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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO
FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGRICOLA
ALCANTARILLAS
CURSO : DISEÑO INFRAESTRUCTURA DE RIEGO
DOCENTE : ING° JUAN HERNÁNDEZ ALCANTARA
2002
RESUMEN EJECUTIVO
Una alcantarilla es un conducto tubular que continúa y substituye un curso de
agua descubierto, en un lugar donde el curso de agua tropieza con un
obstáculo artificial tal como una calzada, un terraplén o un dique. Es necesario
tener en cuenta los terrenos lindantes, tanto en lo que concierne al embalse de
agua curso arriba, como a velocidades de descarga que ofrezcan seguridad
para evitar socavación o sedimentación indebidas aguas abajo.
El presente trabajo nos da un enfoque general de los factores necesarios para
la ubicación de alcantarillas, entendiéndose por ubicación de alcantarillas a la
alineación y el declive con respecto a la calzada y al curso de agua. La
ubicación correcta es importante porque ejerce influencia sobre lo adecuado
de la abertura, la conservación de la alcantarilla, y el posible derrumbamiento
de la calzada. A pesar de que la instalación de cada alcantarilla constituye un
problema distinto, los pocos principios que se exponen a continuación tienen
aplicación en la mayoría de los casos.
Los conductos de acero corrugado, reconocidos desde hace mucho tiempo por
su destacada resistencia estructural bajo las cargas subterráneas más
pesadas, se conocen ahora como el resultado de una compleja combinación- la
interacción entre el suelo y el acero.
La interacción del suelo y el acero implica que el conducto flexible de acero
actúa con el relleno de tierra que lo rodea para soportar las cargas. Recientes
investigaciones han demostrado que la estructura subterránea ideal funcionará
de manera que toda la carga actúa sobre el suelo que la rodea y la cubre. Las
estructuras de acero corrugado se aproximan a estas condiciones.
Los métodos para proyectar tuberías de acero corrugado bajo tierra están
considerando cada vez más al suelo como un importantísimo componente del
sistema combinado suelo – acero.
Las investigaciones y la experiencia práctica continuada, con terraplenes más
altos y con tuberías de diámetro mayor, han permitido un enfoque más preciso
del diseño, y mayor exactitud. Existen ahora factores de diseño para estimar
las cargas reales sobre la tubería; se ha establecido el esfuerzo compresivo
máximo para los tubos en toda la escala útil de densidades del suelo; y se
pueden determinar ahora los esfuerzos compresivos aceptables para el acero,
sin necesidad de coeficientes de seguridad excesivos.
Asimismo en este trabajo se presenta el contenido del diseño estructural de
alcantarillas, partiendo del estudio y evaluación de las cargas sobre estructuras
enterradas, siendo esta la primera consideración de un proyecto, estando
sujetos los conductos subterráneos a dos tipos principales de cargas: las
cargas muertas y las cargas vivas. Haciendo un énfasis en las cargas
aeroportuarias, de suma importancia principalmente en su relación con la
cobertura mínima necesaria.
Luego se presenta todo el proceso del diseño estructural de estructuras
enterradas que consiste en los siguientes pasos:
1. Determinación de la densidad del material para relleno que se necesita
tener o se espera obtener.
2. Aplicación del coeficiente de carga correspondiente a la carga para
establecer la presión que actuara sobre el acero.
3. Determinación del esfuerzo compresivo aceptable para el diámetro de la
tubería, la corrugación densidad del suelo.
4. Calculo de la compresión en la pared de la tubería.
5. Determinación del espesor necesario.
6. Verificación de la rigidez mínima para el manipuleo.
7. Verificación de las exigencias de la costura empernada (si corresponde)
También se tiene en cuenta la deflexión del conducto que no es generalmente
el criterio para diseñar la pared del conducto.
Finalmente se hace referencia de criterios para los casos prácticos de diseño
de tubos abovedados y de bóvedas complementándose con ejercicios de
aplicación para el diseño de casos particulares.
FACTORES PARA LA UBICACIÓN DE ALCANTARILLAS
PRINCIPIOS PARA LA UBICACION DE ALCANTARILLAS
Se entiende por ubicación de alcantarillas, la alineación y el declive con
respecto a la calzada y al curso de agua. La ubicación correcta es importante
porque ejerce influencia sobre lo adecuado de la abertura, la conservación de
la alcantarilla, y el posible derrumbamiento de la calzada. A pesar de que la
instalación de cada alcantarilla constituye un problema distinto, los pocos
principios que se exponen a continuación tienen aplicación en la mayoría de los
casos.
Una alcantarilla es un conducto tubular que continúa y substituye un curso de
agua descubierto, en un lugar donde el curso de agua tropieza con un
obstáculo artificial tal como una calzada, un terraplén o un dique. Es necesario
tener en cuenta los terrenos lindantes, tanto en lo que concierne al embalse de
agua curso arriba, como a velocidades de descarga que ofrezcan seguridad
para evitar socavación o sedimentación indebidas aguas abajo.
Un curso de agua descubierto no es siempre estable. El recorrido del cauce
puede varía, enderezándose en algunos puntos y volviéndose más sinuoso en
otros. El fondo puede profundizarse como resultado de la erosión, o elevarse al
depositarse sedimentos. Tanto la estabilidad como el caudal de las aguas
pluviales en un curso de agua pueden variar como consecuencia de cambios
en la utilización de la tierra aguas arriba: estos cambios pueden consistir en
desmonte, forestación, urbanización, etc.
Como una alcantarilla es una línea fija en un curso de agua, es necesario el
buen juicio del ingeniero para determinar la ubicación correcta de la estructura
ALINEACIÓN
El primer principio para determinar la ubicación de una alcantarilla, consiste en
dotar al curso de agua con una entrada directa y una salida directa. Cualquier
cambio de dirección abrupto, en cualquiera de los extremos de la alcantarilla
retardará el flujo de la corriente y hará necesaria la construcción de una
estructura de mayor tamaño.
Si la salida y entrada directa no existen, se las puede obtener en una de las
formas siguientes: un cambio en el cauce una alineación sesgada, o una
combinación de ambas. El costo de un cambio en el cauce puede
compensarse parcialmente al poder usarse una alcantarilla más corta o de
diámetro menor. La alineación sesgada requiere una alcantarilla más larga,
pero esto generalmente se justifica por la mejora en las condiciones
hidráulicas y por la seguridad de la calzada.
El segundo principio para determina la ubicación de una alcantarilla, consiste
en el empleo de precauciones razonables para evitar que el cauce de agua
cambie su curo cerca de los extremos de la alcantarilla. De lo contrario, la
alcantarilla podrá volverse inadecuada, causar embalse excesivo, y
posiblemente hasta derrumbarse. Cualquiera de estos problemas puede
ocasionar grandes gastos para la conservación de la carretera. Los bordes del
curso de agua pueden protegerse mejor contra la erosión y los cambios en el
cauce, mediante el uso secciones terminales de acero, revestimiento con roca,
plantación de césped, o pavimentación.
La elección de la rasante también puede tener influencia sobre la alineación de
la alcantarilla de agua. Véanse los métodos para elegir la alineación correcta
en las Figs. 2-1 y 2-2.
En las intersecciones de carreteras, frente a la entrada; domiciliaria, las
alcantarillas deben instalarse directamente en la línea de la zanja al costado de
la calzada, especialmente donde las alcantarillas deberán conducir una
cantidad importante de agua pluvial.
Las alcantarillas para el drenaje de secciones de corte y relleno. en pendientes
descendentes largas, deberán instalarse sesgadas a unos 45 grados de la
línea central de la calzada. Esto permitirá que el fijo de agua no se retarde en la
entrada de la alcantarilla.
La alineación acodada, debajo de una calzada, puede ser aconsejable en el
caso de alcantarillas largas. Deben considerarse las condiciones de la entrada
y la salida y el aumento del tamaño de la estructura para permitir el paso o la
extracción de materiales que pueden arrastrados por la corriente durante
períodos de inundación.
DECLIVE
La rasante ideal para una alcantarilla es aquella que no produce sedimentación
ni velocidades excesivas y erosión, que permite la menor longitud, y que hace
más sencillo el reemplazo.
Las velocidades del orden de 3m por segundo producen erosión destructiva
aguas abajo y a la estructura misma de la alcantarilla, a menos que esté
protegida. Las velocidades seguras para cauces de cursos de agua. La
capacidad portadora de sedimentos, de un curso de agua, varía según el
cuadro de la velocidad.
La capacidad de una alcantarilla con salida libre (no sumergida) no aumenta al
emplearse una pendiente mayor que la llamada "pendiente crítica"
(aproximadamente 1 por ciento para tubería de unos 2.40 m, o 96 pulg., de
diámetro). La capacidad está determinada por la cantidad de agua que puede
ingresar por la entrada.
Por otra parte, la capacidad de una tubería con pendiente muy suave, pero con
salida sumergida, puede variar según la carga (diferencia de altura de la
superficie del agua en los extremos). En este caso la rugosidad del interior de
la alcantarilla, además de la carga de velocidad y la pérdida por la entrada, es
un factor que debe tenerse en cuenta.
Se recomienda una pendiente de 1 o 2 por ciento para obtener un declive igual
o mayor que critico, siempre que la velocidad esté comprendida dentro de
límites admisibles. En termino generales, una pendiente mínima de 50 cm en
100 m evitará la sedimentación.
Es usual que la rasante coincida con el promedio del lecho aguas arriba y
aguas abajo de alcantarilla. Se admite, sin embargo. una variación por razones
justificadas.
LARGO DE LA ALCANTARILLA
El largo necesario de la alcantarilla depende del ancho de la calzada o piso del
camino, de la altura del terraplén, de la inclinación del talud, de la pendiente
oblicuidad de la alcantarilla, y del tipo de terminación que se utilice, tal como
pieza terminal, muro de cabecera, entrada con cuida. vertedero, o extremo
biselado.
Una alcantarilla debe tener longitud suficiente para que sus extremos no se
obstruyan con sedimentos ni sean cubiertos por el terraplén que se asienta y
ensancha.
Un esquema del corte transversal del terraplén, y del perfil del lecho del curso
de agua, servirán para determinar mejor el largo necesario de la alcantarilla. Si
no se cuenta con tales esquemas, el largo de una alcantarilla sencilla, debajo
de un terraplén, puede determinarse en la forma siguiente:
Agregar el doble del producto pendiente x altura del terraplén en el centro de la
calzada, al ancho de la calzada (bermas laterales incluidas). La altura del
terraplén debe medirse desde la línea de superficie de la corriente si no se
construirán muros de cabecera, y desde corona de la alcantarilla si se
emplearán muros de cabecera o secciones terminales.
Ejemplo: Una calzada tiene 12,20 m de ancho en su parte superior, la
pendiente de los costados del terraplén es 2:1, v la altura del terraplén desde la
línea de superficie de la corriente es de 2.13 m: la longitud de la alcantarilla
necesaria es 12.20 + (4 x 2,13) = 20,72 m a la altura de la línea superficial de
la corriente. Véase ejemplo en la Fig. 2-4.
Si la alcantarilla está en una pendiente de 5 por ciento o más, puede resultar
conveniente calcular la longitud teniendo en cuenta la pendiente en la forma
que se indica en la Fig. 2-5.
Sin embargo, como los taludes de los terraplenes generalmente varían con
respecto a las estacas de la rasante establecida, cualquier refinamiento en el
calculo del largo de la alcantarilla puede resultar innecesario.
LARGO DE LA TUBERIA PARA ANGULOS SESGADOS
Cuando una alcantarilla cruza la calzada a un ángulo que no sea recto, el
cálculo del eje central inferior, que tendrá un largo mayor. debe efectuarse
como sigue:
En primer lugar, determinar el largo que correspondería si la alcantarilla
atravesase la calzada a un ángulo recto, como se indica en la Fig. 2-4.
Dividir la cifra resultante por el coseno del ángulo formado por las direcciones
perpendicular y sesgada.
La corrección del diámetro de una tubería para ángulo sesgado se obtiene
multiplicando el diámetro por la tangente del ángulo formado por la dirección
perpendicular y la sesgada.
Si la carretera está describiendo una curva horizontal o vertical, o si existe una
pendiente acentuada, puede estimarse el largo adicional necesario.
Ejemplo: El largo normal es de 1 8,90 m, y el ángulo entre la dirección
perpendicular y la sesgada es de 14 grados.
la forma siguiente: 18,90
el largo necesario para la alcantarilla sesgada
La longitud del eje central inferior se especifica empleando el múltiplo de
0.61 m (2 pies) más cercano (19,15 0.61 = 31,9, o sea 32).
Los extremos de la estructura pueden cortarse para que sean paralelos al eje
del camino.
Para asegurar la fabricación de alcantarillas de acero corrugado con
características correctas, es indispensable indicar la dirección de la corriente el
ángulo del sesgo o número correspondiente a dicho ángulo.
DISEÑO ESTRUCTURAL
INTRODUCCION
Los conductos de acero corrugado reconocidos desde hace mucho tiempo por
su destacada resistencia estructural bajo las cargas subterráneas más
pesadas, se conocen ahora como resultado de una compleja combinación la
interacción entre el suelo y el acero.
La interacción del suelo y el acero implica que el conducto flexible de acero
actúa con relleno de tierra que lo rodea para soportar las cargas. Recientes
investigaciones han demostrado que la estructura subterránea ideal funcionaria
de manera que toda la carga actúe sobre el suelo que la rodea y la cubre. Las
estructuras de acero corrugado se aproximan a esta condición ideal.
Los métodos para proyectar tuberías de acero corrugado bajo tierra están
considerando cada vez más al suelo como un importantísimo componente del
sistema combinado suelo-acero. Si bien todavía son conservadores en lo que
se refiere a la estructura del suelo, los procedimientos actuales para el diseño
reconocen formalmente la importancia del suelo y abren el camino para futuros
adelantos.
INVESTIGACION Y DESARROLLO DE LAS ESTRUCTURAS ENTERRADAS
Los ensayos iniciales de la resistencia de las tuberías de acero corrugado,
fueron algo rudimentarios. Esos ensayos incluyeron el empleo de elefantes de
un circo haciendo equilibrio sobre una tubería sin enterrar, y máquinas
trilladoras colocadas sobre tubería enterrada a poca profundidad.
Se efectuaron luego ensayos en "cajas de arena" e hidráulicos, realizados por
Talbot, Fowler y otros. Se midieron las cargas de los rellenos sobre tubo;
enterrados y sobre sus cimientos, en la universidad Iowa State College
(Marston, Spangler y otros. 1913) y en la universidad de Carolina del norte
(Braune, Cain, Janda) en cooperación con la. Dirección Estadounidense para
Vías Públicas (Bureau of Public Roads).
La Asociación Estadounidense de Ingeniero; Ferroviarios realizó en 1923,
sobre vías ferrocarril Central de Illinois, extensos ensayos en obra en Farina,
estado de Illinois, para determinar las cargas muertas. Las mediciones
efectuadas con células para medir la presión de la tierra, indicaron que las
tuberías corrugadas flexibles soportaban sólo el 60% del peso de la columna o
prisma de relleno, con altura de 10,67 m sobre la tubería, mientras que el suelo
adyacente soportaba el 40% restante de la carga. Estos ensayos demostraron
por vez primera que la tubería flexible y el terraplén de tierra compactada
pueden unirse para actuar como una estructura compuesta. Véase la Fig. 3-2.
Los esfuerzos iniciales para racionalizar el comportamiento de las tuberías
flexibles en el sostenimiento de las cargas llevó al concepto de las presiones
laterales pasivas, y a la llamada Fórmula de Iowa para la predicción de la
deflexión.
Después de la Segunda Guerra Mundial se introdujo el concepto de un anillo
delgado, sostenido por las presiones del suelo. Este concepto fundamental era
compatible con la experiencia y abrió un camino para establecer criterios
lógicos para el diseño. El interés nacional estadounidense en los efectos de la
detonación de artefactos nucleares sirvió para obtener un cúmulo de
información sobre investigación y desarrollo de estructuras flexibles bajo tierra.
' Estos trabajos indicaron claramente la posibilidad de diseños más eficientes
para las estructuras enterradas de acero corrugado. El Instituto
Estadounidense: para el hierro y el cero (A.I.S.I.) patrocinó amplias
investigaciones adicionales, entre 1967 y 1970, llevadas a cabo en la
Universidad del Estado de Utah bajo la dirección del Dr. Reyrnold K. Watkin.
Las investigaciones y la experiencia práctica continuada, con terraplenes más
alto y con tuberías de diámetro mayor, han permitido un enfoque más preciso
del diseño, y mayor exactitud. Existen ahora factores de diseño para estimar
las cargas reales sobre la tubería; se ha establecido el esfuerzo compresivo
máximo para los tubos en toda la escala útil de densidades del suelo: y se
pueden determinar ahora los esfuerzos compresivos aceptables para el acero,
sin necesidad de coeficientes de seguridad excesivos. (Fig. 3-6).
CARGAS SOBRE ESTRUCTURAS ENTERRADAS
La primera consideración de un proyecto es la evaluación de las cargas sobre
el conductos subterráneos están sujetos a dos tipos principales de cargas:
(1) cargas muertas causada: por el terraplén o el relleno en la zanja, más las
cargas superpuesta sobre la superficie, uniformes o concentradas; y
(2) caras vivas cargas en movimiento, incluidos impactos
CARGAS VIVAS
En la práctica, las cargas vivas sobre el conducto, causadas por el tránsito vial
o ferroviario se relacionan con el diseño de los conductos subterráneos por
medio de gráficos, preparados por la industria de las tuberías de acero
corrugado. Esto gráficos modifican distribución teórica de las cargas vivas a
valores compatibles con el desempeño de las estructuras observado bajo
coberturas relativamente livianas. En este mismo capítulo, bajo la sección G,
cobertura Mínima, se proporcionan recomendaciones para la cobertura mínima.
CARGAS AEROPORTUARIAS
La importancia de la carga de los aviones consiste principalmente en su
relación con la cobertura mínima necesaria. Los proyectos modernos para
aeropuertos incluyen en algunos casos cargas por rueda muy pesadas para
aviones aún no proyectados. En la preparación de tablas para la cobertura
mínima, la Dirección Estadounidense de Aeronáutica ha empleado
configuraciones de ruedas y pesos de aviones de hasta 700 y aún 900
toneladas.
CARGAS MUERTAS
Existen dos tipos básicos comunes de instalaciones. La condición
"protuberante" o de terraplén, representada por una alcantarilla; y la condición
de zanja, típica de una cloaca. La verdadera condición de zanja produce
reducciones considerables de la carga sobre la tubería. Sin embargo, las
restricciones para la profundidad de la zanja, impuestas por la práctica, limitan
la carga al punto de que no resulta importante para los proyectos de cloacas
normales de acero corrugado. El espesor mínimo de pared de la mayoría de los
diámetros de tubería de acero corrugado es adecuado para alturas, de
cobertura iguales o mayores que las profundidades usuales de las zanjas. No
se consignan aquí, por lo tanto, criterios pira el cálculo de cargas para las
zanjas. (El ASCE Sewer Design Manual - Manual para proyectos de Cloacas,
de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles, indica métodos. para el
cálculo de cargas para las zanjas.)
Se considera como carga muerta el prisma del suelo sobre la tubería. La
presión unitaria de este prima, que actúa cobre el plano horizontal en la corona
de la tubería, es igual a:
CM = p X h............................................................( 1 )
donde p = Unidad de peso del suelo, en Kgs por m3
h = Altura del relleno sobre la tubería
CM = presión del peso muerto, en Kgs por m3
DISEÑO ESTRUCTURAL DE ESTRUCTURAS ENTERRADAS
El proceso del diseño estructural consiste en los pasos siguientes:
1. Determinación de la densidad del material para relleno que se necesita
tener o se espera obtener.
2. Aplicación del coeficiente de carga correspondiente a la carga para
establecer la presión que actuara sobre el acero.
3. Determinación del esfuerzo compresivo aceptable para el diámetro de la
tubería, la corrugación densidad del suelo.
4. Calculo de la compresión en la pared de la tubería.
5. Determinación del espesor necesario.
6. Verificación de la rigidez mínima para el manipuleo.
7. Verificación de las exigencias de la costura empernada (si corresponde)
1. DENSIDAD DEL MATERIAL PARA RELLENO
Para los fines del proyecto, elija un porcentaje de compactación para el relleno
de la tubería. El valor determinado deberá reflejar la importancia y el diámetro
de la estructura y la calidad que razonablemente puede esperarse. El valor
recomendado para casos normales es de 85%. Este valor puede usarse
fácilmente en instalaciones normales cuyas, especificaciones generalmente
establecen el 90%. Sin embargo, para estructuras de porte mayor, o para
casos con relleno más alto, debe considerarse la selección de material de
mejor calidad para el relleno y exigir su empleo en la construcción.
2. PRESIÓN PARA EL DISEÑO
Cuando la altura del relleno el igual o mayor que la luz o el diámetro estructura,
utilice el gráfico de factores de carga, para determinar el porcentaje de la carga
total que actuará sobre el acero. Para casos normales, es valor de 85% para el
suelo corresponderá a un coeficiente de 0.86. el coeficiente de carga, K, se
aplica a la carga total para obtener la presión de diseño, P, que actúa sobre el
acero. Si la altura de la cobertura es menor que el diámetro de la tubería, se
presume que la carga total actúa sobre la tubería, y CT (carga total) = P
P = K X (CM + CV), cuando H L
P = (CM + CV), cuando H < L
Siendo: P = presión de diseño, en Kgs/m²
K = coeficiente de carga
CM = carga muerta, en Kgs/m²
CV = carga viva, en Kgs/m²
H = altura de la cobertura en m.
L = luz en m.
3. COMPRESIÓN ANULAR
El empuje compresivo sobre la pared del conducto es igual a la presión radial
que actúa sobre la pared multiplicada por el radio de la pared, 0: C = P X R.
Este empuje, llamado "Compresión anular", es la fuerza que actuara sobre la
pared del conducto. Para las estructuras normales en las que el arco superior
se aproxima a una forma semicircular, es conveniente reemplazar el radio de la
pared por la mitad de la luz.
Luego: C = PX
Siendo: C = compresión anular, en kgs/m
P = Presión apara diseño, en kgs/m²
L = Luz, en m
4. ESFUERZO DE PARED ADMISIBLE
La Fig. 3-6 muestra los esfuerzos compresivos máximos, fb para estructuras de
acero corrugado con relleno compactado a la densidad normal 85% según
AASHO (Asociación Estadounidense de Funcionarios de Vialidad de los
Estados) y un límite mínimo de fluencia de 2320 Kg/cm². La compresión
máxima para las paredes de la tubería se expresa en las ecuaciones que
siguen: (4), (5), y, (6). La primera de estas ecuaciones da el límite de fluencia
mínimo especificado para el acero que representa la zona de aplastamiento de
la pared. o de deformación. La segunda ecuación corresponde a la zona de
interacción de la deformación, o de pandeo. La tercera se refiere a la zona de
pandeo del anillo.
1. f = f = 2320 Kg/cm², cuando < 294 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(4)
2. f = 2812.31 - 0.0057 , cuando n > 294 y < 500 . . . . . . . . . . . . . . . . (5)
3. f = , cuando > 500 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (6)
siendo: D = Diámetro, o luz, en cm.
r = Radio de giro en cm.
Se aplica un coeficiente de seguridad de 2 para el esfuerzo máximo de la
pared, para obtener el esfuerzo para diseño, f
fc = .................................................. (7)
5. ESPESOR DE PARED
El área de pared necesaria, A, se calcula en base a la compresión calculada en
la pared de la tubería, C, y el esfuerzo admisible, f .
................................................(8)
En la Tabla 3-2 se elige el espesor de pared que proporciona el área necesaria,
con la misma corrugación empleada para determinar el esfuerzo admisible.
6. VERIFICACIÓN DE LA RIGIDEZ PARA EL MANIPULEO
En base a la experiencia, se han establecido y formulado exigencias mínimas
para la rigidez de la tubería para el manipuleo práctico y la instalación sin que
hagan falta cuidados especiales ni refuerzos. El coeficiente de flexibilidad
resultante. CF, limita el tamaño de cada combinación de corrugación y espesor
de metal.
CF .......................................(9)
siendo: E = Módulo de elasticidad = 2,11 x 10` kg/cm²
D = Diámetro, o luz. en cm
I = Momento de Inercia de 1 pared, en cm4/cm.
Valores máximos de C F recomendados para instalaciones; normales:
CF = 0,242 cm/Kg para tubería armada en planta, con
costuras remachadas. Soldadas, o helicoidales, en
diámetros de 305 cm nominales (120 pulg.) o
menos.
CF = 0,112 cm/Kg para tubería armada en obra, con
costuras empernadas, en todos los diámetros en
excesos de 305 cm nominales (120 pulg.)
Pueden emplearse valores más altos, teniendo cuidado especial de haberlos
comprobado en la práctica. La condición de zanja, como en el diseño de
cloacas, es un ejemplo. La experiencia con tubería de aluminio constituye otro
caso. Por ejemplo, el coeficiente de flexibilidad admisible para la tubería de
aluminio, en algunas especificaciones nacionales estadounidenses es más del
doble del que se recomienda más arriba para el acero. Esto ha ocurrido porque
el aluminio tiene solamente una tercera parte de la rigidez del acero, razón por
la cual el módulo de elasticidad para el aluminio es de solamente 7x105 Kg/cm²
contraste con 2,11x106 Kg/cm²
Tabla 3-2 Momento de Inercia y Sección Transversal de las Chapas y
Planchas de Acero Corrugado para Conductos Subterráneos
Las medidas de las corrugaciones son nominales, sujetas a tolerancia de fabricación
*Nótese que los valores son por metro de ancho.
Corrugación:
Peso y
Profundidad
Espesor Especificado en mm.
0.864 1.016 1.321 1.626 2.007 2.769 3.505 4.267 4.775 5.537 6.325 7.112
Momento de Inercia, I , en cm4/m de ancho*
38.1*6.40 mm 0.3414 0.4097 0.5599 0.7238 0.9286 1.4066 1.9801 2.6766
50.8*12.7 mm 1.6114 1.8709 2.5127 3.1818 4.0285 5.8038 7.7292 9.8186
67.7*12.7 mm 1.5295 1.8435 2.4561 3.0999 3.9192 5.6126 7.4288 9.3816
76.2*25.4 mm 7.0191 8.4393 11.2934 14.1885 17.8346 25.3317 33.0609 41.1042
152.4*50.8m
m99.0052 126.0922 157.5889 176.9803 207.9791 239.5242 271.7521
Sección Transversal de Pared, en cm² por m de ancho*
38.1*6.40 mm 8.05 9.65 12.87 16.11 20.11 28.17 36.24 44.30
50.8*12.7 mm 8.65 10.35 13.10 16.40 20.49 28.70 36.91 45.15
67.7*12.7 mm 8.20 9.84 13.10 16.40 20.49 28.70 36.91 45.15
76.2*25.4 mm 9.41 11.30 15.05 18.84 23.56 33.02 42.50 52.03
152.4*50.8m
m32.94 42.40 51.84 57.98 67.71 77.43 87.19
para el acero. Cuando este grado de flexibilidad es aceptable para el aluminio,
lo es igualmente para el acero.
7. VERIFICACIÓN DE LAS COSTURAS EMPERNADAS
Las costuras normales de tubería, efectuadas en planta. según se indica
detalles de los Productos, son satisfactorias para todos los diseños dentro de
los máximos permisibles para esfuerzos de pared de 1.160 Kg/cm². Sin
embargo, las costura empernadas en taller o en obra continuarán siendo
evaluadas en base a los valores de ensayos para columnas sin curvar y sin
apoyo. Las costuras empernadas (normales en el caso de la: chapas
estructurales) deben tener una resistencia para ensayos igual al doble de la
carga para diseño en la pared de la tubería.
La Tabla 3-3 muestra los valores admisibles para el diseño (la mitad de los
valores máximos) de junta, empernadas para corrugaciones de 152,4x50,8 mm
y 76,2x25.4 mm (6x2 pulg. y 3x1 pulg.), ensayadas en condiciones de columna;
cortas sin soporte. Por razones de conveniencia, se indica igualmente el
esfuerzo de pared que corresponde a la resistencia admisible para la junta.
Tabla 3-3 Datos para el Diseño de Costuras Empernadas
Tubería de Chapas Estructurales
Corrugaciones de 152.4 * 50.8 mm (6 * 2 pulg)
- 4 pernos de ¾ pulg (19 mm ) por 0.305 m
Tubería de Acero Corrugado
Corrugaciones de 76.2 * 25.4 mm
(2 * 1 pulg )
- 8 pernos de ½ pulg (12.7 mm) por
0.305m
Espesor enResistencia
Admisible(½ de la máxima
en Kg.)
Esfuerzo
Correspondient
e de la Pared en
Kg/m
Resistencia
Admisible(½ de la máxima en
Kg.)
Esfuerzo
Correspondient
e de la Pared en
Kg/mmm pulg
1.626 0.064 21.430 1140
2.007 0.079 26.638 1112
2.767 0.109 31.250 949 39.459 1196
3.505 0.138 46.133 1091 47.472 1119
4.267 0.168 60.271 1161 52.681 1014
4.775 0.188 69.200 1196
5.537 0.218 83.337 1232
6.325 0.249 98.219 1274
7.112 0.280 107.148 1232
DEFLEXION
La deflexión del conducto no es generalmente el criterio para diseñar la pared
del conducto, es decir el espesor del metal y las medidas de las corrugaciones.
Se ha demostrado que el material para relleno, compactado de acuerdo con la
práctica normal mínima ( densidad normal 85% según AASHO), es más que
adecuado para permitir que el conducto soporte carga en compresión anular
hasta su resistencia máxima contra el aplastamiento y el pandeo, sin peligro de
deformación. Véase la Fig. 3-6.
Sin embargo, la deformación de los conductos flexibles sigue siendo una
consideración importante en el caso de los conductos enterrados. En algunos
casos, las medidas de la luz interior, y la forma, son de importancia. Cuando el
relleno inapropiado permite una deformación significativa, es importante
evaluar la situación desde el punto de vista estructural.
La importancia de la deflexión en la integridad estructural del conducto, es
función de la magnitud y, la naturaleza del movimiento. Si la deformación es
una distorsión suave y simétrica de la pared del conducto, una desviación del
5% de la redondez absoluta se considera aceptable desde el punto de vista
estructural. Una deformación de aproximadamente el 20% de la redondez,
generalmente producirá la inversión de la curvatura.
La deflexión de una estructura de acero corrugado enterrada es
indudablemente de mayor interés en los casos de coberturas altas. En tales
casos, la rigidez anular de la tubería es relativamente pequeña en comparación
con la carga, y es aceptable presumir que la deflexión vertical de la tubería es
igual a la deformación vertical del suelo.
La deformación vertical del suelo debajo de una cobertura de altura
especificada puede determinarse únicamente conociendo la relación entre el
esfuerzo y la deformación del suelo en cuestión. En breve, es necesario
conocer el módulo de elasticidad del suelo en estado de compactación que se
prevé para la instalación, bajo la cantidad de presión que ejercerá la altura del
recubrimiento.
La Figura 3-7 presenta curvas correspondientes a la relación entre el esfuerzo
y la deformación en suelo sin cohesión, obtenidas en ensayos reales en obra.
En estas curvas se puede notar que se necesitan varias determinaciones para
poder estimar correctamente la deformación de una instalación específica.
Estas curvas, ilustran lo que se ha dicho más arriba, es decir que la
deformación será menos que critica para el comportamiento de la tubería
cuando se ha efectuado la compactación hasta la densidad normal 85% según
AASHO. Suponiendo que se desea estimar si la deformación será de 1,2 o 3%,
en un caso dado es de importancia primordial conocerlas características
esfuerzo-deformación del suelo para las condiciones imperantes.
Para instalaciones importante, donde esta información es significativa, pueden
ensayarse muestras del suelo en un laboratorio para determinar el módulo del
suelo al porcentaje requerido de densidad normal AASF10. Se han propuesto
varios métodos para determinar este módulo. Se recomiendan para consulta
las referencias (14) y (15). Para casos menos críticos, las Figs. 3-8, 3-9 y 3-10,
proporcionan curvas esfuerzo-deformación típicas para suelos de varios tipos,
que pueden servir como guía en la estimación de la deflexión.
TUBOS ABOVEDADOS
La forma de la tubería abovedada presenta problemas especiales para el
diseño, que no existen con las tuberías circulares o con elongación vertical. Las
tuberías abovedadas generan presiones esquineras mayores que la presión en
el relleno. Esto, y no el esfuerzo en la pared de la tubería, constituye el factor
que en la práctica limita el diseño.
Para calcular la presión esquinera, no hay, que considerar la resistencia del
acero corrugado a la flexión, y determinar cargas admisibles basadas en la
presión admisible sobre el suelo en las esquinas. Suponiendo un momento
resistente cero de la pared de la tubería, la compresión anular, C, es la misma
en cualquier punto de la tubería abovedada. Luego C=P×R en cualquier punto
de la periferia. Esto significa que la presión normal en la pared de la tubería
abovedada es inversamente proporcional al radio de la pared.
La instalación apropiada de las tuberías abovedadas es esencial. Véase en la
Fig. 3-13, la información correspondiente.
La presión limitante para el diseño se determina en base a la presión admisible
del suelo en las equinas. Un relleno especial en la esquinas, tal como piedra
triturada o tierra con cemento, pude aumentar con límites. Se sugiere un valor
máximo de 29,3 toneladas por m² de presión esquinera para uso normal.
Tabla para Cargas Vivas E 80
Para tuberías abovedadas construida, con tubería corrugada de diámetros
normales (corrugaciones de 67,7 x 12,7 mm). ignorar la resistencia a la flexión
de la pared de la tubería abovedada no producirá resultados útiles para cargas
pesadas tales como Cooper E 80 o similares. La combinación de la resistencia
a la flexión de las esquinas con radio reducido, y la distribución longitudinal de
la carga viva a lo largo de la corona de la tubería, permite un desempeño
aceptable aunque el análisis, del momento cero haga inaceptable el producto.
La base para tales diseños consiste en tablas de calibres estrictamente
empíricas. La Tabla HC-9 para cargas de ferrocarril sobre diámetros normales
de tubería abovedada corrugada mantiene la tabla de calibres, basada en la
experiencia, que se ha estado empleando durante los ultimo 25 años.
BOVEDAS
Otro "caso especial" comprende el diseño estructural de bóvedas de acero
corrugado sobre cimientos rígidos. Como el anillo de acero esta fijado en la
base de la bóveda, y no puede penetrar en el relleno en ese punto, tiene que
considerarse la influencia del pandeo del tipo columnar.
Los criterios para el diseño estructural de bóveda se dividen en dos clases: (1)
bóveda con forma semicircular: y (2) bóvedas con forma de herradura, con
ángulo de reentrada de la bóveda en la base de 20 grados o más de la vertical.
Esa última configuración permite que el anillo de la bóveda se "asiente" en el
suelo de la base, evitando el pandeo local en ese punto.
El caso más restrictivo es el de la bóveda con forma semicircular (o menos que
semicircular). Se ha demostrado que la resistencia máxima a la compresión en
la bóvedas con esta conformación es considerablemente menor al equivalente
para la tubería totalmente circular. Sólo el empleo de factores de seguridad
muy altos ha tornado práctico el empleo de esta forma común de bóveda. Es
evidente entonces que los esfuerzos compresivos admisibles con estas formas
tienen que mantenerse en el orden de magnitud establecido por la "resistencia
de la costura" dividida por 4.
La situación es mejor cuando la bóveda es del tipo de herradura con un ángulo
de reentrada de la bóveda en la base de 20 grados o más.
BOVEDAS SOBRE CIMIENTOS RIGIDOS
1. Bóvedas Semicirculares o Menores, y bóvedas tipo Herradura con <
20°
Emplear la mitad del esfuerzo de pared admisible para una tubería circular con
luz equivalente.
2. Bóvedas Tipo herradura
a. Para ángulos de reentrada en la base entre 20 y 30 grados. Emplear un
esfuerzo admisible de 75% del que se calcule para una tubería circular con luz
equivalente.
b. Para ángulos de reentrada en la base mayores de 30 grados. Emplear un
esfuerzo de diseño igual al que corresponde a una tubería circular equivalente.
Un las páginas siguientes se muestran prácticas para otros diseña:, que
incluyen la preparación de los cimientos, el relleno, la cobertura mínima, y la
terminación de los extremos.
EJEMPLOS
Los ejemplos siguientes ilustran la aplicación de los procedimientos para
diseño que se han expuesto en las páginas anteriores. Estos ejemplos
incluyen: (1) Tubería con diámetro nominal de 1,22 m (48 pulg.), debajo de un
terraplén de 18,29 m de altura: (2) Tubería con diámetro nominal de 3,05 m
(120 pulg.), debajo de un terraplén de 19,81m de altura: (3) Tubería abovedada
de 6,10 x 3,96 m debajo de un terraplén de I,83 m de altura: 14) Bóveda con
luz de 7,01 m, y (5) Paso inferior para vehículo, debajo de un terraplén con 9,75
m. de altura.
Ejemplo 1
Datos conocidos: Diámetro necesario par,: la tubería: 1.22 m
Altura de la cobertura: 18,29 m
Carga viva, CV, = H 20
Peso del suelo, p (por unidad) = 1.922 Kg/m3
Hallar: Espesor de la pared y tipo de corrugación
SOLUCION:
1. Densidad (compactación) Necesaria para el Relleno:
90 (normal según AASHO. Debe suponerse un mínimo de 85% para cl
proyecto.
2. Presión para el Diseño:
Pp = K (CM + CV ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ecuación (2)
donde CM = H x p = 18.29 X 1922 = 35.1 53,4 Kg/m²
De la Tabla 3-I. CV es despreciable para coberturas mayores de 2,40 m
De la Fig. 3-5, K = 0.86
Luego P- = 0,86 x (35.153,4 + 0) = 30.231,91 Kg/m² = carga sobre la tubería
3. Compresión anular:
C = Pp X ............................... (3)
donde L = luz, en m
Luego C= 30.231.91 x = 18.441,5 Kg/m
4. Esfuerzo Admisible para la Pared:
donde 1. = límite d: esfuerzo de la pared
De la fig. 3-6. fb = 2320 Kg /cm² para corrugaciones de 67,7 x 12,7 mm
(2 2/3 X 1/2 pulg.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4)
Luego fc = = 1160 K/cm²............................................................... (7)
5. Area del Corte Transversal de la Pared:
A = =15.898 cm²/m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (8)
En la Tabla 3-2 un espesor especificado de 1,626 mm proporciona una
superficie de pared, sin revestimiento, de 16,40 cm²/m.
6. Rigidez para el Manipuleo.
CF = = coeficiente de flexibilidad = 0,242 cm/kg máx.
donde D = diámetro, en cm = 122 nominales
E = modulo de elasticidad = 2,11x106 Kg/cm²
I = momento de inercia, cm²/cm
De la Tabla 3-2 para el espesor especificado de 1,626 mm.
I = 0,0310 cm4/cm
Luego CF= =-0,228 cm/Kg
0,228 < 0,242, luego la corrugación de 67,7 x12,7 mm esta bien.
SOLUCION ALTERNATIVA.- Con tubería con corrugaciones de 76,2x 25,4 mm
(3 x 1 pulg.)
4A. Esfuerzo Admisible para la pared:
fc = 1160 Kg/cm² (ver los cálculos para la primera solución)
5A. Area del corte Transversal de la Pared:
según la Tabla 3-2, un espesor especificado de 1,626 mm proporciona una
superficie de pared, sin revestimiento, de 1,84 cm²/m
6A. Rigidez para el Manipuleo
Según la tabla 3-2 para un espesor especificado de 1,626 mm. I = 0,0,1419
cm4/cm
Luego CF =
0,05 < 0,228, luego la corrugación de 67,7 x 25,4 mm también es aceptable
RESPUESTA: Un espesor de pared de 1,626 mm especificados, es
adecuado para la tubería de acero corrugado, ya sea con corrugaciones de
76,7 x 12,7 mm (22/3 x 1/2 pulg.) o de 76,2 x 25,4 mm (3 x 1 pulg.)
Ejemplo 2
Datos conocidos: Diámetro necesario para la tubería = 3,05 m (120 pulg.)
Altura de la cobertura, H = 19,51 m
Carga viva, CV = E 80
Peso del suelo, p, (por unidad) = 1922 Kg/m²
Hallar: Espesor de la pared y tipo de corrugaciones (ensayar con
corrugaciones de 76,2 x 25,4 y de 152,4 x 50,8 mm 3x1 y 6x1
pulg.)
SOLUCION:
1. Densidad Necesaria para el Relleno:
90% normal según AASHO. Debe suponerse un mínimo de 85% para el
diseño.
2. Presión para el Diseño:
CM = H X p = 19,81 x 1922 = 38.075 Kg/m² (CV es despreciable)
De la Fig. 3-5 K = 0,86
Pp = 0,86 X (38.075 + 0) = 32.744 Kg/m². . . . . . . . . . . . . . . Ecuación (2)
3. Compresión Anular:
4. Esfuerzo Admisible para la Pared:
Donde: fb = esfuerzo máximo para la pared
De la Fig. 3-6, fb = 2.147 kg/cm² para corrugaciones de 76,2x 25,4 mm
( 3 x1 pulg.) ............................................................... (4)
Luego fc= =1074 Kg/cm² ......................................(7)
5. Area del Corte Transversal de la Pared:
cm²/m exigidos
según al tabla 3-2 un espesor especificado de 4,267 mm proporciona una
superficie de pared sin revestimiento de 52,03 cm²/m
6. Rigidez para la Manipulación:
CF= = coeficiente de flexibilidad = 0,112 máx.
Según la tabla 3-2 un espesor especificado de 4,267 mm proporciona
una superficie de pared sin revestimiento de 52,03 cm²/m
6. Rigidez para manipulación:
CF= = coeficiente de flexibilidad = 0,112 máx.
Según la tabla 3-2 para el espesor especificado de 4,267 mm, I = 0,411 cm4/m.
0,107 < 0,112 luego la corrugación de 76,2 x 25,4 mm está bien.
SOLUCION ALTERNATIVA.- Con Tubería de chapas Estructurales con
Corrugaciones de 152,4 X 50,8 mm (6 X2 pulg.)
4A. Esfuerzo admisible para al pared
fc = 1,159 kg/cm²
5A. Área del corte Transversal de la Pared:
Según la Tabla 3-2 un espesor especificado de 4,267 mm proporciona una
superficie de pared sin revestimiento, de 51,84 cm²/m.
6A. Rigidez para la Manipulación
Según Tabla 3-2, para un espesor especificado de 4,267 mm, I = 1,5759
cm² cm.
0,028 < 0,112
luego las corrugaciones de 152,4 x 50,8 mm (6x2 pulg.) también son
aceptable,.
7. Resistencia de la Costura Empernada:
según la Tabla 3-3, la resistencia admisible para las costuras en chapas de
4.267 mm es de 60,274 Kg/m, o sea más que la carga para el diseño, que es
de 49.935 kg/m (del Item 3 ).
RESPUESTA: Un espesor de pared especificado de 4,267 mm es adecuado
para corrugaciones de 76,2 x 25,4, o 152,4 x 50,8 mm (3 x 1 o 1 x 6 pulg.).
Ejemplo 3
Datos conocidos: tubería abovedada, luz de 6,22 m, Flecha de 3,96 m.
Corrugaciones de 152,4 x 50,8 mm (6 x 2 pulg.)
radio de las esquina, 78,7 cm
Altura de la cobertura. H = 1,83 m
Carga viva, CV = H 20
Peso del suelo, p = 1922 kg/m3
Hallar: a) Exigencias para el espesor de la pared y para el empernado
b) presión sobre las chapas esquineras
SOLUCION:
1. Densidad Fxi~id:r para el Relleno:
90% normal según AASHO, especificada. Debe suponerse un mínimo de
85% para el diseño
2. Presión para el Diseño:
Pp = K(CM + CV) ...........................................Ecuaciones (2)
Siendo: CM = H x p = 1,83 x 1922 = 351 kg/m²
Según la tabla 3-1, CV = 976 Kg/m²
K = 1,0 cuando la altura de la cobertura es menor que la luz
Pp = 1,0(3517 + 976) = 4493 Kg/m²
3. Compresión Anular:
.................................................Ecuaciones (3)
donde: L = luz en m = 6,22
luego = 13873 kg/m.
4. Esfuerzo Admisible para la Pared:
siendo: fb = esfuerzo máximo de la pared
Según la Fig. 3-6, fb = 2088 Kg/cm² para corrugaciones de 152,4 x 50,8 mm(6x
2 pulg.)
Luego fc Kg/cm²
5. Area del Corte Transversal de la Pared:
cm²/m necesario
Según la Tabla 3-2 un espesor especificado de 2,768 mm proporciona una
superficie de pared sin revestimiento, de 32,94 cm²/m.
6. Rigidez para Manipuleo:
CF = = coeficiente de flexibilidad = 0,112
siendo: D = diámetro, o luz, en cm = 622
E = módulo de elasticidad = 2,11 x 106 Kg /cm²
I = momento de inercia, cm4/cm.
según la Tabla 3-2 para un espesor especificado de 2,768 mm, I = 0,990
cm4/cm
Luego = 0,185 > 0,112
Según la tabla 3-2 ensáyese un espesor especificado de 4,775 m. I = 0,99
cm4/cm
Luego = 0,104 < 0,112 está bien
7. Resistencia de la Costura Empernada:
Según la tabla 3-3 la resistencia admisible para la costura para un espesor de
4,775 mm es de 69,244 kg/m. Esta cifra es mayor que la carga para el diseño
de 13,976 Kg/m (Item3, y consiguiente es aceptable.
b. Presión de Apoyo Esquinera sobre el suelo:
Pp = Pp = presión esquinera en kg/m²
Donde Rt = radio superior (empléese la mitad de luz) = 311 cm.
Rc = 78,7 cm
Luego Pc = 4493 x = 17.755 kg/m².
Es indispensable que la presión de apoyo esquinera admisible sea por lo
menos 19,5 toneladas por m².
RESPUESTA:
a) El espesor especificado de una pared de 4,775 mm con costura empernada
normal es aceptable.
b) La presión de apoyo esquinera para esta instalación será de 17,755 kg/m²
Ejemplo 4
Datos conocidos: Bóveda de chapas estructurales: Luz = 7,01 m, Flecha =
3,12 m;
Corrugaciones de 152,4 x 50,8 mm (6 x 2 pulg.)
Altura de la cobertura, H = 5,79 m
Carga viva, CV = H 20
Peso del suelo, p = 1922 Kg/m²
Hallar: Espesor de la pared y tipo de costura empernada necesaria
SOLUCION:
1. Densidad Necesaria para el Relleno:
9% normal según AASHO, especificada. Debe suponerse un mínimo de 85%
para el diseño.
2. Presión para el Diseño:
Pp = K(CM + CV)
donde: CM = H x p = 5,79 x 1922 = 11.1128 Kg/m²
Según la Tabla 3-1. CV = despreciable
K = 1,0 (altura de la cobertura menor que la luz)
Luego C = 11.128x = 39.004Kg/m de bóveda.
3. Compresión Anular
..............................................Ecuación (3)
donde: L = luz en m = 7,01
luego = 11.128x = 39.004 kg/m de bóveda
4. Esfuerzo Admisible para la Pared:
para la tubería circular
para la bóvedas con forma semicircular o menor
donde: fb = esfuerzo máximo de la pared
según la fig. 3-6 fb = 1.896 kg/cm² para corrugaciones de
152,4 x 50,8 mm (6 x 2 pulg) ............................................(4)
luego fc = Kg/cm² ............................................(7)
5. Area del Corte Transversal de la Pared:
necesarios ...........................................(8)
según la Tabla 3-2. un espesor especificado de 7,112 mm proporciona una
superficie de pared, sin revestimiento, de 87,19 cm²/m
6. Rigidez para el Manipuleo
= coeficiente de flexibilidad = 0, 112
donde: D = diámetro o luz, en cm = 701
E = módulo de elasticidad = 2,11x 106 Kg/cm²
I = momento de inercia, en cm4/ cm.
Según la Tabla 3-2 para un espesor especificado de 7,112 mm, I = 2,717cm4/
cm.
Luego CF = = 0,086 < 0,112
RESPUESTA: Se requiere un espesor especificado de pared de 7,112 mm,
con empernado normal.
Ejemplo 5
Datos conocido: Paso Inferior para Vehículos: luz 5,94 m, fecha 5.36 m.
Corrugaciones 152,4 x 50,8 mm (6 x 2 pulg.)
Altura de al cobertura, H = 9,75 m
Carga viva, CV = H 20
Peso del suelo, p = 1922 kg/ m3
Hallar:
a) Espesor de la pared y tipo de costura empernada necesaria
b) Presión de apoyo esquinera
SOLUCION
1. Densidad Necesaria para el relleno:
90% normal AASHO especificada. Debe suponerse un mínimo de 85% para
diseño
2. Presión para Diseño:
Pp = K(CM + Cv)
Siendo: Cm = H x p = 9,75 x 1922 = 18.740 kg/m²
Según la fig. 3-5 K = 0.86
Luego. Pp = 0,86(18740 + 0) = 16,112 kg/m²
3. Compresión Anular:
.........................................Ecuación (3)
donde: L = luz en m = 5,94
luego: C = 16112 x = 47,853 kg/m
4. Esfuerzo Admisible para la Pared:
donde: fb = esfuerzo máximo de la pared
Según la Fig. 3-6, fb = 2,154 Kg/cm² para corrugaciones de 152,4 x' 50,8 mm (6
x 2 pulg.) .............................................................. (4)
Luego fc = = 1.077 Kg/cm² ..........................(7)
5. Area del Corte Transversal de la Pared:
=44,43 cm²/m exigidos ........................(8)
Según la Tabla 3-2, el espesor especificado de 4,267 mm proporciona una
superficie de pared, sin revestimiento, de 51,84 cm²/m.
6. Rigidez para el Manipuleo:
= coeficiente de flexibilidad = 0.112 máx.
donde: D = diámetro o luz. en cm = 594
E = módulo de elasticidad = 2,1 1 x 106 Kg/cm²
I = momento de inercia, en cm4/ cm.
Según la Tabla 3-2, para un espesor especificado de 4,267 mm, I =
1,5759 cm4/ cm.
Luego, CF = 0,106 < 0,112
7. Resistencia de la Costura Empernada:
Según la Tabla 3-3, la resistencia admisible para la costura empernada con
espesor de 4.267 mm es de 60.271 Kg/m. Esta cifra es mayor que la carga
para diseño de 47.882a Kg/m.
(b) Presión de Apoyo Esquinera sobre el Suelo:
en kg/m²
donde: R, = radio superior (empléese la mitad de la luz) = 2,97 m.
R, = radio esquinero = 1,19 m.
Luego, Pc = 16.112 x = 40.21 Kg/m²
Los cimientos y el relleno contra las chapas esquineras deben tener una
capacidad resistente de 39 toneladas/m². Puede ser necesaria la colocación de
roca triturada o grava sin cribar en un espacio excavado debajo de las chapas
esquineras.
RESPUESTA:
a) Un espesor especificado de pared de 4,267 mm, con costura empernada
corriente, será adecuado.
b) La presión esquinera para esta estructura será de 40,212 Kg/m², lo que
podrá requerir medidas especiales.
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, DE SISTEMAS Y ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL
ALCANTARILLAS
CURSO : ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS
DOCENTE : ING° ARBULU RAMOS JOSE
ESTUDIANTE : PISCOYA PASTOR JORGE
CODIGO : 960597K
PERIODO ACADEMICO : 2002 – I
LAMBAYEQUE, 10 DE JUNIO DEL 2002
RESUMEN EJECUTIVO
Una alcantarilla es un conducto tubular que continúa y substituye un curso de
agua descubierto, en un lugar donde el curso de agua tropieza con un
obstáculo artificial tal como una calzada, un terraplén o un dique. Es necesario
tener en cuenta los terrenos lindantes, tanto en lo que concierne al embalse de
agua curso arriba, como a velocidades de descarga que ofrezcan seguridad
para evitar socavación o sedimentación indebidas aguas abajo.
El presente trabajo nos da un enfoque general de los factores necesarios para
la ubicación de alcantarillas, entendiéndose por ubicación de alcantarillas a la
alineación y el declive con respecto a la calzada y al curso de agua. La
ubicación correcta es importante porque ejerce influencia sobre lo adecuado
de la abertura, la conservación de la alcantarilla, y el posible derrumbamiento
de la calzada. A pesar de que la instalación de cada alcantarilla constituye un
problema distinto, los pocos principios que se exponen a continuación tienen
aplicación en la mayoría de los casos.
Los conductos de acero corrugado, reconocidos desde hace mucho tiempo por
su destacada resistencia estructural bajo las cargas subterráneas más
pesadas, se conocen ahora como el resultado de una compleja combinación- la
interacción entre el suelo y el acero.
La interacción del suelo y el acero implica que el conducto flexible de acero
actúa con el relleno de tierra que lo rodea para soportar las cargas. Recientes
investigaciones han demostrado que la estructura subterránea ideal funcionará
de manera que toda la carga actúa sobre el suelo que la rodea y la cubre. Las
estructuras de acero corrugado se aproximan a estas condiciones.
Los métodos para proyectar tuberías de acero corrugado bajo tierra están
considerando cada vez más al suelo como un importantísimo componente del
sistema combinado suelo – acero.
Las investigaciones y la experiencia práctica continuada, con terraplenes más
altos y con tuberías de diámetro mayor, han permitido un enfoque más preciso
del diseño, y mayor exactitud. Existen ahora factores de diseño para estimar
las cargas reales sobre la tubería; se ha establecido el esfuerzo compresivo
máximo para los tubos en toda la escala útil de densidades del suelo; y se
pueden determinar ahora los esfuerzos compresivos aceptables para el acero,
sin necesidad de coeficientes de seguridad excesivos.
Asimismo en este trabajo se presenta el contenido del diseño estructural de
alcantarillas, partiendo del estudio y evaluación de las cargas sobre estructuras
enterradas, siendo esta la primera consideración de un proyecto, estando
sujetos los conductos subterráneos a dos tipos principales de cargas: las
cargas muertas y las cargas vivas. Haciendo un énfasis en las cargas
aeroportuarias, de suma importancia principalmente en su relación con la
cobertura mínima necesaria.
Luego se presenta todo el proceso del diseño estructural de estructuras
enterradas que consiste en los siguientes pasos:
8. Determinación de la densidad del material para relleno que se necesita
tener o se espera obtener.
9. Aplicación del coeficiente de carga correspondiente a la carga para
establecer la presión que actuara sobre el acero.
10.Determinación del esfuerzo compresivo aceptable para el diámetro de la
tubería, la corrugación densidad del suelo.
11.Calculo de la compresión en la pared de la tubería.
12.Determinación del espesor necesario.
13.Verificación de la rigidez mínima para el manipuleo.
14.Verificación de las exigencias de la costura empernada (si corresponde)
También se tiene en cuenta la deflexión del conducto que no es generalmente
el criterio para diseñar la pared del conducto.
Finalmente se hace referencia de criterios para los casos prácticos de diseño
de tubos abovedados y de bóvedas complementándose con ejercicios de
aplicación para el diseño de casos particulares.