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• Oscar Flores

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UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE

ULADECH FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL I PROGRAMA DE ACTUALIZACION PARA BACHILLERES EN INGENIERIA CIVIL

INFORME DE INGENIERIA “COMPORTAMIENTO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE TUBERIAS PVC FLEXIBLES PERFILADAS EN SISTEMAS DE RIEGO” TRABAJO PARA OPTAR EL TITULO DE:

INGENIERO CIVIL PRESENTADO POR LOS BACHILLERES:

MAXIMILIANO PABLO CORDOVA QUISPE IVAN DE LA CRUZ BAUTISTA Chimbote – Perú 2 009

UNIVERSIDAD CATOLICA LOS ANGELES DE CHIMBOTE

FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

I PROGRAMA DE ACTUALIZACION PARA TITULACION DE BACHILLRES DE INGENIERIA CIVIL

INFORME DE INGENIERIA “COMPORTAMIENTO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE TUBERIAS PVC FLEXIBLES PERFILADAS EN SISTEMAS DE RIEGO”

APROBADO POR:

----------------------------------------------PRESIDENTE DEL JURADO

----------------------------------------MIEMBRO DEL JURADO

-------------------------------------MIEMBRO DEL JURADO

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DEDICATORIA

A mis queridos padres y en especial a mi madre con mucho amor por su abnegado sacrificio. Con mucho cariño a mis hermanas Liliana, Janet, Dillma, Domitila, Ruth y a toda mi familia, por su apoyo moral, para alcanzar mí objetivo. Con mucho amor a mi esposa MARIA LOURDES, a mis hijos: ELVIS, DANNY, JHENIFER

Y

MELANY,

por

su

comprensión y estímulos que me brindó en la culminación del presente trabajo Maximiliano Con afecto y cariño para mis hijos, ANTHONY IVAN, ALVARO IVAN Y GUSTAVO IVAN, a mi linda esposa ANA MELVA. A

mi

madre

ROSA

BAUTISTA

ORTEGA, a mi hermana SANDRA, a toda la familia BAUTISTA ORTEGA Y CERVANTES PEREZ y en especial para MACHI. A todos mis compañeros del Programa de Actualización Profesional para Titulación de Bachilleres en Ingeniería Civil. Iván

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AGRADECIMIENTO Mi agradecimiento a la Universidad Católica Los Ángeles de Chimbote-ULADECH, ALMA MATER de nuestra formación profesional en INGENIERIA CIVIL, por darnos la oportunidad de concretizar graduarnos y titularnos en la carrera de nuestra vocación.

A la Escuela Profesional de Ingeniería Civil, a los docentes y al Coordinador, y a los Catedráticos del “I Programa de Actualización Profesional para Titulación de Bachilleres en Ingeniería Civil”, Ingº Eulogio Huambachano Sánchez, Ingº Carlos Huamancayo Quiquín, por impartir acertadamente sus sabias enseñanzas y conocimientos en Ingeniería Civil.

Al Ing. Javier Chávez Peralta, por su apoyo desinteresado en el asesoramiento y la culminación del presente trabajo.

A todos mis compañeros del “Programa de Actualización Profesional para Titulación de Bachilleres en Ingeniería Civil”, amigos y familiares quienes directa e indirectamente me brindaron la ayuda material, así como el apoyo moral en todo momento.

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I PROGRAMA DE ACTUALIZACION PARA TITULACION DE BACHILLRES DE INGENIERIA CIVIL

INFORME DE INGENIERIA “COMPORTAMIENTO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE TUBERIAS PVC FLEXIBLES PERFILADAS EN SISTEMAS DE RIEGO” ÍNDICE GENERAL RESUMEN………………………………………….………………...................... 03 INTRODUCCIÓN………………………………………….………………........ 05 OBJETIVOS………………………………………………….………………........ 06 CAPITULO I GENERALIDADES 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.4 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.4 1.4.1 1.4.2

LOCALIZACION……………………………………………………….. 07 Ubicación……………………………………………………………….. 07 Altitud......................................................................................................... 07 Clima.......................................................................................................... 08 Vías de Acceso.......................................................................................... 08 ESTUDIO AGROLÓGICO……..……………………………….............. 08 ESTUDIO HIDROLÓGICO……………………………………………. 09 Determinación de la Calidad de Agua …………………………………... 09 Características Climáticas............................................................................ 09 Evaluación de la Oferta de Agua……………………………………….. 10 Demanda de Agua para los Cultivos………………..…………………... 10 ESTUDIO GEOLÓGICO………………………………………………. 10 Características Generales de la Zona……………….................................. 10 Suelo y Geotecnia….......................................................................... 12 CAPITULO II TUBERIAS FLEXIBLES PERFILADAS DE PVC

2.1 2.2 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2

Aspectos Generales……………................................................................ 13 Materiales Termoplásticos........................................................................... 14 Tuberías Perfiladas de PVC……..….......................................................... 14 Cargas Sobre Tuberías Perfiladas PVC....................................................... 17 Wm: Cargas Muertas….…….................................................................... 17 Wv: Cargas Vivas……………………….................................................... 19

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CAPITULO III ANALISIS DE COMPORTAMIENTO DE TUBERIAS PVC FLEXIBLES PERFILADAS 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.5 3.6

Aspectos Generales………………………………...................................... 21 Límites de Comportamiento para Diseño................................................... 22 Primer límite: la deflexión………..................................... ......................... 22 Segundo límite: el abollamiento o pandeo...................................................27 Tercer límite: rotura de la pared................................................................. 30 Comportamiento Hidráulico y Estructural.................................................. 31 Comportamiento Hidráulico de Tubos Perfiladas PVC...............................31 Comportamiento Estructural de Tubos Perfiladas PVC.............................. 32 Beneficios de Tubería Perfilada PVC.......................................................... 35 Prueba en Tuberías Instaladas……………………………………………. 36 Relleno y Compactación………………………………………………….. 37 CAPITULO IV CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONCLUSIONES.................................................................................................. 39 RECOMENDACIONES..........................................................................................40 BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

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RESUMEN La comunidad de Amarupampa está ubicado en el distrito de Anco, provincia de La Mar, departamento de Ayacucho; a una altitud aproximada de 2,742 m.s.n.m. con una población de 2,850 habitantes de acuerdo al Censo Nacional de 1,993. Esta comunidad al igual que otras poblaciones Alto andinas se encuentra en una situación de extrema pobreza, siendo la mayoría de su población analfabeta sobre todo mujeres, contando solamente con el nivel primario en el lugar y el nivel secundario fuera de ella. La actividad principal de la población es la agricultura y luego la ganadería; sus tierras se encuentran en diferentes parajes del territorio comunal siendo estas pequeñas de 0.50 - 1.00 hectárea aproximadamente por cada comunero, conduciendo estas tierras en forma individual. Existe una fuente de agua, del cual se captará las aguas para irrigar las tierras sedientas denominado río Ccaynancca. En época de mayor escurrimiento superficial o máximas avenidas, se tiene un caudal de 0.331 m3/s.; igualmente el caudal para el diseño de las obras de derivación y conducción es de 71 l/s. Los suelos son de origen aluvial, formada por arrastre y depósito de los materiales de partes más altas. Es una zona muy restringida, en que se encuentra un suelo residual muy superficial, sin mayor significación, pues es más bien un material madre incompletamente edificada que presentan características de la roca madre. Esta roca está constituida por sedimentos de naturaleza calcárea como un conglomerado fino consolidado, impermeable encontrándose relativamente cerca de la superficie a 20 cm. y en otras partes afloran roca caliche a la superficie.

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La tubería perfilada de PVC, es una tubería estructural con superficie interior liso y pared exterior perfilada, formada por el enrollamiento helicoidal de una banda de perfil estructurado, fabricada con resinas de poli cloruro de vinilo no plastificado (PVCU) mediante un proceso de extruccion. La forma de la pared exterior de la tubería (perfil en T) le da la rigidez anular necesaria para soportar las cargas estáticas y dinámicas a las que va estar sometida, y esto le permite a su vez, ser más liviana que las tuberías PVC con pared solida. Una tubería perfilada de PVC deriva su resistencia a las cargas de su naturaleza a permitir deformaciones. Al deflectarse ante la carga, esto permite que se desarrollen empujes pasivos de suelo en ambos lados del tubo hacia la línea de control. Al mismo tiempo la deformación del tubo lo libera de soportar la mayor porción de la carga vertical, la cual es soportada por el suelo de los lados, a través del llamado efecto de arco. La resistencia efectiva del sistema tubo flexible - suelo es notablemente alta. En pruebas experimentales hechas en la Utah University (UNI-BELL PV), se ha demostrado que un tubo rígido con resistencia de 49.2 Kg/cm (3300 li/pie) a la “prueba de los tres apoyos” colocado en una cama clase C, llega a fallar por fractura de la pared con una carga de suelo de 74.5 Kg/cm (5000 lb/pie); es decir, el factor de seguridad es aproximadamente 1.5; sin embargo, bajo condiciones idénticas de suelo y carga, una tubería flexible de PVC deflecta solo el 5% de su diámetro interno. Este valor está muy por debajo del valor de deflexión que podría causar la falla en la pared del tubo, algo así como un factor de seguridad de 6 (UNI-BELL PVC).

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INTRODUCCIÓN El presente trabajo “Comportamiento Hidráulico y Estructural de Tuberías PVC Flexibles Perfiladas en Sistemas de Riego”, consiste en la instalación de tuberías PVC Flexibles Perfiladas en sistemas de riego, en la Comunidad de Amarupampa, distrito de Anco, provincia de La Mar; para la conducción de 71 lt/seg de caudal e irrigar 102 has., de tierra eminentemente agrícola. Con el proyecto se prevé la instalación de 2800 ml. de Tubería PVC Flexibles Perfiladas, por la misma razón de que estas tuberías tienen las ventajas de fácil manejo, bien flexibles, livianos de fácil transporte. Las Tuberías PVC Flexibles Perfiladas, son tuberías estructurales con superficie interior lisa y pared exterior perfilada, formada por enrollamiento helicoidal de una banda de perfil estructurado, fabricada con resinas de poli cloruro de vinilo no plastificado (PVC-U). La forma de la pared exterior de la tubería (Perfil en T) le da la rigidez anular necesaria para soportar las cargas estáticas y dinámicas a la vez que está sometida, y esto le permite a su vez ser más liviana que las tuberías de PVC con pared exterior solida y lisa. Las Tuberías PVC Flexibles Perfiladas, están diseñados para emplearse en la conducción de aguas residuales y superficiales, en sistemas de gravedad, ya sea en zanja o terraplén. Las aplicaciones más comunes son las siguientes: Infraestructura de Riego (sustitución de canales de riego, drenaje sub-superficial, entubamiento de cauces naturales), Infraestructura Sanitaria (alcantarillas de cruces y buzones de inspección), Carreteras (alcantarillas de cruces y drenaje de carreteras), Infraestructura Pluvial (drenaje) y entre otros (tanques de almacenamiento de agua, tanques sépticos y encofrado de columnas)

El presente trabajo profesional consiste en el análisis del comportamiento de tuberías PVC flexible perfiladas para la conducción del agua con fines de riego, que permitan la constante fluidez del líquido elemento en todo su recorrido sin ocasionar interrupciones por averías que pueda producirse en el sistema.

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OBJETIVOS: a) -

OBJETIVOS GENERALES Analizar el comportamiento Hidráulico y Estructural de Tuberías PVC Flexibles Perfiladas en Sistemas de Riego.

-

Instalación de Tuberías PVC Flexibles Perfiladas en Sistemas de Riego, para dotar de agua de riego a las tierras de la comunidad de Amarupampa, fomentando una cultura de protección del recurso agua, orientando al uso adecuado para la actividad agropecuaria.

-

Mejorar el nivel de producción y productividad de los cultivos de la zona y con ello el nivel de vida de sus pobladores.

b)

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Obtención del Título Profesional de Ingeniero Civil. 2. Funcionamiento del Sistema de Riego con tuberías PVC flexibles perfiladas. 3. Incorporar al sistema de producción bajo riego 102 ha. de tierras agrícolas mediante

la ejecución del proyecto. 4. Propiciar el uso racional del recurso hídrico, que conlleve el aumento de la producción y de la productividad, mejorando de esta manera el nivel económico del poblador rural, incrementando el índice de uso de la tierra.

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CAPITULO I GENERALIDADES 1.1

LOCALIZACION El presente trabajo motivo de análisis, está ubicado en la región andina, que

constituye la cadena montañosa denominada los Andes del territorio nacional, zona quechua; perteneciéndole esta zona al departamento de Ayacucho. Cuya ubicación política como geográfica se detalla a continuación. 1.1.1 Ubicación POLÍTICA Región

: Ayacucho

Departamento

: Ayacucho

Provincia

: La Mar

Distrito

: Anco

Comunidad

: Amarupampa

GEOGRÁFICA Longitud Oeste

: 75º 13’

Latitud Sur

: 13º 16’

Región Natural

: Sierra.

Zona de vida

: Montano Bajo.

Altitud Media

: 2,742 m.s.n.m.

1.1.2 Altitud La altitud media corresponde a 2,742 m.s.n.m. y geográficamente esta localizado a 13º 16’ Latitud Sur y 75º 13’ Longitud Oeste, ecológicamente se encuentra dentro de 11

la vida natural Estipa Montano Bajo Sub tropical, las condiciones climáticas son propios de las zonas semiáridas o sea seco de Marzo a Diciembre y húmedos de Enero a Marzo, siendo indispensable el riego para la conducción de los cultivos bajo estas condiciones. 1.1.3 Clima El clima de la zona es templado a cálido caracterizado por le presencia de plantas xerofíticos y la acidez del suelo lo cual conforma un clima seco, con lluvias en verano. 1.1.4 Vías de acceso Para el acceso a la obra existe el siguiente recorrido: Carretera Ayacucho a Pacobamba 245 Km., en vehículo motorizado de 5 horas (camión, camioneta rural). De Pacobamba a Amarupampaa por camino de herradura a una distancia de 15 Km, haciéndose un tiempo de 03 horas. 1.2

ESTUDIO AGROLÓGICO Se recopilaron datos de estudios elaborados por el Instituto de Recursos

Naturales (INRENA), Gobierno Regional de la Sub Gerencia de Recursos Naturales. Además se utilizaron mapas cartográficos que consiste en hojas de restitución aerofotogramétrica a escala 1/25 000 y la Carta Nacional del Instituto Geofísico Militar a escala 1:100 000 para luego pasar a trabajos netamente de campo, donde se determinó las unidades agrológicas, en base a las características de uso del suelo. Como se observa en el Cuadro Nº 01; la tierra potencialmente agrícola está conformado por tierras agrícolas de conducción individual (206 Has.) y en segundo lugar por tierras de conducción comunal (10 Has.); sumando un total de (216 Has.), incluyendo las tierras con pastos naturales, bosques y eriazas. De la totalidad de estas tierras de conducción individual se utiliza de manera efectiva unas 150 hectáreas anuales. Las 10 has. con aptitud para el pastoreo se incluyen dentro y fuera del área a irrigar. Con el presente estudio se tiende a incorporar 102 hectáreas con actitud agrícola, lo que representa el 61.08 % del total de tierras destinadas para este fin.

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CUADRO Nº 01 SUPERFICIE AGRÍCOLA A IRRIGAR USO ACTUAL

EXTENSIÓN (Has)

Tierra agrícola individual. Tierra comunal.

206 10

% 95.37 4.63

CON EL ESTUDIO

EXTENSIÓN (Has)

Tierras agrícolas a incrementar. Tierras a forestar. Tierras con aptitud ganadera.

102 05 60

61.08 2.99 35.93

167

100.00

TOTAL

%

FUENTE: Elaboración propia.

1.3 ESTUDIO HIDROLÓGICO 1.3.1 Determinación de la calidad de agua Para conocer las características químicas, físicas del río Ccayancca y determinar su calidad para el proyecto de Irrigación se tomó muestras para la información del estudio. CUADRO Nº 02 RESULTADOS DE LA CALIDAD DE AGUA DEL RIO CCAYANCCA Descripción Resultados Características físicas pH 7.9 Salinidad 0.33 mmh/cm. Cloro 0.33 mmh/cm. SO4 3.5 meq/lt. Boro > 0.1 meq/lt. Carbonato de sodio residual 1.25 meq/lt. FUENTE: Laboratorio de Suelos UNSCH

1.3.2 Características climáticas a)

Temperatura. La temperatura es un elemento principal del clima que juega un rol determinante en la elección del cultivo y en el cálculo de evapotranspiración. La temperatura media anual es de 10.58 ºC, la máxima representa los 12.60 ºC y la mínima en 8.80 ºC.

13

b)

Precipitación La precipitación de acuerdo a los datos registrados en 10 años es variable y se tiene una precipitación máxima en el mes de enero con un total de 147.67 mm y una mínima en el mes de julio con 7.40 mm de lluvia. El promedio durante los 12 meses es de 61.40 mm indicándonos una precipitación irregular. 1.3.3 Evaluación de la oferta de agua. Existe una fuente de agua que permitirá captar y conducir mediante el sistema de tubería que es el río de Ccayancca, el cual cuenta con un caudal permanente en los meses de estiaje lo suficiente para abastecer, el área para irrigar. El río Ccayancca cuenta con un caudal máximo de 0.935 m3/seg en época de lluvia y un caudal mínimo de 71.25 Lit/seg. en época de estiaje. 1.3.4 Demanda de agua para los cultivos El requerimiento de agua (RA) de los cultivos viene a ser el consumo de agua por Evapotranspiración (ET) que realiza la planta, por consiguiente: R.A = ET = Agua transpirada por las plantas más agua evaporada de la superficie del suelo. A la ET que se realiza en condiciones naturales, cualquiera que sea el contenido de humedad del suelo, el tamaño de la planta, color de las plantas, frecuencia de riego, cantidad de agua aplicada, etc. se le conoce como Evapotranspiración Actual (ETA). A la ET que se produce en un área cubierta totalmente de plantas pequeñas y verdes en estado activo de crecimiento y con una provisión adecuada y continua de humedad, se le conoce con el nombre de Evapotranspiración potencial (ETP), la magnitud depende del poder evaporante de la atmósfera, es decir el clima. 1.4 ESTUDIO GEOLÓGICO 1.4.1 Características Generales de la Zona Los suelos son de origen aluvial, formada por arrastre y depósito de los materiales de las partes más altas. Es una zona muy restringida, en que se encuentra un 14

suelo residual muy superficial, sin mayor significación, pues es más bien un material madre incompletamente edificada que presentan características de la roca madre. Esta roca está constituida por sedimentos de naturaleza calcárea como un conglomerado fino consolidado, impermeable encontrándose relativamente cerca de la superficie a 20 cm. y en otras partes afloran roca caliche a la superficie. a. Comportamiento del suelo Es muy importante analizar el comportamiento del suelo, para efectos del diseño y construcción de cimentaciones, ya que una cimentación inadecuada puede causar daños de gravedad a las estructuras o incluso su destrucción. También es necesario tener en cuenta los materiales del subsuelo para asegurar la capacidad adecuada sin deformaciones indeseables. Se debe realizar la comprobación del comportamiento del suelo por resistencia y deformación de la capacidad portante del terreno sea superior a la presión de contacto o carga unitaria aplicada por estructura, además es necesario comprobar la cimentación de la obra al deslizamiento, vuelco, hundimiento y fluencia o cualquier otra situación que ponga en peligro la estabilidad de la obra. En la zona del proyecto, en el lugar de la bocatoma está formada en parte por una terraza de material conglomerado y depósito suelto de piedra, arena, grava y cantos, lo que en profundidad adquieren un grado de consolidación. En el sector de la bocatoma y canal principal presentan baja cohesión a base de cimentaciones entre la matriz y los elementos del suelo; las mezclas de estos materiales pueden extenderse hasta la cama de roca sólida o pueden encontrarse en capas. b. Tipos de suelos Generalmente se consideran tres tipos de terrenos para cimentación; suelos, rocas, material de relleno según el comportamiento. Los suelos son sedimentos y/o otras acumulaciones no consideradas de partículas sólidas por la desintegración de rocas y mezcla con sustancias orgánicas. La

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clasificación de estos materiales se efectuó en base al sistema unificado de clasificación de suelos (SUCS), que establece tres categorías: -

Suelos de partículas gruesas (grava y arenas), que se retienen en la malla 200 más del 50%

-

Suelos de partículas finas (limos y arcillas) que pasan la malla 200 más del 50%

-

Los suelos altamente orgánicos, constituidos por turba, arcillas orgánicas muy plásticas.

c. Presiones Admisibles Las cimentaciones colocadas sobre la roca son las más recomendables siempre que ésta posea características reales de dureza y resistencia, pudiendo ser de origen ígneo, sedimentario o metamórfico, solo se pueden descartar fenómenos de meteorización y estratificación en las zonas más profundas. De todas formas para asignar a valores de presión admisible mayores de 5.00 kg/cm2 se hará necesario un adecuado estudio de capacidad portante, con ensayos efectuados en laboratorio En suelos uniformes sin problemas especiales y magnitud de obra pequeña, podría asumirme valores de presión admisible del terreno, en otros casos será necesario realizar estudio de deformaciones y estabilidad del suelo para asegurar la cimentación de las estructuras. 1.4.2 Suelos y Geotecnia La mayor parte de los suelos es de granulometría variada, y escaso porcentaje de rocas (calizas y granodiorita, meteorizadas, fracturadas), que se encuentra en una fase de suelo por su descomposición, conformada por su tamaño a manera de boleos, cantos y gravas ligados por suelos arcillo-limoso de color amarillento, blanquecino y en menor proporción a suelo arcilloso de color grisáceo pardusco. Se presentan bloques grandes de roca fracturada de color gris, también se presentan tramos semi compactas de suelos conformados por arenas, limos y arcillas de color pardo rojizo- blanquecino, casi en la totalidad de la franja del canal en estudio.

16

CAPITULO II TUBERIAS PVC FLEXIBLES PERFILADAS 2.1

ASPECTOS GENERALES Es una tubería estructural con superficie interior liso y pared exterior perfilada,

formada por el enrollamiento helicoidal de una banda de perfil estructurado, fabricada con resinas de poli cloruro de vinilo no plastificado (PVC-U) mediante un proceso de extruccion (moldeado de plásticos haciéndolo salir por una abertura). La forma de la pared exterior de la tubería (perfil en T) le da la rigidez anular necesaria para soportar las cargas estáticas y dinámicas a las que va estar sometida, y esto le permite a su vez ser más liviana que las tuberías PVC con pared solida. Esta tubería puede tener múltiples aplicaciones, pero la más frecuente es la evacuación de aguas pluviales, alcantarillado sanitario, etc. La propuesta técnica para este trabajo, considera el uso de una pared estructural para la tubería con perfil, lo cual permite deformación y así generar capacidad de soporte del relleno circundante. Su sección transversal tienen la forma de una viga “T”; las dimensiones de cada uno de sus elementos está en función a las solicitaciones de carga (externas e internas) que van a soportar.

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PVC

Fig. 01: Sección transversal tubería perfilada de PVC

2.2

MATERIALES TERMOPLASTICOS Existen 4 tipos de tuberías termoplásticos que son utilizados con mayor

frecuencia en Ingeniería: - Poli cloruro de vinilo (PVC)

- Acrilonitrilo – Butadieno – Estireno (ABS) - Polietileno (PE) - Polibutileno (PB) Además se encuentra otros materiales como los SRP (plástico de hule estireno) y el CAB (Butirato – acetato de celulosa), pero se fabrican en pequeña escala o son para aplicaciones muy específicas. El presente trabajo tratará de la tubería de pared perfilada con PVC (Poli cloruro de vinilo), su aplicación para alcantarillado sanitario. 2.3

TUBERIAS PERFILADAS DE PVC Actualmente en el mercado mundial existen diversos tipos de tuberías perfiladas

hechas de cloruro de polivinilo. Todas ellas tienen una cualidad común: el diseño de la pared es estructural, es decir tienen la facultad de aumentar la rigidez anular sin gran aumento en el peso por unidad de longitud. Esta condición hace que las tuberías perfiladas sean más livianas que las de pared solida.

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El principio de funcionamiento se basa en diseñar una pared que posea un valor elevado en el momento de inercia de sus elementos, tal y como se hace al diseñar una viga, para ganar resistencia con poco aumento de peso.

C

Banda de Perfil

S

RIB LOC

Elemento Rigizador Seguro Primario

B

H T L

Pared Interior

Seguro Secundario

Fig. 02: Elemento Estructural del Perfil

En la Fig. 02, se muestra un elemento típico de tubería perfilada. Con este tipo de pared, el cálculo del momento de inercia es más laborioso que si fuera una pared solida. Simplificando el elemento estructural de la sección de la tubería tenemos, un elemento estructural típico del perfil que conforma las paredes de la tubería. Cada uno de sus componentes se puede simplificar a una forma rectangular como la siguiente:

da dh h b Fig. 03: Simplificación de perfil típico de pares a forma rectangular

19

Aplicando el método de traslación de momentos de inercia, ensamblarlos y formar el modelo matemático de la Fig 02. El momento de inercia para una sección rectangular homogénea se define como:

Ix = T = bh3 12

(1)

Donde: Ix : Momento de inercia alrededor del eje X I : Momento de inercia b : Ancho de sección h : Altura de sección

Lo primero que debe calcularse es la posición del centroide del elemento compuesto usando la ecuación (2)

Y’ =

n ∑ i n ∑

AiY ‘i (2) Ai

i

Donde: Y’ = Posición del centroide de todo el elemento Ai = Área del elemento “i” Y’i= Posición del centroide del área del elemento “i” El momento de inercia total se obtiene sumando todos los momentos de los diferentes elementos utilizando para ello el “teorema de los ejes paralelos”

20

Y

A 2

d3

x2´

d2 d1

Yg A1

ELEMENTO 3

A3

ELEMENTO 2

x3´

G x1´

X

ELEMENTO 1

Fig. 04: Pieza Estructural Elemental

n Ix = ∑ (Ixi + Ai di2) i

(3)

Donde: Ix : Momento de inercia alrededor del eje “x” Ixi : Momento de inercia alrededor del eje “x” del elemento “i” Ai : Área del elemento “i” di : Distancia del centroide del área “i” al centroide de todo el elemento

La posición del centroide tiene mayor influencia en el momento de inercia y confiere a las tuberías perfiladas una excelente relación peso – resistencia. 2.4

CARGAS SOBRE TUBERIAS FLEXIBLES

2.4.1 Wm: Las Cargas Muertas Las propiedades del suelo que interactúa con las tuberías flexibles influyen en su comportamiento. De igual manera, la forma de la cama (apoyo inferior de la tubería) puede reducir las concentraciones de presión de los suelos sobre una tubería rígida. El empleo de materiales adecuados y una buena densidad de estos alrededor de tubos flexibles, pueden limitar las deflexiones a valores permisibles. Por lo tanto, el suelo, su colocado y tratamiento, así como las propiedades de los suelos ductos, sean rígidos o flexibles, son importantes en el diseño de cualquier sistema de tuberías enterradas. 21

Las tuberías rígidas flexibles difieren en su comportamiento ante las cargas provenientes de los rellenos, una tubería rígida (concreto, barro vitrificado o hierro colado) no se puede deformar materialmente sin sufrir agrietamientos. Por otra parte, una tubería perfilada de PVC puede deformarse considerablemente sin sufrir daños estructurales. En un sistema con tubería rígida la totalidad de la carga proveniente del relleno es resistida por la fortaleza misma de la tubería, puesto que el suelo a los lados del tubo tiende a consolidarse y por lo tanto a deformarse como producto de la carga. Una tubería flexible al ser sometida a cargas, sufre una deformación que provoca el desarrollo de presiones laterales que constituyen a soportar esas cargas, veamos la siguiente figura:

HR Presión Pasiva

Presión Pasiva

Bd Fig. 05: Tubería Flexible enterrada en una zanja

La deformación del relleno aumenta los esfuerzos cortantes entre este y el muro de excavación reduciendo así en cierta medida la carga total sobre el tubo. Como resultado, la carga transmitida a una tubería flexible es menor que en un conducto rígido a igualdad de altura de relleno (HR). Sin embargo, para efectos de diseño es conveniente considerar la llamada carga de prisma cuando se trabaja con tuberías flexibles.

22

Una ventaja a utilizar la carga de prisma es que se toma en cuenta el ancho de la zanja, puesto así se consiguen factores de seguridad sobre variables poco medibles y controlables de relleno.

T e rre n o N a tu ra l

H R

T ubo

Fig. 06: Carga de prisma sobre tubería

Cuantificación de la carga de prisma: P = γ HR

(04)

Donde: P

: Presión debida al peso del suelo a la profundidad HR

γ

: Peso volumétrico total del suelo

HR : Profundidad del relleno sobre la corona del tubo 2.4.2 Wv: Las Cargas Vivas Las cargas sobre las superficies de las estructuras destinadas al transporte terrestre que pueden ser estáticas (llamadas superpuestas) o bien dinámicas provenientes del trafico de vehículos, se denominan cargas vivas.

23

Según el Sistema Nacional de Mantenimiento de Carreteras (SINMAC), hoy Provias Nacional, las cargas máximas por eje permitidas en el Perú, tomando las más criticas son como indica en el Cuadro Nº 03 CUADRO Nº 03 CARGAS MAXIMAS POR EJE (Kg) SEGÚN PROVIAS NACIONAL DEL MTC Vehículo Tipo C-2 C-3 T3-S2

Eje 1

Eje 2

Eje 3

Eje 4

Eje 5

7000 7000 7000

11000 18000 18000

18000

-

-

FUENTE: PROVIAS NACIONAL

Estos valores pueden incrementarse hasta en un 5% para efectos de diseño. El eje simple presenta un apoyo en cada uno de sus extremos y el eje Doble o Tandem presenta dos, separados por una distancia de 1.20 m. en sentido longitudinal. La superficie de apoyo de cada extremo del eje viene determinada por un rectángulo de dimensiones B x L (en sentido transversal y longitudinal del vehículo respectivamente). Los valores de B y L se calculan, partiendo del peso por eje (P) y de la presión de inflado de las llantas (Pt), por las siguientes relaciones experimentales: B=

P Pt

(7a)

L= B 2

(7b)

Donde: P : Peso por eje (Kg) Pt : Presión de inflado de las llantas (Kg/cm2) B : Ancho de la superficie de apoyo de las llantas (cm.) L : Largo de la superficie de apoyo de las llantas (cm.)

24

CAPITULO III ANALISIS DE COMPORTAMIENTO DE TUBERIAS PVC PERFILADAS FLEXIBLES 3.1.

ASPECTOS GENERALES Una tubería perfilada de PVC, deriva su resistencia a las cargas de su naturaleza

a permitir deformaciones. Al deflactarse ante la carga, permite que se desarrollen empujes pasivos de suelo en ambos lados del tubo hacia la línea de control. Al mismo tiempo, la deformación del tubo, lo libera de soportar la mayor porción de la carga vertical, la cual es soportada por el suelo de los lados, a través del llamado efecto de arco. La resistencia efectiva del sistema tubo flexible - suelo notablemente alta. En pruebas experimentales hechas en la Utah University (UNI-BELL PV), se ha demostrado que un tubo rígido con resistencia de 49.2 Kg/cm (3300 li/pie) en la “prueba de los tres apoyos” colocado en una cama clase C, llega a fallar por fractura de la pared con una carga de suelo de 74.5 Kg/cm (5000 lb/pie), es decir, el factor de seguridad es aproximadamente 1.5 sin embargo, bajo condiciones idénticas de suelo y carga, una tubería flexible de PVC deflecta solo el 5% de su diámetro interno. Este valor está muy por debajo del valor de deflexión que podría causar la falla en la pared del tubo, algo así como un factor de seguridad de 6 (UNI-BELL PVC). Por supuesto, en una prueba de los tres apoyos a de apoyo plano, la tubería rígida soporta mucho mas carga que la flexible antes de la falla. La experiencia indica que esta anomalía tiende a confundir a ciertos ingenieros por que ellos relacionan 25

capacidad de carga entre placas planas con la resistencia del sistema suelo - tubo flexible. Esto solo se puede relacionar para tubos rígidos pero no para tubos flexibles. A los tubos flexibles se les somete a la llamada “Prueba de Rigidez Anular”. La rigidez del tubo flexible es tan solo una pequeña contribución a la rigidez del “Sistema Suelo Tubo”, algo así como desde 150:1 hasta 800:1 y en rellenos altamente compactados con materiales granulados podría llegar a ser aun mayor esta relación entre la rigidez del relleno a la rigidez del tubo. 3.2.

LIMITES DE COMPORTAMIENTO PARA DISEÑO Al igual que con cualquier obra constructiva, el diseño de tuberías flexibles

enterradas tiene que valerse de ciertos limites de comportamiento, tanto de los productos como de la instalación en general. Una instalación de calidad, es aquella que se diseñó siguiendo criterios técnicos adecuados, su vida de servicio resultó económico y prestó la seguridad esperada. 3.2.1. Primer Límite: la deflexión Existen tres factores que son esenciales en el análisis de cualquier instalación con tubería flexible: - Cargas sobre la tubería (debidas al relleno y cargas superpuestas. - Rigidez del suelo alrededor del tubo. - Rigidez de la tubería.

a.

La carga debida al relleno Se obtiene fácilmente con la ec. 04. El tiempo máximo durante el cual una tubería flexible alcanza su máxima carga es limitado. Estos dependen de la densidad del material de suelo alrededor del tubo; a mayor densidad del suelo en los lados tubo, menor al tiempo durante el cual la tubería seguirá deformándose y la deflexión total como respuesta de la carga máxima será menor. Adversamente, si el suelo posee una baja densidad, el tiempo durante el cual la tubería seguirá teniendo deformaciones; será mayor, y mayor será también la deformación final. Una vez que se llega a la carga máxima debida al relleno, el sistema suelo - tubo seguirá sufriendo deformaciones, en la medida que el suelo alrededor del tubo continua 26

su proceso de densificación. Cuando este material alcanza su valor de densidad necesario para soportar la carga, la tubería no se deflectará mas (UNI-BELL PVC Pipe Association-ASTM D3034), establece medir deflexiones no antes de 30 días después de la instalaciones. b.

La rigidez del suelo Es otro parámetro importante a tomar en cuenta. Aquí se debe considerar que no solamente el suelo que cubre el tubo está sujeto a esfuerzos, sino que el muro de la excavación (suelo natural), también contribuye en alguna medida a soportar las cargas horizontales del empuje pasivo. En febrero de 1994, Durman Esquivel desarrollo un experimento de campo, acondicionando dos excavaciones idénticas (Fig 07), donde se instalaron tubos PVC perfilados de 550 mm. en cada zanja. La idea fundamental del experimento fue determinar la economía comparativa entre dos métodos de instalación diferentes. La diferencia consiste en utilizar arena en una zanja como material alrededor del tubo y en la otra piedra chancada. En el primer caso se requiere de compactación, mientras que la cuartilla solo se coloca y se acomoda con pala o simplemente se “envarilla”.

Z a n j a s u 6r m . Z a n ja N o r t e

Z a n ja s escavadas T i e r r a e n t i e r r aT i e r r a com un com un c o m p a c ta c o m p a c ta

355 cm Lugar donde se m id io e l m o d u lo E 3 D e fle c t o m e tro s

A re n a

95 cm

P ie d r a chancada

95 cm

N o t a : D ia m e tr o d e tu b o = 5 0 0 m m

Fig. 07: Experimento de campo de Durman Esquivel (Febrero, 1994)

27

El resultado final del experimento demostró que es ligeramente más económica la instalación con piedra chancada (a pesar de ser más cara). Aparte de la ligera diferencia (aproximadamente un 2% mas bajo en el costo final), el construir sistemas de alcantarillado con tubería flexible y piedra cuartilla trae la gran ventaja del ahorro en tiempo, además la misma zanja funcionará como un dren sub-superficial en caso que se produzcan recargas por flujo subterráneo. Esta agua debe drenar directamente a los pozos de registro. El otro parámetro que se estudio aprovechando la excavación, fue el modulo de elasticidad E del muro de excavación. Como el suelo es anisótropo y heterogéneo, usualmente resulta difícil obtener estos valores; sobre todo por que crecen en la profundidad. Además resulta difícil calcular las propiedades esfuerzo – deformaciones del suelo in situ. c.

La rigidez del tubo La rigidez del tubo se define como la relación entre la fuerza aplicada y el acondicionamiento producido en el diámetro, según el modelo de la Fig. siguiente:

P

d

P

Rigidez = p/d Fig. 08

Acortamiento en el diámetro

La elección de este modelo, se debe a que coincide con el ensayo establecido en la Norma DIN 16961, para la determinación de la rigidez en los tubos de PVC. También se puede obtener dicha rigidez por la Norma ASTM D-2412.

28

Mediante la teoría de la Resistencia de Materiales (Timoshenko “Resistencia de Materiales” parte II) y partiendo del modelo de la Fig 09, obtenemos la variación del diámetro horizontal.

P2

R

P1

D

P1

P2

Fig. 09: Modelo para la variación de diámetro horizontal

d.

La deflexión y las zanjas pobres No son pocos los casos en que las excavaciones se practican en terrenos saturados, inestables o con modelos E3 relativamente bajos o casi nulos ¿Qué sucede cuando se instalan tuberías flexibles en estas condiciones? La mayor parte del trabajo de investigación en este campo fue hecho por el Prof. Reynold K Wartkins en la Universidad Estatal de Utah (Catalogo General PC. Decimo cuarta edición. San José de Costa Rica, 1992) La pregunta que los ingenieros se hacen a menudo es ¿Cuánto material selecto alrededor del tubo es necesario?. El profesor Watkins concluye en sus ensayos de laboratorio que, si la zanja posee muros de excavación rígidos, o al menos de igual rigidez que el material de relleno selecto (como es el caso de una zanja excavada en un terraplén compactado), entonces el espesor de material selecto será el mínimo tal que pueda compactarse sin problemas. Por otro lado, si las paredes son de materiales pobres (plásticos), debe darse suficiente espesor al material selecto alrededor del tubo a fin de prevenir que la cuña de esfuerzos influya en la pared plástica de la zanja, esto se puede lograr dando un espesor de material selecto cuyo ángulo de fricción interna sea igual o superior a 30 con la dirección del empuje lateral horizontal. El ángulo descrito para la uña de esfuerzos será pues el doble del ángulo de fricción o sea 2 x 30º =60”. Obviamente, el espesor selecto de relleno de D/2 es el mínimo que contiene la totalidad de la cuña desarrollada en el 29

material selecto alrededor del tubo. Se debe incluir un factor de seguridad adicionalmente si la pared es demasiado pobre. Por otro lado, si se cuenta con un material cuyo ángulo de fricción interna sea mayor a 30º (como la arena SP), la separación entre el tubo y el muro puede ser menor a D/2. Cualquier esfuerzo constante que se desarrolla en el suelo de la pared, ayudará a aumentar el factor de seguridad. No obstante debido a su difícil cuantificación, se recomienda no considerar estos esfuerzos en el diseño. En resumen se puede concluir, que aun en las más severas condiciones de suelos pobres, un montículo de material selecto (piedra chancada, gravas, canto rodado o similar), con espesor de un diámetro en el punto mas ancho, será suficiente para tener una instalación segura. La vieja regla de los dos y medios diámetros es ya obsoleta y no tiene soporte técnico a parte de ser demasiado conservadora. Finalmente, hay que tomar en cuenta contrario a lo que sucede con las tuberías rígidas que una zanja ancha mejora el comportamiento a la deflexión de un tubo flexible. Por este motivo no hay necesidad de preocuparse cuando la maquinaria, por razones de tamaño, produce sobre - excavaciones laterales.

M a te r ia l d e R e lle n o

S u e lo P o b re

S u e lo P o b r e

M a te ri a l d e S e le c t o

C uña de e s fu e rz o

2d 60 °

D /2 D /2

D /2 2d

Fig. 10: Instalación en zanja (experimento de Watkins 1977 -1980)

30

Suelo Pobre

R elleno selecto

S uelo P obre Suelo Pobre

D/2 D D/2

Fig. 11: Instalación en terraplén

3.2.2. Segundo límite: el abollamiento o pandeo (Buckling) En los tubos deformables, cuando están sometidos a una determinada carga critica, puede producirse un aplastamiento o abolladura de su generatriz superior (Fig. 12). Cuando los tubos flexibles (aquellos que tienen la cualidad de deformarse), están sometidos a una determinada carga critica, puede producirse un aplastamiento o abolladura en su generatriz superior. La comprobación de la estabilidad dimensional consiste en determinar el margen de seguridad entre la carga crítica para el colapso y la carga realmente existente; se realiza teniendo en cuenta los efectos de la presión del terreno (carga de prisma), presión del agua (agua subterránea) y la superposición de ambas.

Z o n a n o s a tu r a d a

Hr

N i v e l F r e a t ic o

Z o n a s a tu ra d a

Hw

D

Fig. 12: Tubos deformables

31

a.

Comportamiento de la Estabilidad Dimensional-Calculo de la Presión Critica de Colapso La comprobación de la Estabilidad Dimensional, consiste en determinar el margen de seguridad entre la carga crítica y la carga realmente existente. Se realiza teniendo en cuenta las influencias de la presión del terreno, presión exterior del agua (agua subterránea) y superposición de ambas presiones. Esta estabilidad se puede expresar en términos de un Factor de Seguridad que relaciona la Rigidez del Sistema Suelo-Tubo a la carga impuesta, en el mismo sistema de unidades dimensionales.

Fig 13: Abolladura localizada de pared

El área de Asistencia Técnica de plástica Interandina S.A. (Empresa Peruana fabricante de tuberías perfiladas PVC), promueve que en ciertos casos, se provoque un ovalamiento vertical para pre-esforzar el tubo y una vez alcanzada la consolidación de los suelos, la deflexión sea mínima o nula. Los ingenieros Especialistas en alcantarillas y acueductos, ven como provechosa, la practica constructiva que incluye ovalamientos verticales hasta de un 3% del diámetro interno del tubo.

32

CUADRO Nº 04 MAGNITUDES FISICAS Y PROPIEDADES MECANICAS DE TUBERIAS PERFILADAS FLEXIBLES Diámetro interno (mm)

Diámetro externo (mm)

75 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200

76.20 101.20 151.20 201.57 251.57 302.40 352.40 402.40 452.40 502.40 552.40 603.86 653.86 703.86 753.86 803.86 853.86 903.86 953.86 1003.86 1056.40 1106.40 1156.40 1026.40

Área de la pared A (mm2/mm) 0.000975 0.000975 0.000975 0.001260 0.001260 0.002300 0.002300 0.002300 0.002300 0.002300 0.002300 0.003814 0.003814 0.003814 0.003814 0.003814 0.003814 0.003814 0.003814 0.003814 0.006180 0.006180 0.006180 0.006180

Momento de Inercia I (mm4/mm) 1.95 1.95 1.95 4.44 4.44 31.33 31.33 31.33 31.33 31.33 31.33 146.00 146.00 146.00 146.00 146.00 146.00 146.00 146.00 146.00 428.36 428.36 428.36 428.36

Rigidez Anular SRT (kN/m2 617.0 267.0 81.0 78.0 40.0 161.0 103.0 69.0 49.0 36.0 27.0 94.0 75.0 60.0 49.0 40.0 34.0 29.0 24.0 21.0 52.0 45.4 39.8 35.1

FUENTE: RIB LOC

b.

Acción del nivel freático en tuberías flexibles enterradas En algunos casos, las excavaciones se practican en terrenos que originalmente poseen un nivel de agua elevada. Son casos comunes aquellas zonas cercanas al nivel del mar, donde el nivel freático puede ser una cuña de intrusión salina. En tuberías cuyas juntas son herméticas como es el caso de PVC perfilado, la presión hidrostática en el exterior del tubo es uniforme alrededor de la circunferencia y dirigida hacia el centro del tubo. Esta presión hidrostática, no debe exceder la rigidez combinada del sistema suelo-tubo con un cierto factor de seguridad. 33

En estas condiciones, se impone al tubo una doble carga, las carga de prisma (Ec. 04), mas la carga debida al peso de agua (Fig. 14)

Z o n a n o s a tu r a d a

HR Hw D

Z o n a s a tu ra d a

Fig 14: Tubo enterrado bajo la acción del agua subterránea

3.2.3 Tercer límite: rotura de la pared (wall crushing) Bajo este concepto, se describe la condición en la cual el esfuerzo en el material de la pared del tubo pasa su limite de proporcionalidad hasta llegar a la fluencia, provocado la falla, la localización de estos esfuerzos es como se describe en al Fig. 15.

Fig. 15: Falla de la pared en las posiciones de las 3 y las 9 horas

Contrarios a lo que pasaría si el tubo estuviera sometido a presión interna, donde la pared estaría sometida a una tracción, en este caso el esfuerzo es de compresión.

34

El fenómeno de falla en la pared, se aprecia al estudiar la compresión anular producida por la fuerza compresora que actúa sobre el diámetro del tubo es una longitud unitaria. Esta fuerza compresora es la carga del prisma que ya se analizó en la Ec. 04, sumada, si hubiere, a la carga superpuesta que puede ser proveniente de un vehículo, alguna acumulación de material, etc. 3.3.

COMPORTAMIENTO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL

3.3.1. Comportamiento Hidráulico de Tubos Perfiladas PVC Debido a que las tuberías se fabrican a partir del PVC, estos ofrecen la gran ventaja de poseer un bajo coeficiente de rugosidad, en términos de Manning, permitiendo así un comportamiento mas eficiente y económico en las instalaciones se recomienda n=0.010. a.

Máxima Capacidad de Flujo En conductos circulares, el máximo caudal se logra cuando el calado es del

93.8%, es decir, el tubo no va lleno. Sin embargo, para efectos de diseño siempre se debe considerar el caudal máximo al 75% del calado. Las siguientes ecuaciones brindan cálculos hidráulicos de alta confiabilidad y aproximación. Q = AR2/3 S1/2 n Q = 28.42 D8/3 S1/2 (Simplificando para el 75% del calado) Donde: Q : Caudal en m3/seg A : Área hidráulica en m2 R : Radio hidráulico en m. S : Pendiente en m/m N : coeficiente de Manning (0.01)

35

b.

Velocidad de Diseño La velocidad del flujo, es el que determinará el grado de sedimentación en las

tuberías. Se ha dispuesto que la velocidad mínima a fin de evitar la sedimentación sea de 0.60 m/seg. De otro lado, las tuberías soportan velocidades máximas, para efectos de diseño, por encima de los 6 m/seg. c.

Pendiente De acuerdo a los diámetros, la pendiente será aquella que cumpla con los

caudales de diseño; siendo esta para un tirante de 75% del diámetro. 3.3.2. Comportamiento Estructural de Tubos Perfiladas PVC Las Tuberías PVC Flexibles Perfiladas, son tuberías estructurales con superficie interior lisa y pared exterior perfilada, formada por enrollamiento helicoidal de una banda de perfil estructurado, fabricada con resinas de poli cloruro de vinilo no plastificado (PVC-U). La forma de la pared exterior de la tubería (Perfil en T), le da la rigidez anular necesaria para soportar las cargas estáticas y dinámicas a la vez que está sometida, y esto le permite a su vez ser más liviana que las tuberías de PVC con pared exterior solida y lisa. a.

Cargas sobre las tuberías Las cargas estáticas, están conformadas por el material de relleno que se coloca

encima de la tubería. Este relleno generalmente origina cargas perpendiculares al eje longitudinal de la tubería conocida como carga de Prisma. P = γ Hr Donde: P : Presión debida al peso del suelo a la profundidad Hr γ

: Peso volumétrico total del suelo

Hr : Altura de relleno sobre la corona del tubo

36

Fig. 16: Sobre carga vehicular

Las cargas dinámicas, están conformadas por todo elemento móvil que transita sobre el tubo. Estas cargas van en sentido longitudinal o transversal al eje de la tubería. Adicionalmente se debe considerar a la napa freática que se posiciona encima de la corona del tubo. Esta napa ejercerá presión en la tubería y hará aumentar el peso volumétrico del material de relleno. b.

Deflexión de la tubería Las tuberías perfiladas pueden deformarse considerablemente sin sufrir daños

estructurales. Al detallarse ante la carga, permite que se desarrollen empujes horizontales pasivos del suelo en ambos lados del tubo hacia la línea del centro horizontal. Al mismo tiempo la deformación del tubo lo libera de soportar la mayor parte de la carga vertical, la cual es soportada por el suelo de los costados a través del llamado Efecto Arco. La deflexión ocasiona un acortamiento vertical del diámetro. La sección transversal disminuye y cambia el comportamiento hidráulico del flujo. Es por eso que

37

debe ser controlada de acuerdo a las condiciones de zanja, la selección del material de relleno, el grado de compactación y la rigidez del tubo. Al diseñar proyectos con Tuberías Perfiladas se consideran valores de deflexión de hasta el 5% del diámetro interior del tubo, con lo cual se ha probado que esta deflexión no es significativa y permite que las tuberías trabajen en forma apropiada hidráulica y estructuralmente. Debe tenerse en cuenta que deformaciones mayores no implican necesariamente falla de la tubería, por lo que se debe evaluar su naturaleza y evolución. Cuando se produce la deflexión, el material que conforma la pared de la zanja, donde se instalara el tubo, contribuye también en la resistencia estructura del sistema tubo-suelo. Es por ello que si se cuenta con zanjas de pared inestable, es necesario que el ancho de zanja sea tal que absorba las presiones horizontales (cuña de esfuerzos) que produce el material de relleno alrededor del tubo. Esto se logra considerando un ancho de zanja igual a dos veces el diámetro de la tubería. c.

Factores de Seguridad En el diseño de tuberías flexibles, se deben tener en cuenta ciertos límites de

comportamiento controlados mediante factores de seguridad, los cuales son: Deflexión.- La deflexión a largo plazo debe ser ≤ 5%. Para su análisis intervienen tres parámetros esenciales: - Cargas sobre el tubo : Cargas estáticas y cargas dinámicas - Rigidez del suelo

: Del material alrededor del tubo y pared de la zanja

- Rigidez del tubo

: Rigidez anular del tubo

Factor de Seguridad al Abollamiento.- El abollamiento o aplastamiento se produce en la generatriz superior del tubo. Para mantener la estabilidad dimensional el factor debe ser ≥ 2.5. Los parámetros que intervienen son: - Presión debida al terreno seco - Presión debida al nivel freático - Presión debida a la acción simultánea de ambas 38

Factor de Seguridad a la Compresión.- La compresión o rotura de pared se da cuando el esfuerzo en el material de la pared del tubo, pasa su límite de proporcionalidad hasta a la fluencia. El factor de seguridad para este comportamiento debe ser ≥ 2.0. Los parámetros que intervienen son: - Compresión en la pared debida al terreno seco - Compresión en la pared debida al terreno mas napa freática Todos los factores descritos están en función a las características mecánicas del material de relleno y de las cargas dinámicas a las que estará expuesto al sistema. Por ello, se recomienda que antes de realizar el diseño estructural, se realice un estudio de mecánica de suelos, para conocer las propiedades de los materiales existentes y de esta manera, evaluar la solución técnica más económica. 3.4.

BENEFICIOS DE LA TUBERIA PERFILADA

a.

Son muy livianas Gracias al diseño del perfil, las tuberías poseen una excelente relación peso-

resistencia. Se pueden manipular fácilmente en obra y es innecesario el uso de equipo pesado para su transporte, colocación e instalación, siendo una gran ventaja en obras de difícil acceso. c.

Vida útil Las resinas de PVC no plastificadas, técnicamente puras usadas en la fabricación de las tuberías, son impermeables al agua y a la acción corrosiva de fluidos y suelos agresivos, por lo que garantizan el éxito de las instalaciones y una vida útil por más de 50 años.

d.

Bajo rugosidad de superficie La superficie interior lisa de las Tuberías Perfiladas, ofrece una mayor eficiencia hidráulica que el concreto, los asbestos, el acero corrugado y el polietileno, permitiendo un fácil auto limpieza y disminución de pendientes, para evitar mayor movimiento de tierras. Su rugosidad como material en términos de Manning es de 0.009; considerando

39

para el diseño un n = 0.010 que sobradamente cubre efectos ajenos al tubo (adherencias, cambios de dirección, etc.). e.

Mayores rendimientos en el lugar de la Obra Por su bajo peso y gran resistencia, el rendimiento promedio obtenido en la instalación de las tuberías es mas alto en comparación con el sistema tradicional consiguiendo menores tiempos en la ejecución de obras. 3.5.

PRUEBAS EN TUBERIAS INSTALADAS

a.

Prueba Hidráulica Para la prueba hidráulica, se identifican los tramos a evaluar, luego se enrasa la

superficie del agua con la parte superior del buzón o caja de inspección ubicada aguas arriba y se tapa el extremo de la tubería aguas abajo. Esto permite detectar fugas de agua en las uniones o en el cuerpo de la tubería mediante lecturas del nivel de agua en el buzón de prueba. La perdida de agua en tuberías instaladas, incluyendo el buzón, no deberá exceder del siguiente volumen: Ve = 0.0047 x Di x L Donde: - Ve = Volumen exfiltrado (lit/día). - Di = Diámetro interno del tubo (mm). - L = Longitud del tramo. b.

Prueba de Alineamiento Todos los tramos de tubería, deberán ser inspeccionados visualmente para

verificar el alineamiento; de tal forma, que la línea de tuberías, se encuentre libre de obstáculos y su diámetro se aprecie completamente cuando se observe.

40

c.

Prueba de Nivelación Se realizara con el uso de niveles y escantillones, nivelando la cota de fondo y la

corona de la tubería en intervalos de 10 m. d.

Prueba de Deflexión Se verificará una vez tendida para todos los tramos. Que el porcentaje de

deflexión no supere el valor máximo permisible del 5% del diámetro interno del tubo. Una vez colocado el material alrededor del tubo hasta la altura mínima de relleno debidamente compactado, se hará pasar una bola compacta de madera o un mandril con un diámetro equivalente al 95% del diámetro interno del tubo; debiendo rodar o pasar libremente por el interior del tramo de tubería en prueba. Luego de comparar y aprobar el % de deflexión de la tubería, se procederá al tapado de la zanja. 3.6. a.

RELLENO Y COMPACTACION

Cama de Apoyo La cama debe ofrecer, un apoyo firme, continuo y homogéneo con una sola pendiente para cada tramo, donde se pueda posar adecuadamente la tubería. En general la cama se deberá conformar colocando una capa continua de material selecto con un espesor que oscile de 5 a 10 cm., permitiendo absorber o eliminar irregularidades que siempre quedan en el fondo de la zanja, después de realizar la excavación. Si se presentara el caso de un material poco consistente en el fondo de la zanja, se deberá llevar a cabo una sustitución, de por lo menos 30 cm., dependiendo de la magnitud del problema. Dicha sustitución se deberá efectuar con un material grueso como lastrón o piedra bruta, hasta lograr proporcionar una buena consistencia. En el caso de existir sumideros de agua o napa freática alta, se recomienda una cama de piedra o piedra chancada con suficiente espesor como para drenar el agua y así poder trabajar en seco. 41

b.

Relleno alrededor del tubo El relleno alrededor del tubo, se debe realizar con un material adecuado. Se debe usar arenas arcillosas, arenas limosas, gravas arcillosas, gravas limosas, gravas limpias, piedra quebrada o cualquier subproducto del triturado entre 6 y 40 mm. También es posible usar suelo cemento con cualquier material que tenga un contenido de arcilla inferior al 35%. La conformación de esta zona es de vital importancia. Es necesario poner una atención especial, ya que el material y la manera en que coloque van a influir directamente en el comportamiento mecánico y estructural del sistema tubo-suelo. Para ejecutar el relleno de esta zona, se deberá colocar capa por capa el material selecto, alternándolas de un lado a otro y compactando cada capa hasta el 90% del Proctor Estándar si se tratara de un material cohesivo; o densificándolo convenientemente si fuera arena o gravilla de rio, y si se colocara piedra triturada acomodándola bien. El relleno deberá llegar hasta el nivel de corona, excepto en casos especiales en que deberá seguir hasta 30 o 50 cm. por encima de la corona. El espesor de cada capa depende del tipo de material selecto y del equipo de compactación con que se cuente. Si se tratara de un material cohesivo o arena gravosa compactada en forma manual, deberán ser capas de 15 cm. Si la compactación va a ser con equipo mecánico, las capas serán de 25 a 30 cm. Si se usa material pétreo triturado, las capas no deberán exceder de 25 cm.

c.

Relleno sobre el tubo El material que se usa más frecuente para el relleno de esta zanja, es lo mismo que se obtiene al excavar la zanja. Este relleno se realiza en capas de 25 a 30 cm. hasta llegar al nivel deseado. Normalmente se exige una compactación mínima de 90% del Proctor Estándar. En las sub siguientes capas se puede perder cuidado al respecto.

42

CAPITULO IV CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES 1.

El estudio agrologico demuestra que son suelos buenos para la agricultura con un 65 % de tierras aptas para el riego y en la parte alta para la actividad ganadera. El caudal máximo del río Ccayancca calculado es de 0.935 m3/seg en época de lluvia y un caudal mínimo de 71.25 Lit/seg. en época de estiaje. Los suelos son de origen aluvial, formada por arrastre y depósito de los materiales de las partes más altas.

2.

La Tubería PVC Flexible Perfilada, es una tubería de fácil manejo, bien flexible, liviana, de fácil transporte.

3.

Gracias al diseño del perfil, las tuberías poseen una excelente relación pesoresistencia. Se pueden manipular fácilmente en obra y es innecesario el uso de equipo pesado para su transporte, colocación e instalación, siendo una gran ventaja en obras de difícil acceso.

4.

Por su bajo peso y gran resistencia, el rendimiento promedio obtenido en la instalación de las tuberías es más alto, en comparación con el sistema tradicional, consiguiendo menores tiempos en la ejecución de obras.

43

RECOMENDACIONES 1.

Continuar con la investigación sobre el comportamiento de las tuberías PVC flexibles perfiladas, en lo posible se debe plasmar en una tesis, para desarrollar un estudio profundo sobre estas tuberías, puesto que se tiene poca información.

2.

Se recomienda la instalación de estas tuberías PVC flexibles perfiladas, en un sistema de riego; toda vez que es de fácil manejo, bien flexible, liviano, de fácil transporte en zonas inaccesibles.

3.

Realizar convenios con instituciones estatales o privadas, para realizar las capacitaciones que se requieren sobre el uso de esta tuberías PVC flexibles perfiladas y sobre el manejo y buen uso del recurso agua, uso de tecnologías apropiadas en el riego tecnificado.

44

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“Hidráulica para Estudiantes de

Ingeniería Civil”. Pontificia Universidad Católica del Perú. Lima.

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ANEXOS

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TUBERIAS PVC FLEXIBLE PERFILADA INSTALADA EN EL SISTEMA DE RIEGO AMARUPAMPA DE 800 mm

SE OBSERVA LA FLEXIBILIDAD DE LA TUBERIA PVC PERFILADA EN EL SISTEMA DE RIEGO

48

TUBERIA PVC PERFILADA DE DISTINTOS DIAMETROS

INSTALACION DE TUBERIA PVC PERFILADA EN SISTEMA DE RIEGO

TUBERIA DE 800 mm. INSTALADOS EN SISTEMA DE RIEGO COLCA CUBIERTO CON MATERIAL NO SELECCIONADO

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INSTALACION DE LA TUBERIA PVC PERFILADA EN ALCANTARILLADO

TUBERIA PVC PERFILADA USADAS EN ALCANTARILLA DE CARRETERA

TUBERIA PVC PERFILADA USADAS EN FRENAJES AGRICOLAS

TUBERIA PVC PERFILADA USADO EN BUZON DE INSPECCION

TUBERIAS PVC PERFILADAS USADAS SISTEMA DE DRENAJE P/CARRETERAS

TUBERIA PVC PERFILADA USADA EN TANQUE DE AGUA

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