Macizos de anclaje en tuberías a presión María Domínguez Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Servicio de Obras Hidráulicas. Dirección Técnica. DRAGADOS
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Necesidad de los macizos de anclaje Los macizos de anclaje o bloques de empuje en las tuberías a presión son necesarios para evitar que los accesorios y juntas se muevan cuando se aplica presión a la tubería. Su función es transmitir las cargas que reciben al suelo o roca adyacente. Se deben anclar mediante macizos de anclaje los codos, tés, reducciones, piezas de derivación, válvulas, desagües, bridas ciegas y, en general, todas las piezas especiales instaladas en las tuberías a presión, para evitar el movimiento de la conducción durante el servicio de la misma. Asimismo deben disponerse macizos de anclaje cuando las pendientes sean excesivamente fuertes, puedan producirse movimientos de la tubería o exista exista riesgo de flotabilidad de la misma. Estos macizos de anclaje suelen ser de hormigón, dotados de una pequeña armadura de piel para evitar fisuraciones, debiendo disponerse de tal forma que las uniones queden al descubierto.
Tipos de macizos de anclaje Macizos de anclaje en codos En las tuberías en presión, los cambios de alineación en planta y en alzado producen unos esfuerzos no axiales que se deben contrarrestar con macizos de anclaje. Estos son los macizos más frecuentes, ya que en todas las conducciones siempre existen varios codos tanto en planta como en alzado, para adaptar la tubería al trazado.
Los anclajes son especialmente necesarios en los codos verticales con la parte convexa hacia arriba, ya que el empuje da en ellos una resultante que tiende a cerrar el ángulo del codo y por tanto, a separar la tubería de su asiento. Sin embargo, en los codos cóncavos la resultante de los esfuerzos es transmitida al terreno, por lo que se coloca un macizo mucho más reducido, que actúa como una placa para repartir el esfuerzo.
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En las curvas de las tuberías con juntas flexibles, aunque no se trate de un codo, también es conveniente colocar apoyos en la zona externa a la curva, para evitar movimientos de la tubería que podrían abrir las juntas
Macizos de anclaje en válvulas Las válvulas en tuberías en presión, colocadas en línea, necesitan un anclaje para resistir el empuje desarrollado cuando se cierra la válvula. Esto puede conseguirse usando un conector de válvula y anillo de empuje que puede recibirse en un muro de anclaje de hormigón, de forma que es el muro quien resiste el empuje. Otra opción es colocar una bancada de hormigón en la solera y anclar la válvula a la solera mediante elementos metálicos, de forma que el elemento resistente pasa a ser la bancada de la solera. Esta misma solución es la utilizada en el caso de las bombas de impulsión.
Macizos provisionales para las pruebas de presión Una vez instalado un tramo de la tubería en presión, se debe proceder a realizar las pruebas hidráulicas de presión interior y estaqueidad. Para realizar las pruebas, deben estar montadas las piezas especiales así como las válvulas correspondientes. Hay que prever como y de donde se va a sacar el agua para llenar las tuberías. Este llenado debe realizarse lentamente desde el punto bajo hacia las ventosas o válvulas de corte, dejando que salga el aire. En las conducciones con uniones soldadas normalmente se comprueben primeramente las juntas con líquidos penetrantes o radiografías, y después se suele probar la tubería en tramos de grandes longitudes. Uno de los puntos que no hay que olvidar, es la colocación para la prueba de los macizos de anclaje en las bridas ciegas de las bocas de la tubería, y los t apones en los extremos. Si el espaciamiento entre válvulas de seccionamiento es adecuado, se podrían utilizar estas como cierres de los tramos de prueba y no serían necesarios tapones y macizos adicionales. Dependiendo de los diámetros y presiones de prueba, y del espacio disponible debido a cuestiones anejas a la obra, los macizos de anclaje pueden ser muy diversos. Para diámetros pequeños y bajas presiones puede ser suficiente con unas simples maderas apoyadas contra el terreno, pero en el caso de tuberías de gran diámetro y presiones elevadas, se requieren estructuras de hormigón de gran tamaño.
Los macizos pueden estar formados por un único bloque, o por módulos independientes rigidizados mediante perfiles HEB ó IPN, como en la foto adjunta.
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Macizos propuestos por distintos organismos En las normas técnicas de algunos organismos se han tabulado y estandarizado las dimensiones de los macizos de anclaje para los rangos de diámetros y presiones más usuales. Este es el caso de la “Norma para el abastecimiento de agua del Canal de Isabel II”, donde se incluyen unas tablas con el dimensionamiento de los anclajes necesarios para equilibrar los empujes debidos a la presión del agua en los cambios de dir ección, derivaciones y válvulas para instalaciones de diámetro no superior a 1000 mm. Estos macizos se han calculado suponiendo un terreno de resistencia 5 t/m 2 y ángulo de rozamiento interno 25º. En las figuras adjuntas se representan esquemáticamente dichos anclajes. En esta Norma Técnica se aconseja disponer anclajes mediante zunchos fijados sobre dados de hormigón y colocados debajo de las juntas, cuando la pendiente de la tubería sea igual o mayor del 20%, para evitar el deslizamiento de la tubería. Asimismo, en tuberías instaladas en galerías de servicios, sobre apoyos, se debe efectuar una sujeción de la misma mediante barras de acero, abrazaderas metálicas o abarcones recibidos en los apoyos, en los hastiales o en ambos a la vez. Todas las barras de acero que se utilicen en macizos a tracción deberán estar protegidas contra la corrosión, mediante galvanización, pintura o embebiéndolas adecuadamente en hormigón. El hormigón a utilizar tendrá como mínimo una resistencia característica de 175 kg/cm 2.
Normas para el abastecimiento de agua. Canal de Isabel II. Anclajes: figuras y tablas.
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Cálculo de los macizos de anclaje Los diseños de los macizos pueden ser muy diversos (rectangulares, cuadrados, cónicos, etc),si bien en cualquier caso prevalece como criterio para su dimensionamiento el que resistan el empuje máximo que se vaya a producir. Como criterio simplificado, los macizos deben tener un volumen de hormigón V(m3) tal que: E < P. tg(µ) = V. γ h . tg(µ)
→
V > E / γ h . tg(µ)
E: el empuje máximo en toneladas γ h: la densidad del hormigón(t/m 3) tg(µ): coeficiente de rozamiento hormigón-terreno Esto sería una simplificación del cálculo del macizo, ya que no se ha tenido en cuenta la aportación a la seguridad del empuje pasivo del terreno, ni el empuje activo del terreno, ni el peso de la montera de tierras, ni el peso del agua del tramo de tubería donde se coloca el macizo, que en diámetros grandes es considerable. Una vez dimensionado el macizo de anclaje, con la anterior condición de estabilidad al deslizamiento, también debe comprobarse su estabilidad al vuelco.
Macizos de anclaje en codos
Para dimensionar los macizos de anclaje en los codos, se calcula el empuje resultante debido al cambio de alineación. En el caso más general, se considera el volumen limitado por un tubo de flujo y por dos secciones normales al tubo S1 y S2, con velocidad v 1 y v2 respectivamente sobre el que actúan unas presiones P 1 y P2.
Para que esté en equilibrio, se verifica la siguiente expresión: G + R + S 1 x P1 + S2 x P2+ M1 – M2 = 0 G: resultante de las fuerzas de masa. S1 y S2: superficies de las secciones de entrada y salida P1 y P2: presiones ejercidas por el líquido en la superficie que limita el volumen considerado. M1 y M2: cantidad de movimiento que entra o sale en el volumen considerado (M i=γ Qvi). R: resultante de las presiones ejercidas por las par edes del tubo sobre el líquido. La fuerza ejercida por el líquido es: F = -R = G + S 1 x P1 + S2 x P2+ M1 – M2 Descomponiendo en dos direcciones resulta: Fv= G FH= S1 x P1 + S2 x P2+ M1 – M2 = S1 x P1 + S2 x P2 + γ .Q.v1 - γ .Q.v2 Considerando P 1 y P2 iguales, ya que las secciones están muy próximas, resulta: FH = P x (S1 + S2) + γ .Q.v1 - γ .Q.v2
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En general, la sección de la conducción y el radio de la curva son constantes, por lo que F H tiene la dirección de la bisectriz del ángulo en el centro del codo. Separando las fuerzas según se deban a la presión o a la velocidad se obtiene:
- Componente debida a la presión:
F p = F 1 + F 2 = 2 × P × S × sen( ) 2
α
F1
90−α/2
F2
90−α/2
Ftotal
- Componente debida a la velocidad:
F v = 2 × γ agua × Q × v × sen( ) 2
- Empuje total:
Ftotal = F p + Fv
En general, la fuerza debida a la velocidad, dado que las velocidades no suelen ser muy elevadas, es despreciable frente a la componente debida a las presiones, pudiendo simplificar la expresión del empuje total: F total = 2 x P x S x sen( α /2)
Ftotal = empuje de la tubería en toneladas (t) P = presión interior en la tubería, en m.c.a. S = área interior de la tubería en m2 α = ángulo interior entre las alineaciones de la tubería Una vez obtenido el empuje (F total), y comprobado que es necesario un macizo de anclaje: se calcula el peso propio que debería tener el macizo de anclaje (peso del hormigón), de forma que con dicho peso más el peso de la tubería con el agua confinada en el tramo de tubería embebido dentro del macizo y el peso de la montera de tierras, el macizo sea estable al deslizamiento y al vuelco. Si el macizo está enterrado, es necesario distinguir las zonas del macizo en las que el terreno empuja al macizo, que se utilizará el empuje activo del terreno con el coeficiente de empuje activo Ka, y las zonas en las que es el macizo quien empuja al terreno, el cual reaccionará con su empuje pasivo, siendo representativo del mismo el coeficiente Kp. Para los codos en alzado el cálculo del empuje es análogo a los codos en planta, pero no se tienen en cuenta los empujes pasivos ni activos del terreno.
Macizos de anclaje en otros elementos En otros accesorios, el empuje producido se calcula mediante las siguientes expresiones: - Brida ciega y tés: - Conos de reducción:
E=PxS E = (1 – S mín/Smáx) x P x Smáx
siendo Smáx y Smin las áreas de la conducción de mayor y menor diámetro respectivamente, de las que confluyen en el cono. Válvulas: Para determinar el empuje, puede usarse la fórmula de empuje para una te o extremo ciego.
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Tuberías con juntas resistentes a tracción.
En el caso de las tuberías con juntas soldadas, acerrojadas o autotrabadas, al resistir estas juntas esfuerzos de tracción, pueden instalarse sin macizos de anclaje, ya que la unión es capaz de resistir los empujes producidos. Los empujes se contrarrestan por efecto del rozamiento que opone el terreno al deslizamiento de la tubería, y dichos empujes disminuyen linealmente hasta cero en las longitudes suficientes para soportar dichos empujes. En estos tramos, además de los restantes esfuerzos, la tubería debe ser capaz de r esistir las tracciones longitudinales. La longitud L en metros de cada uno de estos tramos desde cada lado del codo se calcularía mediante la expresión: L = (P x S x (1- cosα) x 102 ) / ( tg(µ) x (We + Wp + Ww) P = presión interior en la tubería, en N/mm2 S = área interior de la tubería en m 2 α = ángulo interior entre las alineaciones de la tubería tg(µ) = coeficiente de rozamiento entre el tubo y el terreno (oscila entre 0,25 y 0,40) We = peso del terreno situado sobre el tubo (t/m) Wp = peso de la tubería (t/m) Ww = peso del agua contenida en el interior de la tubería (t/m) Si realmente quiere obviarse la colocación de los macizos de anclaje, debe comprobarse de forma expresa que la capacidad de la junta para resistir tracciones longitudinales es suficiente. No obstante, si los empujes producidos son de consideración (en tuberías de grandes diámetros, elevadas presiones o codos con ángulos importantes), aunque se dispongan uniones que garanticen la resistencia a las tracciones longitudinales puede ser recomendable disponer macizos de anclaje en los codos, ya que suponen una seguridad adicional. Puede también adoptarse un diseño intermedio, en el que parte del empuje lo resista el macizo y parte se le encomiende a la propia unión. Estas precauciones relativas a la colocación de macizos de anclaje por seguridad, en tuberías con junta soldada en las que en rigor no serían necesarios, cobran importancia cuando haya dudas sobre la contribución del terreno para resistir el empuje. Es la situación por ejemplo, de las obras en entornos urbanos, ya que es frecuente que actuaciones futuras acaben dejando a las tuberías sin el necesario apoyo.
Construcción de los macizos de anclaje La instalación de los macizos de anclaje depende a su vez de la instalación de la tubería, que puede realizarse de diversas formas: en zanja, en terraplén, tuberías aéreas, hincas y galerias, etc. Otro caso serían los macizos en bifurcaciones dentro de las centrales de bombeo y turbinado. En este caso, los macizos se apoyan sobre soleras de hormigón, y suelen anclarse a dichas soleras o ser parte solidaria con ella, para poder contar con la colaboración del peso de la solera en la resistencia al empuje.
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Macizos en tuberías en zanja Los macizos de anclaje se instalan una vez que la zanja ha sido rellenada en parte y consolidada. Esto garantiza que los movimientos de los tubos en la proximidad del codo o accesorio quedan restringidos adecuadamente y que no pueden moverse durante el hormigonado. Los macizos deben apoyarse firmemente en el suelo inalterado. Es decir, deben hormigonarse contra el terreno. Si esto no es así, o la instalación es en terraplén, no puede contarse con el empuje pasivo del terreno. Los macizos de anclaje se suelen construir de hormigón; se debe dejar fraguar el hormigón durante al menos 7 días antes de probar la tubería o someterla a presión. Los macizos suelen complementarse con una armadura mínima para evitar fisuraciones (cuantía de 10 o 15 kg/m3, o un mallazo #10 a 10). Para resistir el peso del macizo o el empuje hacia abajo desarrollado en un codo o accesorio, los macizos de anclaje deben tener una superficie lo bastante grande para que el empuje se distribuya sobre un área tal que la presión transmitida al terreno no sea superior a su resistencia a compresión. Los valores usuales de resistencia a compresión para distintos terrenos en zanjas, cuando el recubrimiento sobre la tubería es superior a 0,75 m son:
Material
Presión portante de seguridad (kPa)
Turba, arena movediza, ceniza, etc. Arcilla blanda Arcilla media, limos Arena, grava, arcilla dura Arena y grava cementadas con arcilla Roca
0 50 100 150 200 240
En terreno muy blando, deberían tomarse medidas alternativas para transmitir los empujes, como pilotes o tirantes o sustitución del suelo pobre por un material más estable. Por otra parte, cuando se conectan los tubos a estructuras rígidas como macizos de anclaje o arquetas, deben tomarse precauciones, ya que pueden tener lugar asientos diferenciales entre la tubería y la estructura que podrían romper la tubería. Si se trata de una instalación con juntas flexibles, la junta debe estar lo más cerca posible de la estructura, pero fuera de ella, y tras esa junta, debe colocarse un “tubo corto”, de forma que dicho tubo actúa como rótula. Este tubo corto de conexión debe tener las siguientes longitudes aproximadamente:
B
φ
i =2 %
L1 A
R=0.30
Htierras=1.00
α L1
L2 Bisectriz del ángulo formado por la tubería
L2
β
H
C J
CODOS EN PLANTA. PLANTA
CODOS EN PLANTA. SECCIÓN A-A’
T T
HM-20
HM-20 1
1
CODOS CONCAVOS. SECCIÓN C-C’
CODOS CONVEXOS. SECCIÓN C-C’ DN
Longitud del tubo corto
DN 150 – DN 300 DN 400 – DN 600 DN 700 – DN 1000 DN 1200 – DN 2400
0,5 m - 0,7 m 0,75 m - 1,0 m 1,0 m - 1,25 m 1,50 m
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Macizos en tuberías aéreas En este caso, no hay empujes pasivos ni activos del terreno, y sólo puede contarse con el peso del hormigón y el rozamiento del mismo con el terreno para resistir el empuje de la tubería. No se puede hormigonar contra el terreno, por lo que es necesario encofrar todas las caras del macizo.
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