cimentaciones en tuberías

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• 10.5 RELLENOS

De acuerdo con la Norma NS 035 de la EAAB se tiene los siguientes elementos dediseño para la selección de los materiales que conforman los materiales derelleno y atraque de las tuberías del proyecto.

Figura 10-4 Detalle de los elementos de atraque y relleno de la tubería (Tomado deNS035)

Dimensiones y zonasdel modelo de cimentación

Tabla 10-23 Tipos de rellenos contempladas en la Norma NS 035 de la EAABNúmero Tipo de Relleno

1 Relleno mezcla gravilla y arena lavada derío

2 Recebo (relleno inicial y final)

3 Concreto

4 Piedra partida (atraque)

6 Suelos estabilizados

7 Suelos provenientes de la excavación

8 Subbase Granular

9 Base Granular

10 Arena de Peña (cama)

Tabla 10-24 Ancho de Excavación contempladas en la Norma NS 035 de la EAABDiámetro tubería Ancho de excavación Bd

(mm) (mm)

150 300

200 350

250 450

300 350

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• Es prioritario manifestar que los materiales granulares que hacen parte de laestructura de pavimento no hacen parte de los rellenos estructurales de la zanja yque los rellenos tipo sobre el lomo de la tubería deberán ser receboseficientemente compactados al 98% del Proctor modificado en capas de máximo30 cm de espesor. Estos rellenos corresponden a materiales seleccionados delIDU ET 2005.

10.6 CIMENTACiÓN DE TUBERíAS

La elección del modelo de cimentación se realizó buscando que el módulo deElasticidad del material de soporte sea lo más similar posible al módulo deelasticidad del terreno natural. Con base a esta premisa el modelo que serecomienda para realizar la cimentación es el modelo No. 3 para tuberías flexiblesel cual está definido en la Figura 10 de la norma NS-035 (ver Figura 10-5)

Figura 10-5 Modelo de Cimentación No 3. Tomado de EEAAB

l,Ioleriol166u86965

• Yotwiol762

t,lateriOl7666265

I,IQt~.aI762

Modelo de cirnentccién 3E' '" 4000l<N/m2

K=O.096

Es de resaltar que para el caso de las tuberías de alcantarillado sanitario, quesean de concreto, el modelo de cimentación se obtiene de la revisión de lascondiciones limite, por lo cual este se presenta en un númeral posterior.

10.6.1 Ancho de cimentación

La definición del ancho de la cimentación se realizó con base en el Anexo O de laNorma NS-035. La selección del ancho de la tubería está definida en función deldiámetro de la tubería a usar.

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• Dónde:Be: Ancho de CimentaciónDN: Diámetro Nominal de la Tubería en mm

Bc=1.75*DN

El Ancho de Cimentación de las diferentes tuberías en estudio se pueden observaren las Tabla 10-25 y Tabla 10-26, para las tuberías de alcantarillado sanitario ypluvial respectivamente.

Tabla 10-25 Ancho de Cimentación de las Tuberías de Alcantarillado Sanitario

N01 N02 46.36 0.2 0.2 0.009 0.352 N02 N03 83.38 0.2 0.2 0.009 0.353 N03 13 5.74 0.2 0.2 0.009 0.354 2928 5S 14.67 0.2 0.2 0.009 0.355 3023 4S 12.06 0.2 0.2 0.009 0.356 3 3S 14.50 0.2 0.2 0.009 0.357 3S 4S 25.10 0.2 0.2 0.009 0.35• 8 4S 5S 30.53 0.2 0.2 0.009 0.359 5S 6S 91.01 0.2 0.2 0.009 0.3510 6S N03 5.89 0.2 0.2 0.009 0.3511 22 13 34.61 0.25 0.25 0.009 0.45

Tabla 10-26 Ancho de Cimentación de las Tuberías de Alcantarillado Pluvial

L01 L02 26.07 0.4 0.4 0.019 0.702 L02 L03 32.27 0.4 0.4 0.019 0.703 L03 L04 28.30 0.4 0.4 0.019 0.704 L04 L05 38.88 0.5 0.5 0.024 0.655 L05 L06 38.89 0.5 0.5 0.024 0.656 155 156 76.14 0.7 0.70 0.014 1.257 156 L07 55.79 0.7 0.70 0.014 1.258 L07 R1 44.21 0.7 0.70 0.014 1.259 R1 R2 12.91 0.7 0.70 0.014 1.25

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e\ 10.6.2 Profundidad de excavaciones.

Con base en la Norma NS-035, para tuberías de alcantarillados pluviales laprofundidad mínima de recubrimiento es de 1.00 m medida a partir de la cotaclave, no obstante la profundidad es definida por el diseño hidráulico del proyecto,el cual definió los valores presentados en la Tabla 10-27.

Tabla 10-27 Recubrimiento de las Tuberías de Alcantarillado Pluvial

L01 L02 26.07 0.4 0.4 0.019 2545.08 2544.97 2546.08 2545.99 1.00 1.022 L02 L03 32.27 0.4 0.4 0.019 2544.90 2544.80 2545.99 2545.88 1.09 1.08

3 L03 L04 28.30 0.4 0.4 0.019 2544.74 2544.66 2545.88 2545.82 1.14 1.164 L04 L05 38.88 0.5 0.5 0.024 2544.67 2544.57 2545.82 2545.68 1.15 1.115 L05 L06 38.89 0.5 0.5 0.024 2544.51 2544.41 2545.68 2545.56 1.17 1.156 155 156 76.14 0.7 0.70 0.014 2544.12 2543.87 2545.49 2545.01 1.37 1.147 156 L07 55.79 0.7 0.70 0.014 2543.80 2543.62 2545.01 2544.76 1.21 1.148 L07 R1 44.21 0.7 0.70 0.014 2543.60 2543.45 2544.76 2545.01 1.16 1.569 R1 R2 12.91 0.7 0.70 0.014 2543.41 2543.35 2545.01 2544.80 1.60 1.45

e Para el caso de las tuberías de aguas negras en estudio, la Norma NS-035 deigual forma define una altura mínima de recubrimiento que corresponde a 0.75 men el caso que la tubería se encuentra ubicada por debajo de vías peatonales ozonas verdes y de 1.20 m en el caso de que la tubería se encuentre ubicado pordebajo de vías vehiculares. No obstante, la altura de recubrimiento de lasdiferentes tuberías fue definida por el especialista en hidráulica del proyecto segúnlos requerimientos altimétricos. Éstas se pueden observar en la Tabla 10-28 Enlos casos en que no se cumpla el requisito especificado por la Norma NS-035 sedeberá realizar una protección de la tubería.

Tabla 10-28 Altura de Recubrimiento de las Tuberías de Aguas Negras.

N01 N02 46.36 0.2 0.2 0.009 2544.52 2544.16 2545.89 2545.74 1.37 1.582 N02 N03 83.38 0.2 0.2 0.009 2544.08 2543.66 2545.74 2545.50 1.66 1.843 N03 13 5.74 0.2 0.2 0.009 2543.20 2543.17 2545.50 2545.49 2.30 2.324 2928 5S 14.67 0.2 0.2 0.009 2544.09 2543.97 2545.86 2545.87 1.77 1.905 3023 4S 12.06 0.2 0.2 0.009 2543.69 2543.63 2545.96 2545.85 2.27 2.22

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6 3 38 14.50 0.2 0.2 0.009 2543.82 2543.75 2545.87 2545.95 2.05 2.207 38 48 25.10 0.2 0.2 0.009 2543.74 2543.63 2545.95 2545.85 2.21 2.228 48 58 30.53 0.2 0.2 0.009 2543.60 2543.51 2545.85 2545.87 2.25 2.369 58 68 91.01 0.2 0.2 0.009 2543.48 2543.26 2545.87 2545.48 2.39 2.2210 68 N03 5.89 0.2 0.2 0.009 2543.25 2543.24 2545.48 2545.50 2.23 2.2611 2.2 13 34.61 0.25 0.25 0.009 2543.30 2543.18 2545.49 2545.49 2.19 2.31

10.6.3 Definición de los materiales

La definición de 108 materiales se realizó siguiendo las especificaciones dadas enel Anexo E de la NS-035 y en el modelo escogido de cimentación. Estosmateriales deben cumplir las especificaciones solicitadas por la Empresa deAcueducto y Alcantarillado de Bogotá en su Norma Técnica NP-040. Losespesores y tipo de material a emplear se pueden observar en la Figura 10-6.

Figura 1eH) Materiales y Espesores a Emplear de Tuberías con Cimentación enModelo 3• Recebo

Recebo

Recebo

Recebo

Arena de Peña

Para el caso de las tuberías de alcantarillado sanitario que sean de concreto, elmodelo de cimentación y materiales a emplear se define en un numeral posterios,debido a que para obtener estos se debe primero obtener el factor de cargarequerido, en función de las condiciones limites de las tuberías .• CONSORCIO ESTUDIOS 2009

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10.7 VERIFICACiÓN DE LAS CONDICIONES LíMITE

La verificaciones de las condiciones límite de las tuberías en estudio se realizarábasándose en la Norma Técnica NS-035 "Requerimientos para cimentación detuberías en redes de acueducto y alcantarilladd' de la Empresa De Acueductos yAlcantarillados de Bogotá (EAAB).

De acuerdo con la norma NS-035 en el numeral 4.8.1 para tuberías flexibles deCloruro de Polivinilo (PVC) se deben evaluar condiciones limites a Deflexión,Pandeo y Rotura de pared. De acuerdo con esto a continuación se presentan losdiferentes análisis realizados a las tuberías en estudio.

Para el caso de las tuberías de alcantarillado sanitario, las cuales a excepción delúltimo tramo son de concreto se presenta el análisis de resistencia de la tubería.

10.7.1 Revisión por deflexión

El cálculo de ,la deflexión se realizara de acuerdo a la teoría de Spangler (verEcuación 10-1), la cual concuerda con la expresión dada en el numeral 4.8.1.1. dela Norma NS-035 de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá.

Ecuación 10-1. Expresión de Spangler para el Cálculo de la Deflexión

av DLKP{lOO)%-'- = f---....!:....---:~]~--....,...BC2E /3 (RDE _1)3 +O.061E'·

Donde:

ay/Bc:a,DL:

K:WT:

E:1:

Porcentaje de deflexión de la tuberíaDiámetro exterior de la tubería (mm)Factor de retardo de la deflexiónFactor de soporteCarga por unidad de longitud de la tubería (MN/m).Modulo de elasticidad de la tubería. (MPa)Momento de inercia polar de la sección transversal de la pared del tubo(m4/m)Modulo de reacción de la sub rasante (MPa)E':

10.7.1.1 Factor de retardo de la deflexión (D!l

El factor de retardo de la deflexión está relacionado con la deformación adicionalocasionada por la compactación o consolidación del suelo próximo a la tubería. Deacuerdo con la Norma NS-035 este factos es de 1.5 para tuberías de PVC.

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10.7.1.2 Factor de soporte (K)

Según'.la Norma NS-035 el factor de soporte delatubería depende del ángulo delpérímetrointemo soportado de la tubería y su. relación la muestra en el cuadro 2de. la misma. No obstante en 'Iafigura 10'·donde se presenta el modelo decimentación a usar para las tuberías en cuestiqn especifica un factor de soporteigual a 0.096 para el modelo 3. MODULO DE REACCiÓN DE LA SUBRASANTE(15').

El Modulo de reacción de la subrasante Sé calcula multiplicando el modulo deel~sticicfadde los materiales de cimentación p()r 1m factor en función.de la relacióndelosm<sdulos de elasticidad de.1material de pimentación y el material del terrenonatural,esteJactor es llamado factorcornbinado de soporte del suelo.

Paracalqularel factor combinado de.soporte del suelo se usa,el. cuadro 4 •de. lanorma~$-035 (ver Tabla 10-29), al cual se~mt~acon la relación de los módulosylarelaciónentre el ancho de la zanja y el diámetro nominal de la tubería.

DepidQa que los valores de las. dos relacio~es.(~o se encuentran directamented~~tr()~el cuadro 4 de la NormaN$-035 (v~r -rflpla 10-29), el valor del factorcorrbinfl~o de soporte del suelo .se<obtuvQi~terp¡~lando.Ios valores de la Tabla1OJ-29.CJt.Jeenmarcaran los valores de entradaqqe.se tienen para cada tubería.

.ra~la 10--29Cuadro 4. Relació~·modulard~l.a.N.orma NS-035 {EEAAB}

,E.·.IE~, BJD BJO BJO I3JO BJD BJD1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 5.0

_961 0.15 0.30 U 0.60 aso 0.90 11·0()' .. ',0,.2 0.30 OA5 0-10 OJ15 0.92 t.ooJ(lA , 0,50 0.60 ., 0.80 ••'0.90 0.95 11,00"Ol6 j ¡. 0-10 0.80 0.90 ',O~ 1.00 1',00,,'0.8 j'. 0.85 0.90 0.95 .()198 1.00 1,.0()

'H(} ." 1.00 1.00 . 1.00 .•.·.·.~i1~()O 1.00 1100•,1;5 1.30 1.15 1.10 »'1205 1.00 1 lOO

, 2,0 1.50 1.30 1.15 '·>.1,10 1.05 1¡DOI i$:I) .... 1.75 1.45 1.30 1.20 1.08 HOOmas de 5.0 2.00 1.60 1.40 125 1.10 lJOO

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'.

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Tabla 10-30 Modulo de Reacción de la Subrasante de las Tuberías deAlcantarillado Pluvial

L01 L02 0.40 0.70 1.75 4250 4000 1.06 0.096 1.198

2 L02 L03 0.40 0.70 1.75 4250 4000 1.06 0.096 1.198

3 L03 L04 0.40 0.70 1.75 4250 4000 1.06 0.096 1.198

4 L04 L05 0.50 0.65 1.30 4250 4000 1.06 0.096 1.079

5 L05 l06 0.50 0.65 1.30 4250 4000 1.06 0.096 1.079

6 155 156 0.70 1.25 1.79 4250 4000 1.06 0.096 1.209

7 156 L07 0.70 1.25 1.79 4250 4000 1.06 0.096 1.209

8 L07 R1 0.70 1.25 1.79 4250 4000 1.06 0.096 1.209

9 R1 R2 0.70 1.25 1.79 4250 4000 1.06 0.096 1.209

Tabla 10-31. Modulo de Reacción de la Subrasante de las Tuberías deAlcantarillado Sanitario

10.7.2 Momento de inercia (1)

El momento de inercia polar de la seccion transversal de la pared del tubo, secalculo realizando la resta de la inercia de dos círculos. A la inercia calculada conel radio exterior se le resta la inercia calculada con el radio interior de la tubería(ver ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. y Tabla 10-32). Paracalcular la inercia de un círculo se empleo la siguiente ecuación:

rr(r2-)/=--

4

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Tabla 10-32 Inercia de las Tuberías de Alcantarillado Pluvial

L01 L02 0.40 0.019 0.00041

2 L02 L03 0.40 0.019 0.00041

3 L03 L04 0.40 0.019 0.00041

4 L04 LOS 0.50 0.024 0.00102

5 LOS L06 0.50 0.024 0.00102

6 155 156 0.70 0.014 0.00178

7 156 L07 0.70 014 0.00178

8 L07 R1 0.70 0.014 0.00178

9 R1 R2 0.70 0.014 0.00178

Tabla 10-33 Inercia de las Tuberías de Alcantarillado Sanitario

10.7.3 Deflexión

Con los parámetros encontrados en los subcapítulos anteriores y las propiedadesde la tubería a usar se puede utilizar la expresión de Spangler (ver Ecuación 10-1)para así obtener la deflexión de la tubería y verificar que esta no sea mayor a lamáxima deflexión permitida, la cual según la norma es de 7.5% para tuberías enPVC. El cálculo de la deflexión se puede observar en las siguientes tablas.

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Tabla 10-34 Cálculo del Porcentaje de Deflexión de las Tuberías de Alcantarillado Pluvial

2 L02 3 2.207 7.5 SI3 L03 3 2.184 7.5 SI4 L04 3 2.786 7.5 SI5 LOS 3 2.791 7.5 SI6 155 3 5.691 7.5 SI7 156 20.573 3 6.577 7.5 SI8 L07 19.156 3 6.125 7.5 SI9 R1 19.459 3 6.221 7.5 SI

Tabla 10-35 Cálculo del Porcentaje de Deflexión de las Tuberías de Alcantarillado Sanitario

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• Con base en las tablas anteriores se puede establecer que todas las tuberíascumplen a cabalidad con que la deflexión sea menor a las establecidas por lanorma NS-035 de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá.

10.7.4 Revisión por pandeo

Debido a que las tuberías instaladas en zanja presentan un comportamientoflexible frente al estado de cargas aplicadas, su característica distintiva depequeño espesor frente al diámetro, hace que sean susceptibles al "abollamiento".De acuerdo con la literatura técnica una forma aceptable de modelar esta situaciónes por medio de las ecuaciones de pandeo. La relación entre estas dossituaciones se puede observar en la Figura 10-7.

Figura 10-7 Analogía entre el Abollamiento yel Pandeo

, ,

I Semip~r(inetrored,flcado

La revisión al Pandeo que se recomienda tanto en la literatura técnica como en lanormatividad existente, se realiza por medio del cálculo de una presión admisiblela cual en ningún momento puede ser menor a la presión aplicada a la tubería.Esta presión admisible se calcula por medio de la siguiente formulación.

Ecuación 10-2. Presión Admisible al Pandeo

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Donde:

q, : Presión admisible de pandeo (Pa)FSq: Factor de seguridadRw: Factor de flotación del aguaB': Coeficiente empírico de soporte elásticoSp: Rigidez de la tubería (EI/[)3)E': Módulo de reacción de la subrasanté (Pa)D: Diámetro nominal de la tubería (m)

10.7.4.1 Factor de seguridad (FSg)

La Norma NS-0.35 define el factorde seguridad de acuerdo con la relación delrecubrimiento y el diámetro medio de la tubería. Cuando esta relación es mayor oigual a 2 el factor de seguridad iequivalea2.5 .ysi esta relación es menor a 2 elfactor de seguridad tendrá un valor de 3.0. Para definir el recubrímlentose tomócomo el menor de toda la tuberí~deacuerdoconlainforrnación suministrada porel diseño hidráulico. El cálculo de~steJactor se puede observar de la Tabla 10-36a la Tabla 10-36.

10.7.4.2 Factor de flotación délagua (Rwl

El factor de flotación del agua Rwsec~lyulaenfunción de la altura de la superficiedel agua.que está por encima dEfla p~rtesuperiorde la tubería y el recubrimiento.Cuando el nivel freático se enc~~ntraEmtr~latubería y la superficie del terrenoeste se calcula por medio de la siguiente ecuación:

Rw = 1- 0.33·(il14./lJ)

Dónde:

hw:Altura de la superficie de agua por encima de la parte superior de la tubería.H : Recubrimiento de la tubería.

En el caso en que el nivel freático se encuentre por debajo de la parte superior dela tubería el factor de flotación del agua tendrá un valor de 1.

La obtención de estos parámetros para las tuberías en estudio se puedenobservar de la Tabla 10-36 a la tabla 10-37.

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DEFINICIONES DE CIMENTACiÓN, ESTRUCTURAS, PAVIMENTO Y FACTORES DECONSERVACiÓN Del ESPACIO PÚBLICO



10.7.4.3 Coeficiente de soporte (8')

El coeficiente de soporte, es un coeficiente empírico y adimensional el cual tieneen cuenta el soporte elástico. Para el cálculo de este coeficiente se uso laecuación que propone la norma NS-035 la cual es:

B1 = 11+4e-O_2133H

Dónde:

H: Recubrimiento de la tubería (m)

Los coeficientes de soporte calculados para las tuberías en estudio se pueden veren la Tabla 10-29 y 10-30...

10.7.4.4 Pandeo

Con base en los parámetros obtenidos en los subcapítulos anteriores se puedeusar la Ecuación 10-2 para calcular la presión admisible de las tuberías al pandeo.(Ver Tabla 10-36 y 10-37).

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cimentaciones en tuberías

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