CRITERIOS DE DISEÑO Y DIMENSIONAMIENTO DE ACCESORIOS DE SEGURIDAD Bloques de anclaje en válvulas y accesorios Ing. Esmelin Pinto Villanueva
Bloques de anclaje en válvulas y accesorios
Los esfuerzos originados en la línea de tubería, cuando cambia de dirección, en la reducción de diámetro, en los extremos cerrados, en las válvulas y en los tramos de gran inclinación, deben ser absorbidos por anclajes.
Los anclajes pueden ser de concreto simple o armado.
Fig. Nº 01 Anclajes de Concreto para Accesorios
1. Calculo del esfuerzo o empuje
Para calcular el empuje F, que ejerce la presión del agua Pi, sobre el área A de la sección de la tubería o sobre un extremo cerrado (Tapón) de la tubería, es mediante la Fórmula:
F A Pi , Re emplazando
(1) A D2 4
en (1),
se tiene :
D2 F Pi 4
(2)
Donde: F = Esfuerzo o empuje en Kg. A = sección del tubo en m2. Pi = presión interna máxima en la tubería en m.c.a. ó en Kg./cm2 D = Diámetro exterior del tubo en cm.
Para el cálculo real de Empuje, deberá asumir el diámetro externo del tubo.
Ejemplo
Calcular el empuje F que ejerce la presión del agua Pi = 5 Kg./cm2 (50 m.c.a.) sobre el extremo de una tubería de PVC de 150 mm (6”) de diámetro nominal, el diámetro externo es 168 mm. (16.8 cm.)
Solución: Aplicando la Fórmula (2)
D2 3.14 (16.8cm) 2 F Pi 5 Kg cm2 1,107.8 1,108 Kg 4 4
Para el caso de curvas horizontales los esfuerzos (N) que se producen en los accesorios, tal como los codos, se obtienen con la siguiente fórmula, donde el ángulo es el correspondiente del codo que se emplea.
N 2 F Sen 2
Donde: N = Empuje en el codo en Kg. F = Esfuerzo en Kg. Obtenido en la Fórmula (2) α = Angulo del codo o de otro accesorio que se emplea.
(3)
Ejemplo
Determinar el empuje N, que se produce en el codo de 90º, de una tubería de PVC, de 150 mm (6”) de diámetro nominal, con un diámetro externo de 168 mm y una presión interna del agua Pi = 5 Kg./cm2 (50 m.c.a).
Solución
Aplicando la Fórmula (3), se tiene:
N 2 F Sen
2
D2 Donde : F 1,108 Kg , obtenido con la formula ( 2 ), F Pi 4 90 º Sen Sen Sen 45 º 0 .7071 2 2 Re emplazando : N 2 1,108 0 .7071 1,567 . Kg
2. Dimensiones y forma de los bloques de Anclaje.
El diseño y cálculo de los bloques de anclaje, es un trabajo que debe realizarse durante la ejecución de la obra.
Cuando se utiliza accesorios de PVC, es conveniente que tengan la mayor parte de su pared externa en contacto con el concreto del bloque de anclaje de esta forma no solo transmite el empuje si no también sirva de restricción l movimiento del accesorio.
Fig. Nº 02 Tipos de localización de bloques de Anclaje
El conducto no debe envolver totalmente el accesorio de PVC, con los cambios de presión interna ocurren variaciones en el diámetro, que no se deben impedir, pues causarían esfuerzos cortantes innecesarios en la pared del tubo.
Es recomendable cuando se utiliza PVC, colocar papel impregnado con asfalto o una geo membrana de polietileno grueso entre la tubería o accesorio de PVC y el concreto del bloque de anclaje, para impedir la abrasión.
Fig. Nº 02 Tipos de localización de bloques de Anclaje
2.1 Calculo del área del bloque de anclaje requerido.
El área o superficie de contacto del bloque, deberá dimensionarse con la finalidad que el esfuerzo o carga unitaria que se transmite al terreno no supere la capacidad de resistencia admisible del suelo, donde se trabajan las zanjas e instalaciones de la red de tuberías.
El área de contacto del bloque de concreto, permite la distribución de las cargas adecuadamente en el fondo de la zanja, ya sea en forma horizontal a la pared de la zanja, o verticalmente al fondo de la excavación.
El área de contacto del bloque de anclaje con el terreno, se determina con la siguiente Fórmula.
A
F adm.
( 4)
Donde: A = área de contacto del bloque de anclaje en cm2 N = F = Esfuerzo o empuje en el accesorio en Kg. σ = Resistencia admisible del terreno.
En la tabla siguiente (Tabla Nº 1), se da los valores de resistencias admisibles de diversos tipos de terreno.
TABLA Nº 1
Tipo de Terreno
Resistencia Vertical del terreno Kg./cm2
Resistencia horizontal Admisible Kg./cm2
Suelo Fangoso * Arcilla blanda Arena Arena y grava Arena y grava cimentada con arcilla Arena gruesa medianamente compactada Arena fina compacta Suelo duro (esquisto pizarra, roca)
0 1.0 2.0 3.0 4.0
0 0.5 1.0 1.5 2.0
2.0
1.0
2.0 10.0
1.0 5.0
* Para suelos fangosos o pantanosos, el empuje se resiste por medio de pilotes o tirantes anclados a una base sólida.
2.2 Diseños del bloque de anclaje con apoyo sobre el terreno natural.
El diseño de los bloques de anclaje se inicia de la siguiente forma:
1º Cálculo del empuje F del agua, que ejerce sobre la sección de una tubería o los esfuerzos N que se producen en los accesorios.
Para el primer caso se aplica la Fórmula (2) y para le segundo caso, la Fórmula (3).
2º Cálculo del área del bloque de anclaje
Considerando el empuje F o N, calculados con las fórmulas indicadas anteriormente, se dimensiona el área o superficies de contacto del bloque de anclaje con el terreno, aplicando la Fórmula (4).
En la Figura, se indica la forma de los bloques de concreto para accesorios (codo de 90º, 45º, Tapón, tee, cruz, válvula, etc.)
Fig. Nº 03 Bloques de Concreto para Anclajes de Accesorios
Ejemplo.
Diseñar un bloque de concreto para anclar un codo de 90º de una línea de tubería de PVC de 150 mm de diámetro nominal, diámetro externo de 168 mm, que transporta agua a una presión de 50 m.c.a. El terreno donde se ejecuta la obra de instalación de la tubería es de arena y grava σ = 1.5 Kg./cm2
Solución
1º Cálculo del empuje F que ejerce la presión del agua Pi.
Con la Fórmula (2)
D2 3.14 16.8 2 F Pi 5 1,108 Kg 4 4
Calculo del empuje N que ejerce sobre el codo de 90º, mediante la Fórmula (3).
N 2 F Sen
2 1,108 0 .7071 1,567 Kg 2
2º Cálculo del área del contacto del bloque.
Dividiendo el empuje total entre la resistencia unitaria del terreno tenemos:
A
Kg N 1.567 2 2 1045 cm 0 . 1045 m 1.5 Kg cm 2
La superficie del bloque puede dimensionarse con valores:
h 0 . 25 m
y
L 0 . 45
A h L 0 . 25 0 . 45 0 . 112 m
2
Puede usarse otras medidas, que tengan un área de contacto superior a 0.12 m2
2.3 Diseño del bloque de anclaje por fricción
En el caso anterior, no ha sido considerado la reacción por fricción. Cuando las tuberías no están enterradas, en lugar de calcular el área de contacto del bloque de anclaje con el terreno, se tiene que calcular el peso del bloque de concreto. La fórmula general para calcular el peso del bloque es la siguiente:
Eh P Ev Tg max
Donde:
Eh = componente horizontal del empuje
Ev = componente vertical del empuje
Tg φmáx.= es el coeficiente de fricción
(5)
Cuando la fuerza de empuje forme un ángulo α con la horizontal, la componente horizontal será Eh = E cos α y la componente vertical Ev=E sen α. (Fig Nº 4) En la Tabla Nº 2, se indica el tipo de terreno y el valor de Tg máx.
Tg max Tipo de terreno Arena Arena arcillosa Arcilla dura Arcilla húmeda
Tg máx. 0.50 0.40 0.35 0.30
Ejemplo
Calcular un bloque de concreto para resistir el empuje de 4,000 Kg. que hace un ángulo de 106 con la horizontal. El terreno es arenoso.
Solución Calcular el peso del bloque, con la Fórmula (5).
P
Eh Tg max
Ev
De la tabla Nº 2, el valor de Tg máx. el valor para la arena es igual a 0.50
El valor de Eh E cos E cos 10 º 4,000 0 .98 3,920 Kg El valor de Ev E sen E sen 10 º 4,000 0 .17 680 Kg 3,920 Por tan to P 680 8,520 Kg 0.50
El bloque de concreto (peso específico del concreto = 2,400 Kg./m3) tendrá un volumen de 3.55 m3 , se toma un volumen de 4.00 m3.
