3. modelación estructural

Proyecto Ejecutivo del Cárcamo de
Bombeo y Emisor de Aguas Residuales
para Nogales, Sonora.
No. de Contrato CONTA08-019
Tarea II
INDICE
1.
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 2
2.
ANTECEDENTES ............................................................................................................... 2
2.1.
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
PLANOS FUNCIONALES ...................................................................................................... 2
MODELACIÓN ESTRUCTURAL .................................................................................... 2
GEOMETRÍA. ...................................................................................................................... 3
MODELACIÓN .................................................................................................................... 4
CLASIFICACIÓN DE LA ESTRUCTURA ............................................................................... 6
MATERIALES ...................................................................................................................... 6
SUELO ................................................................................................................................. 6
4.
CARGAS (ACCIONES) DE DISEÑO ............................................................................... 7
5.
ANALISIS ESTRUCTURAL ........................................................................................... 10
5.1.
5.2.
6.
COMBINACIONES DE CARGA ........................................................................................... 10
5.2 RESULTADO DEL ANÁLISIS ANTE COMBINACIONES DE CARGA DE DISEÑO ............ 11
MUROS............................................................................................................................... 20
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1. INTRODUCCIÓN
En este documento se realiza el análisis y el diseño estructural de una caja de descarga,
ubicado el emisor de aguas residuales en Nogales, Sonora, consta de 4 muros, losa y tapa
de concreto, en este tanque se ubican ocho vigas de acero y dos tuberías, una de salida y
otra de llegada con un diámetro de 76 cm de diámetro cada una.
Se elabora un modelo estructural con el programa de computadora SAP 2000 V 10
(Structural Analysis Program), se modela la geometría, el material del que está
conformado, o sea concreto y acero, y las cargas a las que está sometido.
Con los resultados obtenidos del análisis se elabora del diseño estructural, esto con base en
el Reglamento de Construcción de Nogales, Sonora y sus Normas Técnicas
Complementarias.
2. ANTECEDENTES
2.1. Planos funcionales
EB-NOG-FEC-1 Funcional y Estructural, Caja de Descarga de la Línea de Presión Colosio.
3. MODELACIÓN ESTRUCTURAL
El tanque mostrado en la figura 3 está formado por un cajón a base de muros, losa y tapa de
concreto, se encuentra ubicado en una zona sísmica B según la regionalización sísmica de
la Comisión Federal de Electricidad y es una estructura tipo A.
Se encuentra desplantado a una profundidad de 3.54 m, las dimensiones en planta del
tanque son de 2.5 por 2.0 m. La capacidad de carga del terreno según el estudio de
mecánica de suelos proporcionado, es de qa= 22.0 t/m2.
Figura 3. Vista general en 3D de la caja.
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3.1. Geometría.
En las figura 3.1 se muestra una planta y un corte de la estructura.
Figura 3.1ª Planta.
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Figura 3.1b Cortes laterales (A y B).
3.2. Modelación
Para utilizar el programa SAP200 se realiza una modelación del tanque la cual se realizó
mediante una malla de elementos finitos cascaron que representan las losas, la tapa y los
muros de la caja como se muestra en la figura 3.2.1.
Estos elementos cascaron se forman con puntos nodales y tienen su propio sistema de
referencia como se muestra en la figura 3.2.2.
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Figura 3.2.1 Elementos finitos cascarón de la caja.
Figura 3.2.2 Ejes locales y puntos nodales del elemento cascarón.
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Fig 3.2.3 Elemento resorte.
3.3. Clasificación de la estructura
El Tanque pertenece al grupo A. La caja pertenece al grupo A y se ubica en la zona sísmica
B, esto según el Manual de Diseño de Obras Civiles Diseño por Sismo.
3.4. Materiales
Las características de los materiales con los que se va a diseñar son:





Concreto clase I. Resistencia a la compresión del Concreto, f`c= 250 kg/cm2
Módulo de Elasticidad del Concreto, = 14000 250 c E ; Ec= 221359.4 kg/cm2
Acero de refuerzo. Resistencia a la fluencia del acero, Fy=4200 kg/cm2.
Módulo de Elasticidad del acero, Es= 2039000 kg/cm2.
Módulo de Cortante del acero, Gs= 784000 kg/cm2.
3.5. Suelo
El terreno donde se apoya tiene una capacidad de carga de 22.0 t/m2 según el estudio de
mecánica de suelos proporcionado, para este tipo de terreno se considera una relación lineal
esfuerzo-deformación y por ello se pueden considerar soluciones analíticas cerradas.
El suelo se sustituye por una cama de resortes, cada uno de los cuales actúa independiente
de los demás. Este tipo de modelo fue propuesto por Winkler, con el cual se obtienen
valores del modulo de reacción del Suelo (conocido también como Coeficiente de Balasto o
Modulo de Winkler) en función de la resistencia admisible del terreno en cuestión.
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El módulo de reacción de este terreno, según su capacidad de carga, es k= 4.4 Kg/cm3, el
cual se utiliza en el programa para poder interpretar la interacción suelo estructura.
4.





CARGAS (ACCIONES) DE DISEÑO
Cargas muertas CPPEL. Ver figura 4.1.1
Cargas debidas al empuje de suelo CEMPSUE. Ver figura 4.2.1
Cargas debidas al empuje de sobrecargas CEMPSOB. Ver figura 4.2.1
Cargas debidas al agua en operación normal CHIDE. Ver figura 4.4.1
4.5 Cargas debidas al sismo.
 SISMOX=1.0ESPECTROX + 0.5ESPECTROY
 SISMOY=1.0ESPECTROY + 0.5ESPECTROY
 Ver figura 4.5.1 Espectro de diseño para la zona C.

4.6 Efectos hidrodinámicos.
 Masas virtuales debidas al agua en dirección del eje X (tabla 4.6.1).
 Masas virtuales debidas al agua en dirección del eje Y (tabla 4.6.2).

4.7 Efectos de los rellenos debidos al sismo. Cargas debidas al empuje del suelo debido
a sismo CEMPSUS.

4.8 Efectos bidireccionales debidos a sismo. Se indican en el inciso 4.5.
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Figura 4.1.1 CPPEL.
Figura 4.2.1 CEMSUE.
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Figura 4.4.1 CHIDE.
Tabla 4.5.1 espectro de diseño sísmico para una zona b de acuerdo con comisión federal de
electricidad.
Zona B
Suelo
Est tipo
A0
c
Ta (s)
Tb (s)
r
B
II
A
0.08
0.3
0.3
1.5
2/3
TABLA 4.6.1 parámetros para cuantificar loe efectos hidrodinámicos sismo en la dirección
del eje X.
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H
(m)
0.97
2L
(m)
2.5
B
(m)
2.0
PV
(t/m3)
1.0
M0
0.222
V
(m3)
4.9
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g
(m/s2)
9.81
H0
0.37
W
(t)
4.9
M1
0.282
M
(t/s2)
0.5
α
β
0
1
H1
0.561
L
(m)
1.25
ζ=L/H
1.3
K1
2.92
Repartidos a todo alrededor del tanque en los puntos nodales, y son 37 por lo que:
PN
37
M0
0.006
H0
0.369
PN
35.00
M1
0.008
H1
0.561
K1
0.083
TABLA 4.6.2 Parámetros para cuantificar loe efectos hidrodinámicos sismo en la dirección
del eje Y.
H
(m)
0.97
2L
(m)
2.0
B
(m)
2.5
PV
(t/m3)
1.0
M0
0.268
V
(m3)
4.9
H0
0.37
g
(m/s2)
9.81
W
(t)
4.9
M1
0.244
M
(t/s2)
0.5
H1
0.59
α
β
0.0
1.0
L
(m)
1.0
ζ=L/H
1.0
K1
3.41
Repartidos a todo alrededor del tanque en los puntos nodales, y son 37 por lo que:
PN
37.0
M0
0.007
H0
0.369
PN
35.00
M1
0.007
H1
0.586
K1
0.097
5. ANALISIS ESTRUCTURAL
5.1. Combinaciones de carga
La seguridad de una estructura deberá verificarse para el efecto combinado de todas las
acciones que tengan una probabilidad no despreciable de ocurrir simultáneamente.

5.1.1 PERTANLL = PERMANENTE TANQUE LLENO

5.1.2 PERTANV = PERMANENTE TANQUE VACIO

5.1.3 PERSISX =PERMANENTE + SISMO EN LA DIRECCIÓN X

5.1.4 PERSISX =PERMANENTE + SISMO EN LA DIRECCIÓN Y
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Para la consideración de las cargas que actúan se tomaran los siguientes factores de carga y
las combinaciones de las acciones permanentes con las diferentes acciones variables.
Comb
PERTANLL
PERTANV
PERSISX1
PERSISX2
PERSISY1
PERSISY2
CPPEL
CEMPSUE
CEMPSOB
1.4
1.4
1.1
1.1
1.1
1.1
1.7
1.3
1.3
1.3
1.3
1.7
1.3
1.3
1.3
1.3
CHIDE
CEMPSUS
SISMOX
1.3
1.3
1.3
1.3
1.1
-1.1
SISMOY
1.7
1.3
1.3
1.3
1.3
1.1
-1.1
5.2. 5.2 Resultado del análisis ante combinaciones de carga de diseño
Los resultados se muestran en figuras donde los colores sobre los elementos cascaron
muestran la intensidad de los elementos mecánicos;, se muestran los momentos M11 y M22
y el cortante en la losa V13, V23 según los ejes locales de los cascarones, las unidades
están en toneladas metro y los valores numéricos se muestran en la barra inferior de las
imágenes. (Figuras 5.2.1 a 5.2.22).
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Figura 5.2.1 M11 PERTANLL.
Figura 5.2.2 M22 PERTANLL.
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Figura 5.2.3 M11 PERTANV
Figura 5.2.4 M22 PERTANV
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Figura 5.2.5 M11 PERSISX1.
Figura 5.2.6. M22 PERSISX1.
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Figura 5.2.7 M11 PERSISX2.
Figura 5.2.8 M22 PERSISX2.
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Figura 5.2.9 M11 PERSISY1.
Figura 5.2.10 M22 PERSISY1.
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Figura 5.2.11 M11 PERSISY2.
Figura 5.2.12 M22 PERSISY2.
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Figura 5.2.13 M11 PERTANLL.
Figura 5.2.14 M22 PERTANLL.
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Figura 5.2.15 M11 PERTANV.
Figura 5.2.16 M22 PERTANV.
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Figura 5.2.17 M11 PERSISX1.
Figura 5.2.18 M22 PERSISX1.
6. MUROS.
Muros exteriores
Los muros se revisan como una columna de un ancho unitario con su respectivo armado.
La sección transversal es una de 100 cm de ancho por 25 cm de espesor con recubrimiento
de siete cm con varillas del número cinco a cada 30 cm (var # 5 @ 30) en ambos lechos. Se
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obtiene la relación de capacidad última contra resistente (U/R) la cual no vede exceder de
1.0.
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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
El armado de muros y losa se realizará estrictamente conforme a lo indicado en esta
memoria respetando longitudes de espaciamientos y números de varillas.
La losa de fondo tiene un espesor de 30 cm con un armado de varillas del número cinco a
cada 30 cm en ambos lechos, la losa tapa de 20 cm y un armado del número cuatro con
espaciamientos de 30 cm en ambos lechos y los muros del tanque tienen un espesor de 25
con varillas del número cinco a cada 30 cm.
El recubrimiento en todos los elementos es de siete cm debido al tipo de estructura y a la
ubicación en el terreno.
En la zona donde se encuentran los tubos se colocarán placas de acero para reforzar esa
zona.
Por debajo del nivel del desplante de cimentación, previamente sobre el terreno natural se
deberá colocar una plantilla de concreto de 150 kg/cm², de 5cm, con la finalidad de
uniformizar a la superficie que recibirá la cimentación.
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