Diseño de macizos de anclaje en conducciones de gran diámetro

Diseño de macizos de anclaje en conducciones de gran diámetro Jaime Gil Navas Ingeniero de Caminos, Canales Canales y Puertos Jefe de Servicio de Obras Hidráulicas Hidráulicas - CORSÁN-CORVIAM CONSTRUCCIÓN, CONSTRUCCIÓN, S.A. S.A. [email protected]

General En este texto se analiza el diseño y dimensionamiento de macizos de anclaje en conducciones de agua a presión. Aunque en parte del texto se hace un análisis general y muchos de los conceptos tratados son válidos para cualquier fluido, cualquier diámetro y cualquier presión, los macizos para los que está enfocado el texto son macizos de grades dimensiones (hasta centenares de m 3 de hormigón), necesarios en ciertas conducciones de agua de diámetros medianos y grandes ( Φ 600 a Φ 3000 mm) y presiones medianas y altas (1 ( 1 a 4 Mpa). En el apartado 2 se repasa de manera general el concepto de desequilibrio en un recinto con fluido incompresible a presión. Esto sirve de base para clasificar en el apartado 3 las conducciones en dos tipos: SIN continuidad estructural (que necesitan fuerzas exteriores para garantizar el equilibrio en algunos elementos de la conducción) y CON continuidad estructural (que no necesitan fuerzas exteriores para mantener el equilibrio). En el apartado 4 se entra de lleno en el análisis pormenorizado de las fuerzas y momentos que intervienen en la estabilidad de las conducciones sin continuidad estructural. Este apartado es menos general que los dos anteriores. Se centra en los macizos para compensar empujes cuasi-horizontales, los más habituales en conducciones de agua. En el apartado 5 se adjunta un ejemplo de cálculo de macizo de anclaja para un codo horizontal. En el apartado 6 se comentan algunos aspectos constructivos y de diseño de los macizos de anclaje. En el apartado 7, último, se hace una reflexión sobre el dimensionamiento de macizos de anclaje en conducciones de agua a presión.

Empujes y esfuerzos en un recinto con fluido a presión En un recinto con un fluido incompresible a presión “ P” y en reposo, si el recinto no es cerrado por tener un orificio de sección “ s” el módulo de la resultante de la fuerza que el fluido ejerce sobre las paredes del recinto es igual al producto de la presión por la sección, la dirección es perpendicular a dicha sección y el punto de aplicación es el centro de gravedad de esta. Gráficamente: P

E = Ps

Esto es válido si el recinto tiene más de un orificio. Aparecerían varias fuerzas E1, E2…:

145

P

E2 = Ps2 E1 = Ps1

Hay que remarcar que estas fuerzas son resultantes, no son fuerzas reales . Las únicas fuerzas reales son las que el fluido ejerce sobre las paredes interiores del recinto r ecinto y perpendicularmente a ellas. En un tubo esta diferencia se representaría:

Ps

Ps

Por tanto un recinto con fluido incompresible a presión estará en equilibrio si es cerrado o si la geometría y posición de los orificios que tenga sea tal que la resultante de los empujes sea nula. Si no es así, para garantizar su equilibrio habrá que ejercer una fuerza exterior igual y en sentido contrario a la resultante de empujes. Expresamente se ha mencionado que el fluido está en reposo. Si se considerase “velocidad” en el fluido, significaría que entra y sale fluido del recito y habría que introducir en el balance de empujes las cantidades de movimiento (ρQV) de entrada y/o salida en cada orificio. En cualquier caso las paredes están sometidas a esfuerzos (tracciones, compresiones, esfuerzos tangenciales…) y por tanto a deformaciones. Por consiguiente hay que distinguir claramente que si se tratase de estudiar un recinto son dos los problemas que habría que analizar: 1. El equilibrio del recinto. 2. El cálculo estructural y las deformaciones de las paredes del recinto. Centrándonos en conducciones de agua a presión, este texto se detiene en analizar el primero de los problemas, aunque se hacen algunas consideraciones respecto al segundo.

Estabilidad en una conducción Para analizar la estabilidad de una conducción podría dividirse esta en recintos, de manera que se pudiese analizar la estabilidad de cada uno de ellos. De acuerdo con lo expuesto en el primer apartado, constituiría un recinto toda parte de una conducción que tuviese continuidad estructural. A estos efectos podríamos distinguir entre dos tipos de conducciones: SIN continuidad estructural y CON continuidad estructural.

Conducciones SIN continuidad estructural Son aquellas en las que la estanquidad tubo-tubo o tubo-pieza se consigue con juntas elásticas o con juntas sólo soldadas lo necesario para hacerlas estancas. De entre los materiales más habituales usados en la industria se trataría de conducciones de PRFV, PVC, HACC, HPCC y Fundición enchufada.

146

En conducciones SIN continuidad estructural los recintos estarían limitados por las juntas de estanquidad. Vamos a analizar el equilibrio de los recintos más importantes que se presentan en una conducción de este tipo (en los siguientes esquemas, P presión, s sección del tubo): •

Tubo: el recinto alcanza hasta el primer tubo enchufado e nchufado a cada lado. La resultante de empujes en el tubo es nula. El tubo está en equilibrio y las fuerzas de presión producen tracciones circunferenciales en la pared de aquel.

Ps

•

Ps

Codo: el recinto alcanza hasta el primer tubo enchufado a cada lado. Está Es tá en desequilibrio. E = 2Ps sen a/2 Ps

a

Ps •

Reducción: el recinto alcanza hasta el primer tubo enchufado a cada lado. Está en desequilibrio.

Ps1

Ps2

E=P(s1-s2) •

Derivación: el recinto alcanza hasta el primer tubo enchufado a cada lado. Está en desequilibr io.

Ps1

Ps1

E=Ps Ps •

Válvula o brida ciega: el recinto alcanza hasta el primer tubo enchufado. Está en desequilibrio.

147

E=Ps •

Entrada de hombre: el recinto alcanza hasta el primer tubo enchufado a cada lado. Una derivación tapada con una brida ciega no introduce ningún orificio en el recinto, que está en equilibrio. Lo que sí se producen las fuerzas de presión son esfuerzos en las paredes que es necesario analizar (diseño de piezas especiales)

E=0 Ps

Ps

Conducciones CON continuidad estructural Son aquellas en las que los elementos (tubo y piezas), una vez colocados, son unidos entre sí de manera que sean capaces de transmitir los esfuerzos de uno a otro elemento formando un continuo. Se trataría de conducciones de Acero con junta soldada (con espesor suficiente de soldadura), PEAD con junta soldada a tope y Fundición embridada. En ellas toda la conducción constituye un único recinto. Esto quiere decir que en general no son necesarias fuerzas exteriores para garantizar la estabilidad de estas conducciones . Si no existen interrupciones estructurales, sólo habrá que centrarse en el análisis de los extremos de estas conducciones. A lo largo de ellas no habrán de compensarse desequilibrios. No obstante en algunos casos las deformaciones pueden ser grandes, incompatibles con el servicio de la infraestructura (algo inhabitual en tuberías enterradas, aunque sí puede ocurrir en tuberías aéreas). P=P P=0

¿Qué esfuerzos internos aparecen en la conducción a costa de que no se manifiesten empujes no compensados en las tuberías CON continuidad estructural? o

Junto a una válvula cerrada o una brida ciega aparece un empuje longitudinal de valor E = Ps que produce una tracción longitudinal igual a la mitad de la tracción circunferencial debida a la presión. En efecto: 148

o

o

Tensión circunferencial

σc = p·Φ / 2·e

(p presión, Φ diámetro, e espesor)

o

Tensión longitudinal

E = p· π·Φ2 /4 A = π·Φ·e σl = E/A = p· Φ / 4·e, la mitad de la circunferencial

Junto a un codo aparece principalmente un empuje longitudinal E l = Ps·(1-cos α) que produce tracciones longitudinales y un empuje cortante E t = Ps·cosα·tg(α /2) que produce tensiones tangenciales.

En caso de tubería enterrada el empuje tangencial se transmite al relleno de la zanja y la tracción longitudinal se va disipando por rozamiento con el relleno a medida que se aleja de la válvula cerrada. La longitud traccionada y las deformaciones son pequeñas para el rango habitual de conducciones de agua a presión. El cálculo de la longitud traccionada se puede hacer calculando el rozamiento que produce el peso propio de la tubería y el peso del relleno que gravita sobre ella. En el siguiente ejemplo, para una tubería Φ 1500 mm a 2 Mpa, la tracción queda disipada en menos de 100 m, a costa de una deformación longitudinal de poco más de 1 cm.

DISIPACIÓN DE EMPUJES EN CODOS SIN MACIZO DE ANCLAJE diámetro (mm)

presión (Mpa)

codo (º)

F axial (kN)

espesor (mm)

tensión longit.

altura relleno (m)

peso total

1500 1500 1500 1500 1500 1500

2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0

15 30 45 60 75 90

120 474 1035 1767 2620 3534

12.7 12.7 12.7 12.7 12.7 12.7

2.0 7.9 17.3 29.5 43.8 59.1

2 2 2 2 2 2

76.0 76.0 76.0 76.0 76.0 76.0

longitud roz. disipación (CR=0.57) (m) 43.3 3 43.3 11 43.3 24 43.3 41 43.3 60 43.3 82

def. (mm) 0.0 0.2 1.0 2.9 6.3 11.5

Dimensionamiento de macizos de anclaje en conducciones SIN continuidad estructural Consideraciones Consideraciones generales Para contrarrestar los empujes que aparecen en codos, tres, derivaciones… de conducciones SIN continuidad estructural, lo más habitual es dimensionar macizos de hormigón de peso suficiente. Se hace considerando que el macizo se comporta como un sólido rígido que ha de ser estable frente a DESLIZAMIENTO y VUELCO cuando sobre él actúa el empuje que ha de equilibrar y las demás fuerzas que eventualmente pudieran intervenir, (empuje de tierras, subpresión, etc. en tuberías enterradas o esfuerzos térmicos tuberías aéreas). Por simplicidad constructiva se consideran macizos de anclaje con alzados verticales, y cara superior e inferior horizontales. No obstante no hay limitación en este sentido y pueden diseñarse macizos de la forma que mejor se considere. La enumeración de fuerzas que se muestra a continuación seguiría siendo válida, aunque en la exposición se consideran horizontales.

149

Fuerzas que pueden intervenir en el deslizamiento Se recuerda que todas las fuerzas que se describen a continuación tiene carácter vectorial, aunque en las exposición pueda en algún momento descuidarse la simbología.

Empuje hidráulico de presión Es una fuerza horizontal desestabilizadora. Tal como se describe más arriba: Σ S E = P· Σ • • •

E P ΣS

empuje hidráulico de presión presión. MDP ó STP suma de las secciones abiertas en la pieza de conducción a estabilizar

Empuje hidráulico de velocidad. Despreciable Los empujes por cantidad de movimiento son despreciables en conducciones de agua a presión. Basta ver el siguiente ejemplo numérico: Tubería Φ 1500 mm (S = 1.77 m 2). Q = 2 m3 /s (V = 1.13 m/s). P = 2 MPa o o

Empuje de presión: Empuje de velocidad

Ep = P·S = 2000 kN/m2·1.77 m2 = 3500 kN E v = ρ·Q·V = 1000 kg/m 3·2 m3 /s·1.77 m/s = 2 kN

Pero es que además la presión MDP se produce casi siempre sin caudal y la STP siempre. Es decir, la circulación de caudal suele corresponder a escenarios de presión menor que las presiones de dimensionamiento de los macizos.

Peso del macizo de hormigón Es una fuerza vertical estabilizadora. El peso del macizo será: W m = γc·V m o

Wm

o

γc

peso del macizo (kN) peso específico del hormigón = ρc·g densidad del hormigón = 2300 kg/m 3 ρc volumen del macizo (m 3) 

o

Vm

Peso del terreno seco sobre el macizo Es una fuerza vertical estabilizadora. El peso del terreno seco sobre el macizo será: W d d = γd ·V d d o

Wd

o

γd

peso del terreno seco sobre el macizo (kN) peso específico del terreno seco = ρd·g ρd densidad seca del terreno = 1600-1900 kg/m 3 volumen de terreno seco sobre el macizo (m 3) 

o

Vd

Peso del terreno sumergido Es una fuerza vertical estabilizadora. Este peso aparecerá si el nivel freático está por encima de la cara superior del macizo. El peso del terreno sumergido sobre el macizo será: W’ = γ’·V’ o o

W’ γ'

peso del terreno sumergido sobre el macizo (kN) peso específico del terreno sumergido = γd - γd / γs · γw peso específico del terreno seco = ρd·g γd 

150

peso específico de las partículas = ρs·g ρs densidad de las partículas = 2650 kg/m3 o γw peso específico del agua = ρw·g o ρw densidad del agua = 1000 kg/m 3 volumen de terreno sumergido sobre el macizo (m 3) 

γs



o

V’

Empuje de agua freática Si el nivel freático alcanza el macizo, el agua producirá empujes hidrostáticos en sus caras. Los empujes en las caras verticales se anularán entre sí y sólo habrá de tenerse en cuenta el empuje sobre las caras superior e inferior. Subpresión Es una fuerza desestabilizadora ascendente que actúa en la cara inferior. Su valor es: S i = A·σ w o o o

Si A σw

subpresión (kN) área de la base del macizo (m 2) presión del agua = γw·z zi profundidad bajo el agua de la cara inferior (m) 

Empuje del agua sobre el macizo Es una fuerza estabilizadora descendente que actúa en la cara superior. Su valor es: S s = A·σ w o o o

Ss A σw

empuje del agua sobre la cara superior del (kN) área de la cara superior del macizo (m 2) presión del agua = γw·z zs profundidad bajo el agua de la cara superior (m) 

Rozamiento macizo-terreno Es una fuerza estabilizadora. El rozamiento máximo del macizo con el terreno es: R = µ·N o

R

o

µ

o

N

rozamiento máximo macizo-terreno (kN) coeficiente de rozamiento macizo-terreno. Es habitual adoptar el valor µ = tg Φ’ Φ’ ángulo de rozamiento interno efectivo del terreno reacción normal del terreno. Su valor es el de la suma de las fuerzas verticales que actúan sobre el macizo. 

Empujes horizontales del terreno El terreno empuja lateralmente al macizo en todas sus caras. Sobre las caras de componente frontal (las que tienden a desplazarse alejándose del terreno) actuará el empuje activo, desfavorable. Sobre las caras de componente dorsal (las que tienden a desplazarse empujando contra el terreno) actuará el empuje pasivo, favorable. Hay que decir que si el terreno es una roca el método expuesto es igualmente válido. Hoek y Brown (1980 y revisiones) propusieron un conjunto de relaciones que permiten asignar parámetros geotécnicos de suelo a una roca a partir de su resistencia a compresión simple si mple y su índice RMR. Empuje pasivo del terreno La tensión horizontal pasiva crece linealmente con la profundidad según la ley: 151

1/2

σ p = γ·z·k p + 2·c’·k p o o o o

σp γ

z kp

tensión pasiva a profundidad z (kN/m2) peso específico del terreno ((kN/m 3) profundidad bajo la superficie del terreno (m) coeficiente de empuje pasivo del terreno. Viene dado por la expresión: kp = tg2(45 + Φ’/2) Φ’ ángulo de rozamiento interno efectivo del terreno cohesión efectiva del terreno (kN/ m2) 

•

o

c’

z

Por tanto el empuje pasivo total presenta en general una ley trapecial como la de la figura. Ocurre que para que se desarrolle todo el empuje pasivo es necesario que el terreno se mueva cierta magnitud y este movimiento puede ser incompatible con el servicio de la conducción (porque se desenchufen los tubos, por ejemplo). Según la figura adjunta, en el caso del desplazamiento de la cabeza de un muro, para tener un k p=3 (que correspondería a un Φ’= 30º) sería necesario un desplazamiento en la cabeza del 6% de la altura del muro.

Se hace necesario aplicar un coeficiente de minoración del empuje pasivo. En este texto se propone el siguiente: CMP = k p /k 0 o o o

CMP kp k0

coeficiente de minoración del pasivo coeficiente de empuje pasivo coeficiente de empuje al reposo. Viene dado por las expresiones: terreno granular: k0 = 1–sen Φ’ terreno con cohesión: k0 = (1–sen Φ’)R1/2 R: razón de preconsolidación = σvert.histórica / σvert.actual  

•

Esta minoración equivale a suponer que sólo se considera el empuje pasivo hasta el umbral de movimiento. De otra manera: no se permite el movimiento del macizo. En el caso habitual de un terreno granular con

Φ’ = 30º, k p = 3 y k 0 = 0.5. El coeficiente de minoración sería 6.

152

Este coeficiente podría parecer alto, pero no lo es tanto si se tiene en cuenta que –tal como se describe a continuación- no se considera el empuje activo del terreno, desfavorable. Empuje activo del terreno Como la pasiva, la tensión horizontal activa crece linealmente con la profundidad. Sigue la ley: 1/2

σ p = γ·z·k a - 2·c’·k a o o o o

tensión activa a profundidad z (kN/m2) peso específico del terreno ((kN/m 3) profundidad bajo la superficie del terreno (m) coeficiente de empuje pasivo del terreno. Viene dado por la expresión: ka = tg2(45 - Φ’/2) Φ’ ángulo de rozamiento interno efectivo del terreno cohesión efectiva del terreno

σa γ

z ka



•

o

c’

El empuje activo presenta en general una ley trapecial como la de la figura anterior. Para un terreno granular con Φ’= 30º se tiene ka = 0.33 En este texto se propone no considerar la acción desfavorable del empuje activo para compensar el elevado coeficiente de minoración del empuje pasivo propuesto en el apartado anterior. Siguiendo con el ejemplo de un terreno granular con o

Φ’= 30º el empuje finalmente considerado sería:

kp = 0.5

Y el empuje real tendría un coeficiente de empuje: o

k = kp – ka = 3 – 0.33 = 2.66

el coeficiente de minoración sería:

2.66 / 0.5 = 5.32

Momentos que pueden intervenir en el vuelco Los momentos que pueden intervenir en el vuelco son los producidos por las fuerzas del anterior apartado. Los brazos respecto al punto de vuelco son fácilmente calculables pues se trata de leyes de empuje rectangulares y trapeciales.

Hipótesis de cálculo Los macizos han de dimensionarse considerando todos los escenarios posibles durante el servicio de la conducción. Estos escenarios no son los mismos siempre sino que varían de una conducción a otra según su naturaleza. Por eso debe hacerse un estudio de los posibles escenarios que pueden presentarse. A continuación se enumeran algunas hipótesis que frecuentemente se dan en las conducciones. o

HIPÓTESIS 1. La de funcionamiento habitual de la conducción. o o o

o

HIPÓTESIS 2. La de funcionamiento durante la prueba de presión. o o o

o

Presión: MDP Empuje pasivo: el habitual NF: el habitual (máximo anual natural) Presión: STP Empuje pasivo: el habitual NF: el existente en el momento de la prueba

HIPÓTESIS 3 o

Presión:

Simula la excavación excavación accidental accidental del terreno tras el macizo. macizo. Puede ser una hipótesis a considerar en entornos urbanos y periurbanos. per iurbanos. MDP 153

o o

o

Empuje pasivo: inexistente NF: el habitual (máximo anual natural)

HIPÓTESIS 4 o o o

Simula la subida del NF hasta hasta superficie por causas causas naturales naturales o por una una fuga de la propia conducción.

Presión: MDP Empuje pasivo: el habitual NF: hasta superficie del terreno

Coeficientes de seguridad Los coeficientes de seguridad a adoptar no están normalizados y por tanto dependen del proyectista. Por otro lado es habitual que distintas Administraciones adopten distintos coeficientes para hipótesis convalidables entre sí.. No obstante en este texto se proponen los siguientes (inspirados en los coeficientes de seguridad en muros de contención de tierras): Para las cuatro hipótesis antes descritas se proponen los siguientes coeficientes de seguridad (inspirados en los coeficientes adoptados para los muros de contención de tierras): o

HIPÓTESIS 1. La de funcionamiento habitual de la conducción.  

o



HIPÓTESIS 3  

o

1.5 1.8

HIPÓTESIS 2. La de funcionamiento durante la prueba de presión. 

o

CS deslizamiento CS vuelco

HIPÓTESIS 4  

CS deslizamiento CS vuelco

1.3 1.5

Simula la excavación accidental del terreno tras el macizo. CS deslizamiento CS vuelco

1.1 1.1

Simula la subida del NF hasta superficie. CS deslizamiento CS vuelco

1.1 1.1

Ejemplo de cálculo A continuación se adjunta el cálculo del macizo para el anclaje de un codo horizontal. Los coeficientes de seguridad mínimos no se corresponden con los propuestos en el apartado anterior ya que se simula el dimensionamiento para una Administración con sus propios criterios criterio s de seguridad. El proceso consiste en tantear dimensiones del macizo hasta que se obtiene coeficientes de seguridad mayores que los mínimos prefijados para cada hipótesis. En general suele ser más desfavorable el deslizamiento que el vuelco. Es la seguridad al deslizamiento la que termina dimensionando el macizo.

154

OBRA: OBRA:

VI curso curso sobre sobre diseño diseño e instala instalación ción de tuberías tuberías para para transpor transporte te de agua agua (Ávila (Ávila 2006 2006)) DATOS GENERALES Diámetro Diámetro tube tubería.. ría........ ............ ............. ............ ............ .............. ............. ............ ............ ............. ............. ............ .......... .... Angulo Angulo del codo..... codo............ ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............. ............. ............ ............ ............ ........ .. MDP........ MDP............... ............. ............ ............ ............. ............. ............ ............. ............ ............ .............. ............. ............ ............ .......... .... coeficien coeficiente te de prueba prueba (STP / MDP)....... MDP).............. ............. ............ ............ ......... ...

1500 mm 1500 45.00 45. 00 º 22.0 atm 1.18

Densidad Densidad del hormigón hormigón....... ............. ............ ............. ............. ............. ............ ............ .............. ............ ............ ......... Densidad Densidad seca del terreno... terreno......... ........... ............ ............. ............. ............ ............ .............. ............ ............ ......... Densidad Densidad de las partícul partículas... as......... ............. .............. ............ ............ ............. ............ ............ ............ ............ ........ densidad densidad sumergid sumergida a del terreno.. terreno........ ............. ............. ............ ............. ............. ......

2.30 t/m3 1.80 t/m3 2.65 t/m3 1.12 t/m3

Angulo Angulo de rozamient rozamiento o interno interno efectivo efectivo del terreno.. terreno........ ............ ............ ............. .......... ... Cohesión Cohe sión efectiva efectiva del terreno... terreno......... ........... ............ ............. ............ ............ ............. .............. ............ ........ ... coef.empu coef.empuje je pasivo.. pasivo........ ............. ............ ............ .............. ............. ............ ............ ............ ........ .. coef.mino coef.minoració ración n del empuje empuje pasivo.. pasivo........ ........... ............ ............. ............. ......... .. Angulo Angulo de rozamient rozamiento o hormigón hormigón-terr -terreno eno....... ............ ............ ............. ............ ............ ............ ........ coef.roz coef.rozamien amiento to hormigón hormigón-terre -terreno. no........ ............. ........... ............ ............. ........... ..... coef.mino coef.minoració ración n del rozamien rozamiento.... to......... ............ ............. ............ ............ ............ ........ Altura Altura de tierras tierras sobre sobre el macizo.... macizo........... ............ ............ ............. ............ ............ ............ ............. ......... .. Altura Altura de tierras tierras sobre sobre tubo tubo...... ............. ............ ............ ............. ........... ............ ............. ............ ............ .......... ....

35 º 0.00 t/m2 3.69 6.0 35 º 0.70 1.0 1.00 m 1.50 m

DIMENSIONES DEL MACIZO Altura..... Altura........... ............ ............ ............. .............. ............ ............ ............. ............ ............ ............ ............ ............ ............. ............. ........ Longitu Lon gitud d del del lado mayor mayor del del trapecio. trapecio........ ............ ............ ............. ............ ............ ............ ............ ...... Longitu Lon gitud d del lado menor menor del trapecio. trapecio....... ............. ............ ............ .............. ............. ............ ........... ..... Anchura. Anchura....... ............ ............ ............ ............ ............ ............. ............ ............ ............. ............ ............ ............ ............. ............ ........ ... volumen de hormigón........................................................

155

3.00 m 16.00 m 16.00 1.50 m 7.25 m 190.31 m3

FUERZAS QUE PUEDEN INTERVENIR EN EL FENOMENO empuje en servicio.............................................. servicio............................................................. ............... empuje en prueba.................................... prueba......................................................... .......................... ..... peso del macizo............................................ macizo................................................................. ..................... peso del terreno terreno seco seco sobre sobre el macizo.. macizo....... .......... .......... .......... .......... ......... .... peso del terreno terreno sumergido sumergido sobre el macizo...... macizo........... .......... .......... ..... peso del agua sobre el macizo..... macizo.......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ......... .... subpresión subpresión (agua hasta la sup. sup. del terreno)... terreno)........ ......... ......... .......... ....... rozam. rozam. máx. máx. sin subpresión subpresión (minorado).. (minorado)...... ......... .......... .......... .......... ........ ... rozam. rozam. máx. con subpresión subpresión (minorado)... (minorado)........ ......... ......... .......... .......... ....... e.pasivo e.pasivo máx.sin subpresión subpresión (minorado). (minorado)...... .......... .......... .......... .......... ....... e.pasivo e.pasivo máx.con subpresión subpresión (minorado).. (minorado)....... .......... .......... .......... ......... ....

297.6 t 351.1 t 437.7 t 114.2 114.2 t 71.1 t 63.4 t 253.8 253.8 t 386.4 386.4 t 223.0 223.0 t 132.8 132.8 t 82.7 t

MOMENTOS QUE PUEDEN INTERVENIR EN EL FENOMENO mto.del mto.del empuje empuje en servicio... servicio........ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..... mto.del mto.del empuje empuje en prueba... prueba....... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... mto.del peso del macizo.............................................. macizo..................................................... ....... mto.del mto.del peso peso del terreno terreno seco seco sobre el macizo. macizo...... .......... .......... ......... mto.del mto.del peso peso del terreno terreno sum. sobre el macizo..... macizo.......... ......... ....... ... mto.del mto.del peso peso del del agua agua sobre el macizo. macizo...... .......... .......... .......... .......... ......... .... mto.de la subpresión..................................... subpresión.......................................................... ..................... mto.del mto.del e.pasivo e.pasivo máx.sin subpr. (minorado).. (minorado)....... .......... .......... .......... ..... mto.del mto.del e.pasivo e.pasivo máx.con subpr. subpr. (minorado).. (minorado)...... ......... .......... .......... .....

520.7 520.7 tm 614.4 614.4 tm 1148.5 tm 299.6 299.6 tm 186.5 186.5 tm 166.4 166.4 tm 665.8 tm 159.4 159.4 tm 99.3 tm

COEFICIENTES de SEGURIDAD HIPOTESIS 1 Presión de servicio / Con empuje pasivo / Sin subpresión C.de S. mínimo al deslizamient deslizamiento.... o......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... C.de S. del macizo al deslizamient deslizamiento.... o......... .......... .......... .......... .......... .......... .....

1.50 1.75 CUMPLE CUMPLE

C.de S. mínimo al vuelco.... vuelco......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........ ... C.de S. del macizo al vuelco..... vuelco.......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .........


HIPOTESIS 2 Presión de prueba / Con empuje pasivo / Sin subpresión C.de S. mínimo al deslizamient deslizamiento.... o......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... C.de S. del macizo al deslizamient deslizamiento.... o......... .......... .......... .......... .......... .......... .....




HIPOTESIS 3 Presión de servicio / Sin empuje pasivo / Sin subpresión C.de S. mínimo al deslizamient deslizamiento.... o......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... C.de S. del macizo al deslizamient deslizamiento.... o......... .......... .......... .......... .......... .......... .....




HIPOTESIS 4 Presión de servicio / Con empuje pasivo / Con subpresión C.de S. mínimo al deslizamient deslizamiento.... o......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... C.de S. del macizo al deslizamient deslizamiento.... o......... .......... .......... .......... .......... .......... .....




156

Consideraciones constructivas Consideraciones Consideraciones generales Los macizos de anclaje, sin ser elementos excesivamente caros respecto al coste de la conducción, no son baratos y merece la pena procurar minimizar su número. Para ello se debe tender a juntar en un mismo macizo varios elementos (codos, válvulas, ventosas, desagües..) La colaboración del terreno crece con el cuadrado de la profundidad. Suele ser conveniente que el trazado en alzado de la conducción en las inmediaciones del macizo procure recubrimientos generosos en aquella para poder hormigonar un macizo profundo. También es factible diseñar tacones que aumenten la aportación del empuje pasivo a la estabilidad como se muestra en la figura adjunta. Para macizos de grandes dimensiones es conveniente una rigurosa caracterización mecánica del terreno, sobre todo si se trata de una roca, ya que el volumen de hormigón del macizo puede reducirse considerablemente. De otra forma: si no se tienen datos concretos o al menos estimaciones de una persona cualificada, al proyectista no la queda más remedio que suponer unas propiedades del suelo pobres (c’=0, Φ’=30º), lo que derivará en un macizo de grandes dimensiones.

En todo el proceso de cálculo se ha supuesto que el macizo se comporta como tal. Para que la realidad responda a esto, sus proporciones han de ser s er tales que las compresiones se transmitan trans mitan en su seno correctamente. Esto viene a colación porque un proyectista poco experimentado podría tener la tentación de diseñar un macizo como el de la figura adjunta, persiguiendo involucrar una anchura de terreno grande con el fin de hormigonar menos volumen. La reacción en el terreno no sería uniforme y sería falso que se tuviese todo el empuje pasivo previsto. Esto no significa que no pueda diseñarse saliéndose de lo descrito en este texto, sino que hay que ser conciente de ello y actuar en consecuencia. El hormigonado de un macizo ha de efectuarse contra el terreno para garantizar la movilización del empuje pasivo. Los macizos deben de tener armadura en todas sus caras para evitar una fisuración excesiva. Pero no debe olvidarse que se trata de hormigón en masa y que no hay que disponer las cuantías mínimas que fija la EHE. Es de buena práctica colocar un tubo corto a un lado y a otro del macizo para que hagan de rótula ante eventuales asientos diferenciales macizo-conducción. Otra posibilidad es hormigonar bajo los tubos adyacentes al macizo una cama de altura decreciente a medida que nos alejamos del macizo. Las juntas con los tubos adyacentes ad yacentes no deben quedar nunca hormigonadas.

157

Macizos para codos De acuerdo con lo dicho en el apartado anterior respecto a las compresiones, se propone para estos macizos una forma en planta trapecial abriendo a 45º que garantice la transmisión trans misión al terreno del empuje uniformemente.. Dentro de la organización de la obra, el tajo de montaje de tubería debe ser independiente del de hormigonado de macizos para codos. Por ello es es casi obligado un hormigón de segunda segunda fase capaz de transmitir transmitir al macizo el empuje del codo. Para confinar este hormigón de segunda fase puede encofrarse la zanja con bloque, siempre con la precaución de arropar el trasdós de la fábrica con tierra antes del hormigonado. Es de buena práctica dejar esperas en el hormigón de primera fase para garantizar una correcta conexión entre ambos hormigones. L. EXCAVACION

4 5 °

ENCOFRADO DE BLOQUE

Macizos para arquetas de válvula Se propone para las arquetas de válvula el siguiente proceso: determinar las dimensiones interiores para la ubicación de los elementos mecánicos (válvula, carrete, entradas de hombre...), asignar un espesor generoso para los alzados laterales y colocar el resto del d el hormigón necesario en los alzados frontal y dorsal de la arqueta.

Puede hormigonarse la solera y los alzados laterales, dejando sin hormigonar los alzados frontal y dorsal hasta que no se monte la calderería de la arqueta.

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Para la correcta transmisión del empuje al macizo deben soldarse a la calderería elementos que impidan el deslizamiento de esta, convenientemente dimensionados.

Además debe comprobarse que estructuralmente (sobre todo a punzonamiento) los alzados son capaces de transmitir el empuje al resto del macizo.

Macizos de prueba Siempre debe evitarse el hormigonado de un macizo para prueba. Deben aprovecharse para la prueba las arquetas de válvula. Si no puede ser, el macizo debe ejecutarse de manera que no sea necesaria su demolición, ni siquiera parcial. Ello obligará a apuntalar la brida de cierre para la prueba con perfiles metálicos. Como no son macizos destinados a perdurar sino que su función termina tras la prueba, puede no colocarse en ellos armadura. Incluso puede pensarse para la prueba la utilización de lastre que no sea hormigón armado (terreno, agua), o lastre móvil que sea desplazable de punto de d e prueba a otro.

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Macizos para codos verticales convexos Para contrarrestar el empuje vertical hacia arriba se hace necesario hormigonar un macizo de anclaje. Lo mejor es hormigonarlo bajo el fondo de zanja dejando esperas que permitan la colocación de lazos sobre el codo una vez colocado este.

Macizos para codos verticales cóncavos Estos codos no necesitan macizo de anclaje ya que el empujes hacia abajo. Sólo es necesario el hormigonado de una losa armada que garantice el reparto del empuje al terreno. Las dimensiones de la losa deben ser tales que la tensión transmitida sea inferior a la máxima admisible por aquel.

Otros macizos La casuística de los empujes hidráulicos a compensar en tuberías de agua a presión es muy variada. Y lo es también la manera de compensar estos empujes. Pueden diseñarse arquetas para varias válvulas, con varias derivaciones y cambios de dirección en la misma estructura, con diferentes posibilidades de apertura y cierre de d e los elementos mecánicos. Puede preverse la colaboración del terreno mediante pilotes o mediante dentellones de hormigón armado que profundicen una solera. En cualquier caso son válidas las consideraciones hechas aquí sobre las fuerzas involucradas en la estabilidad de una conducción y sobre la manera de combinarlas para los diferentes escenarios posibles. Lo más importante es la comprensión del origen de los empujes y su cuantificación, y la conciencia de que es necesario el rigor en el diseño de los macizos.

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Diseño de macizos de anclaje en conducciones de gran diámetro

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