anÁlisis de reservorios circulares por elementos finitos
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TESIS:
“Análisis y Diseño de Reservorios Circulares de C°A° Mediante los Métodos de
Elementos Finitos y PCA en la Ciudad de Puno, 2012.”
Capítulo II: M
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2.1 RESEÑA HISTÓRICA DEL MÉTODO PCA
El desarrollo del método PCA comienza en 1943, y la teoría usada en esos tiempos
para el análisis estructural estaba basada en la Teoría de la Elasticidad. Fue
desarrollada por Domel y Gogate, consultores de la Asociación de Cemento Portland
de Worthington, Ohio.
El siguiente método surgió por la iniciativa de la construcción masiva de reservorios
en los EE.UU., en esos entonces el tiempo era un factor valioso, y no se contaba con
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el tiempo suficiente para el desarrollo del análisis estructural de los mismos. Ya que
la complejidad matemática, para dicho desarrollo era demasiado prolongado.
Dicho de esta manera, los señores Domel y Gogate, haciendo uso de métodos
numéricos, desarrollaron tablas para diferentes dimensiones de reservorios
apoyados, así también para diferentes condiciones de carga y apoyo.
2.2 RESEÑA HISTÓRICA DEL MÉTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS
Si bien esto fue inmediatamente precedido por el gran logro de la escuela francesa,
tal como Navier y St. Venant, el periodo de 1850 a 1875 es un punto lógico para
nuestro empiezo. Los conceptos de análisis de pórticos emergieron gracias al
esfuerzo de Maxwell, Castigliano, Mohr y otros. (Gallagher, 1977: 3)
El desarrollo moderno del método de elementos finitos comienza en 1940, en el
campo de la Ingeniería Estructural con el trabajo de Hrennikoff en 1941, y McHenry
en 1943, quien uso elementos unidimensionales para la solución de una celosía. En
una investigación publicada en 1943 no reconocida por varios años, Courant propuso
la solución de esfuerzos por métodos variacionales. Luego el introdujo las funciones
de forma para regiones triangulares, como un método para obtener soluciones
numéricas aproximadas.
En 1947, Levy desarrolló el método de las fuerzas o flexibilidad, y en 1953 su trabajo
sugirió el método de los desplazamientos o rigideces, seria una alternativa para el
análisis de aviones que son estructuras estáticamente redundantes. Sin embargo,
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estas ecuaciones no eran fácilmente resueltas a mano, y así el método comenzó a
ser popular, con el advenimiento de las computadoras.(Logan, 2007:
En 1954 Argyris y Kelsey desarrollaron el método de análisis matricial usando
principios de energía. Este desarrollo ilustro el importante papel, que el principio de
energía podría jugar en el método de elementos finitos.
El primer tratamiento de elementos bidimensionales fue por Turner et al. En 1956.
Ellos derivaron la matriz de rigidez para elementos armadura, elementos viga, y
elementos triangulares y elementos rectangulares con procedimientos conocidos
comúnmente como el método de rigidez directa.
Mas adelante con el desarrollo de computadoras digitales en los 50s, el trabajo de
Turner et al. pronto fueron aplicados pero expresadas en notación de matrices. La
frase elemento finito fue introducido por Clough en 1960.
La matriz de rigidez, de elementos placa sometidos a momentos fue desarrollado por
Melosh en 1960. Esto fue seguido por el desarrollo de la matriz de rigidez para
elementos membrana por Grafton y Strome en 1963.
La extensión del método de elementos finitos a problemas tridimensionales con el
desarrollo de una matriz de rigidez de tetraedros fue hecho por Martin en 1961, por
Gallagher et al. en 1962, y por Melosh en 1963. Adicionalmente, elementos
tridimensionales fueron estudiados por Argyris en 1964. El especial caso de solidos
eje simétricos fue considerado por Clough and Rashid y Wilson en 1965.
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La mayoría de trabajos en elementos finitos fueron considerados para pequeños
desplazamientos, comportamiento elástico del material, y cargas estáticas. Sin
embargo deflexiones largas y análisis térmico fueron considerados por Turner et al.
en 1960 y materiales no lineales por Gallagher et al. en 1963. Zienkiewicz et al.
extendió el método a problemas visco elásticos en 1968. (Logan, 2007: 3)
En 1965 Archer considero el análisis dinámico en el desarrollo de la matriz masa-
consistencia, cual es aplicable al análisis de sistemas como barras y vigas en análisis
estructural.
Desde los 50s al presente, enormes avances han sido hechos en la aplicación del
método de elementos finitos para resolver complicados problemas ingenieriles.
Ingenieros, matemáticos, y científicos continúan desarrollando nuevas aplicaciones.
2.3 INGENIERÍA ESTRUCTURAL
2.3.1 Definición
La ingeniería estructural es la ciencia y el arte de planear, diseñar y construir
estructuras seguras y económicas que servirán a los fines a los que están
dirigidas.
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2.3.2 Papel del análisis estructural en los proyectos de ingeniería
estructural
El análisis estructural es la predicción del comportamiento de una estructura
dada bajo cargas prescritas y otros efectos externos, o bajo ambas influencias,
como movimientos de los apoyos y cambios en la temperatura.
Por lo tanto, podemos decir que el análisis estructural es un proceso iterativo,
que podemos plantear en un diagrama de flujos, como se muestra en la Fig.
.
Fig. Fases de un proyecto tipico de ingenieria estructural
Fuente: Analisis Estructural (Kassimali, A. 2001:6)
Fase de construcción
Diseño estructural preliminar
Fase de planeación
Estimación de las cargas
Análisis estructural
¿Se satisfacen
las necesidades
de seguridad y
utilidad?
Diseño
estructural
revisado
Si
N
o
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2.4 RESERVORIO
2.4.1 Definición
Es una estructura hidráulica con capacidad de contener líquidos que puede
ser agua potable o agua tratada, o cualquier otro liquido; estas estructuras
pueden estar apoyadas, elevadas o enterradas.
2.4.2 Reservorios apoyados
Los reservorios apoyados, que principalmente tienen forma rectangular y
circular, son construidos directamente sobre la superficie del suelo. Por lo
general, se utiliza este tipo de reservorios, cuando el terreno sobre el que se
va a desplantar tiene la capacidad necesaria para soportar las cargas
impuestas, sin sufrir deformaciones importantes. Resulta también conveniente,
si fuese necesario, contar con una cierta altura para la descarga del líquido, a
fin de disponer de una carga de presión hidrostática adecuada.
Los reservorios apoyados tienen la ventaja de que su mantenimiento es mas
sencillo de efectuar y mas fácil la instalación, operación y mantenimiento de
las tuberías de entrada y salida.
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Fig. Reservorio Apoyado
Fuente: www.sedapal.com.pe
2.4.3 Reservorios elevados
Los reservorios elevados, pueden tomar la forma esférica, cilíndrica, y de
paralelepípedo, son construidos sobre torres, columnas, pilotes, etc.
Generalmente se construyen en ciudades que cuentan con una topografía
plana.
Fig. Reservorio Elevado
Fuente: www.sedapal.com.pe
2.4.4 Reservorios enterrados y semienterrados
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Los reservorios enterrados se construyen totalmente bajo la superficie del
terreno. Se emplean cuando el terreno de desplante es adecuado para el
funcionamiento hidráulico de la red de distribución y cuando es necesario
excavar hasta encontrar un estrato de soporte más resistente.
Tienen la ventaja de conservar el agua a resguardo de las grades variaciones
de temperatura; no alteran el paisaje y sus cubiertas pueden utilizarse para las
mas diversas funciones.
Sus inconvenientes son el tener que efectuar excavaciones costosas, la
dificultad de observar y mantener las instalaciones de conexión del
abastecimiento y la red de distribución, así como, la dificultad para descubrir
las posibles filtraciones y fugas del líquido.
Por otro lado, en los reservorios semienterrados, una porción de la
construcción se encuentra bajo el nivel del terreno y parte sobre éste. La
construcción de este tipo de reservorio esta definida por razones de topografía
o cuando el costo de la excavación es alto, ya sea porque esta no se justifica
debido a su localización desventajosa o por razones de geotecnia. De no
observarse ambos factores, traerían aparejados el costo elevado de la
construcción, Por otra parte, permite un acceso a las instalaciones más
fácilmente que el de los depósitos totalmente enterrados.
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2.5 MÉTODO PCA
2.5.1 Introducción
Convencionalmente los reservorios circulares reforzados han sido usados
extensivamente en municipalidades e industrias durante décadas, el diseño de
estas estructuras requieren atención, no solamente por los requerimientos de
esfuerzos, sino para requerimientos de servicio.
Apropiadamente diseñada debe poder resistir las cargas aplicadas sin romperse
que permita escape. La meta de proveer un tanque estructural que no pierda es
llevar a cabo las cantidades adecuadas y distribución de refuerzo, el adecuado
espaciamiento y detalles de juntas de construcción, y el uso de la calidad de
concreto usando adecuadas prácticas de construcción.
Un total repaso de los últimos reportes de ACI Committee 350 es esencial para
entender el diseño de reservorios.
2.5.2 Condiciones de carga
Un reservorio debe ser diseñado para resistir cargas que pueden ser expuestos
durante muchos años de uso. Pero esto es igualmente importante considerando
cargas durante la construcción. Un ejemplo de algunas condiciones de carga que
deben ser considerados para una parcialmente enterrada. El reservorio debe ser
diseñado para resistir a las fuerzas de presión hidrostática en el fondo de la losa
cuando el reservorio está vacío. Además, esto es importante por el ingeniero
estructural para determinar toda posible condición de carga en la estructura. De
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acuerdo al ACI 350, el efecto total de la carga de suelo y presión de agua debe
ser diseñado sin el beneficio de resistencia de las cargas que podrían minimizar
el efecto de cada uno. (PCA. 1993: 1)
2.5.3 Análisis estructural
El análisis estructural, para el cálculo de momentos flectores y tensión son
calculados mediante coeficientes ya determinados, las mismas las encontramos
en ábacos en el Apéndice de la publicación Circular Concrete Tanks Without
Prestressing y en el anexo 1 del presente trabajo. Las que se encuentran de
acuerdo a las condiciones de borde, las mismas las podemos dividir de la
siguiente manera:
Muro con base empotrada y borde libre con carga triangular.
Muro con base móvil y borde libre con carga triangular.
Muro con base móvil y borde libre y carga trapezoidal.
Muro con fuerza aplicada en el borde.
Muro con fuerza aplicada en la base.
Muro con momento aplicado en el borde.
Muro con momento aplicado en la base.
El procedimiento para determinar los momentos flectores, fuerza cortante y
tensión radial en todos los casos son similares, la diferencia está en los
coeficientes, porque para cada condición de borde se tiene un ábaco diferente.
El procedimiento de uso de las mismas la detallamos a continuación.
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a) Calculo de la pared cilíndrica
- Tensiones horizontales
La tensión es obtenida mediante la siguiente fórmula, se entra a la tabla del PCA:
El valor de “C” se obtiene de la tabla A- del anexo, mediante la siguiente
relación:
: Altura total de reservorio
: Diámetro de reservorio
: Espesor de muro
: Coeficiente
: Peso de la agua
: Radio
- Cálculo de refuerzo
De acuerdo al diagrama de tensiones anulares, se calculara se calculara el
refuerzo a cada tercio de la altura, según la relación siguiente:
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Donde:
: Área de acero
: Tensión
: Fatiga de trabajo
Dado que todo el anillo trabaja a tracción, el concreto solo es recubrimiento del
acero, por lo que se considera .
- Cálculo de momentos verticales
Con el valor del factor de selección, entramos a la tabla A- del PCA:
- Verificación por Corte
Según la tabla A- del PCA, el corte máximo será en condición última con:
. Será:
√
b) Calculo de la losa de fondo
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Asumiendo el espesor de la losa de fondo, conocida la altura de agua, el valor de
P será:
Peso propio del agua en kg/m2
Peso propio del concreto kg/m2
La losa fondo será analizada como una placa flexible y no como una placa rígida.
Debido a que el espesor es pequeño en comparación en relación a su longitud;
además la consideraremos apoyada en un medio cuya rigidez aumenta con el
empotramiento. Dicha placa estará empotrada en los extremos.
- Cálculo de momentos verticales
Según la tabla A-14 los momentos en la losa circular estará dada por:
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2.6 MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS
2.6.1 Introducción
El desarrollo del Método de Elementos Finitos (MEF) como una herramienta de
análisis, fue inicialmente iniciado con el advenimiento de las computadoras
digitales. Para la solución numérica de un problema del continuo esto es
básicamente necesario para establecer y resolver sistemas de ecuaciones.
La aplicación del MEF y el uso de computadoras digitales es posible establecer y
resolver ecuaciones para sistemas complejos en un tiempo eficiente. Esto es
principalmente para estructuras o sistemas continuos que pueden ser analizados.
El MEF fue inicialmente desarrollado en la física para el análisis de mecánica
estructural; sin embargo, este método puede ser aplicado de muchos problemas.
La generalización del MEF se efectúa con la formulación de los métodos
variacionales.
El caso original de desarrollo, es difícil dar una fecha exacta cuando el MEF fue
inventado, pero las reglas del método pueden ser tratadas en tres grupos:
Matemáticos, Físicos, e Ingenieros. Aunque las principales publicaciones son
obtenidos por el independiente desarrollo por ingenieros. Importante contribución
han sido las investigaciones de Turner et al. , Argyris y Kelsey. El nombre de
Elemento Finito fue ganado en las investigaciones de Clough.
Hoy, el concepto de MEF es muy extenso. La más importante formulación, cual
es ampliamente usado para la solución de problemas prácticos, es el MEF
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basado en desplazamientos. Prácticamente todos los programas de análisis han
sido escritos usando esta formulación, por su simplicidad, generalización, y
buenas propiedades numéricas.
¿Qué es el método de elementos finitos?
El método de elementos finitos es un procedimiento para la solución numérica de
las ecuaciones que gobiernan los problemas fundamentales en la naturaleza.
(Oñate,
Usualmente el comportamiento de la naturaleza puede ser descrito por
ecuaciones expresadas en ecuaciones diferenciales o integrales. Generalmente,
el MEF (Método de Elementos Finitos) es comprendido en matemáticas como
una técnica numérica para la resolución de ecuaciones diferenciales parciales o
ecuaciones con integrales.
¿Qué es un elemento finito?
Un elemento finito puede ser visualizado como una pequeña porción de un
continuo (en nuestro caso de un sólido o estructura La palabra “finito”
distinguido como una porción de los elementos “infinitesimal” del cálculo
diferencial. La geometría del continuo es considerada por parte, de un conjunto,
de una colección de no-coincidir dominios con simple geometría de elementos
finitos. (Hartmann, 2006:1)
Triángulos y cuadriláteros en dos dimensiones (2D) o tetraedros y hexaedros en
tres dimensiones (3D son comúnmente escogidos para representar “elementos”
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Es usualmente conocido como “malla” de elementos finitos “discretos” de
continuo. La variación de espacio de los problemas paramétricos es expresado
dentro de cada elemento por promedio de un expresión polinomial.
Desde la variación analítica de cada parámetro es más complejo y generalmente
no conocido, el MEF solamente provee una aproximación a la solución exacta.
(Oñate, 3
.4 Método numérico y analítico
La diferencia entre método analítico y numérico es que el antiguo registro para
las expresiones matemáticas universales representan lo general y exacta
solución de un problema gobernado típicamente por ecuaciones matemáticas.
Desafortunadamente soluciones exactas son solamente posibles para unos
pocos particulares casos cual frecuentemente representan basta simplificación
de la realidad. (Oñate,
En el otro lado, métodos numéricos tal como los MEF principalmente proveen
una solución, en la forma de una serie de números, a las ecuaciones
matemáticas que gobiernan un problema. La estrategia siguiente, por más
métodos numéricos, es la transformación de expresiones matemáticas en una
serie de ecuaciones algebraicas que dependen de una serie finita de parámetros.
Para problemas prácticos estas ecuaciones comprenden muchos miles de no
conocidos y además el sistema final de ecuaciones algebraicas puede solamente
ser resueltas con la ayuda de la computadora. (Oñate, 2009:2)
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Esto explica porque cada uno piensa varios métodos numéricos, fueron
conocidos desde el siglo XVIII, su desarrollo y popularidad ha ocurrido en tándem
al progreso de las modernas computadoras en el siglo XX. El termino método
numérico es sinónimo de método computacional.
Principios generales del método de elementos finitos
El método de los elementos finitos es un método general de análisis estructural,
que idealizando la estructura como un conjunto de elementos interconectados en
un número finito de nudos, reduce el análisis básicamente a la solución de un
sistema de ecuaciones lineales. Las incógnitas consideradas al plantear este
sistema de ecuaciones son las fuerzas que interactúan en los nudos o los
desplazamientos de los mismos. (Scaletti, 1967: A-
La última de las posibilidades citadas, en que los desplazamientos de los nudos
son las incógnitas, corresponde al “Método de rigideces” y es sin duda la que
presenta mayor simplicidad y facilidad de programación. Estudios comparativos
entre este método y aquel que considera como incógnitas las interacciones en
los nudos, conocido como “Método de flexibilidades”, realizados por Gallagher,
Rattinger y Archer (Scaletti, : A-3), demuestra que, para estructuras en que
es sobre todo importante conocer las solicitaciones, los métodos de rigidez dan
mejor rigidez.
En general, para una estructura sometida a cargas estáticas, el proceso a
seguirse puede ser resumido en los pasos siguientes:
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a. “Discretización” del medio continuo
b. Estudio de cada elemento por separado y evaluación de su matriz de rigidez.
c. “Ensamblaje” adecuado de las matrices de rigidez de los elementos para
formar la matriz de rigidez de la estructura.
d. Formación de las matrices de carga.
e. Condensación de las matrices de rigidez y carga.
f. Formulación de condiciones de borde y las consecuentes modificaciones de
las matrices de rigidez y cargas aplicadas.
g. Solución del sistema de ecuaciones.
h. Determinación de reacciones y evaluación de esfuerzos internos en los
elementos.
.5.1 Discretización del medio continúo
El medio continuo es separado, mediante líneas o superficies imaginarias, en un
número de “Elementos finitos” interconectados entre sí La “Discretización” del
medio continuo implica considerar, en lugar de los infinitos puntos de
interconexión existentes entre los “elementos” en a estructura real, tan solo un
numero finito de “nudos” y, en consecuencia, la “concentración” del
comportamiento de la estructura y de las acciones sobre la misma en los puntos
Fig. . Las interacciones entre los elementos también se suponen
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concentradas en fuerzas equivalentes actuantes en los nudos. Las interacciones
entre los elementos también se suponen concentradas en fuerzas equivalentes
actuantes en los nudos.
Los nudos entonces vienen a ser puntos representativos de la estructura, y sus
desplazamientos, o la interacción en los mismos, se toman como incógnitas.
Por razones prácticas, el número de incógnitas o “grados de libertad” que se
consideran para cada nudo rara vez corresponde al caso de una unión rígida y
tridimensional, ya sea por la naturaleza del problema ciertos desplazamientos
son de muy poca importancia, como por la necesidad de limitar el número total
de incógnitas a la capacidad de memoria de la computadora que se dispone.
Fig. Discretización de una estructura
Fuente: Structural Analysis with Finite Element (Hartmann, F. 2006:1)
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Fig. Discretización de modelos estructural en elementos finitos
Fuente: Structural Analysis with the Finite Element Method. (Oñate, E. 2009:5)
.5.2 Ensamblaje de la matriz de rigidez de la estructura
Considerables ventajas de programación se obtienen formando la matriz de
rigidez de la estructura por sucesivos ensamblajes de las matrices de rigidez de
los elementos finitos considerados como estructuras aisladas.
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Asumiremos ahora, como punto de partida, que es posible calcular las matrices
de rigidez de los elementos aislados, y analizaremos las condiciones que
posibilitan y determinan los criterios a seguirse para este ensamblaje.
Dos tipos de condiciones deben ser satisfechas, en toda la estructura, para lograr
resultados adecuados:
Compatibilidad de desplazamientos.
Equilibrio de fuerzas.
Nótese que para puntos situados en el interior de un elemento cualquiera estas
condiciones deben ser necesariamente satisfechas al analizar el elemento en
forma aislada. Sin embargo, para puntos situados sobre los límites entre
elementos, el planteamiento de las condiciones de continuidad presenta serias
dificultades, y estrictamente, se limita en la práctica solo a los nudos. Aunque
también pueden plantearse condiciones de continuidad, de esfuerzos o de
deformaciones, a lo largo de los bordes (siempre que se tenga continuidad en los
nudos), no es esto dispensable para conseguir convergencia a la solución
exacta.
Evaluación de las matrices de rigidez y carga de los elementos
En secciones anteriores se ha hecho referencia a la idealización de estructuras
como un ensamble de elementos interconectados solo en nudos, y a la obtención
de la matriz de rigidez de la estructura ensamblada en base a las características
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de rigidez de los elementos aislados es en consecuencia un paso previo en la
aplicación de los métodos matriciales.
Aunque para el caso para el caso de estructuras de barras es posible determinar
las matrices de rigidez de los elementos por métodos tan simples como la teoría
de vigas, para elementos más complejos esto en general no es posible. Existen
muchas alternativas a utilizar en la determinación de las matrices características
de los elementos, pero todas ellas son equivalentes, el más usado son las
funciones de forma.
La función de forma para cada elemento se selecciona una aproximación de la
función buscada. La función buscada puede dar la distribución del campo de
desplazamientos en problemas de elasticidad. Para problemas unidimensionales
las funciones de forma son polinomios de primero, segundo o tercer orden. Para
problemas de dos dimensiones, las funciones de forma son polinomios lineales,
cuadráticos o de orden mayor. (Rubio et al., 2010:12)
La función por aproximar puede expresarse a través de las variables
nodales del elemento mediante una combinación lineal de las funciones de forma
con las variables nodales como coeficientes. Si solo los valores de la función en
los nodos, son tomados como variables, la aproximación para el elemento
bidimensional con nodos tiene la forma:
∑
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En donde es el número de nodos en el elemento.
La misma que puede ser denotada en un formato de matrices de la forma:
{ } { } { }
Donde { } son las funciones de forma y { } son los grados de libertad.
Fig. Algunos tipos comunes de elementos
Fuente: Método del Elemento Finito Fundamentos y Aplicaciones con ANSYS.
(Rubio, C. et al. 2009:12)
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.5.4 Transformación de matrices por cambio de sistema de referencia
Con frecuencia es conveniente analizar cada elemento refiriéndolo a un sistema
local de coordenadas, X’Y’Z’, no coincidente al sistema global, XYZ, asumiendo
para la totalidad de la estructura. Como los desplazamientos de los nudos, las
cargas externas, y las interacciones entre elementos están referidos al sistema
de coordenadas globales, es necesario realizar ciertas transformaciones antes
de proceder el ensamblaje.
Condensación de las matrices de rigidez
La matriz de rigidez de una estructura, obtenida por ensamblaje, se relaciona con
todas las posibles fuerzas en los nudos con los correspondientes
desplazamientos. Sin embargo, en muchas aplicaciones solo un limitado número
de estas fuerzas es aplicado y ciertos desplazamientos son de poca importancia.
En tales casos puede ser conveniente obtener una modificación de la matriz de
rigidez que solo relacione fuerzas y desplazamientos correspondientes a los
grados de libertad de interés para el análisis. Ello puede hacerse con el proceso
de condensación estática.
Formulación de condiciones de borde
Tal como se ha planteado el análisis, la estructura idealizada es hiperestática. La
aplicación de un estado de cargas de cualquier tipo (excepto cuando las cargas
externas se equilibren entre si) provocaría, antes que la deformación de los
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elementos componentes, los desplazamientos de toda la estructura como un
cuerpo rígido.
Matemáticamente, la hipoestaticidad de la estructura se traduce en la
singularidad de la matriz de rigidez de la misma; pudiéndose así obtener, para
cada estado de cargas, infinitos posibles estados de desplazamiento.
Con la aplicación de condiciones de borde se hace estable la estructura, es decir,
se logra una solución única. Una de las grandes ventajas del MEF es la sencillez
y generalidad con las que cualquier condición de borde puede ser considerada.
Las condiciones de carga pueden ser impuestas como fuerzas (reacciones) o
desplazamientos establecidos previamente a la solución. La especificación de
fuerzas de borde puede ser incluida en forma automática al formar las matrices
de carga. Si se establece algún desplazamiento, debe eliminarse la
correspondiente fila de la matriz de rigidez y transferir al otro miembro, la
correspondiente columna multiplicada por el desplazamiento pre-establecida.
Matemáticamente, este proceso significa la eliminación de una de las incógnitas.
Aunque esta eliminación es muy simple para el cómputo manual, no es práctico
para su uso en una computadora digital, ya que obliga a ejecutar demasiados
procesos de reorganización de las matrices.
TESIS:
“Análisis y Diseño de Reservorios Circulares de C°A° Mediante los Métodos de
Elementos Finitos y PCA en la Ciudad de Puno, 2012.”
Capítulo II: M
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Solución del sistema de ecuaciones
La solución del sistema de ecuaciones, introducidas las modificaciones
necesarias, proporciona los desplazamientos. Aunque en principio cualquier
método de solución podría ser usada, la gran magnitud que por lo general tiene
la matriz de rigidez de la estructura vuelve inoperante los métodos tradicionales.
Determinación de las reacciones
La formulación de condiciones de borde mediante establecimiento a priori de
ciertos desplazamientos implica la existencia de reacciones, cuya magnitud en
muchos casos debe determinarse.
Tales reacciones pueden ser consideradas como fuerzas adicionales, que
requieren ser aplicadas a los nudos en que se ha delimitado algún grado de
libertad para lograr los desplazamientos pre-establecidos.
Convergencia del MEF
De lo planteado hasta el momento, puede concluirse que el MEF es un método
aproximado, puesto que:
Los infinitos grados de libertad de la estructura real son restringidos por
funciones asumidas para los desplazamientos y/o esfuerzos, expresándose en
base a un número finito de grados de libertad.
La continuidad entre elementos es notoriamente afectada.
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Sin embargo, es esperar que, si se consideran elementos adecuados, con este
método se obtengan soluciones convergentes a los valores exactos a medida
que se reducen las dimensiones de los elementos. Considerando que, en el
límite, para elementos infinitésimos, los resultados deben ser exactos, dos
condiciones necesarias y suficientes para que exista convergencia pueden
plantearse:
o Los grados de libertad considerados para los nudos y las funciones de forma
asumidas en los elementos deben ser compatibles con las condiciones de
equilibrio y adecuadas para describir el estado de deformación existente.
o Las funciones de forma asumidas deben ser aptas para representar un estado
de deformación constante en el elemento. En particular, desplazamientos de
cuerpo rígido deben poder representarse adecuadamente.
No es indispensable, aunque si conveniente, que las funciones de forma
asumidas establezcan continuidad, en todos los bordes entre elementos, de
todas las componentes de desplazamiento; puesto que, existiendo continuidad
en los nudos, en el límite, para elementos infinitésimos, cuya deformación tiende
a ser constante, la continuidad se restablece en forma automática.
Experimentalmente se ha comprobado que tales funciones son totalmente
consistentes con el estado de deformación también convergen, aunque no se ha
determinado en qué proporción las discontinuidades citadas podrían afectar el
ritmo de convergencia. (Scaletti, A-
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Modelo estructural y análisis MEF
Clasificación del problema
El primer paso en la solución de un problema es la identificación del problema en
sí. Por lo tanto, antes de que nosotros podamos analizar una estructura nosotros
debemos hacernos las siguientes preguntas: ¿Cuáles son los más relevantes
fenómenos físicos que influyen en la estructura? ¿Es el problema de naturaleza
estática o dinámica? ¿Son la cinemática o la propiedad del material lineal o no
lineal? ¿Cuáles son las solicitaciones? ¿Cuál es el grado de exactitud? La
respuesta a estas preguntas es esencial para seleccionar un modelo estructural y
la adecuación de un método computacional.
Modelo conceptual, estructural y computacional
Método computacional, tal como el MEF, son aplicados a modelos conceptuales
de un problema conceptual, y no el problema actual es sí. Cada método
experimental en laboratorio estructural, hace uso de reproducción a escala de un
modelo conceptual escogido (también llamado modelo físico) a menos que la
actual estructura es probada en escala real, cual raramente ocurre. Un modelo
conceptual puede ser desarrollado una vez que la naturaleza física es
claramente entendida. En la derivación de un modelo conceptual nosotros
debemos proponer, para excluir detalles superfluos e incluir las características
relevantes del problema antes considerado; entonces, ese modelo puede
describir realmente con suficiente exactitud. (Oñate, 3
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Un modelo conceptual para el estudio de una estructura debe incluir todos los
datos necesarios, para esta representación y análisis. Evidentemente personas
diferentes tendrán diferentes percepciones de la realidad; consecuentemente, el
modelo conceptual de la misma estructura puede tomar una variedad de formas.
Después de seleccionar un modelo conceptual de una estructura, el siguiente
paso para el estudio numérico es la definición de un modelo estructural (algunas
veces modelos matemáticos).
Un modelo estructural debe incluir tres fundamentales aspectos. La descripción
geométrica de la estructura por querer decir de estos componentes geométricos
(puntos, líneas, superficies, volúmenes) Fig. , las expresiones matemáticas de
las leyes básicas de la física que gobiernan el comportamiento de una estructura
(las ecuaciones de equilibrio de fuerzas y las condiciones de frontera)
usualmente escritas en ecuaciones diferenciales y/o integrales y la especificación
de propiedades de los materiales y las cargas actuantes en la estructura.
Evidentemente el modelo conceptual puede ser analizado usando diferentes
modelos estructurales dependiendo en la exactitud y/o simplicidad en el análisis.
Como un ejemplo, una viga puede ser modelada usando la teoría general de
elasticidad 3D, la teoría de esfuerzos en 2D o una teoría simple de vigas. Cada
modelo estructural provee una diferente serie de análisis de la estructura actual.
Nosotros debemos tener en mente que una solución fundada en un incorrecto
modelo conceptual o físico traerá una incorrecta solución. Lejos del valor físico
correcto, si es obtenido con la exactitud del método numérico.
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El siguiente paso, en la secuencia del análisis estructural es la definición del
método numérico, tal como el MEF. La aplicación del MEF invariablemente
requiere la implementación de un código computacional. El análisis de una
estructura con el MEF implica la alimentación de un código con información
cuantitativa en las propiedades mecánicas de los materiales, las condiciones de
frontera y las cargas aplicadas tan bien como las características de la
discretización.
El resultado de este proceso es que nosotros llamamos un modelo
computacional para el análisis de una estructura.
Fig. Modelos estructurales de algunas estructuras
Fuente: Structural Analysis with the Finite Element Method. (Oñate, E.
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Análisis estructural por el MEF
La geometría de una estructura es discretizada cuando esto es dividido en una
malla de elementos finitos de una cierta exactitud. Claramente, la discretización
introduce otra aproximación, con respecto a la realidad nosotros tenemos
además dos errores originados de los resultados: el error modelo y el error
discretización. El pasado puede ser reducido mejorando el modelo conceptual y
estructural cual describe el actual comportamiento, previamente explicada. El
error discretización, por otro lado, puede ser reducido usando finas mallas, o
también aumentando la exactitud de los elementos finitos escogiendo un
polinomio de mayor orden. (Oñate, E. 2009:8)
Adicionalmente, el uso de computadoras introduce error numérico asociado con
su habilidad para representar datos exactamente con número finito. El error
numérico es usualmente pequeño, sin embargo esto puede ser largo en algunos
problemas, tal como cuando algunas partes de la estructura tienen diferentes
propiedades físicas. La suma de discretización y error numérico son el resultado
de los modelos computacionales. Nota que si nosotros podemos reducir el error
computacional a cero, nosotros no podríamos reproducir exactamente el
comportamiento actual de una estructura, a menos que el modelo conceptual y
estructural fueran perfectos.
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Verificación y validación de los resultados del MEF
Desarrolladores de códigos de elementos finitos, analistas quienes usan los
códigos y directores quienes cuentan con los resultados de los análisis, encarar
unas preguntas críticas: ¿Cómo debería confiar en modelos?.
Validación y verificación del MEF son el método primario para construcciones y
cuantificar esta veracidad. En resumen, validación es la valoración de la
exactitud de la estructura y modelo computacional por comparación de los
resultados numéricos con datos experimentales. Los experimentos son
usualmente ejecutados en laboratorio usando modelos a escala de una
estructura, y en especiales ocasiones una estructura a escala real. La correcta
definición de la prueba experimental y la fiabilidad de los resultados
experimentales son cruciales en la validación del proceso. (Oñate,
Verificación, por otro lado, es el proceso de determinar que un modelo
computacional es exactamente representado por un modelo estructural falso y su
solución. La verificación del MEF es hecho por comparación de resultados
numéricos con simples problemas con soluciones obtenidas analíticamente.
Una cautelosa examinación de la verificación indica que hay dos fundamentales
partes de verificación: Código de verificación, para establecer confianza que el
modelo matemático y la solución algorítmica, están trabajando correctamente, y
verificación de cálculo, establecer confianza que la solución discreta de los
modelos matemáticos. (Oñate,
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Entre las técnicas de verificación, el más popular es comparar la producción de
código y la solución analítica. Como el número de tantas soluciones es muy
limitado.
Fig. Flujo de una estructura real a un modelo computacional
Fuente: Structural Analysis with the Finite Element Method. (Oñate, E.
CODIGO
METODO
NUMERICO (MEF)
MODELO
ESTRUCTURAL
ESTRUCTURA
REAL
MODELO CONCEPTUAL
DE LA ESTRUCTURA
PARAMETROS
FISICOS
PARAMETROS DE
DISCRETIZACION
MODELO
COMPUTACIONAL
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Los sistemas discretos en general
Las limitaciones de la mente humana son tales que no pueden captar el
comportamiento del complejo mundo que lo rodea en una sola operación global.
Por ello, una forma natural de proceder de ingenieros, científicos, e incluso
economistas, consiste en separar los sistemas en sus componentes individuales,
o en “elementos”, cuyo comportamiento puede conocerse sin dificultad, y a
continuación reconstruir el sistema original, para estudiarlo a partir de dichos
componentes.
En muchos casos se obtiene un modelo adecuado utilizando un número finito de
componentes bien definidos. A tales problemas los denominamos discretos. En
otros, la subdivisión prosigue indefinidamente y el problema solo puede definirse
haciendo uso de la ficción matemática del infinitésimo. Ello nos conduce a
ecuaciones diferenciales o expresiones equivalentes con un número infinito de
elementos implicados a tales sistemas llamados continuos.
.7 Método variacional
El método variacional o de energía, constituye en la mecánica estructural un
poderoso método y es ampliamente usado en la formulación del método de
elementos finitos. Rudimentariamente este método ha sido herramienta para el
análisis en la Ingeniería Estructural por más de un siglo.
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2.6.7.1 Principio de trabajo virtual
El principio de trabajo virtual titulada, método variacional (convencionalmente
llamada principio de potencial estacionaria y energía complementaria). El
principio de trabajo virtual es un factor muy importante en la formulación del
método de elementos finitos. Existen dos formas comúnmente usadas para el
principio: desplazamientos virtuales y fuerzas virtuales.
2.6.7.2 Principio de desplazamientos virtual
En los desplazamientos virtuales para el principio de trabajo virtual, se asume el
cuerpo en equilibrio sujeta a cargas aplicadas, sujeta a un desplazamiento virtual
(desplazamiento imaginario).
El principio de desplazamientos virtuales estipula que la suma del trabajo hecho
por las cargas aplicadas (trabajo externo) y la energía de deformaciones (trabajo
interno) durante el desplazamiento virtual es igual a cero. Así:
Trabajo virtual interno
Las primarias formas de acción estructural con cuales nosotros estamos
concernientes son: axial, torsión, y momento flector.
Es útil en que el trabajo que sigue, hay que tenerlo disponible en una formula
general para , para cualquier problema de mecánica estructural donde el
estado de esfuerzo pueda ser bidimensional o tridimensional. Una designación
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general al estado de esfuerzo en un punto de la estructura es en la forma de un
vector columna. Para un estado tridimensional es de la forma
{ } . Similarmente, las deformaciones virtuales pueden ser
designadas por un vector fila que es . Para una
estructura donde el volumen es simbolizado por , el trabajo virtual interno
es:
∫ { }{ }
Ahora denotamos esta expresión en forma matricial,
∫ { } { }
Sabiendo que:
{ } { } { }
La expresión virtual será de la forma,
{ } { } { }
Y además por la ecuación constitutiva propuesta por R. Hooke se tiene,
{ } { }
Reemplazamos ( ) y ( 3) en ( )
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∫ { } { }
{ }
∫ { }{ }
{ } { }
Ordenamos adecuadamente esta última expresión, y tenemos,
{ } ∫ {
}
{ } { }
Trabajo virtual externo
Para calcular el trabajo virtual externo es simple en el caso de cargas
concentradas y puede representarse simbólicamente como:
∑
Donde se refiere al desplazamiento virtual del grado de libertad th y es la
carga aplicada en ese grado de libertad. Las cargas distribuidas merecen
atención. Las cargas distribuidas como combinada con el trabajo virtual de
cargas concentradas .
∫ ∑
Donde el límite de la integral es tomado para definir la porción del miembro en la
cual la carga actúa. La misma podemos expresarla mediante matrices, que en
forma general será,
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{ } { }
2.6.7.5 Desplazamiento virtual para la formulación de la matriz de rigidez
La expresión del principio de desplazamiento virtual puede ahora se rescrito para
un elemento individual, tratando esto como si esto fuera una estructura en
aislamiento. El básico estado de este principio fue establecido en la sección
Básicamente, para determinar la matriz de rigidez para cualquier tipo de estado
sea bidimensional o tridimensional en una estructura, aplicamos el principio de
los desplazamientos virtuales, por lo tanto reemplazamos ( 14) y ( ) en
( ) y obtenemos:
{ } { } ( { }
∫ { }
{ } { })
{ } { } { }
∫ { }
{ } { }
{ } ∫ { }
{ } { }
Esta ultima relación si la comparamos con la expresión del método de rigidez que
es de la forma,
{ } { }
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Podemos deducir que:
∫ { }
{ }
Que viene a ser la expresión más importante, para poder abordar un problema
de Ingeniería Estructural, con el método de elementos finitos.
La misma que podemos expresarla de otra manera,
∫
Pero nuestra prioridad para el presente estudio es tener esta relación en
coordenadas cilíndricas, por lo tanto tenemos,
∫
Láminas de revolución
La simulación del comportamiento de estructuras formadas por láminas delgadas
tridimensionales es un tema de gran interés para la comunidad de ingeniería.
Desde los primeros años de desarrollo del método de los elementos finitos se ha
realizado investigación a este respecto, debido en gran parte, al enorme número
de aplicaciones prácticas de este tipo de estructuras, para las cuales existen
diversas soluciones y aproximaciones.
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El desarrollo de elementos para cascarones ha encontrado una gran variedad de
problemas diferentes en el camino, en los que se puede mencionar la
sensibilidad a la distorsión geométrica, problemas de bloqueo de los mecanismos
de membrana y de corte, modos de cero y energía, y problemas de estabilidad,
precisión y convergencia. Las diversas alternativas de solución que se pueden
proponer y el hecho de que todas son 100% efectivas, hacen que a la fecha, la
investigación sobre cascarones sea todavía un área activa.
Los métodos de formulación para cascarones se divida en dos grandes grupos:
los que modelan comportamiento a partir de las relaciones tridimensionales de
mecánica, agregando restricciones a los campos de desplazamiento (Yang et. al,
); y los que modelan el comportamiento a partir de las ecuaciones de
comportamiento estructural de láminas. (Zienkiewicz et al. 1994:147)
El comportamiento de láminas se puede modelar de diversas maneras
dependiendo de las suposiciones que se tomen, hay modelos que plantean el
comportamiento empleado teoría de láminas en tres dimensiones, lo cual
introduce un grado elevado de complejidad en la matemática necesaria para
modelar la geometría; y hay modelos que emplean una simplificación en la
representación geométrica; utilizando superficies faceteadas planas para
aproximarla. Aunque esto introduce un error de discretización, con suficientes
facetas se puede lograr una buena aproximación a la solución, con la ventaja de
que los elementos se forman mediante una superposición de placas y
membranas planas, de formulación más sencilla.
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Se iniciara con la descripción de un elemento membrana que considera las
rotaciones alrededor de un eje normal al plano del elemento en el cómputo del
movimiento del material. Esto se hace para evitar un problema común en
cascarones modelados con elementos planos.
Dado que la teoría de placas toma en cuenta solo deflexión normal y las
rotaciones fuera del plano, y la teoría de esfuerzo plano, la combinación carece
de influencia para la rotación normal al plano, lo que refleja en falta de rigidez
con respecto a ese giro cuando los elementos que llegan a ese nudo son todos
coplanares.
.1 Aplicaciones del MEF a láminas en revolución
Si bien es obvio que el método general es aplicable a este caso, veremos que al
tener en cuenta la simetría de eje se simplifica considerablemente el problema.
En particular, veremos que si las cargas actuantes presentan la misma simetría
de revolución que la lámina Los elementos se hacen “Unidimensionales”
La primera tentación de solución a problemas de láminas de revolución mediante
elementos finitos se debe a Grafton y Strome. En ella, los elementos son simples
troncos de cono y se seguía un método directo de aproximación por medio de
funciones de desplazamiento. (Popov et al.). Jones y Strome afinaron la
obtención de las rigideces de los elementos; la extensión al caso de cargas
asimétricas, que fue sugerida por Grafton y Strome fue elaborada por Percy et
al., Klein y por otros investigadores. (Zienkiewicz et al. 1994:147)
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En las láminas de revolución, al igual que en todas las láminas, se presenta
fuerzas tanto de flexión como fuerzas en el plano “de membrana” Estas se
definirán de forma única en función de las “deformaciones” generalizadas, que
comprenden ahora alargamientos y curvaturas de la superficie media. Si se
conoce el desplazamiento de cada punto de la superficie media, estas
“deformaciones” y las resultantes de tensiones internas puede definirse a partir
de las formulas proporcionadas por los textos clásicos de la teoría de láminas.
(Zienkiewicz et al. 1994:148)
Por ejemplo, en una lámina de revolución sometida a una carga de revolución, el
desplazamiento de un punto de la superficie media está perfectamente definido
por dos componentes y en las direcciones tangenciales y normal,
respectivamente.
Fig. Lamina de revolución, carga, desplazamiento y resultantes de tensión.
Fuente: El método de los elementos finitos. (Zienkiewicz, O. et al. 1994:148)
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.2 Aplicación del MEF a sólidos en revolución
De esta manera, solamente con geometría y propiedades de material
independientes de la coordenada circunferencial Ɵ son considerados Esta
propiedad permite el inherente comportamiento 3D de un sólido, expresado con
un simple modelo 2D. (Oñate, 2009:225)
Si la carga es también eje simétrico, el vector desplazamiento tiene dos
componentes en eje radial y eje dirección. El análisis de solido eje simétricos por
el MEF no es difícil y sigue pasos similares para problemas elásticos en el plano.
Para carga arbitraria no eje simétrico un análisis en 3D es necesario. Por otra
parte, las cargas pueden ser expresadas en series de Fourier y el efecto de cada
término periódico puede ser evaluado por un análisis 2D.
Solidos eje simétrico representa un porcentaje sustancial de estructuras
ingenieriles. Ejemplo los tanques de agua y aceite, tanque refrigerante, domos,
estructuras de contención cilíndrica, chimeneas, vasos a presión, etc.
También, algunos problemas de mecánica de suelos tal como el análisis de
cimentaciones bajo cargas verticales. (Oñate, 2009:225)
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Fig. Solido eje simétrico
Fuente: Structural Analysis with the Finite Element Method. (Oñate, E. 2009:226)
Fig. Algunas estructuras eje simétrico
Fuente: Structural Analysis with the Finite Element Method. (Oñate, E. 2009:226)
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Procedimiento para la formulación básica del MEF a estructuras en
revolución
a) Discretización de la estructura
Se puede decir que aquí empieza la idea de aplicar el MEF, para nuestro caso de
estudio he utilizado elementos triangulares, por el buen comportamiento que
tienen las mismas. Para nuestro caso de estudio se tiene 77 triángulos y 79
nudos, esto para la discretización del muro circular y la cúpula. Fig.
resultado de la discretización.
Fig. 12 Discretización de la cúpula y el muro circular
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𝑤 𝑟 𝑧 𝑎4 𝑎5𝑟 𝑎6𝑧 (
𝑢 𝑟 𝑧 𝑎 𝑎 𝑟 𝑎 𝑧
b) Campo de desplazamiento
En el reservorio discretizada mediante elementos triangulares, descrita en la Fig.
, se escoge un elemento típico triangular
Los movimientos de un punto están definidos por el desplazamiento radial y
axial, visto que el desplazamiento circunferencial es cero. El vector
desplazamiento es por lo tanto:
{ } {
}
Los desplazamientos y fuerzas se pueden expresar tensorialmente.
c) Función de aproximación de los desplazamientos
Se escoge un conjunto de funciones que definan los desplazamientos dentro de
cada elemento, en términos de los desplazamientos nodales, por ejemplo los
desplazamientos de cualquier punto interior del elemento triangular, puede
ser expresada mediante los parámetros indeterminados .
𝑗 𝑟𝑗 𝑧𝑗
𝑖 𝑟𝑖 𝑧𝑖 𝑚 𝑟𝑚 𝑧𝑚
𝑢𝑗 𝑤𝑗
𝑢𝑚 𝑤𝑚 𝑢𝑖 𝑤𝑖
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Que se conoce como función de los desplazamientos. Matricialmente la ecuación
( ) se puede escribir,
{ } {
} *
+
{
4 5
6}
{ } { }
Donde es denominada matriz de monomios, { } es el vector de parámetros
del elemento.
Al reemplazar las funciones de desplazamiento en ( ), se tiene:
{ }
{
}
[ ]
{
4 5
6}
{ } { }
Esta ecuación nos permite deducir el vector de parámetros { }, en función de la
matriz de coordenadas nodales .
{ } { }
Si existe cuando los nodos son no colineales, se puede hallar
analíticamente o por procedimientos numéricos. Podemos expresar los
desplazamientos de cualquier punto interior del elemento, en función de los
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desplazamientos de nudo { } por medio de las funciones de interpolación ,
reemplazamos la expresión ( 24) en ( ) se tiene,
{ } { }
{ } { }
En la que es la matriz de las funciones de interpolación o forma asociados a
cada uno de los nudos del elemento finito.
d) Relación del estado de deformación en función de los desplazamientos
de nudo
La simetría axial, los desplazamientos y son independientes de la
coordenada circunferencial. Consecuentemente, las deformaciones tangenciales
y son, elasticidad en 3D cumple. (Oñate, 2009:227)
;
;
Por otro lado, el punto localizado en una circunferencia de radio , se mueve a
una circunferencia de radio . Esto origina una deformación circunferencial
que está definido con las deformaciones relativas entre estas dos
circunferencias.
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Derivación de la deformación circunferencial (Oñate, 2009:227)
Podemos relacionar el vector de deformación unitaria { } con el vector de
desplazamientos, de la forma
{ } { }
Reemplazando ( ) en ( ), tenemos:
{ } { }
{ } { }
Así para nuestro caso particular tendremos:
{ } {
}
{
}
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La matriz se obtiene aplicando el operador a la matriz de función de
interpolación asociados a los nodos del elemento considerado.
{ }
[
]
{
}
[
]
e) Relación esfuerzo – deformación
Los esfuerzos conjugados a las deformaciones son:
La convención de signos se muestra en la figura 13.
Fig. Esfuerzos actuando en un volumen diferencial de un sólido eje
simétrico (Oñate, 2009:227)
TESIS:
“Análisis y Diseño de Reservorios Circulares de C°A° Mediante los Métodos de
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Capítulo II: M
AR
CO
TEÓ
RIC
O Y C
ON
CEPTU
AL
La relación entre esfuerzo y deformación es deducida de la ecuación de la teoría
de elasticidad 3D. La ecuación constitutiva es escrito como:
La matriz para un material isotrópico está dada de la forma:
[
]
f) Calculo de la matriz de rigidez del elemento finito
Para el cálculo de la matriz de rigidez del elemento típico, es necesario
reemplazar en ( ) las expresiones ( 28) y ( ). Con la que obtenemos la
matriz de rigidez para un elemento triangular, de la forma:
[ 4
5
5
6
]
En la cual,
∬
∬
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TEÓ
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ON
CEPTU
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∬
4 ∬
5 ∬
6 ∬
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CEPTU
AL
2.7 ANÁLISIS DINÁMICO DE RESERVORIOS
2.7.1 Introducción
El principal propósito del análisis dinámico es conocer los esfuerzos y
deformaciones, pero toda estructura real tiene un infinito número de
desplazamientos. Además, la fase más crítica de un análisis dinámico es crear
un modelo con un número finito de masa, y un finito número de nudos, que
simularan el comportamiento de la estructura.
2.7.2 Hipótesis
Se considera al medio como homogéneo, continuo e isotrópico; así mismo, se
supondrá que se trata de un fluido sin viscosidad, es decir que durante el
movimiento, los esfuerzos generados entre las partículas son normales a su
superficie de contacto, y por lo tanto se tiene que un punto dado del fluido la
presión en cualquier dirección será la misma.
Se considerara que las partículas se desplazan siguiendo un “movimiento
continuo”, entendiéndose con ello, que la velocidad relativa entre dos partículas
adyacentes es pequeña de tal manera que su distancia entre ellas permanece en
el mismo orden de magnitud durante todo el movimiento.
Se observo que en las presiones dinámicas, la viscosidad y la tensión superficial
en el líquido, tienen un efecto mínimo en los resultados teóricos con respecto a
los experimentales.
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El tener en cuenta la viscosidad, complica inútilmente las ecuaciones y
consecuentemente su solución, por lo que su efecto mínimo en los resultados
teóricos con respecto a los experimentales. El tener cuenta la viscosidad,
complica inútilmente las ecuaciones y consecuentemente su solución, por lo que
su efecto no se tomará en cuenta.
Cuando el líquido se encuentra en reposo y se inducen efectos de alguna
manera, se tendría que usar tres coordenadas como se indica en la figura. Sin
embargo, se puede simplificar el problema si es que consideramos que el
movimiento del líquido se desarrolla en forma paralela entre sí.
Por comodidad la sección que se tome como representativa, se puede hacer de
espesor unitario y en ese caso bastará solo con dos coordenadas para
determinar los movimientos en cualquier punto o partícula en un instante
cualquiera. (Rivera, 2006: 99)
Modos y frecuencias naturales de oscilación del agua
El estudio de vibraciones del reservorio se considerará una membrana circular
con masa uniforme, empotrado a lo largo de su circunferencia, ubicamos el
centro de la membrana en el origen, nosotros denotamos el radio por .
La vibración de la membrana esta gobernada por la ecuación de onda
bidimensional, cual expresada en coordenadas polares, usamos la forma polar
de la ecuación de Laplace:
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(
)
En el presente estudio se considera una estructura eje simétrica, que depende
solamente de , y no del ángulo . Es razonable físicamente que en este caso,
que la solución no dependa de . Consecuentemente , y la ecuación
3 queda de la forma:
(
)
La misma que debe de cumplir con las condiciones:
Que expresan las condiciones de la pared inmóvil y la presencia de oleaje por
gravedad en la superficie libre.
La ecuación 32 tiene una solución de la forma:
∑
Donde:
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∫
∫
Sistema mecánico equivalente
Hasta el presente solo ha sido posible encontrar analíticamente el sistema
mecánico equivalente de masas y resortes que representa el fenómeno
hidrodinámico, cuando se supone al fluido como incompresible.
Graham y Rodríguez hicieron los análisis para un tanque rectangular rígido,
como se muestra en la figura.
A continuación se presentan los resultados obtenidos para un movimiento
estacionario de traslación armónica a lo largo del eje “X” únicamente; tratándose
el problema como un caso de análisis bidimensional como se muestra en la
figura.
Fig. Modelo de sistema equivalente
Fuente: Rivera J. Diseño sísmico de reservorios elevados con estructura tubular
de soporte pág. 17.
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En esta configuración se tiene una masa fija Mo a una distancia Zo del eje “X”, y
un número infinito de masa puntuales Mm ligadas a las paredes del tanque, por
medio de resortes con una rigidez Km situados a una distancia Zm del eje “X”
Fig. Modelo de sistema equivalente
Fuente: Rivera J. Diseño sísmico de reservorios elevados con estructura tubular
de soporte pág. 18.
Sometiendo al recipiente a un movimiento de sus paredes de forma:
Se obtiene la solución al comportamiento del líquido, la misma que es asociada
el de un sistema mecánico equivalente.
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En esta configuración se tiene una masa fija Mo a una distancia Zo del eje “X”, y
un número infinito de masas puntuales Mn ligadas a las paredes del tanque, por
medio de resortes con una rigidez Kn situados a una distancia Zn del eje “X”
Estos parámetros las calculamos usando el código ACI 350.3-01, para
reservorios circulares; tenemos:
(
)
(
)
(
)
(
) (
)
(
)
(
)
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(
)
(
)
(
)
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2.8 INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA
2.8.1 Introducción
La estimación de movimientos de sismo en la base de una estructura es la más
importante fase del diseño de una estructura. Porque de un largo número de
asunciones requeridas, expertos en el campo frecuentemente están en
desacuerdo.
Ilustración de interacción suelo-estructura
Un simple análisis es suficiente para ilustrar el más importante efecto de
interacción suelo-estructura. Siguiendo la aproximación de Wolf (1985),
considera el caso de un simple sistema de un grado de libertad. La estructura
esta caracterizada por su masa , rigidez , y coeficiente de amortiguamiento .
Si el material de soporte es rígido, la frecuencia natural de la resultante del
sistema dependería solamente de la masa y rigidez de la estructura, que es,
√
Y el coeficiente de amortiguamiento será
Si el material de soporte es complicado, sin embargo; la cimentación puede
desplazarse y rotar. La rigidez y amortiguamiento del complicado suelo, puede
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ser representado por los resortes de traslación y rotación como se muestra en la
Fig.
La cimentación representa dos recursos de amortiguamiento: amortiguamiento
causado por el comportamiento inelástico del suelo de soporte, y
amortiguamiento de radiación que acurre como fuerza dinámica en la estructura
causada por la deformación del suelo. La cantidad de material amortiguada
dependerá del nivel de deformación inducido en el suelo; si las deformaciones
son grandes, el amortiguamiento del material puede ser sustancial, pero si las
deformaciones son pequeñas, el amortiguamiento del material puede ser
obviado. Para cimentaciones típicas, el amortiguamiento de radiación es a
menudo mayor que el amortiguamiento del material.
Fig. 16 Modelo interacción suelo-estructura
𝑐ℎ
𝑘ℎ
𝑘
𝑐𝑟
𝑚 𝑐
𝑘𝑟
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¿Que significa la interacción suelo-estructura?
Nosotros habremos visto pronto que considerar el suelo como un medio elástico
deformable, modifica las propiedades elásticas de la estructura. Por lo tanto, la
respuesta del sistema también se modificará.
2.8.4. Modelo matemático de suelo-estructura
Cuando se incluye el amortiguamiento en un sistema de varios grados de
libertad, las ecuaciones dinámicas del movimiento quedan definidas:
{ } { } { } { }
Donde , y son las matrices de masa, amortiguamiento y rigidez del
sistema respectivamente, { } es el vector de fuerza de excitación y { } es
el vector de desplazamientos relativos de los grados de libertad del sistema que
definen la configuración deformada de la estructura. El vector { } puede ser
expresado como la superposición del producto, entre el vector de forma modal
{ }, y la amplitud modal { }.
{ } { } { } { }
∑{ }
{ }
Al sustituir la ecuación en la ecuación y pre multiplicando cada termino
por el vector modal “n” transpuesto, { } , se obtiene lo siguiente:
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∑{ } { } ∑{ } { }
∑{ } { } { } { }
Expresando la respuesta total en forma matricial, se tiene:
{ } { } { } { }
El producto de y el de resultan ser matrices diagonales,
donde y son matrices simétricas y positivas definitivas. Si el producto
es una matriz diagonal, entonces el sistema de N grados de libertad se
convierte en N sistemas de un grado de libertad, y el sistema queda totalmente
desacoplado. Para que un sistema lineal amortiguado tenga modos debe existir
una transformación que diagonalice las matrices de masa, amortiguamiento y
rigidez, en forma simultánea. Esta transformación se puede realizar si la matriz
de amortiguamiento es proporcional a la matriz de masa o a la de rigidez, o que
sea una combinación de ambas:
∑
Con la expresión anterior y teniendo en cuenta que son coeficientes arbitrarios
diferentes de cero, es posible obtener un número específico de coeficientes
asociados a los modos de vibración deseados, de tal forma que se cumpla con
las condiciones de ortogonalidad, y que por lo tanto la solución del problema
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dinámico corresponda a un planteamiento de amortiguamiento clásico. Sin
embargo, en aplicaciones prácticas es usual tomar únicamente los dos primeros
términos de la serie definida en la ecuación 49 (b=0 y b=1), para lo cual se
obtiene la matriz de amortiguamiento propuesta por Rayleigh:
Asumiendo que la matriz de amortiguamiento queda definida mediante la ec. 23,
es posible afirmar que las ecuaciones dinámicas quedan totalmente
desacoplados. Al normalizar las ecuaciones del movimiento respecto a la masa
de la estructura, se obtiene la matriz , en donde los términos de la diagonal
son iguales a . Los valores de y de son la fracción de amortiguamiento
crítico y la frecuencia circular de vibración del modo “j”, respectivamente Con
base en lo anterior y con la ecuación , es posible obtener.
Si la matriz de amortiguamiento no cumple la condición de proporcionalidad
definida anteriormente, el producto no será una matriz diagonal y el
sistema de ecuaciones no se podrá desacoplar; esto implica que los valores y
vectores propios deben ser complejos. Este tipo de problemas es conocido como
“amortiguamiento no clásico”
Asumir un amortiguamiento clásico en sistemas que presenten dos o más partes
con diferentes niveles de amortiguamiento no es apropiado, ya que se pueden
generar errores significativos en su respuesta. Este es el caso de sistemas de
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interacción suelo-estructura, donde se hace presente el amortiguamiento no
clásico, ya que los valores de amortiguamiento critico del suelo asociado a cada
modo de vibración (valores entre 10 y 20%), podrían ser muy diferentes a los de
la estructura que oscila entre el 1 y el 20%.
Por simplicidad, en los casos en que el amortiguamiento no clásico se presenta,
se supone que en el rango lineal, el sistema posee modos clásicos, de tal forma
que se pueden obtener los modos de vibración suprimiendo temporalmente los
amortiguadores del sistema suelo-estructura y el amortiguamiento interno de la
estructura, introduciendo después el grado de amortiguamiento de cada modo y
finalmente combinando sus respuestas. Esta simplificación no siempre resulta
ser apropiada.
Con base en lo anterior, resulta necesario demostrar porque un sistema suelo-
estructura no posee modos clásicos de vibración.
Para esto se considera un oscilador simple apoyado en resortes y
amortiguadores en sustitución del suelo, con el objeto de simular, de una forma
relativamente sencilla, los efectos interacción suelo-estructura debidos a la
flexibilidad del suelo.
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Fig. 17 Modelo de interacción suelo-estructura
Fuente: Chowdhury I. Dynamic of Structure and Foundation Applications
En la Fig. , es la masa efectiva de la estructura asociada con el modo
fundamental de vibración, y representa la rigidez y la constante de
amortiguamiento de la estructura, respectivamente, y es la masa y el
momento de inercia de la cimentación, respectivamente, es la altura del centro
de gravedad de la primera forma modal, , y , son las rigideces de
los resortes del suelo asociados a los movimientos de translación, cabeceo y
acoplamiento, respectivamente. De igual forma se definen los valores de los
amortiguadores , y . La configuración deformada del sistema queda
definida por el desplazamiento de translación , el ángulo de giro de la
cimentación por efectos de cabeceo , y la deformación de entrepiso . es la
aceleración horizontal del terreno.
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Asumir un amortiguamiento clásico en sistemas que presenten dos o mas partes
con diferentes niveles de amortiguamiento, no es apropiado, ya que se pueden
generar errores significativos en su respuesta.
2.8.5. Determinación de parámetros para el estudio de interacción suelo-
estructura
Existen muchas ecuaciones planteadas alrededor del mundo para el cálculo de
los parámetros básicos para el estudio de interacción suelo-estructura como son:
Velocidad de onda de corte.
Modulo de corte del suelo.
Modulo de Poisson del suelo.
: Rigidez de desplazamiento del suelo.
Rigidez de rotación del suelo.
: Coeficiente de amortiguamiento de desplazamiento del suelo.
: Coeficiente de amortiguamiento de rotación del suelo.
Las cuales las podemos determinar mediante ensayos clásicos de Mecánica de
Suelos, como son: la granulometría, límites de consistencia, peso específico,
humedad, y ensayo de corte directo.
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En Chowdhury y Dasgupta, podemos encontrar mayor detalle al respecto, sin
embargo se tomo las relaciones usuales, que serán necesarios para el presente
estudio.
La velocidad de onda de corte, debe de cumplir con la siguiente relación:
El modulo de corte del suelo, lo podemos determinar por la siguiente expresión:
La rigidez de desplazamiento del suelo y de rotación están dadas por las
expresiones:
Donde:
Radio de la cimentación.
La fracción de amortiguamiento del suelo esta dada por la siguiente expresión:
45
* (
)
+
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Donde:
Índice de plasticidad.
. Valores y vectores característicos de sistemas con amortiguamiento
no clásico
Para obtener los valores y vectores característicos de sistemas dinámicos con
amortiguamiento no clásico, se utiliza un procedimiento planteado por Rayleigh
(1945). Cuando se incluye el amortiguamiento en un sistema de varios grados de
libertad, las ecuaciones del movimiento quedan definidas en forma matricial
como lo indica la ecuación 2.45.
Donde la solución a la ecuación homogénea con coeficientes constantes esta
dada por el vector { }.
{ } { }
Donde { } es un vector de constantes complejas, { } es la frecuencia circular
compleja. Al emplearse la ecuación en la solución de la ecuación
homogénea, se obtiene el siguiente sistema de ecuaciones algebraicas:
[ ]{ } { }
Estas ecuaciones son homogéneas, donde los valores de constituye la
solución de valores característicos complejos del sistema. Para la obtención de la
solución no trivial, se requiere que:
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| |
Al evaluar la ecuación 2.54, se debe de encontrar un polinomio característico del
orden 2N y sus raíces corresponden a las frecuencias modales del sistema. De
esta forma es posible encontrar los valores y vectores característicos del sistema
dinámico a estudiar. Sin embargo este método solo es útil cuando se tiene un
sistema dinámico con pocos grados de libertad.
Otra forma de obtener los valores y vectores característicos consiste en aplicar
otra metodología mas sencilla, la cual fue definida inicialmente por Frazer et al.,
(1946) y adaptada por Foss (1957), y consiste en realizar varias operaciones
algebraicas de la ecuación dinámica del movimiento (ecuación 2.45) para
encontrar un matriz , de orden 2N, donde N es el numero de grados de
libertad:
*
[ ] [ ]+
Donde es la matriz de identidad y es una matriz de ceros, de orden N. Una
vez definida la matriz es posible obtener, mediante algún método
convencional de cálculo, el vector { } con 2N valores característicos el cual es
igual al reciproco del vector { } de los valores característicos del sistema (Foss,
1957), y tendrá la siguiente forma (Argirys,
{ }
{ }
{ }
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Donde √ , , y , son la frecuencia circular, la frecuencia circular
amortiguada y la fracción de amortiguamiento crítico de cada modo ,
respectivamente.
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2.9 DISEÑO ESTRUCTURAL EN CONCRETO ARMADO
Propósito del diseño estructural
El propósito del diseño es el de lograr una probabilidad aceptable de que la
estructura que se vaya a construir no sufra deterioro alguno, de tal suerte
que éstos desmeriten el uso para el cual fue destinada o que inclusive
pudiesen provocar el colapso de la misma.
Habrá que diseñar los depósitos de tal suerte que se evite la presencia de
fugas. Por consiguiente, se emplearán procedimientos de diseño que eliminen
las grietas u otras fuentes potenciales de aquellas Si bien, para estos propósitos
es importante una práctica constructiva correcta y adecuada y habrán de
emplearse materiales con la calidad especificada.
El espesor mínimo de las paredes de los depósitos
De conformidad con el informe 350 de ACI (American Concrete Institute)
Environmental Engineering Concrete Structures, los muros de concreto
reforzado con una altura del liquido igual o mayor a 3.00 m, tendrán un
espesor mínimo de 30 cm.
En términos generales, el espesor mínimo de cualquier elemento estructural de
los depósitos deberá ser de 15 cm. Se requerirá un mínimo de 20 cm donde
el recubrimiento del concreto para protección del acero de refuerzo sea de 5
cm o más. Sin embargo, cuando se usen dispositivos para la retención de
agua y la posición del acero de refuerzo que puedan afectar
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adversamente a la colocación apropiada del concreto, se considerará un
espesor mayor.
El refuerzo mínimo
De conformidad con el ACI 318-95, el refuerzo mínimo en cualquier
sección sujeta a flexión será igual a:
√
Pero no menor a:
Donde:
: Ancho
: Peralte efectivo
: Resistencia a compresión del concreto
: Resistencia a la fluencia del acero
Refuerzo para contracción y temperatura
Enseguida se transcriben los requisitos del subcapítulo 7.12, de ACI 318-
95, aplicables a los reservorios:
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Para los esfuerzos de contracción y temperatura, es necesario
proporcionar refuerzo normal al refuerzo para flexión en las losas estructurales,
donde el refuerzo a flexión se extienda en una sola dirección (ACI 3 18-95,
unidad 7.12.1).
El área mínima de refuerzo para temperatura y fraguado se proporcionará de
conformidad con las siguientes relaciones de área de refuerzo al área bruta del
concreto, pero no menor a 0.0014.
a) Las losas donde se utilice acero de refuerzo de grados 40 o 50: 0.002.
b) Las losas donde se utilice acero de refuerzo de grado 60: 0.0018.
Separación máxima del refuerzo para contracción y temperatura
Según ACI 318-95, subunidad 7.12.2.2, la separación máxima del refuerzo
para contracción y temperatura no será mayor a 5 veces el espesor de la losa
ni 45 cm.
La cantidad de refuerzo por contracción y temperatura que es necesario
suministrar, está en función de la distancia entre las juntas de movimiento,
las cuales disipan la contracción y los esfuerzos causados por la
temperatura en la dirección del refuerzo. Además, la cantidad de refuerzo
por contracción y temperatura está en función de la mezcla especifica de
concreto, la cantidad de agregado, el espesor del muro, su refuerzo y las
condiciones ambientales de la obra.
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Las secciones de concreto de 60 cm o de mayor espesor, contendrán el
mínimo de refuerzo por contracción y temperatura en cada cara, con base en
un espesor de 30 cm.
Estructuración de los reservorios circulares
a) Antecedentes
Los reservorios para almacenar agua se diseñan y construyen para llevar a
cabo procesos similares tales como almacenamiento, sedimentación,
filtración, etc. por lo que desde el punto de vista hidráulico son parecidos
y como consecuencia, las condiciones de carga y el diseño estructural son
similares.
b) Lineamientos básicos de estructuración
En el presente acápite se proporcionan los lineamientos básicos para la
estructuración usual de los reservorios para el almacenamiento de agua.
Es de primordial importancia que los reservorios para el almacenamiento
de agua se mantengan impermeables a la filtración del agua. Se evitará
asimismo, la contaminación del agua potable por el contacto con el agua
freática.
Los reservorios se componen de diversos elementos, como son:
Los muros que soportan las acciones consistentes de los empujes de agua y
de tierra; así como las fuerzas provocadas por el sismo y el viento.
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Las cimentaciones que pueden consistir de zapatas corridas bajo los muros
o una losa que ejerza una función estructural y que al mismo tiempo,
constituya el piso o fondo de los reservorios.
Los pisos o fondos de los reservorios, los cuales pueden ser una losa
estructural o una membrana impermeable de concreto sin función estructural.
Las cubiertas o cúpulas de los reservorios.
Elementos accesorios tales como: escaleras, tuberías, válvulas, etc.
c) Reservorios de concreto armado
Gran parte de los reservorios para el almacenamiento del agua se construyen
de concreto armado. De hecho el material de construcción que más se utiliza
en el mundo para este tipo de estructuras es el concreto armado. Muchas son
las ventajas que tienen los reservorios de concreto armado sobre otros
materiales. Entre ellas se cuentan:
La impermeabilidad que por sí misma contiene el concreto, bien dosificado y
compactado; requiere un mantenimiento mínimo, posee una gran resistencia
al ataque de los agentes químicos y al intemperismo y otras ventajas.
Sin embargo, la impermeabilidad de los reservorios se ve afectada por
la secuencia de la construcción, así como la ubicación y el detallado de las
juntas.
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Al perder humedad debido al proceso de fraguado, la masa de concreto
tiende a contraerse, lo que da lugar a esfuerzos de tensión en dicha masa.
Como el concreto no es apto para soportar altos esfuerzos de tensión, se
presentarán agrietamientos, a menos que se tomen las precauciones
necesarias para evitar que estos ocurran.
Entre estas precauciones se deberá observar la separación, colocación y tipo
de las juntas. Estas se diseñarán para tomar en cuenta el fenómeno de la
contracción, así como los cambios de temperatura y evitar así, el agrietamiento
que es consecuencia de estos fenómenos.
El mejor camino para reducir los efectos de la contracción consiste en
utilizar concretos que cumplan con las siguientes cualidades: adecuada
dosificación, baja relación agua/cemento, buena colocación, enérgico vibrado,
curado eficiente y prolongado. Finalmente, la adecuada localización y
construcción de las juntas.
El concreto terminado tiene la gran ventaja de que se le puede dar la forma
deseada, tan solo con preparar los moldes para tal objeto.
Otra ventaja del concreto es la de poder establecer a voluntad la resistencia
de proyecto (dentro de ciertos limites máximos), lo cual se logra mediante la
dosificación apropiada de los ingredientes arena, grava, cemento, agua y
aditivos.
TESIS:
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d) Comportamiento estructural
Los elementos de los reservorios de concreto armado tienen la ventaja de
poseer capacidad a la compresión, tensión, flexión y cortante y por otra
parte, debido a su rigidez, pueden absorber las deformaciones diferenciales.
Efecto de cargas permanentes, variables y accidentales
En el diseño de las estructuras para los reservorios de agua potable o tratada,
se tomarán en cuenta los efectos de las cargas muertas, las cargas vivas y
las provocadas por el sismo y el viento, cuando estos últimos sean
significativos. Sin embargo no será necesario diseñar para la envolvente de
los efectos simultáneos de sismo y viento, sino únicamente para la condición
más desfavorable entre ambas acciones.
.1 Acciones permanentes
Las acciones permanentes que deberán tomarse en cuenta para el diseño
de reservorios, son las siguientes:
a) Cargas muertas
Se considerará e peso de los elementos estructurales e instalaciones hidráulicas
que constituyen el reservorios.
La E- del reglamento nacional de construcción suministrar valores de los
pesos volumétricos de los materiales empleados, para calcular el peso propio
de los elementos que son parte del reservorio.
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Las cargas permanentes incluirán los pesos de las tuberías y válvulas de gran
diámetro, tomando en cuenta el tamaño, número y el espaciamiento de los
tubos, incluyendo las cargas reales y tomando en consideración las
ampliaciones planeadas.
. Acciones variables
a) Presión interior del agua
La altura del nivel de agua que se considerará en el diseño será
hasta el nivel de vertido de excedencias.
Para valuar las deformaciones en la estructura y en la cimentación, se supondrá
que el depósito está lleno al 70% de su capacidad, cuando se trate de
depósitos de reservorios de regulación y 100% en los depósitos para el
proceso de potabilización y tratamiento.
b) Presión exterior del agua
En los depósitos enterrados se tomará en cuenta el efecto de la subpresión
sobre la losa de fondo así como el empuje lateral del relleno y del agua
freática sobre los muros.
Cuando un depósito se construya en un terreno donde el nivel del agua
freática se encuentre temporal o permanentemente arriba del fondo del
depósito, habrá que tomar las medidas necesarias para evitar que la
estructura flote cuando ésta no contenga liquido en su interior. El nivel del
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agua freática se puede elevar artificialmente en el sitio de la estructura a
causa de filtraciones en los depósitos cercanos o por roturas de tuberías.
También en este caso, habrá que prever las medidas necesarias para resistir
la subpresión ejercida por el agua freática exterior, tales como la de proveer
drenes laterales que sirvan para abatir los niveles freáticos.
c) Presión del suelo
Los estudios de geotecnia establecerán los coeficientes para los empujes de
suelos en el sitio donde se vayan a construir los depósitos.
En el caso de los depósitos enterrados o semienterrados, para el diseño de
los muros exteriores se tomarán en cuenta los empujes activos del suelo y
las posibles sobrecargas en éstos, debidas por ejemplo, a vehículos pesados
en la proximidad del depósito.
En el diseño de las vigas y trabes se utilizarán los pesos reales de los
equipos, incluyendo los efectos de las cargas móviles.
d) Carga viva en la cubierta
Las losas que soporten equipos, se diseñarán para una carga viva mínima de
465 kg/rn2. Se podrán diseñar para una carga menor, si se dispone de un valor
preciso del peso de dichos equipos.
En los reservorios sobre el nivel del terreno, la carga viva en la cúpula se
tomará igual o mayor a 120 kg/m2 de proyección horizontal.
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d) Carga viva en escaleras y plataformas
En escaleras y plataformas se considerará una carga concentrada móvil de
500 kg. Los barandales se diseñarán para una carga concentrada de 100 kg
actuando en cualquier punto de los pasamanos y en cualquier dirección.
e) Otras acciones variables
Otros valores de las cargas vivas para los cambios de temperatura
podrán tomarse cuando las variaciones durante las estaciones sean
considerables.
.3 Acciones accidentales
a) Viento
En el diseño de los depósitos, tendrá especial importancia el efecto del viento
sobre el área expuesta de la estructura, cuando el depósito se encuentre
vacío y por lo tanto exista la posibilidad de volcamiento o de deslizamiento.
b) Sismo
Se ha comprobado que durante los sismos, los reservorios que contienen
algún fluido pueden fallar y derramar el líquido contenido.
La E- 3 suministra información en cuanto a los coeficientes sísmicos y
los espectros de diseño aplicables, de conformidad con la sismicidad local y las
características del suelo donde se construyan los reservorios.
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Para su análisis sísmico, los reservorios de agua potable se deberán
considerar como estructuras esenciales, es decir, pertenecientes a la categoría
“A”
Al proyectar los reservorios para resistir las acciones sísmicas, se deberá
tomar en cuenta la masa hidrodinámica del líquido contenido.
Cuando se considere el efecto dcl sismo simultáneamente con el peso del
agua, se supondrá que el depósito está lleno al 100% de su capacidad. En
los tanques de regulación se considerará el 80% de su capacidad.
La presión hidrodinámica deberá incluir las presiones impulsivas, así como las
convectivas.
En los reservorios cerrados se efectuará el diseño tomando en cuenta un borde
libre, el cual evite que el oleaje provocado por el sismo sobrecargue la losa
de cubierta, mediante el golpeteo del agua al chapotear sobre la cara inferior
de dicha cúpula. Además, el diseño sísmico de los reservorios deberá incluir
los efectos sísmicos de las presiones del suelo exterior al reservorio y las
cargas muertas de la estructura.
Métodos de diseño
Para el diseño de miembros de concreto armado existen dos métodos
aceptados en la práctica. Ambos son aplicables para el diseño de los
reservorios. El primero de ellos, que se basa en el criterio de resistencia
última, utiliza cargas factoradas, las resistencias especificadas del acero
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y del concreto y , y factores de reducción de la resistencia . El segundo
es el método alternativo de diseño, el cual emplea cargas de servicio y
esfuerzos de trabajo.
El diseñador puede optar por cualquiera de los dos métodos para el proyecto
de los depósitos que se cubren en este tratado. Ambos requieren limitaciones
especiales para su empleo en el diseño de los reservorios para el
almacenamiento de agua potable, con objeto de que éstos sean resistentes a
la filtración del agua y de asegurarles una prolongada vida útil.
2.9.9 Diseño por resistencia última
El diseño se lleva a cabo de conformidad con ci criterio de Resistencia
que se establece en la norma técnica de edificación E-060 concreto armado.
2.9.9.1 Requisitos de resistencia
Las estructuras y los elementos estructurales deberán diseñarse para obtener en
todas sus secciones resistencia de diseño , por lo menos iguales a las
resistencias requeridas , calculadas para las cargas y fuerzas amplificadas.
En toda sección de los elementos estructurales deberá cumplirse:
2.9.9.2 Cargas factoradas
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La resistencia requerida para cargas muertas ( ) y cargas vivas ( ) será
como mínimo:
Si en el diseño se tuvieran que consideran cargas de sismo ( ), la resistencia
requerida será como mínimo:
Factores de reducción de resistencia
Se usaran las indicas en la parte 9.3.2. de la norma técnica de edificación E-
Flexión sin carga axial: 0.90.
Cortante y torsión: 0.85.
Aplastamiento en el concreto: 0.70.
Requisitos de servicio
2.9.10.1 Deflexiones
a) Los elementos de concreto armado que estén sujetos a flexión, se diseñarán
con una rigidez tal que se limiten las deflexiones o deformaciones que
afecten adversamente la resistencia o las condiciones de servicio de la
estructura de la cual forman parte.
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b) Cuando el depósito esté cubierto o cuando existan circunstancias especiales
que requieran limitar las deflexiones, será aceptable una relación , donde
“ ” es e claro del elemento estructural
c) Al revisar la deflexión de un muro, es importante considerar el
grado de empotramiento de la base. Cuando un muro esté cimentado en un
suelo que permita la rotación, deberá calcularse la deflexión del muro
tomando en cuenta el efecto de dicha rotación además de la deflexión normal
debida a la carga lateral.
2.9.10.2 Agrietamiento
El control del agrietamiento en las estructuras de los reservorios de agua
potable, es un requisito primordial para evitar la filtración del agua, por lo que
se establecen limites estrictos para el agrietamiento y el ancho permisible de las
grietas.
La filtración de adentro hacia afuera y viceversa del agua clara o
contaminada, debe evitarse a toda costa para proteger la salud del público.
Se habrá satisfecho el estado limite de agrietamiento, si el ancho superficial de
las grietas no resulta mayor al valor especificado, de conformidad con el
grado de exposición a que estará sujeta la estructura y que el proyectista
habrá previamente establecido para cada elemento.
Los anchos de las grietas se limitarán de tres maneras diferentes:
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a) Distribuyendo el refuerzo de tal manera que se formen un cierto número de
grietas muy finas, en vez de pocas grietas de un grosor que pueda resultar
excesivo. Esto se logra distribuyendo varillas de diámetros pequeños en el
refuerzo principal, en vez de un área igual de diámetros mayores.
b) Limitando la separación de las varillas de refuerzo en las zonas de
momentos máximos.
Detalles del refuerzo
Se utilizara lo indicado en la norma técnica de edificación E-060 concreto
armado, capitulo 7, detalles del refuerzo.