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Mecanismos de las fallas y alternativas de mitigación

Mecanismos de fallas generales. Los mecanismos de esta sección se aplican a todos los tipos de tanques descritos.

Las conexiones rígidas de tuberías son vulnerables si un tanque se mueve o si ocurre movimiento diferencial entre el tanque y el suelo o la tubería enterrada. Los tanques pueden estar anclados o se puede añadir mayor flexibilidad a la tubería. Los tanques de acero no anclados o anclados inadecuadamente pueden girar completamente (figuras 81 y 82). Si la conexión al tanque se hace por uno de sus lados, brinde flexibilidad a la conexión mediante dos uniones flexibles fijadas en serie o sistemas patentados de tuberías flexibles.


Figura 81. Empalme roto en un tanque no anclado en Scotts Valley, California, luego del terremoto de Loma Prieta.

Foto: D.B. Ballantyne


Figura 82. Conexión reparada en el tanque de Scotts Valley, California.

Foto: D.B. Ballantyne


Si la conexión es en la base del tanque, la pared del tanque y la conexión deben estar a una distancia suficiente para que la base del tanque no se flexione. Los tanques de acero son flexibles y cuando la pared del tanque se levanta, la base del tanque se flexiona. Solo se moverá la sección de la base más cercana a la pared. También se puede brindar flexibilidad a la conexión de la base al añadir una banda de expansión que resista el levantamiento. Para más información, consulte la norma AWWA D100-84.

En suelos flexibles, puede ocurrir asentamiento diferencial entre el tanque y las tuberías de conexión por lo que se debe brindar flexibilidad a la unión entre ambos.

Los techos y las columnas de soporte pueden sufrir daños debido al efecto oscilatorio del agua (figura 83). Este movimiento oscilatorio impartirá cargas laterales sobre las columnas de soporte y fuerzas de empuje vertical sobre los techos de los tanques, particularmente alrededor de la periferia. Además, los techos pesados de concreto pueden sufrir daños si la estructura no ha sido diseñada para transferir las fuerzas laterales del techo a las paredes y cimientos del tanque.


Figura 83. Daño al techo del tanque de acero debido al movimiento oscilatorio del contenido producido por el terremoto de Loma Prieta, California

Foto: Holly Cornell


Todos los tanques y reservorios pueden estar expuestos a fallas geotécnicas y de cimentación. El asentamiento irregular es un problema, particularmente cuando una parte del tanque está apoyada sobre suelo inalterado y la otra sobre un relleno. Los deslizamientos también representan una situación a ser considerada.

La licuefacción puede ser un problema si el sitio es susceptible a la licuefacción. Esto es inusual porque los tanques y reservorios generalmente están ubicados en terrenos altos donde la amenaza de la licuefacción es, por lo general, baja.

Los reservorios de tierra construidos con bermas de tierra pueden ser susceptibles a la licuefacción, particularmente si se filtra agua del reservorio, lo cual incrementará el nivel freático. La adición de un revestimiento puede detener las filtraciones, reducir el nivel freático y disminuir la amenaza de la licuefacción.

Mallas de acero y concreto postensado. Los tanques revestidos de mallas de acero y concreto postensado son vulnerables a los sismos si la armadura se ha corroído o si las uniones de techo-pared o pared-base no han sido diseñadas para resistir las cargas sísmicas.

La malla de acero de los tanques de concreto ha mostrado una tendencia a corroerse, lo que ha producido rupturas de tanques. Esto ha ocurrido principalmente en tanques de principios de los sesenta (figuras 84 y 85), pero también en construcciones más modernas. Los indicios de deterioro de un tanque son agrietamiento vertical, desmoronamiento del concreto o decoloración debido a las filtraciones del tanque. Para mitigar esos problemas, primero se detienen las fugas con revestimientos, luego se envuelve nuevamente el tanque con mallas metálicas o bandas de acero y, finalmente, se lo cubre con un revestimiento protector.


Figura 84.


Figura 85. Tanque con malla de acero de la década de los sesenta que falló en el terremoto de Loma Prieta, California.

Foto: Anshel Schiff


Las juntas de techo-pared y de pared-base del tanque deben diseñarse para transferir cargas laterales de corte sísmico. Los diseños modernos que toman en cuenta las cargas sísmicas usan cables sísmicos entre la pared y la base. Esos cables permiten que las paredes se muevan para soportar las deformaciones producidas por el llenado del tanque y para soportar la expansión y contracción térmicas. Asimismo, limitan el movimiento en un terremoto. Los tanques diseñados antes de los setenta no usaron cables sísmicos y su conexión de pared-base puede romperse en caso de sismo. Para tanques parcialmente enterrados, la presión pasiva del terreno debe prevenir este tipo de ruptura por corte. Una solución es colocar una viga collar armada alrededor de la periferia para limitar el deslizamiento.

Tanques de acero a nivel del suelo. Esta categoría de tanques generalmente no se encuentra anclada. Cuando la proporción de la altura en relación con el diámetro es menor que 0,5, usualmente no serán vulnerables a daños en las paredes, pero es más probable que sufran daños en el techo debido al movimiento oscilatorio del agua. Los tanques pequeños no anclados pueden deslizarse (figuras 86 y 87).


Figura 86. Tanque no anclado que se deslizó en Moin, Costa Rica.

Foto: D.B. Ballantyne


Figura 87. Tanque de productos químicos no anclado que se deslizó en San Fernando, California.

Foto: Los Ángeles Department of Water and Power


Cámaras de presión de acero. Estos tanques pueden o no estar anclados. Generalmente, las cámaras de presión tienen una proporción de altura en relación con el diámetro mayor que los tanques a nivel del suelo ya descritos. Dichos tanques pueden ser vulnerables al pandeo tipo “pie de elefante” causado por las fuerzas hidráulicas de impulsión y convección (figuras 88 y 89). Los tanques no anclados pueden comenzar a girar y fallar por compresión al sufrir un impacto. En casos extremos, los tanques pueden fallar en o cerca de la base (figura 90).


Figura 88. Tanque no anclado de 400.000 galones (1,5 m 3) que giró y se partió; desarrolló pandeo tipo “pie de elefante” y se rompió en la discontinuidad entre las placas únicas y dobles en la cáscara (terremoto de Landers, California).

Foto: M.J. O´Rourke


Figura 89. Tanques no anclados que desarrollaron pandeo de tipo “pie de elefante” al extremo que la cáscara se dobló hacia atrás sin romperse en Moin, Costa Rica.

Foto: D.B. Ballantyne


Figura 90. Perno de anclaje que se extendió luego del terremoto de San Francisco.

Foto: Alan Porush


Los anclajes adecuados evitarán el levantamiento (figura 91) y los anclajes inadecuados pueden estirarse. Los pernos de los anclajes especialmente diseñados para deformarse absorben energía y reducen el daño adicional.


Figura 91. Conexión de pared-base de tanque no anclado con rotura y vaciado de su contenido tan rápidamente que implosionó la parte superior.

Foto: William Gates


Las soluciones estructurales incluyen agregar o reforzar el sistema de cimentación con anclajes para que resista el levantamiento o fortalecer la base del tanque. La figura 92 muestra una alternativa para reforzar el sistema de cimentación con anclajes. Asegúrese de revisar que la estructura del tanque tenga la capacidad suficiente para transferir cargas y resistir el pandeo local. Asimismo, limite el movimiento de flexión en la conexión con anclajes de la cáscara. Los costos para reforzar tanques que tienen una estructura accesible varían entre US$ 75.000 a US$ 200.000 por tanque con una capacidad entre 0,5 a 5 mil galones (1,9 a 18,9 m3). Mejorar los tanques especiales que tienen una fachada arquitectónica puede resultar más costoso.


Figura 92. Diseño mejorado para tanques de concreto con pilotes hincados.

El reforzamiento de la base hace que el tanque trabaje más como un cuerpo rígido en lugar de flexionarse cuando ocurre un sismo. El peso del agua contenida en el tanque evitará que se voltee. Esto se puede lograr mediante la instalación de una losa de concreto fuertemente reforzado dentro de la base del tanque para permitir la transferencia de carga desde la pared del tanque hasta la losa.


Figura 93. Colapso de un tanque elevado.

Foto: National Oceanic and Atmospheric Administration


Tanques elevados. Los tanques elevados pueden ser vulnerables como resultado de cimientos inapropiados, dimensión inadecuada de las columnas o arriostramiento transversal deficiente (figura 93). Los tres elementos mencionados conforman la estructura de apoyo de los tanques elevados y deben ser diseñados para que cada uno tenga una capacidad de carga similar.

Los tanques mismos por lo general son confiables. Generalmente, los tanques elevados que han sido dañados sufren un estiramiento menor de los arriostres o una falla catastrófica. Las consecuencias de las rupturas de los tanques elevados pueden ser particularmente graves debido al potencial de que caigan encima de alguien o de algo; sin embargo, se conoce que los tanques usualmente colapsan dentro del perímetro de sus cimientos (figura 94).


Figura 94. Tanque elevado colapsado que cayó dentro del perímetro de sus cimientos en Imperial Valley, California.

Foto: Federal Emergency Management Agency


Los cimientos deben diseñarse de tal manera que resistan el volcamiento. Las varillas que emplean conexiones roscadas deben utilizar roscas de seguridad. Para funcionar como un sistema, las columnas de los cimientos deben estar conectadas con vigas de cimentación.

Las conexiones de los arriostres deben estar diseñadas para ser más fuertes que los arriostramientos mismos. Esto permitirá que el arriostre se estire, desarrolle su fluencia y absorba energía; de esa manera, se reducirá la carga global sobre la estructura.

En un tanque elevado típico apoyado sobre múltiples columnas arriostradas, el colapso se lleva a cabo en la siguiente secuencia:

• una barra de arriostre falla;
• se redistribuye la carga a otros arriostres, lo cual produce un momento de torsión;
• el efecto dominó se extiende y las barras comienzan a romperse progresivamente, y
• las columnas se pandean.


Una alternativa inicial es ajustar el arriostramiento transversal. Las soluciones de mitigación tradicionales incluyen reforzar los cimientos, columnas y arriostramientos. Se pueden añadir vigas de conexión a los cimientos para conectar las zapatas de las columnas entre sí. Las columnas se pueden fortalecer o reemplazar y se pueden añadir arriostramientos. Se deben implementar algunas mejoras para equilibrar el sistema de cimientos, columnas y arriostramientos.

También se pueden realizar intervenciones parciales con alternativas de bajo costo, como el uso de vigas de conexión y la instalación de un arriostramiento transversal adicional. Se debe tener cuidado de no sobrecargar los componentes que no hayan sido reforzados.

Las columnas tienden a tener relaciones de diámetro de la columna muy grandes en relación con el espesor de la pared, con capacidades de pandeo muy por debajo de su fluencia. A menos que sean arriostradas para resistir el pandeo, las columnas constituyen un eslabón débil en la estructura.

Los diseños innovadores para tanques elevados pueden incluir el aislamiento de la base, el arriostramiento transversal para permitir la absorción de energía o el uso de amortiguadores. El costo de ingeniería para estas propuestas innovadoras puede ser superior al de los diseños clásicos, pero puede reducir el costo global del proyecto.

El costo para reforzar un tanque elevado completo puede variar entre US$ 100.000 y US$ 500.000 para tanques de 0,1 a 1,0 mil galones (0,3 a 3 m3).

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