diseño piping

7/25/2019 Diseo Piping

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ONSIDERACIONES GENERALESLos principios de diseo de tubera flexible estn basados en las siguientes caractersticas:

1. Cuando la tubera flexible va enterrada, los esfuerzos de flexin que

genera la carga de tierra, se reducen por la reaccin del suelo desarrollada

al deformarse el tubo de modo que sus costados se mueven hacia afuerasobre el relleno de la zanja.

2. Al actuar la presin interna del fluido, la tubera tiende a recuperar su

forma redonda, lo cual reduce la tensin generada por la carga del

terreno. Entonces, cuando una tubera flexible se somete a carga externa

combinada con presin interna, los esfuerzos de cada accin no son

acumulativos, y la tubera debe disearse con un espesor correspondiente

al que resulte mayor de los dos. En el caso de tubera rgida es al

contrario: debe considerarse la accin simultnea y la acumulacin de

esfuerzos debidos a la carga externa y a la presin interna.

3. La tubera flexible generalmente tiene que soportar menor carga de

tierra que la rgida, porque al deformarse por el peso, transfiere parte de

su carga al relleno lateral y altera las fuerzas de friccin en el relleno de

tal modo que se reduce el efecto de la carga de tierra a un valor menor

que en el caso del tubo rgido.

DISEO PARA LA PRESIN INTERIOR Ecuacin de diseo

En donde: t = mnimo espesor de la pared del tubo en milmetros

p = presin interna en megapascals

D = dimetro exterior de la tubera en milmetros

Rm = esfuerzo mnimo de resistencia ltima a la tensin del material en

megapascals (420 MPa)

SF = factor de seguridad de diseo (3.0 para la presin de operacin permitida)

DISEO PARA LA DEFORMACIN MXIMA Ecuacin de deformacin

En donde: deformacin = mxima deformacin permitida del dimetro del tuboexpresada en % del dimetro exterior

Rf = resistencia a la cedencia debida a la deformacin del tubo de hierro dctil

en megapascals (Rf = 500 MPa)

SF = factor de seguridad del diseo (1.5 contra cedencia)

E = el mdulo de elasticidad del hierro dctil en megapascals (170,000 MPa)

Df = factor de deformacin para el hierro dctil (3.5)

DISEO A LA DEFLEXIN Ecuacin de diseo t =

Donde = deflexin del dimetro del tubo en % del dimetro exterior

(El Diseo de la deflexin = 4% o de deformacin, el que sea menor)

Kx= coeficiente de deflexin

q = presin vertical debido a todas las cargas exteriores sobre el tubo en megapascals

E = el mdulo de elasticidad del hierro dctil en megapascals (170,000 MPa)

E = el mdulo de reaccin del suelo en megapascals

Las tablas para la presin de operacin permitida y las profundidades de instalacin para suelos

tpicos de zanja se muestran en las siguientes pginas.

C

D I S E O D ET U B E R A

D E H I E R R OD C T I L

t =p.(D-t).SF

2 Rm

0.15 . Kx.q 0.0009E

.E E

= 100Rf.(D-t)

SF.E.Df

3


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TUBERA DE HIERRO DCTILCLASES ISO

DIMETROS ESPESOR NOMINAL (mm)(mm) K7 K8 K9100 - - 6.1

150 - - 6.3

200 - - 6.4

250 - - 6.8

300 - - 7.2

350 - - 7.7

400 - - 8.1

450 - 7.6 8.6

500 - 8 9

600 7.7 8.8 9.9

700 8.4 9.6 10.8

800 9.1 10.4 11.7900 9.8 11.2 12.6

1000 10.5 12 13.5

1200 11.9 13.6 15.3

1400 13.3 15.2 17.1

1500 14 16 18

1600 14.7 16.8 18.9

TUBERA DE HIERRO DCTILPRESIN DE OPERACION MXIMA PERMITIDA (EN BARS)

DIMETROS PRESIN DE OPERACIN PERMITIDA (mm)(mm) K7 K8 K9

100 - - 33

150 - - 33

200 - - 33

250 - - 33

300 - - 33

350 - - 33

400 - - 33

450 - 35 40

500 - 33 38600 26 31 36

700 24 29 34

800 23 28 32

900 23 27 31

1000 22 26 30

1200 21 25 29

1400 20 24 28

1500 20 24 27

1600 20 24 27

Las presin de

operacin para dime-

tros de 100mm

400mm est basada en

una prueba de fbrica

con 1.5 veces la pre-

sin de operacin.

Consulte a la ACIPCO.

6-2

DISEO


3/9


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os siguientes Grupos de Suelos del "Bureau of Reclamation" de los EUA/ASTM

D2487 clasifica diferentes suelos para rellenos, para tubera enterrada compactadas o

sin compactar. Los suelos se clasifican como se encuentran en forma natural y tambin

como materiales manufacturados. Estos grupos clasifican las tierras que hay en forma natural

as como materiales manufacturados. Los grupos tambin se usan para clasificar materiales deparedes de zanjas que no se han alterado.

GRUPO A Grava graduada (de 6mm a 40mm), incluyendo un nmero

de materiales de relleno que tienen importancia regional tales como

piedra molida, grava molida y concha molida.

GRUPO B(GW, GP, SW, SP) Suelos con granos speros con muypocos o nada de finos, con partcula mxima de 40mm, incluyendo un

nmero de materiales de relleno que tienen importancia regional con

granos redondos tales como cantos rodados.

GRUPO C(GM, GC, SM, SC, CL, ML, ML-CL, CL-CH, ML-MH) Suelos con granossperos con finos y suelos con granos finos y con plasticidad media a nula, con ms del

25% de partculas speras, lmite lquido (LL) menor del 50%.*

GRUPO D(CL, ML, ML-CL, CL-CH, ML-MH) Suelos de granos finos con plasticidadmedia a nula, con lmite lquido (LL) menor del 50%.*

GRUPO E(CL, MH, CH, MH) Suelos de granos finos con plasticidad media a alta, conlmite lquido mayor del 50%.

GRUPO F(PT) Suelos orgnicos.

* El diseador tiene que determinar el porcentaje de partculas speras para poder

determinar con exactitud el grupo de suelo de que se trata.

L

C L A S I F I C A C I ND E S U E L O S

6-4

DISEO


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PROFUNDIDADES MXIMAS RECOMENDADAS DE RELLENO SOBRE EL TUBO (m)

(CAMINOS DE ACCESO, TIPO DE SUELO C, CAMA DE MATERIAL SUELTO DE 100mm DE ESPESOR.)

DIMETROSNOMINALES (m m) CLASE ZANJA TIPO II ZANJA TIPO III

100 K9 40 40

150 K9 18 19

200 K9 12 13

250 K9 9.9 10

300 K9 8.4 9.4

350 K9 7.4 8.6

400 K9 6.7 8

450 K8 4.9 6.4

450 K9 6.3 7.9

500 K8 4.6 6.3

500 K9 5.9 7.3

600 K7 3 4.9600 K8 4.4 6.2

600 K9 5.4 7

700 K7 2.7 4.6

700 K8 3.9 5.7

700 K9 5.1 6.7

800 K7 2.5 4.4

800 K8 3.5 5.4

800 K9 4.9 6.6

900 K7 2.4 4.3

900 K8 3.3 5.2900 K9 4.5 6.3

1000 K7 2.3 4.2

1000 K8 3.1 5

1000 K9 4.2 6

1200 K7 2.1 4.1

1200 K8 2.9 4.7

1200 K9 3.9 5.7

1400 K7 2 4

1400 K8 2.7 4.6

1400 K9 3.6 5.41500 K7 2 4

1500 K8 2.7 4.5

1500 K9 3.5 5.3

1600 K7 2 3.9

1600 K8 2.6 4.5

1600 K9 3.4 5.2


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PROFUNDIDADES MXIMAS RECOMENDADAS DE RELLENO SOBRE EL TUBO (m).

(CAMINOS PRINCIPALES, TIPO DE SUELO C, CAMA DE MATERIAL SUELTO DE 100mm DE ESPESOR)

DIMETROSNOMINALES (mm) CLASE ZANJA TIPO II ZANJA TIPO III

100 K9 40 40

150 K9 18 19

200 K9 12 13

250 K9 9.7 10

300 K9 8.2 9.3

350 K9 7.2 8.4

400 K9 6.5 7.8

450 K8 4.6 6.2

450 K9 6 7.4

500 K8 4 6.1

500 K9 5.6 7.1

600 K7 2.3 4.6600 K8 4 5.9

600 K9 5.1 6.8

700 K7 * 4.3

700 K8 3.5 5.5

700 K9 4.8 6.5

800 K7 * 4.1

800 K8 3.1 5.1

800 K9 4.6 6.4

900 K7 * 4

900 K8 2.8 4.9900 K9 4.2 6.1

1000 K7 * 3.9

1000 K8 2.6 4.7

1000 K9 3.9 5.8

1200 K7 * 3.7

1200 K8 2.3 4.5

1200 K9 3.5 5.4

1400 K7 * 3.7

1400 K8 2.1 4.3

1400 K9 3.2 5.21500 K7 * 3.7

1500 K8 2.1 4.3

1500 K9 3.1 5.1

1600 K7 * 3.6

1600 K8 2 4.2

1600 K9 3.1 5

* La Zanja Tipo III deber de usarse para esta condicin.

6-6

DISEO


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n algunas situaciones es necesario o deseable el usar apoyos a intervalos definidos a

lo largo del tendido de tuberas. La tubera sobre soportes se utiliza en la conduc-

cin de fluidos en edificios y plantas de tratamiento. Tambin se usa para cruzar sue-

los rocosos o construcciones.

Esta seccin analiza consideraciones pertinentes al diseo para instalaciones de tubera

de Hierro Dctil apoyadas e instaladas sobre el piso. Las instalaciones para cruzar

puentes, las cuales no se analizan especficamente, requieren atencin especial debido a

sus caractersticas nicas.

INSTALACIONES SOBRE EL PISO Para instalaciones sobre el piso con un apoyo por cada

tubo (o sea, claro de 6m. por tramo) la tubera de Hierro Dctil clase-K, mnima que se

manufactura en todos los dimetros es ms que adecuada para apoyar el peso de la

tubera y el agua que contiene cuando se analiza de acuerdo con este procedimiento.

Otras consideraciones del diseo para tuberas apoyadas sobre el niveldel piso pueden incluir la capacidad de apoyo de los apoyos en s, la

resistencia de la estructura desde donde una tubera puede ser suspendi-

da, y/o cargas no usuales o adicionales que no estn dentro del alcance

de esta seccin. Dichas cargas pueden incluir efectos ssmicos, frecuen-

cia o de resonancia de vibraciones, carga de viento, corrientes de agua y

otras consideraciones especiales de diseo.

Tambin es necesario el asegurar una estabilidad lateral y vertical mnima en los apoyos

para tubera sobre el piso. Cuando las juntas se instalan con deflexin, pueden recibir

empujes de origen hidrosttico o hidrodinmico y si no se restringe su movimiento verti-

cal y horizontal, las fuerzas desbalanceadas pueden generar mayor deflexin y posible falla

en la lnea.

La expansin trmica de las tuberas de Hierro Dctil apoyadas sobre el piso, general-

mente no representa un problema si el diseo y la instalacin son adecuadas. Esto, gracias

a la geometra de la junta espiga-campana. Un cambio de temperatura de 50 Celsius ge-

nera una expansin o contraccin de 34mm en un tramo de tubera de 6m de largo. Este

movimiento lo absorbe fcilmente la junta si fue instalada correctamente.

Eventualmente si las estructuras de apoyo tienen un comportamiento muy diferente al

de la tubera, puede ser necesario un anlisis especial de expansin contraccin y tipo

de junta y soporte. Como referencia srvase considerar los siguientes coeficientes de

expansin trmica:

Hierro dctil: 11.2 x 10-6 mm/mm - grado Celsius

Acero: 11.7 x 10-6 mm/mm - grado Celsius

Concreto: 12.6 x 10-6 mm/mm - grado Celsius

LOCALIZACIN DEL APOYO La seguridad del sistema se aprovecha al mximo al poner los

apoyos inmediatamente detrs de las campanas de la tubera. Cuando el apoyo se pone

cerca de la campana, la seccin de la campana contribuye con mayor rigidez anular en

donde ms se necesita. Esta rigidez, a su vez, reduce el efecto de las cargas y concen-

tracin de esfuerzos. Normalmente los apoyos no se debern de poner bajo espigas adya-

centes a las campanas, debido a efectos inconvenientes sobre las juntas.

E

D I S E O D ET U B E R A D E

H I E R R O D C T I LA P O Y A D A S O B R E

S O P O R T E SS U P E R F I C I A L E S


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NGULO DE SILLETA Y ANCHO DEL APOYO Los apoyos de la tubera debern de hacerle

cuna a la tubera sobre una silleta (vea la Fig. 1). Esta cuna, que deber de seguir la

forma de la tubera, minimiza concentracin de esfuerzos en los apoyos. Se recomienda

que el ngulo (b) de la silleta del apoyo sea entre 90 y 120. Muy poco o nada de bene-

ficio se obtiene al aumentarlo a ms de 120. Con ngulos menores de 90, el esfuerzomximo tiende a aumentar rpidamente, conforme el ngulo de la silleta disminuye.

Hay algunas diferencias entre las teoras y los datos publicados con respecto a la impor-

tancia del ancho del apoyo axial. Se ha encontrado que las frmulas ms aceptadas son

completamente independientes del ancho del apoyo. Sin embargo, algunas pruebas real-

izadas muestran una disminucin de esfuerzos al aumentar el ancho del apoyo. Hay

poco efecto sobre el esfuerzo mximo cuando el ancho del apoyo de la silleta se aumenta

a ms de 2Dtc . Por lo tanto, para los apoyos, el ancho mnimo (b) se determina al usar

la siguiente ecuacin:

b = 2Dtc

En donde: b = ancho mnimo del apoyo en (mm)D = dimetro exterior de la tubera en (mm)

tc = espesor mnimo de la tubera en (mm)

DISEO DEL APOYO Por otra parte, los apoyos, los pilotes y/o los cimientos debern de

disearse adecuadamente desde un punto de vista estructural y de ingeniera de suelos

para manejar con seguridad cualquiera carga transmitida por la tubera.

FIGURA 1 NGULO Y ANCHO DEL APOYO

CLARO DE VIGA PARA TUBERA DE HIERRO DCTIL SOBRE APOYOS La tubera de Hierro

Dctil normalmente se manufactura en largos nominales de 6 metros, dependiendo del

fabricante de la tubera. La junta ms comn que se usa con tubera de Hierro Dctil es

la junta del tipo de espiga-campana. Esta junta con empaque de hule permite cierta can-

tidad de desviacin y desplazamiento longitudinal al mismo tiempo que mantiene su

hermeticidad. Esto hace que estas juntas de tubera sean ideales para instalaciones nor-

males sobre y bajo el suelo. La flexibilidad de las juntas reduce los esfuerzos de viga exce-

sivos. Para tubera sobre apoyos, sin embargo, las juntas flexibles requieren que se ponga

un apoyo debajo de cada tramo de tubera para asegurar la estabilidad.

Se han usado con xito varios esquemas para obtener tramos de apoyo ms largos en

donde las condiciones particulares de instalacin as lo requirieron pero estas situaciones

especiales de diseo no se analizan especficamente en esta seccin. El diseo aqu pre-

sentado, est basado sobre un apoyo por cada tramo de tubera.

6-8

DISEO

ANCHO DEL APOYO

NGULO DE LASILLETA

CLARO ENTRE APOYOS


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FLECHA O DEFLEXIN DEL TRAMO AL CENTRO DEL CLARO Los clculos de la deflexin alcentro del claro tambin estn basados en el concepto de viga simplemente apoyada.

Esto es tambin conservador debido a que las juntas se pueden flexionar en realidad. La

deflexin mxima permitida a medio claro de la tubera para evitar daos al revestimien-

to interior de mortero de cemento est limitada a:

yr =L

.120

Se puede desear una deflexin menor por razones de esttica en instalaciones sobre el

suelo o posiblemente por razones hidrulicas en tuberas con flujo por gravedad. Las

limitaciones deflexin, si es que hay algunas, deber determinarlas el ingeniero de dis-

eo de acuerdo a la instalacin especfica.

La deflexin en el centro del claro, de un tramo que soporta una carga uniforme como

viga simplemente apoyada, puede calcularse usando la siguiente frmula:

y =wL

4(2.6 x 106)

E(D4-d

4)

TABLA DE DISEO PARA TUBERA SOBRE SOPORTES(INSTALACIN SOBRE EL PISO)

DIMETRO NGULO () CLARO FLECHA AL ANCHO

NOMINAL DE LA DE LA SILLETA LIBRE L CENTRO DEL MNIMO DETUBERA (mm) CLASE K (Grados) (m) CLARO y(mm) SOPORTE(mm)

100 9 90 6 9.680 38

150 9 90 6 5.320 46

200 9 90 6 3.514 53

250 9 90 6 2.494 61

300 9 90 6 1.850 69

350 9 90 6 1.463 76

400 9 90 6 1.175 83

450 8 90 6 1.080 85

500 8 90 6 0.902 92

600 7 90 6 0.756 99

700 7 90 6 0.582 111

800 7 90 6 0.459 124

900 7 90 6 0.371 136

1000 7 90 6 0.307 148

1200 7 90 6 0.221 173

1400 7 90 6 0.168 197

1500 7 90 6 0.148 209

1600 7 90 6 0.131 221

NOTAS:

1)Los clculos para el

esfuerzo mximo en el

apoyo, deflexin al

centro del claro y

esfuerzos de flexin,se basan en el manual

DIPRA: "Diseo de

tubera de Hierro

Dctil sobre

soportes." Este anlisis

supone una viga sim-

plemente apoyada.

2) Los pesos consider-

ados son en base a

tubera ACIPCO

Fastite llena de agua y

con revestimiento de

mortero de cemento

Norma ISO 4179.

En donde: yr = deflexin mxima permitida en el centro del claro (mm)

L = el largo del claro en (metros)

En donde: y = deflexin al centro del claro (mm)

w = la carga unitaria por metro lineal (kg/metros)

L = el largo del claro en (metros)E = el mdulo de elasticidad del hierro dctil (170

Giga Pascals) (Gpa)

D = el dimetro exterior de la tubera (mm)

d = D 2tn (mm)

tn = el espesor nominal de la tubera (mm) menos

tolerancia de vaciado (mm) (para instalaciones

sobre el piso)

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