DISEO DE TUBERIA GRP ENTERRADAMANUAL AWWA M45 (Edicin 2005)

(American Water Works Association)

CONTENIDO GENERAL DEL MANUAL AWWA-M 451. Historia y uso2. Materiales, propiedades y caractersticas3. Fabricacin4. Diseo hidrulico5. Diseo de tubera enterrada6. Gua para la Instalacin enterrada de tubera GRP7. Diseo de anclajes de tubera enterrada8. Diseo de tubera en instalacin area9. Sistemas de uniones y accesorios10. Embalaje, Transporte manipulacin, almacenamiento y reparacin El Manual M45 contiene la mas completa informacin de diseo y anlisis de la tubera de polister reforzado con fibra de vidrio.

TIPOS DE TUBERIASTuberas Flexibles: Conductos que permiten deformacin vertical de hasta el 5% del dimetro sin mostrar seales de dao estructural (fisuras o grietas) PVC - GRP- Polietileno

TIPOS DE TUBERIASTuberas Rgidas: No permiten deformacin vertical, si la capacidad de soporte del tubo es excedida hay falla estructural del tubo (grietas y fisuras). Concreto Asbesto cemento

TUBERIAS RIGIDASDiagrama de fuerzas Teora de Marston: Desarrollada por Anson Marston en 1913 (Universidad de Iowa) para tuberas rgidas

TUBERIAS FLEXIBLESDiagrama de fuerzas Iowa Formula: Desarrollada por Spangler en 1941 (Universidad de Iowa)

TUBERIAS FLEXIBLESLlenoProfundidadde instalacinCarga VivaCargaMuertaSueloNativoAncho de ZanjaNivel freticoDN

TUBERIAS FLEXIBLES : IOWA FORMULA% Deflexin= Dy/D =Carga muerta + Carga viva Rigidez del tubo + Rigidez del suelo=Wd = Carga de suelo ( Funcin de la profundidad de instalacin)=Wl = Carga viva (Funcin de la carga vehicular y profundidad)Kx = Coef. de encamado: Refleja el grado de soporte que provee el suelo al tubo en la cama de asientoDl = Coef. de deflexin a largo plazo: convierte la deflexin inicial del tubo a la deflexin que ocurre varios aos despus por la perdida del efecto de arco del lleno sobre el tubo y perdida del soporte lateral del suelo nativo por consolidacin. PS = Rigidez de la tubera (149 * PS = 8 EI / D3)Ms = Modulo de rigidez combinado del suelo (nativo + lleno)Wd = gs * H

Capitulo 5 AWWA M 45 El Captulo 5 del Manual M45 define la metodologa y parmetros para el diseo de tubera GRP en instalacin enterrada

DeflexinPresinCargas combinadas (Presin + Deflexin)Estabilidad (Pandeo)

Procedimiento general de diseo1. Calcular la Presin de trabajo (Pw)2. Calcular la sobre presin (Ps)3. Definir la clase de presin de la tubera (Pc)4. Seleccionar la clase de Rigidez de la tubera (SN)5. Determinar las cargas muertas y vivas6. Determinar caractersticas suelo nativo7. Definir material de lleno8. Calcular la deflexin

(en caso de encontrar deflexiones muy altas)

Utilizar una clase de rigidez mayor Utilizar un lleno de mejores caractersticas Ampliar el ancho de zanja Reducir la profundidad de instalacin Reducir la presin de vaco interno

9. Verificar factores de seguridad por cargas combinadas

10. Verificar factor de seguridad al Pandeo

DEFLEXIONLlenoProfundidadde instalacinCarga VivaCargaMuertaSueloNativoAncho de ZanjaDeflexin afectada por:

Tipo de lleno Nivel de compactacin Ancho de zanja Tipo de suelo nativo Cargas vivas Profundidad de instalacin Cargas superficiales Rigidez de la tubera Existencia del nivel freticoNivel freticoDN

Cargas muertasWd = gs * HWd = Carga de suelo (Ton/m2)gs = Peso unitario del suelo (Ton/m3)H = Profundidad de cobertura sobre la clave del tubo (m)La carga muerta a cargo plazo sobre el tubo se considera como el peso del prisma rectangular de suelo directamente por encima del tubo

Cargas vivasCargas vivas por trafico vehicular

Cargas vivasLas cargas vivas se disipancon la profundidadWL =WL = Carga viva Mp = Factor de mltiple presencia =1,20P = magnitud de la carga de ruedaIf = Factor de impactoL1 = Ancho de la carga paralela a la direccin de viaje L2 = Ancho de la carga perpendicular a la direccin de viajeL1 y L2 muestran la disipacin de la carga puntual con la profundidad y dependen del tipo de lleno

Soporte lateral del sueloMsbMsnAncho zanja BdMsb = Modulo de soporte lateral del llenoMsn = Modulo de soporte lateral del suelo nativoBd = Ancho de zanja

Ms = Sc * Msb

Ms = Modulo combinado de soporte lateral (Lleno + suelo nativo)

Sc = Factor de soporte combinado (funcin de Msb/Msn y Bd/DN) DN

Soporte lateral del sueloEl soporte del suelo nativo y el lleno estructural son el factor mas importante en la deflexin de las tubera flexibles

El suelo nativo y el lleno estructural aportan en gran parte a la rigidez del sistema.

Llenos estructurales blandos no dan suficiente soporte al tubo y suelos nativos blandos no dan suficiente soporte lateral al lleno.

Para un mismo tipo de lleno estructural, el modulo de soporte lateral del lleno (Msb) aumenta con la profundidad, debido esto a que a mayor profundidad aumenta la presin de confinamiento por el peso del suelo por encima del lleno.

Clasificacin de Suelos nativosSe debe realizar un estudio de suelos para caracterizar el tipo de suelo nativo

Clasificacin de Suelos nativos

Clasificacin de Suelos nativos

Clasificacin de Materiales de lleno

Modulo de soporte lateral del lleno (Msn)SC1SC2SC3

Interaccin Lleno Suelo nativoFactor combinado del soporte del suelo - Sc (Nativo + lleno estructural) Sc: Refleja el aporte que hacen suelo nativo y lleno a la rigidez del sistema

Rigidez del suelo Vs Rigidez del tubo Cargas% Deflexin = -------------------------------------------- SN del tubo + SN suelo (nativo + lleno) Rigidez del Tubo Rigidez del suelo

STIS149 PS Msb61000*Msb*ScN/m2 N/m2Mpa N/m22500200005,1 292000 5000400005,1 292000 10000800005,1 292000 Se considera suelo nativo tipo 4 con Msn = 4.8 (de la tabla con Bd/D = 1,5 Sc = 0.94)Se considera lleno Tipo SC3 con Msb = 5,1 Mpa (90 % proctor estndar)

Deflexin - Elongacin Elongacin en la pared del tubo est directamente relacionada con la deflexin La elongacin debe ser controlada tal que el desempeo del tubo este dentro de los lmites permisiblesAlcantarillado:Acueducto:eb = mxima elongacin del anillo debida a la deflexin (mm/mm)Df = Factor de forma (funcin de SN, tipo de lleno)t = Espesor total de pared (mm)D = Dimetro del tubo (a centro de espesor de pared)D = mxima deflexin a largo plazoSb: Deformacin del anillo a largo plazo (mm/mm)

PRESION INTERNAHDB : Base hidrosttica de diseot : espesor total de paredEH: Modulo de elasticidad de tensin tangencial D: Dimetro de la tuberaP: Presion internaEHEH

PRESION INTERNAHDB : Base hidrosttica de diseoEl tubo debe resistir mnimo 1,8 veces la presin mxima de operacin de manera constante durante un periodo de 50 aosPc: Clase de presin de la tuberat : espesor total de paredEH: Modulo de elasticidad de tensin tangencial D: Dimetro de la tubera

Sobre presin por golpe de arieteAWWA M45 permite sobre presiones de hasta un 40% por encima de la PN

Ej.: Para PN10 la mxima sobre presin permisible es de 14 bars

Si la presin de operacin es solo de 6 bars para una tubera PN10, la mxima sobre presin sigue siendo de 14 bars

Pc: Clase de presin de la tuberaPw: Presin de trabajoPs: Sobre presin

PANDEO (buckling)VacoSueloAgua El tubo est sujeto a cargas externas por: Sobre cargas de suelo Nivel fretico Vaco interno

Estas cargas generan esfuerzos compresivos en el anillo que pueden causar inestabilidad y pandeo

Presin de pandeo admisible (Buckling)El pandeo es resistido por la rigidez del tubo y por el suelo que rodea la tubera (lleno + nativo)

Presin de pandeo admisibleLa estabilidad al pandeo se debe cumplir para dos condiciones de carga:

1. qa > qs + qw + qv

2. qa > qs + qw + qt

qs = Carga del sueloqw= Carga hidrosttica (nivel fretico)qv = Vaco internoqt = Carga de trfico

Diseo Flujo libre Vs PresinTubera a flujo libre:

Deflexin Sb

Pandeo Carga de Suelo Carga hidrosttica (nivel fretico)Tubera para presin:

Deflexin Sb

Pandeo Carga muerta Carga hidrosttica (nivel fretico) Vaco interno

Presin (HDB) Presin de trabajo Sobre presin (golpe de ariete)

Cargas combinadas

AWWA M45AWWA M 45 provee el mtodo de diseo y anlisis mas completo para las tuberas GRP.

Para tuberas a presin y gravedadConsidera cargas combinadas (presin interna y cargas externas)Carga del prisma de suelo factorada (DL = 1.5)Usa valores permisibles de diseo de largo plazo (50 aos)

DISEO DE ZANJA TIPICO

HOJA DE CALCULO AWWA M45Se tiene disponible una hoja de calculo para el diseo de cimentacin utilizando la metodologa y ecuaciones del Manual AWWA M45