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Hidráulica I Anclajes Hidráulicos

Índice 1

Introducción......................................................................... 2 Objetivo General:.................................................................3 Objetivo Específicos:............................................................3 Anclajes............................................................................... 4 Tipos de anclajes:..............................................................5 Empuje de la tubería.........................................................5 Cálculo del empuje............................................................6 Consejos de construcción:..............................................7 Anclajes (macizos de hormigón), Utilización y Dimensionado...................................................................7 Esfuerzos:.........................................................................8 Fuerzas que influyen sobre el anclaje:...............................9 Fuerzas resultantes:..........................................................9 Estabilidad:.......................................................................10 Conclusiones.......................................................................12 Bibliografía........................................................................13 Anexos............................................................................... 14 Normas y Criterios de Diseño para Acueductos y Alcantarillado en la Ciudad de Santiago de Guayaquil. . . .14 7.4 Calculo de Anclaje..................................................14 7.4.1 Área de Apoyo y Dimensiones del Anclaje...........14 7.4.2 Área de apoyo del accesorio sobre el anclaje.......15 7.4.3 Casos Especiales..................................................15 Cantidad de movimiento......................................................15 Fuerzas externas e internas..........................................16 La cantidad de movimiento es grande si el objeto tiene gran masa y velocidad..................................................16 Variación en la cantidad de movimiento.......................17

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1. Introducción

La instalación de tuberías para el abastecimiento, de riego, saneamiento debe ser planificada y realizada con gran efectividad, debido a que en grandes proyectos una falla nos conllevaría a grandes pérdidas en todo sentido por lo que en este documento se analizara la importancia de los anclajes que son muy necesarios para soportar la presión que lleva el agua en este caso como ejemplo.

Por lo que la tubería podría verse afectada, se analizara el anclaje con las respectivas funciones que cumple para que una red de tubería no tenga inconvenientes durante su vida útil a partir de su construcción.

Sin lugar a duda las tuberías a cielo abierto son las que más necesitarían anclajes de un material netamente duro, que en este caso es de hormigón siendo este material nuestro punto de estudio, debido a que el hormigón es el tipo de material más utilizado para anclajes por sus propiedades y facilidad de construcción.

2. Objetivo General: Caracterizar el concepto, funcionamiento, importancia de Hidráulicos en tuberías durante el periodo Semestral B- 2014.

los Anclajes

3. Objetivo Específicos: 1.- Determinar los parámetros característicos de los Anclajes y sus valores esperados. 2.- Evaluar los parámetros característicos de los anclajes hidráulicos en tuberías durante el periodo Semestral A-2014. 3.- Comparar los valores reales de los parámetros característicos con los valores esperados.

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4. Anclajes El anclaje es la técnica más frecuentemente utilizada para soportar los esfuerzos de empuje hidráulico de una tubería con enchufe con presión. Se pueden diseñar diferentes tipos de anclajes dependiendo de la configuración de la tubería, la resistencia y el tipo de suelo, y la presencia o ausencia de la capa freática. El anclaje soporta los esfuerzos debidos al empuje hidráulico por medio de dos fuerzas: -

El rozamiento con el suelo El apoyo en el terreno

En la práctica los anclajes se calculan teniendo en cuenta ambas fuerzas, pero si se desea estar más hacia el lado de la seguridad se puede suponer que el apoyo en el terreno no colabora, lo que llevará a anclajes de mayores dimensiones. En los cambios de alineación vertical u horizontal se generan esfuerzos que deben ser absorbidos por los anclajes, los cuales pueden ser de concreto ciclópeos o armados. Apoyos y anclajes. Las tuberías que se encuentran a cielo abierto requieren de estructuras de concreto para sostenerse y apoyarse según la pendiente del terreno. El perfil de la tubería y el trazado, permiten determinar la ubicación de apoyos y estructuras que la sostienen y permiten el desplazamiento longitudinal por variación de la temperatura. La ubicación de los anclajes esta determinada por las variaciones del terreno, estos están sometidos a esfuerzos por las cargas transmitidas por la tubería. El número de apoyos es un criterio técnicoeconómico determinado por el espesor del material de la tubería. El número de anclajes lo determinan las variaciones de la pendiente. Los bloques de apoyo se utilizan para soportar adecuadamente la tubería de presión. Estos deben ser dimensionados de tal forma que sean de bajo costo y fácil construcción. Las tuberías forzadas en acero se conciben como una serie de tramos rectos, simplemente apoyados en unos pilares y anclados sólidamente en cada una de sus extremidades, que en general coinciden con cambios de dirección. Entre cada dos anclajes consecutivos se intercala una junta de dilatación (figura 1).

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4.1 Tipos de anclajes: 1. -Anclaje para variar pendiente longitudinal. 2. -Anclaje para variar pendiente longitudinal y transversal. 3. -Anclaje para variar pendiente transversal.

4.2 Empuje de la tubería En cualquier tipo de anclaje se presentan esfuerzos a causa de la presión estática y dinámica a la que es sometido el fluido transportado.

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El esfuerzo de presión estática en la figura sería: E=2 γHAsen(ϕ /2) El esfuerzo de presión dinámica en la figura sería: C=[2 γA / g]v 2 sen (ϕ )

Siendo: E= Esfuerzo estático C= Esfuerzo dinámico V= Velocidad y= Peso específico del líquido H= Altura de la columna del líquido A= Área de la sección del tubo El esfuerzo total sería la suma de los 2 esfuerzos anteriores, por lo que resulta la siguiente expresión. T =2 γA [ H+( v 2 /2 g)]sen(ϕ / 2) En la mayoría de casos, el empuje debido a la presión dinámica es despreciable, ya que la magnitud de H es mucho mayor que la de la altura de velocidad.

4.3 Cálculo del empuje El empuje, calculado anteriormente, se transmite al suelo de diferentes maneras, según el anclaje: Si el codo es horizontal, el esfuerzo se transmite a la pared de la excavación; si el codo es vertical, el esfuerzo se transmite al suelo en la base de anclaje. 6

A su vez, el esfuerzo lo deben resistir el componente de esfuerzos admisibles del suelo y la fricción desarrollada entre el concreto y el suelo. La expresión de resistencia admisible del suelo es: A=E (σAdm)

Dónde: A = Área de la superficie resistente. E = Empuje debido a la presión estática σadm = Resistencia del terreno, obtenida en un estudio o en una tabla, la cual da la resistencia admisible verticalmente, la resistencia horizontal se toma como ¼ o ½ de la resistencia vertical. La expresión de la fricción es: Eh+ ¿−Ev=Ptan (ϕmax ) En donde: Eh = Componente horizontal del empuje. Ev = Componente vertical del empuje tan (ɸmáx) = Coeficiente de fricción del concreto sobre el suelo Cuando la fuerza de empuje forme un ángulo Ə con la horizontal, se tendrá que: Eh=Ecos(Ə)

Eh=Esen(Ə) Caso contrario: Eh = E Ev = 0 El dimensionamiento de los anclajes se hace al tanteo, aunque la misma topografía y la longitud del codo limitan algunas dimensiones.

4.3.1 Consejos de construcción: Es importante que el hormigón sea vertido directamente contra el terreno ya posicionado y tenga una resistencia mecánica suficiente. En el momento de diseñar los anclajes, no se debe olvidar que las juntas deben estar libres con el fin de permitir su posterior inspección durante las pruebas hidráulicas. Cuando se deban realizar excavaciones próximas a los anclajes se deberá reducir la presión en la tubería mientras duren las obras.

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Observación: Cuando hay restricciones de espacio o cuando el comportamiento del suelo no permita la construcción de anclajes se puede utilizar la técnica de acerrojado de las juntas.

5. Anclajes (macizos de hormigón), Utilización y Dimensionado

Clasificación de los Suelos:

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La resistencia prevista para el anclaje tiene dos componentes: una primera componente debida al peso propio del anclaje, que viene expresada por la fórmula: R = P x tg φ Siendo R la resistencia presentada en Kg. P el peso del anclaje en Kgφ el ángulo de rozamiento con el terreno. La segunda componente se debe a los esfuerzos transmitidos al terreno colindante, y su fórmula es R = l x S. Siendo R los esfuerzos transmitidos al terreno en Kg. l la capacidad máxima de resistencia del terreno en Kg/m2. S la superficie de apoyo en m2 EJEMPLO: Codo de 1/16, DN 250 Presión de prueba: 10 bares (10x10^5Pa), Altura de cobertura: 1.2m, Terreno Arcilloso: ø=30° g=2 t/m^3 Con estos datos tenemos que: k= 0.39 (q=22°30') por lo que el empuje resulta: E=k*p*S= 19153 N Usando que: f= tg (ø) y los demás datos obtenemos un macizo de 0.25m^3 de dimensiones: l=0.7m y h=0.45m

5.1 Esfuerzos: Fuerza ejercida por el peso del agua y el peso de la tubería Wat=Wa+ Wt

El peso del agua equivale a Wa=γ a

πD 2 Lm … … …(Kgf ) 4

( )

El peso de la tubería equivale a Wt=

π [ ( D+2 e )2 ]∗Lm 4

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Wt=γ t∗( Acírculo ) π ( e ) ( D+ e )∗Lm

    

Wa= peso del agua Wt= peso de la tubería Ya=Peso específico del agua Yt= Peso específico de la tubería Lm= Longitud media entre el anclaje y el apoyo próximo  D= Diámetro  e= espesor de la tubería La fuerza ejercida por el peso del apoyo: Wapoyo=γ apoyo v apoyo

 Yapoyo= peso específico del apoyo (ejm concreto = 2400 kgf/m3)  Vapoyo= Volumen del anclaje o apoyo  1= subíndice cuando corresponde a aguas arriba del anclaje o es igual a 2 si corresponde a aguas abajo.

Fuerzas que influyen sobre el anclaje: Fuerza de Presión= Fpre Fuerza de Velocidad = Fvel Fuerza hidrostática en las juntas= Fjun Fuerza creada por la expansión radial de los tubos= Fr Fuerza creada por la variación de la sección de la tubería de presión= Fvar Fuerza en la junta de expansión, creados por variación de temperatura= Fjuntemp Fuerza por variación de temperatura en las paredes de tubo= Ftem tub Fuerza generada por la fricción de la tubería con los apoyos= F tub-apo 10

Fuerzas resultantes: 

Las fuerzas resultantes que actúan sobre un anclaje son:

La componente horizontal en x F X =−W at 1∗sen θ 1+ F em∗cos θ1−W at 2∗sen θ2−F ei∗cos θ2

La componente vertical en el eje y: F y =−W at 1∗cos θ 1+ F em∗sen θ1−W at 2∗cos θ 2−Fei∗sen θ2

5.2 Estabilidad: 1. Fuerzas estabilizadoras - Rozamiento terreno – macizo de hormigón (u = 0,4) - Empuje masivo movilizado del terreno (coeficiente de empuje pasivo de Rankine)

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E

(

φ ud 1 π = ∗γ∗h 2 tag 2 ( roz−intermo + ) ancho 2 2 4

)

2) Comprobaciones F D =1,5 E pasivo + Rozamiento ≥1,5 E agua

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Volcamiento FV =1,5

E pasivo y g + Pm X g ≥1,5 Eagua∗B

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6. Conclusiones 

El perfil de la tubería y el trazado, permiten determinar la ubicación de apoyos y estructuras que la sostienen y permiten el desplazamiento longitudinal por variación de la temperatura.



La ubicación de los anclajes está determinada por las variaciones del terreno, estos están sometidos a esfuerzos por las cargas transmitidas por la tubería.



El número de apoyos es un criterio técnico-económico determinado por el espesor del material de la tubería. El número de anclajes lo determinan las variaciones de la pendiente.

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7. Bibliografía 

Thomsom, I., Bull, A., (2002) Anclajes Hidráulicos en tuberías de agua servida,

potable

y

sanitaria

45(13)

109-121

Recuperado

de:

http://www.cepal.org/publicaciones/xml/6/19336/lcg2175e_Bull.pdf 

Azevedo, G. (10 de Agosto de 2013). Tuberías y Anclajes. Recuperado el 2 de Diciembre de 2014, de http://books.google.com.ec/books? id=1IJzjJPgqowC&dq=anclajes+tuberias+agua&source=gbs_navlinks_s



Cedeño, J. G. (13 de Julio de 2014). Google Academico. Obtenido de •http://books.google.com.ec/books?id=-VhqjF4d34C&pg=PA82&lpg=PA82&dq=teorema+de+la+cantidad+de+movimi ento+hidraulica&source=bl&ots=yZ0LfQucnZ&sig=hk_lbImt3RO2VZrCquNY1qG6g0&hl=es&sa=X&ei=vod4VNfjH8OXNpuOgJgB&ved=0CBwQ6 AEwAA#v=onepage&q=teorema%20de%20l



Monteverde, E. (4 de Mayo de 2013). Sistemas de Apoyos minicentrales. (Monografías, Ed.) Recuperado el 1 de Diciembre de 2014, de • http://www.monografias.com/trabajos84/sistemas-apoyosminicentrales-derivacion/sistemas-apoyos-minicentralesderivacion.shtml#ixzz3KNrLw2rt



Parrales, F. F. (21 de Mayo de 2011). Sistemas de Apoyo. (J. Mancero, Editor) Recuperado el 2 de Diciembre de 2014, de www.monografías.com/trabajos/84/sistemas-apoyos-minicentralesderivacion/sistemas-apoyos-minicentrales-derivacion.shtml



Romero, S. (23 de Enero de 2012). Tecupra. (J. Cordeo, Ed.) Recuperado el 26 de Noviembre de 2014, de • http://www.bvsde.opsoms.org/tecapro/documentos/agua/e106-04Construcimpuls.pdf



Sacoto, M. (27 de Noviembre de 2014). Hidraúlica de Tuberías. (scribd, Ed.) Obtenido de https://es.scribd.com/doc/13938949/Capitulo-VHidraulica-de-tuberias

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8. Anexos Normas y Criterios de Diseño para Acueductos y Alcantarillado en la Ciudad de Santiago de Guayaquil Volumen 2 Normas para el Diseño de Redes de Acueducto. Cap. 7 Criterios de Diseño Estructural. 8.1 Calculo de Anclaje. Todas aquellas partes de las tuberías solicitadas por fuerzas desequilibradas originadas por la presión del agua durante las pruebas o en servicio, se anclarán por medio de macizos o bloques de anclaje. Es decir que se deberán diseñar bloques de anclaje para todos los tapones, accesorios de derivación y codos que conformen la red. El Contratista deberá construir los lechos de asiento y bloques de anclaje de acuerdo con la documentación contractual. Las calidades del concreto y del acero necesario para esto deberán cumplir los reglamentos locales para la seguridad de las obras civiles. Estos anclajes deberán ser mínimo de concreto de 210 kg/cm2 de resistencia a la compresión a los 28 días acero de tensión de fluencia de 4220 kg/cm2. Las calidades de las barras de refuerzo y el concreto serán acordes con lo que indiquen las normas del INEN para el refuerzo. 8.1.1 Área de Apoyo y Dimensiones del Anclaje. Para anclajes a ser utilizados en tuberías de DN < 300 mm se deberán respetar las dimensiones mínimas indicadas en las tablas que se incluyen como anexo a este documento, para diámetros mayores se describen a continuación los criterios de diseño correspondientes. Las áreas de apoyo y las dimensiones de los bloques de anclaje se calcularán de acuerdo con las características del terreno (parámetros drenados y nodrenados, ubicación del nivel freático, etc.), la presión máxima de prueba, la presión de servicio y las expresiones siguientes: Para Tees y Tapones: Et = P x S Para Codos: Et = 2 x P x S x sen (A / 2) Dónde: Et = empuje total en kg. P = presión unitaria máxima de prueba en kg/Cm2 16

S = área de la sección transversal interna del tubo en cm2. A = ángulo de deflexión del codo en grados. El cálculo de los bloques de anclaje enterrados se hará considerando la presión de prueba en zanja de la tubería. Las fuerzas resultantes serán equilibradas mediante el empuje pasivo del suelo, el que será afectado por un coeficiente de seguridad de 2 (dos). Cuando sea necesario, se podrá considerar la colaboración de la fuerza de rozamiento entre la parte inferior del bloque y el suelo, afectándola con un coeficiente de seguridad de 1,5 (uno y medio). Ep Ef + > Et 2 1.5 Dónde: Et = empuje total en kg. Ep = empuje pasivo del suelo Ef = esfuerzo de fricción Por último también puede influir en el cálculo de los bloques el tipo de junta que posea la tubería. Si la misma es capaz de tomar esfuerzos de tracción, esto hará que los bloques puedan reducir su tamaño o no ser necesarios. 8.1.2 Área de apoyo del accesorio sobre el anclaje. La superficie de contacto del anclaje con los accesorios debe sobresalir un mínimo de 10 cm con relación al diámetro de los tapones y del ramal de las tees; en el caso de codos, la longitud de contacto, medida a lo largo de la parte exterior de la curva, debe ser por lo menos igual a dos (2) diámetros, de no ser posible lo anterior bastará con dejar libre las campanas. 8.1.3 Casos Especiales. Cuando se presenten empujes hacia abajo, los anclajes se diseñarán en la misma forma que para los empujes horizontales. Cuando los empujes son hacia arriba, se diseñarán bloques de anclajes de gravedad utilizando las mismas expresiones usadas en los casos anteriores, asignándole un margen de seguridad. El anclaje se deberá fijar al accesorio por medio de amarras de acero diseñadas convenientemente. Cuando las tuberías son instaladas superficialmente y sea necesario usar anclajes, se deberá presentar el diseño especial del bloque. 8.2Cantidad de movimiento La cantidad de movimiento o momento lineal se refiere a objetos en movimientos y es una magnitud vectorial que desempeña un papel muy importante en la segunda ley de Newton. La cantidad de movimiento combina las ideas de inercia y movimiento. También obedece a un principio de 17

conservación que se ha utilizado para descubrir muchos hechos relacionados con las partículas básicas del Universo. La ley de la conservación de la cantidad de movimiento y la ley de la conservación de la energía, son las herramientas más poderosas de la mecánica. La conservación de la cantidad de movimiento es la base sobre la que se construye la solución a diversos problemas que implican dos o más cuerpos que interactúan, especialmente en la comprensión del comportamiento del choque o colisión de objetos. Generalmente se asocia movimiento con velocidad. Otro parámetro asociado a la cantidad de movimiento es la masa. Esto significa que a mayor masa mayor cantidad de movimiento. De igual forma si se aumenta la velocidad también aumenta la cantidad de movimiento. Cuando usted practica tenis y golpea la pelota contra una pared a cierta velocidad; La esférica rebota contra usted a una velocidad sólo un poco menor. Si se dispara un rifle, se retrocede contra el hombro cuando la bala viaja a lo largo del cañón y sale por la boca. ¿Qué particularidades en común tienen estos ejemplos? En cada caso un objeto, la pelota de tenis, o la bala, experimenta un cambio drástico en su velocidad y sufre una aceleración muy grande. El intervalo de tiempo durante el cual se lleva a cabo esta aceleración es relativamente corto. ¿Qué significa esto? La fuerza promedio que actúa sobre el objeto debe ser bastante grande. Fuerzas externas e internas Al analizar el comportamiento de un sistema de varios cuerpos, es conveniente distinguir entre fuerzas internas y externas. Las fuerzas internas son aquellas por las cuales todas las partes del sistema actúan entre sí. Las fuerzas externas son aquellas que influyen fuera del sistema sobre uno o más de los cuerpos de éste o sobre el sistema completo. Una experiencia común indica que todo objeto en movimiento posee una cualidad que lo hace ejercer una fuerza sobre todo cuando se le intenta detener. Cuanta mayor sea la rapidez con que se desplaza, más difícil será detenerlo. Además, cuanta mayor masa tenga, más difícil será pararlo. Newton le dio el nombre de movimiento a esta cualidad de un objeto en movimiento. Hoy se le llama cantidad de movimiento o momento lineal. Y se define del modo siguiente. Cantidad de movimiento = masa x velocidad

= m.

Donde es el símbolo con que se representa la cantidad de movimiento. es un vector que apunta en la misma dirección que .

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La cantidad de movimiento es grande si el objeto tiene gran masa y velocidad. La cantidad de movimiento de un objeto de masa m y velocidad es igual al producto de la masa y la velocidad. Cuando una bala o un camión chocan contra una pared, se ejerce contra ésta una gran fuerza. ¿De dónde proviene tal fuerza? De un cambio de velocidad. La fuerza de impacto es proporcional a la razón de cambio de velocidad del objeto en movimiento. Y a mayor masa de ese objeto, mayor fuerza; así, la fuerza de impacto es también proporcional a la masa del objeto en movimiento. Variación en la cantidad de movimiento Cuando ocurre un cambio en la masa y en la velocidad, en ambas a la vez, existirá un cambio en la cantidad de movimiento del cuerpo considerado. Si la masa permanece constante pero la velocidad del cuerpo cambia de a se tendrá que.

= m. en el primer = m. en el segundo instante

instante

La variación de la cantidad de movimiento será: - =m* luego

- m* => =m.

-

= m.(

-

)

Estas ideas son congruentes con la segunda ley de Newton,

La segunda ley de Newton, en términos de la cantidad de movimiento, establece que la fuerza sobre un objeto es igual a la rapidez de cambio de la cantidad de movimiento del objeto. Es decir:

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En la bocatoma, se pudo observar las tuberías que transportaban el agua hacia dicha bocatoma; son de fierro con uniones soldadas y sujetadas mediante unas abrazaderas metálicas, asentadas sobre anclajes y apoyos de concreto, que permiten la dilatación de la tubería.

Macizos de anclaje para las tuberías de impulsión propiedad de Aigües de Martorell.

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8.3 Toma de Agua en Samborondón en Instalaciones de Amagua

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