9.aspectos estructurales de tuberias rigidas

ContinuaciContinuacióónn

MODULO 2: Segunda SesiMODULO 2: Segunda Sesióónn

9. ASPECTOS ESTRUCTURALES DE LAS TUBER9. ASPECTOS ESTRUCTURALES DE LAS TUBERÍÍAS RIGIDAS AS RIGIDAS

TUBERÍAS RÍGIDAS - MATERIALESCONCRETO CON Y SIN REFUERZO

VENTAJAS :VENTAJAS :

• Amplia variedad de diámetros• Amplia variedad de resistencias

estructurales.• Estabilidad estructural.• Uniones con empaques

elastoméricos, si se requiere.• Sus características inherentes

minimizan la necesidad de complejos procedimientos de instalación (compactaciones de base, atraque y rellenos)

DESVENTAJAS :DESVENTAJAS :

• Alto peso por metro lineal• Expuesta a corrosión química

en presencia de ácidos excesivos.En requerimientos especiales, debe recubrirse

• Sistema de colocación de las tuberías en zanja un poco más demorado que el de otros materiales

TUBERÍAS RÍGIDASCOMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL

FuerzaFuerza externaexterna

ReacciReaccióónn

ArcoArco con 4con 4articulacionesarticulaciones

• Al aplicar fuerzas externas se inducen esfuerzos en las paredes de la tubería, que en última instancia transmiten las cargas hacia el encamado de la parte inferior de la tubería (reacción) y de allí hasta la fundación.

• Primera fuente de soporte de cargas externas es la resistencia inherente de la tubería.


El dEl diiseseñño estructural de las tubero estructural de las tuberíías ras ríígidas se determina por una gidas se determina por una ffóórmula muy sencilla:rmula muy sencilla:

Bajo sobrecargas muy severas la tuberBajo sobrecargas muy severas la tuberíía colapsara colapsaráá, deflect, deflectáándose ndose suavemente, solicitando apoyo lateral y reaccionando como un arcsuavemente, solicitando apoyo lateral y reaccionando como un arco o de cuatro articulaciones.de cuatro articulaciones.

SFFCapoyoslosdeensayodelaCTubodeladmisiblesistencia

.3argRe ×

=

Resistencia de la tubería :Se mide por la prueba de los tres apoyos; es la condición de carga más severa a que puede someterse una tubería rígida. Es un valor totalmente conocido, sin incertidumbre y se conoce antes que la tubería se instale. Para los tubos de concreto sin refuerzo hay 1 solo valor (resistencia última) y Tubos de concreto reforzado hay 2 valores (resistencia para grieta de 0.3 mm y resistencia última)

Esfuerzos : Combinación de esfuerzos de flexión y de cortante



Cargas sobre el tubo :• Carga total = Carga viva + Carga muerta• Carga viva: Se basa en Código Colombiano de diseño sísmico de

puentes, 1995. Camión C-4095, 7.5 Ton/llanta ó en AISI, Tren Cooper E-80, 80.000 lbs por eje.

• Carga muerta: Se determina por la siguiente ecuación :

W = Cd. w . Bd²

donde :- Cd: coeficiente de carga (Depende del tipo de instalación)- w: peso unitario del relleno- Bd: ancho de la excavación

CONDICIONES DE INSTALACIÓN

De acuerdo con las condiciones de instalación , los conductos pueden clasificarse como:

Conductos en condición zanjaConductos en condición terraplén.Tubería hincada (Pipe Jacking)

CONDICIÓN ZANJA

En este tipo de instalaciEn este tipo de instalacióón , el material n , el material de relleno tenderde relleno tenderáá a asentarse en a asentarse en relacirelacióón con las paredes de la zanja , n con las paredes de la zanja , generando en direccigenerando en direccióón a la superficie n a la superficie fuerzas, por efecto de la friccifuerzas, por efecto de la friccióón, que n, que alivian la carga sobre la tuberalivian la carga sobre la tuberíía. a.

CONDICIÓN ZANJA

Factores de encamado:

• Es muy importante analizar correctamente no solamente el tipo deinstalación y la carga muerta, sino también que la tubería se instale según se diseña.

• El encamado se diseña y construye para cumplir dos funciones primordiales:1. Proveer soporte uniforme a lo largo de la línea de tubería2. Distribuir la reacción de la fundación alrededor de la periferiade la tubería y evitar concentraciones de esfuerzos en su parteinferior.

CONDICIÓN ZANJA

Factores de encamado :

• El factor de Encamado considera las diferencias entre la condición real de instalación y la condición de carga de la prueba (tres apoyos), que es la más crítica posible.

• La selección del encamado, tipo y clase de tubería no depende de parámetros geotécnicos del suelo de fundación

CONDICIÓN ZANJA

A lo largo de los aA lo largo de los añños se han estandarizado 4 tipos bos se han estandarizado 4 tipos báásicos de sicos de encamado, que corresponden a diferentes factores asencamado, que corresponden a diferentes factores asíí ::

Clase AClase A Factor de encamado Factor de encamado 3.43.4 -- 4.84.8:: concretoconcretoClase BClase B Factor de encamado 1.9 : material granularFactor de encamado 1.9 : material granularClase CClase C Factor de encamado 1.5 : material granularFactor de encamado 1.5 : material granularClase DClase D Factor de encamado 1.1 : materialFactor de encamado 1.1 : material--excavaciexcavacióónn

CONDICIÓN ZANJA, CLASE D

El tubo se debe colocar sobre el fondo de la zanja, de manera que quede apoyado uniformemente, cuerpo y campana, sin que se presente un efecto de puente. El relleno inicial de soporte debe ser un material seleccionado.

CONDICIÓN ZANJA, CLASE C

Los tubos se deben cimentar en un material colocado cuidadosamenLos tubos se deben cimentar en un material colocado cuidadosamente. La te. La cama debe tener un espesor mcama debe tener un espesor míínimo, bajo el tubo, de 100 nimo, bajo el tubo, de 100 mmmm o un octavo o un octavo del didel diáámetro exterior del tubo, lo que sea mayor. El relleno inicial demetro exterior del tubo, lo que sea mayor. El relleno inicial debe ser be ser de material seleccionado.de material seleccionado.

CONDICIÓN ZANJA, CLASE B

El tubo se debe cimentar en material cuidadosamente colocado. ElEl tubo se debe cimentar en material cuidadosamente colocado. El lecho lecho debe tener un espesor mdebe tener un espesor míínimo bajo el tubo de 100 nimo bajo el tubo de 100 mmmm o un octavo del o un octavo del didiáámetro externo del tubo, lo que resulte mayor. El relleno inicialmetro externo del tubo, lo que resulte mayor. El relleno inicial debe ser de debe ser de material seleccionado.material seleccionado.

CONDICIÓN ZANJA, CLASE A

El factor de carga para cimentaciones de concreto clase A es deEl factor de carga para cimentaciones de concreto clase A es de 3.4 para 3.4 para concreto reforzado con p=0.4%, donde p es el porcentaje de concreto reforzado con p=0.4%, donde p es el porcentaje de áárea de acaro rea de acaro transversal al transversal al áárea de concreto en el fondo del cuerpo del tubo.rea de concreto en el fondo del cuerpo del tubo.

CONDICIÓN ZANJA, CLASE A

El factor de carga para cimentaciones de concreto clase A es deEl factor de carga para cimentaciones de concreto clase A es de 3.4 para 3.4 para concreto reforzado con p=0.4%, donde p es el porcentaje de concreto reforzado con p=0.4%, donde p es el porcentaje de áárea de acaro rea de acaro transversal al transversal al áárea de concreto la parte superior del cuerpo del tubo, y de 4.8 rea de concreto la parte superior del cuerpo del tubo, y de 4.8 con p=1.0%.con p=1.0%.

CONDICIÓN ZANJA, ATRAQUE CON PIEDRA TRITURADA

La piedra triturada se debe extender al ancho especificado de la zanja y debe tener un espesor mínimo bajo el tubo, de 100 mm o un octavo del diámetro exterior del tubo, el que sea mayor. El atraque debe consistir de piedra triturada bien gradada, u otro material no consolidado no sujeto a migración.

RELLENO DE DENSIDAD CONTROLADA

El tubo se debe cimentar sobre piedras triturada u otro material adecuado. La cimentación debe tener un espesor mínimo bajo el tubo, de 100 mm o un octavo del diámetro externo del tubo, lo que resulte mayor. El relleno de densidad controlada se debe dirigir a la parte superior del tubo para que fluya hacia abajo en ambos lados, con el fin de evitar la desalineación; se debe rellenar hasta la parte superior del tubo.

CONDICIÓN TERRAPLEN

Se presenta esta condición cuando la tubería se instala sobre un terreno natural para luego rellenarlo. Puede ser de los siguientes tipos:• Proyección positiva: Son conductos instalados sobre una cama panda, con el extremo superior por encima de la rasante natural, y luego cubiertos con material de relleno.• Proyección negativa: Son conductos instalados en zanjas relativamente angostas, con el extremo superior por debajo de la rasante natural y luego cubiertos con material de relleno de una altura muy superior a la profundidad de la zanja• Zanja inducida: Son conductos en los cuales la tierra a los lados y por encima está bien compactada y luego se excava una zanja directamente sobre el conducto para después rellenarla con material compresible bien suelto, y luego completar el terraplén en forma natural.

PROYECCIÓN POSITIVA

La carga de relleno sobre un conducto de proyección positiva se calcula por la fórmula:

Wc = Cc. w. Bc²Donde: Wc = Carga muerta sobre la tubería w = Peso unitario del material del terraplén.Bc = Diámetro exterior del tubo.Cc =Coeficiente que depende de la relación de Rankine (k), coeficiente de fricción interna (u), la relación de asentamiento (rsd), la relación de altura de relleno (H) y el diámetro exterior (Bc) y la relación de proyección (p).

PROYECCIÓN NEGATIVA

La carga de relleno sobre un conducto de proyección negativa se calcula por la fórmula:

Wn = Cn. w. Bd²Donde: Wn = Carga muerta sobre la tubería w = Peso unitario del material del terraplén.Bd = Ancho de la zanja en metros.Cn =Coeficiente que depende de la relación de Rankine (k), coeficiente de fricción interna (u), la relación de asentamiento (rsd), la relación de altura de relleno (h) y el ancho de la zanja (Bd) y la relación de proyección (p´).

ZANJA INDUCIDA

La carga de relleno sobre un conducto en zanja inducida se calcula por la fórmula:

Wi = Ci. w. Bc²En el cual los términos son los mismos del caso de proyección negativa.

TIPOS DE APOYOS TIPIFICADOS

SELECCIÓN DE CIMENTACION EN TUBERIAS RIGIDAS

Cálculo de la carga viva por unidad de longitud:

a) Boussinesq:

m.L)H(f:impactodeFactorF

Ccamion,Llanta/kgVehiculos:vivaaargCP

)D,L,H(f:BoussinesqHolldeeCoeficientCsL

P.FCs.WL

001

40957500

==

−=

−=

=


Cálculo de la carga viva por unidad de longitud:

b) Tronco de pirámide:

cmLcmB

tuberíaladeexternoDiámetroDextHfimpactodeFactorF

CcamionLlantakgVehiculosvivaaCP

96.2106.31

)(:4095,/7500

:arg

1.2H)1.2H)(L(BP.F.DW ext

L

==

==

−=

++=


Cálculo de los factores de carga:Para cada tipo y clase de tubería posible a utilizar, se calcula:

excesoporaproximaseFcDtuberiadeclaseytipofgrietaoroturaaC ),(:arg

grieta o rotura Carga).FSW(WFc LD +

=

Selección alternativa de cimentación:De todas las técnicamente factibles, se selecciona la más económica.

EJEMPLO DE COSTOS DE ALTERNATIVAS DE SELECCIÓNDE CIMENTACIÓN PARA TUBERÍAS RÍGIDAS

D = 900 MM

COSTO COSTO CIMENTACION TUBERIA (Base + Atraque) COSTO TOTALTIPO CLASE (Tubo/m) FC=1.1 FC=1.5 FC=1.9 FC=2.2 FC=3.0 FC=4.0 (m)

CSM Unica $155,333 $ 125,100 $ 280,433CRF 1 $ 174,626 $ 92,880 $ 267,506CRF 2 $ 179,730 $ 28,612 $ 208,342CRF 3 $ 189,938 $ 19,744 $ 209,712CRF 4 $ 209,844 $ - $ 209,844

CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES

Las tuberías de concreto se pueden instalar con recubrimientos mínimos sin la necesidad de construir una protección adicional (Cárcamos).

COMPORTAMIENTO TUBERIA

(8,000)

(6,000)

(4,000)

(2,000)

-

2,000

4,000

6,000

8,000

1 105 209 313 417 521 625 729 833 937 1041 1145 1249 1353 1457 1561 1665 1769 1873 1977

ALTURA MAX Y MIN DE RELLENO (cm)

Wa-

Wt (

Kg

/ml)

FC=1.5FC=1.9FC=2.2FC=3.0

TUBERIA REFORZADADIAMETRO= 900 mm (36")CLASE: 2.0TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLA (w= 1950 Kg/ m3)

FC= 1.5 H min=0.56 H max= 2.81FC= 1.9 H min=0.31 H max= 4.30FC= 2.2 H min=0.03 H max= 5.75FC= 3.0 APLICA

BOUSSINESQ L= 1.0 mCONCRETO REFORZADO BOUSSINESQ L=1.0 mDIAMETREO=900 mm (36”)CLASE 2TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLAw= 1950 (Kg\m3)

FC=1.5 Hmin= 0.56 m Hmax= 2.81 mFC=1.9 Hmin= 0.31 m Hmax= 4.30 mFC=2.2 Hmin= 0.03 m Hmax= 5.75 mFC=3.0 RANGO ILIMITADO DE TRABAJO.


(9,000)

(7,000)

(5,000)

(3,000)

(1,000)

1,000

3,000

5,000

7,000

9,000

1 105 209 313 417 521 625 729 833 937 1041 1145 1249 1353 1457 1561 1665 1769 1873 1977


Wa-

Wt (

Kg

/ml)

FC=1.5FC=1.9FC=2.2FC=3.0

TBERIA REFORZADA BOUSSINESQ L=0.25 mDIAMETRO= 900 mm (36")CLASE 2TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLA (w= 1950 Kg/ m3)

FC= 1.5 Hmin= 0.72 Hmax= 2.80FC= 1.9 Hmin= 0.57 Hmax= 4.30FC= 2.2 Hmin= 0.47 Hmax= 5.75FC= 3.0 Hmin= 0.32 Hmax= >20

3.47

CARACTERIZACION SUELOS EQUIVALENTES

En investigaciones anteriores, se caracterizaron materiales usados como relleno para instalación de tuberías en función de la clasificación de material y el nivel de compactación

INSTALACION ESTANDAR EN TERRAPLEN

MODELOS DE CONDICIONES TIPO – TUBERÍA RÍGIDA

Terraplén

INSTALACIONES ESTÁNDAR PARA TERRAPLEN

INSTALACIONES ESTÁNDAR PARA ZANJA

MODELOS DE CONDICIONES TIPO – TUBERÍA RÍGIDA

Zanja

INSTALACIONES ESTÁNDAR PARA ZANJA

COEFICIENTES DE ARQUEO VERTICAL

Concrete Pipe Handbook presentan valores de coeficientes de arqueo para la condición terraplén

FACTORES DE ENCAMADO

DirectaSe calcularon factores de encamado para las diferentes condiciones de instalación, atraque y clase de tubería (carga de rotura) a través de dos formas:

Indirecta

FACTORES DE ENCAMADO PARA TERRAPLEN

CARGAS DE TIERRA Y FACTORES DE ARQUEO PARA TERRAPLEN

FACTORES DE CARGA EN CONDICION ZANJA

PROFUNDIDADES MÍNIMAS DE INSTALACIÓN DE TUBERÍAS DE CONCRETO PARA ALCANTARILLADO

REQUERIMIENTOS PARA CIMENTACIÓN DE TUBERÍAS EN REDES DE ACUEDUCTO Y

ALCANTARILLADO

Profundidad mínima de instalación en alcantarillados sanitarios

Vías peatonales o zonas verdes 0.75 m

Vías vehiculares 1.20 m

Para los casos donde sea necesario colocar la tubería por encima de

la profundidades antes mencionadas, debe efectuarse un análisis

que tenga en cuenta las cargas exteriores debidas al peso de tierras,

cargas vivas, impacto y otras que puedan presentarse durante el

proceso de instalación.

DESARROLLO TEÓRICO DEL PROBLEMA

CARGAS SOBRE TUBERÍAS RÍGIDAS

WT = WD+WL

WT (Carga Total / ml): Carga viva + Carga muerta

WD (Carga muerta/ml): Producida por el relleno de la zanja sobre la tubería.

WL (Carga viva/ml): Se producen por el transito de vehículos ya sea a lo largo o ancho del conducto. Hay dos métodos de cálculo:

BoussinesqAASHTO


)()(;

)(

)43(

)(

2

2

)22(1

)22(1

)222()22()22(

22221

)sin(

´2

21

2.

.

HmbHmaLLALLAFiP

Lw

HmaLLSLLwTW

DeHmaLeLeTW

AASHTOlW

DeB

LA

HBHAHBAHBA

HBHAHBAHASenCs

LFiPCs

esqBouslWKu

BdHKú

eCd

lWBdCdSFCFWu

⋅+×⋅+=×=

⋅+=

××=

⋅+⋅+=

=

=

=

++

+⋅

++⋅⋅−

+⋅+++⋅−=

××=

⋅⋅−−=

+××=×

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

π

γ

DONDE:Cd= Coeficiente de Carga MuertaCs= Coeficiente de Carga VivaFi= Factor de ImpactoP= Carga Viva Aplicada sobre terrenoBd= Ancho de ZanjaWT= Carga Total Viva sobre lomo tuboLe= Longitud Efectiva de soporte


Carga admisibleEsta dada por la relación entre la carga de rotura (fisura) a los 3 apoyos, el factor de carga y el factor de seguridad.

Wadm=(Wu*FC)/FSWu= Resistencia a los 3 apoyos (kg/ml)FS= 1.0 Concreto rreforzadoFS= 1.5 Concreto sin refuerzoFC= Valores presentes en la norma técnica NTC-5012

FACTORES DE CARGA

FACTORES DE CARGA

FACTOR DE CARGA 3.4 p=0.4%

FACTOR DE CARGA 4.8 p=1.0%

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

RANGO DE TRABAJOWadm - WT ³ 0(WuXFC)/FS - (WD+WL ) ³ 0WD = f (Altura de recubrimiento)WL = f (Altura de recubrimiento)

Buscar los valores de alturas de recubrimiento, para los cuales el

rango de trabajo es positivo.

ESTRUCTURA DE DATOS

TIPOS DE TERRENO5

FACTORES DE

CARGA8

TIPOS DE TUBERIA

REFORZADASIN REFUERZO

CLASES2

CLASES5

DIAMETROS13

DIAMETROS21

TOTAL TOTAL

DE DATOSDE DATOS

52405240


(8,000)

(6,000)

(4,000)

(2,000)

-

2,000

4,000

1 105 209 313 417 521 625 729 833 937 1041 1145 1249 1353 1457 1561 1665 1769 1873 1977


Wa-

Wt (

Kg

/ml)

FC=1.5FC=1.9FC=2.2FC=3.0

TUBERIA SIMPLEDIAMETRO= 300 mm (12")CLASE: 1.0TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLA (w= 1950 Kg/ m3)

FC= 1.5 H min=0.82 H max= 2.54FC= 1.9 H min=0.61 H max= 5.02FC= 2.2 H min=0.50 H max= >20FC= 3.0 H min=0.33 H max= >20

RANGO DE TRABAJO RANGO DE TRABAJO

DE TUBERDE TUBERÍÍAA


(15,000)

(13,000)

(11,000)

(9,000)

(7,000)

(5,000)

(3,000)

(1,000)

1,000

3,000

5,000

1 105 209 313 417 521 625 729 833 937 1041 1145 1249 1353 1457 1561 1665 1769 1873 1977


Wa-

Wt (

Kg

/ml)

FC=1.5FC=1.9FC=2.2FC=3.0

TUBERIA REFORZADA BOUSSINESQ L=0.25 mDIAMETRO= 300 mm CLASE: 1.0TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLA (w= 1950 Kg/ m3)

FC= 1.5 Hmin= 0.91 Hmax= 2.52 FC= 1.9 Hmin= 0.74 Hmax= 5.02 FC= 2.2 Hmin= 0.64 Hmax= > 20FC= 3.0 Hmin= 0.53 Hmax= >3.42

BOUSSINESQ L=0.25 mDIAMETRO=300 mm (12”)CLASE 1 TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLA(w= 1950 kg/m³)

FC=1.5 Hmin= 0.91 m Hmax= 2.52 mFC=1.9 Hmin= 0.74 m Hmax= 5.02 mFC=2.2 Hmin= 0.64 m Hmax >20 m FC=3.0 Hmin= 0.53 m Hmax >20 m



ALTURA MÁXIMA Y MÍNIMA DE RELLENO (cm)


(3,000)

(2,000)

(1,000)

-

1,000

2,000

3,000

4,000

1 105 209 313 417 521 625 729 833 937 1041 1145 1249 1353 1457 1561 1665 1769 1873 1977

ALTURAS MAX Y MIN (cm)

Wa

- Wt (

Kg/

ml)

FC=1.5FC= 1.9FC= 2.2FC= 3.0

TUBERIA SIMPLE AASHTODIAMETRO= 300mm (12")CLASE 1TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y RAVILLA (w= 1950 Kg/ m3)

FC= 1.5 Hmin= 0.64 Hmax=2.49FC= 1.9 Hmin= 0.48 Hmax= 4.95FC= 2.2 Hmin= 0.38 Hmax= >20FC= 3.0 Hmin= 0.27 Hmax=>20

AASHTODIAMETRO = 300 mm (12”)CLASE 1 TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLAw= 1950 (Kg\m3)

FC=1.5 Hmin= 0.64 m Hmax= 2.49 mFC=1.9 Hmin= 0.48 m Hmax= 4.95 mFC=2.2 Hmin= 0.38 m Hmax >20 m FC=3.0 Hmin= 0.27 m Hmax >20 m





(8,000)

(6,000)

(4,000)

(2,000)

-

2,000

4,000

1 105 209 313 417 521 625 729 833 937 1041 1145 1249 1353 1457 1561 1665 1769 1873 1977


Wa-

Wt (

Kg

/ml)

FC=1.5FC=1.9FC=2.2FC=3.0

TUBERIA REFORZADADIAMETRO= 600 mm (24")CLASE: 1.0TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLA (w= 1950 Kg/ m3)

FC= 1.5 NO APLICAFC= 1.9 H min=0.72 H max= 2.55FC= 2.2 H min=0.61 H max= 3.48FC= 3.0 H min=0.34 H max= 7.77

CONCRETO REFORZADODIAMETRO=600 mm (24”)CLASE I

TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLAw= 1950 (Kg\m3)

FC=1.5 NO APLICAFC=1.9 Hmin= 0.72 m Hmax= 2.55 mFC=2.2 Hmin= 0.61 m Hmax= 3.48 mFC=3.0 Hmin= 0.34 m Hmax= 7.77 m



BOUSSINESQ L= 1.0 m



(9,000)

(7,000)

(5,000)

(3,000)

(1,000)

1,000

3,000

5,000

1 105 209 313 417 521 625 729 833 937 1041 1145 1249 1353 1457 1561 1665 1769 1873 1977


Wa-

Wt (

Kg

/ml)

FC=1.5FC=1.9FC=2.2FC=3.0

TBERIA REFORZADA BOUSSINESQ L=0.25 mDIAMETRO= 600 mm (24")CLASE 1TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLA (w= 1950 Kg/ m3)

FC= 1.5 FC= 1.9 Hmin= 0.91 Hmax= 2.54FC= 2.2 Hmin= 0.77 Hmax= 3.47FC= 3.0 Hmin= 0.59 Hmax= 7.77

3.47

CONCRETO REFORZADO BOUSSINESQ L=0.25 mDIAMETRO=600 mm (24”)CLASE ITIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLAw= 1950 (Kg\m3)

FC=1.5 NO APLICAFC=1.9 Hmin= 0.91m Hmax= 2.54 mFC=2.2 Hmin= 0.77m Hmax= 3.47 mFC=3.0 Hmin= 0.59m Hmax= 7.77 m





(3,000)

(2,000)

(1,000)

-

1,000

2,000

3,000

4,000

1 105 209 313 417 521 625 729 833 937 1041 1145 1249 1353 1457 1561 1665 1769 1873 1977

ALTURAS MAX Y MIN (cm)

Wa

- Wt (

Kg/

ml)

FC=1.5FC= 1.9FC= 2.2FC= 3.0

TUBERIA REFORZADA AASHTODIAMETRO= 600 mm (24")CLASE 1TIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y RAVILLA (w= 1950 Kg/ m3)

FC= 1.5 Hmin= 0.97 Hmax=1.25FC= 1.9 Hmin= 0.61 Hmax= 2.54FC= 2.2 Hmin= 0.49 Hmax= 3.44FC= 3.0 Hmin= 0.31 Hmax= 7.72

CONCRETO REFORZADO AASHTODIAMETRO= 600 mm (24”)CLASE ITIPO DE TERRENO: MEZCLA DE ARENA Y GRAVILLAw= 1950 (Kg\m3)

FC=1.5 Hmin= 0.97 m Hmax= 1.25 mFC=1.9 Hmin= 0.61 m Hmax= 2.54 mFC=2.2 Hmin= 0.49 m Hmax= 3.44 mFC=3.0 Hmin= 0.31 m Hmax= 7.72 m



RANGO DE TRABAJODE TUBERÍAS SELECCIONADAS

PARA ENSAYO DE CAMPO

(30,000)

(25,000)

(20,000)

(15,000)

(10,000)

(5,000)

-

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,000

35,000

40,000

1 105 209 313 417 521 625 729 833 937 1041 1145 1249 1353 1457 1561 1665 1769 1873 1977


Wa-

Wt (

Kg /m

l)

Tubería 1: 30 cm, Sin Refuerzo,Clase 2 Tubería 2: 50cm, Sin Refuerzo, Clase 2Tubería 3: 90cm, Reforzada, Clase IV Tubería 4: 150cm, Reforzada, ClaseIVTubería 5: 230cm, Reforzada, Clase IV

CONDICION DE INSTALACIONFC= 1.9 Boussinesq 0.25m Material de Relleno: Arena w=1650 Kg/m³Material de cimentación: Grava TM=1/2"

Hmin= 0.61 m Hmax= Mayor a 20 mHmin= 0.61 m Hmax= Mayor a 20 mHmin= 0.26 m Hmax= Mayor a 20 mHmin= 0.11 m Hmax= Mayor a 20 mHmin= Superficial Hmax= Mayor a 20 m

PRUEBA DE CAMPO

OBJETIVO

Comprobar de manera práctica los resultados obtenidos de los cálculos desarrollados por medio de una formulación teórica, demostrando que pueden ser reconsideradas las profundidades mínimas de instalación de las tuberías.

CARACTERÍSTICAS DE LA PRUEBA

Se pretende simular de manera real las condiciones bajo las cuales puede estar instalada una tubería de concreto para alcantarillado, sujeta a la acción de cargas vivas principalmente, para tal fin se tuvieron en cuenta los siguientes parámetros:

Selección del terreno.Tuberías a ensayar.Condición de instalación.Carga viva aplicada.

SELECCIÓN DEL TERRENO

Se evaluó el acceso vehicular, peatonal, el espacio disponible para la instalación de la tubería y la prueba de carga.

Área de terreno: 3500 m². Área de prueba: 400 m².

TUBERÍAS A ENSAYAR

Las tuberías de concreto a ensayar fueron:

φ = 30 cm (12”) Concreto sin refuerzo, Clase 2.φ = 50 cm (20”) Concreto sin refuerzo , Clase 2.φ = 90 cm (36”) Concreto reforzado, Clase IV.φ = 150 cm (60”) Concreto reforzado, Clase IV.φ = 230 cm (92”) Concreto reforzado, Clase IV.

Para verificar el buen estado de las tuberías antes de la prueba de campo, se realizó el ensayo de los tres apoyos.


• Di: Diámetro interior.

• De: Diámetro exterior.

• Bd: Ancho de zanja.

• H: Altura de recubrimiento sobre el lomo del tubo.

• Hc: Espesor de material de cimentación.

• Hr: Espesor de material de relleno.

• Lzanja: Longitud de zanja.

• F.C: Factor de carga

Di (cm) De(cm) Bd (m) Hc (m) H (m) Hr (m) Lzanja(m) F.C30 36 0.80 0.28 0.61 0.79 4.96 1.950 60 1.05 0.40 0.61 0.91 2.48 1.990 110 1.50 0.69 0.26 0.81 2.50 1.9150 180 2.20 1.13 0.11 1.01 2.50 1.9230 274 3.15 1.71 0 1.37 2.50 1.9


Como material de cimentación se utilizó grava TM=½”. Para material de relleno se utilizó arena de río. Bajo las condiciones de instalación mencionadas, las cargas aplicadas al sistema suelo-tubo fueron:

Diámetro Carga Admisible Carga Real (kg)(mm) (kg) Muerta (kg) Viva (kg) Total (kg)300 4263 699 3327 4026500 6071 943 4578 5521900 16690 623 15737 163601500 27816 325 27212 275382300 42561 0 39000 39000

ENSAYOS DE LA BORATORIO

Se realizó el ensayo de los tres apoyos a las tuberías de concreto sin refuerzo y concreto reforzado. En la tubería de concreto sin refuerzo se utilizó un tubo testigo del mismo lote de producción; en la tubería de concreto reforzado se llevo el tubo al 90% de la carga de fisura de 0.3 mm. Los resultados obtenidos fueron:

Fecha del Ensayo Diámetro Tipo Clase VALORES DE RESISTENCIA (kg/ml)AA MM DD (mm) Resistencia Obtenida

2001 8 24 300 Sin Refuerzo 2 3365 38752001 8 25 500 Sin Refuerzo 2 4793 64012001 8 25 500 Sin Refuerzo 2 4793 68132001 8 23 900 Reforzada IV 8238 82382001 8 23 1500 Reforzada IV 13788 138002001 8 27 2300 Reforzada IV 21000 21212

ENSAYOS DE LABORATORIO

Material de rellenoPeso Unitario: γ=1650 kg/m³Angulo de Fricción Interna ϕ=35°Coeficiente de Fricción Interna: Kµ=0.1897

ESFUERZO CORTANTE τ vs ESFUERZO NORMALσ

0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

0.000 0.200 0.400 0.600 0.800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000

ESFUERZO NORMAL σ

ESFU

ERZO

CO

RTAN

TE

ϕ=35°

COHESION=0,14Kg/cm2

CARGA VIVA APLICADA

La prueba se desarrolló utilizando un vehículo cargado de tal forma que podía distribuir 15000 kg por eje (7500 kg por llanta), simulando la condición del camión C4095.

La carga se aplicó de manera longitudinal sobre la tubería, la cual es la condición más crítica.

PRUEBA DE CAMPO

Ensayos en Campo• Cono de arena.

Densidad del material de relleno compactado.• Granulometría y humedad

Caracterización de los materiales de cimentación y relleno.

Pruebas de resistencia• Cargas aplicadas a las tuberías en la máquina de

los tres apoyos.

PRUEBAS DE RESISTENCIA EN LA TUBERÍA

Fecha del Ensayo Diámetro Tipo Clase VALORES DE RESISTECIA (Kg/ml)AA MM DD (mm) Resistencia Norma Resistencia Obtenida

2001 8 24 300 Sin refuerzo 2 3365 38752001 8 25 500 Sin refuerzo 2 4793 64012001 8 25 500 Sin refuerzo 2 4793 68132001 8 23 900 Reforzada IV 8238 82382001 8 23 1500 Reforzada IV 13788 138002001 8 27 2300 Reforzada IV 21000 21212

Fecha del Ensayo Diámetro Tipo Clase VALORES DE RESISTENCIA (kg/ml)AA MM DD (mm) Resistencia Norma Resistencia Obtenida

2001 11 15 300 Sin refuerzo 2 3365 60552001 11 15 300 Sin refuerzo 2 3365 57792001 11 15 300 Sin refuerzo 2 3365 63822001 11 15 500 Sin refuerzo 2 4793 73632001 11 15 500 Sin refuerzo 2 4793 68682001 11 15 900 Reforzada IV 8238 83332001 11 15 1500 Reforzada IV 13788 138002001 11 15 2300 Reforzada IV 21000 22222

CONCLUSIONES

La resistencia inherente de los tubos de concreto para alcantarillado permite someterlos a cargas, tanto vivas como muertas, sin tener mayor preocupación del comportamiento que van a tener durante su vida útil.

La utilización de distintas teorías para el análisis de las cargas proporciona al estudio buenos fundamentos, pues considera todas las posibilidades existentes, siendo la condición más crítica la aplicación de una carga puntual concentrada en un área de 25x50 cm (Teoría de Bousinessq L= 25 cm)

CONCLUSIONES

El estudio permite dar la posibilidad de instalar las tuberías de concreto para alcantarillado con recubrimientos muy bajos, si por razones constructivas la misma obra lo exige, sin la necesidad de utilizar protecciones adicionales (Cárcamos), seleccionando las clases adecuadas.

Con la utilización de material granular como relleno, atraque y encamado se obtiene buena resistencia en el sistema suelo-tubo. En algunos casos la utilización de concreto para reemplazar el material granular es innecesario.

9.aspectos estructurales de tuberias rigidas

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