empujes del relleno dan lugar a una compresin en el anillo del depsito, cuyovalor mximo, es la resultante de la fuerza anular producida por el empuje de

tierras.

Nu = -68774.27 Kg

fc = 22.92 Kg/cm2 < f'c = 320 Kg/cm2

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9 ANALISIS Y DISEO ESTRUCTURAL DE TRATAMIENTO PRELIMINAR YESTACION DE BOMBEO

9.1 PARAMETROS DEL SUELO

Para las estructuras proyectadas el estudio de suelos realizado por IGRACOLTDA recomienda utilizar un mdulo de balastro de 1500 Ton/m3, parmetro quees utilizado para la interaccin suelo-estructura en el modelo de SAP 2000, y partirde este parmetro se calcula la rigidez de los resortes para restringir losdesplazamientos en la direccin X y Y de los nudos que se deben asignar en labase de las estructuras para la estabilidad del modelo estructural y para simular elcomportamiento elstico del suelo.

9.2 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Siguiendo los lineamientos de la NSR-10 en el Captulo C.23, y siguiendo lasrecomendaciones del especialista hidrulico de IGRACO LTDA, las estructuras dela PTAR estn clasificadas por su grado de exposicin como S1y segn la tablaC.23-C.4.3.1 las estructuras deben tener como mnimo una resistencia delconcreto de fc=31 Mpa, segn estas exigencias se trabaj con los siguientesmateriales:

PARA MUROS, LOSAS, RAMPA Y DEMAS ELEMENTOS fc=4500 psi, (fc = 310Kgf/cm2).

ACERO DE REFUERZO: PDR 60, Fy = 420 Mpa, DIAMETROS: - 5/8 - -7/8 - 1.

9.3 COMBINACIONES DE CARGA

NSR10 TITULO B.2.4.2 COMBINACIONES BSICAS El diseo de lasestructuras, sus componentes y cimentaciones debe hacerse de tal forma que susresistencias de diseo igualen o excedan los efectos producidos por las cargasmayoradas en las siguientes combinaciones:

COMB1 : 1.4 D + 1.7 W

COMB2 : 1.20 D + 1.7 W +1.60 L + 1.7H

COMB3-COMB6 : 1.20 D + 1.0 L 1.0 Ex 0.3 Ey

COMB7-COMB10 : 1.20 D + 1.0 L 0.3 Ex 1.0 Ey

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COMB11 : 0.9D + 1.7 H

COMB12-COMB15 : 0.9 D +1.7 H 1.0 Ex 0.3 Ey

COMB16-COMB19 : 0.9 D +1.7 H 0.3 Ex 1.0 Ey

Dnde:

D: Carga permanente.

L: Carga Viva.

W: Presin Hidrosttica del agua.

H: Presin Hidrosttica del suelo.

E: Presin de tierras seudo-estatica (sismo)

9.4 AVALUO DE CARGAS

CARGA MUERTA (D) (EQUIPOS YTUBERIAS)

5 KN/m2

CARGA VIVA (L) 2 KN/m2PRESION HIDROSTATICA DEL AGUA (W) PW=Hx=3.3mx10 KN/m3=33 KN/m2EMPUJE HIDROSTATICO DEL SUELO (H) PH=HxxKa =3.3mx19 KN/m3x0.33=20.70

KN/m2EMPUJE DINAMICO DEL SUELO (E) 4.17 KN/m2

9.5 DISEO

El anlisis estructural se realiza empleando los conceptos y modeloscaractersticos de la teora elstica lineal general, establecidos a partir de lamecnica clsica, considerando que los materiales son elsticos lineales ypermitiendo un trabajo en el rango inelstico de los mismos para el caso de cargassmica, determinado a partir del coeficiente de capacidad de disipacin deenerga. Teniendo en cuenta los conceptos anteriormente mencionados se optapor emplear para el anlisis estructural de la estructura un programa decomputador que basa su algoritmo de anlisis en el mtodo de los elementosfinitos, cuyo caso particular consiste en el mtodo matricial tradicional, el programaempleado es SAP2000.

Para el modelado de la estructura se determinaron sus caractersticas geomtricasa partir del predimensionamiento existente. Tambin se modelaron al mximo laspropiedades de los materiales y las condiciones reales bajo las cuales estar

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sometida la estructura, teniendo en cuenta la ubicacin, el uso y los mtodosconstructivos.

Para el diseo de los muros se obtuvo la envolvente de esfuerzos de corte ymomento para las diferentes combinaciones e hiptesis de carga, asumiendo que

el tanque est completamente enterrado. Es decir se dise con los esfuerzosmximos hipotticos. Los valores para cada elemento con sus correspondientescombinaciones y sus envolventes.

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9.5.1 ESTRUCTURA DE TRATAMIENTO PRELIMINAR

9.5.1.1 Muro Posterior

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Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.2 mb = 1 m d = 0.15 m

Diseo a cortanteCortante ultimoVu = 1.39 Ton

Resistencia a cortante del concretoVc = 11.97 Ton CUMPLE

Diseo a flexin

M11 M22Momento Ultimo Mu (Ton-m)

= 1.05 0.53Coeficiente Durabilidad S = 1.6 1.6

SxMu (Ton-m) = 1.68 0.848

Cuanta Mnima min = 0.0033 0.0033Cuanta = 0.00182 0.00091

Cuanta Mxima max = 0.0228 0.0228

rea de refuerzo (cm2/m) = 4.95 4.95Distribucin del refuerzo #4 @ 0.26 #4 @ 0.26

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9.5.1.2 Muro Lateral Derecho

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Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.2 mb = 1 m d = 0.15 m


Resistencia a cortante del concretoVc= 11.97 Ton CUMPLE

Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 2.48 1.79

Cuanta Mnima min = 0.0033 0.0033Cuanta = 0.00270 0.00194

Cuantia Mxima max = 0.0228 0.0228


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9.5.1.3 Muro Interior Rampa de Acceso

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Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.2 mb = 1 m d = 0.15 m


Resistencia a cortante del concretoVc = 11.97 Ton NO CUMPLE

Se aumenta la seccin del muro en la esquina de la rampa al inicio de lamisma en todo el ancho

Diseo a flexin


= 2.66 3.29

Coeficiente Durabilidad S = 1.6 1.6SxMu (Ton-m) = 4.26 5.26

Cuantia Mnima min = 0.0033 0.0033Cuantia = 0.00472 0.00589



Se aumenta el espesor del muro al inicio de la rampa por el mismo ancho de larampa.

Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 1 mb = 1 m d = 0.95 m

Diseo a cortante

Cortante ultimo

Vu = 61.22 TonResistencia a cortante delconcreto

Vc = 75.81 Ton CUMPLE

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9.5.1.4 Muro Exterior Rampa de Acceso

34


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Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.2 mb = 1 m d = 0.15 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 1.68 0.70




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9.5.1.5 Losa para Rampa de AccesoCalculo para 1m de longitud al inicio de la rampa donde se encuentra una mayorconcentracin de esfuerzos

Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.075 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.3 mb = 1 m d = 0.225 m

Diseo a cortante

Cortante ultimoVu = 12.41 Ton


Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 4.38 3.55

Cuantia Mnima min = 0.0033 0.0033

Cuantia = 0.00211 0.00171Cuantia Mxima max = 0.0228 0.0228


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Calculo para el resto de la rampa

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Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.075 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.15 mb = 1 m d = 0.075 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 3.84 1.47



rea de refuerzo (cm2/m) = 14.53 4.97distribucin del refuerzo #4 @ 0.09 #4 @ 0.26

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9.5.1.6 Losa de fondo

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40/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.2 mb = 1 m d = 0.15 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 1.78 2.27


Cuantia mxima max = 0.0228 0.0228


40


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9.5.2 ESTRUCTURA ESTACION DE BOMBEO

9.5.2.1 Muro frontal

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42/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.25 mb = 1 m d = 0.2 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 3.54 3.25




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43/60


9.5.2.2 Muro posterior

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44/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.25 mb = 1 m d = 0.2 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 1.57 2.56




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45/60


9.5.2.3 Muro lateral derecho

45


46/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.25 mb = 1 m d = 0.2 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 1.39 3.28




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9.5.2.4 Muro lateral izquierdo

47


48/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.25 mb = 1 m d = 0.2 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 1.87 1.36




48


49/60


9.5.2.5 Losa de fondo

49


50/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.25 mb = 1 m d = 0.2 m



Diseo a flexin


= 0.4 1Coeficiente Durabilidad S = 1.6 1.6

SxMu (Ton-m) = 0.64 1.60




50


51/60


9.5.2.6 Losa superior

51


52/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.05 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.25 mb = 1 m d = 0.2 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 3.63 1.20




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53/60


9.5.3 CAJA DE MANIFOLD

9.5.3.1 Losa inferior

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54/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.075 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.15 mb = 1 m d = 0.075 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 0.91 2.56




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55/60


9.5.3.2 Muro posterior

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56/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.075 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.15 mb = 1 m d = 0.075 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 0.69 0.83




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9.5.3.3 Muro lateral derecho

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58/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.075 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.15 mb = 1 m d = 0.075 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 0.50 0.83




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59/60


9.5.3.4 Muro lateral izquierdo

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60/60


Datos de entrada

f'c = 310 kg/cm2 r = 0.075 m

fy = 4200 kg/cm2 e = 0.15 mb = 1 m d = 0.075 m



Diseo a flexin



SxMu (Ton-m) = 0.69 0.91



rea de refuerzo (cm2/m) = 2.48 3.01distribucin del refuerzo #3 @ 0.29 #3 @ 0.24

Documents

Informe Diseño Estructural Ptar Guacheta_v3