Anclaje de Tuberias Forzadas

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Abastecimiento de agua potable

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TUBERIAS FORZADAS

DEFINICION

Las tuberas forzadas o tambin conocidas como tuberas de presin son conducciones forzadas, como consecuencia de las altas presiones en la totalidad de su superficie, por encontrarse repletas de agua y desplazarse sta por accin de la presin y no por accin de la pendiente. La funcin de las tuberas es la conduccin del agua directamente desde el punto de alimentacin hasta las turbinas ubicadas en la central. Las tuberas forzadas pueden originarse en una toma de agua, en una galera, un pozo de presin o en un colector. La construccin de estas tuberas puede ser de acero o de hormign armado.

Cuando las tuberas mecnicas pertenecen a saltos de poca altura, su espesor y dimetro suelen ser constantes; si se trata de saltos de media y gran altura, el dimetro de las mismas se reduce progresivamente y el espesor aumenta de igual manera. La colocacin de las tuberas puede llevarse a cabo al aire libre o recubierto de hormign. En la primera opcin, las tuberas estn colocadas sobre apoyos fijos o rodillos. En estos casos, no interesa el recubrimiento de la instalacin a travs de cuerpos de obra pues se trata de instalaciones a la intemperie. El segundo caso, es caracterstico de tuberas sumergidas, total o parcialmente, en zanjas del terreno. En este caso, las tuberas se utilizan para alimentar turbinas instaladas en centrales subterrneas en zonas rocosas consolidadas. En las dos opciones posibles se colocan juntas de dilatacin, entradas de hombre (o agujeros o bocas de hombre), tomas para control de presiones, etc. Las superficies exteriores de las tuberas que se encuentran emplazadas al aire libre y las interiores de las tuberas en general, estn cubiertas de pintura para su proteccin. Las subpresiones del interior de las tuberas forzadas pueden originar deformaciones, por lo que se montan conductos o dispositivos que posibilitan la entrada y salida de aire. En el caso de las tuberas al aire libre, este efecto se agrava, pudiendo la presin exterior aplastarlas materialmente. Las tuberas forzadas se completan de agua, antes de abrir el dispositivo de la turbina que posibilita el acceso del lquido por la misma. Las vlvulas de ventosa o de flotador permiten el paso del aire, en ambos sentidos, con el propsito de evitar el surgimiento de burbujas dentro del lquido durante el colmado, o fuertes depresiones al desaguarse las tuberas. El golpe de ariete es un fenmeno que se da en todos los conductos, pero particularmente en las tuberas forzadas, y que se exterioriza por fuertes y bruscos cambios de presin en las masas de agua. Los medios hidrulicos, como vlvulas de seguridad, vlvulas de regulacin y chimeneas de equilibrio, son los recursos ms eficientes para moderar este efecto.

PARTES CONSTITUTIVAS DE LA TUBERIA DE PRESION

1) Apoyos: Como su nombre lo dice se trata de obras de soporte de la tubera que tienen la funcin de sostener su peso y permitir el desplazamiento de la misma debido a la dilatacin o contraccin por cambios de temperatura o de carga.

2) Anclajes: Se trata de una obra civil formada por un macizo de concreto reforzado, que se construye en todos los puntos en los cuales se presenta un cambio de pendiente de la tubera. Es una estructura que restringe el movimiento axial de la tubera, y transfiere cargas de traccin al terreno.

Tambin se construyen en los puntos en los que la tubera cambia de seccin.

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

El macizo de anclaje se dispondr por debajo del componente a anclar, excavando el fondo de la zanja de la conduccin y hormigonando contra el terreno.

En general no se admitirn macizos de anclaje con apoyo lateral sobre la pared de la zanja salvo circunstancia excepcional que lo justifique, a juicio del responsable de la recepcin de las obras, y siempre que se garantice la permanencia futura del empuje pasivo del terreno sobre el que se apoya el macizo.

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

2.1) TIPOS DE ANCLAJE EN COMPONENTES DE LAS TUBERIAS FORZADAS2.1.1) ANCLAJE EN CODOS POR CAMBIO DE ALINEACIN

Un cambio de alineacin de la conduccin provoca una fuerza E que es la suma de las siguientes fuerzas:

La fuerza Po motivada por la presin hidrosttica:

Siendo:h = Altura en metros de la carga esttica del agua.S = Seccin de la tubera. = Angulo en el codo.= Peso especfico del agua.

La fuerza centrfuga F debida al esfuerzo ejercido por el agua contra la tubera, al cambiar de direccin.

Por lo tanto, la fuerza E se obtiene mediante la suma aritmtica de las dos fuerzas:

Siendo:

E = Empuje en toneladas en la direccin de la bisectriz del ngulo.

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

Siendo:MDP = Mxima presin de diseoD = Dimetro interior de la conduccin

El codo puede estar colocado en distintas posiciones, estudindose en este anexo las ms generales, debiendo calcularse cada caso especfico en obra, siguiendo las pautas aqu marcadas. A continuacin estudiamos algunos casos generales:

2.1.1.1) CODOS HORIZONTALES

El empuje de un codo horizontal se contrarrestar con: El empuje absorbido por rozamiento con el terreno. El empuje absorbido por reaccin del suelo con el dado de hormign, este empuje se considerara prcticamente despreciable.

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

Dimensionamiento del macizo de hormign:

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

Siendo:tz = Angulo de rozamiento interno del terrenoh = Peso especfico del hormign

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

Siendo:adm = Tensin admisible del terrenoh = Peso especfico del hormign

Dimensionamiento de las armaduras del macizo:

Se consideran dos tipos de armaduras, principal y secundaria:

a) Armadura principal (S1): Se dispone de forma simtrica a ambos lados de un dado de hormign apoyado sobre el macizo de anclaje, en las caras del dado perpendiculares al eje sobre el que se ejerce el empuje hidrulico.

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

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

La separacin considerada entre redondos contiguos de una misma fila es de 10 cm.

En el dado de hormign se dispondrn cercos u horquillas horizontales con el mismo dimetro y separacin que la armadura secundaria.

b) Armadura secundaria (S2): Se dispone de forma simtrica en las caras inferior y superior del macizo de anclaje y est compuesta por mallas de 10 x 10 cm y dimetro f2 equivalente a la mitad del dimetro de los redondos de la armadura principal:

Para todas las armaduras se considerar un recubrimiento mnimo de hormign de 3 cm.En el grfico adjunto se muestra la disposicin de las armaduras sealadas:

2.1.1.2) CODOS VERTICALES

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

Codos verticales en puntos altos:

El empuje hidrulico generado es:

Siendo:E= Empuje en toneladas en la direccin de la bisectriz del ngulo.MDP = Mxima presin de diseoD = Dimetro interior de la conduccin

El peso del dado de anclaje debe ser superior al empuje hidrulico generado, por tanto:

Siendo:V = Volumen del dado de hormign.E = Empuje en toneladas en la direccin de la bisectriz del ngulo.Hormign = 2,2 kg/m3

Los redondos que anclan el tubo al dado de hormign absorbern el empuje hidrulico generado, por tanto para un determinado dimetro el nmero de redondos a instalar ser:

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

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

Codos verticales en puntos bajos:

El empuje hidrulico generado es:

Siendo:

E= Empuje en toneladas en la direccin de la bisectriz del ngulo.MDP = Mxima presin de diseoD = Dimetro interior de la conduccin

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

Siendo:S = Superficie del dado.V = Volumen del dado de hormignadm = Tensin admisible del terrenoh = Peso especfico del hormign

2.1.2) ANCLAJE EN DERIVACIONEl empuje hidrulico generado por la derivacin es:

Anclaje en derivacin con salida horizontal:

El procedimiento de clculo de estos anclajes es el mismo que para los codos Horizontales

Anclaje en derivacin con salida en vertical:

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

Siendo:S = Superficie del dado.V = Volumen del dado de hormignadm = Tensin admisible del terrenoh = Peso especfico del hormign

2.1.3) ANCLAJE EN CONO DE REDUCCIONEl empuje hidrulico generado por la reduccin es:

Siendo:E = Empuje hidrulicoMPD = Mxima presin de diseoD1 = Dimetro mayor de la reduccinD2 = Dimetro menor de la reduccin

El procedimiento de clculo de estos anclajes es el mismo que para los codos horizontales:

2.1.4) ANCLAJE EN VALVULA

El empuje hidrulico generado por la vlvula est dado por la siguiente formula:

Siendo:E = Empuje hidrulicoMPD = Mxima presin de diseoD = Dimetro interior de la conduccin

El procedimiento de clculo de estos anclajes es el mismo que para los codos Horizontales.

2.1.5) ANCLAJES POR PENDIENTE:Para evitar deslizamientos de la tubera hay que anclar la conduccin mediante zunchos fijados sobre dados de hormign y colocados justo debajo de las uniones entre tubos.

Los esfuerzos de deslizamiento a soportar por el macizo se calculan con la frmula:

Siendo:Alpha = ngulo de la tubera con la horizontal.tz = ngulo de rozamiento entre la conduccin y el terreno (30).P = peso de la conduccin entre dos macizos de anclaje.F = esfuerzo al deslizamiento.

El deslizamiento comienza para F = 0. Por tanto:

Es decir, el deslizamiento se produce para una pendiente superior al ngulo de rozamiento de la conduccin y el terreno, que consideramos igual a 30.

3) Juntas de expansin: La junta de expansin absorbe los desplazamientos de la tubera debidos a las dilataciones y contracciones que experimenta como consecuencia de los cambios de temperatura en el ambiente, as como de los cambios de carga del generador. Los cambios de carga van acompaados de sobrepresiones o subpresiones que producen movimientos de las partes de las tuberas.

En las prcticas de mantenimiento deber incluirse una revisin peridica de las juntas de expansin, con el objeto de prevenir o corregir fugas a travs del empaque, que se afloja cuando los movimientos de la tubera son considerables o bruscos, por ejemplo cada vez que ocurra un temblor de tierra o un rechazo de carga deber hacerse una revisin de las juntas.

Disposicin General y Eleccin de Materiales en tuberas forzadas

Transportar un cierto caudal de agua (este es el objetivo de las tuberas forzadas) desde la cmara de carga hasta la casa de mquinas no parece tarea difcil, y sin embargo, el diseo de una tubera forzada no es asunto fcil. Las tuberas forzadas pueden instalarse sobre o bajo el terreno, segn sea la naturaleza de ste, el material utilizado para la tubera, la temperatura ambiente y las exigencias medioambientales del entorno.

Por ejemplo, una tubera de pequeo dimetro en PVC se puede instalar, extendindola simplemente sobre el terreno y siguiendo su pendiente, con un mnimo recubrimiento de tierra para su aislamiento. Estas pequeas tuberas no necesitan ni bloques de anclaje, ni juntas de dilatacin.

Las grandes tuberas en acero debern enterrarse siempre que el terreno no sea muy rocoso. La arena y la grava que rodean una tubera enterrada, constituyen un buen aislante, lo que permitir eliminar un buen nmero de juntas de dilatacin y de bloques de anclaje. Una tubera enterrada, debe ser previamente pintada y protegida exteriormente mediante, por ejemplo, una cinta enrollada que garantice su resistencia a la corrosin. Si se hace as y la cinta no sufre daos durante el montaje, la tubera necesitar un mantenimiento mnimo. Desde un punto de vista ambiental, la solucin es ptima, pues una vez recubierta no representar ningn obstculo al paso de los animales

Una tubera forzada instalada sobre el terreno puede disearse con o sin juntas de dilatacin. Las variaciones de temperatura son especialmente importantes si las turbinas funcionan intermitentemente o cuando la tubera se vaca para proceder a su reparacin o mantenimiento. En estos casos la tubera est sometida a dilataciones y contracciones. En general las tuberas forzadas en acero, se conciben como una serie de tramos rectos, simplemente apoyados en unos pilares, y anclados slidamente en cada una de sus extremidades, que en general coinciden con cambios de direccin. Entre cada dos anclajes consecutivos se intercala una junta de dilatacin (Figura 1).

Tuberas forzadas con juntas de dilatacin

Los anillos de soporte se disean basndose en el comportamiento elstico de los cilindros de dbil espesor. La pared del tubo debe resistir las tensiones combinadas, correspondientes a su trabajo como viga y como recipiente cilndrico sometido a presin interna. El momento de flexin ser el correspondiente a una viga continua. Las reacciones sobre los apoyos, propias de una viga continua, se transmiten, por esfuerzo cortante, entre chapa y anillo. Para ello los anillos se sueldan a la chapa con soldaduras continuas en rincn, y se rigidizan mediante diafragmas (Figura 2).

Los bloques de anclaje tienen que resistir la componente longitudinal del peso de la tubera llena de agua, ms las fuerzas de friccin correspondientes a los movimientos de expansin y contraccin; por eso se recomienda cimentarlos, siempre que sea posible, sobre roca. Si dada la naturaleza del terreno los bloques de anclaje requieren el empleo de grandes volmenes de hormign, y resultan por lo tanto muy costosos, puede estudiarse la eliminacin de uno de cada dos anclajes y de todas las juntas de dilatacin para que la tubera se deforme en el codo que queda libre. Para ello se recomienda apoyar los tramos rectos de tubera en soportes en los que la zona de contacto cubra un ngulo de unos 120. Los apoyos fabricados por soldadura de chapas y perfiles, se pueden recubrir, para reducir la friccin, con una placa de amianto grafitado.

Existen multitud de tipos de juntas de dilatacin, pero la ms utilizada es la de la Figura 2 empaquetadura de cierre est formada por anillos de cordones de lino de seccin cuadrada, comprimidos mediante una pieza deslizante en acero que se atornilla a una brida fijada a la tubera.

Hoy en da existe una gran variedad de materiales para tuberas forzadas. Para grandes saltos y grandes dimetros, la tubera fabricada en acero soldado, con juntas longitudinales y circunferenciales, sigue siendo la solucin preferida, porque es relativamente barata y porque puede conseguirse con el dimetro y espesor requeridos por el proyectista. Sin embargo, si se encuentra en el mercado tubera espiral, soldada por arco sumergido o incluso por induccin, del tamao apropiado para el caudal de diseo, muy utilizada en gaseoductos y oleoductos, esa ser, sin duda, la solucin ms econmica.

El acero, a medida que disminuye el salto, va resultando menos competitivo, porque el espesor requerido para compensar la corrosin, interna y externa, no disminuye con el espesor de pared, y porque se necesita un espesor mnimo para poder manipular los tubos en obra sin que se deformen.

Para dimetros ms pequeos hay un gran abanico de opciones: tubo de acero estirado, con uniones de enchufe y cordn y anillos de cierre, o con bridas para atornillar (Figura 3) tuberas de hormign, centrifugadas o pretensadas y tuberas de amianto-cemento. Los tubos con juntas de enchufe y cordn, construidos en acero, fundicin dctil o PVC, con empaquetaduras flexibles no necesitan juntas de dilatacin, ya que estas absorben los pequeos movimientos longitudinales; tuberas reforzadas con fibra de vidrio (GRP), de PVC o de polietileno (PE). Las tuberas de PVC resultan muy atractivas para saltos de altura media (una tubera PVC de 0,4 m de dimetro puede utilizarse en saltos de hasta 200 metros) porque son ms baratas y ms ligeras que las de acero y no necesitan proteccin contra la corrosin. Las tuberas de PVC15 son fciles de instalar porque vienen con uniones de enchufe y cordn. Debido a su baja resistencia a los rayos UVA no pueden instalarse al aire a no ser que estn pintadas o recubiertas de cinta protectora. Por el contrario las tuberas de PVC solo admiten radios de curvatura muy grandes (100 veces el dimetro del tubo), su coeficiente de dilatacin trmica es cinco veces la del acero, y son bastante frgiles.

Las tuberas de polietileno de alto peso molecular, como el PE16, pueden ser colocadas sobre el terreno y admiten un radio de curvatura de 20 a 40 veces su dimetro (existen piezas especiales para radios ms pequeos) y flotan en el agua pero solo pueden unirse por soldadura de fusin en obra, para lo que se requieren maquinas especiales.

Tambin pueden utilizarse tuberas de hormign con revestimiento interior de chapa de acero, para prevenir fugas, armadas si es necesario con redondos de acero, incluso de acero de alta resistencia pretensado, y provistas de uniones de enchufe y cordn. Desgraciadamente y debido a su elevado peso, resultan difciles de transportar y manejar en obra, aunque por el contrario no exijan ningn tratamiento de proteccin contra la corrosin.

En pases en vas de desarrollo, las tuberas construidas con dovelas de madera creosotada zunchadas con flejes de acero, pueden ser una solucin atractiva ya que permite alcanzar 50 metros de altura de salto para dimetros de 5,5 metros (que puede llegar a 120 metros si se reduce el dimetro a 1,5 metros). Entre las ventajas que ofrece esta solucin pueden mencionarse, la flexibilidad que tienen para adaptarse al perfil del terreno, la facilidad de colocacin que casi no exige movimiento de tierras, la eliminacin de juntas de dilatacin y soportes de anclaje y su resistencia a la corrosin. Como desventajas hay que contar con la presencia de fugas, sobre todo hasta que la madera se hincha, la necesidad de conservar el tubo siempre lleno de agua (para que la madera no se reseque) y el entretenimiento peridico (cada cinco aos hay que creosotarla mediante pulverizacin).

En la Tabla 1 se detallan las propiedades mecnicas ms relevantes de los materiales antes citados. Los valores del coeficiente Hazen Williams varan segn sea el estado de la superficie interior del tubo.

El Fenmeno del Golpe de Ariete

El golpe de ariete se produce en las tuberas cuando se realizan operaciones rpidas en los equipos que abren, cierran, o regulan el deslizamiento del agua, como ser vlvulas, compuertas, anclajes, etc. Este fenmeno tambin puede darse cuando existen reducciones bruscas de la potencia requerida a un generador accionado por turbina hidrulica. La accin del golpe de ariete puede atenuarse e incluso impedirse si se acciona lenta y progresivamente las vlvulas, compuertas, etc. y principalmente, a travs del emplazamiento de chimeneas de equilibrio. Estas amortiguan las variaciones de presin al comportarse como pozos piezomtricos. Los efectos del golpe de ariete son ms significativos en los conductos de gran longitud y tiene mayor fuerza al cerrar el paso de agua. El estudio del golpe de ariete tiene si fundamento en la teora de la onda elstica, la cual implica el desplazamiento, a una velocidad dada, de las variaciones de presin a lo largo de una tubera. Mediante esta teora, se anula la idea de igualar la tubera de conduccin como un cuerpo rgido. La velocidad recibe el nombre de celeridad de la onda, y se refiere a la velocidad del sonido dentro del sistema considerado, estando condicionado por el dimetro, espesor y elasticidad de la tubera, as como de la densidad y compresibilidad del lquido. El valor de la longitud del conducto no influye. Los valores de las presiones originadas en un golpe de ariete, estn en razn directa con el cambio brusco de velocidad del lquido. Se entiende por perodo crtico de una tubera al tiempo necesario tarda una onda en desplazarse desde el origen de la perturbacin hasta el extremo libre y regrese. Se diferencian golpes de ariete positivos y golpes de ariete negativos. En el primero de los casos, la onda elstica, al encontrar menor resistencia en la chimenea de equilibrio que en la propia tubera, se dirige hacia aquella, originando una elevacin del nivel de agua en el depsito o galera de expansin, producindose una desaceleracin en la columna lquida. En cambio, cuando el golpe de ariete es negativo, el nivel de agua en la chimenea disminuye, provocando una aceleracin del agua en la tubera. El golpe de ariete tambin recibe el nombre de martillo de agua (waterhammer), y en el caso de tratarse de oleoductos y fluidos diferentes del agua se lo conoce como surge.

El golpe de ariete es un fenmeno que ocurre en los sistemas de tuberas al cerrar o abrir una vlvula, al parar o poner en marcha una maquina hidrulica o al disminuir bruscamente el caudal. Consiste en la formacin de ondas de presin y gradientes que las induce a propagarse alejndose de la vlvula hasta alcanzar una masa de lquido lo suficientemente grande para reflejarse en ella y regresar nuevamente a la vlvula.

Es un proceso cclico pero amortiguado por la deformacin de la tubera y la viscosidad del lquido. El golpe de ariete es un fenmeno transitorio, de rgimen variado, en la que el fluido es compresible y el rgimen es no permanente.

Si se cierra rpidamente la vlvula al disminuir la energa cintica esta se en un trabajo de compresin del fluido y en trabajo necesario para dilatar la tubera: se dice que se ha producido un golpe de ariete positivo

Por el contrario, al abrir una vlvula se puede producir una depresin o golpe de ariete negativo.

BIBLIOGRAFIA

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