Manual Comport a Mien To Estructural Para Tuberias Flexibles

MANUAL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL PARA TUBERIAS FLEXIBLES

Tuberias + Conexiones

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CONTENIDOSIntroduccin .................................................................................... 3 Materiales Termoplsticos ................................................................. 4 Tuberias Perfiladas de PVC................................................................ 4 LAS CARGAS MUERTAS .................................................................. 5 Las Cargas Vivas ........................................................................... 6 Limites de Comportamiento en Tuberas Flexibles................................ 8 Limites de Comportamiento para Diseo............................................. 9 ANEXO II.................................................................................... 11


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IntroduccinEs difcil hoy da encontrarnos en algn sitio donde no haya una tubera, quizs para suministro de agua potable, drenaje sanitario, agrcola, para cableado telefnico, para gas, oleoductos, tneles subterrneos, lneas de calefaccin, etc. En el sentido ms amplio, una tubera es un conducto, por lo general de seccin circular, que sirve para transportar una cantidad de masa: agua, gas, electrones, fotones, trenes, autos, etc. Con las ciencias de la ingeniera actuales; es posible disear conducciones en tuberas casi con el mismo grado de precisin con que se disean otras estructuras tales como puentes o edificios. El grado de prediccin acerca del comportamiento hidrulico o mecnico de una tubera, es hoy da muy alto gracias a los mtodos de diseo disponibles y a la experiencia acumulada por profesionales que han dedicado mucho esfuerzo a esta materia. El trabajo de laboratorio ha sido y es continuo. A inicios de este siglo, el profesor Anson Marston [1,2] desarroll un mtodo til y prctico para calcular la magnitud de las cargas de tierra que inciden sobre una tubera instalada y en servicio. Su teora es til para predecir la resistencia que debe tener un conducto cuando se instala en condiciones particulares de servicio. Ms tarde, un discpulo suyo, M.G. Spangler, conjuntamente con su maestro desarroll una teora para el diseo de Tuberas Flexibles. Gracias a ellos y a un sinnmero de colaboradores a lo largo de nuestro siglo, las tuberas flexibles ocupan hoy da una posicin de privilegio en la conduccin de masas de variada naturaleza. En esta obra se tratar el caso de las Tuberas Perfiladas de PVC , de perfil abierto, para el transporte de aguas, sean pluviales, efluentes o combinadas. El transporte de agua mediante tuberas se puede dividir en: a- Transporte de aguas a presin y b- Transporte de aguas de drenaje (usualmente a la presin atmosfrica, tambin conocidas como conducciones a cielo abierto). Estas ltimas se analizan a continuacin. Esta publicacin puede ser utilizada por ingenieros consultores, constructores, ingenieros de instituciones pblicas, estudiantes o cualquier persona que necesite disear sistemas de drenaje pluvial o sanitario en relacin al comportamiento de las tuberas flexibles ante las cargas. El programa de clculo que se incluye en el Anexo III es aplicable a las tuberas flexibles perfiladas. 3


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Materiales TermoplsticosExisten 4 tipos de tuberas termoplsticas que son utilizadas con mayor frecuencia en ingeniera: 1. 2. 3. 4. Cloruro de Polivinilo (PVC) Acrilonitrilo-Butadieno-Estireno (ABS) Polietileno (PE) Polibutileno (PB)

Adems, se encuentran otros materiales como los SRP (plsticos de hule estireno) y el CAB (Butirato-acetato de celulosa), pero se fabrican en pequea escala o son para aplicaciones muy especficas. Aqu se tratar con las de PVC (cloruro de polivinilo) que en su aplicacin para drenaje pueden ser de pared slida o de pared perfilada. De estas dos, se vern las de pared perfilada.

Tuberias Perfiladas de PVCActualmente en el mercado mundial existen diversos tipos de tuberas perfiladas hechas de cloruro de polivinilo. Todas ellas tienen una cualidad comn: el diseo de la pared es estructural, es decir, tiene la facultad de aumentar la rigidez anular sin gran aumento en el peso por unidad de longitud. Esta condicin hace que las tuberas perfiladas sean ms livianas que las de pared slida. El principio de funcionamiento se basa en disear una pared que posea un valor elevado en el momento de inercia de sus elementos, tal y como se hace al disear una viga, para ganar resistencia con poco aumento del peso. La Fig. 1 muestra un elemento tpico de tubera perfilada. Con este tipo de pared el clculo del momento de inercia es ms laborioso que si fuera una pared slida.


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LAS CARGAS MUERTAS Las propiedades del suelo que interacta con las tuberas flexibles influyen en su comportamiento. De igual manera, la forma de la cama (apoyo inferior de la tubera) puede reducir las concentraciones de presin de los suelos sobre una tubera rgida. El empleo de materiales adecuados y una buena densidad de stos alrededor de tubos flexibles, pueden limitar las deflexiones a valores permisibles. Por lo tanto, el suelo, su colocado y tratamiento, as como las propiedades de los ductos, sean rgidos o flexibles, son importantes en el diseo de cualquier sistema de tuberas enterradas. Las tuberas rgidas y flexibles difieren en su comportamiento ante las cargas provenientes de los rellenos. Una tubera rgida (concreto, barro vitrificado o hierro colado) no se puede deformar materialmente sin sufrir agrietamientos. Por otra parte, una tubera perfilada de PVC puede deformarse considerablemente sin sufrir daos estructurales. El factor de seguridad que se emplea en deflexiones mximas es igual a 4. En un sistema con tubera rgida la totalidad de la carga proveniente del relleno es resistida por la fortaleza misma de la tubera, puesto que el suelo a los lados del tubo tiende a consolidarse y por lo tanto a deformarse como producto de la carga. Una tubera flexible al ser sometida a cargas, sufre una deformacin que provoca el desarrollo de presiones laterales que contribuyen a soportar esas cargas (Ver Fig.4)


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HR

Presin Pasiva

Presin Pasiva

Bd Figura 4. Tubera Flexible enterrada en una zanja

La deformacin del relleno aumenta los esfuerzos cortantes entre ste y el muro de excavacin, reduciendo as en cierta medida la carga total sobre el tubo. Como resultado, la carga transmitida a una tubera flexible es menor que en un conducto rgido a igualdad de altura de relleno HR. Sin embargo, para efectos de diseo es conveniente considerar la llamada carga de prisma (Ec. 4, Fig. 5) cuando se trabaja con tuberas flexibles.

Donde, P: presin debida al peso del suelo a la profundidad HR : peso volumtrico total del suelo HR: profundidad del relleno sobre la corona del tubo EJEMPLO 1. Una tubera perfilada de 522 mm dimetro externo se instalar en una zanja de 0.90 6


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m de ancho. La altura de relleno ser de 3 m de un suelo con g=1926 kg/m3. Cul ser la carga sobre el tubo ? Utilizando la Ec. 4 se tiene: P= 1926 kg/m3 x 3m = 5778 kg/m2. Para obtener la carga muerta total por metro lineal de tubo, se debe multiplicar este valor por el dimetro externo del tubo, Carga muerta (Wm) = 5778 kg/m2 x .522 m = 3016 kg/m lineal de tubo. HR:profundidad del relleno sobre la corona del tubo Una ventaja de utilizar la carga de prisma es que no se toma en cuenta el ancho de la zanja. La teora de carga de Marston [1,2], (Ec. 5) para una tubera flexible, se basa en el caso especial de que el tubo y el relleno alrededor del mismo tienen una misma rigidez, por lo que la proporcin de carga muerta sobre el tubo se puede asignar virtualmente en base al ancho de la excavacin (Fig. 6)

Las Cargas Vivas Las cargas sobre las superficies de las estructuras destinadas al transporte terrestre que pueden ser estticas (las llamamos superpuestas) o bien dinmicas provenientes del trfico de vehculos, se denominan cargas vivas. Segn la Oficina de Pesos y Dimensiones (OPD) del MOPT, las cargas mximas por eje permitidas en Centro Amrica (segn acuerdo regional) son como indica la Tabla 2. Tabla 2. Cargas mximas por eje (kg) segn la OPD del MOPT


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VEHICULO C-2 C-3 T3-S2

EJE 1 4000 5500 3500

EJE2 8000 7250 7250

EJE 3 7250 7250

EJE 4 7250

EJE 5 7250

Estos valores pueden incrementarse hasta en un 15% para efectos de diseo. El Eje Simple presenta un apoyo en cada uno de sus extremos y el Eje Doble Tandem presenta dos, separados por una distancia de 1.20 m en sentido longitudinal (de avance) del vehculo. La superficie de apoyo de cada extremo del eje viene determinada por un rectngulo de dimensiones BxL (en sentido transversal y longitudinal del vehculo, respectivamente).

Limites de Comportamiento en Tuberas FlexiblesComo se anot anteriormente, una tubera perfilada de PVC deriva su resistencia a las cargas, de su naturaleza a permitir deformaciones. Al deflectarse ante la carga, sto permite que se desarrollen empujes pasivos de suelo en ambos lados del tubo hacia la lnea de centro horizontal (Fig.4). Al mismo tiempo, la deformacin del tubo lo libera de soportar la mayor porcin de la carga vertical, la cual es soportada por el suelo de los lados, a travs del llamado efecto de arco. La resistencia efectiva del sistema tubo flexible-suelo, es notablemente alta. En pruebas experimentales hechas en la Utah State University [1], se ha demostrado que un tubo rgido con resistencia de 49.2 kg/cm (3300 lb/pie) en la prueba de los tres apoyos, colocado en una cama clase C, llega a fallar por fractura de la pared con una carga de suelo de 74.5 kg/cm (5000 lb/pie); es decir, el factor de seguridad es de aproximadamente 1.5. Sin embargo, bajo condiciones idnticas de suelo y carga, una tubera flexible de PVC deflecta solo el 5% de su dimetro interno. Este valor est muy por debajo del valor de deflexin que podra causar la falla en la pared del tubo, algo as como un factor de seguridad de 6 [1]. Por supuesto, en una prueba de los tres apoyos o de apoyo plano, la tubera rgida soporta mucho ms carga que la flexible antes de la falla. La experiencia indica que esta anomala tiende a confundir a ciertos ingenieros, porque ellos relacionan capacidad de carga entre placas planas con la resistencia del sistema suelo-tubo flexible. Esto solo se puede relacionar para tubos rgidos, pero no para tubos flexibles. A los tubos flexibles se les somete a la llamada Prueba de Rigidez Anular. La rigidez del tubo flexible es tan slo una pequea contribucin a la rigidez del Sistema Suelo-Tubo, algo as como desde 150:1 hasta 800:1, y en rellenos 8


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altamente compactados con materiales granulares podra llegar a ser an mayor esta relacin entre la rigidez del relleno a la rigidez del tubo. El comportamiento de tuberas perfiladas est ya muy documentado en la prctica. Uno de los ejemplos con mayor carcter cientfico fue desarrollado en las instalaciones de la World Expo 88 que se llev a cabo en la ciudad de Brisbane, Australia, de abril a octubre de 1988. All, toda la infraestructura de los drenajes de tormenta se construy con tuberas perfiladas. El trabajo de consultora estuvo a cargo de la firma australiana Gutteridge Haskins and Davey y la construccin a cargo de la empresa Thiess Watkins (Constructions) Ltd. La experiencia fue recogida con detalles en la publicacin Buried Plastic Pipe Technology STP 1093, de la ASTM [5]. En el ejemplo 5 se pueden comparar dos tipos de tubera que, aunque diferentes, estructural y materialmente hablando, pueden cumplir con el objetivo solicitado por el diseo. No se analizan aspectos de costos en este ejemplo.

Limites de Comportamiento para DiseoAl igual que con cualquier obra constructiva, el diseo de tuberas flexibles enterradas tiene que valerse de ciertos lmites de comportamiento, tanto de los productos como de la instalacin en general. Una instalacin de calidad es aquella que se dise e instal siguiendo criterios tcnicos adecuados, su vida de servicio result econmica y prest la seguridad esperada.

Primer Limite: La Deflexin

Existen tres factores que son esenciales en el anlisis de cualquier instalacin con tuberas flexibles: 1. Cargas sobre la tubera (debidas al relleno y cargas superpuestas) 2. Rigidez del suelo alrededor del tubo 3. Rigidez de la tuberaLa carga debida al relleno

Se obtiene fcilmente con la Ecuacin 4 (ver Ejemplo 1). El tiempo mximo durante el cual una tubera flexible alcanza su mxima carga es limitado. Esto depende de la densidad del material de suelo alrededor del tubo; a mayor densidad del suelo en los lados del tubo, menor ser el tiempo durante el cual la tubera seguir deformndose


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y la deflexin total como respuesta de la carga mxima ser menor. Adversamente, si el suelo posee una baja densidad, el tiempo durante el cual la tubera seguir teniendo deformaciones ser mayor y mayor ser tambin la deformacin final. ANEXO IClasificacin de suelos y valores del E2 (Mdulo de reaccin del suelo Kg/cm2)

Clase de Suelo

Suelo segn ASTM D2487Suelos orgnicos del tipo OL,OH, y suelos que contienen desechos y otros materiales extraos Suelos finos LL>50 suelos con media a alta plasticidad CH MH,CH-MH Suelos finos, LL95%

VI

No se acepta en ningn caso este material como material de encamado o relleno No existe informacin, consulte con un mecnico de suelos o utilice E2=0

V

Va

3.5

14

28

70

Vb III II I

7 7

28 28

70 70

140 140

14 70

70 210

140 210

210 210


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Descripcin de los tipos de suelosTIPO DE SUELO

DESCRIPCIONPiedra quebrada, angular de 6 a 40 mm de tamao tipo gravilla.Gravas limpias bien graduadas con poco o sin material fino. 50% ms retenido en malla N4. Ms del 95% retenido en malla N 200 limpios. Gravas limpias mal graduadas con poco o sin material fino. 50% ms retenido en malla N4. Ms del 95% retenido en malla N 200. Arenas limpias bien graduadas con poco o sin material fino (malla N 200). Arenas limpias mal graduadas con poco o sin material fino (malla N200). Gravas limosas. 50% ms retenido en malla N 4. Ms del 50% retenido en malla N 200. Gravas arcillosas. 50% ms retenido en malla N 4. Ms del 50% retenido en malla N200. Arenas limosas, mezcla areno limo. Ms del 50% pasa malla N4. Ms del 50% retenido en malla N 200. Arenas arcillosas, mezclas arena-arcilla. Ms del 50% pasa malla N 4. Ms del 50% retenido en malla N 200. Limos inorgnicos, arenas muy finas, polvo de roca, arenas finas limosas o arcillosas. Lmite lquido 50% menos. 50% ms pasa malla N 200. Arcillas inorgnicas de plasticidad baja a media, arcillas ripiosas, arcillas arenosas, arcillas limosas, arcillas magras. Lmite lquido 50% menos. 50% ms pasa la malla N 200. Limos inorgnicos, arenas finas o limos micseos o diatomceo, limos elsticos. Lmite lquido > 50%. 50% pasa malla N 200 ms. Arcillas inorgnicas de alta plasticidad. Lmite lquido > 50%. 50% ms pasa malla N 200. Limos orgnicos y arcillas limosas orgnicas de baja plasticidad. Lmite lquido 50% menos. 50% ms pasa malla N 200. Arcillas orgnicas de plasticidad media a alta. Lmite lquido > 50%. 50% ms pasa malla N 200. Turba y otros suelos altamente orgnicos

GW

Los suelos estn definidos de acuerdo a la norma ASTM D 2487 a excepcin del material clase I, definido en Norma ASTM D 2321

GP SW SP GM GC SM SC ML

CL MH CH OL OH PT

ANEXO IIPrograma en BASIC para el clculo de los lmites de comportamiento de tuberas Perfiladas 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 CLS: CLEAR REM PROGRAMA PARA EL CALCULO DE LIMITES DE COMPORTAMIENTO DE REM LA TUBERIA PERFILADA EN SERVICIO REM HECHO POR ING. OLMAN MONGE A. EN ENERO DE 1994 EN DURMAN REM ESQUIVEL COSTA RICA. ULTIMA REVISION 1 DE DICIEMBRE 1994 DIM L(5,40) FOR M=1 TO 40 : READ L(1,M) : NEXT M FOR M=1 TO 40 : READ L(2,M) : NEXT M FOR M=1 TO 40 : READ L(3,M) : NEXT M FOR M=1 TO 40 : READ L(4,M) : NEXT M FOR M=1 TO 40 : READ L(5,M) : NEXT M REM EL VECTOR L(1,M) LEE LOS DIAMETROS INTERNOS DEL TUBERA PERFILADA(mm) REM EL VECTOR L(2,M) LEE LAS RIGIDECES ANULARES (kN/M2) REM EL VECTOR L(3,M) LEE LOS DIAMETROS EXTERNOS (mm) REM EL VECTOR L(4,M) LEE MOMENTOS DE INERCIA DE LA PARED(mm4/mm) REM EL VECTOR L(5,M) LEE LAS AREAS DE LA PARED (mm2/mm) REM ENTRADA DE DATOS


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PROGRAMA EN BASIC PARA CALCULO DE LIMITES DE COMPORTAMIENTO 190 PRINT FECHA=; DATE$; HORA=;TIME$ 200 REM DIAMETROS INTERNOS 210 DATA 75,100,150,200,250,300,350,400,450,500,550,600,650,700,750,800,850,900 220 DATA 950,1000,1050,1100,1150,1200,1250,1300,1350,1400,1450,1500,1550,1600 230 DATA 1650,1700,1750,1800,1850,1900,1950,2000 240 REM RIGIDECES ANULARES 250 DATA 617,267,81,78,40,161,103,69,49,36,27,94,75,60,49,40 260 DATA 34,29,24,21,52,45.4,39.8,35.1,31.1,27.7,24.8,22.2,20.0,18.1 270 DATA 40,37,33,31,28,26,24,22,20,19 280 REM DIAMETROS EXTERNOS 290 DATA 76,101,151,202,252,302,352,402,452,502,552,604,654,704,754,804,854,904,954 300 DATA 1004,1056,1106,1156,1206,1256,1306,1356,1406,1456,1506,1560,1610,1660 310 DATA 1710,1760,1810,1860,1910,1960,2010 320 REM MOMENTOS DE INERCIA 330 DATA 1.95,1.95,1.95,4.44,4.44,31.33,31.33,31.33,31.33,31.33,31.33,146 340 DATA 146,146,146,146,146,146,146,146,428.36, 428.36, 428.36, 428.36, 428.36, 350 DATA 428.36, 428.36, 428.36, 428.36, 428.36 360 DATA 1055.33, 1055.33, 1055.33, 1055.33 370 DATA 1055.33, 1055.33, 1055.33 380 DATA 1055.33, 1055.33, 1055.33 390 REM AREAS DE LA PARED 400 DATA 9.75E-4,9.75E-4,9.75E-4,1.26E-3,1.26E-3 410 DATA 2.3E-3,2.3E-3,2.3E-3 420 DATA 2.3E-3,2.3E-3,2.3E-3 430 DATA 3.814E-3,3.814E-3,3.814E-3,3.814E-3,3.814E-3,3.814E-3,3.814E-3 440 DATA 3.814E-3,3.814E-3,6.18E-3, 6.18E-3, 6.18E-3, 6.18E-3, 6.18E-3 450 DATA 6.18E-3, 6.18E-3, 6.18E-3, 6.18E-3, 6.18E-3,9.01E-3,9.01E-3 460 DATA 9.01E-3,9.01E-3,9.01E-3,9.01E-3,9.01E-3,9.01E-3,9.01E-3 470 DATA 9.01E-3 480 PRINT 490 INPUT TITULO 1; T1$ 500 INPUT SUBRAYADO; S1$ 510 INPUT TITULO 2; T2$ 520 INPUT SUBRAYADO; S2$ 530 INPUT 1. DIAMETRO INTERNO DEL TUBO (mm)= ; DI 540 PRINT 550 FOR M=1 TO 40 : IF L(1,M)=DI THEN 560 : ELSE NEXT M : PRINT NO TENGO ESE DIAMETRO, ENTRE EL DIAMETRO CORRECTO : GOTO 530 560 DE = DE/1000 : SRT= L(2,M) : AREA=L(5,M) : I=L(4,M)*10-9 570 IF DE

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