DRENAJE DE CARRETERAS “MANUAL PARA DISEÑO DE ALCANTARILLAS CON TUBERIAS DE HDPE Y PVC”
ÍNDICE INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 4 OBJETIVOS .......................................................................................................................................................... 5 ALCANCES ........................................................................................................................................................... 6 REFERENCIAS ...................................................................................................................................................... 7 MANUAL DE CARRETERAS MTC – EG 2013 .................................................................................................... 8 1.
MARCO TEORICO ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ............................. ........... 14
2.
ANTECEDENTES ANTECEDENTE S SOBRE EL USO DE HDPE ................................. ............... ................................... ................................... .................................... ............................. ........... 19
3.
DISEÑO HIDRÁULICO HIDRÁUL ICO DE ALCANTARILLAS ALCANTAR ILLAS TERMOPLÁSTICAS TERMOPLÁ STICAS .................................. ................ .................................... ................................ .............. 22
4.
3.1.
VALORES “n” DE MANNING DE DISEÑO: .......................................................................................... 23
3.2.
CURVAS DE DESCARGA: .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 23
3.3.
MÉTODO DE CONDUCCIÓN: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ....................... ...... 25
3.4.
VELOCIDAD VELOCID AD MÍNIMA:........................... MÍNIMA:......... ................................... ................................... ................................... .................................. ................................... ........................ ...... 28
3.5.
VELOCIDADES VELOCID ADES MÁXIMA: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 28
3.6.
ALCANTARILLAS ALCANTA RILLAS DE CAMINO: .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... .................... ... 29
DISEÑO ESTRUCTURAL ESTRUCTUR AL DE ALCANTARILLAS ALCANTAR ILLAS CON HDPE .................................. ................. ................................... ................................... ....................... ...... 31 4.1.
PROPIEDADES PROPIED ADES DE LA SECCIÓN DE LA TUBERÍA: TUBERÍ A:................................. ................ ................................... ................................... ............................. ............ 32
4.2.
PROPIEDADES DEL MATERIAL MATERIAL ......................................................................................................... 34
4.3.
CONDICIONES DE INSTALACIÓN Y FACTORES DE SUELO ............................................................... SUELO ............................................................... 35
4.4.
CARGAS CARGAS ............................................................................................................................................ 36
4.4.1.
CARGAS VIVAS ................................... .................. .................................. ................................... ................................... .................................. ................................... .................. 36
4.4.2.
CARGAS MUERTAS .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 38
4.5.
PROCEDIMIENTO PROCEDIM IENTO DE DISEÑO DE TUBERÍAS TUBERÍA S TERMOPLÁSTICAS: TERMOPLÁSTI CAS: ................................. ................ ................................... ..................... ... 41
4.6.
FACTORES DE CARGA:................................... ................. ................................... .................................. ................................... ................................... ................................ ............... 42
4.7.
ESFUERZO ESFUERZ O NORMAL DE PARED: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 42
4.8.
CALCULO ESFUERZO NORMAL DE PARED ................................. ............... ................................... .................................. ................................... ..................... ... 43
4.9.
PANDEO ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 46
4.10.
DEFORMACIÓN DEFORMACI ÓN POR COMPRESIÓN COMPRESIÓ N ................................. ............... ................................... ................................... .................................... .......................... ........ 47
4.11.
DEFORMACIÓN DEFORMACI ÓN POR FLEXIÓN ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 48
4.12.
DEFORMACIÓN DEFORMACI ÓN COMBINADA ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 49
ÍNDICE INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................................. 4 OBJETIVOS .......................................................................................................................................................... 5 ALCANCES ........................................................................................................................................................... 6 REFERENCIAS ...................................................................................................................................................... 7 MANUAL DE CARRETERAS MTC – EG 2013 .................................................................................................... 8 1.
MARCO TEORICO ................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ............................. ........... 14
2.
ANTECEDENTES ANTECEDENTE S SOBRE EL USO DE HDPE ................................. ............... ................................... ................................... .................................... ............................. ........... 19
3.
DISEÑO HIDRÁULICO HIDRÁUL ICO DE ALCANTARILLAS ALCANTAR ILLAS TERMOPLÁSTICAS TERMOPLÁ STICAS .................................. ................ .................................... ................................ .............. 22
4.
3.1.
VALORES “n” DE MANNING DE DISEÑO: .......................................................................................... 23
3.2.
CURVAS DE DESCARGA: .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 23
3.3.
MÉTODO DE CONDUCCIÓN: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ....................... ...... 25
3.4.
VELOCIDAD VELOCID AD MÍNIMA:........................... MÍNIMA:......... ................................... ................................... ................................... .................................. ................................... ........................ ...... 28
3.5.
VELOCIDADES VELOCID ADES MÁXIMA: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 28
3.6.
ALCANTARILLAS ALCANTA RILLAS DE CAMINO: .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... .................... ... 29
DISEÑO ESTRUCTURAL ESTRUCTUR AL DE ALCANTARILLAS ALCANTAR ILLAS CON HDPE .................................. ................. ................................... ................................... ....................... ...... 31 4.1.
PROPIEDADES PROPIED ADES DE LA SECCIÓN DE LA TUBERÍA: TUBERÍ A:................................. ................ ................................... ................................... ............................. ............ 32
4.2.
PROPIEDADES DEL MATERIAL MATERIAL ......................................................................................................... 34
4.3.
CONDICIONES DE INSTALACIÓN Y FACTORES DE SUELO ............................................................... SUELO ............................................................... 35
4.4.
CARGAS CARGAS ............................................................................................................................................ 36
4.4.1.
CARGAS VIVAS ................................... .................. .................................. ................................... ................................... .................................. ................................... .................. 36
4.4.2.
CARGAS MUERTAS .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 38
4.5.
PROCEDIMIENTO PROCEDIM IENTO DE DISEÑO DE TUBERÍAS TUBERÍA S TERMOPLÁSTICAS: TERMOPLÁSTI CAS: ................................. ................ ................................... ..................... ... 41
4.6.
FACTORES DE CARGA:................................... ................. ................................... .................................. ................................... ................................... ................................ ............... 42
4.7.
ESFUERZO ESFUERZ O NORMAL DE PARED: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 42
4.8.
CALCULO ESFUERZO NORMAL DE PARED ................................. ............... ................................... .................................. ................................... ..................... ... 43
4.9.
PANDEO ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 46
4.10.
DEFORMACIÓN DEFORMACI ÓN POR COMPRESIÓN COMPRESIÓ N ................................. ............... ................................... ................................... .................................... .......................... ........ 47
4.11.
DEFORMACIÓN DEFORMACI ÓN POR FLEXIÓN ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 48
4.12.
DEFORMACIÓN DEFORMACI ÓN COMBINADA ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 49
4.13.
INVESTIGACIÓN INVESTIGACIÓ N E INSTALACIONES INSTALACIO NES .................................. ................ ................................... ................................... .................................... .......................... ........ 51
5.
DISEÑO ESTRUCTURAL ESTRUCTUR AL ALCANTARILLAS ALCANTARIL LAS CON PVC ................................. ................ ................................... ................................... ................................ ............... 52
6.
RECOMENDACIONES RECOMENDA CIONES DURANTE EL PROCESO CONSTRUCTIVO CONSTRUC TIVO ................................... ................. .................................... ............................. ........... 54 6.1.
CONSIDERACIONES CONSIDERA CIONES DE INSTALACIÓN: INSTALA CIÓN:................................. ............... ................................... ................................... .................................... .......................... ........ 54
6.2.
ALMACENAMIENTO ALMACEN AMIENTO Y MANIPULACIÓN: MANIPUL ACIÓN: ................................. ............... ................................... .................................. ................................... ........................ ...... 55
6.3.
ALINEAMIENTO ALINEAMI ENTO Y PENDIENTE: ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 55
6.4.
EXCAVACIÓN EXCAVA CIÓN DE ZANJA: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 56
6.5.
EJECUCIÓN EJECUCIÓ N DEL RELLENO: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... .......................... ......... 58
6.6.
MATERIAL DE RELLENO: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 58
6.7.
COLOCACIÓN COLOCAC IÓN DEL RELLENO: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ....................... ...... 61
6.8.
COMPACTACIÓN: COMPACTA CIÓN: ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ....................... ..... 64
6.9.
UNIONES: ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 66
7.
ANEXOS ................................... .................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... .......................... ......... 73
8.
BIBLIOGRAFIA BIBLIOGR AFIA .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................................... ................. 73
INTRODUCCIÓN El desarrollo de la ingeniería en el Perú está en gran desarrollo, cada día se establecen nuevos parámetros, se rompen viejas teorías, se descubren nuevas formas de desarrollar grandes proyectos que beneficiarán a miles de personas en una ciudad en auge o a unos cientos de campesinos en la parte rural del país. Cada día la ingeniería sirve para adaptarnos al entorno que nos rodea y aprendemos a sacarle provecho, es por ello que la ingeniería, en especial la ingeniería civil desarrolla procedimientos experimentales y protocolos de construcción y uso para que procedimientos constructivos o de uso se puedan usar en cualquier parte del del país con una adaptación del medio ambiente. Cuando aprendemos a usar un protocolo, aprendemos de forma técnica a hacer ingeniería en el Perú. El presente trabajo tiene por finalidad el desarrollo del protocolo para el uso de tuberías de plástico en carreteras, el trabajo se ha desarrollado luego que se ha estudiado una serie de manuales de uso de tuberías de plástico, se ha hecho ingeniería de manera simple y sencilla, lo que se quiere en realidad es mostrar que el camino para hacer ingeniería en el Perú es sencillo solo es necesario tener las habilidades requeridas y las ganas de ayudar, lo que se quiere es establecer un nuevo ritmo de trabajo. Al final del presente trabajo se mostrarán los resultados de esta investigación, se mostraran las pautas necesarias para el desarrollo del uso de tuberías de plástico. Se presenta también una hoja de cálculo que nos permitirá hacer los cálculos necesarios para llevar a cabo esta sencilla tarea. Para finalizar, esta herramienta nos presenta teoría y conocimientos prácticos que son sujeto de análisis cada día, se ha hecho de la manera más didáctica posible con el fin de que cualquier persona que tenga las ganas de hacer ingeniería en el Perú pueda entenderlas, el uso es sencillo y el análisis interesante, se pide usar el presente protocolo con visión y determinación. Polietileno de alta densidad (HDPE) en la actualidad es usado en aplicaciones de drenaje pluvial, sanitario y alcantarillas de carreteras. Este manual no pretende reemplazar las normas industriales o las especificaciones de los proyectos, pero si proporcionar una guía basándose en nuestra experiencia, investigación y recomendaciones para un adecuado desempeño del producto. Se reconoce que las prácticas de instalación varían de región a región, sin embargo, los siguientes parámetros, son en general, aplicables a la mayoría de instalaciones.
OBJETIVOS La elaboración de un Manual de Diseño de Alcantarillas con HDPE (Polímero de alta densidad) en la que se han reunido los criterios comunes que toman los fabricantes (principalmente ADS) de las normas internacionales AASHTO, ASTM entre otras, tiene por finalidad ser una guía de referencia para el diseño, metrado y seguimiento del proceso constructivo en la que se emplea este material. Asimismo se busca fomentar la investigación para el uso de materiales relativamente “nuevos” en nuestro medio y que por su fácil instalación y menor costo global representen una alternativa más conveniente.
ALCANCES El tubo HDPE puede ser utilizado en cualquier tipo de relleno estructural. El suelo natural puede ser un material adecuado siempre y cuando satisfaga los criterios básicos establecidos según la ASTM.
Los tubos termoplásticos de polietileno son ligeros y fáciles de usar, no se requiere de cuidados especiales en su manejo e instalación.
Temperaturas ambiente extremas no afectan la resistencia o las características de manipulación de los tubos. Las temperaturas bajas pueden afectar la resistencia al impacto de algunos termoplásticos, pero el polietileno sigue siendo muy resistente en estas condiciones
un clima cálido eleva la temperatura de los tubos, especialmente cuando se combina con la luz solar directa, pero no afecta significativamente la manipulación o el comportamiento durante la instalación.
La exposición prolongada de los tubos a la radiación ultravioleta causa resultados ligeramente diferentes. El estabilizador UV protege la tubería durante varios años, después de los cuales la resistencia al impacto de la capa expuesta a estos rayos, generalmente 0,001 pulgadas (0,03 mm) de espesor, se reduce significativamente. Esta capa dañada funciona entonces como blindaje del resto de la pared de la tubería contra cualquier daño adicional.
El polietileno de alta densidad instalada en alcantarillas conservan casi el total de sus características de resistencia originales y muestran una fuerte evidencia de la continuidad del nivel de servicio en el tiempo.
REFERENCIAS AASHTO M252: Especificación Estándar para Tubería de Drenaje Corrugada de Polietileno diámetro 75-250 mm
AASHTO M294 Especificación Estándar para Tubería Corrugada de Polietileno, Diámetro de 305 y 1200 mm
AASHTO MP7-97 Especificación Estándar para Tubería Corrugada de Polietileno, Diámetro 1350 y 1500 mm
AASHTO Sección 18 Sistemas de Interacción Suelo- Tubería Termoplástica
AASHTO Sección 12 Especificaciones LFRD- Estructuras Enterradas y Revestimiento de Túneles.
AASHTO Sección 30 Tubería Termoplástica
ASTM F405 Especificación Estándar para Tubería y Accesorios Corrugados de Polietileno de Gran Diámetro
ASTM F667 Especificación Estándar para Tubería y Accesorios Corrugados de Polietileno de Gran Diámetro
ASTM D2321 Práctica Estándar para Instalación Subterránea de Tubería Termoplástica para Alcantarillados y Otras Aplicaciones de Flujo por Gravedad
ASTM F477 Especificación Estándar para Sellos Elastoméricos (Empaques) para Juntas de Tubería Plástica
ASTM F1417 Método de Ensayo Estándar para Aceptación de Instalación de Líneas Plásticas de Alcantarillado de Gravedad Usando Aire a Baja Presión
MTC EG 2013 “Manual de Carreteras” Especificaciones técnicas Generales para construcción
MANUAL DE CARRETERAS MTC – EG 2013
SECCIÓN 508: TUBERÍA DE POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD Tubería de polietileno de alta densidad Descripción 508.01 Este trabajo consiste en la instalación de tubería de polietileno de alta densidad (PAD o HDPE), para el paso de agua superficial y desagües pluviales transversales, de acuerdo con estas especificaciones y de conformidad con el Proyecto. Materiales 508.02 Los materiales para la instalación de la tubería PAD o HDPE deben satisfacer los siguientes requerimientos: a. Tubos de polietileno de alta densidad (PAD o HDPE) Es una tubería estructural con superficie interior lisa integrada y pared exterior corrugada. El interior debe ser liso, circunferencialmente rodeado de costillas circulares formadas simultáneamente en la fabricación. Debe cumplir con la guía AASHTO, clasificación tipo “S”. Para los fines de drenaje vial, los tubos de PAD o HDPE deben cumplir con los requerimientos de métodos de prueba, dimensiones y marcas encontradas en la especificación técnica del AASHTO M294. Los tubos y sus piezas especiales deben ser fabricados con resina virgen de PAD o HDPE, conforme a los requerimientos de la especificación ASTM D3350. El valor mínimo de rigidez, según la prueba de platos paralelos, hechos de acuerdo con la especificación ASTM D2412 para:
Diámetro 900 mm debe ser 152 kPa (22 psi) Diámetro 1050 mm debe ser 138 kPa (20 psi) Diámetro 1200 mm debe ser 124 kPa (18 psi) Diámetro 1500 mm debe ser 97 kPa (14 psi)
b. Calidad de los tubos de polietileno de alta densidad (PAD o HDPE) Antes del inicio de los trabajos, el Contratista deberá entregar al Supervisor un certificado original del fabricante, donde indique el nombre y marca del producto y un análisis típico del mismo para la tubería y para cada lote de materiales.
Además, le entregará el certificado de garantía del fabricante estableciendo que todo el material que suministrará satisface las especificaciones requeridas, que llevará marcas de identificación, y que reemplazará, sin costo alguno para la entidad contratante, cualquier tubería que no esté de conformidad con el análisis, resistencia a la tracción, espesor y rigidez especificados. Ningún tubo será aceptado, sino hasta que los certificados de calidad de fábrica y de garantía del fabricante hayan sido recibidos y aprobados por el Supervisor. c. Inspección, muestreo y rechazo del material El Supervisor deberá inspeccionar el lote de materiales llegados a obra antes de su ensamblaje. El Supervisor realizará por muestreo ensayos que acrediten el cumplimiento de las especificaciones, en laboratorio reconocidos y a costo del Contratista. Los ensayos serán de una muestra como máximo por lote de materiales. Todas aquellas unidades que presenten deformaciones irrecuperables, fisuras, quemaduras o defectos, serán rechazadas por el Supervisor. d. Material para cama de asiento Se denomina cama de asiento a la capa de material granular que estará en contacto con el fondo de la estructura. La cama de asiento estará constituida por arena gruesa, la cual será conformada en capas de no más de 0,15 m de espesor, y a todo lo ancho de la excavación. La cama de asiento y la sujeción lateral se construirán con material granular cuyas características estarán de acuerdo con lo establecido en la Subsección 400.02 y la Sección 301.
Equipo 508.03 Se requieren, básicamente, elementos para el transporte de los tubos, para su colocación y ensamblaje, así como los requeridos para la obtención de materiales, transporte y construcción de un material granular, según se indica en la Subsección 400.03. Cuando el Proyecto requiera apuntalamiento de la tubería, se deberá disponer de “gatas” para dicha labor.
Requerimientos de construcción 508.04 Preparación del terreno y excavación El terreno base se preparará de acuerdo con lo indicado en la Subsección 505.06. La excavación deberá tener una amplitud tal, que su ancho total sea 2 veces el diámetro del tubo y se ejecutará según lo indicado en la Sección 501. 508.05 Preparación de la cama de asiento del tubo Previa a la colocación del material de base se deberá verificar las cotas de cimentación, asimismo, que el fondo de la excavación se encuentre perfilado, compactado y libre de raíces, piedras salientes, oquedades u otras irregularidades. El asiento del tubo será construido en capas de 0,15 m a todo el ancho de la excavación. El espesor estará entre 0,15 m y 0,30 m, no se admitirá espesores menores a 0,15 m. Esta capa de material granular será colocada sobre cualquier tipo de suelo de fundación, con excepción de suelos de baja capacidad portante o rocosos, en cuyo caso el espesor será de 0,30 m. Cualquier reemplazo de material por debajo del nivel de 0,30 m, para efectos de mejoramiento, no forma parte del material de la cama de asiento.
508.06 Armado y colocación de tubería La tubería de polietileno de alta densidad (PAD o HDPE) será ensamblada en su emplazamiento final, siguiendo las instrucciones de ensamblaje del fabricante. Los tubos serán colocados en las zanjas mediante un sistema seguro que evite daños y ensamblados en la misma zanja. El transporte y manipuleo de la tubería se realizará de manera que no se abollen o rompan y en ningún caso se permitirá el arrastre sobre el suelo. La tubería se colocará cuidadosamente sobre el material de base o asiento, siguiendo el alineamiento indicado por 2 estacas en línea, cuya colocación será aprobada por el Supervisor; de igual manera verificará y dará su conformidad a las cotas de cimentación. Todo tubo de Polietileno de Alta Densidad (PAD o HDPE) mal alineado, indebidamente asentado o dañado en su colocación, será rechazado y reemplazado por tubería nueva a costo del Contratista.
508.07 Colocación del relleno alrededor de la estructura El material de relleno deberá cumplir con las especificaciones indicadas en la Sección 502. La colocación del relleno a los costados de la tubería, se realizará en capas alternadas de 0,15 m a ambos lados de la tubería, para permitir un buen apisonamiento. El relleno se colocará en forma simétrica
conservando siempre la misma altura en ambos lados de la tubería. Se deberá tener especial cuidado en la colocación y compactación de las rinconeras, es decir bajo los tubos. El relleno deberá compactarse hasta alcanzar una densidad mayor al 95% de la Máxima Densidad SecaM.D.S. del Próctor Modificado y en el caso que el relleno se vaya a construir hasta el nivel de subrasante, los 0,30 m superiores del relleno serán compactados a una densidad mínima del 100% de la M.D.S. El equipo de compactación será mecánico, pudiendo ser: apisonadores mecánicos, rodillos apisonadores o compactadores vibratorios. La elección del equipo dependerá de las condiciones existentes en el lugar y se deberá evitar que el equipo golpee la estructura. No será aceptable la compactación del relleno por medio de anegación o chorros de agua. La colocación de las tuberías deberá efectuarse cuando los trabajos de explanaciones hayan alcanzado el nivel de subrasante, por consiguiente el relleno de estructuras alrededor de la tubería deberá alcanzar el mismo nivel. La altura de relleno mínimo desde la clave de la tubería hasta el nivel de la sub rasante será de 0,30 m. En caso excepcional y previa aprobación de la Supervisión, las tuberías podrán colocarse antes que los trabajos de explanaciones hayan concluido.
508.08 Protección de la estructura durante la construcción No se deberá permitir la imposición de cargas concentradas fijas o móviles muy superiores a las que soportaría la estructura. Por lo que el equipo y vehículos pesados no deberán circular sobre la estructura antes que la altura de relleno mínima sobre la misma sea de 0,30 m. En caso del paso de equipo muy pesado se deberá proteger la estructura colocando material adicional encima del relleno. No forman parte del relleno estructural los materiales colocados con el fin de dar protección a la estructura para el mantenimiento del tránsito por lo que no serán reconocidos como tales.
508.09 Limpieza Terminados los trabajos, el Contratista deberá limpiar, la zona de las obras y sobrantes, transportarlos y disponerlos en los DME, según lo indicado en la Sección 209.
Aceptación de los trabajos 508.10 Criterios a. Controles El Supervisor efectuará los mismos controles generales indicados en la Subsección 505.13(a). b. Marcas No se aceptará ningún tubo, sin marca o identificación, está podrá ser un sello en cada sección que indique:
Nombre del fabricante del tubo Marca del tubo PAD Diámetro Norma ASTM o AASHTO que cumple.
Las marcas de identificación deberán ser colocadas por el fabricante de tal manera, que aparezcan en la parte exterior de cada tubo. c. Calidad de la tubería Constituirán causal de rechazo de los tubos, los siguientes defectos:
Traslapes desiguales Forma defectuosa Variación de la línea recta central Bordes dañados Marcas ilegibles Abolladuras, fisuras o roturas.
La tubería deberá satisfacer los requisitos de todas las pruebas de calidad mencionadas en la subsección 508.02(a) y (b). d. Tamaño y variación permisibles La longitud especificada de la tubería será la longitud neta del tubo terminado, la cual no incluye cualquier material para darle acabado al tubo. e. Cama de asiento y relleno El material para la cama de asiento deberá satisfacer los requisitos establecidos en la Sección 301. El material de relleno, debe satisfacer los requisitos establecidos en la Sección 502.
La frecuencia de las verificaciones de compactación será la establecida en el Proyecto, el Supervisor no recibirá los trabajos si los ensayos que efectúa, no superan los límites mínimos indicados para la cama de asiento y el relleno. Todos los materiales que resulten defectuosos de acuerdo con lo prescrito en esta especificación deberán ser rechazados por El Supervisor. La evaluación de los trabajos de “Tubería de Polietileno de Alta Densidad” se efectuará según lo indicado en las Subsecciones 04.11. Medición 508.11 La unidad de medida será el metro lineal (m), aproximado al decímetro, de tubería de Polietileno de Alta Densidad (PAD o HDPE), suministrada y colocada de acuerdo con el Proyecto, esta especificación y la aprobación del Supervisor. La medida se hará entre las caras exteriores de los extremos de la tubería o los cabezales, según el caso, a lo largo del eje longitudinal y siguiendo la pendiente de la tubería. No se medirá, para efectos de pago, ninguna longitud de tubería colocada por fuera de los límites aprobados por el Supervisor. Pago 508.12 El pago se hará al precio unitario del contrato, según el diámetro de la tubería, por toda obra ejecutada de acuerdo con esta especificación, aprobada por el Supervisor. El precio unitario deberá cubrir todos los costos por concepto de suministro, patentes e instalación de las tuberías; el apuntalamiento de éstas cuando se requiera; el suministro, colocación y compactación de la cama de asiento de material granular-afirmado; las conexiones a cabezales, cajas de entrada y aletas; la limpieza de la zona de ejecución de los trabajos al término de los mismos; el transporte y adecuada disposición de los materiales sobrantes y, en general, todo costo relacionado con la correcta ejecución de los trabajos especificados y lo indicado en la Subsección 07.05. La excavación de las zanjas y el relleno se pagarán de acuerdo a lo establecido en las Secciones 501 y 502 respectivamente. Partida de pago
Unidad de pago
508. A Tubería de Polietileno (PAD o HDPE) de diámetro (…) mm
Metro lineal (m)
1. MARCO TEORICO HDPE es un polietileno de alta densidad (HDPE), polietileno de alta densidad (PEAD) es un termoplástico de polietileno derivado del petróleo. Se tarda 1,75 kilogramos de petróleo (en términos de energía y materias primas) para hacer un kilogramo de polietileno de alta densidad. Polietileno de alta densidad que comúnmente se reciclan, y tiene el número "2" como símbolo de reciclaje. En 2007, el mercado de polietileno de alta densidad global alcanzó un volumen de más de 30 millones de toneladas.
Propiedades HDPE tiene poca ramificación, dándole fuertes fuerzas intermoleculares y resistencia a la tracción de polietileno de baja densidad. También es más difícil y más opaca y puede soportar temperaturas algo más altas (120 ° C / 248 ° F por periodos cortos, 110 ° C / 230 ° F de forma continua). Polietileno de alta densidad, a diferencia de polipropileno, no puede soportar normalmente requieren las condiciones de esterilización en autoclave. La falta de ramificación está garantizada por una elección apropiada de catalizador (por ejemplo, catalizadores Ziegler-Natta) y las condiciones de reacción. Polietileno de alta densidad de carbono contiene el químico e hidrógeno. Aplicaciones HDPE es resistente a muchos solventes diferentes y tiene una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo:
Los conductos de telecomunicaciones Contenedores Botellas de detergente Jarras de leche Los tanques de combustible para vehículos Madera plástica Mesas plegables Sillas plegables Cobertizos de almacenamiento
Portable bases de baloncesto del sistema Las bolsas de plástico Geomembrana para aplicaciones hidráulicas (canales, refuerzos banco ...) y la contención de ciertas sustancias químicas Resistente a productos químicos sistemas de tuberías Resistente al calor, fuegos artificiales morteros pantalla De calor geotérmicas sistemas de transferencia de las tuberías De gas natural los sistemas de distribución de tuberías Las tuberías de agua, para el suministro de agua para uso doméstico Coaxial aislantes del cable interior (espaciador aislante dieléctrico) Raíz de la barrera Protección contra la corrosión de tuberías de acero Tyvek Snowboard raíles y cajas Botellas, adecuado para su uso como botellas retornables Modernos aros Placas balísticas Tapas de botellas
Polietileno de alta densidad se utiliza también para los buques de la célula en el subtítulo D rellenos sanitarios, en el que las hojas grandes de polietileno de alta densidad son la extrusión o una cuña soldados para formar un grupo homogéneo resistente a los químicos de barrera, con la intención de prevenir la contaminación del suelo y las aguas subterráneas por los componentes líquidos de los sólidos residuos. Uno de los mayores usos de polietileno de alta densidad es de plástico y los compuestos de madera compuesto de madera, con polímeros reciclados a la cabeza. HDPE es también ampliamente utilizado en el comercio de productos pirotécnicos. Morteros de polietileno de alta densidad son preferibles a los tubos de acero o de PVC, ya que son más durables y más importante es que son mucho más seguros en comparación con el acero o PVC. Si una concha o un mal funcionamiento se saludan (maceta) en el mortero, polietileno de alta densidad tiende a rasgar y rasgar en lugar de romper en pedazos afilados que pueden matar o mutilar a los espectadores. PVC y el acero son particularmente propensos a este y su uso se evita en lo posible. Botellas de leche y otros productos manufacturados a través de huecos de moldeo por soplado son el área de aplicación más importante de polietileno de alta densidad - Más de 8 millones de toneladas, casi un tercio de la producción mundial, se aplica aquí. Por encima de todo, China, donde las botellas de bebida hecha de polietileno de alta densidad se importaron por primera vez en 2005, es un mercado en crecimiento para el envasado de HDPE rígido, como resultado de la mejora de su estándar de vida. En la India y otros poblados, los países emergentes, la expansión de la infraestructura incluye el despliegue de las tuberías y aislamiento de los cables hechos de polietileno de alta densidad. El material se ha beneficiado de las discusiones acerca de la salud y posibles problemas ambientales causados por el PVC y los asociados de policarbonato de bisfenol A, así como, sus ventajas sobre el vidrio, metal y cartón.
RANGOS DE PRESIONES PARA LAS TUBERÍAS DE HDPE: Lo fundamental para los rangos de presiones de los sistemas con tuberías de HDPE es el concepto de Tensión Hidrostática a Largo Plazo (Long-Term Hydrostatic Strenght – LTHS) del material. ASTMD 1598, “Tiempo para falla de tubos plásticos bajo presión interna constante”, es el método de testeo estándar por el que las muestras de tubos de HDPE son sujetas a presiones constantes y sus tiempos de falla es anotado como una función del esfuerzo aplicado. Usando la relación conocida como la ecuación ISO, es posible la relación entre la presión testeada y la tensión del material (esfuerzo circunferencial resultante generado en las paredes del tubo por aquella presión interna).
Donde: PN: Presión nominal (Kg/cm2). D: Diámetro exterior del tubo (mm). e: Espesor mínimo de pared del tubo (mm). σs: Tensión del material (Kg/cm2)
La Figura muestra el logaritmo de la relación de la Tensión del Material Vs. Tiempo de falla para un HDPE PE 3408 testeado en agua a 23ºC (73ºF) acorde con la ASTM D 1598. Note que aunque la actual información testeada es solo aproximadamente 10,000 horas, la línea es extrapolada a 100,000 horas la cual es usada para establecer la Tensión Hidrostática a Largo Plazo (LTHS).
Figura: Gráfico Tensión Ruptura para el material PE-3408
Factor de Diseño y Fatiga Hidrostática de Diseño Es necesario en diseños de sistemas de tuberías de plástico que el HDPE sea reducido siendo multiplicado este por un factor de diseño (DF) para permitir un mayor margen de seguridad en el uso y para contener una fatiga potencial en el tubo más allá de la presión interna del tubo. Otros factores a considerar son:
servicio y condiciones medioambientales, temperaturas mayores a 23ºC, otros medios fluidos, etc. Actualmente la industria ha aceptado que los factores de diseño son 0.5 para agua a una temperatura de servicio de 23ºC y 0.32 para la distribución de gas natural. Para mayores demandas y aplicaciones más agresivas la aplicación o condiciones de servicio, menores factores de diseño pueden necesitarse. Sistemas de dimensionamiento Las dimensiones estándar para sistemas de tuberías son una importante parte del diseño por mucha razones. El diámetro de la tubería dictara la capacidad de llevar un volumen determinado de fluido. El espesor de pared determinará la tensión de la tubería y su capacidad de manejar presiones internas y externas así como afectar la capacidad potencial de flujo. Es así que, el cociente entre el diámetro y el espesor de pared (Conocido también relación dimensional – DR), se convierte en un importante factor de diseño para tuberías. La estandarización de esas dimensiones permite la instalación de elementos tales como accesorios, válvulas y equipamiento de instalación para ser diseñados para un número límite de tamaños, mientras a su vez, permite la suficiente diversidad de tamaños para que el diseñador construya los sistemas que el necesita.
Influencia temperatura El agua transportada por las tuberías de plástico experimenta pequeñas variaciones de temperatura, debidas al bajo coeficiente de conductividad térmica que tienen estos materiales, sobre todo comparadas con el de materiales tradicionales. Esto hace que cuando la temperatura ambiente baja de los 0ºC, el agua conducida por una tubería de plástico se hiele con mayor dificultad que la conducida por una tubería de otro material. Además, hay que tener en cuenta, que aprovechando el bajo módulo de elasticidad de los plásticos, el tubo podrá absorber con mayor facilidad el incremento de volumen que experimenta el agua en el caso de congelarse. En cuanto a las variaciones dimensionales que pueden experimentar estos tubos, motivados por cambios de temperatura, estas pueden ser reversibles originadas por la dilatación térmica, e irreversibles debidas a la descongelación de tensiones internas introducidas en los tubos durante el proceso de extrusión. En lo que se refiere a las variaciones dimensionales reversibles, hay que considerar el alto coeficiente de dilatación lineal que presenta el HDPE en comparación con otros materiales como el acero o la fundición dúctil, y
valorar esta característica a la hora de proyectar una instalación, y respecto a las irreversibles reducir estas cuidando el proceso de transformación de los tubos y vigilándolas, realizando el ensayo normalizado de comportamiento al calor. La temperatura, asimismo, tiene una gran influencia en las propiedades mecánicas de los tubos, y así, por ejemplo, hay que tener en cuenta que al descender la temperatura, aumenta la fragilidad del HDPE (temperaturas menores a -40ºC) o lo que es lo mismo, disminuye su resistencia al impacto. Por otro lado, al aumentar la temperatura, se reduce la resistencia a la tracción, lo que significa que disminuye la resistencia a la presión interna, y por eso al definir la presión nominal de un tubo fabricado a base de un material termoplástico, esta se refiera a una temperatura de 20ºC. Consideraciones sobre la expansión térmica de las tuberías HDPE El coeficiente de expansión térmica es de 2 x 10-4 m/mºC. Expansión y contracción en tuberías HDPE enterradas En tuberías enterradas los cambios de temperatura son normalmente bajos y estacionales. La expansión lineal resultante es normalmente baja. La fricción entre el terreno y la tubería es suficiente para mantener la tubería en posición y transferir la elongación y tensión a la pared de la tubería. Si durante la instalación la temperatura exterior es mayor que la del terreno, la tubería se contrae después de colocada y rellenada en la zanja. Para eliminar un exceso de tensión conviene colocar la tubería culebreada en la zanja e instalarla temprano en la mañana cuando todavía esta fría. Expansión y contracción de tuberías HDPE en superficies Cuando las tuberías no pueden ser protegidas contra la acción directa de los rayos solares, conviene pintarlas de blanco para disminuir la absorción de calor. También se pueden cubrir con tierra, en este caso se deben tomar las mismas precauciones que en tuberías enterradas; el material debe ser compactado a cada lado de la tubería en un ancho igual a 2 diámetros, la altura de relleno debe tener por lo menos 30 cm. sobre la parte superior de la misma. El ancho total de esta cubierta debe ser de 4D. Las características de la superficie de las tuberías de HDPE y su resistencia a la corrosión, incrustaciones y sedimentación, significa que éstas tienen mucha menor pérdida de carga que las tuberías tradicionales. La capacidad de desagüe y velocidad de flujo de las tuberías HDPE, se pueden calcular usando las fórmulas de Prandtl – Colebrook, Hanzen Williams o Manning. Las tuberías HDPE poseen un factor de rugosidad de Darcy igual a 0.007mm. El coeficiente de Manning “n” es de 0.009 para agua limpia temperatura ambiente. En tuberías tradicionales se hacen correcciones al valor “n” debido a sedimentaciones y embanques; la naturaleza abrasiva y no polar del polietileno minimiza este efecto.
2. ANTECEDENTES SOBRE EL USO DE HDPE El tramo 2 de la Carretera La Oroya – Huancayo, que comprende desde la salida de la ciudad de La Oroya en la progresiva 1+500, hasta la progresiva 61+085 en el Puente Matachico, fue una de las Obras de Rehabilitación de las Carreteras Afectadas por el Fenómeno del Niño del Ministerio de Transportes y el ex Sistema Nacional de Mantenimiento de Carreteras, que se ejecuta con fondos del Japan Bank International Cooperation (MTC – SINMAC – JBIC) y el Gobierno Peruano. Asimismo, los tiempos de instalación, así como la cantidad de mano de obra, maquinaria y equipos, conspiran contra el rendimiento final de este tipo de trabajos. La consultoría del proyecto estuvo a cargo de la asociación PCI –CESEL, y en él se consideró por primera vez en un proyecto de envergadura, la aplicación de Tuberías de Polietileno de Alta Densidad (HDPE), como alcantarillas de carretera para el cruce transversal de aguas superficiales. La empresa contratista para la construcción del tramo fue el Consorcio Vegsa C.G. - Mendes Junior Group.
Las tuberías de polietileno de alta densidad de doble pared N-12 de Advanced Drainage Systems, Inc. (ADS), tienen las siguientes ventajas: Resistencia Estructural: Gracias a su pared exterior corrugada y a su gran flexibilidad, soporta las cargas verticales transfiriéndola mayor parte de la carga al suelo circundante. Durabilidad: El Polietileno de alta densidad es un material extremadamente resistente a los impactos, ataques químicos (no es afectado por suelos o efluentes con rangos de pH entre 1 y14), y a los efectos nocivos de la abrasión. Eficiencia Hidráulica: El interior liso de las tuberías le proporciona características de flujo superiores, con un coeficiente de “n” de Manning que varía desde 0.010 hasta 0.013. Instalación rápida: La tubería de polietileno es hasta 30 veces más liviana que la tubería de concreto, haciendo más fácil el transporte, manipuleo e instalación. Para un desempeño estructural ideal, es importante el adecuado control de la compactación del relleno hasta una altura equivalente al 75% del diámetro de la tubería
En visita de campo realizada, después de 45 días de haber sido instaladas las alcantarillas, se procedió a medir los diámetros en 3 diferentes zonas (entrada, intermedia y salida de la tubería) para verificar las deflexiones producidas, y se encontraron los siguientes resultados: El proceso constructivo fue bastante sencillo, y se realizó de la misma manera que para la instalación de alcantarillas convencionales. Las partidas principales fueron las siguientes: -
Limpieza y Excavación. Preparación de la base o asiento de la tubería. Armado y colocación de la tubería. Colocación del relleno alrededor de la estructura. Protección de la estructura durante la construcción.
Es importante tomar en consideración algunos puntos importantes como son: -
El alineamiento y pendiente de la tubería Los anchos de zanja El ensamble de juntas Los materiales de relleno Cimentación Encamado Atraque Relleno inicial Relleno final
Según comentarios de los ingenieros del Consorcio Vegsa C.G – Mendes Junior Group, que tuvieron a cargo la instalación de las alcantarillas, la facilidad de instalación resultó en un excelente rendimiento y ahorro en tiempo y dinero habiendo logrado colocar 60 alcantarillas en un lapso aproximado de 30 días, sin complicar la transitabilidad de la carretera. Los trabajos se realizaron básicamente con equipos livianos. Como ventaja adicional, apenas instalada la tubería N-12, como alcantarilla y con un relleno mínimo sobre la parte superior de ésta, la carretera pudo ser transitada sin presentar problemas.
3. DISEÑO HIDRÁULICO DE ALCANTARILLAS TERMOPLÁSTICAS La ecuación de Manning es la forma más reconocida para determinar la capacidad de flujo conducción de una tubería en aplicaciones de conducción flujo gravitacional. Es así como proporciona la base de la consideración del diseño hidráulico para la tubería corrugada del polietileno corrugado de alta densidad (o HDPE, por su sigla en inglés) y la tubería de polipropileno (PP). Una vez definidas la capacidad requerida y la pendiente de diseño del proyecto, Las curvas de descarga permiten el dimensionar calibrado de la tubería por medio del uso de gráficos, una vez que se haya establecido el diseño de los requisitos de capacidad y e inclinación. Cada producto tendrá asociada su propia curva de descarga con base en su valor “n” de Manning. Algunos factores como curvas, conexiones a cámaras, escombros y sedimentos, entre otros, tienen como resultado pérdidas hidráulicas que afectarán la capacidad de flujo real y debieran ser consideradas al momento de seleccionar la tubería. Al reducir todos los coeficientes y constantes en la ecuación de Manning a un solo factor, llamado Factor de Conducción (K), se puede utilizar otra alternativa de método para la determinación del tamaño de las tuberías. Sabiendo el valor “n” de Manning para diferentes materiales de tuberías, el uso de tablas de factores de conducción permitirá al diseñador comparar fácilmente diversas opciones de productos. El uso de este método frecuentemente resulta en más de una clase y tamaño de tuberías que pueden ser factibles para un mismo proyecto, permitiendo al diseñador comparar opciones y determinar la mejor solución según análisis costo-beneficio.
En la selección final de una tubería debiera incluirse también una revisión de las velocidades de conducción. Velocidades mayores ayudan a que los sedimentos en las aguas pluviales u otros no se mantengan en el fondo de la tubería. Menor sedimentación implica además reducción en la frecuencia del mantenimiento, permitiendo que la función hidráulica de la tubería se mantenga a lo largo de su vida útil. No obstante, estas velocidades igualmente deben estar dentro de los límites máximos aceptables para cada tubería y su sistema asociado.
3.1. VALORES “n” DE MANNING DE DISEÑO: Dentro de la industria de tuberías, existe un amplio rango de valores para el coeficiente de r ugosidad “n” de Manning para diversos tipos de tubos. Cuando se diseña cualquier sistema con flujo gravitacional, es importante considerar varios aspectos antes de seleccionar un valor “n” para un material de tubería específico. 1. Los valores “n” de Manning para cualquier material de tubería dependerán de la altura del flujo en una tubería parcialmente llena y de la velocidad del flujo en condición de tubo lleno. Los valores “n” de Manning comúnmente se proporcionan para condiciones de flujo a tubo lleno, pero esto no debiese asumirse a menos que se señale específicamente. Para la mayoría de los cálculos, se asume que “n” es una constante; sin embargo, queda a criterio del diseñador el usar un valor constante o variable para “n”.
2. Las alcantarillas, drenajes pluviales y drenajes sanitarios están expuestos a la presencia de basuras y sedimentos en su interior, los cuales afectan negativamente la capacidad de conducción. Cuando esto ocurre, es recomendable ajustar el valor “n” de diseño de acuerdo a estas condiciones. La textura de la pared interna del tubo, su geometría, la separación de las uniones y el tipo de material de la tubería también pueden facilitar o no la presencia de basuras y sedimentos, dependiendo de la facilidad de estas partículas de adherirse a la superficie de la tubería o quedar atrapada en otras obstrucciones internas. Pruebas realizadas en el Laboratorio de Investigación del Agua de la Universidad Estatal de Utah (Utah State University Water Research Laboratory), entregan valores “n” de Manning mínimos menores a 0,010 para una tubería corrugada de HDPE con pared interna lisa. Con el fin de adaptarse a las condiciones reales de terreno e incorporando un factor seguridad.
3.2. CURVAS DE DESCARGA: La relación matemática entre los términos incluidos en la fórmula de Manning a menudo se muestra por medio de Curvas de Descarga. Las curvas de descarga son un método para seleccionar un tamaño de tubería adecuado, una vez que se han determinado la capacidad requerida y la pendiente. Las curvas de descarga para los productos de tuberías corrugadas de polietileno de alta densidad Tigre-ADS bajo condiciones estables de flujo gravitacional se muestran a continuación.
Tasas de Descarga para Tuberías Corrugadas de Interior liso
3.3. MÉTODO DE CONDUCCIÓN: El Método de Conducción (Conveyance Method, en inglés) es una forma práctica para seleccionar varias opciones de tuberías que satisfagan los requerimientos de capacidad de flujo de un proyecto. Los factores de conducción se basan en una versión muy simplificada de la ecuación de Manning mostrada en la Ecuación 3-1 y 3-1(a). El análisis, los ejemplos de problemas y las secciones siguientes asumen que el flujo en la tubería es a tubo lleno. Este supuesto permite un análisis simplificado pero aún así preciso de las condiciones dadas. Cada proyecto debe ser evaluado caso a caso para determinar el mejor y más representativo método de diseño.
Donde: Q = capacidad de la tubería, (ft3/s, pies cúbicos por segundo) n = “n” de Manning n = “n” de Manning
A = área de la sección transversal de flujo del tubo (ft2, pies cuadrados) R = radio hidráulico (ft, pies): R=A/P P = Perímetro mojado (ft, pies); (Circunferencia interna de la tubería, o (π) (diámetro interno) para condiciones de flujo a tubo lleno)
S = pendiente del tubo (ft/ft) O, en unidades métricas:
Donde: Q = capacidad de la tubería, (m3/s) n = “n” de Mann ing
A = área de la sección transversal de flujo del tubo (m2) R = radio hidráulico (m): P = Perímetro mojado (m); (Circunferencia interna de la tubería, o (π) (diámetro interno) para condiciones de flujo a tubo lleno) S = pendiente del tubo (m/m)
Para una instalación específica con flujo a tubo lleno, los parámetros n, A y R se pueden definir fácilmente como constantes. La capacidad de transporte o factor de conducción de la tubería puede ser definida como
O, en unidades métricas:
Por sustitución, la fórmula de Manning puede reducirse a la siguiente ecuación:
El “n” de Manning es un valor crítico en el concepto de conducción. Para tuberías de un mismo diámetro e inclinación, el parámetro “n” de Manning será el único factor que afectará el factor conducción y, por lo tanto, la capacidad del tubo. Cuando se comparan condiciones idénticas, el factor de conducción tiene una relación directa con la capacidad del tubo. Es decir, si la inclinación se mantiene constante, triplicar el factor de conducción triplicará la capacidad; dividir en dos el factor de conducción reducirá la capacidad a la mitad. Valores de Diseño “n” de Manning
Factores de conducción:
3.4. VELOCIDAD MÍNIMA: La presencia de sedimentos puede reducir la capacidad de una tubería a lo largo del tiempo. En algunos proyectos, la tubería incluso puede llegar a quedar inutilizable hasta que el sistema vuelva a ser limpiado, lo cual implica trabajos de alto costo y que pueden tomar bastante tiempo. La sedimentación es de especial consideración en drenajes pluviales y similares, donde elementos más grandes y más pesados pueden estar presentes. Todo lo anterior hace importante tomar medidas preventivas al respecto durante el diseño. Para minimizar potenciales problemas, el flujo debe mantenerse a una velocidad mínima o de autolimpieza. La velocidad de auto-limpieza comúnmente aceptada para alcantarillas pluviales y sanitarias es de 0.9 m/s (3 fps). Para cada diseño debiese realizarse un chequeo final con el fin de comparar la velocidad esperada con la velocidad de auto-limpieza.
El potencial de sedimentación se determina según el peso específico y diámetro de las partículas, sus propiedades cohesivas y la rugosidad interior de la tubería. En instalaciones particulares donde la presencia de sedimentos es un problema conocido y predecible, es recomendable realizar un análisis de los suelos antes de hacer el diseño final del proyecto.
3.5.
VELOCIDADES MÁXIMA:
Un flujo a altas velocidades también puede generar problemas si no se considera debidamente. Normalmente, por alta velocidad se entiende 3,7 m/s aprox., pero puede variar dependiendo de las condiciones específicas del proyecto. La mejor forma para lidiar con las altas velocidades es buscar formas de minimizarla, como por ejemplo, reduciendo la pendiente de la tubería. Si esto no es factible, simplemente se debe controlar la velocidad de la mejor manera posible.
Altas velocidades, velocidades, especialmente especialmente con escurrimientos abrasivos, pueden pueden provocar provocar problemas de durabilidad. Con el tiempo, la parte inferior inferior de la tubería tubería puede desgastarse prematuramente. En este este sentido, los termoplásticos resisten mejor que muchos otros materiales de tuberías los efectos de estas condiciones desfavorables. Se requiere poner atención especial a las condiciones generadas en la salida de la tubería. Las altas velocidades de escurrimiento pueden erosionar el área o canal donde desemboca el flujo. En estos casos, se recomienda considerar en esas zonas métodos de manejo de la erosión.
Otro aspecto importante a tener en cuenta en aplicaciones a alta velocidad es el manejo del momentum del flujo. Los cambios en la dirección del escurrimiento generan grandes fuerzas ejercidas sobre las paredes de las tuberías que pueden causar el movimiento de éstas, especialmente cuando son de gran diámetro, la velocidad es alta y el suelo nativo tiene baja capacidad de soporte. La colocación de machones de concreto en las zonas de cambio de dirección, dimensionados según las condiciones particulares de terreno, permite controlar los efectos de estas fuerzas de empuje. Considerar sistemas de anclaje también puede ser necesario cuando la velocidad es alta o cuando la pendiente de instalación de la tubería es importante. Los anclajes evitan que la tubería se deslice pendiente abajo mientras está siendo instalada, y después, a causa de la energía del flujo. Esto es especialmente importante si el suelo nativo está sujeto a movimiento o es inestable.
3.6.
ALCANTARILLAS DE CAMINO:
Las alcantarillas son cortas en comparación a un sistema de alcantarillado pluvial o sanitario y se clasifican según cuál de los extremos (entrada o salida) controla su capacidad de descarga. Las pruebas de laboratorio y observaciones de terreno indican dos condiciones principales de control de flujo para una alcantarilla: (1) control de entrada y (2) control de salida. Si bien las condiciones de control de entrada o de salida por lo general no existen en los sistemas de drenaje pluvial o sanitario, cuando un sistema sea controlado por las condiciones de entrada o salida, la pérdida de carga hidráulica debido a la entrada o salida debe tomarse en cuenta, y por esta razón, la fórmula de Manning no es el único método de dimensionamiento y selección de tuberías. Mientras la teoría de la conservación de la energía afectará directamente el diseño de una alcantarilla, ninguna fórmula o procedimiento ha sido desarrollado para diseñar todas las alcantarillas, debido a las numerosas variables implicadas. El diseño de alcantarillas, por lo tanto, es frecuentemente un proceso empírico, de ensayo y error. Una de las variables típicamente utilizadas en el diseño de alcantarillas es el Coeficiente de Pérdida de Carga en la Entrada (Ke). Estos coeficientes Ke dependen en gran medida del tamaño y la forma de la interfaz entre el material de la alcantarilla y el fluido. Por ejemplo, una alcantarilla con extremos de corte recto y aristas vivas resultará en un coeficiente de pérdida mayor que una alcantarilla con un borde biselado o redondeado. En ausencia de ensayos y datos para tubos corrugados de polietileno de alta densidad, y de acuerdo a lo recomendado por la bibliografía internacional, es posible estimar los coeficientes de pérdida de carga en la entrada para los tubos, homologándolos a una tubería de metal corrugado con perfil y estructura similar. En última instancia, es el ingeniero de diseño quien deberá determinar el valor más adecuado para el Coeficiente de Pérdida de Carga en la Entrada para una aplicación particular.
Coeficientes de Pérdida de Carga en la Entrada (Control de salida, flujo parcial o a tubo lleno)
4. DISEÑO ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLAS CON HDPE CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES Toda tubería, flexible o rígida, depende de la estructura del relleno para poder transferir cargas hacia la cama de apoyo. Para obtener el nivel de desempeño esperado del tubo, la tubería debe estar instalada según lo diseñado. Esta sección establece la metodología de diseño para tuberías corrugadas de polietileno de alta densidad (HDPE) para uso en aplicaciones gravitacionales. Se presentan las propiedades de los perfiles para tuberías corrugadas, además de las propiedades del material (HDPE), los criterios de relleno y las condiciones de carga, todos factores que influyen en el procedimiento de cálculo. El procedimiento de diseño evalúa: esfuerzo normal en la pared del tubo, flexión, pandeo y deformaciones unitarias, estableciendo límites a cada una de estas condiciones. El método de diseño presentado es una versión modificada de las Especificaciones AASHTO para el Diseño de Puentes por el Método LRFD (Load Resistance Factors Design, en inglés, o Diseño por Factores de Carga y Resistencia), Sección 12 “Estructuras Enterradas y Revestimientos de Túneles”. Las profundidades de recubrimiento mínimo y máximo pueden variar bastante dependiendo de la aplicación, el producto, el material de relleno y su nivel de compactación. El desempeño de las tuberías termoplásticas ha sido ampliamente investigado a través de ensayos de laboratorio y pruebas de terreno. Varios de estos trabajos de investigación son discutidos brevemente al final de esta sección
INTRODUCCIÓN
Generalmente, el comportamiento de las tuberías puede ser clasificado como flexible o rígido, dependiendo de cómo se desempeñan una vez instaladas. La tubería flexible debe moverse o deflectarse para transferir la carga sobre ella hacia el suelo circundante. Las tuberías N-12 (pared doble) y SW (pared simple) son ejemplos de tuberías flexibles. Una tubería rígida se define comúnmente como una tubería que no puede deflectarse más de un 2% sin sufrir daños estructurales, y por lo tanto debe ser diseñada para soportar la mayor parte de la carga. Las tuberías de concreto reforzado y no reforzado son ejemplos de tuberías rígidas. El desempeño tanto de las tuberías flexibles como las rígidas dependerá de un relleno adecuado. En el caso de la tubería flexible, la deflexión permite que las cargas sean transferidas al relleno y soportadas por éste.
CRITERIOS DE DISEÑO
El diseño de tuberías termoplásticas requiere un entendimiento de las propiedades de sección de la tubería, propiedades del material, las condiciones de instalación y la condición de carga. Todos estos elementos definen de alguna manera el comportamiento de la tubería.
4.1. PROPIEDADES DE LA SECCIÓN DE LA TUBERÍA: Al igual que en el diseño de otros elementos estructurales, la forma del perfil de la tubería ayuda a determinar cómo será su desempeño en la estructura suelo/tubo. Las propiedades de la tubería incluyen el momento de inercia del perfil de la pared (I), la distancia desde el diámetro interior al eje neutro (c) y el área de una sección de pared de una unidad longitudinal (As). La rigidez de la tubería (PS) es una medida de la flexibilidad de una determinada longitud de tubería y se mide en laboratorio calculando la fuerza requerida para deflectar un tubo en 5% en relación a su diámetro interior. La rigidez de la tubería es fundamentalmente un control de calidad que no se utiliza directamente en el procedimiento de diseño y no debe interpretarse como una propiedad limitante del tubo.
Propiedades Generales de Sección para Tuberías
4.2.
PROPIEDADES DEL MATERIAL
El comportamiento de los materiales viscoelásticos como el polietileno difiere de los materiales elásticos como el acero. Cuando el polietileno es sometido a una fuerza constante, la curva de tensión/deformación resultante da la impresión que el material pierde resistencia con el tiempo. Los ensayos que describen perfectamente el comportamiento de los materiales elásticos pueden -y llevan- a entregar resultados errados cuando son empleados en materiales viscoelásticos. Las pruebas demuestran que el polietileno no se debilita con el tiempo. La misma curva de tensión/deformación para el material puede ser duplicada varias veces. Lo que no reconoce el ensayo es la relajación del esfuerzo, una propiedad única de los materiales viscoelásticos. La relajación del esfuerzo es la disminución de la tensión bajo una deformación constante. En otras palabras, un tubo que se mantiene en una posición flexionada, experimentará inicialmente niveles de esfuerzo relativamente altos, que luego decaerán rápidamente. Una deflexión adicional produce una respuesta similar. Los niveles de tensión aumentan y luego decaen rápidamente. Este fenómeno ha sido estudiado y documentado en los laboratorios de la Universidad de Massachusetts, donde los ensayos demostraron que cuando la tubería se mantuvo en una posición deflectada, el módulo aparente fue decreciendo. Cuando se aumentó la deflexión, la tubería respondió con un módulo mucho más alto. Tomar en cuenta este comportamiento tiempo-dependiente en el diseño de tuberías termoplásticas puede llegar a ser engorroso. El procedimiento descrito en la sección 2-5 explica cómo y cuándo utilizar las propiedades del material de corto plazo y/o de largo plazo. Refiérase a la tabla 2-3 para las propiedades mécanicas del polietileno (Módulo de Elasticidad E y Resistencia a la Tracción Fy). (Nota: La resistencia a la tracción se utiliza en algunos cálculos del diseño, aunque las fuerzas de pared predominantes son compresivas. Los tests para determinar la resistencia máxima a la compresión del polietileno no han sido concluyentes a la fecha, debido a la falta de un punto de falla o límite definido. Sin embargo, el manual de diseño estructural de plásticos de la ASCE establece que “una regla gene ral es que la resistencia a la compresión de los plásticos es mayor que la resistencia a la tracción." El uso de la resistencia a la tracción en el diseño en vez de una resistencia a la compresión dará resultados conservadores (ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 63, ASCE: NY, NY, 1984, p. 163.))
Propiedades Mecánicas para Tuberías de Polietileno
4.3.
CONDICIONES DE INSTALACIÓN Y FACTORES DE SUELO
El comportamiento estructural de la tubería depende de la interacción entre la envolvente de relleno y el tubo, lo que se conoce comúnmente como la interacción suelo/tubo. El relleno debe tener las condiciones estructurales y de drenaje adecuadas para la aplicación diseñada. Las consideraciones estructurales del relleno incluyen el tipo de material y su nivel de compactación, las dimensiones de la envolvente de relleno y las condiciones del suelo nativo. La información presentada aquí, con mínimas excepciones, está conforme a los requisitos establecidos en la norma ASTM D2321 "Práctica Estándar para la Instalación Subterránea de Tubos Termoplásticos para Drenajes y Otras Aplicaciones de Flujo Gravitacional". Información adicional sobre dimensiones del relleno y consideraciones del suelo nativo se discuten con mayor detalle en la Sección 5, Instalación, de este Manual de Ingeniería. El tipo de material (arena, grava, arcilla, determinan la resistencia del relleno. relativamente más grandes y angulares pequeñas y menos con la misma resistencia.
etc.) y el nivel de compactación (densidad Proctor estándar) Como regla general, las partículas del material que son requieren menor compactación que aquellas partículas más angulares, para producir estructuras
La resistencia del relleno puede ser definida utilizando diferentes parámetros. Una forma es describiéndola en términos del Módulo de Reacción del Suelo (E'), que es un valor empírico desarrollado por la Agencia de Reclamación de USA (US Bureau of Reclamation) para el cálculo de la deflexión. Otro parámetro utilizado para describir la resistencia del relleno es el Módulo Secante Confinado del Suelo (Ms). El suelo nativo y otros materiales disponibles localmente pueden ser utilizados para el relleno, siempre y cuando cumplan las especificaciones técnicas y los criterios. Estos materiales pueden ser aceptables y su uso permite reducir al mínimo los costos asociados al material y su transporte. La compactación mecánica del relleno siempre producirá los mejores resultados al instalar cualquier tubería. Sin embargo, con algunos materiales puede no ser siempre necesaria, pues algunos rellenos pueden cumplir con los criterios mínimos de compactación simplemente al ser colocados a volteo y acomodados alrededor del tubo, o por ser pisados o barretillados en capas alrededor del tubo.
Otro material de relleno que ha ganado presencia en diversas aplicaciones en los últimos años es el relleno fluido. Este material es similar a un hormigón de muy baja resistencia. Se vierte alrededor de la tubería y se endurece formando una estructura sólida de relleno. La resistencia final de este material es altamente dependiente del diseño de la mezcla y debe ser determinada por el ingeniero de diseño. Con el fin de aprovechar las ventajas de resistencia de este material, el soporte proporcionado por el material nativo circundante debe ser el adecuado. Cuando se usa relleno fluido, los materiales blandos deben ser sobre-excavados y reemplazados con un encamado y/o un material de relleno lateral adecuados. La principal desventaja de este material es que puede ser muy costoso tanto en términos de costos de material como de tiempo de instalación y es probable que la tubería flote si no se toman precauciones. Sin embargo, correctamente diseñado e instalado, puede ser utilizado como una alternativa al relleno granular típico y una solución efectiva para determinadas aplicaciones.
4.4.
CARGAS
Las cargas pueden ser consideradas cargas vivas o cargas muertas. Las cargas vivas sufren cambios en posición o magnitud, mientras que las cargas muertas permanecen constantes durante la vida útil del sistema de conducción. Las cargas vivas que se tienen en cuenta con más frecuencia en aplicaciones de tuberías son las cargas de vehículos -por lo general de camiones-, vías férreas y aeronaves. La carga del suelo es a menudo la única a considerar como carga muerta; sin embargo, las fuerzas por presencia de aguas subterráneas, sobrecargas y fundaciones son también tipos decargas muertas y deben incorporarse en el diseño cuando corresponda.
4.4.1. CARGAS VIVAS
Las cargas vehiculares se basan en las configuraciones de vehículos AASHTO H- o HS-. La Figura representa los dos tipos de configuración de camiones de diseño y la distribución de carga asociada. La Tabla proporciona la carga crítica que controla, ejercida en cada conjunto de ruedas o área de neumáticos, de las configuraciones de camiones de la Figura o un camión de eje trasero tándem (no mostrado). En las aplicaciones de ferrocarril, la carga estándar representada por la configuración Cooper E-80 es 80.000 libras/pie (1167 kN/m) de línea.
Cargas AASHTO para Carreteras
Cargas AASHTO para Carreteras, por conjunto de Ruedas
En aplicaciones donde la tubería está enterrada a relativamente poca profundidad, ésta puede experimentar una fuerza adicional generada por el movimiento de tránsito del vehículo. Para tener en cuenta esta fuerza adicional, la carga vehicular estacionaria se multiplica por un “factor de impacto". Para la determinación del factor de impacto para cargas de carretera, AASHTO establece la siguiente ecuación:
IM = 33(1.0 − 0.125H) ≥ 0%
Dónde: IM= factor de impacto, % H= profundidad de instalación, medida desde la clave del tubo, en pies (ft)
Información de Carga Viva tipo AASHTO
Las cargas de aeronaves varían ampliamente en magnitud y distribución. Algunos vehículos de construcción pueden representar una condición de carga viva temporal pero importante. Por otro lado, algunos vehículos de construcción pueden pesar mucho menos que la carga de diseño. Para cargas de construcción demasiado grandes, cuando los recubrimientos de proyectos son bajos, es posible justificar un recubrimiento adicional temporal sobre la tubería y realizar la nivelación final de la superficie después de la construcción. Los vehículos de construcción con cargas más ligeras que la carga de diseño pueden ser permitidas sobre la tubería, solamente durante la fase de construcción, con recubrimiento menor al mínimo recomendado. Las cargas de construcción se cubren con mayor detalle en el capítulo 5 de Instalación.
4.4.2. CARGAS MUERTAS
En este procedimiento de diseño, la carga del suelo se calcula usando una carga arqueada del suelo (Wsp). En lugar de utilizar una columna de carga de suelo, la carga real del suelo es inferior a la columna de suelo calculada, porque ésta es soportada, en parte, por columnas de suelo adyacentes.
Carga de Suelo Arqueada (Wsp) La carga de suelo arqueada (Wsp) representa mejor la carga real del suelo experimentada por una tubería flexible. El cálculo de la carga arqueada utiliza un Factor de Arqueamiento Vertical (VAF, por su sigla en inglés) para reducir la carga de tierra de modo de considerar el apoyo proporcionado por las columnas de suelo adyacentes. La carga de suelo arqueada se determina usando el procedimiento descrito más abajo. Primero, la carga geostática se calcula determinando el peso del suelo, situado directamente sobre la parte superior de la tubería, en el ancho de su diámetro externo, más una pequeña carga triangular extendida en los laterales, sobre la línea media del tubo.
Donde: Psp = carga geostática, psi H = profundidad de instalación, pies (ft) σs = peso unitario del suelo, (lb/ft3)
OD = diámetro externo, en pulgadas
Cuando la presión hidrostática está presente, la carga geostática (Psp) debe ser ajustada para considerar el peso flotante del suelo en la zona saturada (Figura 2-2). En los casos con presencia de aguas subterráneas, la carga geostática se calculará.
Psp = carga geostática, psi H = profundidad de instalación, pies (ft) Hw = altura de agua sobre la corona del tubo, pies (ft) σs = peso unitario del suelo, (lb/ft3) σb = peso unitario flotante del suelo, (lb/ft3); generalmente, γb =γsat -γw σsat = peso unitario saturado del suelo, (lb/ft3)
σw = peso unitario del agua, (62.4 lb/ft3)
OD = diámetro exterior, en pulgadas Diagrama para Cálculo de Cargas Geostática e Hidrostática
A continuación, se debe determinar el factor de arqueamiento vertical (VAF). Este factor considera el soporte proporcionado por las columnas de suelo adyacentes reduciendo la carga geostática sobre el tubo.
Donde: VAF = factor de arqueamiento vertical, adimensional Sh = factor de rigidez anular; = MSR / (EA) MS = módulo secante confinado del suelo restringido, psi (Tabla 2 -5) R = radio efectivo de la tubería, pulg. = ID/2+c ID = diámetro interior de la tubería, pulg c = distancia desde el diámetro interno al eje neutro, pulg E = módulo de elasticidad, en psi, inicial y de largo plazo A = área de sección, pulg2/pulg (mm2/mm)
Después de que la carga geostática, Psp, y el VAF han sido determinados, la carga arqueada de suelo se puede calcular como.
Donde: Wsp = carga arqueada de suelo, psi Psp = carga geostática, psi VAF = factor de arqueamiento vertical Cargas Hidrostáticas La presión de las aguas subterráneas sólo debe tenerse en cuenta si está presente sobre la línea media de la tubería.
Donde: PW = presión hidrostática en la línea media del tubo, psi γw = peso unitario del agua, 62.4 lb/m3
Hs = altura de la napa de agua, medida desde la línea media del tubo, en pies (ft)
Cargas de Fundaciones En algunas instalaciones particulares de tuberías, éstas son colocadas por debajo o cerca de fundaciones. Cuando se permita este tipo de instalación, esta contribución de carga debe ser sumada a la carga muerta antes de continuar con el proceso de diseño. Los textos de Mecánica de Suelos incluyen procedimientos para determinar el efecto de las cargas de las fundaciones a cierta distancia de su punto de aplicación.
4.5.
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE TUBERÍAS TERMOPLÁSTICAS:
En esta sección se establece la metodología de dise ño para las tuberías corrugadas de polietileno. El diseño de tuberías corrugadas de polietileno de alta densidad en aplicaciones sin presión implica el cálculo del esfuerzo normal en la pared del tubo, deformación flexural, pandeo y los límites de deformación según condiciones de combinación de tensión y compresión. Para este procedimiento, se requiere el cumplimiento de los criterios para tuberías, condiciones de instalación y carga estipulados; se hace referencia a áreas donde puede encontrarse la información requerida.
Las profundidades de instalación mínima y máxima dependen de la aplicación, el producto, el material de relleno, y el nivel de compactación. En este procedimiento de diseño, la tubería se evalúa en el estado límite de resistencia para el área de la pared, pandeo, esfuerzo normal y deformación combinada. Cada condición es evaluada para asegurar se provea la resistencia y la estabilidad, tanto global como local, para resistir las combinaciones de carga esperadas.
4.6.
FACTORES DE CARGA:
En el Diseño por Factor de Carga (LFD), las cargas aplicadas a la estructura se multiplican por un factor para introducir un nivel de seguridad a cada criterio. Si bien los factores de carga normalmente se entregan en el método de diseño, es el ingeniero diseñador quien finalmente debe elegir entre un rango de factores para una aplicación dada. Como lo señala AASHTO: "Los factores se han desarrollado a partir de la teoría de la confiabilidad basada en los actuales conocimientos estadísticos de cargas y de desempeño estructural." Estos factores deben ser escogidos según el criterio y la complejidad de la aplicación.
Factores de Carga (σ)
4.7.
ESFUERZO NORMAL DE PARED:
El esfuerzo normal en la pared de la tubería se determina por la carga total en la tubería, incluyendo las cargas del suelo, las cargas vehiculares y las fuerzas hidrostáticas. La tubería debe ser capaz de soportar estas fuerzas tanto en tensión como en compresión con el fin de que se mantenga estructuralmente estable. La resistencia crítica de tracción por esfuerzo normal de la pared (Tcrten), y la resistencia crítica de compresión por esfuerzo normal de la pared (Tcrcomp), deben ser mayor o igual que el esfuerzo normal de la pared (TL).
Dado a que el esfuerzo normal es usado después con el propósito de determinar la capacidad de deformación, se recomienda en este paso del proceso de diseño calcular este componente tanto a corto como a largo plazo, utilizando las respectivas condiciones de carga para corto y largo plazo. Para comparar el esfuerzo normal crítico con el real, es posible sumar los componentes de corto y largo plazo para su análisis.
4.8.
CALCULO ESFUERZO NORMAL DE PARED
Esfuerzo normal, corto plazo
Esfuerzo Normal, largo plazo
Esfuerzo Normal, combinado
Donde: TL-S = esfuerzo normal de pared por cargas de corto plazo, mayorado,lb/pulg. TL-L = esfuerzo normal de pared por cargas de largo plazo, mayorado,lb/pulg. TL = esfuerzo normal mayorado, lb/pulg. Wsp = carga arqueada del suelo, psi σEV = factor de carga, presión vertical de tierra σWA = factor de carga, carga de agua σLL = factor de carga, carga viva
Pl = carga viva transferida a la tubería, psi Cl = coeficiente de distribución de la carga viva = el menor valor entre Lw/OD o 1.0 Lw = ancho de distribución de la carga viva en la clave del tubo, pulg OD = diámetro exterior, pulg Pw = presión hidrostática en la línea media de la tubería, psi
El esfuerzo normal real calculado (TL) es un esfuerzo de compresión. Una carga interna, como por ejemplo presión interna, tendría que generar un esfuerzo normal de tracción mayor al de compresión calculado aquí para obtener un esfuerzo normal de tracción mayor a cero. El esfuerzo normal de tracción real es 0 psi para una tubería corrugada instalada en condiciones estándar.
Resistencia de Tracción al Esfuerzo Normal
Donde: Tcrten = resistencia crítica al esfuerzo normal, en tracción, lb/pulg lineal de tubo Fy= resistencia a la tracción, inicial o a largo plazo A= área de pared, pulg2/pulg de tubo
Resistencia de Compresión al Esfuerzo Normal
Donde:
Tcrcomp = resistencia crítica al esfuerzo normal, en compresión, lb/pulg. lineal de tubo Fy
= resistencia a la tracción, inicial o a largo plazo
Aeff
= área efectiva de pared, pulg2/pulg de tubo
Área efectiva (Aeff)
El área efectiva de una tubería flexible con pared estructurada es la cantidad del área total que "efectivamente" resiste una determinada fuerza de compresión en la pared del tubo. Bajo este principio, se asume que sólo una parte de la pared de la tubería resiste las fuerzas de compresión. Con el fin de determinar el área efectiva, este método de diseño reduce el perfil real de la tubería a un perfil idealizado.
Perfiles de Corrugación Típico e Idealizado
El perfil idealizado es una representación del perfil real, pero con sus lados y esquinas rectos. Los elementos delgados y rectos que conforman el perfil idealizado se analizan para determinar el ancho efectivo y la resistencia al pandeo. Una vez que se calcula el ancho efectivo de cada elemento, se calcula y utiliza un área efectiva reducida para analizar la integridad estructural de la sección de tubería. Para determinar el ancho efectivo de cada elemento, debe conocerse la geometría del perfil idealizado. Esto debe ser determinado a través de minuciosas mediciones del perfil para determinar el espesor y el ancho de cada uno de sus elementos.
Donde: Aeff = área de pared efectiva, pulg2/pulg de tubo AS = área de pared, pulg2/pulg wi= largo individual de cada elemento del perfil, pulg. ti = espesor individual de cada elemento de perfil w = pitch o paso del perfil (distancia entre centros de dos valles consecutivos), pulg
Donde: i = factor de
ancho efectivo
Donde: λi = factor de esbeltez
wi = largo individual de cada elemento del perfil, pulg. ti = espesor individual de cada elemento de perfil, pulg. k = coeficiente de apoyo de extremos, 4.0 para elementos con ambos extremos apoyados
Donde: = límite de
deformación del material, pulg/pulg
TL = esfuerzo normal mayorado, lb/pulg A = área de pared, pulg2/pulg de tubo (Tabla 2-1 o Tabla 2-2) E = módulo de elasticidad del material, inicial y largo plazo, psi
4.9.
PANDEO
El potencial de pandeo general de la pared de la tubería está determinado por las condiciones del suelo (Ms) y las propiedades del perfil de la tubería (Aeff , I, R). La tensión crítica de pandeo que se determinada con la Ecuación 2-15 debe ser mayor que la tensión límite a la tracción (Fy). Si la tensión crítica de pandeo es menor que Fy, entonces la resistencia crítica al esfuerzo normal en compresión. Tensión crítica de pandeo
Donde: f cr = tensión crítica de pandeo, psi Ms = módulo secante confinado del suelo, psi R = radio efectivo de la tubería, pulg = ID/2+c ID = diámetro interior de la tubería, pulg c = distancia desde el diámetro interno al eje neutro, pulg E = módulo de elasticidad, inicial y de largo plazo, psi (Tabla 2-3) Aeff = área efectiva, pulg2/pies I = momento de inercia, pulg4/pulg Rw = factor de flotación en el agua = 1-0.33hg/H H = profundidad del tubo enterrado, pies hg = altura de la napa de agua subterránea sobre la corona del tubo, pies B’ = factor de distribución de tensión no uniforme
4.10.
DEFORMACIÓN POR COMPRESIÓN
En el cálculo de la deformación real por compresión de una tubería, es incorrecto asumir que toda la carga es aplicada a largo plazo. Debido al comportamiento viscoelástico del polietileno, la respuesta de la tubería bajo determinadas condiciones de carga debe ser analizada con las propiedades del material que mejor representen la condición de carga. En este análisis, la deformación unitaria por compresión (euc) se determina a partir de la Ecuación y después es comparada con la deformación unitaria límite del material (e) para asegurar que no se supere la capacidad del material.
Deformación por Compresión Mayorada
Donde:
uc = deformación unitaria por compresión, mayorada, pulg/pulg. TL-S = esfuerzo normal de pared por cargas de corto plazo, mayorado, lb/pulg. TL-L = esfuerzo normal de pared por cargas de largo plazo, mayorado, lb/pulg. Aeff = área efectiva de la pared del tubo, pulg2/pulg EL = módulo de elasticidad a largo plazo, psi. ES = módulo de elasticidad a corto plazo, psi.
4.11.
DEFORMACIÓN POR FLEXIÓN
La verificación de la deformación unitaria por flexión asegurará que ésta se encuentra dentro del límite admisible para el material. En lugar de un análisis más detallado de la deformación por flexión, la deformación calculada en este método se basa en una relación empírica entre la deformación unitaria y la deflexión generada por las condiciones de carga. Para considerar las deflexiones inducidas en la construcción, se introduce un límite predeterminado en la ecuación de deflexión. Esto produce una deflexión total por flexión. Deflexión de la Tubería por Flexión
Donde:
Δ
= deflexión del tubo (reducción del diámetro vertical debido a la flexión) pulg
Δc
= deflexión del tubo inducida durante la construcción, límite 5%
uc
= deformación unitaria por compresión mayorada, pulg/pulg.
σEV = factor de carga, presión vertical del suelo
ID = diámetro interior de la tubería, pulg Dm = diámetro promedio de la tubería, pulg. = ID + 2c C
= distancia desde el diámetro interior al eje neutro, pulg
Deformación Unitaria por Flexión Mayorada
Donde: εbu = deformación por flexión mayorada, pulg/pulg.
Df = factor de forma, adimensional ∆ = deflexión, pulg σB = factor de carga, deformación combinada, 1.5
R = radio efectivo de la tubería, pulg = ID/2+c ID = diámetro interior de la tubería, pulg Cx = distancia desde el eje neutral hasta la fibra extrema, pulg Dm = diámetro promedio de la tubería, pulg = ID + 2c c = distancia desde el diámetro interior al eje neutro, pulg
4.12.
DEFORMACIÓN COMBINADA
Si se determina que la deformación unitaria por flexión está dentro de los límites admisibles, se debe chequear la deformación combinada por flexión y esfuerzo normal para asegurarse de que no se excedan los límites de deformación factorizados. Éstos deben ser revisados tanto para condiciones de compresión como de tracción. La deformación unitaria combinada por compresión no debe exceder la deformación combinada por compresión límite. Adicionalmente, la deformación combinada por tracción no debe exceder la deformación combinada por tracción límite.
Deformación Combinada por Compresión
Donde: εcu = deformación unitaria combina da por compresión, factorizada,pulg/pulg. εbu = deformación unitaria por f lexión, factorizada, pulg/pulg. εuc = deformación unitaria por compresión, factorizada, pulg/pulg. σp = factor de carga, presión vertical del suelo σB = factor de carga, deformación combinada, 1.5
Deformación Combinada por Compresión, Límite
Donde: εcl = límite de deformación combinada por compresión, pulg/pulg
Fy = resistencia de tracción de largo plazo, psi E50 = módulo de elasticidad de largo plazo, psi
Deformación Combinada por Tracción
Donde: εtu = deformación unitaria combinada por tracción, factorizada, pulg/pulg. εbu = deformación unitaria por f lexión, factorizada, pulg/pulg. εuc = deformación unitaria por compresión, factorizada, pulg/pulg.
σp = factor de carga, presión vertical del suelo σB = factor de carga, deformación combinada, 1.5
Deformación Combinada por Tracción, Límite
Donde: εtl = límite de deformación unitaria combinada por tracción, pulg/pulg σB = factor de carga, deformación combinada, 1.5 εt = deformación unitaria por tracción, admisible, pulg/pulg
4.13.
INVESTIGACIÓN E INSTALACIONES
Las tuberías corrugadas de polietileno de alta densidad han sido ampliamente investigadas tanto en laboratorio como en instalaciones reales. En 1988, El Departamento de Transporte de Pensilvania comenzó un estudio para evaluar el comportamiento de la tubería de polietileno similar a la tubería ADS según AASHTO, con relleno en piedra triturada a una profundidad de instalación de 30 m. Este documento, que es un reporte del estado de la tubería después de 722 días de su instalación, resume una de las instalaciones de tuberías más instrumentada y medida hasta la fecha. La deflexión vertical medida fue 4.6% y la horizontal, 0.6%. Parte de esto se debe a un pequeño acortamiento circunferencial (1.6%). La deflexión está dentro del límite comúnmente aceptado de 7.5%. El arqueamiento del suelo redujo la carga de la tubería en un 77%, lo cual muestra que la carga de la columna del suelo es un método muy conservador para estimar la carga de suelo. El proyecto consistía en desarrollar una instalación que sometiera la tubería solamente a fuerzas de compresión puras. Se alcanzó una presión de 55 psi (379 kPa) en el momento en que se produjeron problemas en el equipo. Los autores indicaron que esta presión equivalía a 100 pies (30,5m) de recubrimiento en otras pruebas que habían llevado a cabo. A esta presión, la tubería también experimentó un 3% de acortamiento anular, lo cual resultó en un arqueamiento del suelo significativo y beneficioso.
Carga muerta D= X= Bd= Hr= P= W=
1.044 1800 1 1.8288 3291.84 3436.68096
m Kg/m3 m m kg/m2 Kg/m
EFECTO DE ARCO
K= u= Cd= W=
diametro exterior peso volumetrico total del suelo ancho de la zanja profundidad de relleno
5. DISEÑO ESTRUCTURAL ALCANTARILLAS CON PVC
0.37 0.4 1.41224075 2653.88281 kg/m
Wmuerta= 2653.883 kg/m CARGAS VIVAS ** Son las cargas que actúan en la tubería debidas al tráfico presentado en la parte superior del relleno ** EL Cálculo consiste en definir o calcular el esfuerzo vertical a una profundidad dada, este se considerará aplicado en el plano horizontal inmediato superior a la tubería.
P= Pt=
B= L=
7250 kg 85000 kg/m2
0.292052 m 0.206512 m
Cálculo del área de contacto de las llantas en la vía para
** El método más comúnmente usado en diseño de tuberías es el denominado AASHTO ), el cual asume una atenuaciónproporcional al cuadrado de la profundidad
If= Po=
1 1214.29705 kg/m2
como la Hr es 1.8288 m se traslapan según el porcentaje de la tabla abajo Fc=
Po=
48.01 %
1797.281 kg/m2
LIMITES DE COMPORTAMIENTO PARA DISEÑO CON PVC ** Deflexión de la Tubería ** Abollamiento (Local Buckling) ** Rotura de la pared (Wall crushing)
DEFLEXIONES
DL K Wtot r E I E'
Facš}Œ de Œelajauievš} ‰aŒa šeŒu}‰lášic} ~GíXñìU eŒec}uievda íXñì Factor de apoyo Sumatoria de efectos (cargas) externos radio de la tubería (del centroide del tubo al eje neutro dela pared del tubo) Módulo de elasticidad del material del tubo Momento de inercia (por unidad de longitud) de la pared del tubo Módulo de reacción del material en el entorno del tubo
6. RECOMENDACIONES DURANTE EL PROCESO CONSTRUCTIVO E2= E3=
70 kg/cm2 material alrededor del tubo compacta al 85-95% 22.5 kg/cm2
D. interno= SRT=
1050 mm 52 kN/m
6.1.CONSIDERACIONES DE INSTALACIÓN:
La resistencia de un sistema de tuberías debe considerarse como una combinación alrededor. Una instalación correcta
fZ= -0.04203 Z= 0.315185entre la resistencia del tubo mismo y del relleno a su D%= 3.57161 deflexion= 38 mm ok 0.0357161 Ԑ= maximiza la capacidad de diseño del tubo, al asegurar
el alineamiento, la pendiente y la
** EL ABOLLAMIENTO Para un anillo circular sujeto a presión uniforme externa o a vacío, la tensión crítica de aplastamiento (Pcr ) es defnida porTimoshenko como:
capacidad de carga.
Selección adecuada del material de relleno: varios materiales pueden ser utilizados como relleno estructural, y la decisión final muchas veces está basada en lo que está más disponible a nivel local. El suelo natural puede ser un material adecuado siempre y cuando satisfaga los criterios básicos establecidos en esta sección. E= u= I= r= P9A C=
2750 0.38 428.36 0.525 3.57 0.97720385
Pcr=
2831
Pb=
51170
Mpa mm4/mm m %
Compactación apropiada del relleno: La compactación elimina el aire y la hu medad,
minimizando los vacíos y proporcionando una estructura más estable. Los niveles mínimos de compactación dependerán de las características del material y la carga de kg/m2 kg/m2
factor de seguridad= 10.05diseño. Algunas situaciones
pueden requerir la utilización de compactadores mecánicos, mientras que otros requieren ** ROTURA DE LA PARED el esfuerzo en el material de la pared del tubo pasa su límite de proporcionalidadhasta llegar a la fluencia, provocando la falla •uaÆA A=
σ=
3250000 kg/m2 0.003814 m2/m
450535 kg/m2
OK
simplemente apisonar el material para eliminar vacíos. Estructura de relleno apropiada: Para garantizar el soporte adecuado, es necesario asegurar un suficiente relleno estructural. Un suelo nativo, inalterado, de una pared de zanja a menudo ofrece apoyo adicional.
6.2.
ALMACENAMIENTO Y MANIPULACIÓN:
Los tubos termoplásticos de polietileno son ligeros y fáciles de usar. Si bien no se requiere de cuidados especiales en su manejo e instalación, se recomienda tomar ciertas precauciones: • Siga todas las normas y procedimientos de seguridad vigentes al manipular los tubos. • No deje caer el tubo al suelo desde el camión, hacia la zanja abierta, o sobre superficies irregulares. • Evite golpear los tubos contra otro t ubo u objeto. • Evite arrastrar la tubería por el suelo. • No circule por encima de la tubería antes de la instalación. • Inspeccione los tubos y sistemas de unión antes de instalar.
La tubería debe ser almacenada en un sector plano, y en el caso en que se desee apilar, los tubos deben ser cuidadosamente apilados, bloqueando adecuadamente ambos lados de la pila para evitar deslizamientos de los tubos. Las pilas deberán tener forma de pirámide, evitando una altura total mayor a 1,8 m. Nunca camine sobre las tuberías apiladas. La exposición prolongada de los tubos a la radiación ultravioleta causa resultados ligeramente diferentes. El estabilizador UV protege la tubería durante varios años, después de los cuales la resistencia al impacto de la capa expuesta a estos rayos, generalmente 0,001 pulgadas (0,03 mm) de espesor, se reduce significativamente. Esta capa dañada funciona entonces como blindaje del resto de la pared de la tubería contra cualquier daño adicional. Existen alcantarillas de polietileno de alta densidad que fueron instaladas en 1974 y que han estado bajo seguimiento y observación. Estas alcantarillas conservan casi el total de sus características de resistencia originales y muestran una fuerte evidencia de la continuidad del nivel de servicio en el tiempo.
6.3.
ALINEAMIENTO Y PENDIENTE:
Los sistemas de drenaje pluvial y de alcantarillado sanitario se encuentran diseñados para proporcionar una determinada capacidad hidráulica basados en el diámetro de la tubería y la pendiente. El alineamiento o línea del tubo es la posición horizontal del mismo, mientras que la pendiente es su inclinación vertical. Para que un sistema de tuberías funcione de la forma como fue diseñado, es importante instalar la tubería con el alineamiento y la pendiente apropiados.
Generalmente, no se requieren prácticas especiales para mantener el alineamiento y la pendiente; sin embargo, algunas técnicas de instalación pueden aumentar de manera significativa la velocidad de instalación y el rendimiento del sistema. El alineamiento se determina mediante un levantamiento topográfico del sitio. Una vez que la zanja ha sido excavada a lo largo de su proyección horizontal, se debe colocar el material de encamado en un espesor adecuado. La parte superior del encamado se debe ajustar para permitir acomodar la diferencia entre el nivel de arrastre del trazo (línea de flujo) y el espesor de la corrugación del perfil del tubo (diferencia entre diámetro externo y diámetro interno).
6.4.
EXCAVACIÓN DE ZANJA:
El ancho de la zanja depende del diámetro de la tubería, el material de relleno y el método de compactación. Las zanjas demasiado estrechas no permitirán la instalación adecuada de la tubería, mientras que las zanjas demasiado anchas son innecesariamente costosas. Como aspecto práctico, el tamaño estándar de los baldes de excavadora también pueden ser un factor a considerar en la decisión. El ingeniero de diseño puede modificar el ancho de la zanja sobre la base de una evaluación de las características de los materiales in-situ, la calidad y el nivel de compactación del relleno, las cargas de diseño y el equipo de compactación a ser utilizado. Anchos de Zanja Recomendados
Los anchos de zanja deben ser lo suficientemente amplios como para permitir la adecuada colocación y compactación del relleno alrededor del tubo. Este ancho ideal es normalmente denominado como el ancho
de zanja mínimo; se determina de acuerdo a los estándares nacionales, generalmente garantiza que el material de relleno fluya hacia ambos lados de la tubería y permite la compactación de este material. Si el ancho no es suficiente para los materiales de relleno y métodos de compactación propuestos, se debe construir una zanja más ancha que permita una correcta instalación. En suelos nativos muy pobres (por ejemplo: turba, lodos, o suelos altamente expansivos), es posible que sea necesario contar con un ancho de zanja mayor, e incluso utilizar algún geotextil. Este ancho de zanja mayor deberá ser determinado en base a una evaluación del suelo natural in-situ, y las cargas de diseño y de construcción. Algunas veces, los anchos de zanja para tubería están sujetos al tamaño del balde de la excavadora disponible. En muchos casos, el ancho del balde es significativamente superior al ancho de zanja ideal. L as zanjas más anchas no sólo son costosas de excavar y llenar con material de relleno, sino que reducen la integridad estructural del sistema de tubería/relleno. Este hecho se observa en la Especificación AASHTO LRFD de Construcción de Puentes (AASHTO LRFD Bridge Construction Specification), Sección 30, "Las zanjas se deberán mantener en el ancho especificado, ya que cualquier incremento en el ancho aumentará la carga sobre la tubería." Años de consolidación del suelo crean un entorno muy estable. El o bjetivo es destruir esa estabilidad lo menos posible al excavar la zanja. De hecho, paredes de zanja estables mejoran la integridad estructural del sistema cuando la zanja es relativamente estrecha. Las zanjas excesivamente anchas también requieren más material de relleno y compactación, el cual normalmente no es tan estable como el material nativo inalterado. Una pared de zanja estable puede identificarse porque puede mantenerse firme sin apoyo, sin embargo, esto no implica que no sea necesario contar con soportes o entibaciones para cumplir con los requerimientos o normativa de seguridad.
Instalación Típica en Zanja
La excavación de la zanja se debe realizar en los suelos existentes con paredes laterales razonablemente verticales hasta la parte superior del tubo. Para instalaciones en terraplén de proyección positiva, el material de terraplén debe ser colocado y compactado hasta un mínimo de 30 cm por encima de la altura proyectada para la clave del tubo, y luego la zanja excavada en el terraplén. Cuando, debido a las profundidades de excavación o las condiciones del suelo, se requiera apuntalamiento o el uso de paneles o cajas de entibación móviles, el fondo del sistema del apuntalamiento o caja de entibación debiese en lo posible colocarse no más abajo que ¼ del diámetro del tubo desde la parte superior de la tubería. La subzanja permite que no se afecte el relleno ya compactado bajo la entibación a medida que ésta se retire o se traslade. Sólo se debe arrastrar el sistema de entibación si esto no daña los tubos o perturba el relleno, de lo contrario, la caja deberá levantarse verticalmente en su nueva posición. Si no se puede seguir este procedimiento, se debe dejar la entibación en el lugar.
6.5.
EJECUCIÓN DEL RELLENO:
La construcción del relleno alrededor de la tubería debe ser evaluado como parte del diseño estructural de la tubería de polietileno, de la misma forma como para otros materiales de tuberías. La norma ASTM D2321 sirve como base para las recomendaciones de instalación en aplicaciones enterradas, con tráfico. Los materiales de relleno y métodos de construcción aceptables son muy similares o, en muchos casos, idénticos a los requeridos para otros tipos de material de tubería. El propósito principal del relleno es proporcionar soporte a largo plazo a la tubería. Cuando un relleno es correctamente ejecutado, las cargas se distribuyen a lo largo de la corona del tubo hasta el material hacia los lados y luego al encamado y cimientos de la tubería. Este efecto de arqueamiento de la carga reduce la carga total que aplicada a la tubería. La carga que soportará una tubería flexible está relacionada con la calidad en la ejecución del relleno. La capacidad de carga de un sistema de tubería/relleno está determinada por una combinación entre material de relleno, su colocación y nivel de compactación. Algunas veces, el tipo de aplicación también puede influir en el tipo de relleno que se requiere. Este y otros temas relacionados se abordan más adelante en esta sección.
6.6.
MATERIAL DE RELLENO:
La selección de material es el primer -y más importante- paso en la creación de un relleno estructuralmente resistente. En general, el material de relleno debe ser un agregado capaz de ser compactado cuando sea necesario, para conformar una buena estructura. Varios materiales, incluyendo algunos suelos nativos, cumplen estos requisitos.
El relleno ofrece una resistencia pasiva, denominada "módulo de reacción del suelo". El módulo de reacción del suelo se determina por una combinación entre material y nivel de compactación. El tipo de material (arena, grava, arcilla, etc.) y el nivel de compactación (densidad Proctor estándar) determinan la resistencia general del relleno. Algunas investigaciones indican que otros factores, tal como los efectos beneficiosos de las paredes de la zanja cuándo éstas son iguales o más resistentes que el material de relleno, agregan conservadurismo a la determinación de la resistencia del relleno, aunque normalmente estos efectos son despreciados. La resistencia del relleno puede ser descrita utilizando diferentes parámetros. Una forma es describiéndola en términos del módulo de reacción del suelo (E '), que es un valor empírico desarrollado por la Agencia de Reclamación de USA (US Bureau of Reclamation) para el cálculo de la deflexión. El material de baja resistencia controlada (Controlled Low Strength Material, o CLSM por sus siglas en inglés) o relleno fluido es otro tipo de material de relleno aceptable, más especializado. Este material consiste esencialmente en concreto de muy baja resistencia que se vierte alrededor de la tubería. Con el CLSM o relleno fluido, el ancho de zanja se puede reducir al mínimo (diámetro exterior de la tubería más 30 cm). El suelo nativo debe tener un E’ mínimo de 1000 psi. Aunque la integridad estructural del relleno fluido es excelente, se deben tomar medidas para evitar la flotación o desalineamiento de la tubería, tales como anclar la tubería o verter el relleno fluido en capas. Utilizar material granular compactado genera un relleno estructural estable, es más fácil de usar y a menudo menos caro de instalar.
Clases de Materiales para Relleno y Encamado
6.7.
COLOCACIÓN DEL RELLENO:
A veces los sistemas de conducción de aguas lluvias, alcantarillados sanitarios o sistemas de drenaje se instalan sobre un sello de fundación que se asienta y mueve de manera no uniforme. Afortunadamente, una tubería flexible puede absorber muchos de estos cambios sin efectos perjudiciales. Sin embargo, las buenas prácticas de construcción consideran siempre la colocación de las tuberías en una base firme para optimizar su desempeño e integridad estructural a lo largo de su vida útil. En algunos casos puede ser necesario realizar prospecciones del subsuelo, sobre todo si se sospecha de presencia de basuras, roca, u otras condiciones poco adecuadas. Las zonas con material blando como basurales o lodos, permiten el asentamiento de la tubería lo cual puede potencialmente afectar la integridad estructural y las características hidráulicas del sistema. Las rocas y protuberancias rocosas inducen cargas puntuales en los puntos de contacto con la tubería que pueden afectar el desempeño estructural e hidráulico del sistema. Se recomienda excavar y reemplazar el material no apto para la fundación antes de la instalación de los tubos. Cuando exista roca o suelos blandos o no aptos, se debe consultar a un ingeniero de diseño, un ingeniero geotécnico o un mecánico de suelos para estabilizar las cimentaciones inestables.
Estructura de Relleno Típica
Relleno de la zona de acostillado La siguiente capa de relleno, la zona de acostillado o relleno lateral, es la más importante ya que proporciona el apoyo para la tubería frente a las cargas del suelo y el tráfico. El acostillado deberá colocarse encapas de 10 a 15 cm y compactarse en conformidad con las especificaciones del proyecto.
Relleno inicial El relleno inicial se extiende desde la línea media hasta la clave del tubo o 15 cm por encima de ésta, dependiendo del producto y la aplicación. Esta parte del relleno ancla la tubería y asegura que las cargas se distribuyan lo más uniformemente posible hacia la zona de acostillado. El mismo material utilizado en el acostillado debe ser utilizado para el relleno inicial. Cuando se utilicen diferentes materiales, la granulometría del material de relleno debe ser seleccionada con el objetivo de evitar la migración de finos, o bien usar un geotextil que separe las distintas zonas del relleno.
Relleno Final El relleno final, que se extiende desde la parte superior del relleno inicial a la superficie del suelo o rasante proyectada, no soporta directamente la tubería. Los materiales excavados pueden tener la calidad adecuada para conformar el relleno final, dependiendo del uso previsto en la superficie. La selección, colocación y compactación del relleno final deberá realizarse de acuerdo a la definición del ingeniero de diseño. Al colocar el relleno final, se deben evaluar los equipos de compactación y cargas de construcción que operan sobre la parte superior de la tubería. La compactación adecuada de la zona de relleno final no es crítica ni afecta directamente el comportamiento del tubo como lo hacen las otras zonas descritas anteriormente; sin embargo, si está proyectado que pasen caminos y carreteras sobre la tubería, se requiere un alto grado de compactación del relleno final para evitar asentamientos del pavimento.
RECUBRIMIENTO MÍNIMO: Para aplicaciones con tráfico estándar, la cobertura mínima total es de 30 cm para tubos de diámetro entre 100 mm y 1200 mm (4” a 48”). En las mismas condiciones, las tuberías de 1350 mm y 1500 mm de diámetro (54” y 60”) requieren recubrimiento mínimo total de 60 cm. El recu brimiento mínimo total se mide desde la parte superior (o clave) de la tubería hasta la superficie inferior del pavimento flexible o hasta la superficie superior del pavimento rígido. Cuando no esté previsto pavimento, pero sí se espere tráfico vehicular como por ejemplo en caminos de ripio, se recomienda una cobertura mínima total de 50 cm (18”) para tuberías de 100 mm a 1200 mm de
diámetro (4” a 48”) y de 80 cm (30”) para tuberías de 1350 mm y 1500mm (54” y 60”) de diámetro, de manera de reducir al mínimo el ahuellamiento.
Si la superficie del terreno es un espacio verde o jardines, la cobertura mínima puede ser de 30 cm desde la parte superior de la tubería a la superficie de terreno en todos los diámetros. Estas recomendaciones asumen que la tubería se instala de conformidad con las recomendaciones del fabricante y no consideran la cobertura necesaria para prevenir la flotación.
RECOMENDACIONES GENERALES PARA LA INSTALACIÓN Y USO EN SUELOS Y AGREGADOS:
6.8.
COMPACTACIÓN:
El nivel de compactación varía en función de los materiales y de los requerimientos de instalación. La piedra triturada y materiales similares muchas veces no son compactados, pero requieren de ciertas precauciones durante su instalación para eliminar vacíos importantes en el relleno. Normalmente es suficiente utilizar una pala para deslizar el material debajo y alrededor de la tubería; además se puede utilizar una varilla o similar para mover y acomodar el relleno (“barretillar) y disminuir de este modo los vacíos. Para otros materiales, los métodos de compactación dependerán principalmente del nivel de compactación -o módulo de reacción del suelo-requerido y el nivel de humedad del material. Con un nivel de humedad óptima, algunos de los materiales Clase II y III pueden compactarse a los niveles mínimos recomendados simplemente caminando o apisonando cada capa de relleno. Si bien esta técnica puede no ser aceptable para todas las instalaciones, el punto es que la compactación no siempre requiere gran cantidad de esfuerzo extra o equipos mecánicos. En los casos en que sí se requiere un equipo de compactación mecánica ya sea para el relleno o para cualquier otro sector, los párrafos siguientes proporcionarán una orientación sobre los equipos de compactación y los suelos para los que éstos son más apropiados.
EQUIPOS DE COMPACTACIÓN MECÁNICA: Pisones de mano: La compactación de la zona de acostillado puede requerir un mecanismo de apisonamiento pequeño para obtener la compactación requerida en un área reducida. Un pisón manual o de dos por cuatro se puede utilizar para compactar estos sectores. Los pisones utilizados para las capas horizontales no deberá pesar más de veinte libras (89N) y el área de la cara de apisonamiento no deberá ser mayor a 15x15cm (6”x6”).
Vibropisón (Pata Pata) y Placas compactadoras (Figura 5-3): para consolidar el relleno, se utiliza la acción del impacto para sacar el aire y el agua entre las partículas del suelo. Estos equipos funcionan bien en suelos cohesivos o con alto contenido de arcilla. Se debe tener cuidado de no utilizar compactadores de este tipo directamente sobre la tubería. Para equipos pesados de compactación, tipo Ho-PAC® o equivalentes, se deberá asegurar una separación de al menos 1,2 m de relleno entre el tubo y el equipo en todo momento.
Pata-Pata y Placa Compactadora La consolidación con compactadores estáticos o rodillos se produce como resultado del peso rodante del propio equipo. Los rodillos con pata de cabra emplean una suerte de “patas” alrededor del rodillo para concentrar el peso de la máquina. Los compactadores estáticos son útiles para ser usados en rellenos no cohesivos, lejos de la tubería. Cerca del tubo se deben utilizar otros métodos de compactación.
Compactadores estáticos El movimiento de los rodillos vibratorios o placas vibradoras, hacen vibrar las partículas, acomodándolas y logrando una estructura más densa. Funcionan mejor con rellenos no cohesivos. Dependiendo de su tamaño y su peso, algunos compactadores de vibración podrán ser utilizados cercanos a la tubería. Como siempre, se debe tener cuidado de no golpear la tubería directamente con demasiada fuerza. Seleccionar el equipo adecuado según el material de relleno es la clave para lograr una compactación eficiente. Para suelos mixtos, el componente que tiene el porcentaje más alto controlará el equipo requerido para la compactación.
Compactadores de Vibración
6.9.
UNIONES:
Las uniones tienen varios propósitos en un sistema de tuberías. Su objetivo principal es preservar la integridad estructural manteniendo el material de relleno alrededor del sistema. Las uniones bien diseñadas también protegen las propiedades hidráulicas de las tuberías manteniendo la alineación entre los extremos. Por otro lado, hay uniones que pueden mantener el flujo dentro de los tubos, lo que es importante cuando existen consideraciones ambientales. Normalmente los requisitos específicos de cada proyecto o las regulaciones locales determinan el desempeño requerido para las uniones. N-12 PLAIN END (UNIÓN HERMETICA A LOS AGREGADOS GRUESOS) La unión de una tubería de extremos planos (Plain End), utiliza sistemas de acoplamiento externo, tal como coples divididos (también llamados coplas tipo abrazadera o split couplers).Típicamente, las uniones tipo abrazadera se utilizan en sistemas perforados donde la migración de finos no es una consideración de diseño, o dónde sólo se requiere un sistema de unión con hermeticidad a agregados gruesos. N-12 ST CAMPANA-ESPIGA (UNION HERMETICA A LOS SUELOS FINOS) El sistema de unión N-12 Campana-Espiga ST está diseñado para funcionar en condiciones de terreno más exigentes, de manera de evitar la entrada de finos a través de la junta. Utiliza empaques o gomas elastoméricas (gaskets) que cumplen todos los requisitos de pruebas de la norma ASTM F477. Este empaque, combinado con un ajuste mecánico tipo campana-espiga, ofrece una junta que cumple o excede los requerimientos de desempeño de las uniones herméticas a los finos (Soil-tight, ST) de AASHTO M252, AASHTO M294 o ASTM F2306. N-12 WT CAMPANA-ESPIGA (UNION HERMETICA AL AGUA) La unión Campana-Espiga N-12 WT, para diámetros entre 100 mm y 1500 mm, cumple con los requisitos de hermeticidad al agua (Water-tight, WT) de AASHTO M252, AASHTO M294, y ASTM F2306. Para que una unión pueda ser considerada como WT, debe soportar una presión de 10,8 psi (74,5 kPa) sin presentar fugas en las condiciones de laboratorio establecidas en la norma ASTM D3212.
Este tipo de unión tiene un diseño campana-espiga e incluye uno o dos empaques que cumplen con los requerimientos de la norma ASTM F477. Los diámetros mayores cuentan con bandas de refuerzo (de color verde) en el exterior de sus campanas. Este nivel de hermeticidad se recomienda para sistemas que requieren evitar tanto la entrada de suelo y agua exterior como la salida del flujo hacia el entorno. Su hermeticidad le permite ser utilizada en aplicaciones sanitarias donde se deben someter a pruebas de presión, en proyectos con requerimientos mayores de hermeticidad o cuando existen consideraciones medio ambientales.
UNIÓN DE TUBOS DE DISTINTO TIPO O TAMAÑO: Muchas veces los sistemas de tuberías requieren conectar tubos de diferentes diámetros y materiales. Las opciones para realizar esto están a menudo limitadas por la calidad de la unión requerida. Un método común para unir diferentes materiales de tubería del mismo tamaño y, en algunos casos de tamaño diferente, es por medio de un anillo -o machón- de concreto. Esto generalmente provee al menos de una hermeticidad a los finos, aunque en última instancia dependerá de la habilidad del trabajador. Un anillo de concreto se puede fabricar ubicando de tope los dos extremos de los tubos a unir, envolviendo la unión con un geotextil con el fin de mantener lejos el suelo y el concreto, y luego vertiendo concreto alrededor de los extremos de ambos tubos.
CONEXIONES EN TERRENO: Las conexiones en terreno pueden resultar necesarias para completar tramos con t rozos cortos de tubo o para reparaciones de tuberías dañadas durante la construcción. Las conexiones en terreno y las reparaciones debieran llevarse a cabo con coplas y accesorios compatibles con el sistema completo.
INSTALACIONES VERTICALES: En ocasiones, los tubos son instalados verticalmente como cámaras de inspección, pozos o aplicaciones similares. Los tubos instalados verticalmente no se comportan igual que aquellos instalados horizontalmente, pues la interacción tubo/suelo es distinta. El suelo que rodea una tubería vertical se acomoda entre las corrugas, permitiendo que la tubería se mueva conjuntamente con el suelo en la medida en que éste se consolida en el tiempo. Este movimiento puede causar un ondulamiento de la pared interna que generalmente no afecta el desempeño final de la instalación. Los requerimientos de instalación son especialmente importantes en instalaciones verticales. El material de relleno y los niveles de compactación determinan el comportamiento final de la tubería. Al menos 30 cm de relleno debiera extenderse completamente alrededor del tubo vertical. Sólo el material de relleno Clase 1 o 2 es recomendable y debe ser compactado a un mínimo de 90% de la Densidad Próctor Estándar.
Algunas otras limitaciones adicionales para este tipo de aplicación son: • La altura de la estructura vertical no debe exceder los 2.5 metros, salvo que el diseño sea revisado. • Si existe tráfico sobre la estructura vertical, debe usarse un collar de concreto alrededor del tubo o una estructura similar diseñada para transmitir la carga al suelo. La carga de tráfico no debe ser transmitida directamente a la pared de la tubería. • Los marcos de fierro fundido que sostengan rejillas o tapas, deben instalarse sobre un collar de concreto o una estructura similar y no directamente sobre el tubo, para que el peso del marco con la chimenea o tapa se transfiera al suelo y no a la tubería vertical.
AGUAS SUBTERRANEAS: La presencia de aguas subterráneas dificulta la colocación y compactación adecuada del encamado y del relleno. Además, debido a su bajo peso los tubos corrugados flotan en el agua, por lo tanto, es imprescindible conservar la zanja seca durante la instalación. Con el fin de asegurar la estabilidad del fondo de la zanja, el nivel de agua debe mantenerse siempre por debajo del encamado durante el procedimiento de instalación. Para esto, puede ser necesario la utilización de bombas, punteras, drenes o una zanja de desvío, entre otros. Se deberá consultar un ingeniero especialista para determinar el método más apropiado para el control del agua, dadas las condiciones específicas del proyecto.
FLOTACIÓN: Todas las tuberías de cualquier material y tamaño pueden flotar en condiciones propicias. El tipo de suelo y su densidad, la cantidad de recubrimiento, la altura de la napa freática, el peso de la tubería y la cantidad de efluente en la tubería, tendrán un efecto en el potencial de flotación de la misma. La principal propiedad de un tubo relacionada con la flotación es su peso, siendo los productos más pesados menos propensos a flotar. Si bien una de las ventajas principales de instalar tuberías de polietileno es su bajo peso, esto mismo lo hace más propenso a la flotación. Recubrimiento Mínimo Requerido* para Prevenir la Flotación
INSTALACIÓN DE TUBERÍAS EN PARALELO: Algunas veces, las tuberías pueden ser instaladas en paralelo, como por ejemplo cuando la capacidad suministrada por una de las tuberías no es suficiente para el caudal proyectado. En estas instalaciones, se requiere una cantidad mínima de relleno que asegure un soporte lateral adecuado y también un espaciamiento mínimo entre tuberías de manera de permitir la compactación necesaria del relleno para obtener este soporte. Estas recomendaciones asumen que no hay accesorios que conecten los dos tramos adyacentes. Cuando se utilicen accesorios, las recomendaciones de separación serán diferentes, como por ejemplo los proyectos de Retención/Detención.
Espaciamiento Mínimo entre Tubos Paralelos
INSTALACIÓN EN PENDIENTES PRONUNCIADAS: En aplicaciones que deban hacerse necesariamente con pendientes pronunciadas (normalmente mayores o iguales al 12%), es preciso tomar precauciones para garantizar que no se afectará negativamente la estructura del tubo o las características del flujo. Una de las consideraciones de diseño a considerar es proveer una adecuada ventilación: el tubo deberá contar con las ventilaciones necesarias para asegurar que no se forme presión negativa dentro de él. La ventilación puede ser provista a lo largo de la tubería en pendiente, al inicio de la pendiente, o asegurando que para el caudal máximo la altura del flujo no supere el 75% del diámetro en las zonas con pendientes. Además, se deben diseñar bloques de anclaje en todos los accesorios y cambios de dirección o de pendiente. Los cambios en la dirección del flujo pueden causar una excesiva fuerza contra la pared del tubo, por lo que estos bloques deben ser utilizados para disipar esta energía. Los bloques de anclaje deben ser construidos según el diseño y las especificaciones del ingeniero de proyecto para las condiciones específicas de éste. Por último, debe tenerse en cuenta el deslizamiento de la tubería a lo largo de la pendiente. El deslizamiento de la tubería puede resultar en el desprendimiento del suelo circundante, el daño estructural de la pared de la tubería, o el comprometer la calidad de las uniones de todo el sistema. El movimiento de los tubos debiese ser restringido a través del uso de bloques de hormigón o sistemas de anclaje. La pendiente de 12% se señala sólo como referencial. Otras consideraciones adicionales de diseño pueden ser necesarias para pendientes menores al 12%, como por ejemplo cuando la estabilidad del terreno en pendiente, las presiones negativas o los golpes de ariete pueden ser motivo de preocupación.
TUBOS DE REVESTIMIENTO (LINERS) Ciertos tipos de tuberías pueden deteriorarse prematuramente en ambientes corrosivos o abrasivos. Cuando esto ocurre, algunas veces es posible entubar interiormente la tubería existente con una tubería. Esta es una forma económica y eficiente de aumentar la vida útil de una alcantarilla sin tener que reemplazarla completamente. Normalmente en estos casos, los tubos sólo pueden ser utilizados en aplicaciones con extremos abiertos, donde la tubería no necesita ser doblada para su instalación. Otros aspectos a considerar durante el diseño y previo a los trabajos de instalación son: diámetro interno de la tubería existente, diámetro interno y externo de la tubería nueva que funcionará como liner, longitud del tramo y colocación de la lechada.
CHEQUEOS POST-INSTALACIÓN Generalmente no es necesario ningún chequeo post-construcción para instalaciones con tuberías, sin embargo, es una buena práctica realizar una inspección visual, cuando el diámetro lo permita, para asegurar que se han logrado el alineamiento y pendiente adecuados. Es importante señalar que bajo condiciones normales, cualquier deflexión será notada dentro de los primeros treinta (30) días luego de la instalación y relleno. Esto permite al inspector revisar la tubería poco después de su instalación, con la posibilidad de notar las deficiencias antes de que el proyecto esté terminado. La inspección debiera ser realizada después de que la tubería ha sido instalada y colocado el relleno, pero puede ser antes de la pavimentación final. A continuación se describen algunos métodos de inspección que suelen especificarse para tuberías flexibles (plásticas o metálicas).
Inspección Visual Una inspección visual suele ser suficiente para revelar alineamientos y pendientes incorrectos, así como deflexiones excesivas. Para la mayoría de los proyectos que especifican un desempeño hermético a los suelos o a los limos, una inspección visual es suficiente para asegurar una instalación correcta. Al inspeccionar las tuberías o al introducirse en las cámaras de inspección, se deben tomar las precauciones necesarias para cumplir con todas las regulaciones de seguridad vigentes.
Prueba de Infiltración/Exfiltración Para sistemas diseñados herméticos al agua que no hagan referencia a ninguna norma específica para las pruebas, una prueba de infiltración/exfiltración es un método simple y fácil de asegurar que el desempeño de las uniones sea el adecuado. Para realizar una ensayo de infiltración/exfiltración, se prueba mediante el llenado con agua de un tramo de tubería instalada de cámara a cámara, con sellos o tapones apropiados, y midiendo el nivel del agua inmediatamente después de estabilizado el sistema. Se deja pasar un cierto período de tiempo (según reglamentación) y se verifica la caída del nivel de agua original, si lo hubiere. La caída en el nivel del agua puede ser convertida a una relación de fuga, comparándola con el nivel de pérdida admisible establecido para el proyecto o según la reglamentación. La norma ASTM F2487 entrega especificaciones para la prueba de infiltración/exfiltración.
Prueba a Baja Presión de Aire Esta prueba se aplica generalmente en sistemas en que el nivel de desempeño requiere uniones impermeables (herméticas al agua). Después de que el tubo ha sido colocado y rellenado, cada sección de tubería entre cámaras de inspección puede probarse con los procedimientos estándares de algún test de aire a baja presión. Las uniones también pueden probarse individualmente con el equipo adecuado. La norma ASTM F-1417 puede ser utilizada para las pruebas de aire de estos sistemas, ya sea entre cámaras o para uniones individuales. Las estructuras y accesorios fabricados no deberán ser probados para evitar ser dañados. ASTM F1417 especifica una presión de aire de 3,5 psi, sostenida durante un tiempo determinado según el diámetro de la tubería, con una caída de presión máxima de 0,5 psi. Aunque los diámetros que figuran en la norma ASTM F1417 sólo incluyen hasta 36 pulgadas (900mm), la interpolación lineal para diámetros mayores es aceptada en general.
