UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA HIDROENERGIA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA HIDROENERGIA

APOYOS Y ANCLAJES DE TUBERIA FORZADA PARA UNA MINICENTRAL

1. INTRODUCCIN.

Todos los componentes de la conduccin que puedan estar sometidos a empujes por efecto de la presin hidrulica, tales como codos, derivaciones, conos de reduccin y vlvulas de seccionamiento o de regulacin, debern anclarse a un macizo de hormign armado que contrarreste el empuje y asegure la inmovilidad de los mismos.

El macizo de anclaje se dispondr por debajo del componente a anclar, excavando el fondo de la zanja de la conduccin y hormigonando contra el terreno.En general no se admitirn macizos de anclaje con apoyo lateral sobre la pared de la zanja salvo circunstancia excepcional que lo justifique, a juicio del responsable de la recepcin de las obras, y siempre que se garantice la permanencia futura del empuje pasivo del terreno sobre el que se apoya el macizo.

El componente de la conduccin se anclar al macizo mediante dado de hormign armado con la seccin y armaduras suficientes para soportar las solicitaciones mecnicas a que estar sometido. El dado de hormign puede ser centrado en el macizo con la conduccin alojada en su interior, o bien excntrico y apoyando en l la conduccin mediante cuna de mortero de alta resistencia.

2. OBJETIVOS:

Conocer los criterios sobre el diseo de apoyos y anclajes para una tubera forzada. Conocer los tipos de anclajes y apoyos, la utilizacin y la importancia de estos. Deducir las frmulas utilizadas para el diseo de apoyos y anclajes.

3. JUSTIFICACION

El presente trabajo tiene como finalidad fundamental acoplar el diseo de apoyos y anclajes a la tubera forzada que ya se ha venido estudiando y enseado por el docente de la materia, como se sabe dicho elementos de la tubera de fuerza tambin necesitan de un diseo y calculo adecuado para que en conjunto trabaje adecuado ya que la tubera de fuerza tendr que transportar agua hacia las turbinas, conforme a un caudal y a una velocidad adecuada para no daarlas. Tambin se tiene en cuenta el cambio de pendiente, la pendiente en s, el dimetro de la tubera, etc. Todo esto va acompaado de un soporte y un sistema de anclajes el cual ser colocado en toda la tubera de fuerza a cierta distancia especificada, el cual en el diseo se deber mencionar y determinada.

4. ALCANSES

Dados los tipos de tubera empleados y las caractersticas de las redes, slo resulta necesario el anclaje de la tubera en los puntos de cambio de direccin y en los emplazamientos de piezas especiales, que, dada su dispersin, garantizan la estabilidad del conjunto de la red. En los tramos rectos de la red, dados los tipos de unin empleados, queda garantizada la absorcin de los empujes producidos y esfuerzos a que se ve sometida la tubera con la simple compactacin de tierras en zanja.

5. REVISION DE LITERATURA

5.1 Apoyos y anclajes. Las tuberas que se encuentran a cielo abierto requieren de estructuras de concreto 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 la temperatura. La ubicacin de los anclajes est 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 fcil construccin. Las tuberas forzadas en acero 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 de direccin. Entre cada dos anclajes consecutivos se intercala una junta de dilatacin (figura 1).

5.2 Existen tres tipos de anclajes:-Anclaje para variar pendientelongitudinal.-Anclaje para variar pendiente longitudinal y transversal.-Anclaje para variar pendiente transversal.

5.3 Bloques de apoyoSe utilizan para sostener adecuadamente la tuberade presin. Encima del est montada una placa metlica de baja friccin con la cual se desliza la tubera depresin, montada sobre una silla metlica debaja friccin. (Figura 2)Con estas condiciones los esfuerzos mecnicos transmitidos son menores. Una altura mnima para facilitarel escurrimiento de aguas de lluvia es:

5.4.-Esfuerzos:Fuerzas por el peso de la tubera y el peso delagua:Peso del agua:

Peso del tubo:

Donde:ya es el peso especfico del agua.yt es el peso especfico del material del tubo.

Fuerza por el peso del apoyo:

5.5 Anclaje de codos por cambio de alineacin:Un cambio de alineacin provoca una fuerza E que es la suma de las siguientes fuerzas:- La fuerza P0 motivada por la presin hidrosttica:

Siendo:E = Empuje en toneladas en la direccin de la bisectriz del ngulo.h = Altura en metros de la carga esttica del agua.S = Seccin de la tubera.q = Angulo en el codo.- Adems existe la fuerza centrfuga F debida al esfuerzo ejercido por el agua contra la tubera, al cambiar de direccin.

La fuerza E se obtiene mediante la suma aritmtica de las dos fuerzas:

Si la velocidad es pequea y la presin grande, se puede despreciar el efecto de la fuerza centrfuga F, por tanto:

Siendo:MPD = Mxima presin de diseoD = Dimetro interior de la conduccinEl codo puede estar colocado en distintas posiciones, estudindose en este anejo las ms generales, debiendo calcularse cada caso especfico en obra, siguiendo las pautas aqu marcadas. A continuacin estudiamos algunos casos generales:

5.6 Codos horizontales

El empuje de un codo horizontal se contrarrestar con:

- El empuje absorbido por rozamiento con el terreno.- El empuje absorbido por reaccin del suelo con el dado de hormign, este empuje se considerara prcticamente despreciable.

La distancia (h) entre la base superior del macizo y el eje sobre el que acta el empuje hidrulico es igual a la suma de la mitad del dimetro interior de la tubera ms una cantidad fija debida al espesor de la tubera, al dimetro de los enlaces de los extremos del componente y a la facilidad de operacin y maniobra. Se considera que esta cantidad no tendr que ser inferior de treinta centmetros con objeto de dejar la suficiente holgura para facilitar la maniobra de los tornillos en el caso de utilizarse enlaces embridados.

5.7 Dimensionamiento del macizo de hormign:

1. El dado de anclaje se dimensiona considerando que el empuje hidrulico es absorbido por rozamiento con el terreno. El empuje absorbido por reaccin del suelo con el dado de hormign se considerar prcticamente despreciable y no se tiene en cuenta en el clculo. Por tanto:

Siendo:ftz = Angulo de rozamiento interno del terrenogh = Peso especfico del hormign

2. Las tensiones trasmitidas al terreno por el macizo de anclaje, debidas al peso propio del macizo y al empuje ejercido por la presin hidrulica, deben ser inferiores a la tensin admisible del terreno.

Siendo:sadm = Tensin admisible del terrenogh = Peso especfico del hormign5.8 Dimensionamiento de las armaduras del macizo:

Se consideran dos tipos de armaduras, principal y secundaria:

a) Armadura principal (S1):

Se dispone de forma simtrica a ambos lados de un dado de hormign apoyado sobre el macizo de anclaje, en las caras del dado perpendiculares al eje sobre el que se ejerce el empuje hidrulico.

La seccin S1 de cada una de las dos filas de redondos de la armadura simtrica principal se calcula de forma que sea capaz de absorber el par generado por el empuje hidrulico:

Siendo:fy = Limite elstico del acerogs = Coeficiente de minoracin del lmite elstico del acerogm = Coeficiente de mayo racin de las cargass = Separacin entre dos filas de la armadura principalLa longitud de anclaje de las barras en el macizo de anclaje ser superior o igual a treinta veces el dimetro de las mismas:

la 30 f1La separacin considerada entre redondos contiguos de una misma fila es de 10cm.En el dado de hormign se dispondrn cercos u horquillas horizontales con el mismo dimetro y separacin que la armadura secundaria.

b) Armadura secundaria (S2):

Se dispone de forma simtrica en las caras inferior y superior del macizo de anclaje y est compuesta por mallas de 10 x 10 cm y dimetro f2 equivalente a la mitad del dimetro de los redondos de la armadura principal:

Para todas las armaduras se considerar un recubrimiento mnimo de hormign de3 cm.En el grfico adjunto se muestra la disposicin de las armaduras sealadas:

A continuacin se muestran las tablas con los resultados del clculo de los anclajes en codos horizontales para los dimetros y presin mximos de diseo de este proyecto, considerando los siguientes parmetros de clculo:

Ftz = 45 Gh = 2,3 tn/m3Sadm = 10 Tn/m2Fy = 400 N/mm2Gs = 1,15Gm = 1,5

5.9 Codos verticales:

Estudiamos los casos en los que la direccin de la bisectriz del ngulo es perpendicular al plano horizontal.

5.9.1 Codos verticales en puntos altos:

El empuje hidrulico generado es:

Siendo:

E= Empuje en toneladas en la direccin de la bisectriz del ngulo.MPD = Mxima presin de diseoD = Dimetro interior de la conduccinEl peso del dado de anclaje debe ser superior al empuje hidrulico generado, por tanto:

Siendo:

V = Volumen del dado de hormign.E = Empuje en toneladas en la direccin de la bisectriz del ngulo.Rhormign = 2,2 kg/m3Los redondos que anclan el tubo al dado de hormign absorbern el empuje hidrulico generado, por tanto para un determinado dimetro el nmero de redondos a instalar ser:

Siendo:f = dimetro del redondo instaladofy = Limite elstico del acerogs = Coeficiente de minoracin del lmite elstico del acerogm = Coeficiente de mayoracin de las cargas

La longitud de anclaje de las barras en el macizo de anclaje ser superior o igual a treinta veces el dimetro de las mismas:

la 30 f15.9.2 Codos verticales en puntos bajos:

El empuje hidrulico generado es:

Siendo:E= Empuje en toneladas en la direccin de la bisectriz del ngulo.MPD = Mxima presin de diseoD = Dimetro interior de la conduccinLas tensiones trasmitidas al terreno por el macizo de anclaje, debidas al peso propio del macizo y al empuje ejercido por la presin hidrulica, deben ser inferiores a la tensin admisible del terreno.

Siendo:S = Superficie del dado.V = Volumen del dado de hormignsadm = Tensin admisible del terrenogh = Peso especfico del hormign5.10. Anclaje en derivacin:

El empuje hidrulico generado por la derivacin es:

Siendo:E = Empuje hidrulicoMPD = Mxima presin de diseoDderiv = Dimetro interior de la derivacin

5.10.1 Anclaje en derivacin con salida horizontal:

El procedimiento de clculo de estos anclajes es el mismo que para los codosHorizontalesftz=45 gh=2,3 tn/m3sadm=10 Tn/m2fy=400 N/mm2gs=1,15gm=1,5

6. TABLAS UTILIZADAS PARA EL CALCULO DE ANCLAJES 1. Planteamiento.

Dados los tipos de tubera empleados y las caractersticas de las redes, slo resulta necesario el anclaje de la tubera en los puntos de cambio de direccin y en los emplazamientos de piezas especiales, que, dada su dispersin, garantizan la estabilidad del conjunto de la red. En los tramos rectos de la red, dados los tipos de unin empleados, queda garantizada la absorcin de los empujes producidos y esfuerzos a que se ve sometida la tubera con la simple compactacin de tierras en zanja.

En el apartado siguiente se especificaran los clculos de anclajes de la tubera en funcin de los esfuerzos, para cada uno de los casos singulares previstos.

2. Anclajes de piezas especiales.

Los empujes existentes en las piezas especiales de la red, son:

- Bridas ciegas y vlvulas: E = Pt x S- En "tes" de derivacin: E = Pt x S (siendo S la derivacin)- Codos: E = 2 Pt x S sen x/2

Siendo:

E el empuje en KgPt la presin de trabajo en Kg/m2S seccin en m2

En nuestro caso los empujes sern:

La resistencia prevista para el anclaje tiene dos componentes: una primera componente debida al peso propio del anclaje, que viene expresada por la frmula:

R = P x tg

Siendo

R la resistencia presentada en KgP el peso del anclaje en Kg el ngulo de rozamiento con el terrenoLa segunda componente se debe a los esfuerzos transmitidos al terreno colindante, y su frmula es R = l x S.

Siendo

R los esfuerzos transmitidos al terreno en Kg.l la capacidad mxima de resistencia del terreno en Kg/m2.S la superficie de apoyo en m2

Debido a posibles pequeas fugas, existe la posibilidad de que la zanja se encuentre saturada de agua, por lo que se emplearn los siguientes valores:

= 20 y p = 0,5 Kg/cm2, de este modo los resultados quedarn del lado de la seguridad.

Por otra parte, no es constructivo el definir para cada anclaje unas medidas exactas, por ello, se definen a continuacin una serie de anclajes segn el tipo de seccin de la tubera:

7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

Se logr conocer los criterios importantes para el diseo de apoyos y anclajes de tubera forzada para una mini central hidroelctrica.

En el diseo de una tubera forzada se deber tener en cuenta el diseo de los soportes o apoyos as como tambin el de los anclajes ya que de esto depende el funcionamiento efectivo de dicha tubera.

Se recomienda que en cada cambio de pendiente de la tubera de fuerza se coloque los anclajes, para evitar problemas de sobrecargas.

Para el diseo de los apoyos se tiene en cuenta el peso de la tubera ya sea de acero o de pvc, y el peso del lquido en este caso el agua para determinar los esfuerzos de cada uno de los apoyos.

Se debe considera despus de colocar los anclajes la pendiente con la que est descargando para no variar la velocidad de flujo ya que de esta depende el buen funcionamiento de las turbinas de la mini central hidroelctrica.

8. BIBLIOGRAFIA

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