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Dimensionamiento de zanjas: tensión de carga externa y deformación en instalaciones subterráneas de tuberías de PVC-O (II)

Tensiones y esfuerzos

Antes del análisis de los tipos de tensiones y deformaciones a los que se somete a un tubo enterrado, se deben identificar los factores principales.

  • Fuerzas de gravedad: producidas por elementos de diseño de tubería, como sigue:

El peso de la tubería, que depende del DN, el grosor de la pared y el material.

Cargas permanentes, debido al peso de elementos de construcción o instalaciones fijas que el tubo debe soportar.

Carga debida al peso del fluido que transporta a través de la tubería.

Presión hidráulica interna o presión de trabajo.

  • Fuerzas del suelo: generadas por las condiciones del suelo, que dependen de la instalación de tubería, el tipo de anclaje y el tipo de relleno asociado debido al grado de compactación y la naturaleza de llenado. Esas suposiciones conducen a cargas verticales y tensiones horizontales y laterales.
  • Fuerzas de sobrecarga: depende principalmente del tráfico de los vehículos por encima de la tubería y del tipo de pavimento.
  • Fuerzas de agua subterránea: estrés hidrostático generado por el agua subterránea. Además, en condiciones extremas, deben tenerse en cuenta factores climáticos (viento, nieve, cambios de temperatura, etc.) y factores sísmicos y reológicos.

Como resultado, las fuerzas principales a considerar en un tubo enterrado de PVC-O son: la presión interna, las fuerzas de campo y el tráfico.2.

1. Fuerzas de gravedad

Tanto las características de la tubería como sus condiciones de trabajo desempeñan un papel relevante en su resistencia y deformación.

2. Fuerzas de suelo y de relleno

Las características del suelo involucradas en el cálculo de la carga del suelo son las siguientes:

  • Peso específico del relleno, (γ), en kN/m3. Cuando no se proporcionan los datos del ensayo, se recomienda γ = 20 kN/m3.
  • Ángulo de rozamiento interno del relleno (ρ), en grados.
  • Ángulo de fricción entre el relleno y las paredes de la zanja, (ρ'), en grados.
  • Coeficiente de presión lateral del relleno, K1 y K2.

Módulo de compresión en diferentes áreas del relleno y la zanja, E1, E2, E3 y E4, en N/mm2.

  • E1: Resistencia de módulo del relleno desde la parte superior de la zanja.
  • E2: Módulo de resiliencia del relleno alrededor del tubo, hasta 30 cm por encima de la corona del tubo.
  • E3: Módulo de resiliencia del suelo a ambos lados de la zanja.
  • E4: Módulo de resiliencia del suelo debajo de la zanja.

Se pueden considerar cuatro tipos de suelo:

  • Grupo 1: Suelos no cohesivos. Este grupo incluye gravas sueltas y arenas. El tamaño de partícula ф ≤ 0,06 mm debe ser inferior al 5%.
  • Grupo 2: Suelos ligeramente cohesivos. Este grupo incluye gravas ligeramente arcillosas o limosas. El tamaño de partícula ф ≤ 0,06 mm debe estar entre 5% y 15%.
  • Grupo 3: Suelos mixtos cohesivos. Este grupo incluye arcillosos arcillosos o arenosos, suelos cohesivos y pedregosos. El tamaño de partícula ф ≤ 0,06 mm debe estar entre 15% y 40% y pocos sedimentos plásticos.
  • Grupo 4: Suelos cohesivos. Este grupo incluye arcillas, limos y suelos con una mezcla de compuestos orgánicos.

Según los valores del ángulo de relleno de fricción interna (ρ), sin datos de ensayo, la norma UNE 53331 recomienda los valores indicados:

Grupo de suelo Ángulo de fricción interna, ρ
1 35⁰
2 30⁰
3 25⁰
4 20⁰

Y desde el ángulo de relleno de fricción interna, ρ, se fija el ángulo de fricción del relleno con las paredes de la zanja, ρ', bajo las suposiciones:

Compactación ρ’
El relleno se compacta en capas a lo largo de la altura de la zanja ρ
Capas de relleno compactadas en el tubo sin compactar el resto de la zanja 2/3 ρ
Relleno de la zanja con posterior compactación 1/3 ρ
Zanja abatible, sin posterior compactación a la retirada de la mesa 0

Los coeficientes de empuje lateral del relleno se definen como sigue:

                K1: Coeficiente de relleno utilizado por encima de la generatriz superior de la tubería.

                K2: Coeficiente de relleno utilizado alrededor de la tubería hasta la generatriz superior.

Grupo de suelo K1 K2
1 0,5 0,4
2 0,3
3 0,2
4 0,1

El cálculo del módulo de compresión en diferentes áreas del relleno y la zanja, se aplica el método CBR (California Bearing Ratio), utilizando una placa redonda con una superficie de 700 cm2. Los valores Es, en N/mm2, están dados por la siguiente expresión:

Donde:

Es : Módulo de compresión, en N/mm2

R: Radio de la placa cargada, en mm.

: Es la pendiente en el origen de la curva de carga (F) - base (y), obtenida en las pruebas, en N/mm.

Si no se realizan ensayos, los valores de E1 y E2 se pueden tomar de la siguiente tabla, según el grado de compactación especificado para el relleno y según el tipo de suelo.

Es posible tomar E1 = E2 cuando el material y la compactación del relleno en ambas áreas son los mismos. Los valores de E3 y E4 deben elegirse de acuerdo con las condiciones reales del terreno de la zanja. Si se conocen dichos valores, se puede considerar que E3 = E2 y en instalaciones bajo terraplén, se supondrá que E1 = E2 = E3.

Para suelos normales, el valor de E4 se obtiene de la siguiente tabla.

Módulo de compresión Es (N/mm2)
Grupo de suelo % Compactación normal del Proctor
85 90 92 96 97 100
1 2.5 6 9 16 23 40
2 1.2 3 4 8 11 20
3 0.8 2 3 5 8 14
4 0.6 1.5 2 4 6 10

3. Fuerzas de sobrecarga

Hay ciertas presiones sobre tuberías verticales que se pueden dividir de la siguiente manera:

Sobrecargas concentradas: Estas son causadas por las cargas puntuales de tráfico localizadas en las ruedas. Para obtenerlo, debe encontrarse el valor de la carga concentrada, Pc, en kN:

No Símbolo Carga total, (t) Nr. de ejes a (m.) b (m.) Carga por rueda (Pc) (kN)
Delantera Trasera
1 LT 12 12 2 2 3 20 40
2 HT 26 26 2 2 3 65 65
3 HT 39 39 3 2 1,5 65 65
4 HT 60 60 3 2 1,5 100 100
  • Altura del suelo sobre la parte superior de la generatriz del tubo, H, en metros. Cuando la tubería se instala bajo un área pavimentada, se usa la altura equivalente, He.

 

4. Fuerzas de agua subterránea

Las fuerzas del agua subterránea en una instalación tienen una extensión más baja que las fuerzas arriba detalladas. La influencia sobre el esfuerzo y la deformación en una zanja es menor en comparación con los otros parámetros de instalación.

Una consideración importante relacionada con las fuerzas de agua subterránea es la flotabilidad de la tubería debido a fuerzas hidrostáticas y de elevación que requieren que el lastre de hormigón sea dimensionado e instalado para contrarrestar esta cepa.

Resultados de los casos de estudio

Influencia de los parámetros de instalación de la zanja y la pendiente.

Existen varios factores externos que podrían considerarse para validar las condiciones de instalación de la tubería. Las características relacionadas con presión de servicio, tráfico y tipo de suelo son los factores con mayor influencia.

Parámetro Resistencia (estrés) Tensión Importancia
H1 + + • •
B1 + +
Presión de servicio + - • • • • •
Tráfico / Pavimento + + • • • •
Nivel de agua subterránea + + • •
Alfa (2α) + -
Tipo de suelo / Compactación + + • • • •
Diseño de la tubería (DN, e y material) + + • • •

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Estos cálculos se realizan de acuerdo con la UNE 53331: 1997 y ATV-DVWK-A 127E: 2000 "Cálculo Estático de Drenajes y Alcantarillados", el más extendido en Europa.