Manual de Ingeniera TIGRE-ADS

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2-0 ESTRUCTURASTABLA DE CONTENIDOS2-1 2-2 2-3 Consideraciones Estructurales ................................................. 2-2 Introduccin................................................................................. 2-2 Criterios de Diseo...................................................................... 2-3 Propiedades de Seccin de la Tubera ......................................... 2-3 Propiedades del Material............................................................... 2-5 Condiciones de Instalacin y Factores de Suelo .......................... 2-6 Cargas .........................................................................................2-10 Procedimiento de Diseo de Tuberas Termoplsticas ........2-16 Factores de carga........................................................................2-16 Esfuerzo Normal de Pared ..........................................................2-17 Pandeo ........................................................................................2-21 Deformacin por Compresin......................................................2-22 Deformacin por Flexin..............................................................2-22 Deformacin Combinada.............................................................2-23 Investigacin e Instalaciones...................................................2-25

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2-5 Figuras 2-1 2-2 2-3 Tablas 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9

Cargas AASHTO H-25 para Carreteras......................................2-11 Diagrama para Clculo de Cargas Geosttica e Hidrosttica ....2-14 Perfiles de Corrugacin Tpico e Idealizado................................2-19

Propiedades Generales de Seccin para Tuberas N-12, N-12 ST y N-12 WT...................................................................... 2-4 Propiedades Generales de Seccin para Tuberas de Pared Simple, SW .................................................................................. 2-5 Propiedades Mecnicas para Tuberas de Polietileno ................ 2-6 Tipos de Materiales para Encamado y Rellenos ......................... 2-8 Mdulo Secante Confinado del Suelo, Ms................................... 2-9 Factores de Forma, Df................................................................2-10 Cargas AASHTO para Carreteras, por Conjunto de Ruedas....2-11 Informacin de Carga Viva tipo AASHTO H-25, HS-25 y Cooper E-80 ............................................................................2-12 Factores de Carga .....................................................................2-17

El COMPRADOR/USUARIO ES RESPONSABLE DEL NIVEL DE SERVICIO DEL PRODUCTO EN CUALQUIER APLICACIN DADA. EL VENDEDOR NO ES RESPONSABLE POR LESIONES O DAOS RESULTANTES DE UNA INSTALACIN INCORRECTA, EL NO CUMPLIMIENTO DE LAS PRESENTES DIRECTRICES PARA LA INSTALACIN DEL PRODUCTO, O SU USO FUERA DE LAS RECOMENDACIONES ESTABLECIDAS EN EL PRESENTE DOCUMENTO.

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2-1 CONSIDERACIONES ESTRUCTURALESToda tubera, flexible o rgida, depende de la estructura del relleno para poder transferir cargas hacia la cama de apoyo. Para obtener el nivel de desempeo esperado del tubo, la tubera debe estar instalada segn lo diseado. Esta seccin establece la metodologa de diseo para tuberas corrugadas de polietileno de alta densidad (HDPE) para uso en aplicaciones gravitacionales. Se presentan las propiedades de los perfiles para tuberas corrugadas TIGRE-ADS, adems de las propiedades del material (HDPE), los criterios de relleno y las condiciones de carga, todos factores que influyen en el procedimiento de clculo. El procedimiento de diseo evala: esfuerzo normal en la pared del tubo, flexin, pandeo y deformaciones unitarias, estableciendo lmites a cada una de estas condiciones. El mtodo de diseo presentado es una versin modificada de las Especificaciones AASHTO para el Diseo de Puentes por el Mtodo LRFD (Load Resistance Factors Design, en ingls, o Diseo por Factores de Carga y Resistencia), Seccin 12 Estructuras Enterradas y Revestimientos de Tneles. Las profundidades de recubrimiento mnimo y mximo pueden variar bastante dependiendo de la aplicacin, el producto, el material de relleno y su nivel de compactacin. Para apoyo en aplicaciones particulares puede contactar al Departamento de Ingeniera de TIGRE-ADS, para revisar los requerimientos de algn proyecto en especfico. El desempeo de las tuberas termoplsticas ha sido ampliamente investigado a travs de ensayos de laboratorio y pruebas de terreno. Varios de estos trabajos de investigacin son discutidos brevemente al final de esta seccin. Estos y otros antecedentes estn disponibles y pueden ser solicitados a travs de su representante local TIGRE-ADS.

2-2 INTRODUCCINGeneralmente, el comportamiento de las tuberas puede ser clasificado como flexible o rgido, dependiendo de cmo se desempean una vez instaladas. La tubera flexible debe moverse o deflectarse para transferir la carga sobre ella hacia el suelo circundante. Las tuberas TIGRE-ADS N-12 (pared doble) y SW (pared simple) son ejemplos de tuberas flexibles. Una tubera rgida se define comnmente como una tubera que no puede deflectarse ms de un 2% sin sufrir daos estructurales, y por lo tanto debe ser diseada para soportar la mayor parte de la carga. Las tuberas de concreto reforzado y no reforzado son ejemplos de tuberas rgidas. El desempeo tanto de las tuberas flexibles como las rgidas depender de un relleno adecuado. En el caso de la tubera flexible, la deflexin permite que las cargas sean transferidas al relleno y soportadas por ste. TIGRE-ADS, Diciembre 2010

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Las tuberas rgidas transmiten la mayor parte de la carga a travs de la pared del tubo hacia el encamado. En ambos casos, un relleno adecuado es fundamental para que esta transferencia de carga se produzca. Muchas investigaciones han estudiado el comportamiento de las tuberas flexibles. El desempeo de las tuberas termoplsticas se ha investigado en instalaciones reales, a travs de inspecciones post-instalacin, pruebas con celdas de carga y anlisis computacional por elementos finitos. Hoy en da, tres dcadas despus de su introduccin al mercado, el comportamiento de las tuberas termoplsticas ha sido probablemente ms estudiado que el de cualquier otra tubera de drenaje convencional. La informacin presentada en este captulo proporciona una gua paso a paso para el diseo estructural de tuberas corrugadas de polietileno de alta densidad, en aplicaciones enterradas y sin presin, con una metodologa basada en el procedimiento de diseo AASHTO. Ms antecedentes sobre instalaciones reales en terreno se incluyen en la Seccin 2-5.

2-3 CRITERIOS DE DISEOEl diseo de tuberas termoplsticas requiere un entendimiento de las propiedades de seccin de la tubera, propiedades del material, las condiciones de instalacin y la condicin de carga. Todos estos elementos definen de alguna manera el comportamiento de la tubera. Esta seccin describe los criterios considerados en el procedimiento de diseo presentado en la seccin 2-4.

PROPIEDADES DE LA SECCIN DE LA TUBERAAl igual que en el diseo de otros elementos estructurales, la forma del perfil de la tubera ayuda a determinar cmo ser su desempeo en la estructura suelo/tubo. Las propiedades de la tubera incluyen el momento de inercia del perfil de la pared (I), la distancia desde el dimetro interior al eje neutro (c) y el rea de una seccin de pared de una unidad longitudinal (As). La rigidez de la tubera (PS) es una medida de la flexibilidad de una determinada longitud de tubera y se mide en laboratorio calculando la fuerza requerida para deflectar un tubo en 5% en relacin a su dimetro interior. La rigidez de la tubera es fundamentalmente un control de calidad que no se utiliza directamente en el procedimiento de diseo y no debe interpretarse como una propiedad limitante del tubo. Las propiedades generales de la seccin de las tuberas de pared doble N-12, N-12 ST y N-12 WT se muestran en la Tabla 2-1 y las de tuberas de pared simple, SW, en la Tabla 2-2. Para completar los clculos de diseo que figuran en este captulo, se requieren las propiedades generales del perfil del tubo adems de las propiedades de la seccin aqu detalladas. TIGRE-ADS, Diciembre 2010

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Mayor detalle de las propiedades de seccin por tipo de producto y por dimetro, puede encontrarse en la Nota de Producto INTL_PN 2.01. Contacte al Departamento de Ingeniera para obtener informacin adicional acerca de propiedades de perfiles TIGRE-ADS.

Tabla 2-1 Propiedades Generales de Seccin para Tuberas N-12, N-12 ST, y N-12 WT.Distance desde ID al Eje Neutro, c in (mm) 0.127 (3.23) 0.190 (4.83) 0.252 (6.40) 0.339 (8.61) 0.466 (11.84) 0.485 (12.32) 0.629 (15.98) 0.853 (21.67) 0.968 (24.59) 1.069 (27.15) 1.159 (29.43) 1.152 (29.26) 1.310 (33.27) 1.492 (37.90) Distancia desde la Fibra Extrema al Eje Neutro, cX in (mm) 0.229 (5.8) 0.300 (7.6) 0.461 (11.7) 0.482 (12.2) 0.662 (16.8) 0.760 (19.3) 1.110 (28.2) 1.220 (31.0) 1.457 (37.0) 1.471 (37.4) 1.760 (44.7) 2.006 (51.0) 2.070 (52.7) 1.920 (48.8)

Dimetro Nominal, DN in (mm) 4 (100) 6 (150) 8 (200) 10 (250) 12 (300) 15 (375) 18 (450) 24 (600) 30 (750) 36 (900) 40 (1000) 42 (1050) 48 (1200) 60 (1500)

Dimetro Interno, ID in (mm) 4.0 (102) 6.0 (152) 8.0 (203) 10.0 (254) 12.0 (305) 15.0 (381) 18.0 (457) 24.0 (610) 30.0 (762) 36.0 (914) 40 (1016) 41.4 (1052) 48.0 (1219) 59.5 (1511)

Dimetro Externo, OD in (mm) 4.71 (120) 6.98 (177) 9.43 (240) 11.64 (296) 14.26 (362) 17.49 (444) 21.49 (546) 28.15 (715) 34.85 (885) 41.1 (1044) 45.24 (1149) 47.7 (1212) 54.76 (1391) 66.3 (1684)

Pitch in (mm)

Rigidez del Tubo psi (kpa) 50 (345) 50 (345) 50 (345) 50 (345) 50 (345) 42 (290) 40 (276) 34 (234) 28 (193) 22 (152) 20 (138) 20 (138) 18 (124) 14 (97)

Area de Seccin, As 2 in /in 2 (mm /mm) 0.097 (2.47) 0.141 (3.57) 0.189 (4.79) 0.199 (5.06) 0.243 (6.16) 0.241 (6.11) 0.212 (5.38) 0.367 (9.32) 0.436 (11.07) 0.403 (10.24) 0.468 (11.90) 0.472 (11.99) 0.509 (12.93) 0.577 (14.66)

Momento de Inercia, I 4 in /in 4 (mm /mm) 0.0014 (23) 0.0037 (62) 0.0097 (159) 0.015 (246) 0.037 (611) 0.046 (752) 0.079 (1295) 0.192 (3147) 0.299 (4896) 0.3185 (5219) 0.487 (7988) 0.545 (8931) 0.691 (11324) 0.8233 (13491)

0.64 (16.27) 0.74 (18.9) 1.02 (25.9) 1.26 (32.0) 1.92 (48.8) 2.59 (65.8) 3.25 (82.6) 4.06 (103.1) 4.1 (103.4) 5.2 (132.1) 5.5 (139.7) 5.2 (132.0) 6.13 (155.7) 5.8 (148.5)

*Las propiedades de seccin proporcionadas en esta tabla son comunes para la produccin de tubera Tigre-ADS en Sudamrica, pero pueden no ser representativas de perfiles especficos fabricados en una planta local determinada. Si bien los datos del perfil proporcionan resultados conservadores para las profundidades de recubrimiento, puede comunicarse con Ingeniera de TIGRE-ADS si requiere valores especficos de diseo y/o tolerancias para una aplicacin determinada.

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Tabla 2-2 Propiedades Generales de Seccin para Tuberas Pared Simple, SWDimetro Nominal, DN in (mm) 3 (75) 4 (100) 6 (150) 8 (200) 10 (250) 12 (300) 15 (375) 18 (450) 24 (600) Dimetro Interno, ID in (mm) 3.0 (76) 4.1 (104) 6.0 (152) 7.9 (201) 9.9 (251) 12.15 (309) 14.98 (380) 18.07 (459) 24.08 (612) Dimetro Externo, OD in (mm) 3.6 (91) 4.78 (121) 6.92 (176) 9.11 (231) 11.36 (289) 14.45 (367) 17.64 (448) 21.2 (538) 27.7 (704) Rigidez del Tubo psi (kpa) Area de Seccin, As 2 in /in 2 (mm /mm) 0.0448 (1.14) 0.048 (1.22) 0.067 (1.70) 0.091 (2.32) 0.113 (2.87) 0.171 (4.34) 0.215 (5.46) 0.219 (5.56) 0.262 (6.65) Distance desde ID al Eje Neutro, c in (mm) 0.1528 (3.88) 0.149 (3.78) 0.237 (6.02) 0.287 (7.29) 0.349 (8.86) 0.517 (13.14) 0.631 (16.03) 0.701 (17.80) 0.873 (22.17) Distancia desde la Fibra Extrema al Eje Neutro, cX in (mm) 0.1472 (3.7) 0.191 (4.9) 0.223 (5.7) 0.318 (8.1) 0.381 (9.7) 0.633 (16.1) 0.699 (17.8) 0.864 (21.9) 0.937 (23.8) Momento de Inercia, I 4 in /in 4 (mm /mm) 0.0004 (7) 0.0005 (8) 0.0015 (25) 0.0040 (65) 0.0065 (106) 0.0261 (428) 0.0443 (725) 0.0587 (962) 0.1019 (1670)

Pitch in (mm)

0.5 (13.0) 0.7 (16.7) 0.8 (20.0) 1.0 (24.9) 1.3 (33.3) 1.9 (48.3) 2.6 (66.5) 2.6 (66.4) 3.3 (85.0)

35 (241) 35 (241) 35 (241) 35 (241) 35 (241) 50 (345) 42 (290) 40 (276) 34 (234)

*Las propiedades de seccin proporcionadas son comunes para la produccin de tubera Tigre-ADS en Sudamrica, pero pueden no ser representativas de perfiles especficos fabricados en una planta local determinada. Si bien los datos del perfil proporcionan resultados conservadores para las profundidades de recubrimiento, puede comunicarse con Ingeniera de TIGRE-ADS si requiere valores especficos de diseo y/o tolerancias para una aplicacin determinada.

PROPIEDADES DEL MATERIALEl comportamiento de los materiales viscoelsticos como el polietileno difiere de los materiales elsticos como el acero. Cuando el polietileno es sometido a una fuerza constante, la curva de tensin/deformacin resultante da la impresin que el material pierde resistencia con el tiempo. Los ensayos que describen perfectamente el comportamiento de los materiales elsticos pueden -y llevan- a entregar resultados errados cuando son empleados en materiales viscoelsticos. Las pruebas demuestran que el polietileno no se debilita con el tiempo. La misma curva de tensin/deformacin para el material puede ser duplicada varias veces. Lo que no reconoce el ensayo es la relajacin del esfuerzo, una propiedad nica de los materiales viscoelsticos. La relajacin del esfuerzo es la disminucin de la tensin bajo una deformacin constante. En otras palabras, un tubo que se mantiene en una posicin flexionada, experimentar inicialmente niveles de esfuerzo relativamente altos, que luego decaern rpidamente. Una deflexin TIGRE-ADS, Diciembre 2010

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adicional produce una respuesta similar: los niveles de tensin aumentan y luego decaen rpidamente. Este fenmeno ha sido estudiado y documentado en los laboratorios de la Universidad de Massachusetts, donde los ensayos demostraron que cuando la tubera se mantuvo en una posicin deflectada, el mdulo aparente fue decreciendo. Cuando se aument la deflexin, la tubera respondi con un mdulo mucho ms alto. (Vea seccin 2-5 para informacin adicional sobre esta investigacin). Tomar en cuenta este comportamiento tiempo-dependiente en el diseo de tuberas termoplsticas puede llegar a ser engorroso. El procedimiento descrito en la seccin 2-5 explica cmo y cundo utilizar las propiedades del material de corto plazo y/o de largo plazo. Refirase a la tabla 2-3 para las propiedades mcanicas del polietileno (Mdulo de Elasticidad E y Resistencia a la Traccin Fy). (Nota: La resistencia a la traccin se utiliza en algunos clculos del diseo, aunque las fuerzas de pared predominantes son compresivas. Los tests para determinar la resistencia mxima a la compresin del polietileno no han sido concluyentes a la fecha, debido a la falta de un punto de falla o lmite definido. Sin embargo, el manual de diseo estructural de plsticos de la ASCE establece que una regla general es que la resistencia a la compresin de los plsticos es mayor que la resistencia a la traccin." El uso de la resistencia a la traccin en el diseo en vez de una resistencia a la compresin dar resultados conservadores (ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 63, ASCE: NY, NY, 1984, p. 163.)) Tabla 2-3 Propiedades Mecnicas para Tuberas de PolietilenoInicial (corto plazo) Fy E psi psi (MPA) (MPA) 3.000 5 (20,7) 110.000 (758) 50 Aos (largo plazo) Fy E psi psi (MPA) (MPA) 900 (6,21) 22.000 (152)

Producto N-12 N-12 ST N-12 WT

Deformacin Admisible, %

CONDICIONES DE INSTALACIN Y FACTORES DE SUELOEl comportamiento estructural de la tubera depende de la interaccin entre la envolvente de relleno y el tubo, lo que se conoce comnmente como la interaccin suelo/tubo. El relleno debe tener las condiciones estructurales y de drenaje adecuadas para la aplicacin diseada. Las consideraciones estructurales del relleno incluyen el tipo de material y su nivel de compactacin, las dimensiones de la envolvente de relleno y las condiciones del suelo nativo. La informacin presentada aqu, con mnimas excepciones, est conforme a los requisitos establecidos en la TIGRE-ADS, Diciembre 2010

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norma ASTM D2321 "Prctica Estndar para la Instalacin Subterrnea de Tubos Termoplsticos para Drenajes y Otras Aplicaciones de Flujo Gravitacional". Informacin adicional sobre dimensiones del relleno y consideraciones del suelo nativo se discuten con mayor detalle en la Seccin 5, Instalacin, de este Manual de Ingeniera. El tipo de material (arena, grava, arcilla, etc.) y el nivel de compactacin (densidad Proctor estndar) determinan la resistencia del relleno. Como regla general, las partculas del material que son relativamente ms grandes y angulares requieren menor compactacin que aquellas partculas ms pequeas y menos angulares, para producir estructuras con la misma resistencia. La resistencia del relleno puede ser definida utilizando diferentes parmetros. Una forma es describindola en trminos del Mdulo de Reaccin del Suelo (E'), que es un valor emprico desarrollado por la Agencia de Reclamacin de USA (US Bureau of Reclamation) para el clculo de la deflexin. Otro parmetro utilizado para describir la resistencia del relleno es el Mdulo Secante Confinado del Suelo (Ms). Esta propiedad puede ser medida en el laboratorio, no obstante la Tabla 2-7 entrega valores de Ms adecuados para el diseo que pueden ser utilizados en los clculos siguientes. Si bien E' y Ms tienen unidades similares, no se consideran intercambiables. El suelo nativo y otros materiales disponibles localmente pueden ser utilizados para el relleno, siempre y cuando cumplan las especificaciones tcnicas y los criterios de la Tabla 2-4 y la Tabla 2-5. Estos materiales pueden ser aceptables y su uso permite reducir al mnimo los costos asociados al material y su transporte. En caso de duda sobre el material adecuado para una instalacin, consulte con un ingeniero de TIGREADS. La compactacin mecnica del relleno siempre producir los mejores resultados al instalar cualquier tubera. Sin embargo, con algunos materiales puede no ser siempre necesaria, pues algunos rellenos pueden cumplir con los criterios mnimos de compactacin simplemente al ser colocados a volteo y acomodados alrededor del tubo, o por ser pisados o barretillados en capas alrededor del tubo. Informacin adicional sobre algunos tipos de compactadores mecnicos disponibles y los tipos de suelo con los que trabajan mejor se encuentra en el Captulo 5 de Instalacin del Manual de Ingeniera. Otro material de relleno que ha ganado presencia en diversas aplicaciones en los ltimos aos es el relleno fluido. Este material es similar a un hormign de muy baja resistencia. Se vierte alrededor de la tubera y se endurece formando una estructura slida de relleno. La resistencia final de este material es altamente dependiente del diseo de la mezcla y debe ser determinada por el ingeniero de diseo. Con el fin de aprovechar las ventajas de resistencia de este material, el soporte proporcionado por el material nativo circundante debe ser el adecuado. Cuando se usa relleno fluido, los materiales blandos deben ser sobreexcavados y reemplazados con un encamado y/o un material de relleno lateral adecuados. La principal desventaja de este material es que puede TIGRE-ADS, Diciembre 2010

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ser muy costoso tanto en trminos de costos de material como de tiempo de instalacin y es probable que la tubera flote si no se toman precauciones. Sin embargo, correctamente diseado e instalado, puede ser utilizado como una alternativa al relleno granular tpico y una solucin efectiva para determinadas aplicaciones. Ingenieros de Tigre-ADS y literatura complementaria pueden proporcionar orientacin adicional en el uso de este material. Tabla 2-4ASTM D2321(A) Class Description Notation

Tipos de Materiales para Encamado y RellenosASTM D2321(A)

ASTM D2487 Description

AASHTO M43 Notation

AASHTO M145 Notation

Percentage Passing Sieve Sizes 1 in. (40mm) 100% 3/8 (9.5mm) 25% No. 4 (4.75mm) 15% No. 200 (0.075mm)