Diseño Apoyada Sobre Soportes Superficiales

En algunas situaciones es necesario o deseable el usar apoyos a intervalos definidos a lo largo del tendido de tuberías. La tubería sobre soportes se utiliza en la conducción de fluidos en edificios y plantas de tratamiento. También se usa para cruzar suelos rocosos o construcciones.

Esta sección analiza consideraciones pertinentes al diseño para instalaciones de tubería de Hierro Dúctil apoyadas e instaladas sobre el piso. Las instalaciones para cruzar puentes, las cuales no se analizan específicamente, requieren atención especial debido a sus características únicas.

INSTALACIONES SOBRE EL PISO Para instalaciones sobre el piso con un apoyo por cada tubo (o sea, claro de 6m por tramo) la tubería de Hierro Dúctil clase-K, mínima que se manufactura en todos los diámetros es más que adecuada para apoyar el peso de la tubería y el agua que contiene cuando se analiza de acuerdo con este procedimiento.

Otras consideraciones del diseño para tuberías apoyadas sobre el nivel del piso pueden incluir la capacidad de apoyo de los apoyos en sí, la resistencia de la estructura desde donde una tubería puede ser suspendida, y/o cargas no usuales o adicionales que no están dentro del alcance de esta sección. Dichas cargas pueden incluir efectos sísmicos, frecuencia o de resonancia de vibraciones, carga de viento, corrientes de agua y otras consideraciones especiales de diseño.

También es necesario el asegurar una estabilidad lateral y vertical mínima en los apoyos para tubería sobre el piso. Cuando las juntas se instalan con deflexión, pueden recibir empujes de origen hidrostático o hidrodinámico y si no se restringe su movimiento vertical y horizontal, las fuerzas desbalanceadas pueden generar mayor deflexión y posible falla en la línea.

La expansión térmica de las tuberías de Hierro Dúctil apoyadas sobre el piso, generalmente no representa un problema si el diseño y la instalación son adecuadas. Esto, gracias a la geometría de la junta espiga-campana. Un cambio de temperatura de 50° Celsius genera una expansión o contracción de 3.4mm en un tramo de tubería de 6m de largo. Este movimiento lo absorbe fácilmente la junta si fue instalada correctamente.

Eventualmente si las estructuras de apoyo tienen un comportamiento muy diferente al de la tubería, puede ser necesario un análisis especial de expansión, contracción y tipo de junta y soporte. Como referencia sírvase considerar los siguientes coeficientes de expansión térmica:

Hierro dúctil: 11.2 x 10^-6 mm/mm - grado Celsius
Acero: 11.7 x 10^-6 mm/mm - grado Celsius
Concreto: 12.6 x 10^-6 mm/mm - grado Celsius

LOCALIZACIÓN DEL APOYO
La seguridad del sistema se aprovecha al máximo al poner los apoyos inmediatamente detrás de las campanas de la tubería. Cuando el apoyo se pone cerca de la campana, la sección de la campana contribuye con mayor rigidez anular en donde más se necesita. Esta rigidez, a su vez, reduce el efecto de las cargas y concentración de esfuerzos. Normalmente los apoyos no se deberán de poner bajo espigas adyacentes a las campanas, debido a efectos inconvenientes sobre las juntas.

ÁNGULO DE SILLETA Y ANCHO DEL APOYO
Los apoyos de la tubería deberán de hacerle cuna a la tubería sobre una silleta (vea la Fig. 1). Esta cuna, que deberá de seguir la forma de la tubería, minimiza concentración de esfuerzos en los apoyos. Se recomienda que el ángulo (b) de la silleta del apoyo sea entre 90° y 120°. Muy poco o nada de beneficio se obtiene al aumentarlo a más de 120°. Con ángulos menores de 90°, el esfuerzo máxima tiende a aumentar rápidamente, conforme el ángulo de la silleta disminuye.

Hay algunas diferencias entre las teorías y los datos publicados con respecto a la importancia del ancho del apoyo axial. Se ha encontrado que las fórmulas más aceptadas son completamente independientes del ancho del apoyo. Sin embargo, algunas pruebas realizadas muestran una disminución de esfuerzos al aumentar el ancho del apoyo. Hay poco efecto sobre el esfuerzo máximo cuando el ancho del apoyo de la silleta se aumenta a más de . Por lo tanto, para los apoyos, el ancho mínimo (b) se determina al usar la siguiente ecuación:

En donde:

b = ancho mínimo del apoyo en (mm)
D = diámetro exterior de la tubería en (mm)
t_c = espesor mínimo de la tubería en (mm)

DISEÑO DEL APOYO
Por otra parte, los apoyos, los pilotes y/o los cimientos deberán de diseñarse adecuadamente desde un punto de vista estructural y de ingeniería de suelos para manejar con seguridad cualquiera carga transmitida por la tubería.

FIGURA 1 – ÁNGULO Y ANCHO DEL APOYO

CLARO DE VIGA PARA TUBERÍA DE HIERRO DÚCTIL SOBRE APOYOS
La tubería de Hierro Dúctil normalmente se manufactura en largos nominales de 6 metros, dependiendo del fabricante de la tubería. La junta más común que se usa con tubería de Hierro Dúctil es la junta del tipo de espiga-campana. Esta junta con empaque de hule permite cierta cantidad de desviación y desplazamiento longitudinal al mismo tiempo que mantiene su hermeticidad. Esto hace que estas juntas de tubería sean ideales para instalaciones normales sobre y bajo el suelo. La flexibilidad de las juntas reduce los esfuerzos de viga excesivos.Para tubería sobre apoyos, sin embargo, las juntas flexibles requieren que se ponga un apoyo debajo de cada tramo de tubería para asegurar la estabilidad.

Se han usado con éxito varios esquemas para obtener tramos de apoyo más largos en donde las condiciones particulares de instalación así lo requirieron pero estas situaciones especiales de diseño no se analizan específicamente en esta sección. El diseño aquí presentado, está basado sobre un apoyo por cada tramo de tubería.

FLECHA O DEFLEXIÓN DEL TRAMO AL CENTRO DEL CLARO
Los cálculos de la deflexión al centro del claro también están basados en el concepto de viga simplemente apoyada. Esto es también conservador debido a que las juntas se pueden flexionar en realidad. La deflexión máxima permitida a medio claro de la tubería para evitar daños al revestimiento interior de mortero de cemento está limitada a:

En donde:

y_r = deflexión máxima permitida en el centro del claro (mm)
L = el largo del claro en (metros)

Se puede desear una deflexión menor por razones de estética en instalaciones sobre el suelo o posiblemente por razones hidráulicas en tuberías con flujo por gravedad. Las limitaciones de la deflexión, si es que hay algunas, deberá determinarlas el ingeniero de diseño de acuerdo a la instalación específica.

La deflexión en el centro del claro, de un tramo que soporta una carga uniforme como viga simplemente apoyada, puede calcularse usando la siguiente fórmula:

En donde:

y = deflexión al centro del claro (mm)
w = la carga unitaria por metro lineal (kg/metros)
L= el largo del claro en (metros)
E = el módulo de elasticidad del hierro dúctil (170 Giga Pascals) (GPa)
D= el diámetro exterior de la tubería (mm)
d = D - 2tn (mm)
tn = el espesor nominal de la tubería (mm) menos
       tolerancia de vaciado (mm) (para instalaciones
       sobre el piso)

DISENO - INSTALACIÓN SOBRE EL PISO

Notas:
1) Los cálculos para el esfuerzo máximo en el apoyo, deflexión al centro del claro y esfuerzos de flexión, se basan en el manual DIPRA: "Diseño de tubería de Hierro Dúctil sobre soportes." Este análisis supone una viga simplemente apoyada.

2) Los pesos considerados son en base a tubería ACIPCO Fastite® llena de agua y con revestimiento de mortero de cemento Norma ISO 4179.