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TÍTULO:
REFORZAMIENTO DE TANQUES ELEVADOS DE HORMIGÓN ARMADO,
CON TEJIDO DE FIBRA ROVING Y CON FIBRA DE VIDRIO
TRADICIONAL
ELABORADO POR:
LOOR PONCE MARÍA ELISA
SANTANA PACHAY ERIKA KATHERINE
MANTA, AGOSTO DEL 2015
UNIVERSIDAD LAICA ELOY ALFARO DE MANABÍ
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
Formulación del Problema
Actualización de normas Requerimientos de análisis
y diseño exigentes
Incrementos de esfuerzos en los
elementos y mayores
desplazamientos de la estructura
Se deben reforzar y
arriostrar para incrementar
su resistencia y rigidez
Objetivo General
Investigar el uso de fibras de vidrio para el reforzamiento de
tanques elevados, como opción para incrementar la
resistencia a la compresión y la tracción de los elementos
que las componen, y así satisfacer las resistencias
requeridas debido a las exigencias de los nuevos códigos.
Objetivos Específicos
Observar el estado estructural en que se encuentran los
tanques elevados tipo Intze construidos en los barrios de
la Ciudad de Manta.
Conocer el proceso de aplicación de la fibra de vidrio y
los diferentes tipos que se comercializan en el mercado.
Analizar el comportamiento de los tanques elevados
reforzados con la fibra de vidrio tradicional, tejido de
fibra roving.
CONTENIDO
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS FIBRAS DE VIDRIO
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA.
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
METODOLOGÍA
REALIZAR EL ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO Y EXAMINAR LOS
ELEMENTOS QUE NO SATISFAGAN LAS RESISTENCIAS
REQUERIDAS.
ESTUDIAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LAS FIBRAS.
REALIZAR ENSAYOS EN LABORATORIO Y ANALIZAR LOS
RESULTADOS.
REFORZAMIENTO CON FIBRA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO
La configuración del tanque elevado que se analiza, es el
comúnmente utilizado en Manta, al que se le denomina
Tanque Intze, en honor al Ingeniero hidráulico Alemán Otto
Intze, quien fue el que propuso su configuración.
La disposición geométrica de los
elementos estructurales del Tanque
Intze se la realiza procurando que
haya equilibrio entre los empujes
horizontales interiores y exteriores en
la viga de anillo en la parte superior
de las columnas que sostienen el
tanque. Por lo tanto, cuando el
tanque está lleno, no hay esfuerzos
circunferenciales en la viga de anillo.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Los tanques elevados constan de dos partes principales: la
cuba y la estructura de soporte. METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Para realizar el análisis y diseño del Tanque Elevado se van a
utilizar los siguientes códigos:
Norma Ecuatoriana de la Construcción (NEC 2014)
Seismic Design of Liquid-Containing Concrete Structures and
Commentary (ACI 350.3-06)
Code Requirements for Environmental Engineering Concrete
Structures (ACI 350-06).
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Dimensiones del Tanque
Se señala que al momento de la recolección de datos, hubo la sorpresa de
que las dimensiones de todos los tanques de la tipología presentada en la
investigación, son iguales, pese a que están implantados en diferentes
sectores de la ciudad de Manta.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
El Dr. Housner en 1963, propuso un modelo matemático que
representa el comportamiento de un tanque bajo la acción
sísmica. Este modelo representa al líquido que se mueve en
conjunto con las paredes mediante una masa, la cual se
denomina masa impulsiva, mientras que el efecto de oleaje
sobre las paredes se la representa mediante una masa y un
resorte, a las que se le denominan masa convectiva y
rigidez convectiva.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Expresiones del modelo de Housner
Masa Impulsiva 𝑾𝒊
Altura Impulsiva 𝒉𝒊
Para tanque con 𝐷/𝐻𝐿<1.333
Para tanque con 𝐷/𝐻𝐿≥1.333
Masa Convectiva 𝑾𝒄
Altura Convectiva 𝒉𝒄
Rigidez Convectiva 𝑲𝒄
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Parámetros del Análisis
Parámetro Descripción Valor
n Aceleración Espectral. 1,8
z Factor de zona sísmica. 0,5
FaCoeficiente de amplificación de
suelo en la zona de período corto.1,18
Fd Coeficiente de desplazamiento. 1,06
FsCoeficiente de comportamiento
lineal del suelo1,23
I Factor de Importancia Estructural. 1,5
rFactor usado en el espectro de
diseño elastico1
RFactor de reducción de respuesta
estructural.3
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Parámetros de Diseño
Grietas por Tracción Directa
El segmento vertical de la pared del tanque resiste los esfuerzos de
tracción resultantes de las fuerzas circunferenciales, los cuales
producen agrietamiento, lo que debe ser evitado para que no se
produzcan fugas del líquido y no se corroa la armadura. Las grietas
se rigen solamente por la resistencia a la tracción del hormigón,
mientras que los refuerzos controlan el ancho de la grieta y no
impiden que las mismas se produzcan.
El ACI 350-06 controla el agrietamiento de un elemento mediante
una expresión que limita el espesor o peralte del elemento.
El esfuerzo 𝑓𝑠 limita la fluencia del acero para evitar el agrietamiento
excesivo. El ACI 350-06 da expresiones para determinar el valor de
𝑓𝑠, los cuales están en función del tipo de esfuerzo y exposición
ambiental al que está sometido un elemento.
𝑓𝑠=20 𝑘𝑠𝑖 (1400𝑘𝑔/𝑐𝑚²) 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑥𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙.
𝑓𝑠=17 𝑘𝑠𝑖 (1200𝑘𝑔/𝑐𝑚²) 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑥𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑒𝑣𝑒𝑟𝑎.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Parámetros de DiseñoGrietas por Flexión
El ACI350-06 presenta un método especial para controlar el ancho de
las fisuras de flexión. Este método se basa en el modelo Frosch para
predecir las grietas por Flexión (Frosch, 1999). El modelo especifica
la grieta máxima mediante el espaciamiento de la varillas de
refuerzo. El ACI350- 06 especifica las reglas para la separación de la
armadura a flexión, mediante el control, de que los esfuerzos de
tracción en la armadura de acero no excedan los esfuerzos máximas
admisibles especificados por ACI350-06: 𝑓𝑠 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎≤𝑓𝑠 𝑚𝑎𝑥 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝐴𝐶𝐼.
Los pasos para calcular el esfuerzo en el refuerzo son los siguientes
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Análisis en SAP 2000
Control de Derivas de Piso
El tanque cumple con el control de deriva del NEC 2014. Por lo
tanto el tanque cumple este requerimiento, el cual controla el
daño de los elementos cuando los desplazamientos en los mismos
son grandes.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Examinación de Resistencia de los Elementos
Pared Cilíndrica
Del análisis estructural realizado en SAP 2000 se obtiene las fuerzas
anulares y momentos últimos en la pared del tanque 𝐹11=291 𝑘𝑔/𝑐𝑚,
𝐹22=46.65 𝑘𝑔/𝑐𝑚, 𝑆11=40.45 𝑘𝑔/𝑐𝑚²,
Verificación de Fisuramiento por Tracción Directa.
El espesor 𝑡=15 𝑐𝑚 de la pared cilíndrica es menor que el necesario
para evitar el fisuramiento, por lo tanto no se cumple con lo
requerido.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Examinación de Resistencia de los Elementos
Verificación de la Resistencia del Hormigón METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Fibras de Vidrio
La fibra de vidrio es un material fibroso obtenido al hacer fluir
vidrio fundido a través de una pieza de agujeros muy finos que al
solidificarse tiene suficiente flexibilidad como para ser usado
como fibra. Las tres clases más importantes de vidrio utilizados
para fabricar fibras para materiales compuestos son los vidrios E
para usos eléctricos, los vidrios S para refuerzos extremos y los C
para resistencia la corrosión
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Propiedades típicas E-Glass S-Glass
Densidad [g/cm3] 2.60 2.50
Módulo de Young [GPa] 72 87
Tensión admisible [GPa] 1.72 2.53
Tensión de alargamiento [%] 2.4 2.9
Características de las Fibras de Vidrio
Resistencia a la tracción
Resistencia a la compresión
Efecto de la orientación de las fibras
La mayoría de las fibras no son unidireccionales, tienen gran
variedad de orientaciones por ejemplo en un laminado que es
unidireccional, la resistencia será la máxima posible en una
dirección, pero en la dirección transversal tendrá la resistencia
mínima, lo que podría ocasionar la falla prematura en caso de
que alguna carga sea aplicada fuera del eje longitudinal del
laminado. Por el contrario, en los laminados que se presentan
las dos orientaciones puede ser que rompan algunas fibras sin
llegar a la rotura del laminado.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Características de las Fibras de Vidrio
Resistencia a la flexión
Resistencia a cortante
La resistencia a cortante de un laminado unidireccional es muy
baja. Esto debido a que las fibras no pueden resistir la
deformación en la dirección del cortante máximo. La
resistencia a cortante puede incrementarse significativamente
si hay algunas capas en donde las fibras están orientadas a
±45º con respecto a la carga aplicada
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Fibras de Vidrio Utilizadas
Tejido Roving METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Son filamentos de hilos (roving) cortado a una misma longitud cada
uno de ellos más o menos gruesos, de un número elevado de hilos que
se entrecruzan perpendicularmente y aglomerados entre sí mediante un
ligante químico como son las resinas principalmente el poliéster.
Tejido de fibra de vidrio
roving grueso.
Fibras de Vidrio Utilizadas
Mat (Mantas) METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Mat de superficie o también llamado velo de superficie. Este tipo de
fibra de vidrio son fieltros de hilos cortados, entrelazados
desordenadamente aglomerados, comprimidos, ligados fuertemente y
laminados entre sí.
Fibra de vidrio tradicional (gruesa)
Configuraciones de Fibras Usadas
En la presente Tesis se realizaron varios ensayos experimentales en el
cual se reforzaron cilindros de hormigón con varios tipos y
configuraciones de fibra de vidrio, con el fin de incrementar la resistencia
a la compresión y a la tracción del hormigón. Las configuraciones de
fibra de vidrio usadas son las siguientes:
Fibra de vidrio tradicional: en esta configuración se le coloca una
capa de fibra de vidrio tradicional al cilindro de hormigón.
Tejido de Fibra roving: en esta configuración se le coloca una capa de
tejido de fibra roving al cilindro de hormigón.
Fibra tradicional – Tejido de Fibra Roving – Fibra tradicional: en esta
configuración se le coloca al cilindro tres capas de fibra de vidrio:
primero una capa de fibra de vidrio tradicional, luego una capa de
tejido de fibra roving y por ultimo una capa de fibra de vidrio
tradicional.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Resultados de Ensayos a Compresión
Ensayos a Compresión del Hormigón con Fibra de Vidrio Tradicional METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Resultados de Ensayos a Compresión
Ensayos a Compresión del Hormigón con Tejido de Fibra Roving METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Resultados de Ensayos a Compresión
Ensayos a Compresión del Hormigón con Fibra de Vidrio Tradicional-
Tejido de Fibra Roving-Fibra de Vidrio Tradicional
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Resultados de Ensayos a Compresión METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Resultados de Ensayos a Tracción
Ensayos a Tracción del Hormigón con Fibra de VidrioTradicional
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Resultados de Ensayos a Tracción
Ensayos a Tracción del Hormigón con Tejido de Fibra Roving METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Resultados de Ensayos a Tracción
Ensayos a Tracción del Hormigón con Fibra de VidrioTradicional-Tejido de Fibra Roving-Fibra de Vidrio Tradicional
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Resultados de Ensayos a Tracción METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Reforzamiento de Pared Cilíndrica
De los resultados obtenidos experimentalmente se utiliza la
configuración de fibra de vidrio que dio el mayor incremento de
resistencia para el reforzamiento del tanque.
La fibra utilizada es la configuración Fibra de Vidrio Tradicional –
Roving - Tradicional, la cual dio un incremento adicional de resistencia a
la compresión del 81% y a la tracción del 14%.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
Diseño por Tracción y Verificación por Fisuramiento de la Pared.
El espesor 𝑡=15 𝑐𝑚 de la pared cilíndrica es mayor que el necesario para
evitar el fisuramiento, por lo tanto se cumple con lo requerido.
Verificación del Esfuerzo de Tracción del Hormigón.
CONCLUSIONES
El correcto funcionamiento de la fibra de vidrio para el
reforzamiento depende de la preparación y aplicación de sus
componentes, si se aplican de manera ágil y precisa evitando que
se queme la mezcla (resina y fibra) por el exceso de resina y
catalizador, se obtiene un resultado satisfactorio de los elementos
reforzados. Se señala que la fibra debe quedar en estado seco
visible transparente y no oscura.
La combinación de la fibra de vidrio tradicional, tejido de fibra
roving y fibra de vidrio tradicional como refuerzo estructural
aumenta la resistencia a la compresión en un 80 % más que los
valores normales y que utilizando las dos fibras por separado, en
cuanto a la fibra de vidrio tradicional sólo aumenta un 10 % y el
tejido de fibra roving un 20 %, por lo cual el uso combinación de la
fibra tradicional y la fibra roving es el más acto de la tres
configuraciones de fibras ensayadas para ser usado en el
reforzamiento a compresión de elementos de hormigón.
La combinación de la fibra de vidrio tradicional, tejido de fibra
roving y fibra de vidrio tradicional como refuerzo estructural
aumenta la resistencia a la tracción en un 219.419% más que los
valores normales calculado con la expresión 1.2√𝑓´𝑐, y que utilizando
las dos fibras por separado, en cuanto a la fibra de vidrio tradicional
sólo aumenta un 31.807% y el tejido de fibra roving un 148.591 %%,
por lo cual el uso combinación de la fibra tradicional y la fibra roving
es el más acto de la tres configuraciones de fibras ensayadas para
ser usado en el reforzamiento a tracción de elementos de hormigón.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES
RECOMENDACIONES
Se recomienda reforzar una estructura con fibra de vidrio, siempre
que se necesite incrementar la resistencia del hormigón, es decir,
cuando los esfuerzos en el mismo sean superados.
Se recomienda que haya una mayor difusión e investigación de los
diversos tipos de fibras que hay en el mercado Ecuatoriano para de
esta manera hacer las comparaciones necesarias tanto en costo
como beneficio de los materiales a utilizarse.
Se recomienda trabajar con la fibra de vidrio y el tejido de fibra
roving en lugares abiertos y bajo cubierta, de manera que haya
circulación de aire debido a los fuertes componentes químicos: la
resina y el catalizador elementos fundamentales e indispensables en
la aplicación de las fibras. Es por este motivo que la aplicación debe
hacerlo una persona que tenga conocimiento y experiencia con el
material y con la protección adecuada evitando el contacto
directo de las fibras con los ojos y la piel para evitar enrojecimiento y
picazón.
METODOLOGÍA
ANÁLISIS DEL TANQUE ELEVADO.
FIBRAS DE VIDRIO UTILIZADAS
ENSAYOS DE LABORATORIO
REFORZAMIENTO CON FIBRA
CONCLUSIONES
RECOMENDASIONES