diseño de anclajes para una tubería forzada

7/21/2019 Diseo de Anclajes Para Una Tubera Forzada

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DISEO DETUBERIA FORZADA Y ANCLAJES

1. Introduccin:

Las tuberas que se encuentran a cielo abierto requieren

deestructuras deconcreto para sostenerse y apoyarse segn la pendiente del terreno.

El perfil de la tubera y el trazado, permiten determinar la ubicacin de apoyos y

estructuras que la sostienen y permiten el desplazamiento longitudinal por variacin

de latemperatura.La ubicacin de los anclajes esta determinada por las variaciones

del terreno, estos estn sometidos a esfuerzos por las cargas transmitidas por la

tubera. El nmero de apoyos es un criterio tcnico-econmico determinado por el

espesor del material de la tubera. El nmero de anclajes lo determinan las variaciones

de la pendiente.

Los bloques de apoyo se utilizan para soportar adecuadamente la tubera de presin.

Estos deben ser dimensionados de tal forma que sean de bajo costo y

fcilconstruccin.

Las tuberas forzadas enacero se conciben como una serie de tramos rectos,

simplemente apoyados en unos pilares y anclados slidamente en cada una de sus

extremidades, que en general coinciden con cambios dedireccin. Entre cada dos

anclajes consecutivos se intercala una junta de dilatacin

2. Objetivos: Disear de la manera ms eficiente los anclajes para una tubera forzada

3. Justificacin:El presente informe se realiz con la finalidad de poder disear los anclajes , ya

q sabemos es necesario tener elementos q sostengan las tuberas
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4. Resumen:El presente trabajo e basa en la investigacin pura y a la indagacin de esto

elementos estructural, el trabajo esta dividido en un marco terico (la teora de

lo que viene a ser un anclaje) y el diseo neto de dicho elemento. Todo basadoen la conduccin e tubera forzada utilizada en centrales hidroelctricas.

5. Marco Terico:

5.1. Tubera forzada:

Una tubera forzada es la tubera que lleva el agua apresin desde el

canal o elembalse hasta la entrada de laturbina.e utiliza tuberas forzadas cuando el declive es mayor al 5%, si no se usan canales. En

las instalaciones hidroelctricas, las tuberas de presin, tienen por objeto

conducir el agua desde un nivel superior a un inferior, para transformar la energa

potencial en energa mecnica

Caractersticas:

- Impermeabilidad.

- Resistencia de corrosin del agua.

- Resistencia a sobrepresiones por golpe de ariete.

- Facilidad de unin.
http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Embalsehttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.wikipedia.org/wiki/Embalsehttp://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n


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5.2. EMPUJES

En muchas situaciones, en las redes de abastecimiento de agua a

presin aparecen fuerzas no equilibradas tanto de origen tanto

hidrosttico como hidrodinmico, haciendo necesaria la disposicin desistemas de anclaje que impidan la separacin de las juntas.

La presencia de estas fuerzas no equilibradas se traduce en empujes

sobre los componentes afectados, tanto en conducciones areas como

enterradas. La magnitud de

los empujes de origen hidrodinmico es, generalmente, muy inferior a

los valores derivados de las presiones hidrostticas, por lo que suelen

ser ignorados en el diseo de los anclajes.

La presin hidrosttica, como su nombre indica, es debida al peso del

fluido en reposo en la tubera. Las componentes radiales de dichapresin se contrarrestan a travs de la tensin circunferencial de la

pared de la tubera, mientras que las componentes axiales actuando en

un plano perpendicular a la conduccin, se equilibran por la misma

fuerza actuando en el lado contrario del plano.

Sin embargo, en el caso, por ejemplo, de un codo, las componentes

axiales a cada lado del elemento, no se equilibran, dando lugar al vector

suma resultante, T, denominado normalmente empuje.

La necesidad de estos sistemas de anclaje se plantea

fundamentalmente en aquellas situaciones en las que se produce un

cambio de direccin o de seccin de la conduccin. En estos puntos, los

empujes pueden ocasionar el desplazamiento de las tuberas,

comprometiendo de este modo la funcionalidad de la red y causando

daos estructurales en dicho sistema y en su entorno. En este sentido,

en el diseo de las redes de abastecimiento, debe prestarse especial

atencin al anclaje de la tubera en los siguientes casos:

Codos horizontales

Codos verticales

Derivaciones (T, Yetc.)

Conos de reduccin (disminucin del dimetro)


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Vlvulas (seccionamiento y regulacin)

Extremos finales

Tramos de pendientes elevadas

Cuando los tramos de una tubera se encuentran apoyados sobre un

terreno en pendiente, la componente del peso propio de la tubera en la

direccin de su trazado, (ver Fig 4), favorece el deslizamiento de la

misma, circunstancia que aumenta en funcin del ngulo de inclinacin

de dicha pendiente.

5.3. Apoyos:Es un resorte para evitar flexiones de la tubera. Por lo general ,son de concreto con mental antifriccin debido a la dilatacin de la

tubera


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APOYO EN UNA TUBERIA DE ACERO

5.4. Anclajes: En los cambios deseccin y de perfil de la tubera, contrapesan esfuerzos en las tuberas de presin. Antes y despus de cada

anclaje, debe existir una junta de dilatacin o explosin que absorba y

evite deformaciones en la tuberas.

El anclaje de las instalaciones en pendiente puede realizarse de dos

maneras diferentes:

Anclaje de tubo a tubo. Consiste en disponer un anclaje detrs del

enchufe de cada tubo, siendo la unin entre tubos mediante juntas


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automticas o mecnicas sin acerrojar. Esta configuracin debe permitir

la posible absorcin de dilataciones trmicas que puedan producirse.

Anclaje de todo el tramo: en pendiente a partir de tuberas cuyas

uniones son acerrojadas, se procede a:

o Anclar el tramo mediante un macizo de anclaje en el punto ms alto,En caso de que la longitud mxima del tramo a anclar fuera superior a la

admisible por la longitud de acerrojamiento, debern realizarse varios

tramos independientes, anclando cada uno de ellos en su cabecera

mediante macizo de anclaje. o Garantizar la actuacin de una longitud

de acerrojado, L, mnima en un tramo horizontal superior de la

conduccin. En este caso, la traccin existente es resistida por

rozamiento.

La actuacin consiste en colgar la totalidad del tramo en pendientepor medio de un macizo de anclaje o a travs del tramo

complementario.

Por tanto, como posibles soluciones al anclaje de tuberas en pendiente

se proponen macizos de anclaje de hormign armado como el

representado esquemticamente.


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5.5. SISTEMAS DE ANCLAJE

En el caso de tuberas areas, los empujes suelen ser resistidos por los

propios soportes diseados para elevar la conduccin, elementos que,

en este caso, se emplearan con la doble funcin de apoyo y macizo de

anclaje.Para las tuberas enterradas, se van a considerar dos tipologas en

cuanto a los sistemas de anclaje habitualmente empleados:

Macizos de anclaje.

Uniones auto trabadas o acerrojadas

- Macizos de anclaje

Se trata de grandes dados de hormign cuyo peso P inclina el empuje T

hacia el terreno

(Fig 6a). Se calculan las dimensiones necesarias del dado para:

Situar la reaccin R dentro dela superficie del macizo (comprobacin al

vuelco), (Fig

6b).

Comprobar que el ngulo de la reaccin es menorque el de rozamiento

entre el macizo y el terreno (comprobacin de deslizamiento), (Fig 6c).

Comprobar que el suelo es capaz de desarrollar la reaccin R sin romper

(comprobacin de tensiones en el terreno), (Fig 6d).


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- Uniones auto trabadas o acerrojadas

Los empujes Tse compensan a travs de las propias tuberas sin

necesidad de otra accin exterior. Es necesario comprobar que tanto las

paredes de las tuberas como, especialmente, las uniones resisten estos

empujes.

Estas uniones se caracterizan por su capacidad para resistir tracciones

longitudinales. Se trata de un sistema cuyas aplicaciones ms usuales

son las siguientes:

Como alternativa a los macizos de anclaje, especialmente cuando

existen condicionantes de espacio (por ejemplo en zonas urbanas), en

terrenos poco estables o para agilizar la instalacin de la tubera.

En caso de pendientes elevadas.

Situaciones especiales. Paso bajo ros en los que la tubera apoyadirectamente sobre el fondo del cauce y se pueden producir

movimientos de dicho fondo, o cuando la tubera se monta fuera de su

ubicacin definitiva y una vez conectada se trasladaetc.

6. Diseo6.1. Canal de conduccin:

Q= 1.8m/s3

Z=0

B=1.5

Longitud total =645.9 m

n= 0.015

s=0.002

6.2. Cmara de carga

Vt=(0.693*Qd2)/(A*i*g)

Vt=(0.693*1.82)/(1.14*0.002*9.81)

Vt=102.6m3


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6.3. Tubera Forzada

Como ya hemos mencionado la tubera de presin se caracteriza por el material del que est

hecha, su dimetro, espesor y tipo de unin.

Para el caso de Ichocan se considera una tubera de acero por su resistencia a impactos,

soportar cargas estticas, sobrepresiones y supresiones, por su durabilidad.

Datos:

Q= 1.8m3/sg; caudal de diseo

L=81.28 m

Hb= 55 altura bruta

hf=2.75 perdida de carga del 5%

n=0.012, coeficiente de Manning para acero, tabla 14.

Clculo del dimetro de la tubera

Se debe tener en cuenta que a mayor dimetro, son menores la velocidad y las prdidas hidrulicas

en la tubera y por lo tanto mayor es el salto aprovechable y la potencia disponible. A menor

dimetro, mayores son las prdidas hidrulicas, pero menor es el costo de la tubera .Para el clculo

de la tubera utilizamos Manning E 5:

Considerando una prdida de carga igual al 5% D= 69.35cm

D=27.3 pulg

D= 27pulgadas

Seleccin del material de la tubera de presin


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Clculo de la velocidad en la tubera.

V=4.77 m/s

3 Clculo del dimetro econmico

El dimetro econmico est en funcin del coste de la tubera la amortizacin y las prdidas de

carga en la tubera .Es decir a mayor dimetro menor perdida de carga y por lo tanto mayor

generacin de energa pero al mismo tiempo mayor costo por lo que se hace siguiente anlisis.

Datos.

Hb=55 m, altura bruta

L=81.28m, longitud tubera

Q=1.8m3/sg, caudal diseo

Vmx=5.0m/sg, para tubera de acero

Vmin= 2.0m/sg, para tubera de acero

Rango del dimetro.- Usando la Ec 70 y Ec 71

Dimetro mnimo:

Dmn=26.6 plg

Dimetro mximo:

Dmn=42.14plg


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Calculo de la sobrepresin (Ht)

Asumimos una sobre presin del 35% de la altura bruta.

0.35*55=19.2555+19.25=74.25

Ht=74.25m

P=7.425kg/cm2, presin esttica ms sobre presin

Calculo del espesor (e).- Usando la Ec 72

Para:

=1000 kg/cm2, esfuerzo de trabajo del acero

e0=2mm, (sobre espesor)

Tenemos:

Espeso para 26.6=0.0024m

Espeso para 42.14=0.0026m

Espeso para 35= 0.0025m

Calculo de la perdida de carga por friccin (hf).- Usando :

Para el clculo de f utilizamos el diagrama de Moody

+ + 0


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Calculo del costo de la energa perdida (Cep)

Ce= 0.75, costo de 1kW/ hr , en nuevos soles

plg

m

V

m/sg

f hf(m) Ppkw/h/ao Cep (s/.)27 0.1524 4.660 0.00030 5.00 0.0160 16.49 40059.37 26038.59

30 0.1778 3.423 0.00026 4.29 0.01615 7.70 18707.80 12160.07

32 0.2032 2.621 0.00023 3.75 0.0165 4.04 9803.35 6372.17

35 0.2286 2.071 0.00020 3.33 0.0166 2.25 5473.13 3557.54

Amortizacin anual de la tubera (Aa)

+ +

plg

m

e

(mm)

G

(Tn)

C

(S/)

Q

(m/sg)Aa (s/)

27 0.1524 2.78 1.51 2263.35 0.085 797.149

30 0.1778 2.9 1.84 2763.5 0.085 973.297

32 0.2032 3.03 2.2 3298.77 0.085 1161.818

35 0.2286 3.16 2.58 3869.16 0.085 1362.70847Coste total de la tubera.


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plgCep (s/.)

Aa

(s/)

CT

(S/.)

27 26038.589 797.15 26835.74

30 12160.069 973.30 13133.37

32 6372.176 1161.82 7533.99

35 3557.536 1362.71 4920.24

Escogemos la de 35 por ser la de menor costo

Verificacin del dimetro obtenido

Para lo cual usamos las formula de Mannesman Rohren Werke Ec 78:

Por lo tanto del dimetro calcula para una prdida de carga del 5% y del clculo de dimetro

econmico (=35plg) podemos concluir que el dimetro para la tubera de presin de la minicentral

de Ichocan es de 35 plg.

Calculo de las prdidas de carga

a. Perdidas por friccin (hf) usando Ec 60

1000.000

6000.000

11000.000

16000.000

21000.000

26000.000

31000.000

36000.000

6 7 8 9 10

COSTO

DIAMETROS

Grfico del dimetro econmico

Costo de energa

perdida

Amortizacin

Costo total


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hf=2.27m

b. Perdidas singulares

Perdidas por turbulencia (h1) Usando E 61 0 kb=0.11

Perdidas por estrechamiento brusco

D=1.00 ,m, dato de la cmara de carga

d=0.889m dimetro de la tuberaDeterminar el tipo de estrechamiento

d/D=0.889

Para d/D > 0.76 se tiene

Kp= 0.088m

Perdidas por cambios en la direccin (h2)

En tramos con codos, a partir de los promedios dados por Gibson y Weissbach

Kp

0 0

15 0.05

30 0.1

45 0.25

60 0.5

90 1.15120 2

150 2.7

180 3

1=30

2=0

3=45

Angulo Kpi

1 30 0.1

2 0 0.0


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3 45 0.25

De la suma de los: kpi=0.36

Circular Rectangular

a/D kp a/D kp

1/8 90 1/10 90

2/8 17 2/10 45

3/8 7.6 4/10 8.1

4/8 2.1 6/10 2.1

5/8 0.8 8/10 0.4

6/8 0.26 10/10 0.02

7/8 0.07

8/8 0.02

Por lo tanto tomamos para vlvula de compuerta rectangular totalmente abierta

hp=0.02m

Perdidas de carga en la rejillaDatos:

=2.42

b=1.0

v=1.5m/sg

=60

u=0.6

() hr=0.023

Suma de las prdidas parciales singulares

Kpt=0.4

Calculo de prdidas singulares


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hs=0.1447 m

Prdidas totales en la tubera de presin

ht=2.415m ,que equivale al 4.4% de la altura bruta.

Calculo de la altura neta

Hn=Hb+ht

Hn=57.42 m

Tiempo de cierre

El tiempo necesario para que la onda de presin se desplace a lo largo de toda la tubera. Usando

Calculo de la velocidad de la onda k=2.10E+09Kn/mm2

E=2.06E+11Kn/mm3

D=889mm

t=9.27

agua=1000

+ c=1280.93 m/sg

4.5.5.7 Calculo de la sobrepresin

Se utiliza la Ec 66:


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P=269.82 KN/mm2

4.5.5.7 Calculo de la presin negativa

PC=882500 KN/mm2



ht=2.42 ,que equivale al 3.01% de la altura bruta.

ANCLAJES Y APOYOS

Calculo de anclajes en los tramos interiores (anclajes 1)

Figuran 1.Anclajes de los extremos de la tubera de presin.Fuente: Elaboracin propia

DESCRIPCION VALOR

H 55.00

Q 1.80

Di 0.88

t 2.50

De 0.88A 30.00

B 35.00

PeT 1450.00

PeA 1000.00

WT 9.99

WA 601.32

L1 18.00

L2 35.00

u 0.40

L4 35.00

Sadm. 1.00


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H= Altura de presin esttica

Q= Caudal de diseo

Di= Dimetro interior de la tubera

De= Dimetro exterior de la tubera

t= Espesor de la tubera

A= Angulo aguas arriba con la horizontal

B= Angulo aguas abajo con la horizontal

PeT= Peso especfico de la tubera

PeW= Peso especfico del agua

WT= Peso de la tubera

WA= Peso del agua

L1= Distancia media del 1 anclaje al 2.

L2= Longitud de tubera sujeta a movimiento

u= Coeficiente de friccin entre PVC y suelo

L4= Long. de tubera entre junta de dilata-

cin y anclaje.

F1 9529.44

F2 7411.78

F3 2938.86

F4 174.88

F5 0.00

F6 0.00

F7 0.00

F8 46.15

F9 0.00

DATOS

a 0.50

b 0.80

c 0.25

d 0.50

e 0.25

f 0.50

g 0.80


19/22

g

e 1

f

d 2

c 3

a

b

N AREAS VOLUMEN PESOS Xg Yg

1 0.06 0.05 115.00 0.17 0.83

2 0.40 0.32 736.00 0.40 0.50

3 0.13 0.10 230.00 0.25 0.13

TOTAL 0.59 0.47 1081.00 Xg= 0.34

Yg= 0.46

ESTABILIDAD DEL ANCLAJECUANDO LA TUBERIA SE DILATA CUANDO LA TUBERIA SE CONTRAE

SFx= 1675.32 SFx= -11162.26

SFx


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WA 601.32 WA= Peso del agua DATOS

L1 30.70 L1= Distancia media del 1 anclaje al 2. a 0.50

L2 35.00 L2= Longitud de tubera sujeta a movimiento b 0.80

u 0.40 u= Coeficiente de friccin entre PVC y suelo c 0.25

L4 35.00 L4= Long. de tubera entre junta de dilata- d 0.50

Sadm. 1.00 cin y anclaje. e 0.25

f 0.50

g g 0.80

e 1

f TUBERIA

d 2

c 3

a

bN AREAS VOLUMEN PESOS Xg Yg

1 0.06 0.05 115.00 0.17 0.83

2 0.40 0.32 736.00 0.40 0.50

3 0.13 0.10 230.00 0.25 0.13

OTAL 0.59 0.47 1081.00 Xg= 0.34

Yg= 0.46

ESTABILIDAD DEL ANCLAJE

CUANDO LA TUBERIA SE DILATA CUANDO LA TUBERIA SE CONTRAE

SFx= -2722.15 SFx= -15559.73

SFx


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N de apoyos y anclajes

Se tiene un desnivel de 55 m por lo cual se ha previsto la ubicacin de apoyos,

juntas de dilatacin y de anclajes.

Se diseara 5 apoyos, los cuales se ubicaron de la sgte. manera:

- 1apoyo entre la camara de carga y el 1er anclaje, es decir a 5.25m de la camrade carga

- 2 entre 1 y2 anclaje con un distanciamiento de 11.55 m

- 2 apoyos entre 2do y 3r anclaje

- As mismo se ha ubicado estratgicamente juntas de dilatacin a 3.00 m

inmediatamente despus de un anclaje, que ayuden a disipar la energa.

apoyo

apoyo

apoyo

apoyo

apoyo

anclaje

anclaje

camara de carga

anclaje


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7. Conclusiones: Se logr disear de la manera ms eficiente los anclajes para una tubera

forzada , al mismo tiempo se logr disear la tubera forzada.

8. Bibliografia

o Manual de Mini Y Microcentrales Hidrulicas : ITDG

o Microcentrales Hidroelctricas : GEA - UTFSM

o Flujo a Presin : Universidad Del Cauca

M.E.Guevara A. Colombia

o Hidrulica General : SOTELO, Avila.

o Separatas Del Curso De Hidroenerga : Ing Gaspar Mendez Cruz.

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diseño de anclajes para una tubería forzada

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