Diseño sísmico de tanques según ASCE 7: Cargas, anclajes y documentos estructurales
Creado Hoy
Diseño sísmico de tanques de almacenamiento de agua según ASCE 7
El diseño sísmico de un tanque de agua no es una decisión que toma el proveedor del tanque; es una decisión que toma el propietario en los documentos entregados. ASCE 7 trata un tanque como una estructura no edificatoria bajo el Capítulo 15 en lugar de como un componente no estructural bajo el Capítulo 13, porque el tanque responde al sismo como una estructura con masa, una superficie libre, un anclaje y un casco, no como un equipo colgado de un edificio. Dos componentes sísmicos actúan sobre él: el componente impulsivo generado por la masa de agua y del casco que se mueve con el suelo, y el componente convectivo generado por el chapoteo del agua en la superficie. El chapoteo es la razón por la cual el bordo libre es un requisito sísmico y no una formalidad, y el anclaje es la razón por la cual un anclaje sobredimensionado es una mala respuesta, porque se requiere que el anclaje fluya y desarrolle alargamiento antes que el casco, y el concreto debe desarrollar esa resistencia en toda la longitud de empotramiento. Este artículo expone los dos componentes, el requisito de bordo libre, la ductilidad del anclaje, la falla que previene la flexibilidad de la tubería, las verificaciones del faldón y los soportes, los datos que el propietario debe suministrar, lo que corresponde al alcance del proveedor del tanque, y la interfaz geotécnica que cierra el ciclo para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7.
Por qué un tanque es una estructura no edilicia, no un componente no estructural
Un tanque de agua no es un componente colgado de una estructura. Es una estructura con una gran masa, una superficie libre, una envolvente que soporta esa masa y un anclaje que transfiere todo al suelo. El Capítulo 15 de ASCE 7 trata los tanques y recipientes como estructuras no edificatorias y proporciona las disposiciones sísmicas que reflejan cómo responden. El Capítulo 13 rige los componentes no estructurales en edificios, donde la demanda es un factor de amplificación del componente sobre un nivel de soporte. Usar la vía del Capítulo 13 produce una demanda sin significado físico, y un tanque diseñado de esa manera pasará una verificación de capacidad de anclaje mientras falla en lo que importa para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7.
Los dos componentes sísmicos que actúan sobre el tanque
Los componentes impulsivo y convectivo se calculan por separado porque actúan en períodos diferentes y producen demandas diferentes. El componente impulsivo es la respuesta de período corto generada por la masa del tanque y el agua que se mueve con él, y rige el esfuerzo circunferencial en el tanque, la carga axial en el anclaje y la verificación de pandeo. El componente convectivo es la respuesta de período largo del chapoteo del agua sobre la superficie, y rige el borde libre y la carga sobre el techo. Un diseño que reporta una sola demanda sísmica ha reportado solo una de las dos para el diseño sísmico de tanques según asce 7
Aspecto | Componente impulsivo | Componente convectivo |
Excitado por | Masa del casco y del líquido que se mueve con el terreno | Oleaje del líquido a través de la superficie libre |
Período | Corto, cercano al período natural del casco y el líquido | Largo, segundos para un tanque grande |
Rige | Esfuerzo circunferencial, carga axial del anclaje, pandeo | Francobordo, nivel del líquido, carga sobre el techo |
Verificado en | Diseño del casco y del anclaje | Cálculo del francobordo, aceptación del techo |
El sloshing y por qué el francobordo es un requisito sísmico
El sloshing es la parte del problema sísmico que con mayor frecuencia se deja como una nota en el plano. Cuando el agua se mueve, sube por un lado del tanque y baja por el otro, y la altura de la ola depende del diámetro del tanque, la profundidad del agua y la intensidad del movimiento. Si el francobordo es menor que la ola, el agua alcanza un techo dimensionado para una carga muerta y una sobrepresión moderada, y el vórtice en la pared hace descender el nivel en el centro para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
El francobordo es, por tanto, un resultado del diseño sísmico y no una tolerancia nominal. La altura de chapoteo debe calcularse a partir de la componente convectiva y sumarse al nivel de líquido de diseño, y verificarse contra el techo. Un francobordo fijado como una fracción fija de la altura del tanque produce un tanque que está efectivamente lleno durante un terremoto para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
Anclaje: por qué un anclaje sobredimensionado no es una mejor solución
La intención no es que el anclaje sostenga el tanque; es que el anclaje ceda antes que el casco y luego se estire, de modo que el tanque pueda moverse sin que el casco o la soldadura se desgarren. Un anclaje sobredimensionado para esa intención elimina la ductilidad: el concreto o el anclaje alcanzan su capacidad primero, o la conexión falla de manera frágil, y el tanque pierde la capacidad de redistribuir la demanda. Por lo tanto, un anclaje fuerte no es automáticamente seguro, y el detalle debe especificar un requisito de desarrollo y no solo una capacidad: un empotramiento suficientemente largo para el desarrollo completo del concreto, un anclaje dúctil y una construcción que permita la rotación del casco para el diseño sísmico de tanques según asce 7
· Resistencia: la capacidad supera la demanda amplificada del anclaje para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Ductilidad: el anclaje fluye y se estira antes de que falle el casco para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Desarrollo: empotramiento dimensionado para que el concreto desarrolle la resistencia total del anclaje para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Material: acero de anclaje dúctil, evitando el cortante frágil en la cara del concreto para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Interfaz: la disposición de los anclajes verificada contra la capacidad de movimiento del casco para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
Flexibilidad de tuberías y la falla que previene
Una tubería conectada a un tanque es una falla sísmica esperando el próximo evento. La envolvente se mueve bajo carga impulsiva; la tubería no. Donde una tubería está conectada rígidamente a una boquilla, el movimiento relativo se impone en la boquilla, la soldadura y el soporte, y el más débil de los tres se convierte en el punto de falla, muy por debajo de la capacidad del tanque. El remedio es una conexión flexible dimensionada según el resultado del análisis para el diseño sísmico de tanques según asce 7
Esto tiene una consecuencia de adquisición que aparece mucho antes de que se realice el cálculo. El número, tamaño, ubicación y dirección de las conexiones de boquillas deben acordarse con el diseñador de tuberías, porque la flexibilidad no se puede agregar después de la soldadura para el diseño sísmico de tanques según asce 7
Verificaciones de faldón y soportes y el supuesto conservador de relación
Un tanque sobre un faldón es un conjunto estructural, y el casco inmediatamente por encima del soporte es el que gobierna. Dos verificaciones son importantes: la verificación de pandeo del casco en la longitud no soportada hasta el primer anillo de rigidizadores intermedios, y la compresión axial y circunferencial que soporta el faldón debido al vuelco sísmico y al viento. La verificación de pandeo se realiza comúnmente con una suposición conservadora de rigidez anular, una relación R/I de 1.0, y el cálculo debe indicar esa suposición para el diseño sísmico de tanques según asce 7
La falda en sí se verifica para compresión axial y para el momento en que se aplica el vuelco, y la conexión del anillo de anclaje es donde se resuelve la ductilidad de anclaje discutida anteriormente. Un tanque soportado por falda es también donde la relación altura-diámetro importa más: en un casco alto sobre un soporte esbelto, la carga impulsiva de anclaje y el francobordo de chapoteo crecen mientras que el cortante basal no lo hace para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
Las entradas que el propietario debe proporcionar antes de que comience el diseño
El propietario posee la mayoría de las entradas que necesita un diseño sísmico de tanques, y si no están en el paquete de licitación, el proveedor tiene que asumirlas, lo cual es el lugar equivocado para hacer una suposición sísmica. La clase de sitio y los parámetros sísmicos asociados determinan el espectro de diseño y la categoría de diseño; la categoría de diseño y la categoría de riesgo determinan qué disposiciones se aplican; la velocidad básica del viento y la categoría de exposición establecen el caso de viento, que a menudo gobierna el anclaje para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
Faltan habitualmente dos entradas del proceso: el nivel y la densidad del líquido de diseño, que fijan la masa sísmica y la profundidad de chapoteo, y el listado de boquillas con el trazado de tuberías, que fija los requisitos de conexión flexible antes de la fabricación para el diseño sísmico de tanques según asce 7
Entrada del propietario | De dónde proviene | Qué controla |
Clase de sitio y Ss / S1 | Informe geotécnico, datos sísmicos del sitio | Espectro de diseño y categoría de diseño sísmico |
Categorías de diseño sísmico y de riesgo | Criterios del código estructural para la ocupación | Qué disposiciones del Capítulo 15 se aplican |
Velocidad básica del viento, categoría de exposición | Criterios del código de viento para el sitio | El caso de viento para el casco, el techo y el anclaje |
Informe geotécnico | Investigación del sitio | Cimentación, interacción, licuación, asentamiento |
Nivel, densidad y volumen del líquido de diseño | Datos del proceso y operativos | La masa sísmica y la profundidad de chapoteo |
Programa de boquillas y enfoque de tuberías | Diseñador de tuberías, datos de proceso | Detalle de conexión flexible, refuerzo de boquilla |
Qué corresponde al alcance sísmico del proveedor del tanque
El alcance sísmico del proveedor del tanque debe indicarse como una lista, porque la frase de que el tanque se diseñará para carga sísmica no significa nada por sí sola. La lista normalmente incluye el diseño del casco y del fondo para la combinación sísmica, la estructura del techo, el diseño de anclaje con su requisito de desarrollo, el cálculo de chapoteo y francobordo, y las cargas de boquillas y cimentación para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
Cuando el sitio está en una zona sísmica, los planos de taller deben incluir el caso de diseño sísmico, para que un revisor pueda compararlo con los datos del propietario en lugar de inferirlo de una nota. Lo que no debe estar en la lista es un diseño sísmico específico presentado como transferible: el mismo tanque en una clase de sitio diferente es una estructura diferente para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
La interfaz geotécnica y una lista de verificación de especificaciones sísmicas
El informe geotécnico hace más que establecer la cimentación. La evaluación de licuefacción, la predicción de asentamientos y el supuesto de interacción suelo-estructura alimentan el diseño del tanque, y el último es una decisión de diseño más que un hecho del sitio: si se supone que el suelo se mueve con la estructura o que es flexible cambia el período de la componente impulsiva y la demanda sobre el anclaje. Donde el informe guarda silencio, el supuesto debe declararse y revisarse para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Nombrar la norma sísmica y su edición, y declarar que el tanque es una estructura no edilicia para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Transferir la clase de sitio, Ss y S1, las categorías de diseño sísmico y de riesgo para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Indicar el nivel de líquido de diseño, la densidad y el nivel utilizado para la masa sísmica para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Requerir un cálculo de chapoteo y especificar el francobordo como una dimensión en el plano para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Requerir que el anclaje especifique una longitud de desarrollo y un requisito de estiramiento para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Requerir que la verificación de pandeo de la envolvente especifique la relación R/I asumida para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Requerir un detalle de conexión flexible para cada boquilla, dimensionado según el movimiento calculado para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Indicar los supuestos geotécnicos y las cuestiones reservadas al ingeniero para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
· Requerir el caso de diseño sísmico y los detalles de anclaje en los planos para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
Estudio de caso del proyecto
Referencia de entrega para este cometido, citada de la biblioteca de proyectos verificados. Nivel de coincidencia C. Una entrega de dos tanques con una alta relación altura-diámetro, citada como referencia de geometría y disposición. La biblioteca verificada no registra sus datos de diseño sísmico, clase de sitio ni detalle de anclaje, por lo que este artículo no utiliza el proyecto para demostrar el rendimiento sísmico, como se detalla para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7.
ID del proyecto | País | Producto | Capacidad | Número de tanques | Dimensiones | Finalización | Alcance del suministro |
SIN-FIRE-1666 | Singapur | Tanque atornillado de acero revestido de vidrio (GFS) | 1.666 m3 | 2 | φ8,41 × 15,0 m (H) por tanque | 2026-01 | Solo tanque |
Una entrega de dos tanques con una elevada relación altura-diámetro, citada como referencia de geometría y disposición. La biblioteca verificada no registra sus datos de diseño sísmico, clase de sitio ni detalle de anclaje, por lo que este artículo no utiliza el proyecto para demostrar el rendimiento sísmico, tal como se detalla para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7.
Preguntas frecuentes
P1. ¿Por qué se clasifica un tanque como estructura no edilicia?
Porque responde al terremoto como una estructura, no como un equipo adosado a una. Tiene una gran masa, una superficie libre, un casco que soporta esa masa y un anclaje que transfiere todo al terreno. El Capítulo 15 de ASCE 7 proporciona las disposiciones sísmicas para tanques y recipientes sobre esa base, mientras que el Capítulo 13 rige los componentes no estructurales en edificios para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
P2. ¿Cuáles son los dos componentes sísmicos que actúan sobre un tanque?
El componente impulsivo, la respuesta de período corto generada por el casco y la masa líquida contenida que se mueve con el suelo, rige el esfuerzo circunferencial del casco, la carga axial del anclaje y la verificación de pandeo del casco. El componente convectivo, la respuesta de período largo generada por el oleaje del líquido a través de la superficie libre, rige la adecuación del francobordo y la carga sobre el techo. Un diseño que reporta una demanda ha reportado solo una de las dos para el diseño sísmico de tanques según asce 7
Q3. ¿Es el francobordo un requisito sísmico o solo una formalidad del código?
Es un requisito sísmico con un cálculo detrás. La onda de chapoteo se eleva en un lado del tanque y desciende en el otro, y su altura depende del diámetro del tanque, la profundidad del agua y la intensidad del movimiento. Si el francobordo es menor que la onda, el agua alcanza un techo dimensionado para una carga muerta y una elevación moderada. La altura debe provenir del componente convectivo para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
P4. ¿Por qué es problemático un anclaje sobredimensionado?
Porque la intención sísmica no es que el anclaje sostenga el tanque, sino que ceda antes que el casco y luego desarrolle estiramiento, para que el tanque pueda moverse sin que el casco o la soldadura se desgarren. Un anclaje sobredimensionado elimina esa ductilidad: el concreto o el anclaje alcanzan su capacidad primero, o la conexión falla de forma frágil. El detalle necesita una longitud de desarrollo para la resistencia total del anclaje y un material de anclaje dúctil para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
P5. ¿Qué falla previene la tubería flexible?
Previene que el movimiento relativo entre el casco y una tubería conectada rígidamente se imponga en la boquilla, la soldadura y el soporte. El casco se mueve bajo carga impulsiva mientras que la tubería no, y el más débil de esos elementos se convierte en el punto de falla, generalmente muy por debajo de la capacidad del tanque. Un acoplamiento flexible o un lazo de expansión dimensionado según el movimiento calculado lo previene para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
P6. ¿Qué datos de entrada debe proporcionar el propietario antes de que comience el diseño?
La clase de sitio con los Ss y S1 asociados, la categoría de diseño sísmico y la categoría de riesgo, la velocidad básica del viento y la categoría de exposición, y el informe geotécnico que incluya la evaluación de licuefacción y asentamiento. Dos datos de proceso importan igualmente: el nivel y la densidad del líquido de diseño, que determinan la masa sísmica y la profundidad del oleaje, y el listado de boquillas con el trazado de tuberías, que fija el detalle de conexión flexible para el diseño sísmico de tanques según asce 7
P7. ¿Qué debería estar dentro del alcance del proveedor del tanque?
El tanque como estructura: diseño de la envolvente y el fondo para la combinación sísmica, la estructura de la cubierta y su fijación, el diseño de anclaje o soporte, incluido el material de los anclajes y los requisitos de desarrollo, el cálculo del oleaje y del francobordo, las cargas en las boquillas que el diseñador de tuberías debe soportar, y las cargas impuestas a la cimentación. Los elementos de interfaz pertenecen a la misma lista: los parámetros geotécnicos utilizados para el diseño sísmico de tanques según asce 7
P8. ¿Cómo se gestiona la interfaz geotécnica?
A través del informe geotécnico, que hace más que establecer la cimentación. La evaluación de licuación, la predicción de asentamientos y la suposición de interacción suelo-estructura alimentan el diseño del tanque, y la última es una decisión más que un hecho del sitio: suponer que el suelo se mueve con la estructura o se comporta de manera flexible cambia el período del componente impulsivo y la demanda sobre el anclaje. Donde el informe guarda silencio, la suposición debe declararse para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
P9. ¿Qué debe incluir una lista de verificación de especificaciones sísmicas?
Nueve elementos: la norma y edición sísmica con el tanque identificado como estructura no edificatoria; la clase de sitio, Ss y S1, la categoría de diseño sísmico y la categoría de riesgo; el nivel y la densidad del líquido de diseño utilizados para la masa sísmica; un cálculo de chapoteo con el francobordo como dimensión de plano; la longitud de desarrollo y el requisito de anclaje; la verificación de pandeo de la envolvente con la relación R/I; un detalle flexible por boquilla para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7
El diseño sísmico de un tanque se define antes de dibujar el casco, en la clase de sitio, la categoría de diseño, la base del borde libre y el principio de anclaje que entrega el propietario. Los dos componentes deben mantenerse separados: impulsivo para el casco, los anclajes y la verificación de pandeo, y convectivo para la onda de chapoteo y el borde libre, porque el tanque se evalúa frente a ambos. El punto de anclaje suele errarse en la dirección de una falsa resistencia: un anclaje más grande elimina la ductilidad que exige la norma, ya que el requisito es que el anclaje fluya y se estire antes que el casco y que el concreto desarrolle esa resistencia en toda la longitud de empotramiento. Un tanque que pasa una verificación de capacidad y falla ese principio no cumple con los requisitos sísmicos; es más resistente de lo necesario y frágil en el lugar equivocado para el diseño sísmico de tanques según asce 7.
Hable con un ingeniero
Envíe la clase de sitio con las Ss y S1 asociadas, la categoría de diseño sísmico y la categoría de riesgo, la velocidad básica del viento y la categoría de exposición, el informe geotécnico incluyendo la evaluación de licuación y asentamiento, el diámetro del tanque y la altura soportada, el nivel de líquido de diseño y la densidad, y el listado de boquillas con el trazado de tuberías. Devolveremos una base de diseño que trata el tanque como una estructura no edilicia, indica los componentes impulsivo y convectivo por separado, proporciona el cálculo de chapoteo y el francobordo, y especifica el anclaje para ductilidad y desarrollo en lugar de solo capacidad, con las verificaciones de pandeo de la envolvente y del faldón y los requisitos de conexión flexible incluidos para el diseño sísmico de tanques según ASCE 7.
Acerca de Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) es un fabricante profesional dedicado al diseño y fabricación de tanques de almacenamiento atornillados desde 2008. La gama de productos incluye tanques de vidrio fundido a acero (GFS), tanques de epoxi unido por fusión (FBE), tanques de acero inoxidable, tanques de acero galvanizado y cúpulas geodésicas de aluminio, junto con soporte técnico EPC y accesorios para tanques. La producción se realiza bajo ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001, y la gama de productos está certificada según NSF/ANSI 61, WRAS, CE y EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 y NFPA donde la aplicación lo requiera. La empresa posee cerca de 200 patentes de esmaltado, opera una base de producción de 150.000 m2, produce aproximadamente 300.000 placas de acero recubiertas de esmalte al año, ha completado más de 30.000 proyectos instalados y ha enviado tanques a más de 100 países. La capacidad de diseño de ingeniería cubre volúmenes de tanques de hasta 60.000 m3, según lo detallado para el diseño sísmico de tanques asce 7.
WhatsApp