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NS-060

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CRITERIOS DE DISEÑO DE ANCLAJES EN REDES DE ACUEDUCTO Y ALCANTARILLADO

DISEÑO ACUEDUCTO Subcomité 2.1 de Diseño - Acueducto; Acueducto; Subcomité 3.1 Diseño - Alcantarillado DE AZEVEDO NETTO,J. M., ACOSTA, Guillermo. Manual de Hidráulica, CORCHO ROMERO, Freddy Hernán, Hernán, DUQUE SERNA, José Ignacio. Acueductos. Teoría y diseño 20/03/2002

0. TABLA DE CONTENIDO CONTENIDO 1. ALCANCE 2. DOCUMENTOS RELACIONADOS 3. TERMINOLOGÍA 4. REQUISITOS 4.1 GENERALIDADES 4.2 DISE DISEÑO ÑO DE DE ANC ANCLA LAJE JES S DE DE CON CONCR CRE ETO 4.2.1 4.2.1 Evalua Evaluació ciónn de Empuje Empujess Hidrául Hidráulico icoss 4.2.2 4.2.2 Tipos Tipos de Ancl Anclaje ajess en Redes Redes de de Acuedu Acueducto cto 4.2.2.1Anclajes en curva horizontal 4.2.2.2Anclajes en curva vertical inferior 4.2.2.3Anclajes en curva vertical superior 4.2.3 4.2.3 Anclaje Anclajess en en Curvas Curvas Largas Largas 4.2. 4.2.44 Junt Juntas as Sold Soldad adas as 4.2.5 4.2.5 Tipos Tipos de Anclaj Anclajee en Redes Redes de Alcanta Alcantarill rillado ado 4.2.5.1Anclaje para colocación aérea 4.2.5.2Anclaje para colocación enterrada 1. ALCANCE Esta norma establece criterios de diseño de anclajes en redes de acueducto y alcantarillado diseñados y construidos por y/o para la EAAB-ESP. 2. DOCUMENTOS RELACIONADOS AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION. ASSOCIATION. Base Science Concept and Aplicationns - Thrust Control. 1980. p.465-475 (AWWA). AMERON. Concrete Cylinder Pipe - Design Manual 303. U.S.A.,1988. AROCHA, Simón. Abastecimientos de Agua - Teoría y Diseño.

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CORCHO ROMERO, Freddy Hernán, DUQUE SERNA, José J osé Ignacio. Acueductos. Teoría y diseño. Medellín: Universidad de Medellín, Medellín, Departamento de Publicaciones, Publicaciones, 1993. p. 271-276 DE AZEVEDO NETTO, J. M., ACOSTA, Guillermo. Manual de Hidráulica. México: Editora Edgard Blueher Ltda, 1973. p. 231-235 GARAVITO, Luis Felipe. Diseño de Acueductos y Alcantarillados. Bogotá: Universidad Javeriana, 1970. p.7679. PONT-A-MOVSSON. Canalizaciones en Hierro Fundido Dúctil. Paris, 1995. p.121-187.

3. TERMINOLOGÍA Ver Normas de EAAB-ESP NT-002 Terminología de acueducto, acueducto , NT-003 Terminología de alcantarillado

4. REQUISITOS

4.1 GENERALIDADES En las redes de acueducto o alcantarillado pueden presentarse fuerzas no balanceadas de empuje hidráulico. En redes de acueducto (tuberías que trabajan trabajan a presión) estas fuerzas aparecen: En cada cambio de dirección (vertical , horizontal o compuesto) En cada cambio de diámetro (reducciones) En cada extremidad ( tapones) En redes de alcantarillado ( tuberías que trabajan sin presión ) las fuerzas de empuje aparecen en las zonas de alta pendiente, mayor a 20% para tubería en aéreo, y mayor a 25% para tubería enterrada. Estos empujes dependen de: radio de curvatura de la tubería cabeza de velocidad área de la sección del tubo presión interna máxima de la tubería (presión de prueba) Los empujes mencionados deben equilibrarse con el fin de evitar colapsos o desprendimientos de accesorios de la tubería por uno de los siguientes métodos: Para tuberías a superficie, superficie, la restricción a empuje es provista por el el peso muerto y la resistencia friccional, y se proveen de bloques bloques de anclaje de concreto que incrementan el peso muerto o el área de resistencia del suelo. Para tuberías enterradas, el empuje resultante resultante de una deflexión angular puede ser resistido por su propio peso y por el esfuerzo de fricción, en esta forma una restricción adicional seria innecesaria. Las reducciones y las Yes laterales son casos especiales donde el empuje longitudinal es resistido frecuentemente por compresión o empuje de la tubería.

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Otra forma de resistir el empuje es utilizando juntas acerrojadas, bridadas o soldadas.

4.2 DISEÑO DE ANCLAJES DE CONCRETO Los macizos de concreto se deben calcular para soportar esfuerzos debidos al empuje hidráulico, el cual se debe a la presión hidrostática e hidrodinámica. Para el diseño de los anclajes se deben considerar además los siguientes aspectos: configuración de la tubería la resistencia y naturaleza del suelo ( efectos de frotamiento y la resistencia del terreno de apoyo) la presencia del nivel freático.

4.2.1 Evaluación de Empujes Hidráulicos Empuje debido a la presión estática Empuje debido a la presión hidrostática es producido por la columna de agua, como si aguas abajo del codo existiera una válvula y estuviera cerrada. (Ver Figura 1 )




Esfuerzo hidrostático:

T

=

2 * P * A * sen

θ 2

Donde: Presión media del agua:

P

=

γ * H

Sección transversal del tubo:

A D

=

π * D j

2

4

- Diámetro del tubo

γ - Peso especifico del agua; H -

Altura de columna de agua o diferencia de nivel entre el agua a superficie y el codo (altura estática);

Empuje debido a la presión dinámica Empuje debido a la presión dinámica es producido por el cambio en la cantidad de movimiento al darse un cambio en la dirección de velocidad por la presencia del codo. (Ver Figuras 2 y 3)





Esfuerzo hidrodinámico:

P =

2 * γ *

A g

2

* V * sen

θ 2

, donde

V - Velocidad de la masa de agua en la sección del tubo en m/seg

Empuje hidráulico total El empuje total que actúa sobre el codo es:

E = T + P

=

2 V  θ   2 * γ * A * sen  H +  2  g  

Nota: Para velocidades del flujo menores que 3.048 m/seg, el empuje hidrodinámico es pequeño comparado con el empuje hidrostático y generalmente es despreciado.

Efecto de Subpresión por la presencia de aguas subterráneas En caso de que el nivel freático esta por encima de la cota superior de anclaje definida en el diseño, se recomienda tomar una de las siguientes medidas constructivas ( Ver norma EAAB-ESP NS-122 Aspectos técnicos para diseño y construcción de subdrenajes) Construcción filtros de subdrenaje Aislamiento de anclajes utilizando geotextiles que no permiten el paso de agua

4.2.2 Tipos de Anclajes en Redes de Acueducto

4.2.2.1 Anclajes en curva horizontal El empuje lo deben soportar la fricción del terreno, el peso del macizo de concreto y la presión del terreno sobre el anclaje en caso de que éste se halle enterrado. (Ver Figura 4)




Para este caso la ecuación de equilibrio estático está dada por:

E = µ *W + L * h * σ ′ ´, donde E

-

Empuje a resistir (kg)

V θ  2 * γ * A * sen  H +  g 2

2

E = T + P

=

  

W

- Peso de anclaje (kg) σ - Capacidad de soporte del terreno natural (kg/cm 2)

σ ′ - Capacidad de soporte del relleno ( σ ′ = σ / 4 ) (kg/cm2) µ -

L h

-

Coeficiente de fricción entre el suelo y el concreto Ancho de anclaje (cm) Altura de anclaje (cm)

Nota: Se recomienda usar los coeficientes de fricción entre el suelo y el concreto indicados en la Cuadro 1.

Cuadro 1. Valores del coeficiente de fricción Contacto del concreto con

µ

Arcilla húmeda Arcilla seca Arena Grava

0.30 0.50 0.40 0.60

El dimensionamiento de anclaje se debe hacer por tanteo.

4.2.2.2 Anclajes en curva vertical inferior En este caso el terreno natural debe resistir la suma del empuje dinámico más el peso W del anclaje. (Ver Figura 4) La ecuación de equilibrio estático sería:

E = L * b * σ − W

V θ  2 * γ * A * sen  H +  g 2 

2

E = T + P

=

   

Igualando las dos ecuaciones se determinan L y b.

4.2.2.3 Anclajes en curva vertical superior


En este caso el anclaje se diseña con un peso igual al esfuerzo, y de tal manera que se garantice la unión entre codo y anclaje. (Ver Figura 4) La ecuación de equilibrio estático sería: E=W

4.2.3 Anclajes en Curvas Largas En curvas largas la deflección angular se logra con las juntas de unión entre los tramos de las tuberías de longitud estándar. En caso de que el empuje en juntas deflectadas con un gran radio horizontal curvo, es resistido por la fricción en el tubo en la parte superior y en la parte inferior (Ver Fig. 5 ). La fricción total desarrollada es igual al empuje y actúa en dirección opuesta a este, de modo que una resistencia adicional no se requiere cuando se cumple:




T ≤ µ * L p * W p + W w + 2W L p ≥

, y por lo tanto se debe cumplir:

T

µ * (Wp + Ww + 2W )

T = 2 * γ * H * A * sen

θ 2

, donde

= 2 * P * A * sen

θ 2

Lp - Longitud estándar de la tubería empleada, (m)

µ - Coeficiente de fricción (adimensional) Wp - Peso de la tubería (kg/m) Ww - Peso del agua en la tubería (kg/m) W - Carga de relleno (kg/m) θ - deflección del ángulo ( grados)

El valor de µ para un diseño conservador varia entre 0.3 para arcilla húmeda y 0.5 para grava. La carga de relleno, Wi , puede ser valorada por la ecuación de Marston:

Wi = Ci * w * B

2

c

o mas conservativamente se puede asumir como We igual al peso del prisma de suelo sobre la tubería:

We = w * Bc * H donde: w - Peso unitario del relleno (kg/m3) Bc - Diámetro exterior de la tubería (m) H - Altura del relleno (m) Ci - Coeficiente que se define por medio

de las gráficas en función de relación H/B

En caso de que los empujes de tensión en juntas deflectadas sobre grandes radios verticales son resistidos por el peso muerto, (Ver Fig. 6) restricciones adicionales no se requieren cuando se cumple:




T ≤ L p * W p

L p

≥

+ W w + W

* cos(ϕ − θ / 2 )

, y por lo tanto se debe cumplir:

T 2 * (Wp + Ww + W ) * cos(ϕ − θ / 2)

T = 2 * γ * H * A * sen

θ 2

=

2 * P * A * sen

,donde

θ 2

Empujes de compresión en juntas deflectadas sobre grandes radios verticales son resistidos por el comportamiento sobre el fondo de la tubería.

4.2.4 Juntas Soldadas En los casos que describen a continuación puede resultar más conveniente el diseño con uniones soldadas para resistir los empujes producidos en las tuberías a presión: Para tuberías con diámetros mayores a 24" porque los anclajes diseñados de acuerdo a 4.2.2 resultan de volúmenes muy grandes Cuando existen limitaciones por el espacio disponible Cuando el mal comportamiento del suelo de fundación imposibilita la construcción de los macizos de concreto La restricción de empujes de juntas soldadas debe diseñarse siguiendo los siguientes pasos: 1. Determinación del empuje total a ser resistido; 2. Calculo de la longitud de tubos soldados requeridos; 3. Evaluación de la longitud requerida de área de acero y espesor del cilindro para cada sección de tubería que debe soldarse; 4. Determinación de espesor requerido de la campana para cada sección de tubo que debe soldarse; 5. Calculo de la soldadura en cada unión soldada; Nota: En redes de acueducto con pendientes altas se deben construir anclajes adicionales como se indica en la Figura 8 de la presente norma.

4.2.5 Tipos de Anclaje en Redes de Alcantarillado

4.2.5.1 Anclaje para colocación aérea Se debe seguir las siguientes pautas: (Ver Figura 7) Se debe colocar un macizo detrás de cada enchufe de tubo Los enchufes deben dirigirse hacia arriba Debe dejarse una holgura de 10 mm entre la espiga y el fondo del enchufe


4.2.5.2 Anclaje para colocación enterrada Debe anclarse tramo de tubería con Unión normal bien sea:(Ver Figura 7) Por un macizo de anclaje colocado en cabeza del tramo detrás de enchufe del primer tubo en la parte inicial Por una longitud de tubería L adicional instalada en parte después del codo altimétrico. El esfuerzo máximo axial es soportado por la primera junta colocada por debajo del bloque y es función de la pendiente y de longitud del tramo. Por lo tanto, la longitud máxima admisible debe definirse por la longitud máxima de la junta. Notas: 1. Si la longitud del tramo con pendiente es mayor que la del tramo admisible se recomienda realizar la bajada en varios tramos independientes anclando cada uno en cabeza con anclaje de concreto. 2. En tramos largos de alcantarillado (longitud mayor de 20 m) se deben contemplar los anclajes en la llegada y salida de pozo de inspección.







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