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Diseño De Bloques Contra Empuje

DISEÑO DE BLOQUES CONTRA EMPUJE

Nótese que la siguiente sección es una adaptación de la publicación de la Asociación de Investigación de Tuberías de Hierro Dúctil (DIPRA) sobre "Diseño de tuberías acerrojadas para resistir empuje". La explicación de las fórmulas, así como la teoría del diseño y las consideraciones prácticas, se muestran en el folleto de DIPRA. Para obtener una copia, contacte a ACIPCO.

BLOQUES CONTRA EMPUJE O ATRAQUES

Uno de los métodos más comunes para resistir el empuje por cambio de dirección o tapa al final del tubo, es el uso de bloques de concreto o atraques. La figura 1 muestra un bloque de concreto típico para apoyar un codo horizontal. La resistencia se obtiene al transferir el empuje al suelo mediante un área mayor de contacto del bloque de modo que la presión resultante contra el suelo no excede la fuerza cortante horizontal del mismo. El diseño de los atraques o bloques de empuje consiste en determinar el área de apoyo adecuada del bloque para unas condiciones particulares. Los parámetros involucrados en el diseño incluyen: diámetro del tubo, presión de diseño, ángulo del codo (o configuración del los accesorios involucrados) y la fuerza de corte horizontal del suelo.

Los siguientes son criterios generales para diseño de bloques de concreto contra empuje o
atraques.

  • La superficie de apoyo debe estar en contacto con suelo inalterado. Cuando esto no sea posible, el relleno entre el bloque de apoyo y el suelo inalterado deberá compactarse por lo menos al 90% de la Densidad Proctor Estándar.
  • La altura (h) del bloque debe ser igual o menor que la mitad de la profundidad total al fondo del bloque, (Ht), pero no menor que el diámetro del tubo (D).
  • La altura del bloque (h) deberá ser seleccionada de tal manera que el ancho calculado del bloque (b) varíe entre una y dos veces la altura.

La superficie de apoyo requerida para el bloque es:

Después, para un codo horizontal:

    Donde:
    Sf = factor de seguridad (usualmente es 1.5 para el diseño de bloques de empuje).
    P = presión máxima del sistema (Kg/cm2).
    A = sección transversal del área del tubo (cm2).
    = ángulo del codo (º).
    Sb = fuerza de resistencia del suelo (Kg/m2).
    T = fuerza de empuje (Kg).
    b = ancho de bloque (m).
    h = altura del bloque (m).

Algo similar puede ser usado para diseñar bloques de resistencia que soportarán las fuerzas de empuje en tees, codos, tapas ciegas, etc. Valores típicos para fuerzas de apoyo horizontal conservador de varios tipos de suelo se presentan en la tabla 1. En lugar de los valores para soporte de apoyo mostrados en la tabla 1, un diseñador puede elegir el usar presión pasiva Rankine calculada (Pp) u otra determinación de soporte de apoyo del suelo basado en las propiedades reales del suelo.

SUELO RESISTENCIA DEL
SUELO DE APOYO
Sb (kg/m2)
Fango 0
Arcilla suave 4800
Barro 7300
Barro arenoso 14,600
Arena 19,400
Arcilla arenosa 29,200
Arcilla dura 48,800

TABLA 1. RESISTENCIAS DE APOYO HORIZONTALES.

Además de que los valores de resistencia de apoyo han sido usados satisfactoriamente en el diseño de bloques de empuje y son considerados conservadores, su precisión es totalmente dependiente de una identificación y evaluación precisa del suelo. La última responsabilidad de seleccionar la resistencia de apoyo apropiada de algún tipo de suelo en particular debe caer sobre el Ingeniero que haya hecho el diseño.

 

BLOQUE DE APOYO FIGURA 1


JUNTAS ACERROJADAS

Un método alternativo de restringir el empuje es el uso de juntas acerrojadas. Una junta acerrojada es una junta especial de tipo espiga - campana que está diseñada para dar un amarre o seguro longitudinal. Los sistemas de juntas acerrojadas funcionan en una forma similar a los bloques de soporte, de modo que la reacción de la unidad de tubería restringida, en conjunto con el suelo, balancea las fuerzas de empuje.

La fuerza de empuje debe ser restringida o balanceada por la reacción de la unidad de tubería acerrojada junto con el suelo que la rodee. La fuente de las fuerzas restrictivas se divide en dos. Primero, la fricción estática entre la unidad de tubería y el suelo; y segundo, la restricción o cerrojo proporcionado por el tubo al apoyarse contra el suelo de relleno lateral que hay a lo largo de cada pata del codo. Ambas fuerzas son funciones de la longitud de acerrojado L de cada lado del codo, y se presume que actúan en dirección opuesta a la fuerza de empuje (oponiéndose e impidiendo el movimiento del codo).

Los valores de la cohesión del suelo (Cs) y el ángulo de fricción interna del suelo (ø) deben ser conocidos o conservadoramente estimados para el suelo en una instalación particular. Los valores fc y f ø están relacionados con el tipo de suelo y material de la tubería. La tabla 3 presenta valores conservadores de estos parámetros para tubería de hierro dúctil en siete clasificaciones generales de suelos saturados.

FUERZA DE FRICCIÓN UNITARIA, Fs

La fuerza de fricción estática actuando sobre un cuerpo es igual en magnitud a la fuerza aplicada hasta un valor máximo. En los análisis convencionales, la fricción estática máxima es proporcional a la fuerza normal entre las superficies que proporcionan la fricción. La constante de proporcionalidad, en este caso llamada el coeficiente de fricción, depende de la naturaleza de las superficies. El trabajo empírico de Potyondy indica que para la fricción entre tuberías y suelos, la fuerza también depende de la cohesión del suelo.

Entonces: si Fs=APC+W tan , donde AP es el área de superficie del exterior del tubo en m2/m, C es la cohesión de tubo en kg/m2, y es el ángulo de fricción del tubo en grados. El término está definido por la ecuación . La unidad de fuerza normal W es dada por W = 2We + Wp + Ww' donde la carga de tierra (We) es tomada como la carga del prisma sobre el tubo en kg/m. Está definida por la ecuación We = HD', donde es la densidad del suelo en kg2/m3 y H es la profundidad de cubierta en metros. La carga de tierra es duplicada para considerar las fuerzas actuantes en ambas partes superior e inferior de la tubería. La unidad de peso del tubo y el agua (WP + Ww) es dada en la tabla 2. La cohesión de la tubería (C) es definida por la fórmula C=fc*Cs.

Entonces

RESISTENCIA UNITARIA DE APOYO, RS

La resistencia unitaria lateral máxima, Rs en el codo, se limita para que no exceda una distribución rectangular del empuje del suelo pasivo Rankine Pp, la cual es generalmente menor que la capacidad última del suelo para resistir el movimiento de la tubería.

El empuje pasivo del suelo para un suelo en particular es dado por la fórmula Rankine:

Donde
Pp = empuje pasivo del suelo (kg/m2)
= densidad del suelo (kg/m3)
Hc = profundidad de cubierta a la línea central del tubo (m)
N = tan2 (45° + )
Cs = cohesión del suelo (kg/m2)

Como se mostró arriba, el empuje pasivo completo del suelo Rankine, Pp, puede desarrollarse con movimientos insignificantes en suelos bien compactados. Para algunas condiciones estándares de tendido de tubería de hierro dúctil, el valor de diseño del empuje pasivo del suelo deberá ser modificado por un factor Kn para asegurar que no ocurra un movimiento excesivo. Por tanto, Rs = KnPpD´.

En la tabla 3 se muestran valores empíricamente determinados para Kn.

En este contexto, el valor escogido para Kn depende de la compactación de la zanja, los materiales de relleno, y el suelo inalterado. Por consiguiente, para un codo horizontal, la ecuación es:

En ciertas instalaciones extraordinarias pueden resultar cargas y resistencias friccionales menores sobre los tubos que lo calculado con estas ecuaciones. Cuando existan estas condiciones, esto debe ser considerado para el diseño.

> Diseño De Bloques Contra Empuje
> Fuerza De Fricción Unitaria, Fs
> Resistencia Unitaria De Apoyo, RS


 
 

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