Macizos de anclaje para conducciones a presión. Criterios de dimensionamiento. Normativa actual

Ramón Álvarez Cabal

Dr. Ingeniero Industrial, Jefe del Departamento de Controles Especiales de INTEMAC y Profesor Titular de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la UPM.

ralvarez@intemac.es

Suyapa Dávila Sánchez-Toscano

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos, Departamento de Controles Especiales de INTEMAC.

sdavila@intemac.es

Introducción

La presente comunicación tiene su origen en el estudio desarrollado por el Instituto Técnico de Materiales y Construcciones, INTEMAC, a raíz de la Asistencia Técnica realizada a petición del Canal de Isabel II para la redacción de un manual relativo al dimensionamiento de anclajes en conducciones a presión. Como fruto de dichos trabajos, el Canal de Isabel II aprobó en fecha 14.06.2010 el “Anexo 1M. NAACYII-001.2010. Anclaje de conducciones a Presión”, dentro de las “Normas para el Abastecimiento de Agua NAACYII-Revisión 2004”, en vigor desde el 01.07.2010.

El objeto fundamental de los trabajos contratados consistía en el análisis de los sistemas de cálculo empleados en las distintas normas para los macizos de anclaje de las conducciones a presión, para obtener conclusiones que permitieran mejorar el diseño de los macizos mencionados. En este sentido cabe señalar que las dimensiones tabuladas en las ediciones normativas anteriores, para empujes de valores altos, resultaban problemáticas a la hora de su ejecución debido a su gran tamaño.

El estudio realizado se centra en los sistemas de anclaje de las conducciones enterradas sometidas a empujes y se analizan en particular las tuberías de fundición dúctil.

Sistemas de anclaje

La presencia de fuerzas no equilibradas el trazado de las redes de conducción se traduce en empujes sobre los componentes afectados, haciendo necesaria la disposición de sistemas de anclaje que impidan la separación de las juntas.

Estos sistemas de anclaje se plantean fundamentalmente en aquellas situaciones en las que se produce un cambio de dirección (codos y derivaciones) o de tamaño de la conducción (conos de reducción, válvulas de seccionamiento y regulación y extremos finales). En estos puntos, los empujes pueden ocasionar el desplazamiento de las tuberías, comprometiendo de este modo la funcionalidad de la red y causando daños estructurales en dicho sistema y en su entorno.

Los valores del empuje resultante para estas configuraciones se obtienen a partir de las condiciones de equilibrio y son los siguientes:

Figura 1. Codo

Figura 2. Derivaciones T, Y

T= P·(A1-A2)

P·A2P·A1

Figura 3. Cono de reducción

Figura 4. Válvula cerrada y extremo final de tubería

También deben analizarse aquellos tramos de tubería apoyados sobre un terreno en pendiente. En este caso la componente del peso propio de la tubería en la dirección de su trazado, figura 5, favorece el deslizamiento de la misma, circunstancia que aumenta en función del ángulo de inclinación de dicha pendiente. Si las pendientes son pequeñas, esta componente se contrarresta gracias al rozamiento existente entre el relleno y las paredes de la conducción, aspecto que se encuentra condicionado por la tipología del recubrimiento exterior de la tubería.

Figura 5. Tubería en pendiente

Para los sistemas de anclaje de las tuberías enterradas se distinguen tres tipologías posibles:

1. Macizos de anclaje

2. Apoyo sobre el terreno

3. Uniones autotrabadas o acerrojadas

1. Macizos de anclaje

Se trata de grandes bloques de hormigón cuyo peso, (figura 6a) garantiza el correcto funcionamiento del anclaje, de modo que no se produce ninguno de los tres fallos posibles:

Vuelco, (figura 6b).

Deslizamiento, (figura 6c).

Fallo del terreno por tensiones excesivas, (figura 6d).

Figura 6. Macizos de anclaje

2. Apoyo sobre el terreno

El empuje “T” es transmitido directamente hacia las paredes de la excavación mediante un elemento de hormigón, (figura 7a), cuyo único cometido es distribuir este empuje uniformemente sobre la pared. Se calculan las dimensiones necesarias para:

Evitar que el terreno ceda globalmente tras el dado, (figura 7b).

Impedir que el terreno ceda de forma localizada bajo la presión σ, (figura 7c), que equilibra el empuje.

Evitar la rotura a tracción del propio hormigón. Para ello puede ser necesario armar ligeramente el hormigón para recoger las componentes verticales, (figura 7d), si bien en la mayoría de los casos el propio peso del hormigón sería suficiente para contrarrestarlas.

Figura 7. Apoyo sobre el terreno

3. Uniones autotrabadas o acerrojadas

Responden a una idea totalmente distinta. Los empujes “T” (figuras 8a y 8b) se compensan a través de las propias tuberías sin necesidad de otra acción exterior. Es necesario comprobar que tanto las paredes de las tuberías como, especialmente, las uniones resisten estos empujes. Se trata de un sistema cuyas aplicaciones más usuales son las siguientes:

Como alternativa a los macizos de anclaje, especialmente cuando existen condicionantes de espacio (por ejemplo en zonas urbanas), en terrenos poco estables o para agilizar la instalación de la canalización (ahorrando el tiempo de fraguado del hormigón y su coste de ejecución).

En caso de pendientes elevadas.

Situaciones especiales. Paso bajo ríos en los que la tubería apoya directamente sobre el fondo del cauce y se pueden producir movimientos de dicho fondo, o cuando la tubería se monta fuera de su ubicación definitiva y una vez conectada se traslada…etc.

Figura 8. Uniones autotrabadas o acerrojadas

Criterios de diseño. Documentación analizada

Canal de Isabel II

Como paso preliminar, hemos analizado la documentación propia del Canal de Isabel II (CYII), relacionada en el apartado nº5, que, a nuestro entender, representan las referencias actuales en el diseño de Anclajes en Conducciones a Presión tanto en la Comunidad de Madrid como a nivel nacional. Las conclusiones más relevantes derivadas de este estudio, se resumen a continuación:

- En las normas más recientes, Normas para Abastecimiento de Agua 2004 y Normas para Redes de Reutilización 2007, se definen paralelepípedos rectos de altura H y base cuadrada de lado L equivalente al doble de la altura. En nuestra opinión, tras los estudios realizados, esta forma geométrica podría ser una buena solución genérica para los anclajes de las conducciones a presión.

- Tal y como se recoge en la Norma para Redes de Reutilización del CYII, el componente de la conducción se anclará al macizo mediante dado excéntrico de hormigón armado ó mediante horquillas de acero, en cuyo caso tanto la tubería como la horquilla que la abraza se embutirán en un dado de hormigón de recubrimientos mínimos centrado en el macizo. Este criterio nos parece igualmente correcto.

- Las dimensiones presentadas en las normas, se han obtenido mediante una serie de simplificaciones entre las que se encuentra la caracterización del terreno, aspecto que puede tener gran repercusión a la hora de garantizar la estabilidad del macizo. En las Normas para Abastecimiento de Agua 2004 y en las Normas para Redes de Reutilización 2007, se parte de un terreno de resistencia igual a 10 t/m2, valor suficientemente conservador, en nuestra opinión, especificándose además en esta última norma un ángulo de rozamiento interno del terreno de 30º.

De acuerdo con las Normas para Redes de Abastecimiento, si la capacidad portante del terreno es tal que σ<5 t/m2, deberá mejorarse el terreno mediante sustitución ó modificación.

- En los cálculos realizados en estas Normas, se desprecia, del lado de la seguridad, el peso propio de las tierras que actúan sobre el macizo de anclaje y el empuje pasivo del terreno en las caras laterales del mismo.

- Se observa cierta falta de homogeneidad entre las distintas normas publicadas, tanto en los criterios como en las simplificaciones empleadas en el dimensionamiento de los macizos de anclaje. Esta circunstancia explicaría la pluralidad de los resultados apreciados en las distintas normas.

En las normas “Norma Complementaria para Tuberías de Fundición (Norma Técnica nº3. CYII)” y “Normas para el Abastecimiento de Agua (CYII 1991)” no se especifican los criterios de diseño empleados.

Los métodos adoptados en las “Normas para el Abastecimiento de Agua (CYII. Revisión 2004)”, no conducen a resultados correctos a juzgar con el esquema incluido en la página 66 de dicho documento y a los armados definidos para los macizos.

Los criterios presentados en las “Normas para Redes de Reutilización (CYII. Versión 2007)” siguen un esquema coherente, sin embargo los coeficientes de seguridad empleados, 1,2, para garantizar la estabilidad al deslizamiento y al vuelco, no cumplirían las prescripciones del Código Técnico de la Edificación CTE-SE-C, según el cual se deberían adoptar valores de 1,5 y 1,8, respectivamente.

- A modo de ejemplo, se comprobaron los macizos de anclaje definidos en “Normas para el Abastecimiento de Agua del CYII” de fecha 1991, paralelepípedos de base cuadrada y cuya relación con el canto no parece seguir un patrón. Se tantearon los macizos definidos por dicha norma para PN 16 atm y codos horizontales de 22,5º y 45º, (no se contemplan otros ángulos ni presiones superiores), sin contar con la colaboración de las tierras que podrían existir sobre el macizo, se obtendrían valores no admisibles bajo los supuestos de cálculo indicados en el apartado nº4.

American Water Works Association

También se ha procedido al análisis de las normas norteamericanas “A.W.W.A .- American Water Works Association y D.I.P.R.A.- Ductile Iron Pipe Research Association”, cuyo planteamiento difiere en gran medida de la normativa del CYII. Las conclusiones obtenidas y los aspectos más significativos se incluyen a continuación:

- Se presentan tablas en las que, en función del diámetro de la tubería, el terreno (ángulo de rozamiento interno, cohesión, densidad y factor de seguridad), la profundidad y el tipo de apoyo (figura 9), se obtienen los valores de la fuerza de rozamiento y el empuje pasivo que deben ser considerados en los cálculos realizados, sin embargo no se especifican las dimensiones de los macizos que deben proyectarse.

- Se distinguen 5 tipos de apoyo de la tubería en la zanja, representados esquemáticamente en la figura 9, y en función de dichos apoyos se exigen unos u otros coeficientes de seguridad:

En función de estas tipologías, se definen los valores de los coeficientes de seguridad fΦ (que afecta al ángulo interno de rozamiento del terreno con valores comprendidos entre 0 y 0,80,), fc (minorando la cohesión del terreno con valores comprendidos entre 0 y 0,80,) y Kn (coeficiente que con valores comprendidos entre 0,2 y 1,0, minora el empuje pasivo).

Figura 9. Tipos de zanja para conducciones (AWWA)

- Se contempla la posibilidad de emplear las tres tipologías definidas anteriormente: Macizos de anclaje-Apoyo sobre el terreno-Uniones autotrabadas o acerrojadas.

De acuerdo con el Manual M41 “Ductile-Iron Pipe and Fittings. Manual of Water Supply Practices. M41. AWWA 2003”, si se combinan estos sistemas de forma que cada uno de ellos haya sido calculado independientemente, es decir, si cada uno de ellos se diseña para resistir la totalidad del empuje, el grado de seguridad sería máximo. Sin embargo, si se combinan con la pretensión de que cada uno de ellos resista un porcentaje del empuje, esta práctica puede llegar a ser insegura. Para que los mecanismos resistentes de estos sistemas puedan llegar a desarrollarse es necesario que se produzcan unos movimientos que, en teoría, son independientes entre sí. Estos movimientos deberían ser compatibles para garantizar que su funcionamiento en conjunto sea satisfactorio, por lo que estas disposiciones requerirán un estudio específico.

- Los macizos de anclaje. Se plantean para el anclaje de empujes verticales. En estos casos, los elementos de hormigón diseñados garantizan el anclaje de la tubería, por acción, fundamentalmente, de las fuerzas gravitatorias (el peso del macizo contrarresta la componente vertical del empuje) y, en menor medida, la resistencia del terreno, (la componente horizontal del empuje se equilibra mediante el rozamiento desarrollado como oposición al deslizamiento en la base inferior del macizo, y la reacción del terreno en la cara lateral del macizo), según se observa en la figura 10.

Figura 10. Macizo de anclaje, codo vertical

Para los macizos de anclaje así diseñados, según el Manual M41 de la AWWA, se exige un volumen de hormigón Vg, tal que:

Vg = Sf·Ty/ρc

Siendo:

Ty: Componente vertical del empuje

Sf: Coeficiente de seguridad de valor 1,5

ρc: Densidad del hormigón

Este razonamiento, en nuestra opinión, es correcto y ha sido seguido en los cálculos realizados para codos de planos verticales con empujes ascendentes del “Anexo 1M.NAACYII-001.2010. Anclaje de Conducciones a Presión”, en los que también se ha tenido en cuenta la existencia de un espesor de tierras de 1 m sobre la generatriz de la tubería.

- Apoyo sobre el terreno. Los sistemas así diseñados se fundamentan en la transmisión de los empujes al terreno. Con tal objeto se emplean bloques de hormigón en masa, cuya superficie de contacto sea tal que las tensiones transmitidas al terreno no superen las admisibles.

Figura 11. Macizo apoyado sobre el terreno, codo horizontal (planta y

alzado)

Esta práctica requiere un amplio conocimiento de las condiciones geotécnicas del terreno, por lo que no es aconsejable emplearla como solución genérica, sino sólo excepcionalmente en aquellas situaciones en las que el proyectista garantice la colaboración del empuje pasivo de la pared lateral de la zanja.

En el transcurso de los trabajos de documentación y búsqueda bibliográfica, hemos encontrado referencias a sistemas en los que se sustituye el bloque de hormigón por mallas de material geosinténtico. Este procedimiento ha sido ensayado para tuberías de 90 mm, y aunque los resultados no son concluyentes, podría llegar a ser una solución admisible, especialmente recomendable en localizaciones con riesgo sísmico, en las que se desaconseja el empleo de bloques de hormigón.

- Uniones acerrojadas o autotrabadas. Estas uniones se caracterizan por su capacidad para resistir tracciones longitudinales. Ofrecen una alternativa a la hora de resistir los empujes que consiste, en definitiva, en valorar la resistencia máxima que por efecto del rozamiento es capaz de oponer el terreno por metro lineal de tubería, considerando que a cada lado del vértice (o punto de actuación del empuje) esos esfuerzos disminuyen linealmente hasta cero, en unas longitudes suficientes para equilibrar las componentes del empuje.

De este modo, el sistema requiere la colaboración de una longitud variable de la tubería a cada lado de la junta, para evitar así que se produzca una concentración de tensiones elevada en las paredes de la tubería o provocar la separación de los tramos unidos por dichas juntas. Esta magnitud dependerá del valor del empuje que debe ser equilibrado, del sistema comercial empleado y de las condiciones del entorno, puesto que dicho empuje se transmitiría al terreno gracias a la suma de los siguientes fenómenos de interacción:

o Fuerza de rozamiento, (movilizada sobre y bajo la conducción en dirección opuesta al empuje).

o Adherencia del terreno (movilizada en el perímetro de la tubería en dirección longitudinal a su eje).

o Resistencia pasiva del terreno (movilizada transversalmente a la conducción).

Figura 12. Codo horizontal. Unión acerrojada (AWWA)

Es importante garantizar que cada uno de los tramos separados por la junta resiste la componente no equilibrada de la fuerza a lo largo de la tubería, de forma que se satisfaga el equilibrio global en la junta.

El rozamiento movilizado estará condicionado a su vez por el tipo de recubrimiento exterior aplicado en la tubería. En el Manual M41 (AWWA), se indica que, en el caso de existir recubrimientos de polietileno, sería necesario considerar un coeficiente de minoración aplicado a la fuerza de rozamiento resultante de valor 0,7, (obtenido experimentalmente).

De acuerdo con la norma EN 545:2006, y tal y como se recoge en las “Normas para Redes de Reutilización del Canal de Isabel II”, los revestimientos exteriores de las tuberías de fundición dúctil estarán formados por cinc metálico con capa de acabado y sólo excepcionalmente podrían admitirse otras tipologías entre las que se encuentra el polietileno.

En el Manual M41 (AWWA), se hace referencia a los estudios empíricos realizados por Potyondy, según los cuales la fuerza de rozamiento entre tubería y terreno dependería, además del coeficiente de rozamiento (determinado por la naturaleza de las superficies en contacto), de la cohesión de dicho terreno.

De acuerdo con la normativa, M41 (AWWA), en terrenos inalterados o en rellenos compactados al menos al 80 % de la densidad Próctor Normal, la deformación necesaria para que el empuje pasivo se desarrolle en su totalidad es muy pequeña si la comparamos, por ejemplo, con la que admite el sistema de juntas dispuesto en un codo cuando empleamos uniones de enchufe o de tipo mecánico. Teniendo en cuenta esta circunstancia, en nuestra opinión, sería admisible tener en cuenta la colaboración del empuje pasivo en este tipo de uniones.

El desconocimiento y la complejidad de la interacción de las conducciones con el terreno, se traducen en la necesidad de realizar suposiciones en el cálculo, simplificaciones que deben ser lo suficientemente conservadoras para garantizar que dichos cálculos queden siempre del lado de la seguridad. Se advierte de la especial precaución que debe tenerse en cuenta a la hora de elegir los parámetros del terreno cuando se considera la colaboración del empuje pasivo y/o la adherencia.

Las normas norteamericanas desarrollan este tipo de uniones estableciendo bases de cálculo e indicando posibles condicionantes a tener en cuenta. En las normas españolas no se presentan detalles al respecto, si bien entendemos que esta circunstancia se debe a que las características de estos elementos dependen en gran medida del sistema comercial contratado en cada caso.

Construction Industry Research and Information Association

Se han analizado y valorado los procedimientos descritos en la Guía para el Diseño de Macizos de Anclaje en Conducciones a Presión Enterradas publicada por ARD Thorley y JH Atkinson, para CIRIA (Construction Industry Research and Information Association, London). En este documento se siguen las pautas establecidas por las normas británicas, en las que únicamente se indican los pasos a seguir para el diseño de los macizos de anclaje, sin especificar dimensiones concretas para casos particulares; ni siquiera se incluyen tablas similares a las que se definen en las normas norteamericanas (de las que, al menos, podemos obtener las fuerzas de rozamiento y el empuje pasivo que debe ser considerado en los cálculos).

En esta guía encontramos esquemas de posibles soluciones, de entre las cuales destacamos los siguientes:

- Tal y como se observa en la figura 13, para los codos horizontales se proponen soluciones en las que la tubería atraviesa el macizo. En nuestra opinión, estas disposiciones no son recomendables puesto que no suponen ninguna mejora (se necesita el mismo volumen de hormigón) y por el contrario presenta grandes inconvenientes a la hora de armar el macizo relativos a los fenómenos de fisuración que probablemente se producirán en torno al paso de la tubería. En la figura se aprecia además que, de acuerdo con esta norma, se tienen en cuenta los empujes activos y pasivos en las caras laterales de los macizos, sin embargo los coeficientes de seguridad empleados son muy superiores a los adoptados en la normativa española.

Figura 13. Codo horizontal. Solución CIRIA.

- Para empujes procedentes de codos horizontales se definen las alternativas indicadas en la figura 14. Se observa una clara tendencia a contar con la colaboración del empuje pasivo de la pared lateral de la zanja, al igual que se indicaba en las normas de la AWWA.

Se proponen alternativas al caso más elemental, sección (b), mediante un refuerzo consistente en la incorporación de un mallazo, tacones, sección (c), o el empleo de micropilotes, sección (d), que permitan contar con la colaboración del empuje pasivo del terreno en mayor grado al aumentar la profundidad de la excavación.

Figura 14. Codo horizontal. Alternativas

- En el caso de tuberías de gran diámetro sometidas a empujes de valores elevados, se propone la solución de la figura 15.

Figura 15. Codo horizontal. Empujes elevados

- En el caso de codos verticales, las soluciones propuestas se representan en las figuras 16 y 17, en las que se observa la falta de precisión a la hora de establecer las dimensiones de los macizos.

Figura 16. Codos verticales ascendentes

Figura 17. Codos verticales descendentes

- Las derivaciones en T se fundamentan igualmente en el apoyo de los macizos en el terreno, figura 18, y se distinguen derivaciones en planos horizontales y verticales.

Figura 18. Derivaciones en T (horizontales y verticales)

Tramos en pendiente

Con respecto al anclaje de las conducciones situadas en pendiente, se recogen a continuación los aspectos que consideramos más relevantes tras el estudio de la documentación relacionada en el apartado nº5 del presente documento:

- De manera general, y tal y como se indican los distintos documentos consultados (Normas para el Abastecimiento de Agua CYII 2004, Agua y Hierro…etc), si en el trazado de una canalización están previstos tramos en los que el perfil longitudinal de la conducción presente pendientes superiores al 20%, se deben colocar macizos de anclaje de modo preventivo, y que eviten estas situaciones.

- De acuerdo con los procedimientos descritos por D. Luis Balairón Pérez, en la publicación “Agua y Hierro”, el anclaje de las instalaciones en pendiente puede realizarse de dos maneras diferentes:

o Anclaje de tubo a tubo. Consistente en disponer un anclaje detrás del enchufe de cada tubo, permitiendo esta configuración absorber las dilataciones térmicas que pudieran producirse, y siendo la unión entre tubos mediante juntas automáticas o mecánicas sin acerrojar. Se trata de la solución más adecuada para instalaciones aéreas.

o Anclaje de todo el tramo. Consiste en “colgar” la totalidad del tramo en pendiente por medio de un macizo de anclaje o a través del tramo complementario. Es decir, partiendo de canalizaciones cuyas uniones son acerrojadas, se ancla el tramo en pendiente mediante un macizo de anclaje en el punto más alto, o bien se garantiza la actuación de una longitud de acerrojado, L, mínima en la parte plana superior de la conducción. En este último caso, la tracción existente es resistida por rozamiento. Esta disposición es más adecuada para tuberías enterradas.

En el caso de que la longitud máxima a instalar fuera superior a la admisible por la unión, la bajada se realizaría en varios tramos independientes, anclando cada uno de ellos en su cabecera mediante macizo de anclaje.

- En la Guía para el Diseño de Macizos de Anclaje en Conducciones a Presión Enterradas publicada por CIRIA, se indica la necesidad de anclar las conducciones cuando la pendiente presente una inclinación superior al 25%.

Como posibles soluciones se proponen macizos de anclaje de hormigón armado como el representado esquemáticamente en la figura 19, o el empleo de uniones acerrojadas.

Figura 19. Macizo anclaje tubería en pendiente CIRIA

Se incluye además una tabla, extraída de la publicación “Ductile Iron Pipelines- design information and data. Stanton PLC, Nottingham” en la que para pendientes de gran longitud, se define la separación que debe existir entre los macizos de anclaje en función del ángulo de inclinación.

Separación entre macizos (m)

1/2 5,5

1/3 11,0

1/4 11,0

1/5 16,5

1/6 22,0

Tabla 1. Separación entre macizos de anclaje. Stanton Pipes

Pendiente (a/b)

b

a

En este documento también se advierte de que en estas situaciones, los propios trabajos de instalación de la tubería, pueden alterar la estabilidad de la pendiente.

Anejo 1M. NAACYII-001.2010. Anclaje de conducciones a presión. Normas para el abastecimiento de agua NAACYII-Revisión 2004

Conforme a la documentación analizada y con el objeto de obtener un conjunto de tablas que nos permitan dimensionar con facilidad los macizos de anclaje partiendo de parámetros sencillos: diámetro de la tubería, presión nominal y tipología del componente que genera el empuje (codo, válvula..etc), se han adoptado las hipótesis de cálculo definidas a continuación:

Empujes horizontales

Geometría del macizo

Consideramos que el diseño más práctico y eficaz para los macizos de anclaje es el de forma paralepipédica. Partiendo de esta base, se decide optar por de macizos de base cuadrada y altura, “H” igual a la mitad de la base.

Tipología del anclaje

Se contempla el anclaje de la tubería al macizo mediante dado excéntrico de hormigón armado ó mediante horquillas de acero, (figura 21). En este último caso tanto la tubería como la horquilla que la abraza se embutirán en un dado de hormigón de recubrimientos mínimos centrado en el macizo. La ejecución de estos elementos es relativamente sencilla y permite que las uniones queden al descubierto.

Los dados de hormigón a los que se anclará la conducción, tienen forma de paralelepípedo recto de altura s y base d·p, (figura 20), siendo:

s=0,30+DN(diámetro)+0,15 (m)

p=max[DN+0,1 (m); 0,40 (m)]

d=L/2= H

Figura 20. Dado excéntrico

Figura 21. Anclajes: horquilla (a) y dado excéntrico (b)

El empuje actúa a una distancia h de la cara superior del macizo. Se adopta el valor h=DN/2 + 0,30 (m), dejando una holgura (30 cm) suficiente para facilitar la maniobra de los tornillos en el supuesto de uniones embridadas.

Hipótesis de cálculo

El procedimiento de cálculo utilizado consiste en realizar un predimensionamiento del macizo imponiendo unos coeficientes de seguridad frente a deslizamiento y vuelco determinados, y comprobando después que las tensiones transmitidas al terreno son admisibles. En este sentido, las hipótesis de cálculo adoptadas son las siguientes:

- El valor del coeficiente de seguridad considerado en las comprobaciones realizadas frente a deslizamiento es 1,5, conforme a las prescripciones del Código Técnico de la Edificación CTE-SE-C.

- El valor del coeficiente de seguridad considerado en las comprobaciones realizadas frente a vuelco es 1,8, conforme a las prescripciones del Código Técnico de la Edificación CTE-SE-C.

- La conducción se encuentra enterrada de tal forma que sobre la generatriz de la tubería se dispone, al menos, un espesor de tierras de 1 m debidamente compactadas, con la excepción de los componentes alojados, (cámaras y registros), sobre los que no se considera la existencia de rellenos.

- Se adopta el criterio conservador de considerar la colaboración del empuje activo en la cara lateral del macizo, (en lugar del empuje pasivo especificado por las normas americana y británica).

- La fuerza de rozamiento generada como oposición al movimiento en la base del macizo se define como Froz =µ·(G+T), siendo µ el coeficiente de rozamiento (µ=tan Φ), G el peso del macizo y T el peso del relleno que gravita sobre el macizo.

El estudio se ha simplificado considerando un terreno unificado cuyo ángulo interno de rozamiento Φ= 30º.

- El esquema general de las fuerzas actuando en el macizo, y la formulación básica de partida es la siguiente:

Figura 22. Esquema de fuerzas

- Una vez dimensionado el macizo de acuerdo con el apartado anterior y garantizado su comportamiento frente a deslizamiento y vuelco, se comprueba que el terreno admite las presiones resultantes. Es decir, se calculan las tensiones transmitidas comprobándose que en ningún caso superan las admisibles por el terreno, (suponiendo que éstas no son inferiores a 10 t/m2).

En aquellos casos puntuales en los que se han obtenido valores superiores a dicha tensión admisible, se ha procedido a aumentar proporcionalmente la superficie cuadrada de la base del macizo, manteniendo el canto inicialmente calculado.

- Características de los materiales empleados en el diseño (EHE-08):

o Peso específico del terreno= 1.800 kg/m3

o Peso específico del hormigón= 2.300 kg/m3

o Peso específico del acero= 7.850 kg/m3

o Límite elástico del acero: fy≥ 400 N/mm2

o Resistencia del hormigón: fc≥ 25 N/mm2

o Coeficientes parciales de seguridad de los materiales (ELU): γc = 1,5 (hormigón) y γs = 1,15 (acero).

- Se tabulan las situaciones contempladas en la norma europea EN 545 en cuanto a diámetros, presiones nominales, ángulos de codos,…etc.

- Como criterio de diseño se propone evitar codos de ángulo elevado y sustituirlos en la medida de lo posible por codos de ángulos inferiores, es decir, proyectar, por ejemplo, dos codos de 22º30´ debidamente distanciados, en lugar de un codo de 45º. De este modo serán necesarios macizos de anclaje de tamaño más reducido y más sencillos de ejecutar y ubicar.

Armado

- La armadura de anclaje en el macizo se proyectará conforme a las prescripciones de la EHE-08, siguiendo los esquemas propuestos en la figura 23:

Figura 23. Armado macizos

- Se emplearán recubrimientos mínimos de 70 mm, tal y como corresponde a piezas hormigonadas contra el terreno, salvo que se haya preparado dicho terreno y dispuesto un hormigón de limpieza, (art. 37.2.4, EHE-08).

- Se recomienda emplear armaduras de diámetro mínimo 12 mm (artículo 58.8.2, EHE-08).

- Tanto la longitud de anclaje, lb, de la armadura S1 como, en caso de ser necesario, la longitud de solapo entre la armadura de espera del macizo y la armadura vertical del dado, S1, deben ajustarse a las prescripciones dadas en el artículo 69.5 de la EHE-08.

- La armadura horizontal y vertical del dado debe cumplir las cuantías geométricas mínimas establecidas en el artículo 42.3.5 de la EHE-08.

- El procedimiento de cálculo seguido para determinar la armadura S1 dispuesta, consiste en garantizar que la sección que conecta el dado con el macizo resiste tanto el momento flector como el cortante, (resistido este último por corte-fricción), introducidos por el empuje. En ningún caso este armado será inferior al que prescribe la EHE-08 por cuantías mínimas, (artículo 42.3.5).

El estado de corte-fricción, tal y como se recoge en el “Proyecto y Cálculo de Estructuras de Hormigón. En masa, armado y pretensado” de J. Calavera, es en definitiva un Estado Límite Último no considerado explícitamente por la EHE, y que consiste en comprobar que la transferencia de esfuerzos se realiza directamente por cortante a través de una superficie potencial de fisuración o una junta entre dos hormigones.

Figura 24. Estado de Corte fricción

- La armadura S2 se obtiene al imponer la condición de cuantía mínima.

- Con objeto de minimizar la fisuración superficial del macizo, recomendamos armar todas sus caras mediante un mallazo formado por redondos de 12 mm a 10 cm, #Φ12/10.

Empujes verticales

Frente a empujes verticales ascendentes (codo vertical descendente), necesitaríamos un elemento de hormigón cuyo peso garantice el anclaje, según el esquema resistente representado en la figura 10.

El volumen mínimo de hormigón requerido sería tal que, sumado al peso del relleno dispuesto sobre el macizo (al menos 1 m sobre la generatriz de la tubería y debidamente compactado), equilibrara la componente vertical del empuje, Ty, con un coeficiente de seguridad de valor no inferior a 1,5, tal y como se indica en el apartado 3.2. La componente horizontal del empuje, Tx, se equilibraría mediante la fuerza de rozamiento movilizado en la base del macizo y la colaboración del empuje lateral del terreno. Debe disponerse una armadura de anclaje de cuantía suficiente para transmitir el empuje generado en el codo al macizo.

El diseño de estos elementos se realizaría de acuerdo con las bases de cálculo descritas en el apartado anterior (estabilidad frente al deslizamiento, vuelco, y transmisión de tensiones al terreno), y admite numerosas soluciones. En nuestra opinión, es recomendable rellenar la excavación realizada con el propio hormigón.

En el caso de empujes verticales descendentes (codos verticales ascendentes), el problema de diseño consistiría realmente en proyectar una zapata de cimentación que sea capaz de transmitir eficazmente al terreno los empujes generados.

Casos particulares que requieren un estudio específico

Siguiendo las indicaciones dadas en la publicación británica “Guide to the Design of Thrust Blocks for Buried Pressure Pipelines”, serían objeto de estudio por parte del ingeniero responsable del proyecto, aquellos macizos de anclaje que se encuentren en las siguientes circunstancias:

- Empujes de valor superior a las 100 t

- Tuberías de diámetro superior a 1000 mm

- Presiones hidráulicas superiores a 2,5 MPa

En estos casos se analizará la solución más adecuada, conforme a las hipótesis de cálculo establecidas en el presente documento y en función de las condiciones particulares del terreno, zanja..etc.

En aquellos casos en los que las hipótesis de partida no fueran las contempladas en este documento, el proyectista podría estudiar distintas alternativas para cada caso particular:

- La consideración del empuje pasivo de la pared lateral del macizo.

- El empleo de tacones (figuras 14 y 15) que permitan contar con la colaboración de una profundidad mayor del terreno. Esta práctica requiere una ejecución más compleja.

- Uniones autotrabadas o acerrojadas.

En definitiva podrían seguirse los esquemas de cálculo indicados en las distintas normas estudiadas, siempre y cuando se encontraran debidamente justificados.

Documentación analizada

Los resultados y conclusiones incluidos en el presente documento se han elaborado tras el análisis de las siguientes publicaciones de referencia:

- “Norma Complementaria para Tuberías de Fundición (Norma Técnica nº3. CYII)”

- “Normas para el Abastecimiento de Agua (CYII 1991)”

- “Normas para el Abastecimiento de Agua (CYII. Revisión 2004)”

- “Normas para Redes de Reutilización (CYII. Versión 2007)”

- “UNE-EN 805. Abastecimiento de Agua. Especificaciones para Redes Exteriores a los Edificios y sus Componentes. Diciembre 2000”

- “EN 545. Tubos, Racores y Accesorios de Fundición Dúctil y sus Uniones para Canalizaciones de Agua. Requisitos y Métodos de Ensayo. Noviembre 2006”

- “Guía Técnica de Tuberías para el Transporte de Agua a Presión” (CEDEX 2002)

- “Proyecto de Redes de Distribución de Agua en Poblaciones”. D. José Liria Montañés. Editado por el Colegio de Caminos, Canales y Puertos.

- “Nuevos criterios para la Caracterización de de las Conducciones a Presión” (CEDEX 2006). D. Luis Balairón Pérez.

- “Agua y hierro. Canalizaciones de fundición dúctil”, D. Luis Balairón Pérez y D. Iñigo Fernández-Miranda Epelde.

- “Ductile-Iron Pipe and Fittings. Manual of Water Supply Practices. M41” American Water Works Association (AWWA) 2003.

- “Installation of Ductile-Iron Water Mains and their Appurtenances. AWWA Standard C600-05”

- “Ductile-Iron Compact Fittings for Water Service. AWWA Standard C153/A21.53-06”

- “Ductile-Iron and Gray-Iron Fittings. AWWA Standard C110/A21.10-08”

- ASTM A-74-98 “Standard Specification for Cast Iron Soil Pipe and Fittings”

- “Unified Approach to Thrust Restraint Design. Journal of Transportation Engineering ASCE. January 2007. Jey K. Jeyapalan, Ph. D., P.E., M. ASCE and Sri K. Rajah”

- “Lateral Loading Tests for Buried Pipe with Geosynthetics. Geotechnical Engineering for Transportation Projects. Toshinori Kawabata, Kazunori Uchida, Hoe I. Ling, Hitoshi Nakase, Yutaka Sawada, Takao Hirai and Kikuo Saito.”

- “Design of Ductile Iron Pipe. Ductile Iron Pipe Research Association (DIPRA)”, www.dipra.org

- “Thrust Restraint Design for Ductile Iron Pipe. DIPRA 2006”, www.dipra.org

- “Guide to the Design of Thrust Blocks for Buried Pressure Pipelines” ARD Thorley and JH Atkinson, publicado por CIRIA (Construction Industry Research and Information Association, London).

- “Proyecto y Cálculo de Estructuras de Hormigón. En masa, armado y pretensado”, J.Calavera, (2ª Edición 2008), editado por INTEMAC.

- “Muros de Contención y Muros de Sótano” de J.Calavera, (3ª Edición año 2000), editado por INTEMAC.

- Instrucción de Hormigón Estructural EHE-08

- Código Técnico de la Edificación, CÓDIGO TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN-SE