DISEÑO DETUBERIA FORZADA Y ANCLAJES
1. Introducción: Las tuberías que se encuentran a cielo abierto requieren de estructuras de concreto para sostenerse y apoyarse según la pendiente del terreno. El perfil de la tubería y el trazado, permiten determinar la ubicación de apoyos y estructuras que la sostienen y permiten el desplazamiento longitudinal por variación de la temperatura. La ubicación de los anclajes esta determinada por las variaciones del terreno, estos están sometidos a esfuerzos por las cargas transmitidas por la tubería. El número de apoyos es un criterio técnico-económico determinado por el espesor del material de la tubería. El número de anclajes lo determinan las variaciones de la pendiente. Los bloques de apoyo se utilizan para soportar adecuadamente la tubería de presión. Estos deben ser dimensionados de tal forma que sean de bajo costo y fácil construcción. Las tuberías forzadas en acero se conciben como una serie de tramos rectos, simplemente apoyados en unos pilares y anclados sólidamente en cada una de sus extremidades, que en general coinciden con cambios de dirección. Entre cada dos anclajes consecutivos se intercala una junta de dilatación
2. Objetivos:
Diseñar de la manera más eficiente los anclajes para una tubería forzada
3. Justificación: El presente informe se realizó con la finalidad de poder diseñar los anclajes , ya q sabemos es necesario tener elementos q sostengan las tuberías
4. Resumen: El presente trabajo e basa en la investigación pura y a la indagación de esto elementos estructural, el trabajo esta dividido en un marco teórico (la teoría de lo que viene a ser un anclaje) y el diseño neto de dicho elemento. Todo basado en la conducción e tubería forzada utilizada en centrales hidroeléctricas.
5. Marco Teórico:
5.1.
Tubería forzada: Una tubería forzada es la tubería que lleva el agua a presión desde el canal o el embalse hasta la entrada de la turbina. e utiliza tuberías forzadas cuando el declive es mayor al 5%, si no se usan canales. En las instalaciones hidroeléctricas, las tuberías de presión, tienen por objeto conducir el agua desde un nivel superior a un inferior, para transformar la energía potencial en energía mecánica
Características: - Impermeabilidad. -
Resistencia de corrosión del agua.
-
Resistencia a sobrepresiones por golpe de ariete.
-
Facilidad de unión.
5.2.
EMPUJES En muchas situaciones, en las redes de abastecimiento de agua a presión aparecen fuerzas no equilibradas tanto de origen tanto hidrostático como hidrodinámico, haciendo necesaria la disposición de sistemas de anclaje que impidan la separación de las juntas. La presencia de estas fuerzas no equilibradas se traduce en empujes sobre los componentes afectados, tanto en conducciones aéreas como enterradas. La magnitud de los empujes de origen hidrodinámico es, generalmente, muy inferior a los valores derivados de las presiones hidrostáticas, por lo que suelen ser ignorados en el diseño de los anclajes. La presión hidrostática, como su nombre indica, es debida al peso del fluido en reposo en la tubería. Las componentes radiales de dicha presión se contrarrestan a través de la tensión circunferencial de la pared de la tubería, mientras que las componentes axiales actuando en un plano perpendicular a la conducción, se equilibran por la misma fuerza actuando en el lado contrario del plano.
Sin embargo, en el caso, por ejemplo, de un codo, las componentes axiales a cada lado del elemento, no se equilibran, dando lugar al vector suma resultante, T, denominado normalmente empuje. La necesidad de estos sistemas de anclaje se plantea fundamentalmente en aquellas situaciones en las que se produce un cambio de dirección o de sección de la conducción. En estos puntos, los empujes pueden ocasionar el desplazamiento de las tuberías, comprometiendo de este modo la funcionalidad de la red y causando daños estructurales en dicho sistema y en su entorno. En este sentido, en el diseño de las redes de abastecimiento, debe prestarse especial atención al anclaje de la tubería en los siguientes casos: • Codos horizontales • Codos verticales • Derivaciones (“T”, “Y”…etc.) • Conos de reducción (disminución del diámetro)
• Válvulas (seccionamiento y regulación) • Extremos finales • Tramos de pendientes elevadas
Cuando los tramos de una tubería se encuentran apoyados sobre un terreno en pendiente, la componente del peso propio de la tubería en la dirección de su trazado, (ver Fig 4), favorece el deslizamiento de la misma, circunstancia que aumenta en función del ángulo de inclinación de dicha pendiente.
5.3.
Apoyos: Es un resorte para evitar flexiones de la tubería. Por lo general , son de concreto con mental antifricción debido a la dilatación de la tubería
APOYO EN UNA TUBERIA DE ACERO
5.4. Anclajes: En los cambios desección y de perfil de la tubería, contra pesan esfuerzos en las tuberías de presión. Antes y después de cada anclaje, debe existir una junta de dilatación o explosión que absorba y evite deformaciones en la tuberías.
El anclaje de las instalaciones en pendiente puede realizarse de dos maneras diferentes: • Anclaje de tubo a tubo. Consiste en disponer un anclaje detrás del enchufe de cada tubo, siendo la unión entre tubos mediante juntas
automáticas o mecánicas sin acerrojar. Esta configuración debe permitir la posible absorción de dilataciones térmicas que puedan producirse. • Anclaje de todo el tramo: en pendiente a partir de tuberías cuyas uniones son acerrojadas, se procede a: o Anclar el tramo mediante un macizo de anclaje en el punto más alto, En caso de que la longitud máxima del tramo a anclar fuera superior a la admisible por la longitud de acerrojamiento, deberán realizarse varios tramos independientes, anclando cada uno de ellos en su cabecera mediante macizo de anclaje. o Garantizar la actuación de una longitud de acerrojado, L, mínima en un tramo horizontal superior de la conducción. En este caso, la tracción existente es resistida por rozamiento. La actuación consiste en “colgar” la totalidad del tramo en pendiente por medio de un macizo de anclaje o a través del tramo complementario. Por tanto, como posibles soluciones al anclaje de tuberías en pendiente se proponen macizos de anclaje de hormigón armado como el representado esquemáticamente.
5.5.
SISTEMAS DE ANCLAJE En el caso de tuberías aéreas, los empujes suelen ser resistidos por los propios soportes diseñados para elevar la conducción, elementos que, en este caso, se emplearían con la doble función de apoyo y macizo de anclaje. Para las tuberías enterradas, se van a considerar dos tipologías en cuanto a los sistemas de anclaje habitualmente empleados:
• Macizos de anclaje. • Uniones auto trabadas o acerrojadas - Macizos de anclaje Se trata de grandes dados de hormigón cuyo peso “P” inclina el empuje “T” hacia el terreno (Fig 6a). Se calculan las dimensiones necesarias del dado para: • Situar la reacción R dentro de la superficie del macizo (comprobación al vuelco), (Fig 6b). • Comprobar que el ángulo “φ” de la reacción es menor que el de rozamiento entre el macizo y el terreno (comprobación de deslizamiento), (Fig 6c). • Comprobar que el suelo es capaz de desarrollar la reacción “R” sin romper (comprobación de tensiones en el terreno), (Fig 6d).
-
Uniones auto trabadas o acerrojadas Los empujes “T” se compensan a través de las propias tuberías sin necesidad de otra acción exterior. Es necesario comprobar que tanto las paredes de las tuberías como, especialmente, las uniones resisten estos empujes.
Estas uniones se caracterizan por su capacidad para resistir tracciones longitudinales. Se trata de un sistema cuyas aplicaciones más usuales son las siguientes: • Como alternativa a los macizos de anclaje, especialmente cuando existen condicionantes de espacio (por ejemplo en zonas urbanas), en terrenos poco estables o para agilizar la instalación de la tubería. • En caso de pendientes elevadas. • Situaciones especiales. Paso bajo ríos en los que la tubería apoya directamente sobre el fondo del cauce y se pueden producir movimientos de dicho fondo, o cuando la tubería se monta fuera de su ubicación definitiva y una vez conectada se traslada…etc.
6. Diseño 6.1.
6.2.
Canal de conducción: Q= 1.8m/s3 Z=0 B=1.5 Longitud total =645.9 m n= 0.015 s=0.002 Cámara de carga Vt=(0.693*Qd2)/(A*i*g) Vt=(0.693*1.82)/(1.14*0.002*9.81) Vt=102.6m3
6.3.
Tubería Forzada
Como ya hemos mencionado la tubería de presión se caracteriza por el material del que está hecha, su diámetro, espesor y tipo de unión. Para el caso de Ichocan se considera una tubería de acero por su resistencia a impactos, soportar cargas estáticas, sobrepresiones y supresiones, por su durabilidad. Datos:
Q= 1.8m3/sg; caudal de diseño L=81.28 m Hb= 55 altura bruta hf=2.75 perdida de carga del 5% n=0.012, coeficiente de Manning para acero, tabla 14. Cálculo del diámetro de la tubería Se debe tener en cuenta que a mayor diámetro, son menores la velocidad y las pérdidas hidráulicas en la tubería y por lo tanto mayor es el salto aprovechable y la potencia disponible. A menor diámetro, mayores son las pérdidas hidráulicas, pero menor es el costo de la tubería .Para el cálculo de la tubería utilizamos Manning E 5: Considerando una pérdida de carga igual al 5%
D= 69.35cm D=27.3 pulg
D= 27pulgadas
Selección del material de la tubería de presión
Cálculo de la velocidad en la tubería.
V=4.77 m/s
3 Cálculo del diámetro económico El diámetro económico está en función del coste de la tubería la amortización y las pérdidas de carga en la tubería .Es decir a mayor diámetro menor perdida de carga y por lo tanto mayor generación de energía pero al mismo tiempo mayor costo por lo que se hace siguiente análisis. Datos.
Hb=55 m, altura bruta L=81.28m, longitud tubería Q=1.8m3/sg, caudal diseño Vmáx=5.0m/sg, para tubería de acero Vmin= 2.0m/sg, para tubería de acero Rango del diámetro.- Usando la Ec 70 y Ec 71 Diámetro mínimo: √ Dmín=26.6 plg Diámetro máximo:
𝐷𝑚á𝑥
√ 𝜋
𝑄 𝑉𝑚𝑖𝑛
Dmín=42.14plg
Calculo de la sobrepresión (Ht) Asumimos una sobre presión del 35% de la altura bruta. 0.35*55=19.25………55+19.25=74.25
Ht=74.25m P=7.425kg/cm2, presión estática más sobre presión Calculo del espesor (e).- Usando la Ec 72
Para:
𝑒
𝑃+ 𝜎
+ 𝑒0
σ=1000 kg/cm2, esfuerzo de trabajo del acero e0=2mm, (sobre espesor) Tenemos:
Espeso para ø 26.6=0.0024m Espeso para ø 42.14=0.0026m Espeso para 35= 0.0025m Calculo de la perdida de carga por fricción (hf).- Usando :
Para el cálculo de f utilizamos el diagrama de Moody
Calculo del costo de la energía perdida (Cep)
Ce= 0.75, costo de 1kW/ hr , en nuevos soles ɸ plg
ɸ m
V m/sg
27 30 32 35
0.1524 0.1778 0.2032 0.2286
4.660 3.423 2.621 2.071
0.00030 0.00026 0.00023 0.00020
5.00 4.29 3.75 3.33
f
hf (m)
Pp kw/h/año
Cep (s/.)
0.0160 0.01615 0.0165 0.0166
16.49 7.70 4.04 2.25
40059.37 18707.80 9803.35 5473.13
26038.59 12160.07 6372.17 3557.54
Amortización anual de la tubería (Aa) ( + ) ( + ) ɸ plg
ɸ m
e (mm)
G (Tn)
C (S/)
Q (m/sg)
Aa (s/)
27
0.1524
2.78
1.51
2263.35
0.085
797.149
30
0.1778
2.9
1.84
2763.5
0.085
973.297
32
0.2032
3.03
2.2
3298.77
0.085
1161.818
3.16
2.58
3869.16
0.085
1362.70847
35 0.2286 Coste total de la tubería.
ɸ plg
Aa (s/)
Cep (s/.)
CT (S/.)
27 26038.589 797.15 26835.74 30 12160.069 973.30 13133.37 32 6372.176 1161.82 7533.99 35 3557.536 1362.71 4920.24 Escogemos la de ø 35 por ser la de menor costo Verificación del diámetro obtenido Para lo cual usamos las formula de Mannesman Rohren Werke Ec 78: (
)
Gráfico del diámetro económico 36000.000 31000.000 COSTO
26000.000 21000.000
Costo de energía perdida
16000.000
Amortización
11000.000 Costo total
6000.000 1000.000 6
7
8
9
10
ɸ DIAMETROS
Por lo tanto del diámetro calcula para una pérdida de carga del 5% y del cálculo de diámetro económico (ɸ=35plg) podemos concluir que el diámetro para la tubería de presión de la minicentral de Ichocan es de 35 plg.
Calculo de las pérdidas de carga a. Perdidas por fricción (hf) usando Ec 60
hf=2.27m b. Perdidas singulares Perdidas por turbulencia (h1) Usando E 61 0
kb=0.11 Perdidas por estrechamiento brusco
D=1.00 ,m, dato de la cámara de carga d=0.889m diámetro de la tubería Determinar el tipo de estrechamiento
d/D=0.889 Para d/D > 0.76 se tiene (
)
Kp= 0.088m Perdidas por cambios en la dirección (h2) En tramos con codos, a partir de los promedios dados por Gibson y Weissbach α
Kp
0 15 30 45 60 90 120 150 180
0 0.05 0.1 0.25 0.5 1.15 2 2.7 3
α1=30 α2=0 α3=45 Angulo α1´ α2´
30 0
Kpi 0.1 0.0
α3´
45
0.25
De la suma de los: kpi=0.36 Circular
Rectangular
a/D
kp
a/D
kp
1/8
90
1/10
90
2/8
17
2/10
45
3/8
7.6
4/10
8.1
4/8
2.1
6/10
2.1
5/8
0.8
8/10
0.4
6/8
0.26
10/10
0.02
7/8
0.07
8/8
0.02
Por lo tanto tomamos para válvula de compuerta rectangular totalmente abierta hp=0.02m Perdidas de carga en la rejilla Datos:
ɸ=2.42 b=1.0 v=1.5m/sg α=60 u=0.6 ( ) hr=0.023
Suma de las pérdidas parciales singulares Kpt=0.4 Calculo de pérdidas singulares
hs=0.1447 m
Pérdidas totales en la tubería de presión ht=2.415m ,que equivale al 4.4% de la altura bruta.
Calculo de la altura neta Hn=Hb+ht Hn=57.42 m
Tiempo de cierre El tiempo necesario para que la onda de presión se desplace a lo largo de toda la tubería. Usando
Calculo de la velocidad de la onda
k=2.10E+09Kn/mm2 E=2.06E+11Kn/mm3 D=889mm t=9.27 ρagua=1000 √
( +
)
c=1280.93 m/sg
4.5.5.7 Calculo de la sobrepresión Se utiliza la Ec 66:
P=269.82 KN/mm2 4.5.5.7 Calculo de la presión negativa ( ) PC=882500 KN/mm2
Pérdidas totales en la tubería de presión
Pérdidas totales en la tubería de presión ht=2.42 ,que equivale al 3.01% de la altura bruta.
ANCLAJES Y APOYOS
Calculo de anclajes en los tramos interiores (anclajes 1°) Figuran 1.Anclajes de los extremos de la tubería de presión. Fuente: Elaboración propia
DESCRIPCION
VALOR
H
55.00
Q
1.80
Di
0.88
t
2.50
De
0.88
A
30.00
B
35.00
PeT
1450.00
PeA
1000.00
WT
9.99
WA
601.32
L1
18.00
L2
35.00
u
0.40
L4
35.00
Sadm.
1.00
H= Altura de presión estática Q= Caudal de diseño Di= Diámetro interior de la tubería De= Diámetro exterior de la tubería t= Espesor de la tubería A= Angulo aguas arriba con la horizontal B= Angulo aguas abajo con la horizontal PeT= Peso específico de la tubería PeW= Peso específico del agua WT= Peso de la tubería WA= Peso del agua L1= Distancia media del 1º anclaje al 2º. L2= Longitud de tubería sujeta a movimiento u= Coeficiente de fricción entre PVC y suelo L4= Long. de tubería entre junta de dilatación y anclaje. F1
9529.44
F2
7411.78
F3
2938.86
F4
174.88
F5
0.00
F6
0.00
F7
0.00
F8
46.15
F9
0.00
DATOS a
0.50
b
0.80
c
0.25
d
0.50
e
0.25
f
0.50
g
0.80
g e
1
f d
2
c
3
a b Nº
AREAS
VOLUMEN
PESOS
Xg
Yg
1
0.06
0.05
115.00
0.17
0.83
2
0.40
0.32
736.00
0.40
0.50
3
0.13
0.10
230.00
0.25
0.13
TOTAL
0.59
0.47
1081.00
Xg= Yg=
0.34 0.46
ESTABILIDAD DEL ANCLAJE CUANDO LA TUBERIA SE DILATA
CUANDO LA TUBERIA SE CONTRAE
SFx= 1675.32
SFx= -11162.26 SFx
u=
0.50
Debe Cumplir
SFx
SFy= -10144.90 SMo.:
u=
0.50
SFy= -2733.12
1675.32
5072.45
5740.68
Ry.X
o.k.
11162.26
1366.56
SMo.:
o.k.
6778.26
Ry.X
Fy= 9063.90
Fy= 1652.12
Ry= 10144.90
Ry= 2733.12
X= 0.57
X= 2.48
Sbase < Sadm.terreno
Sbase < Sadm.terreno
Sbase= Ry/A*(1+-6*exc/b)
Sbase= Ry/A*(1+-6*exc/b)
exc.= X-b/2
exc.= X-b/2
exc.=
0.17
Sbmáx=
3.56
Sbmáx= 7.09
exc.= 2.08
Sbmin=
-0.39
Sbmín= -6.24
A= 6400
Sadm.= 1.00 Kg/cm2. Sbmín.
Sadm.= 1.00 Kg/cm2. Sbmín.
o.k.
Debe cumplir
Calculo de anclajes en los tramos interiores (anclajes 2º y 3º) DISEÑO DE ANCLAJE Nº 01 DESCRIPCION
VALOR
H
55.00
F1
16252.98
H= Altura de presión estática
F2
7411.78
Q
1.80
Q= Caudal de diseño
F3
8794.20
Di
0.88
Di= Diámetro interior de la tubería
F4
174.88
t
2.50
De= Diámetro exterior de la tubería
F5
0.00 0.00
De
0.88
t= Espesor de la tubería
F6
A
30.00
A= Angulo aguas arriba con la horizontal
F7
0.00
B
45.00
B= Angulo aguas abajo con la horizontal
F8
138.09
F9
0.00
PeT
1450.00
PeT= Peso específico de la tubería
PeA
1000.00
PeW= Peso específico del agua
WT
9.99
WT= Peso de la tubería
DATOS
WA
601.32
L1
30.70
WA= Peso del agua L1= Distancia media del 1º anclaje al 2º.
a
0.50
L2
35.00
L2= Longitud de tubería sujeta a movimiento
b
0.80
u
0.40
c
0.25
L4
35.00
L4= Long. de tubería entre junta de dilata-
d
0.50
Sadm.
1.00
ción y anclaje.
e
0.25
f
0.50
g
0.80
u= Coeficiente de fricción entre PVC y suelo
g e
1
f
TUBERIA
d
2
c
3
a b Nº
AREAS
VOLUMEN
PESOS
Xg
Yg
1
0.06
0.05
115.00
0.17
0.83
2
0.40
0.32
736.00
0.40
0.50
3
0.13
0.10
230.00
0.25
0.59
0.47
1081.00
TOTAL
0.13
Xg= Yg=
0.34 0.46
ESTABILIDAD DEL ANCLAJE CUANDO LA TUBERIA SE DILATA
CUANDO LA TUBERIA SE CONTRAE
SFx= -2722.15
SFx= -15559.73 SFx
u=
0.50
Debe Cumplir
SFx
SFy= -10093.95 SMo.:
5046.98
3516.47
Ry.X
o.k.
15559.73
1341.08
SMo.:
8951.52
Ry= 10093.95
Ry= 2682.17 X= 3.34 Sbase < Sadm.terreno
Sbase= Ry/A*(1+-6*exc/b)
Sbase= Ry/A*(1+-6*exc/b)
exc.= X-b/2
exc.= X-b/2 0.97
Sbmin=
2.19
Ry.X Fy= 1601.17
X= 0.35
-0.05
o.k.
Fy= 9012.95
Sbase < Sadm.terreno
Sbmáx=
0.50
SFy= -2682.17
-2722.15
exc.=
u=
A= 6400
Sbmín= -8.81
Sadm.= 1.00 Kg/cm2. Sbmín.
exc.= 2.94 Sbmáx= 9.65
o.k.
Sadm.= 1.00 Kg/cm2. Sbmín.
Debe cumplir
Nº de apoyos y anclajes
Se tiene un desnivel de 55 m por lo cual se ha previsto la ubicación de apoyos, juntas de dilatación y de anclajes.
Se diseñara 5 apoyos, los cuales se ubicaron de la sgte. manera: - 1apoyo entre la camara de carga y el 1er anclaje, es decir a 5.25m de la camra de carga - 2 entre 1º y2º anclaje con un distanciamiento de 11.55 m - 2 apoyos entre 2do y 3r anclaje -
Así mismo se ha ubicado estratégicamente juntas de dilatación a 3.00 m inmediatamente después de un anclaje, que ayuden a disipar la energía.
camara de carga apoyo
anclaje
apoyo
apoyo
anclaje
apoyo
apoyo
anclaje
7. Conclusiones:
Se logró diseñar de la manera más eficiente los anclajes para una tubería forzada , al mismo tiempo se logró diseñar la tubería forzada.
8. Bibliografia
o
Manual de Mini Y Microcentrales Hidráulicas :
ITDG
o
Microcentrales Hidroeléctricas
:
o
Flujo a Presión
:
GEA - UTFSM
Universidad
Del
Cauca
M.E.Guevara A. – Colombia o
Hidráulica General
o
Separatas Del Curso De Hidroenergía
-
: :
SOTELO, Avila.
Ing° Gaspar Mendez Cruz.
–
