55969018 Calculo Tanque de Almacenamiento

1. CALCULOS Y MODELACION DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTODocumento de Referencia:

Norma RAS B.9

1.1 ALCANCEEl objetivo es revisar la capacidad y dimensionamiento del tanque de almacenamiento concebido en el proyecto original, de acuerdo a la demanda establecida en estos estudios y diseos, en concordancia con el Reglamento Tcnico para e Sector de Agua Potable y Saneamiento Bsico RAS. Una vez verificada la capacidad del tanque, se realizar el diseo estructural con el fin de establecer los planos estructurales. Finalmente se entregar como resultado del presente estudio los planos de taller.

1.2 ESTUDIOS PREVIOSDocumento de Referencia:

Norma RAS B.9.2

DEMANDACaudal Medio Diario = 0,059 m3/s

CURVAS DE DEMANDA HORARIADurante un da cualquiera, los consumos de agua de una comunidad presentarn variaciones hora a hora dependiendo de los hbitos y actividades de la poblacin. El consumo muestra valores mnimos en las horas de la madrugada y mximos al medioda. Esta variacin del consumo en litros por segundo respecto a l ahora se conoce como Curva de Demanda Horaria y es tpica par aciertas clases de poblaciones. Ahora bien, en el diseo de la capacidad del tanque, para el clculo del volumen a almacenar se debe tener en cuenta esta variacin de consumos, con el fin de suministrar en todo momento el caudal equivalente al consumo de la poblacin en cualquier hora. Se utiliz una curva tpica en la cual el mximo consumo se presenta entre el perodo cercano al medioda y el medioda, presentado en el Grfico 5.5.1

ASPECTOS GENERALES DE LA ZONAInfraestructura existente en la zona del ubicacin del tanque de almacenamiento: Energa Elctrica: En funcionamiento. Redes que dan servicio a la operacin de los tanques y filtros existentes. Alcantarillado Sanitario: No hay redes de alcantarillado sanitario en las cercanas que afecten la ubicacin elegida para la construccin del tanque.

Acueducto: En funcionamiento. Vas de Acceso: Va de acceso en empedrado hasta los filtros. No existe acceso haca la zona de construccin de los tanques. Edificaciones cercanas: Tanques de filtracin.

TOPOGRAFIADocumento de Referencia:

Localizacin Tanque.dwg Detalle Tanque.dwg

Terreno de pendientes pronunciadas. Es necesaria la excavacin de un gran volumen. Cota de Trabajo: En la definicin de la cota de trabajo se tuvo en cuenta: Profundidad interna del tanque = Solado Diferencia de cotas Cota referencia Cota trabajo 4,3 m

= 0.15 m = 1.0 m Diferencia entre la salida del clorinador y la entrada del tanque de almacenamiento = 433.36 m = 428 m

ESTUDIO DE SUELOSDocumento de Referencia:

Estudio de Suelos

Tipo de material: Conglomerado y Rocoso. Suelo de cimentacin: Roca.

FACTIBILIDAD DE AMPLIACIONMs adelante se verifica (ver 5. DISEO) que la capacidad del tanque de almacenamiento concebido a construir en el Contrato de Obra es insuficiente. Se necesita al menos 2 tanques de iguales dimensiones con el fin de suplir el volumen de regulacin necesario para compensar la diferencia de consumo horario. Se verificar que el tanque a construir tenga capacidad de al menos la mitad del volumen de regulacin necesario. De esta forma se suple la demanda actual y con una futura expansin, se obtendr la capacidad para suplir el consumo de la poblacin estimada a lo largo del perodo de diseo.

PRESIONES EN LA RED DE DISTRIBUCIONSe tiene las zonas de presin reportadas por la Empresa de Acueducto municipal. De acuerdo a esta informacin y conociendo la presin requerida para cada zona se evala si la cabeza de presin definida por la cota a la cual se ubica e tanque, por el dimetro de la tubera de la red y por las prdidas, es suficiente.

VULNERABILIDAD Y AMENAZA SISMICAEl municipio de Villagarzn se encuentra en zona de riesgo de amenaza ssmica alta. Se realizar el diseo estructural del tanque con el fin de verificar el cumplimiento de la norma sismo resistente NSR-98.

1.3 CONDICIONES GENERALESDocumento de Referencia:

Norma RAS B.9.3

SeguridadEl terreno no es susceptible a inundaciones ni deslizamientos No est atravesado por fallas geolgicas El suelo de cimentacin es tipo roca1 Cumple con la Norma Sismo Resistente

Facilidad de MantenimientoEl Almacenamiento estar conformado por dos (2) unidades de iguales dimensiones, concebidas de forma independiente para garantizar su funcionamiento individual.

LocalizacinEst ubicado inmediatamente a la salida de la planta de tratamiento Es cercano a la red de distribucin Se presenta nacimiento natural de agua, el cual ser manejado por un canal de recoleccin abierto. (ver mas adelante: estructuras propuestas) Garantiza la presin mnima2 teniendo en cuenta que la presin absoluta mnima admisible est dada por la presin absoluta de vapor del agua a temperatura ambiente restada de la presin atmosfrica local. Presin absoluta de vapor de agua a T 20C Presin atmosfrica Local Luego, 1 2 3 4 = 2,34 kPa3 = 101,1kPa4

Estudio de Suelos RAS B.6.4.11.4 RAS Tabla B.6.2.1 http://tiempo.meteored.com/prediccion_para-Villagarzon-Putumayo-Colombia-America%20Sur.html

Presin absoluta mnima

= 98,76 kPa

Distancia a Otras RedesNo existen redes de alcantarillado a distancias inferiores a 30 m.

1.4 DISEODocumento de Referencia:

Norma RAS B.9.4

Perodo de DiseoDocumento de Referencia:

Norma RAS B.9.4.1, Tabla B.9.1

TR

:

30 aos

Nmero Mnimo de TanquesSe proyectar la construccin de tanques separados cuyas capacidades individuales sumadas sea igual o mayor a la capacidad definida a continuacin

Caudal de DiseoEl tanque debe proveer el caudal mximo horario (QMH). Para esto se analizar los consumos horarios del da de mximo en funcin del caudal de suministro al tanque, caudal mximo diario (QMD). (ver Tablas anexas, 5.5.1, 5.5.2 y 5.5.3)

Capacidad de Regulacin

C= QMD

3600s 1 m3 1 hr mximoexcedente mximodficit 1 hr 1000lt 100

C = Capacidad del Tanque Volumen de Regulacin para el caso de un suministro 24 horas, 5 Excedente = 325 % Mx. Excedente presentado en la hora 6am-7am Dficit = 80 % Mx. Deficit presentado en las horas 04pm-05pm 5 Tabla 5.5.1 Luego, Cr 24hr

=

2172,420 m3

Capacidad Hdca Tanque

Volumen de Regulacin para el caso de un suministro 12 horas, 6QMD = 149 lps Dficit = 180 % Vol Excedente = 730 % um en Luego, de Cr 12hr = 4881,240 m3 Reg ulac in para el caso de un suministro 8 horas,7 Dficit = 225 % El Excedente = 1140 % vol um Luego, en Cr 8hr = 7272,720 m3 a alm ace nar aumenta notablemente en aquellos casos en los agua desde la conduccin al tanque.

Mx. Deficit presentado en las horas 03am-04am Mx. Exdedente presentado en las horas 03pm-04pm


Mx. Deficit presentado en las horas 04am-5am Mx. Exdedente presentado en las horas 12m-1pm


cuales se tiene un suministro restringido de

Se trabaja bajo la hiptesis de que habr un suministro las 24 hrs al tanque en condiciones normales de operacin.Factor Cr = = 1,28

2589,41 m3

Caudal de Reserva, en un tiempo de 2 horasQMD = 124 lps

Ca

Luego, p Cr 24hr

=

892,800 m3

Capacidadde Reserva por inoperatividad de 2hr

a cidad para Demanda contra Incendios

6 Tabla 5.5.2 7 Tabla 5.5.3 8 RAS B.9.4.4 Literal 1

Qmd Tiempo Cin

= = =

0,328 m3/s 2 hr 2363,3 m3

Volumen del TanquePuesto que Cr + C reserva > Cin, se toma como volumen del tanque la capacidad de regulacin.

VT Dimensiones Largo Ancho H LA Dimensiones Largo Ancho H LA

=

3482,21 m3

Capacidad Hdca (Cr + C reserva)

para 1 solo tanque: = 16 m = 16 m = 13,6 m para 2 tanques similares = 16 m = 16 m = 6,8 m

dimensin interna libre Altura lmina de agua dimensin interna libre Altura lmina de agua

Volumen del Tanque Concebido en el Diseo Original9Largo Ancho H LA VT Contrato = = = = 16 m 16 m 3,6 m 921,6 m3 dimensin interna libre dimensin interna libre Altura lmina de agua

9 Tanque de Almacenamiento Original.dwg

Volumen del Tanque Propuesto10Puesto que en el estudio de suelos y posterior excavacin se encontr suelo rocoso apto para cimentar el tanque a profundidades de 8m, se proponen las siguientes dimensiones con el fin de reducir la profundidad de excavacin y evitar continuar con la voladura de roca, actividad que se desarrolla en el momento. Largo = 17 m Ancho = 17 m HLA = 3.7 m

dimensin interna libre dimensin interna libre Altura lamina de agua

Dficit de AlmacenamientoVT Contrato = 921,6 m3 Capacidad Hdca Contratada

Dficit de Almacenamiento VT faltante = 2560,61 m3

Expansin de la CapacidadDocumento de Referencia:

Tanque de Almacenamiento.dwg

La construccin de dos (2) unidades de las dimensiones indicadas en los planos arroja una capacidad de almacenamiento inicial que ser superada en el ao 2022 si al poblacin crece segn las consideraciones tomadas (tasa de crecimiento r = 2%) Luego, es necesario la expansin de la capacidad en el ao en que el almacenamiento a construir sea superado por el almacenamiento requerido en base a la poblacin.

10 Tanque de Almacenamiento Original.dwg

AO POBLACION Dotacin Qmd QMD Almacenamiento PRIMERA DEFICIT EXPANSIONDEFICIT Bruta Requerido ETAPA LUEGO DE hab L/hab.da lps lps m3 m3 m3 m3 EXPANSION (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) 2009 15158 388 68,07 81,68 1429,16 1843,2 0 0 2010 15461 388 69,43 83,32 1457,74 1843,2 0 0 2011 15770 388 70,82 84,98 1486,89 1843,2 0 0 2012 16086 388 72,24 86,68 1516,63 1843,2 0 0 2013 16408 388 73,68 88,42 1546,97 1843,2 0 0 2014 16736 388 75,16 90,19 1577,9 1843,2 0 0 2015 17070 388 76,66 91,99 1609,46 1843,2 0 0 2016 17412 388 78,19 93,83 1641,65 1843,2 0 0 2017 17760 388 79,76 95,71 1674,49 1843,2 0 0 2018 18115 388 81,35 97,62 1707,97 1843,2 0 0 2019 18478 388 82,98 99,57 1742,13 1843,2 0 0 2020 18847 388 84,64 101,56 1776,98 1843,2 0 0 2021 19224 388 86,33 103,6 1812,52 1843,2 0 0 2022 19608 388 88,06 105,67 1848,77 1843,2 5,57 745,52 0 2023 20001 388 89,82 107,78 1885,74 1843,2 42,54 745,52 0 2024 20401 388 91,61 109,94 1923,46 1843,2 80,26 745,52 0 2025 20809 388 93,45 112,14 1961,93 1843,2 118,73 745,52 0 2026 21225 388 95,32 114,38 2001,16 1843,2 157,96 745,52 0 2027 21649 388 97,22 116,67 2041,19 1843,2 197,99 745,52 0 2028 22082 388 99,17 119 2082,01 1843,2 238,81 745,52 0 2029 22524 388 101,15 121,38 2123,65 1843,2 280,45 745,52 0 2030 22974 388 103,17 123,81 2166,12 1843,2 322,92 745,52 0 2031 23434 388 105,24 126,28 2209,45 1843,2 366,25 745,52 0 2032 23903 388 107,34 128,81 2253,64 1843,2 410,44 745,52 0 2033 24381 388 109,49 131,38 2298,71 1843,2 455,51 745,52 0 2034 24868 388 111,68 134,01 2344,68 1843,2 501,48 745,52 0 2035 25366 388 113,91 136,69 2391,58 1843,2 548,38 745,52 0 2036 25873 388 116,19 139,43 2439,41 1843,2 596,21 745,52 0 2037 26390 388 118,51 142,22 2488,2 1843,2 645 745,52 0 2038 26918 388 120,88 145,06 2537,96 1843,2 694,76 745,52 0 2039 27457 388 123,3 147,96 2588,72 1843,2 745,52 745,52 0 (1) Ao del perodo de diseo (2) Poblacin proyectada a cada ao del perodo, teniendo en cuenta que la tasa de crecimiento, r, es: r 0,02 (3) Dotacin Bruta (4) Caudal Medio Diario = Dotacin Bruta * Poblacin / 86400 (5) Caudal Mximo Diario = k1 * Qmd , k1 1,2 (6) Almacenamiento = Capacidad de Regulacin * 1,2 C regulacin = QMD*(3600/1000)*1/100*(Mximo Dficit + Mximo Exdente) Mx. Dficit 80 % En una curva de suministro de 24 horas al tanque Mx. Excedente 325 % En una curva de suministro de 24 horas al tanque (7) Almacenamiento correspondiente a la construccin de 2 tanques de: Largo 16m Ancho 16m H lmina dagua 3,6m (8) Se presenta un dficit en el ao 2022, el mximo dficit es de 745,52 m3 en el ltimo ao (9) Construccin de un 3er tanque de capacidad 745,52 m3 en el ao 2022 (10) No habr dficti con la expansin proyectada al 2022

MaterialesSe aplicarn las siguientes normas en el diseo y la construccin: Cdigo Colombiano de Construccin Sismorresistente, NSR 98 Reglamento del Sector de Agua Potable y Saneamiento Bsico, RAS 2000. Normas ICONTEC Normas AST

Presin en la Tubera de AlimentacinDocumento de Referencia: Altura Lmina de Agua Columna adicional Luego, Columna de Agua

Norma RAS 9.4.8= = = 3,6m 5,0m 8,6m

Es la presin mnima que debe tener el agua en la tubera de entrada al tanque.

Tiempo y Caudal de VaciadoDocumento de Referencia:

Norma RAS 9.4.10

A h m a g T

= = = = = = =

256 m2 3,5 m2 0,5 0,01824 m2 9,81 m2/s 23709,62 segundos 6,59 horas

rea Superficial Tanque Altura sobre el desague Coeficiente entre 0,5 0,6 rea desague 6"

TABLA 5.5.1TABLA5,5,1 VARIACIONES DE CAUDAL PARA UN SUMINISTRO DE 24 hr AL TANQUE HORAS SUMINISTRO DEMANDASDIFERENCIAS (4)

DIFERENCIASACUMULADAS DIFERENCIAS + MAX. DEFICIT ACUMULADAS (%) (5) (6)

Q Bom beo (%) HORARIA (%) (1) (2) (3)

0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-24 TOTAL Suministro excesivo Mayor Deficit(1) (2) (3) (4) (5) (6)

100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 2400 %QMD %QMD

45 45 45 45 45 60 90 135 150 150 150 180 120 140 140 130 110 100 100 100 90 90 80 60 2400

55 55 55 55 55 40 10 -35 -50 -50 -50 -80 -20 -40 -40 -30 -10 0 0 0 10 10 20 40

55 110 165 220 275 315 325 290 240 190 140 60 40 0 -40 -70 -80 -80 -80 -80 -70 -60 -40 0

135 190 245 300 355 395 405 370 320 270 220 140 120 80 40 10 0 0 0 0 10 20 40 80

325 -80

Tiempo en Horas Entrada de Suministro al Tanque al 100% del Caudal de Bombeo (QMD) Variacioes horarias d econsumo conocidas (2)-(3) Diferencais acumuladas (5) + [mayor dficit]

Luego, para cubrir el dficit en lashoras de mximo consumo, se debe suministrar un caudal 405% veces el QMD en un perodo de 1 hora



Q Bom beo (%) HORARIA (%) (1) (2) (3)


0 0 0 0 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 200 0 0 0 0 0 0 0 0 2400 %QMD %QMD

45 45 45 45 45 60 90 135 150 150 150 180 120 140 140 130 110 100 100 100 90 90 80 60 2400

-45 -45 -45 -45 155 140 110 65 50 50 50 20 80 60 60 70 -110 -100 -100 -100 -90 -90 -80 -60

-45 -90 -135 -180 -25 115 225 290 340 390 440 460 540 600 660 730 620 520 420 320 230 140 60 0

135 90 45 0 155 295 405 470 520 570 620 640 720 780 840 910 800 700 600 500 410 320 240 180

730 -180


Luego, para cubrir el dficit en las horas de mximo consumo, se debe suministrar un caudal 910% veces el QMD en un perodo de 1 hora



Q Bom beo (%) HORARIA (%) (1) (2) (3)


0 0 0 0 0 300 300 300 300 300 300 300 300 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2400 %QMD %QMD

45 45 45 45 45 60 90 135 150 150 150 180 120 140 140 130 110 100 100 100 90 90 80 60 2400

-45 -45 -45 -45 -45 240 210 165 150 150 150 120 180 -140 -140 -130 -110 -100 -100 -100 -90 -90 -80 -60

-45 -90 -135 -180 -225 15 225 390 540 690 840 960 1140 1000 860 730 620 520 420 320 230 140 60 0

180 135 90 45 0 240 450 615 765 915 1065 1185 1365 1225 1085 955 845 745 645 545 455 365 285 225

1140 -225


Luego, para cubrir el dficit en l ashoras de mximo consumo, se debe suministrar un caudal 1365% veces el QMD en un perodo de 1 hora

COMBINACION DE CARGAS SEGN NORMA RAS MATERIALES Acero de refuerzo fy=4200 Kg/cm2 Concreto fc=210 Kg/cm2 CARGAS 1. Peso propio (D) : Se tom un valor de peso especifico del concreto reforzado de 2400 Kg/m3 2. Carga viva (L) : Para las losas que cubren los tanques se asumi una carga viva de 200 Kg/m2 3. Empuje Hidrosttico y peso de agua (H) : Se toma un valor de peso especifico del agua de 1000 Kg/m3 4. Presin de tierra (H) : Se considera el peso especifico de la tierra con un valor de 1800 Kg/m3 Con relacin a los empujes laterales resulta mas critico el correspondiente a la presin hidrosttica. Para los diversos tanques, el valor de la presin hidrosttica corresponde a 1000*h , siendo h la altura de la columna de agua medida a la profundidad de referencia. COMBINACION DE CARGAS CARGA ULTIMA = 1.3 * (1.4D + 1.7L + 1.7H) (C.20.3.3) PAREDES Y PLACAS DE FONDO Recubrimiento del refuerzo: Entre 5 y 7.5 centmetros segn la condicin de intemperismo (C.20.2.2). Espesor de paredes y losas: dado por el diseo y no menor a los espesores determinados en C.20.2.3

ANALISIS ESTRUCTURAL Se modelaron las estructuras utilizando un programa de elementos finitos. El diseo estructural de los tanques y otros compartimientos estancos se realizaron para estados lmites de resistencia y funcionamiento, tal como los define el captulo C.8 con el propsito de minimizar el agrietamiento y la fisuracin. La combinacin de cargas se defini en un inciso anterior, tal como lo establece la norma en el artculo C.20.3.3

ACERO DE REFUERZO Se discrimina en los planos anexos, as como su despiece para efectos de su cuantificacin. Los aceros de refuerzo de dimetro igual o superior a 1/2 pulgada tendrn una resistencia de 4200 Kg/cm2.

Para aceros de refuerzo de dimetro menor a 1/2 pulgada la resistencia se toma en 2400 Kg/cm2. BARRERAS DE PROTECCION CONTRA EL PASO DEL AGUA Se deben de utilizar barreras de proteccin contra el paso del agua , que pueden ser de caucho o cloruro de polivinilo (PVC) , de dimensiones definidas en los planos , las cuales se colocaran repartidas mitad y mitad entre los dos concretos que forman la junta de construccin.

DESCRIPCION DE ESTRUCTURAS Para todas las estructuras hidrulicas se hizo un mismo procedimiento de anlisis en lo correspondiente a losas de fondo, muros y losas de cubierta, como a continuacin se describe. El anlisis de la losa de cimentacin consider una serie de resortes que modela la reaccin del suelo con un coeficiente de reaccin de subrasante de 1 kg /cm3. Los extremos de la losa consideran la restriccin a la rotacin producida por los muros que llegan al borde de la losa. Las paredes se analizan en dos direcciones considerando restricciones en sus bordes generados por la losa de fondo como por las losas de cubierta del tanque. Tanto la losa de fondo como las paredes se analizan mediante elementos finitos del tipo shell que permite que ella trabaje a flexin, cortante y tensin.

ING. ANDRES FELIPE VERA PEREZ ESPECIALISTA EN ESTRUCTURAL Universidad Nacional de Colombia M.P 19202-084481 CAU

55969018 Calculo Tanque de Almacenamiento

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