Anclajes y Golpe de Ariete Exposicion

ANCLAJES Y GOLPE DE ARIETE IVON ALEXANDRA BARON LINA MARCELA LIZARAZO S E R G I O E F R E N C E LY DIEGO FERNANDO GUALDRON R I C A R D O A N D R E S TA L E R O

ANCLAJES En tuberías de distribución de agua es normal encontrar cambios de dirección y cambios de área libre de conducción los cuales modifican las características del flujo, estas modificaciones generan fuerzas de empuje que tienden a desplazar las tuberías y conexiones lo que ocasiona la separación entre ellas. Entre las principales fuerzas que actúan sobre los cambios de forma están: 1.

La debida a la presión hidrostática del agua

2.

La causada por la velocidad del agua que se origina por el cambio en la cantidad de movimiento

3.

La debida a la sobrepresión por el golpe de ariete

Los anclaje son diseñados para transferir estas fuerzas generadas al suelo aferente y evitar los desplazamientos. Usualmente estos anclajes son bloques de concreto con Rcc=100 kg/cm2 y son diseñados para presiones de prueba de 1,5 veces la presión de servicio de tubería. Para el diseño se debe tener en cuenta:

- Diámetro de la tubería - Presión máxima interna - El tipo y tamaño de accesorio - La resistencia del suelo.

Con la fuerza debida a la presión hidrostática (F) y con la resistencia del suelo a la compresión (RSC), se calcula el área de anclaje (AA) según la relación: F= RSC. AA

El valor de la resistencia del suelo a la compresión se determina a través de estudios geotécnicos. Sin embargo, para efectos de cálculo se pueden tomar como guía los siguientes valores de la tabla 3. A continuación se presentan los casos más comunes en los que se requiere anclajes, así como la expresión mediante la cual se obtiene la fuerza (F) que se ejerce sobre ellos y al área sobre la que actúa.

Una vez que se ha determinado la fuerza (F) que el fluido ejerce sobre las tuberías y conexiones se procede con el calculo del área del anclaje (AA) que es necesaria para soportarla.

Tabla 3. Tomado de Manual Línea Acueducto PAVCO

Tomado de Manual Línea Acueducto PAVCO

Tomado de Manual Línea Acueducto PAVCO

Tomado de Manual Línea Acueducto PAVCO

ANCLAJES O MUERTOS En los cambios de alineación horizontal o vertical se generan esfuerzos que deben ser absorbidos por los anclajes los cuales pueden ser de concreto ciclópeo o armado.

Empuje de la tubería: En cualquier tipo de anclaje se presentan esfuerzos debidos a la presión estática y dinámica a la que es sometido el fluido transportado. El esfuerzo de presión estática indicado en la figura 1. es: Ecuación 1.

E = Esfuerzo estático (kg) ϒ = Peso específico del agua (1000 kg/m³) H = Altura de la columna de agua (m) A= Área de la sección del tubo m²

Fig 1. Empuje de la presión estática. Tomado del libro Elementos de diseño para Acueductos y Alcantarillados. Lopez Cualla.pág. 184

El esfuerzo de presión dinámica es el esfuerzo debido a la fuerza centrifuga, calculada mediante la siguiente ecuación: Ecuación 2.

El esfuerzo total será entonces la suma de los dos esfuerzos anteriores de lo que resulta la siguiente expresión: Ecuación 3.

En la mayoría de los casos el empuje debido a la presión dinámica despreciable, ya que la magnitud de H es mucho mayor que la de la altura de velocidad.

CALCULO DEL ANCLAJE El empuje, calculado anteriormente, es transmitido al suelo de diferentes maneras, según sea el anclaje: si el codo es horizontal, el esfuerzo es transmitido a la pared de la excavación; si el codo es vertical, el esfuerzo se transmite al suelo en la base del anclaje.

A su vez el esfuerzo debe ser resistido por la componente de esfuerzos admisibles del suelo y la fricción desarrollada entre el concreto y el suelo. La expresión de la resistencia admisible del suelo es: Ecuación 4. En donde: A= Área de la superficie resistente

E= Empuje debido a la presión estática Σ adm= Resistencia del terreno obtenida de un estudio de suelo o de la siguiente tabla, la cual da la resistencia admisible verticalmente. La resistencia en la dirección horizontal puede tomarse como ½ o ¼ de la resistencia vertical.

TABLA 1. Esfuerzo admisible vertical típico. Tomado del libro Elementos de diseño para Acueductos y Alcantarillados. Lopez Cualla.pág. 185

La expresión de la fricción es: Ecuación 6. En donde: Eh = Componente horizontal del empuje Ev = Componente vertical del empuje P=Peso del anclaje Tgφ max= Coeficiente de fricción del concreto sobre el suelo (tabla 2) Cuando la fuerza del empuje forme un ángulo α con la horizontal se tendrá que: Ecuación 7. En caso contrario: Ecuación 8.

El dimensionamiento de los anclajes se hace por tanteos, aunque la misma topografía y la longitud del codo limitan algunas de las dimensiones

Tabla 2. Coeficiente de fricción. Tomado del libro Elementos de diseño para Acueductos y Alcantarillados. Lopez Cualla.pág. 186

TIPOS DE ANCLAJES Codo en el sentido horizontal: El empuje en el caso de un codo horizontal como lo indica en la fig. Es: Ecuación 9.

En donde: P = Peso del anclaje H = Altura del anclaje (limitada por el diámetro de la tubería y la profundidad de la zanja)

L = Longitud del anclaje (limitada por la longitud del codo, ya que las uniones de éste deben quedar por fuera del anclaje. B=ancho de la zanja

Fig 2. Anclaje de un codo horizontal. Tomado del libro Elementos de diseño para Acueductos y Alcantarillados. Lopez Cualla.pág. 187

Codo en el sentido vertical inferior: La fricción en este caso resulta ser despreciable, si se considera la fuerza centrífuga como despreciable. Por lo tanto, el suelo debe resistir el peso del anclaje y el empuje del codo como se indica en la figura 3.

Ecuación 10. Fig 3 Anclaje en un sentido vertical inferior. Tomado del libro Elementos de diseño para Acueductos y Alcantarillados. Lopez Cualla. pág. 187

Codo en el sentido vertical superior: El peso del anclaje debe como mínimo ser igual al empuje de la tubería. El suelo en este caso es un elemento pasivo y la clave del diseño es el cálculo del amarre del codo al anclaje.

Fig 4 Anclaje en un sentido vertical superior. Tomado del libro Elementos de diseño para Acueductos y Alcantarillados. Lopez Cualla. pág. 187

ANCLAJES SEGÚN RAS 2000 G. 4.7.1 Los anclajes son construidos en concreto simple según las especificaciones en el diseño, si estas no son

Tomado de: Asociación de profesionales en conducción de fluidos. Boletín No. 5

claras se debe realizar en proporción cemento: arena: gravilla lavada 1:3:5 B.6.4.10.2 Anclajes En las líneas de aducción o conducción mediante tuberías a presión deben preverse y proyectarse los anclajes de seguridad necesarios, ya sea en concreto (ciclópeo, simple o reforzado) o metálicos, de tal forma que se garantice la inmovilidad de la tubería en los siguientes casos:

En tuberías expuestas a la intemperie, que requieran estar apoyadas en soportes, o unidas a formaciones naturales de rocas (mediante anclajes metálicos) . 2. En los cambios de dirección tanto horizontales como verticales, de tramos enterrados o expuestos, siempre que el cálculo estructural lo justifique. 3. En puntos de disminución de diámetro o dispositivos para el cierre o reducción del flujo de conductos discontinuos.

Asociación de profesionales en conducción de fluidos. Boletín No. 5

B.6.7.6 VERIFICACIÓN DE ASENTAMIENTOS EN LOS ANCLAJES En caso de que el sistema de aducción o conducción incluya tuberías presurizadas o tuberías a superficie libre en las cuales existan tramos por encima del nivel del terreno, deben verificarse los asentamientos de los anclajes en uniones, codos y otros tipos de accesorios, teniendo en cuenta los siguientes requisitos:

1. Para el nivel medio alto de complejidad deben verificarse los asentamientos en los anclajes, al menos una vez al año. Sin embargo, si la aducción cruza terrenos inestables con problemas o el municipio se encuentra localizado en una zona de amenaza sísmica alta, los asentamientos deben verificarse al menos una vez cada seis meses. 2. Para el nivel alto de complejidad deben verificarse los asentamientos de los anclajes una vez cada tres meses. Sin embargo, si la aducción cruza terrenos inestables, terrenos con una alta actividad neotectónica o el municipio se encuentra localizado en una zona de amenaza sísmica alta, durante los primeros tres años de operación de la aducción deben verificarse los asentamientos de los anclajes, al menos una vez al mes.

B.7.6.10 ANCLAJES Los anclajes son necesarios para garantizar la estabilidad de las tuberías en los sitios en donde ocurran cambios de dirección, disminución de diámetros, aumento de diámetros, división de caudales, etc. en un sitio en el cual la tubería no cuente con mecanismos para soportar esfuerzos. Los codos, las tees, las cruces, los tapones, las válvulas, los hidrantes, etc., deben anclarse utilizando macizos de concreto o uniones rígidas capaces de soportar los esfuerzos producidos. Para los anclajes deben tenerse en cuenta los siguientes requerimientos: 1. El macizo de anclaje de los accesorios debe sobresalir un mínimo de 0.1 m sobre la clave del accesorio. 2. En los anclajes, las juntas de los accesorios con la tubería deben permanecer libres para casos de reparación. 3. Los anclajes deben fundirse sobre terreno firme y no removido. 4. El área de apoyo del anclaje se calcula de acuerdo con el procedimiento constructivo que se escoja, ya sea que el anclaje trabaje por gravedad o por fricción. “Este es un tema que en la práctica, da lugar a un análisis detallado, que depende del diámetro de la

tubería, la presión de trabajo, el ángulo de deflexión si se trata de un codo, el efecto del golpe de ariete y la calidad misma del terreno. Estos factores es necesario tenerlos en cuenta para el diseño de los anclajes especialmente en lo que se refiere al área de apoyo”

G.2.4.2.2 FACTORES DE SEGURIDAD PARA LA FALLA DE APOYO O SOPORTE DE ANCLAJES, CODALES Y PUNTALES Se deben utilizar factores mínimos de 1.3 para carga muerta más carga viva máxima, de 1.5 para carga muerta más carga viva normal y de 1.1 para carga muerta más carga viva normal combinado con el sismo de diseño.

EJEMPLO Anclaje de un codo de 45° En la línea de conducción se ha instalado un codo de 45° de 4” de diámetro. La tubería conduce un caudal de 19.66L/seg. El codo se encuentra ubicado a1.038Km aguas abajo del tanque, que tiene un carga piezometríca de 10 m. El coeficiente de capacidad hidráulica es C = 140

Donde: F = Fuerza sobre el codo en Kg A = Area de seccion en m2 P = presion interna en la tuberia en m H2O α= Angulo de deflexion de la tuberia ϒ= Peso especifico del liquido (Kg/m3) Diametro de la tuberia = 4”= 0.10m

Presión interna de la tubería = carga piezométrica-perdida por fricción: Con la formula de Hazem-Williams:

Luego la presión en la tubería:

Geometría del anclaje El coeficiente de fricción del terreno sobre en terreno es de 1.4Kg/cm2, el anclaje capaz de resistir a F por su propio peso:

Teniendo el área del anclaje se tiene que: L=2*H A=H*2*H H=12,7 cm aproximamos por construcción a 15 cm L=30 cm

TOMADO DE http://es.scribd.com/doc/48873031/DISENO-DE-ANCLAJES-PARA-LA-CONDUCCION-DELACUEDUCTO-DE-CERTEGUI

GOLPE DE ARIETE

DEFINICION Una Columna de liquido moviéndose tiene inercia, que es proporcional a su peso y a su velocidad. Cuando el flujo se detiene rápidamente, por ejemplo al cerrar una válvula, la inercia se convierte en un incremento de presión. Entre mas larga la línea y mas alta la velocidad del liquido, mayor será la sobrecarga de presión. Estas sobrepresiones pueden llegar a ser lo suficientemente grandes para reventar cualquier tipo de tubería. Este fenómeno se conoce con el nombre de Golpe de Ariete

SE PUEDE PRESENTAR CUANDO HAY : -

Cambios en la abertura de la válvula, accidental o planeado. Arranque o interrupción de bombas. Cambios en la demanda de potencia de turbinas. Cambios de elevación del embalse. Ondas en el embalse. Vibración de impulsores en bombas, ventiladores o turbinas. Variaciones en la apertura o cierre del gobernador o regulador de una turbina causadas por cambios en la carga de los sistemas eléctricos. - Vibración de accesorios deformables tales como válvulas

EFECTOS Un efecto no muy conocido pero mucho más perjudicial para las tuberías es el aire atrapado en la línea. El aire es compresible y si se transporta con el agua en la conducción este puede actuar como un resorte, comprimiéndose y expandiéndose aleatoriamente. Se ha demostrado que estas compresiones repentinas pueden aumentar la presión en un punto, hasta 10 veces la presión de servicio.

Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a estar entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc). La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe. El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados, etc.

CALCULO DE LA SOBREPRESIÓN Ecuación 11:

𝑷=

𝒂 ∗𝑽 𝒈

con: 𝒂 =

𝟏𝟒𝟐𝟎 𝑲

𝟏+ 𝑬 ∗ 𝑹𝑫𝑬−𝟐

En donde: P

=

Sobre presión máxima en metros de columna de agua, al cerrar bruscamente la válvula

a

=

Velocidad de la onda (m/s)

V

=

Cambio de velocidad del agua (m/s)

g

=

Aceleración de la gravedad = 9,81

K

=

Módulo de compresión del agua = 2,06 x 𝟏𝟎𝟒

E

=

Módulo de elasticidad de la tubería (2,81 x 𝟏𝟎𝟒

RDE =

𝒎 𝒔𝟐

Relación diámetro exterior/espesor mínimo

𝒌𝒈 𝒄𝒎𝟐 𝒌𝒈 𝒄𝒎𝟐

para PVC tipo 1 Grado 1

VALORES DE “A”

PREVENCION • Control de válvulas y bombas • Limitar las velocidades (0.6 y 3 m/s) • Evitar cambiar las características de la tubería • Construcción de almenaras. • Instalar ventosas de doble efecto, en los puntos altos, bajos y a lo largo de tramos rectos, muy largos, para purgar el aire y permitir su enteada cuando se interrumpe el servicio • Durante la operación de la línea, prevenir la entrada del aire en las bocatomas, rejillas, etc., de manera que el flujo de agua sea continuo

DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO EN IMPULSIONES (BOMBAS) Primera fase: cuando se produce la parada de la bomba, el fluido, inicialmente circulando con velocidad v, continuará en movimiento a lo largo de la tubería hasta que la depresión a la salida de la bomba ocasionada por la ausencia de líquido provoque su parada. Segunda fase: Como la presión en el depósito es siempre superior a la de la tubería, que se encuentra bajo los efectos de la depresión, se inicia un retroceso del fluido hacia la válvula de retención con velocidad -v, pero en sentido contrario Tercera fase: Es una consecuencia del choque del líquido contra la válvula de retención. El resultado es un brusco aumento de presión y una detención progresiva del fluido, de modo que al cabo de un cierto tiempo todo el líquido de la tubería está en reposo y la conducción sometida a una sobrepresión de la misma magnitud que la depresión inicial.

Cuarta fase: comienza la descompresión, iniciándose de nuevo el movimiento, por lo que al cabo de un tiempo la situación es idéntica a la que teníamos al principio. Comienza un nuevo ciclo. La duración de cada una de estas fases es a/L, siendo L la longitud de la tubería y a la celeridad.

CELERIDAD La celeridad (a) es la velocidad de propagación de la onda de presión a través del agua contenida en la tubería, Una expresión práctica propuesta por Allievi:

Ecuación 12:

a=

𝟗𝟗𝟎𝟎 𝑫

𝟒𝟖.𝟑+𝑲∗ 𝒆

Siendo K: Coeficiente función del módulo de elasticidad (e) del material constitutivo de la tubería D: Diámetro interior de la tubería e: Espesor de la tubería .

𝟏𝟎𝟏𝟎 𝑲= 𝜺

TIEMPO DE PARADA DE BOMBAS Se define el tiempo (T) como el intervalo entre el inicio y el término de la maniobra, sea cierre o apertura, total o parcial, ya que durante este tiempo se produce la modificación del régimen de movimiento del fluido 𝐾∗𝐿∗𝑣 𝑇=𝐶+ 𝑔 ∗ 𝐻𝑚 Siendo: L: Longitud de la conducción (m) v: Velocidad de régimen del agua (m/s) g: Aceleración de la gravedad, 9.81 m/s2 Hm: Altura manométrica proporcionada por la bomba C y K: Coeficientes de ajuste empíricos

Valores del coeficiente C según Mendiluce

Valores del coeficiente K según Mendiluce

Puesto que L es la longitud de la tubería y la celeridad a es la velocidad de propagación de la onda de presión

Por lo tanto:

EXPRESIONES PARA EL CALCULO DE LA SOBREPRESIÓN Para determinar esta sobrepresión se han generado dos propuestas por los autores MICHAUD Y ALLEVI,para las cuales su criterio de selección está en función del tiempo de parada delas bombas:

RESUMIENDO En primer lugar es necesario conocer la altura generada por la bomba mediante una relación de energías Una vez obtenida esta altura se procede a conocer el tiempo de parada con la ecuación de mendiluce:

Mediante la formula de allevi se calcula la celeridad:

Se clasifica según el tipo de cierre realizando la comparación:

Finalmente se calcula la sobrepresión con la expresión correspondiente:

MÉTODOS PARA REDUCIR EL GOLPE DE ARIETE Volante de inercia: Consiste en incorporar a la parte rotatoria del grupo de impulsión un volante cuya inercia retarde la pérdida de revoluciones del motor, y en consecuencia, aumente el tiempo de parada de la bomba, con la consiguiente minoración de las sobrepresiones. Chimeneas de equilibrio: Consiste en una tubería de diámetro superior al de la tubería, colocada verticalmente y abierta en su extremo superior a la atmósfera, de tal forma que su altura sea siempre superior a la presión de la tubería

Válvulas de alivio rápido: Son dispositivos que permiten de forma automática y casi instantánea la salida de la cantidad necesaria de agua para que la presión máxima en el interior de la tubería no exceda un valor límite prefijado. Válvulas anticipadoras de onda: Estas válvulas están diseñadas para que se produzca su apertura en el momento de parada de la bomba y cuando se produce la depresión inicial, de tal forma que cuando vuelva a la válvula la onda de sobrepresión, ésta se encuentre totalmente abierta, minimizando al máximo las sobrepresiones que el transitorio puede originar.

APROVECHAMIENTO DEL GOLPE DE ARIETE

ANALISIS GOLPE DE ARIETE B.6.4.11 RAS 2000 El análisis del golpe de ariete debe considerarse en los siguientes casos : 1. Proyectos de nuevas tuberías por bombeo. 2. Proyectos de nuevas tuberías por gravedad. 3. En las instalaciones existentes en las que se diseñen ampliaciones debido a un aumento en la demanda, en las que se coloquen bombas nuevas, en las que se hagan nuevos tanques o embalses o en las que existan variaciones de presión en cualquier sección de la línea de aducción o conducción. 4. En las instalaciones existentes cuando hay cambios en las condiciones normales de operación y en las condiciones excepcionales de operación. 5. En las instalaciones existentes que van a ser incorporadas a un nuevo sistema, aún cuando no sufran modificaciones de ninguna naturaleza.

PRACTICA A Continuación se presenta los resultados de la practica, que fue realizada por la UNIVERSIDAD DE CASTILLA – LA MANCHA, Cuenca – España, para objeto de estudio.

METODOLOGÍA: • • • • • • • •

Fijar el grado de apertura de la toma de agua Asegurarse que a presión atmosférica el software de toma de datos está midiendo adecuadamente. Medir la presión que se introduce a la entrada (asimilarlo a depósito de nivel constante) Fijar grado de apertura de la válvula de salida. Medir el caudal circulante con el vertedero triangular (ajustar pérdidas locales al simular para mismo caudal) Simular el golpe de ariete con calderín cerrado. Simular el golpe de ariete en las con el calderín abierto. Guardar los datos de presión obtenidos con la sonda.

DESARROLLO DE LA PRACTICA

Figura. Tomado de la practica, realizada por la UNIVERSIDAD DE CASTILLA – LA MANCHA

DESARROLLO DE LA PRACTICA Del esquema general del banco de golpe de instalado en el laboratorio, se tienen los siguientes datos e hipótesis: • Presión inicial: 38 m • Módulo de elasticidad tubería de poliamida adoptado: 1,25 GPa. DEFINICIÓN DEL MALLADO Y TIEMPOS DE INICIO Y FIN DEL CÁLCULO • Tiempo inicial de simulación: 0 s • Tiempo final de simulación: 16 s • Discretizacion espacial: 2 m DEFINICIÓN DE LOS NODOS PRINCIPALES Y TUBERÍAS • 3 nodos, 2 tuberías (calderín cerrado): • Depósito inicial: (0,0) • Unión 2 tuberías: (20,1) • Válvula final: (70,1)

DESARROLLO DE LA PRACTICA Para calibrar el caudal del modelo al caudal circulante en el vertedero triangular del laboratorio se ha optado por variar el coeficiente de fricción de la tubería de poliamida hasta hacer que ambos caudales fuesen similares. Así, se obtuvo un coeficiente de fricción igual a 0,03 que nos proporcionaba un caudal de:

J

SIMULACIÓN CIERRE INSTANTÁNEO

Tomado de la practica, realizada por la UNIVERSIDAD DE CASTILLA – LA MANCHA

EJERCICIO