TUBOSISTEMAS. Manual de Diseño NOVAFORT - NOVALOC. de Tubosistemas AMANCO para alcantarillado sanitario y pluvial

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2 Manual de Diseño de Tubosistemas AMANCO para alcantarillado sanitario y pluvial NOVAFORT - NOVALOC

3 Indice 1. Presentación Generalidades Usos Características Ventajas Especificaciones Normas Dimensiones Sistema de Unión NOVAFORT Uniónes entre tramos de Tubería Unión Tubería Accesorios Unión con estructuras hidráulicas Sistema de Unión NOVALOC Unión entre tramos de Tubería Unión con estructuras hidráulicas Hidráulica Criterios de diseño Coeficiente de rugosidad Velocidades recomendadas Determinación del caudal Ventajas de NOVAFORT en alcantarillado sanitario Comportamiento estructural Teoría de la flexibilidad Deflexiones Transporte, manejo y almacenamiento en la obra Transporte Carga y descarga Manejo de los tubos Almacenamiento en la obra Inspección de materiales Instalación Zanja Cama de apoyo o base Colocación de tubería NOVAFORT Colocación de tubería NOVALOC Relleno y compactación Anexo

4 1. PRESENTACION Parte importante del negocio del Grupo AMANCO a nivel latinoamericano, es la fabricación y comercialización de sistemas de tubería para la conducción de fluidos. Uno de sus objetivos es proporcionar al mercado completos para agua potable, alcantarillado sanitario y pluvial, agua caliente, riego y drenaje agrícola, energía y telecomunicaciones. Basados en nuestra experiencia de más de 25 años, en el conocimiento de las necesidades de un mercado cada vez más exigente, la más moderna tecnología y un compromiso formal en el aseguramiento de la calidad de nuestros productos y servicios, presentamos las tuberías NOVAFORT y NOVALOC para alcantarillado sanitario y pluvial. NOVAFORT ha sido desarrollada bajo el concepto de tubería flexible de doble pared estructurada, fabricada mediante un proceso de extrusión, que permite obtener una pared interna lisa que garantiza alto desempeño hidráulico, una pared externa corrugada que asegura un alto valor de rigidez y por tanto un óptimo comportamiento estructural, y un sistema de unión por medio de sellos elastoméricos que garantizan su hermeticidad. Se fabrica en diámetros nominales de 100 mm (4") hasta 600 mm (24"). Figura 1.1 Tubería NOVAFORT NOVALOC ha sido desarrollada bajo el concepto de tubería de pared estructurada, construida a partir de un perfil plástico fabricado por extrusión y que luego es acoplado helicoidalmente mediante un sistema de enganche mecánico para darle su forma circular y garantizar la unión de perfiles y la hermeticidad del tubo formado. Se fabrica en diámetros nominales desde 525 mm (21") hasta 1500 mm (60"). Figura 1.2 Tubería NOVALOC 1

5 2. GENERALIDADES 2.1 Usos Las tuberías NOVAFORT y NOVALOC forman parte de nuestros DE ALCANTARILLADO SANITARIO Y PLUVIAL. Su amplia variedad de diámetros permite utilizarlas en colectores principales, líneas secundarias y domiciliarias, tanto en la red de drenaje sanitario como en la pluvial. Pueden ser empleadas también en conducciones para sistemas de riego y en general en sistemas de tuberías enterradas que transportan fluidos a superficie libre (como canal abierto). 2.2 Características Las principales características de las tuberías NOVAFORT y NOVALOC, que les permiten ser utilizadas con gran confiabilidad, facilidad, rapidez y economía, son las siguientes: Excelente comportamiento mecánico gracias al diseño óptimo de la doble pared, que permite alcanzar un alto grado de rigidez. Su superficie interna lisa le permite una mayor capacidad hidráulica que tuberías de otros materiales, evita la aparición de incrustaciones y tuberculización. Su coeficiente de rugosidad n en la fórmula de Manning es Hermeticidad; el diseño del sistema de unión entre tramos de tubería, o tubería y accesorios, evita la infiltración y exfiltración, haciéndolo un sistema estanco. Alta resistencia al impacto, que permite que el tubo no se dañe durante el transporte, almacenamiento o instalación. Resistencia al ataque de sustancias químicas. En la Tabla A.1 del Anexo, se muestra una amplia variedad de sustancias y el comportamiento de NOVAFORT Y NOVALOC al ataque químico de las mismas. Resistencia a la corrosión química y electroquímica, por estar fabricada con material inerte y no conductor. Resistencia a la abrasión; las características del material y la superficie lisa de sus paredes internas evitan el desgaste generados por los sólidos contenidos en los fluidos transportados. Flexibilidad; por su junta con empaque de hule el sistema puede absorber asentamientos diferenciales, deflexiones horizontales y verticales menores, movimientos telúricos y contracciones o dilataciones por cambios de temperatura. Menor peso, lo que facilita su manejo, transporte y almacenamiento en comparación con otros tipos de tuberías. 2

6 2.3 Ventajas Por sus características, las tuberías NOVAFORT y NOVALOC permiten: 1.Rapidez de instalación, por la longitud de los tubos y su diseño de junta rápida. 2. Manejar e instalar el sistema sin utilizar equipo mecánico. Para diámetros muy grandes se requiere menos utilización de maquinaria en comparación con sistemas tradicionales de tubería. 3. Disminuir volúmenes de excavación, relleno y compactación. 4. Contar con sistemas de larga vida útil y bajos costos de mantenimiento. 5. No contaminar acuíferos y evitar la intrusión de raíces o de sustancias ajenas al sistema. 6. Optimizar los costos de transporte y almacenamiento. 3

7 4 3. ESPECIFICACIONES 3.1 Normas Para las tuberías NOVAFORT y NOVALOC aplican las siguientes especificaciones: La materia prima con que se produce la tubería cumple con las especificaciones de la norma ASTM D Las uniones realizadas entre tramos de tubería, así como entre tubos y conexiones, garantizan la estanqueidad del sistema. El empaque de hule utilizado para el sello entre tuberías y entre tubos y conexiones cumple con los requerimientos de la norma ASTM F 477. La especificación constructiva de la zanja para la colocación de la tubería cumple la norma ASTM D Los requerimientos de dimensiones, rigidez y resistencia a impacto para el NOVAFORT es dictado por la norma ASTM F 949 y para el NOVALOC aplica la norma ASTM F 2307; así como lo establecido por la norma INTE para ambas tuberías. 3.2 Dimensiones Tubería NOVAFORT La tubería NOVAFORT se fabrica en longitudes de seis metros y cumple con las dimensiones establecidas en la norma ASTM F 949, las cuales se presentan en la Tabla 3.1. Tabla 3.1 Dimensiones básicas de la tubería NOVAFORT Diámetro nominal (Dn) Diámetro interior Mínimo (Di) mm Pulgadas mm Pulgadas mm Pulgadas Accesorios inyectados de tubería NOVAFORT NOVAFORT cuenta con una familia completa de accesorios de unión mecánica, que permiten una fácil, rápida y hermética instalación. Los accesorios fabricados por inyección cumplen con la norma ASTM F 949 y se muestran a continuación: Accesorio Codo Codo YE Figura 150X X X X150 Diámetro exterior Promedio (De) Diámetros mm pulgadas X4 6X6 8X4 8X6

8 3.2.3 Accesorios manuales (fabricados) Tal como lo indica la norma anteriormente mencionada, pueden fabricarse accesorios manuales estándar de cualquier tipo o a gusto del cliente, a partir de tubería SDR 35 que cumpla con las especificaciones ASTM D 3034 O ASTM F 679. Las campanas y dimensiones de los diferentes accesorios cumplen con lo establecido en ASTM F Tubería NOVALOC La tubería NOVALOC se fabrica de acuerdo con las dimensiones de diámetro interno mínimo establecidas en la norma ASTM F 2307, las cuales se presentan en la Tabla 3.3. Tabla 3.3 Dimensiones básicas de la tubería NOVALOC Diámetro nominal Diámetro interno 4. SISTEMA DE UNION NOVAFORT pulg mm mm ,0 749,9 826,3 901,7 978,4 1054,3 1130,5 1206,5 1355,9 1524,0 4.1 Uniónes entre tramos de tubería Cada tramo de tubería NOVAFORT se fabrica con un extremo espiga (que incluye un empaque de hule) y un extremo campana, lo que permite una fácil y rápida unión entre tubos, no requiere del uso de cemento solvente. Figura 4.1 Unión de tubería NOVAFORT Nota: Al conectar la tubería,la marca blanca impresa en el empaque de hule debe ir de frente a la campana. Debe recordarse que NOVAFORT es fabricado según ASTM D 949, por lo que no es compatible con otras tuberías de PVC, producidas con otras normativas. En caso necesario. es posible contar con uniones de transición para utilizar NOVAFORT con otros productos. 5

9 4.2 Unión tubería - accesorios Los accesorios son fabricados con extremos campana, por lo que el procedimiento de unión es similar al utilizado para unir tramos de tubería. Como los tubos y accesorios NOVAFORT son fabricados según ASTM F 949 no son compatibles con accesorios de PVC fabricados bajo otras especificaciones. Figura 4.2 Unión de accesorios y tubería NOVAFORT 4.3 Unión con estructuras hidráulicas Dada la naturaleza de los sistemas de alcantarillado pluvial y sanitario, es necesaria la utilización de elementos de control o limpieza, tales como pozos de visita, cámaras de inspección, tragantes y otros, construidos generalmente en concreto o mampostería, o con nuestras cámaras y pozos de polietileno. La unión con esos elementos debe realizarse colocando un empaque dentro de hule en la espiga del tubo, asegurándose de que éste quede dentro del muro o pared de la estructura. Posteriormente debe sellarse con mortero, quedando así una unión hermética. Figura 4.3 Unión de tubería NOVAFORT con pozo de inspección AMANCO 6

10 5. SISTEMA DE UNION NOVALOC 5.1 Unión entre tramos de tuberías La tubería NOVALOC se une mediante acoples fabricados en cloruro de polivinilo, diseñados para garantizar la hermeticidad y un buen comportamiento estructural ante diferentes situaciones, como por ejemplo: asentamientos diferenciales, movimientos sísmicos, contracción o dilatación por cambios de temperatura y pequeñas desviaciones. Figura 5.1 Unión entre tuberías NOVALOC 5.2 Unión con estructuras hidráulicas Igual que con la tubería NOVAFORT,la unión de los tubos NOVALOC con estructuras hidráulicas están caracterizadas por una comprobada hermeticidad. Figura 5.2 Unión de tubería NOVALOC con pozo de inspección 7

11 6. HIDRÁULICA 6.1 Criterios de diseño El análisis y la investigación de las características del flujo hidráulico han permitido que los sistemas de alcantarillado construidos con tuberías plásticas, puedan ser diseñados conservadoramente utilizado la ecuación de Manning. La relativa pequeña concentración de sólidos (600 ppm), usualmente presente en las aguas negras y de tormenta, no es suficiente para hacer que el comportamiento hidráulico difiera al de agua limpia, siempre que se mantengan velocidades mínimas de auto limpieza. En general, para simplificar el diseño de sistemas de alcantarillado, es aceptable asumir condiciones constantes de flujo aunque la mayoría de los sistemas de drenaje o alcantarillado funcionan con caudales sumamente variables. Cuando se diseña permitiendo que la altura del flujo en el conducto varíe, se considera como flujo a superficie libre. La ecuación de Manning para flujos a superficie libre es la siguiente: donde: Q = caudal, m 3 / s Ar 2/3 S 1/2 n A = área hidráulica de la tubería, m 2 r = radio hidráulico, m; r = Di/4 para conductos circulares trabajando a sección llena y a media sección. n = coeficiente de rugosidad de Manning, n = para tubería NOVAFORT y NOVALOC s = pendiente hidráulica, m/m Di = diámetro interior del tubo, m; (Tabla 3.1 o Tabla 3.3) La pendiente hidráulica, s, se obtiene dividiendo la diferencia de altura entre dos puntos respecto a la distancia horizontal o separación entre ellos. Es decir: donde: Q = s = H 1 = elevación aguas arriba, m H 2 = elevación aguas abajo, m H 1 - H 2 L = longitud horizontal entre puntos, m L 8

12 6.2 Coeficiente de rugosidad El valor de n ha sido determinado experimentalmente para los materiales más comunes usados en sistemas de alcantarillado. Su valor puede ser tan bajo como en pruebas de laboratorio para tuberías plásticas y utilizando agua limpia, o tan alto como en tuberías de acero corrugado bajo condiciones menos favorables. En la Figura 6.1 se presentan los resultados obtenidos por el Ing. Fadi Z. Kamand, miembro de la Asociación Americana de Ingenieros Civiles ASCE, referente a la variación de la n de Manning con respecto a la velocidad del flujo y al diámetro de la tubería de PVC. Para NOVAFORT y NOVALOC se recomienda un valor de n = Figura 6.1 Variación de la n de Manning en tuberías de PVC 6.3 Velocidades recomendadas Se recomienda que la velocidad del flujo en líneas de alcantarillados no sea menor de 0.60 m/s para proporcionar una acción de autolimpieza, es decir, capacidad de arrastre de partículas. En casos especiales podrán emplearse velocidades de 0.40 m/s en tramos iniciales y con bajo caudal. Las velocidad máxima recomendada es de 5.0 m/s. Para velocidades mayores se deben tomar en cuenta ciertas consideraciones especiales para la disipación de energía, evitando la erosión de los pozos de visita o de cualquier estructura de concreto. Sin embargo, las tuberías NOVAFORT y NOVALOC están en capacidad de transportar líquidos con velocidades mayores a los 5 m/s. En el caso de alcantarillado pluvial, bajo estas condiciones deberán instalarse rejillas o construirse estructuras que eviten el ingreso de materiales rocosos de gran tamaño que por impacto pueden dañar la tubería. En la Tabla A.2 del Anexo, se muestran las velocidades y caudales en función de la pendiente hidráulica de la tubería. 9

13 6.4 Determinación del caudal Para la determinación de caudales y velocidades a sección llena, se utiliza la ecuación de Manning, descrita anteriormente, la Tabla A.2 del Anexo, o el ábaco de la Figura 6.2. En el caso de tuberías el tirante "y" fluyendo parcialmente llenas; donde la profundidad del flujo no sea igual a la del flujo a sección llena (Di), o a media sección (Di/2); se utiliza la Figura 6.3 que relaciona los parámetros de caudal (Q) y la velocidad (v) con la altura de flujo (y), partiendo de los datos obtenidos para sección llena. Ejemplo 6.1: Cálculo del caudal y velocidad a sección llena. Calcular el valor de Q y v, a sección llena, para un tubo NOVAFORT de 12" (300 mm) con una pendiente de fondo de 1.5%. Solución: Determinación de Q a) Por cálculo directo, utilizando la fórmula de Manning: Q= En este caso tenemos que Ar 2/3 S 1/2 n πdi 2 π X A = = 2 = m Di r = = = m 4 4 Por lo que x /3 x Q= 1/5 x 1000 = l/s b) Utilizando la Tabla A.2 del Anexo, Q = l/s c) Utilizando el ábaco (Figura 6.2) trazamos una línea vertical en el valor de pendiente s = 1.5% hasta intersecar con la línea correspondiente al tubo de 300 mm (12"). Trazamos una línea horizontal hasta el eje vertical de la gráfica, determinando un valor de Q = 170 l/s aproximadamente. 10

14 Determinación de V a) Por cálculo directo, utilizamos la fórmula de Manning para velocidad a sección llena: r 2/3 S 1/2 n Utilizando los valores calculados para determinar Q, tenemos que: v = v = /3 x / = 2.41m/s Otra manera de calcular directamente la velocidad a sección llena es, utilizando la ecuación de continuidad: Q Q = v x A => v = = = 2.41m/s A b) Utilizando la Tabla A.2 del Anexo, Q = l/s c) Utilizando el ábaco (Figura 6.2) trazamos una línea vertical en el valor de pendiente s = 1.5% hasta intersectar con la línea correspondiente al tubo de 300 mm (12"). Trazamos una línea horizontal hasta el eje vertical de la gráfica, determinando un valor de Q = 170 l/s aproximadamente. Debe revisarse siempre que el valor de v se encuentre dentro del rango permisible de velocidades. En el caso de este ejemplo, 0.6 m/s < v < 5 m/s, OK d) Utilizando la Tabla A.2 del Anexo, v = 2.41 m/s e) Gráficamente, v se determina con la Figura 6.2: v = 2.4 m/s, aproximadamente. 11

15 Ejemplo 6.2: Cálculo del diámetro conociendo s y Q a sección parcialmente llena. a) Calcular el diámetro para una tubería NOVALOC que tiene una pendiente de 1/100 y un caudal de 1400 l/s. b) Revisar las velocidades de diseño Solución: a) Determinación del diámetro Utilizando el ábaco (Figura 6.2), trazamos una línea vertical en el valor de pendiente s = 1% y una línea horizontal en el valor de Q = Ubicamos el punto en que se interceptan ambas líneas, observando que el diámetro requerido es de 750 mm (30"). Como el punto de intersección no coincide exactamente con la línea que corresponde a ese diámetro, significa que el tubo no esta funcionando a sección llena. b) Revisión de la velocidad y la profundidad del flujo Como en este ejemplo la tubería no está a sección llena, podemos determinar la velocidad utilizando la fórmula de Manning en forma directa o la Tabla A. 3 del Anexo en combinación con la Figura 6.3, de la siguiente manera: Por cualquiera de los dos métodos obtenemos que para NOVALOC de 750 mm (30"), con una pendiente del 1%, a sección llena, el caudal Q lleno es l/s y que la velocidad es V lleno = 3.63 m/s. La relación Q/Q lleno es: Q 1400 = = 0.88 l/s Q lleno 1591 Ahora, en la Figura 6.3 ubicamos ese valor de Q/Q lleno en el eje horizontal y trazamos una línea vertical hasta la curva Q/Q lleno luego se traza una línea horizontal que llegue a la curva v/v lleno y se baja una línea vertical hasta el eje horizontal para obtener que: v/v lleno = y y/di = El valor de V lleno lo habíamos determinado antes, por lo que: v = V lleno = x 3.63 = 3.67 m/s Esta velocidad está dentro del rango permitido. Por otro lado, 12 y = Di = x = 0.61 m

16 Figura 6.2 Abaco para el cálculo de caudal y velocidad ,0 v= 5,00 m/s v= 4,00 m/s v= 3,00 m/s v= 2,00 m/s v= 1,00 m/s v= 0,4 m/s 0,001 0,01 0,1 1,0 10,0 100 % 1/ / /1000 1/100 1/10 1/1 m/m Novafort Novaloc Velocidad Ejemplo 6.3: Un cliente dispone de un pequeño remanente de tubería NOVAFORT 300 mm (12") que quiere utilizar como alcantarilla para transportar un caudal de 10 l/s en una zona con una pendiente del terreno de (0.20%). Qué tamaño y pendiente de tubería realmente deben ser usados si la alcantarilla tiene una longitud de 30 m? Solución: Siguiendo un procedimiento similar al del ejemplo anterior, utilizando al ábaco (Figura 6.2) determinamos que el diámetro requerido para la pendiente y caudal dados es de 150 mm (6") y que además el tubo no está funcionando a sección llena. Por otro lado, utilizando la fórmula de Manning en forma directa o la Tabla A.2 del Anexo se obtiene que para NOVAFORT de 300mm (12") a sección llena, el caudal Q lleno = 61.1 l/s y la velocidad V lleno = 0.88 m/s. 13

17 La relación Q/ Q lleno = 10/61.1 = 0.16 Luego utilizando la Tabla A.2 o la Figura 6.3 se tiene que v/ V lleno = resultando: v = x V lleno = x 0.88 = 0.54 m/s Esta velocidad es menor que la mínima deseable de 0.6 m/s. Por lo cual debería utilizarse una tubería más pequeña con una pendiente mayor. Entre las soluciones posibles se tienen las siguientes: Diam. mm,(pulg.) S (m/m) Q lleno (l/s) Q lleno (m/s) Q/Q lleno V/V lleno V (m/s) h (m) 250 (10") (8") (6") Fijando la elevación de la corona de la tubería en el extremo superior y considerando que la longitud de la misma es de 30 m, se calcula la diferencia en elevación h entre la corona aguas arriba y la rasante aguas abajo. De la tabla anterior se observa que el tubo de 150 (6") requiere menos excavación a pesar de tener una pendiente más pronunciada. Figura 6.3 Curva de elementos hidráulicos 14

18 6.5 Ventajas de NOVAFORT en alcantarillado sanitario Para las conexiones sanitarias domiciliarias, NOVAFORT no utiliza las tradicionales silletas sino yees de PVC inyectadas. Facilidad de instalación por su unión de junta rápida. Es posible hacer conexiones domiciliarias tanto a 90º como a 45º. Figura 6.4 Conexión domiciliarias a 45º, de 100 a 200 mm (4" a 8") utilizando una yee reducida Figura 6.5 Conexión domiciliarias a 90º, de 100 a 200 mm (4" a 8") utilizando una yee reducida y un codo de 45º Nota: La marca blanca impresa en el empaque de hule debe ir de frente al accesorio. 15

19 Figura 6.6 Instalación con silleta Coloque la silleta sobre la tubería. Trace el contorno del agujero y el contorno de la silla con un marcador 2- Perfore la tubería con un berbiqui o taladro. 3- Abra el agujero con un serrucho de punta siguiendo el borde exterior de la marca. 4- Remueva la rebaba de la tubería hasta que la superficie quede lisa. 5- Limpie la tubería con una estopa limpia y aplique acondicionador de superficie NOVAFORT sobre las crestas y valles de la tubería, en un ancho de 3 cm a partir del borde del contorno del agujero. 6- Haga lo mismo en la superficie de contacto de la silleta. Deje secar durante 20 minutos.

20 Figura 6.6 Instalación con silleta 7- Aplique adhesivo NOVAFORT en los valles de la tubería 8- Distribuya el adhesivo con una espátula hasta cubrir las crestas. Sobre el adhesivo ya esparcido aplique un cordón de adhesivo de 1 cm de espesor siguiendo el borde del orificio. 9- Coloque la silleta sobre la tubería siguiendo las marcas y haga presión sobre ella. 10- Coloque amarras de alambre galvanizado en los extremos de la silleta y ajústelas firmemente. 11- Coloque el tubo de la derivación y espere una hora antes de iniciar el relleno de la zanja. Espere dos horas para poner en funcionamiento el sistema 17

21 7. COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL La propiedad que poseen las tuberías NOVAFORT y NOVALOC de poder deflectarse transversalmente como respuesta a las cargas externas que le son impuestas, sin sufrir daño, crea una condición excelente desde el punto de vista estructural ya que, al instalarla bajo condiciones controladas y preestablecidas, desarrolla una interacción suelo-tubo muy eficiente. Como en todas las tuberías de PVC, la posible falla por colapso (curva inversa) se presenta al tener una deflexión transversal mayor al 30% de su diámetro exterior. Es criterio generalizando utilizar un factor de seguridad de 4, con el cual NOVAFORT y NOVALOC aceptan una deflexión transversal a largo plazo hasta de un 7.5% sin reducir su capacidad hidráulica ni afectar su estabilidad estructural. Con este parámetro de diseño se asegura un buen funcionamiento del sistema y su vida útil. Debe destacarse la diferencia de comportamiento (y diseño) que caracterizan y diferencian a las tuberías flexibles de las tuberías rígidas. Mientras que las tuberías rígidas (concreto, arcilla, etc.) presentan alta capacidad de carga y mínima capacidad de deformación, las tuberías flexibles tienen una muy alta capacidad de deformación sin sufrir daño alguno (ver figura 7.1), asociada con una capacidad de carga limitada. Por esa razón, mientras que el diseño estructural de sistemas de tuberías rígidas se define según cargas permisibles, el diseño estructural de NOVAFORT y NOVALOC y otras tuberías flexibles se hace de acuerdo a deflexiones permisibles las cuales, lógicamente, pueden asociarse a cargas máximas y alturas de relleno máximas permisibles. Como se indica antes, un valor usualmente aceptado a largo plazo es de 7.5% de deflexión vertical (% respecto del diámetro externo). Figura 7.1 Prueba de carga en tubería flexible 7.1 Teoría de flexibilidad Las tuberías flexibles como NOVAFORT y NOVALOC derivan su capacidad de carga de su flexibilidad, la cual ante la aplicación de cargas verticales le permite deflectarse y generar soporte pasivo del suelo circundante. Esta deflexión libera a la tubería de gran parte de la carga vertical y la transmite al suelo a través del mecanismo de arco estructural. Este mecanismo desarrolla una reacción horizontal que convierte al suelo en elemento de soporte. 18

22 La magnitud de la deflexión transversal que ocurre en un tubo flexible sometido a cargas externas depende de tres factores: - Rigidez del tubo (PS o R) - Modulo de reacción del suelo E, y - Carga sobre el tubo (viva y/o muerta) A principios de siglo, Marston encontró que estos factores se relacionan de la siguiente manera: Carga (muerta + viva) Deflexión Vertical = Rigidez del tubo + Módulo de reacción del suelo A continuación, trataremos de explicar la forma en que cada uno de los términos del lado derecho de esa expresión influyen en el comportamiento estructural de la tubería Rigidez del tubo Se define como rigidez del tubo (PS o R), a la relación que existe entre una fuerza vertical aplicada F y la deflexión horizontal y producida, cuando esta deflexión es de un 5% (ASTM D 2412); es decir, PS= F y La rigidez de la tubería NOVAFORT es de 3.5 kg/cm 2,o bien 46 psi (PS 46). Estos son valores que cumplen con los requerimientos de tubería según ASTM F 794 serie 46, similar al valor de rigidez de una tubería de PVC pared sólida SDR 35 según ASTM D La rigidez de la tubería NOVALOC es de 0.7 kg/cm 2,o bien 10 psi (PS 10). Valores mínimos, según lo establece la norma ASTM F Figura 7.2 Determinación del valor de PS en tuberías flexibles Nota: Para proyectos en que el diseño estructural requiera tubería NOVALOC con rigidez PS <10 psi deberá consultarse con el Departamento Técnico de su empresa AMANCO 19

23 7.1.2 Módulo de reacción del suelo E Se entiende por suelo el material de relleno que rodea al tubo, y que tiene la función estructural de proveerle confinamiento y soporte lateral. Se define el módulo de reacción del suelo, E, como la respuesta pasiva del suelo a la fuerza horizontal que la tubería ejerce a sus lados al deflectarse, producto de la deflexión vertical y.desde el punto de vista estructural, es la variable más importante para el control de las deflexiones verticales de la tubería. El módulo de reacción del suelo E no puede determinarse en campo. Debe ser obtenido mediante el uso de la Tabla 7.1 (Howard), que relaciona tipo de material de relleno, grado de compactación y densidad relativa. Tabla 7.1 Módulo de reacción del suelo E (para deflexión inicial de tubería flexible) Tipo de suelo Para encamado (Sistema Unificado de Clasificación) Suelos de grano fino (LL>50)b Suelos con mediana a alta plasticidad CH,MH,CH-MH Material lanzado sin compactar E para diferentes grados de compactación del relleno kg/cm 2 (psi) Compactación ligera, <85% Proctor, Densidad relativa <40% Compactación moderada, 85-95% Proctor, Densidad relativa de 40 a 70% NO HAY DATOS DISPONIBLES, USAR E = 0 Compactación alta, >95% Proctor, Densidad relativa > 70% Suelos de grano fino (LL>50)b Suelos con mediana a sin plasticidad, CL,ML,CL-ML, con menos del 25% de partículas de grano grueso 3.5 (50) 14.0 (200) 28.0 (400) 70.0 (1000) Suelos de grano fino (LL>50)b Suelos con mediana a sin plasticidad, CL,ML,CL-ML, con más del 25% de partículas de grano grueso 7.0 (100) 28.0 (400) 70.0 (1000) (2000) Suelos de grano grueso con finos, GM, GC,SM,SC con más de 12% finos Suelos de grano grueso con poco o sin finos, GW, GP, SW,SP con menos de 12% finos Piedra Quebrada Exactitud en términos de porcentaje de deflexión 14.0 (200) 70.0 (1000) 70.0 (1000) (3000) (2000) (3000) (3000) (3000) ± 2 ± 2 ± 1 ± Cargas sobre el tubo Las cargas que se aplican a las tuberías enterradas se calculan con base en métodos convencionales de ingeniería, ya sean éstas vivas y/o muertas, de acuerdo con las recomendaciones de ASTM, AASHTO, AWWA y la teoría de Marston respectivamente. Conservadoramente, se utiliza como carga muerta el valor P = wh (prisma de carga). 20

24 7.2 Deflexiones El cálculo de deflexión transversal para las tuberías flexibles se basa en las teorías de Marston y Spangler, y mediante la Ecuación de Iowa Modificada, descrita a continuación, puede determinarse su valor en términos de porcentaje respecto al diámetro exterior (D). Siendo: % y = (D L KP + KW ) 100 Di 0.149PS E Di = Diámetro interno del tubo, m D L = factor de deflexión a largo plazo = 1.0 K = constante de encamado = 0.1 P = prisma de carga (presión del suelo) = wh / 10,000 en kgf/cm 2 w = peso especifico del suelo, kgf/m 3 H = altura de relleno sobre la corona del tubo, m W = carga viva, kgf/cm 2 E = módulo de reacción del suelo, kgf/cm 2 PS = rigidez de la tubería, kgf/cm 2 Las tablas 7.2 y 7.3 muestran los valores para la deflexión transversal a largo plazo de la tubería NOVAFORT y NOVALOC para todos sus diámetros, en función del módulo de reacción del suelo E y la altura del relleno, bajo condiciones de carga viva o sin ella. La carga viva asumida es la de camión tipo H-20, la cual genera una carga concentrada de 7260 kg (16,000 libras). El peso especifico del material de relleno considerado es 2000 kgf/cm 3 (120 lb/pie 3 ). 21

25 Tabla 7.2 Deflexiones calculadas para tubería NOVAFORT (%) NR=no recomendable Tabla 7.3 Deflexiones calculadas para tubería NOVALOC (%) NR=no recomendable Los valores de las tablas 7.2 y 7.3 se muestran en la Figura 7.3 en la que se puede observar el comportamiento de las tuberías NOVAFORT y NOVALOC a diferentes condiciones de instalación. La carga viva deja de tener influencia a profundidades mayores a 3.00 m sobre la corona del tubo. 22

26 Figura 7.3 Deflexión de tubería NOVAFORT y NOVALOC 23

27 8. TRANSPORTE, MANEJO Y ALMACENAMIENTO EN OBRA 8.1 Transporte Las tuberías NOVAFORT y NOVALOC se fabrican en un tamaño estándar de 6.00 metros. La tubería NOVAFORT se fabrica con un extremo espiga y un extremo campana. El extremo espiga se provee con un empaque instalado en fábrica, el cual debe estar protegido con una cinta adhesiva durante el manejo y transporte. La cinta adhesiva no deberá removerse sino hasta la instalación de la tubería. Si el empaque se entrega por separado para protegerlo durante el transporte, deberá instalarse en el tubo tal como se indica en la Sección 9.3. La tubería NOVALOC se fabrica espiga-espiga para ser unida con acoples externos sin necesidad de uso de cemento solvente. El transporte debe realizarse tomando en cuenta las siguientes recomendaciones para evitar daños a las tuberías: 1. Si los tubos se transportan en camiones o plataformas, deben ser colocados sobre superficies planas, libres de clavos o tornillos salientes para evitar daños. Es recomendable que la primera cama de tubos se apoye sobre piezas de madera espaciadas a no más de 1,50 m. En la Figura 8.1 se muestra la manera correcta de transportar la tubería, así como condiciones que deben evitarse. Figura 8.1 Transporte de tubería 2. La altura de la estiba durante el transporte no debe exceder 2.50 m. Sin embargo, con el objeto de aprovechar al máximo la capacidad del transporte, se pueden introducir los tubos unos dentro de otros (telescopiar),cuando sus diámetros lo permitan. En el caso de NOVAFORT se deben dejar libres las campanas, alternando campana y espiga, para evitar deformaciones innecesarias que impidan el normal ensamble del sistema durante su instalación. 3. Si además de tubería se transportan otros materiales o equipo pesado, nunca deberá ponerse sobre los tubos. 24

28 4. Cuando la tubería y accesorios se transporten largas distancias, en condiciones de alta temperatura ambiente, deben protegerse dejando un espacio que permita la circulación de aire entre la cubierta y los materiales, para evitar deformaciones ocasionadas por el peso de la tubería misma y la temperatura. 5. En el caso de NOVALOC,los acoples deben transportarse colocándolos en posición vertical. En la Tabla 8.1 aparece la cantidad recomendada de tubos de 6.00 m de longitud que es posible transportar en un camión con plataforma de 12.0 m (40 pies) de largo. Tabla 8.1 Cantidad estimada de tubos que se pueden transportar por camión 8.2 Carga y descarga * Longitud de 4.00 metros Durante la carga y descarga de los tubos y accesorios, éstos no deben ser lanzados al suelo, ni ser sometidos a peso excesivo o golpes. Cuando por condiciones especiales la carga o descarga se efectúa con medios mecánicos, se deben utilizar elementos que no dañen los tubos, tales como fajas de lona, cintas de nylon o similares. Evitar el uso de cadenas o cables de acero. 25

29 8.3 Manejo de los tubos Para evitar daños, los tubos y accesorios no deben ser arrastrados, golpeados contra el suelo o con herramientas. En la Figura 8.2 se muestra la manera de realizar la manipulación. Figura 8.2 Manejo de los tubos NOVAFORT Y NOVALOC 8.4 Almacenamiento en la obra El lugar de almacenamiento debe situarse lo más cerca posible de la obra. La superficie de apoyo de los tubos debe estar nivelada y plana, libre de piedras, apoyando la primera cama de tubos sobre piezas de madera de 38 x 75 mm (1 1/2 " x 3") espaciadas a 1.5 m ( 5 pies) como máximo. Las estibas de tubos no deben tener una altura mayor de 2.0 m (6.5 pies), y se deben dejar libres las campanas, alternando campana y espiga, en el caso del NOVAFORT para evitar deformaciones en las mismas. Cuando se dispone de poco espacio, la forma más adecuada para almacenar tubería es la conocida como camas paralelas, como se muestra en la Figura 8.3. Figura 8.3 Camas paralelas 26 Correcto Incorrecto

30 Otras posibilidades para almacenar los tubos, se obtienen mediante el empleo de camas perpendiculares (Figura 8.4) para cuando se dispone de suficiente espacio; o la estiba piramidal (Figura 8.5), muy práctica cuando la cantidad de tubos es poca. Si el almacenamiento de la tubería se hace a la intemperie, no debe exponérsela al sol por más de treinta días. Para plazos mayores de almacenamiento debe proveerse protección y ventilación adecuada. Los materiales no deben cubrirse directamente con lonas o polietileno, pues esto provoca un aumento de temperatura que puede causar deformaciones; por eso, de la misma forma que durante el transporte, se requiere que exista una buena ventilación entre el techado y los tubos, tal como se muestra en la Figura 8.6 Figura 8.6 Almacenamiento en obra Figura 8.4 Camas perpendiculares Figura 8.5 Estiba piramidal Para el almacenamiento de las conexiones deben seguirse las mismas recomendaciones dadas para el almacenamiento de la tubería, con la diferencia de que no deben, bajo ninguna circunstancia, almacenarse a la intemperie. 27

31 8.5 Inspección de materiales En el caso de NOVAFORT, tanto los tubos como las conexiones inyectadas se entregan rotuladas, para facilitar su identificación y verificar el diámetro nominal, el nombre del fabricante y norma de fabricación. Se deben inspeccionar los lotes de tubos y accesorios y verificar que todos los tubos tengan colocado y protegido el empaque en su extremo espiga. En caso de que se entreguen los empaques por separado, verificar que se reciba la cantidad correspondiente. Para NOVALOC, se debe inspeccionar los lotes de tubos y accesorios y verificar además que todos los tubos tengan colocado el anillo o empaque en cada uno de sus extremos, el cual por ningún motivo debe removerse. La inspección debe practicarse preferiblemente después de la descarga de los materiales y antes de su instalación. 9. INSTALACIÓN 9.1 Zanja Excavación y dimensiones La zanja debe ser lo suficientemente amplia para permitir un acomodo correcto de la tubería y del material de relleno para garantizar un adecuado soporte lateral. Debe tomarse en cuenta que una zanja angosta hace difícil el ensamble y la correcta instalación de la tubería; además, la poca amplitud limita la adecuada compactación del material alrededor de la tubería. En la Tabla 9.1 se presentan los anchos mínimos de zanja recomendados para suelos estables. Tabla 9.1 Anchos mínimos de zanja para instalación de NOVAFORT Y NOVALOC en suelos estables 28

32 El material producto de la excavación deberá colocarse a un costado de la zanja, a una distancia no menor que 60 cm del borde y la altura del montículo no mayor de 1.25 m, para evitar que la carga produzca derrumbes en la zanja. Como regla general, no deben excavarse las zanjas con mucha anticipación a la colocación de la tubería. Si el trabajo de excavación se realiza en época lluviosa, se debe tapar el material excavado de la zanja, y que posea características idóneas para ser utilizado como relleno, con un plástico para evitar una saturación de humedad. La profundidad mínima de la zanja podrá variar según las circunstancias. Se recomienda un recubrimiento de 0.80 m sobre la corona del tubo en lugares con tráfico vehicular, y 0.50 m en el caso de que no exista tráfico. Es posible instalar NOVAFORT y NOVALOC a profundidades menores, siempre y cuando se tomen las previsiones necesarias. Consulte en esos casos al Departamento Técnico de su Empresa AMANCO. La profundidad máxima depende de las cargas aplicadas y del módulo de reacción del suelo E ( ver Tabla 7.1). Las profundidades máximas de instalación recomendadas para NOVAFORT y NOVALOC se muestran en la Tabla 9.2. Tabla 9.2 Profundidades máximas de instalación de NOVAFORT Y NOVALOC NR = no recomendable * = la profundidad máxima recomendada para fines prácticos es 9.00 m, aunque pueden ser utilizados valores mayores. Consulte al Departamento Técnico de su empresa AMANCO. 29

33 9.1.2 Forma de la zanja Dependiendo de la estabilidad del suelo y de la profundidad a la que debe colocarse la tubería, las zanjas podrán hacerse de la manera mostrada en la Figura 9.1. Figura 9.1 Secciones típicas de zanjas A partir de 2.00 m de profundidad, independientemente de la estabilidad del suelo y la forma de la zanja, se recomienda utilizar ademes de tipo abierto o cerrado, según sea el caso (Fig.9.1). 9.2 Cama de apoyo o base El tubo debe descansar sobre un lecho de material selecto libre de rocas, para proporcionarle un adecuado y uniforme soporte longitudinal. Si el material producto de la excavación es compactable, podrá utilizarse colocándolo en una capa con un espesor mínimo de 10 cm. Esta sección de la instalación se denomina encamado, cama de apoyo o base. En caso de que el fondo de la zanja sea de roca u otro material punzo cortante, es necesario formar una cama de arena o material selecto de 15 cm de espesor, para evitar la concentración de esfuerzos en las paredes de la tubería. Si hay presencia de agua en el fondo de la zanja, se debe colocar a manera de filtro una capa de piedra o grava con un espesor de 15 cm (6 pulg). El tamaño del agregado no debe ser mayor de 12 mm (pulg). Sobre esta capa se coloca posteriormente la cama de apoyo. En caso que el nivel freático represente peligro para la estabilidad de los materiales de relleno o de las paredes de la zanja, podrá colocarse un filtro textil como protección para la instalación. Consulte al Departamento Técnico de AMANCO para la recomendación técnica respectiva. 9.3 Colocación de tubería NOVAFORT Como en todo proceso constructivo de sistemas de alcantarillado, la instalación de la tubería deberá iniciarse a partir del extremo aguas abajo de cada tramo. En el caso de NOVAFORT, las campanas se colocan en sentido contrario a la dirección del flujo. La unión de los tubos NOVAFORT se efectúa de la siguiente manera: 1. Limpie cuidadosamente el extremo espiga del tubo hasta los 3 primeros valles y el interior de la campana. No remueva el empaque, si éste ya viene incorporado en la espiga del tubo. 2. Aplique generosamente lubricante en el interior de la campana y sobre el empaque. Puede hacerlo con una brocha, esponja, mecha o trapo. 30

34 3. Alinee cuidadosamente la unión y luego introduzca la espiga dentro de la campana. Para realizar esta operación es necesario utilizar una barra y una pieza de madera a manera de palanca, asegurándose de que la pieza de madera proteja el extremo del tubo. 4. La tubería NOVAFORT se suministra en longitudes de 6.0 m, sin embargo es frecuente cortarla para alcanzar las longitudes exactas de cada tramo, o para colocar accesorios. Los cortes deben hacerse lo más recto posible, siempre en los valles. A continuación elimine los rebordes con una lima. 5. Limpie cuidadosamente al menos los 3 primeros valles cercanos al corte. Coloque el empaque a partir del primer valle, teniendo en cuenta que la parte de mayor bisel (chaflán) quede hacia el extremo recién cortado. Verifique que el empaque quede firmemente asentado. 6. Proceda a realizar la unión tal como se describió en los pasos anteriores. 9.4 Colocación de tubería NOVALOC La unión de los tubos se efectúa mediante el acople NOVALOC. A continuación, se describe el procedimiento para realizar la unión: 1. Limpie cuidadosamente el extremo del tubo y el interior del acople. Por ninguna razón deberá remover el anillo elastomérico (empaque). 2. Aplique lubricante, jabón o grasa vegetal en el extremo del tubo y en el interior del acople. 3. Inserte el extremo lubricado del tubo dentro del acople o viceversa, según sea el caso, hasta la marca tope. Para realizar esta operación es necesario utilizar una palanca o equipo mecánico, protegiendo siempre los extremos del tubo. 31

35 4. La tubería NOVALOC se suministra en longitudes de 6.0 m (20 ) en diámetros hasta 1200 mm (48 ), y en 4.0 m (13.3 ) en diámetros de 1350 y 1500 mm (54 y 60 ); sin embargo es frecuente cortarla para alcanzar las longitudes exactas de cada tramo. Los cortes deben hacerse lo más recto posible, utilizando una sierra guiada con una plantilla de corte a escuadra. A continuación elimine los rebordes con una lima a fin de facilitar la colocación del empaque. 5. En la cara interna y externa del extremo libre del niple, aplique cemento de contacto, utilizando una brocha. Coloque cuidadosamente el empaque, verificando que no queden pliegues. 6. Una vez efectuado el corte y colocado el empaque, trace la marca tope según la siguiente tabla. 9.5 Relleno y compactación El relleno de la zanja debe seguir a la colocación de la tubería tan pronto como sea posible. El material de relleno no debe ser lanzado desde alturas superiores a 1.5 m y deber estar libre de elementos de gran tamaño y peso. De esta manera, se disminuye el riesgo de que la tubería sufra algún daño. El relleno debe efectuarse en capas de 0.15 m (6"), iniciando por los costados de la tubería en el extremo libre del tubo, con el objeto de mantener el alineamiento horizontal de la tubería. Se utilizará para ello material granular fino o material seleccionado de la excavación, apisonándolo por medios manuales hasta alcanzar el grado de compactación necesario para obtener el módulo de reacción del suelo (E ) especificado en el diseño. En ausencia de tal especificación, debe asegurarse por lo menos un valor de E de 70 kgf/cm 2 (1000 psi), tal como se indica en la Tabla 7.1. El relleno se continuará hasta una altura mínima de 15 cm (6") sobre la corona del tubo. Esta zona de la zanja es conocida como RELLENO INICIAL. En zonas sin tráfico de vehículos, el RELLENO FINAL se podrá efectuar mediante volteo manual o mecánico, dejando un borde o lomo sobre el nivel del terreno para compensar el asentamiento ocasionado por la consolidación de los materiales. En la Figura 9.2 se muestran las diferentes zonas de la sección transversal de una zanja típica, tanto en condición de tránsito vehicular como sin éste. Figura 9.2 Zonas de relleno en zanja típica 32 Con tránsito vehicular Sin tránsito vehicular

36 ANEXO Tabla A.1 RESISTENCIA DE LAS TUBERÍAS NOVAFORT Y NOVALOC A AGENTES QUÍMICOS 33

37 Tabla A.1 (continuación) RESISTENCIA DE LAS TUBERÍAS NOVAFORT Y NOVALOC A AGENTES QUÍMICOS 34

38 Tabla A.1(continuación) RESISTENCIA DE LAS TUBERÍAS NOVAFORT Y NOVALOC A AGENTES QUÍMICOS 35

39 Tabla A.1(continuación) RESISTENCIA DE LAS TUBERÍAS NOVAFORT Y NOVALOC A AGENTES QUÍMICOS 36

40 Tabla A.2 CAPACIDAD DE TUBERÍAS NOVAFORT A SECCION PLENA DIÁMETROS DE 100 mm (4") A 250 mm (10") 37

41 Tabla A.2(continuación) CAPACIDAD DE TUBERÍAS NOVAFORT A SECCION PLENA DIÁMETROS DE 100 mm (4") A 250 mm (10") 38

42 Tabla A.2 (continuación) CAPACIDAD DE TUBERÍAS NOVAFORT A SECCION PLENA DIÁMETROS DE 300 mm (12") A 600 mm (24") 39

43 Tabla A.2 (continuación) CAPACIDAD DE TUBERÍAS NOVAFORT A SECCION PLENA DIÁMETROS DE 300 mm (12") A 600 mm (24") Tabla A.3 CAPACIDAD DE TUBERÍAS NOVALOC A SECCION PLENA 40

44 Tabla A.3 (CONTINUACION) CAPACIDAD DE TUBERÍAS NOVALOC A SECCION PLENA 41

45 Tabla A.4 CLASIFICACION DE LOS SUELOS El tipo de suelo que va alrededor de la tubería, de acuerdo con sus propiedades y calidad, absorberá cierta cantidad de carga transmitida por el tubo. Por lo tanto, la clase de suelo que se utilice para encamado, soporte lateral y relleno, es fundamental en el comportamiento de la tubería. La siguiente tabla provee las características granulométricas de los diferentes tipos de suelos y su clasificación según su comportamiento en este tipo de aplicacion. Tabla de Clasificación: Los materiales Clase V no se deben utilizar para el encamado, soporte lateral ni relleno inicial de la zanja. 42

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