NC AS IL01 19 Guia para el calculo de bloques de anclaje para redes secundarias de acueducto

GUÍA PARA EL CÁLCULO DE
BLOQUES DE ANCLAJE PARA REDES SECUNDARIAS DE
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07
2017
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CONTENIDO
1.
OBJETO ........................................................................................................................................... 3
2.
ALCANCE ........................................................................................................................................ 3
3.
DOCUMENTOS DE REFERENCIA .................................................................................................. 3
4.
REQUISITOS TÉCNICOS ................................................................................................................ 4
4.1. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS BLOQUES DE ANCLAJES ...................................................... 4
4.2. PARÁMETROS DE DISEÑO ............................................................................................................ 5
4.3. DEFINICIÓN DE VARIABLES Y UNIDADES .................................................................................... 5
4.4. DISEÑO DE BLOQUES DE ANCLAJE ............................................................................................. 6
4.4.1.
CÁLCULO DEL EMPUJE SOBRE LOS ACCESORIOS (E) ...................................................... 6
4.4.2.
CÁLCULO DEL EMPUJE RESISTENTE (ER) ........................................................................ 10
4.4.3.
ECUACIÓN DE EQUILIBRIO .................................................................................................. 14
5.
CONCRETO ................................................................................................................................... 14
6.
ACERO DE REFUERZO ................................................................................................................ 14
7.
ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS BLOQUES DE ANCLAJE .............................................. 15
8.
LLENOS ......................................................................................................................................... 17
9.
LISTADO DE ACTIVIDADES GENERALES DE CONSTRUCCIÓN ............................................... 18
10. LISTADO DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN ....................................................................... 18
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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. ALCANCE
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 300 mm (12”), y presiones hasta 100 m.c.a.
(190 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 Agua Potable y Saneamiento Básico –
RAS (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 704-06 Bloques de anclaje” y “NEGC 721-00 Perfiles
de acero en I para anclajes primarios”
3. DOCUMENTOS DE REFERENCIA
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
NOMBRE
Norma de diseño
Norma de Diseño de Sistemas de Acueducto de EPM
EPM 2013
Norma de EPM:
Norma de construcción de concretos
NC-MN-OC07-01
Norma de EPM:
Localización, trazado y replanteo
NC-MN-OC01-01
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DOCUMENTO
Norma de EPM:
NC-MN-OC02-01
Norma de EPM:
NC-MN-OC03-01
Norma de EPM:
NC-MN-OC01-04
Norma de EPM:
NC-MN-OC04-01
Norma de EPM:
NC-MN-OC07-01
Norma de EPM:
NC-MN-OC07-07
NSR-10
ACI 207.2R-95
NOMBRE
Demoliciones
Excavaciones
Cargue, retiro y disposición de material sobrante de excavaciones
Llenos compactados
Concretos
Acero de refuerzo
Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente
Effect of restraint, volume change and reinforcement on cracking of mass
concrete. Reported by ACI Commitee 207.
Resolución 0330
de
2017 Por la cual se adopta el Reglamento Técnico para el Sector de Agua Potable
Ministerio
de y Saneamiento Básico – RAS y se derogan las resoluciones 1096 de 2000,
Vivienda, Ciudad 0424 de 2001, 0668 de 2003, 1459 de 2005, 1447 de 2005 y 2320 de 2009
y Territorio
4. REQUISITOS TÉCNICOS
4.1.
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS BLOQUES DE ANCLAJES
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
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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.
4.2.
PARÁMETROS 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).
4.3.
DEFINICIÓN DE VARIABLES Y UNIDADES
A 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).
A = Área de la sección transversal del tubo (m2).
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 = Aceleración de la gravedad (m/s2).
V = Velocidad del agua (m/s).
E = Empuje hidrostático (t).
Er = Empuje resultante (t).
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•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
L = Longitud del bloque de anclaje (m).
hc = Altura del bloque de anclaje (m).
hs = Altura del suelo hasta la parte superior del bloque de anclaje (m).
b = Ancho del bloque de anclaje (m).
Ƴc = Densidad del concreto (t/m3).
Ƴs = Densidad del suelo (t/m3).
K = Coeficiente de empuje de suelos (adimensional).
Kp = Coeficiente de empuje pasivo de suelos (adimensional).
Ka= Coeficiente de empuje activo de suelos (adimensional).
Qadm = Capacidad admisible del suelo (ton/m2).
ɸ = Ángulo de fricción del suelo.
4.4.
DISEÑO DE BLOQUES DE ANCLAJE
4.4.1. 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. A
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
es bajo, por tanto, se desprecia para
efectos de cálculo.
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Esquema 1. Empuje en codos
•
En tapones:
Esquema 2. Empuje en tapones
•
En “Yee”:
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Esquema 3. Empuje en “Yee”
•
En “Tee”:
Esquema 4. Empuje en “Tee”
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•
En reducciones/ampliaciones:
Esquema 5. Empuje en reducciones/ampliaciones
•
En válvulas de cierre de flujo:
Esquema 6. Empuje en válvulas de cierre de flujo
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•
En derivaciones:
Esquema 7. Empuje en derivaciones
4.4.2.
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.
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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
ɣs (t/m3)
Roca
35
0,70
1,40
2,70
Capacidad
admisible del
suelo
Qadm (t/m2)
150
Grava limpia, mezcla de
arena y grava y arena
gruesa
29 a 31
1,16
1,70
40
Arena fina y arena
media, limo medio a
grueso, grava limosa o
arcillosa
Arena fina limpia, arena
limosa o arcillosa fina a
media
Limo arenoso fino, limo
de baja plasticidad
Arcilla residual dura o
pre-consolidada
Arcilla dura, semi-dura y
arcilla limosa
0,55
0,60
a
24 a 29
0,45 a
0,55
1,00
1,45
30
19 a 24
0,35 a
0,45
0,79
1,60 – 1,90
30
0,65
1,40
20
0,89
1,70
10
0,65
11,5 – 14,5
10
17 a 19
22 a 26
17 a 19
0,30 a
0,35
0,40 a
0,50
0,30 a
0,35
* 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:
ka y kp se calculan de la siguiente manera:
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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.
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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 10. Empuje resistente (Er) del suelo en cambio de dirección vertical hacia abajo
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•
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 “hc” mayor de cada cálculo.
4.4.3. 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 “hc” de forma iterativa hasta cumplir con la ecuación
de equilibrio (14). Se recomienda usar un valor de “b” del orden de 0.40 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 (210
kg/cm2), y debe llevar como mínimo un 20% de canto rodado, según la Norma de Diseño de Sistema de
Acueducto de EPM.
En la “NC-MN-OC07-01 Concretos”, se establecen los requisitos que debe cumplir el concreto en la
construcción de los bloques de anclajes.
6. ACERO 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 ACI 207.2R-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-10. Adicionalmente se debe considerar los requerimientos del acero de refuerzo a utilizar,
las cuales se encuentran establecidas en la norma de EPM: NC-MN-OC07-07 Acero de refuerzo.
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7. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE LOS BLOQUES DE ANCLAJE
Cuando la tubería tiene diámetros menores a 200 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 0,10 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 0,20 m para permitir las labores de operación y mantenimiento.
•
Los anclajes deben fundirse sobre terreno firme y no removido.
•
Antes 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.
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Esquema 11. Ejemplos de bloques de anclajes en redes secundarias
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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.
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9. LISTADO DE ACTIVIDADES GENERALES DE CONSTRUCCIÓN
A continuación, se describen las actividades mínimas necesarias para la construcción de los bloques de
anclaje:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Localización trazado y replanteo (NC-MN-OC01-03).
Corte y retiro de pavimento, en caso de ser necesario (NC-MN-OC05-01).
Excavaciones (NC-MN-OC03-01).
Cargue, retiro y disposición del material sobrante de excavaciones (NC-MN-OC01-04).
Almacenamiento temporal de material.
Nivelación de terreno.
Armado de encofrado.
Armado del acero de refuerzo (NC-MN-OC07-07).
Vaciado de concreto (NC-MN-OC07-01).
Desencofrado.
Llenos y compactación de material (NC-MN-OC04-01).
Colocación de capa de carpeta asfáltica (NC-MN-OC05-04).
10. LISTADO DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
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Acero de refuerzo, Fy=420 MPa (NC-MN-OC07-07).
Materiales para encofrados.
Concreto f’c min= 21 MPa (NC-MN-OC07-01).
Asfalto
REV.
AGUAS
INFRAESTRUCTURA LINEAL ACUEDUCTO
GUÍA PARA EL CÁLCULO DE BLOQUES DE
ANCLAJE PARA REDES SECUNDARIAS DE
ACUEDUCTO
CENTROS DE EXCELENCIA TÉCNICA
UNIDAD NORMALIZACIÓN Y LABORATORIOS
NC-AS-IL01-19
ELABORÓ:
SAOV
APROBÓ:
0
REVISÓ:
PAGM
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LFAG
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