GUÍA PARA EL CÁLCULO DE BLOQUES DE ANCLAJE PARA REDES SECUNDARIAS DE ACUEDUCTO

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1 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE Fecha CONTROL DE CMBIOS Elaboró Revisó probó Descripción Entrada en vigencia DD MM DD MM Creación GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE ELBORÓ: CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC indicada 1 de 18

2 CONTENIDO 1. OBJETO LCNCE DOCUMENTOS DE REFERENCI REQUISITOS TÉCNICOS DESCRIPCIÓN GENERL DE LOS BLOQUES DE NCLJES PRÁMETROS DE DISEÑO DEFINICIÓN DE VRIBLES Y UNIDDES DISEÑO DE BLOQUES DE NCLJE CÁLCULO DEL EMPUJE SOBRE LOS CCESORIOS (E) CÁLCULO DEL EMPUJE RESISTENTE (ER) ECUCIÓN DE EQUILIBRIO CONCRETO CERO DE REFUERZO SPECTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS BLOQUES DE NCLJE LLENOS LISTDO DE CTIVIDDES GENERLES DE CONSTRUCCIÓN LISTDO DE MTERILES DE CONSTRUCCIÓN GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: indicada 2 de 18

3 1. OBJETO Esta guía tiene como propósito definir los criterios de diseño mínimos que se deben cumplir para el cálculo de los bloques de anclaje en redes secundarias de acueducto. Los requisitos que se presentan en este documento permiten definir el volumen de concreto requerido para estabilizar las fuerzas generadas en cambios de dirección de las tuberías, en derivaciones, válvulas de cierre, accesorios como tee, yee y tapones. 2. LCNCE Esta norma aplica para el cálculo de bloques de anclaje de concreto en las redes de distribución de acueducto de EPM, tanto en redes nuevas como existentes que conforman la infraestructura lineal del sistema, para tuberías de diámetros desde 75 mm (3 ) hasta 3 mm (12 ), y presiones hasta 1 m.c.a. (19 psi). Previo a considerar el diseño de bloques de anclaje, se debe evaluar la posibilidad de rigidizar axialmente la tubería, con el fin de que en los cambios de dirección el empuje debido a las fuerzas hidrostáticas e hidrodinámicas sea estabilizado por medio de la fricción entre el suelo y la tubería, para lo anterior se debe calcular la longitud a rigidizar a cada lado del cambio de dirección, teniendo en cuenta lo establecido en el Reglamento Técnico para el Sector de gua Potable y Saneamiento Básico RS (artículos 76 y 77). Se espera que esta guía sea utilizada por diseñadores estructurales o ingenieros civiles, en caso de no ser así, los cálculos realizados con esta guía deben ser revisados y/o supervisados por un ingeniero o diseñador estructural. Esta norma reemplaza en su totalidad la NEGC 74-6 Bloques de anclaje y NEGC 721- Perfiles de acero en I para anclajes primarios 3. DOCUMENTOS DE REFERENCI Los reglamentos, las normas técnicas nacionales e internacionales y demás documentos empleados como referencia en esta guía, deben ser considerados en su versión más reciente. DOCUMENTO Norma de diseño EPM 213 Norma de EPM: NC-MN-OC7-1 Norma de EPM: NC-MN-OC1-1 NOMBRE Norma de Diseño de Sistemas de cueducto de EPM Norma de construcción de concretos Localización, trazado y replanteo GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 3 de 18

4 DOCUMENTO Norma de EPM: NC-MN-OC2-1 Norma de EPM: NC-MN-OC3-1 Norma de EPM: NC-MN-OC1-4 Norma de EPM: NC-MN-OC4-1 Norma de EPM: NC-MN-OC7-1 Norma de EPM: NC-MN-OC7-7 NSR-1 CI 27.2R-95 Resolución 33 de 217 Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio Demoliciones Excavaciones NOMBRE Cargue, retiro y disposición de material sobrante de excavaciones Llenos compactados Concretos cero de refuerzo Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente Effect of restraint, volume change and reinforcement on cracking of mass concrete. Reported by CI Commitee 27. Por la cual se adopta el Reglamento Técnico para el Sector de gua Potable y Saneamiento Básico RS y se derogan las resoluciones 196 de 2, 424 de 21, 668 de 23, 1459 de 25, 1447 de 25 y 232 de REQUISITOS TÉCNICOS 4.1. DESCRIPCIÓN GENERL DE LOS BLOQUES DE NCLJES Cuando una tubería está sometida a presión hidrostática e hidrodinámica, se producen fuerzas de empuje que actúan sobre las paredes de la tubería o los accesorios que conforman la red, tales como codos, derivaciones, tapones, válvulas, entre otros. Dichas fuerzas de empuje deben ser estabilizadas bien sea mediante el uso de bloques de anclaje o rigidizando tramos de tubería que permitan transmitir mediante la fricción con el suelo circundante los empujes producidos. En esta guía de diseño, se presentan los criterios para determinar los volúmenes de concreto requeridos para estabilizar las fuerzas de empuje causadas por la presión interna, sin embargo, previo a optar por la opción de usar bloques de anclaje, el ingeniero diseñador debe considerar la posibilidad de no usarlos, mediante el cálculo de una longitud rigidizada de tubería que transmita los esfuerzos al suelo por fricción entre éste y la tubería. Lo anterior teniendo en cuenta que los espacios disponibles en la ciudad son cada vez más reducidos, y la utilización de grandes bloques de anclaje requieren espacios que en la mayoría de los casos no están disponibles. En caso de que sea necesario utilizar bloques de anclaje, éstos deben diseñarse para soportar los empujes causados por la presión interna del agua y para redistribuir los esfuerzos al terreno, con el fin GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 4 de 18

5 de evitar que la tubería colapse o se desprendan los accesorios; estos anclajes deben estar ubicados en los siguientes casos: Cambios de dirección horizontales. Cambios de dirección verticales hacia arriba (Cuando la dirección de la fuerza resultante es vertical hacia arriba). Cambios de dirección verticales hacia abajo (Cuando la dirección de la fuerza resultante es vertical hacia abajo). Cambios de dirección combinados, que ocurren cuando en el mismo punto se presenta un cambio de dirección horizontal y vertical. En las reducciones o ampliaciones de diámetros de la tubería. En derivaciones en Yee y Tee y al final de un tramo cerrado de la tubería (Tapones). En sitios donde existan válvulas de cierre de flujo PRÁMETROS DE DISEÑO Para el cálculo de los empujes y el diseño de los bloques de anclaje, se requieren conocer los siguientes parámetros: Área de la sección transversal de la tubería. Diámetro interno de la tubería. Presión de diseño. Velocidad del flujo. Tipo de suelo nativo donde va a quedar el bloque de anclaje y sus parámetros (ángulo de fricción, cohesión, capacidad admisible) DEFINICIÓN DE VRIBLES Y UNIDDES continuación, se describen las variables que se usan para el cálculo de los bloques de anclaje y las unidades en las que se deben trabajar: D = Diámetro del tubo (m). = Área de la sección transversal del tubo (m 2 ). H = Presión de diseño (m.c.a.). Δ = Ángulo de deflexión de la tubería ( ). µ = Coeficiente de fricción entre el suelo y el concreto (adimensional) (Ver tabla 1). g = celeración de la gravedad (m/s 2 ). V = Velocidad del agua (m/s). E = Empuje hidrostático (t). Er = Empuje resultante (t). GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 5 de 18

6 L = Longitud del bloque de anclaje (m). h c = ltura del bloque de anclaje (m). h s = ltura del suelo hasta la parte superior del bloque de anclaje (m). b = ncho del bloque de anclaje (m). Ƴ c = Densidad del concreto (t/m 3 ). Ƴ s = Densidad del suelo (t/m 3 ). K = Coeficiente de empuje de suelos (adimensional). K p = Coeficiente de empuje pasivo de suelos (adimensional). K a= Coeficiente de empuje activo de suelos (adimensional). Q adm = Capacidad admisible del suelo (ton/m 2 ). ɸ = Ángulo de fricción del suelo DISEÑO DE BLOQUES DE NCLJE Cálculo del empuje sobre los accesorios (E) Los empujes mencionados anteriormente, ocasionados por las cargas hidrostáticas e hidrodinámicas, deben equilibrase para evitar que los accesorios se desprendan de la tubería, o que la tubería colapse, a dicho empuje se le denominará (E). El empuje (E) tiene dos componentes, una hidrostática y otra hidrodinámica, ésta última suele ser muy pequeña para valores de velocidad de flujo menores a 5 m/s, por lo que puede ser despreciada. continuación, se presentan las ecuaciones con el cálculo de los empujes para diferentes accesorios en la tubería: En codos o cambios de dirección (horizontal y vertical): Para velocidades de diseño menores a 5 m/s, el termino efectos de cálculo. es bajo, por tanto, se desprecia para GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 6 de 18

7 Esquema 1. Empuje en codos En tapones: Esquema 2. Empuje en tapones En Yee : GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 7 de 18

8 Esquema 3. Empuje en Yee En Tee : Esquema 4. Empuje en Tee GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 8 de 18

9 En reducciones/ampliaciones: Esquema 5. Empuje en reducciones/ampliaciones En válvulas de cierre de flujo: Esquema 6. Empuje en válvulas de cierre de flujo GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 9 de 18

10 En derivaciones: Esquema 7. Empuje en derivaciones Cálculo del empuje resistente (Er) El empuje resistente (Er) es la fuerza opuesta que ejerce el suelo en respuesta al empuje (E) generado por la presión interna. Dicho empuje (Er) depende de la geometría del bloque de anclaje, la profundidad a la cual éste se encuentre, y los parámetros geotécnicos del suelo (ángulo de fricción interna del suelo y cohesión). En caso de existir estudio de suelos, deben tomarse los valores de ángulo de fricción, cohesión y capacidad admisible del suelo, con el fin de calcular el empuje resistente (Er); sin embargo, si no se cuenta con dicha información, se deben asumir los siguientes valores dependiendo del tipo de suelo nativo donde vaya a quedar fundado el bloque de anclaje. GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 1 de 18

11 Tabla 1. Parámetros de diferentes tipos de suelos, para el cálculo de bloques de anclaje. Tipo de suelo Ángulo de fricción ɸ(º) Factor de fricción (µ) Coeficiente de empuje de suelos (k) Densidad del suelo ɣ s (t/m 3 ) Capacidad admisible del suelo Q adm (t/m 2 ) Roca 35,7 1,4 2,7 15 Grava limpia, mezcla de arena y grava y arena gruesa 29 a 31,55 a,6 1,16 1,7 4 rena fina y arena media, limo medio a grueso, grava limosa o arcillosa rena fina limpia, arena limosa o arcillosa fina a media Limo arenoso fino, limo de baja plasticidad rcilla residual dura o pre-consolidada rcilla dura, semi-dura y arcilla limosa 24 a a a a a 19,45 a,55,35 a,45,3 a,35,4 a,5,3 a,35 1, 1,45 3,79 1,6 1,9 3,65 1,4 2,89 1,7 1,65 11,5 14,5 1 * Nota: Los valores presentados en esta tabla, son de referencia para diferentes tipos de suelos, dichos valores deben ser analizados por el ingeniero diseñador y teniendo en cuenta las características del suelo nativo deben validarlos para su utilización en el cálculo de los bloques de anclaje. De la tabla anterior, tener en cuenta que: k a y k p se calculan de la siguiente manera: GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 11 de 18

12 Teniendo en cuenta la información anterior, a continuación, se presentan las ecuaciones para el cálculo de los empujes resistentes para los casos de los cambios de dirección horizontal, vertical (hacia arriba y hacia abajo), entre otros: Empuje resistente (Er) del suelo en el caso de un cambio de dirección horizontal: Esquema 8. Empuje resistente (Er) del suelo en cambio de dirección horizontal Empuje resistente (Er) cuando hay cambios de dirección verticales hacia arriba: En este caso se considera el peso del bloque como la fuerza estabilizadora al empuje causado por la presión interna. GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 12 de 18

13 Esquema 9. Empuje resistente (Er) del suelo en cambio de dirección vertical hacia arriba Empuje resistente (Er) cuando hay cambios de dirección verticales hacia abajo: En este caso, el empuje resistente lo proporciona la capacidad admisible del suelo donde se apoya el bloque de anclaje. Esquema 1. Empuje resistente (Er) del suelo en cambio de dirección vertical hacia abajo GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 13 de 18

14 Combinaciones Cuando se presenten combinaciones por cambio de dirección horizontal y vertical en un mismo punto, debe realizarse el cálculo de ambas deflexiones (ecuaciones 11, 12 y 13) por separado y posteriormente se deben tomar el dato de b, l y h c mayor de cada cálculo Ecuación de equilibrio Para equilibrar los empujes (E) y empujes resistentes (Er), y usando un factor de seguridad F.S. de 1,1, se debe cumplir la siguiente relación: Por tanto, es necesario asumir valores de b, l y h c de forma iterativa hasta cumplir con la ecuación de equilibrio (14). Se recomienda usar un valor de b del orden de.4 m y asumir valores de l y h c hasta que se cumpla la ecuación de equilibrio. 5. CONCRETO El concreto simple de los bloques de anclajes debe tener una resistencia de diseño de 21 MPa (21 kg/cm 2 ), y debe llevar como mínimo un 2% de canto rodado, según la Norma de Diseño de Sistema de cueducto de EPM. En la NC-MN-OC7-1 Concretos, se establecen los requisitos que debe cumplir el concreto en la construcción de los bloques de anclajes. 6. CERO DE REFUERZO El acero de refuerzo requerido para los bloques de anclaje debe ser el mínimo requerido para controlar la fisuración y agrietamiento causados por cambios volumétricos debidos a la retracción y temperatura en el concreto, para lo cual debe disponerse de una cuantía de refuerzo establecida por el diseñador. Las barras de refuerzo deben estar distribuidas en todas las caras del bloque de anclaje. Se pueden seguir las recomendaciones establecidas en el código CI 27.2R-95 Effect of restraint, volumen change, and reinforcement on cracking of mass concrete, con el fin de determinar la cuantía de acero requerida para los bloques de anclaje. Los recubrimientos libres del acero de refuerzo, los diámetros mínimos de doblaje de las barras, las longitudes de anclaje y de traslapo y todos los detalles de figuración, se deben hacer cumpliendo el título C de la NSR-1. dicionalmente se debe considerar los requerimientos del acero de refuerzo a utilizar, las cuales se encuentran establecidas en la norma de EPM: NC-MN-OC7-7 cero de refuerzo. GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 14 de 18

15 7. SPECTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS BLOQUES DE NCLJE Cuando la tubería tiene diámetros menores a 2 mm (8 ) no es necesario utilizar formaletas especiales para el vaciado del bloque, basta con colocar la mezcla de manera adecuada, colocando la base más ancha contra la pared de la zanja y que el bloque formado no cubra las campanas o las uniones de los accesorios, para permitir las labores de operación y mantenimiento (Ver esquemas 11). Para la construcción de los mismos se deben tener en cuenta las siguientes indicaciones: El bloque de anclaje de los accesorios debe sobresalir un mínimo de,1 m sobre la clave del accesorio. Las juntas de los accesorios con la tubería no deben quedar en los anclajes y se debe dejar una distancia como mínimo de,2 m para permitir las labores de operación y mantenimiento. Los anclajes deben fundirse sobre terreno firme y no removido. ntes del vaciado de los macizos de concreto para los anclajes se debe envolver todos los elementos ensamblados en plástico de polietileno calibre 7, entre la tubería o accesorio y el concreto, para evitar su adherencia. Si el nivel freático NF, se encuentra en una cota superior al bloque de anclaje, se deben construir filtros para drenaje, con el fin de evitar el efecto de supresión por presencia de agua subterránea. GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 15 de 18

16 Esquema 11. Ejemplos de bloques de anclajes en redes secundarias GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 16 de 18

17 Esquema 11. Ejemplos de bloques de anclajes en redes secundarias 8. LLENOS Se debe tener cuidado de reemplazar y compactar adecuadamente el relleno adyacente a la estructura de concreto. La construcción de la estructura de concreto, por lo general, requerirá de una sobre excavación para la estructura de apuntalamiento y encofrado. El material extraído debe ser restaurado para alcanzar un nivel de densidad compatible con los alrededores, con el fin de prevenir un exceso de deformación o la rotación de la junta adyacente a la estructura. También puede utilizarse un relleno estabilizado (con cemento) para estas aplicaciones. GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 17 de 18

18 9. LISTDO DE CTIVIDDES GENERLES DE CONSTRUCCIÓN continuación, se describen las actividades mínimas necesarias para la construcción de los bloques de anclaje: Localización trazado y replanteo (NC-MN-OC1-3). Corte y retiro de pavimento, en caso de ser necesario (NC-MN-OC5-1). Excavaciones (NC-MN-OC3-1). Cargue, retiro y disposición del material sobrante de excavaciones (NC-MN-OC1-4). lmacenamiento temporal de material. Nivelación de terreno. rmado de encofrado. rmado del acero de refuerzo (NC-MN-OC7-7). Vaciado de concreto (NC-MN-OC7-1). Desencofrado. Llenos y compactación de material (NC-MN-OC4-1). Colocación de capa de carpeta asfáltica (NC-MN-OC5-4). 1. LISTDO DE MTERILES DE CONSTRUCCIÓN cero de refuerzo, Fy=42 MPa (NC-MN-OC7-7). Materiales para encofrados. Concreto f c min= 21 MPa (NC-MN-OC7-1). sfalto GUS INFRESTRUCTUR LINEL NC-S-IL1-19 GUÍ PR EL CÁLCULO DE BLOQUES DE NCLJE PR REDES SECUNDRIS DE CENTROS DE EXCELENCI TÉCNIC ELBORÓ: 18 de 18