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NORMAS  TÉCNICAS  COMPLEMENTARIAS  PARTE  2

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S2.3.1 Empujes y Presiones

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1 EMPUJES Y PRESIONES

1.1 Definición

Se entiende como empujes y presiones a las solicitaciones en general que actúan sobre las obras hidráulicas; principalmente presas, tanques, tuberías a presión y canales. 

1.2 Presas

1.2.1 Presas de tierra y roca

Los empujes y presiones que actúan sobre este tipo de estructuras son los debidos principalmente al empuje del agua, presión de poro y fuerzas de filtración.

A) Forma de considerar el empuje del agua Ea

- Se calcula la resultante del empuje del agua que actúa sobre el núcleo impermeable de ancho unitario, mediante la expresión: 

donde “γa” es el peso volumétrico del agua; “ha” y “la” variables que dependen de la localización del círculo de análisis (fig. 4.1). 

- La resultante se lleva a lo largo de su línea de acción hasta cortar el círculo.

- En ese punto se descompone en una normal (radial) EaN y en una tangencial EaT , cuyos valores se hacen intervenir en la estabilidad (véase 1.2).

B) Forma de considerar la presión de poro Up

- Se define la línea de saturación (L.S.) y se traza la red de flujo en el interior del núcleo impermeable.

- Para un punto determinado del círculo de falla dentro de la zona impermeable, se traza una línea horizontal por el punto en el que su equipotencial corta a la línea de saturación.

- La presión de poro será el segmento de línea radial (P-P’’) delimitada por la horizontal y el punto de análisis (fig. 1.2). 

 

- La presión de poro total será la integral de la curva formada por todos los puntos del círculo de falla dentro de la zona impermeable.

C) Forma de considerar las fuerzas de filtración

- Se traza la red de flujo de vaciado rápido.

- La red se divide en figuras regulares dentro del círculo de falla, con la finalidad de obtener su área y centro de gravedad.

- Para cada figura se obtiene el gradiente hidráulico “i” de la línea de flujo que pasa por su centro de gravedad.

- La fuerza de filtración de cada sección se obtiene como:

donde “i” es el gradiente hidráulico (caída de carga entre longitud) y “A” el área de la sección. 

 

- La fuerza se lleva a lo largo de su línea de acción (tangente a la línea de flujo en el centroide) hasta cortar el círculo (fig. 1.3).

- En ese punto se descompone en una normal (radial) FNF y en una tangencial FFT

- La fuerza de filtración normal y tangencial total será la suma de las fuerzas particulares de cada sección que se localizan dentro del círculo de falla.

1.2.2 Presas de gravedad

Los empujes y presiones que actúan sobre este tipo de estructuras se considerarán bidimensionalmente y son los debidos principalmente al empuje hidrostático, subpresión, empuje de azolves y sismo; cuya forma de evaluarlos es la siguiente:

A) Empuje hidrostático

En el cálculo del empuje hidrostático se considera por separado la componente horizontal (Eh) y el peso del agua que actúa sobre el talud del talón, si lo hay (Pa), subdividiendo éste en componentes según figuras simples.

El empuje horizontal y el peso del agua se calcularán para diferentes condiciones de llenado del vaso según el caso de combinación de cargas de que se trate. Los empujes del agua del lado de aguas abajo se desprecian.

El empuje hidrostático horizontal, es igual al volumen de la cuña de distribución de presiones, es decir:

aplicado a un tercio de la altura Ha (fig. 4.4).

 

El peso del agua es igual al volumen del agua por el peso volumétrico de la misma que se encuentra sobre el talón de la cortina (fig. 4.4), aplicado en el centro de gravedad del volumen.

B) Subpresión

La subpresión se calcula subdividiendo el diagrama de subpresiones en figuras simples y trabajando con las componentes que así se obtienen. Los niveles de agua aguas arriba y aguas abajo de la cortina, para determinar el diagrama de subpresiones, deben ser acordes con la combinación de cargas que se esté analizando.

En el caso de existir una línea de drenes, el factor de reducción de la subpresión “k”, será de 0.25.

La reducción de la subpresión se calcula con la siguiente expresión:

donde h1 y h2 es la carga de agua aguas arriba y aguas abajo respectivamente de la presa (ver fig. 4.5).

 

C) Empuje de azolves

Los azolves que acarrea la corriente se depositan en el vaso y ejercen empujes en el paramento agua arriba de la cortina, que son mayores que los empujes hidrostáticos.

Cuando el paramento aguas arriba tiene algún talud, el empuje horizontal Dh será producido por el suelo y el empuje vertical Dv será el peso del mismo (peso de la cuña con γ´= 0.92 ton/m3).

La forma de calcular el empuje horizontal (empuje activo según Rankine), es la siguiente:

donde:

γ’ peso del material sumergido.

φ ángulo de fricción interna.

hd profundidad de la capacidad de azolves.

Para diseños preliminares se empleará:

donde   γ’ = 0.36 ton/m3. 

D) Sismo

En el método convencional de análisis de una presa de gravedad se utilizará un procedimiento pseudoestático de cálculo sísmico. Así, en el cuerpo de la cortina se consideran fuerzas horizontales correspondientes a cada figura en que se haya subdividido la sección para el cálculo del peso propio (Ti). Estas fuerzas se valuarán aplicando el factor o coeficiente sísmico a los pesos respectivos, y se supondrán actuando en el centro de gravedad de cada parte de la sección de la cortina y en el sentido más desfavorable (fig. 4.6).

El coeficiente sísmico λ será el λO (coeficiente sísmico regional) que corresponda a la región sísmica (véase las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Sismo) en que se ubicará la presa, afectado de un factor de 1.33 para tomar en cuenta la magnitud relativa de los daños en caso de falla por sismo.

Por otra parte, debe adicionarse el efecto del sismo en el agua embalsada (fig. 4.6). Este se calcula como una fuerza horizontal resultante de la parábola de Westergaard con las consideraciones de Zangar (U.S.B.R.) que se resumen en las fórmulas siguientes: 

donde: 

Ta fuerza por sismo en el agua.

α coeficiente en función de ha/Ha (Tabla 4.1).

Cm coeficiente en función del paramento aguas arriba (Tabla 1-2).

λ coeficiente sísmico de diseño.

Ha profundidad de la cimentación de la cortina.

θ ángulo de inclinación del paramento de aguas arriba con la vertical.

ZTa altura de la línea de acción de Ta sobre el plano de análisis.

β coeficiente en función de ha/Ha (ver tabla 1-1).

ha profundidad del plano de análisis. 

 

 

1.3 Tanques

Las principales fuerzas que actúan sobre los tanques para agua con superficie libre y a presión, son: carga muerta, empuje hidrostático, empuje del terreno, cargas vivas, maquinaria, viento y sismo. 

1.3.1 Carga muerta

En las cargas muertas se deberá considerar el peso de los equipos incluyendo la carga dinámica del agua, el peso de las tuberías y del agua en su interior, válvulas, atraques y silletas, tomando en consideración las futuras ampliaciones.

En recipientes enterrados, el peso del material de relleno sobre la cubierta se considerará con un espesor no menor de 60 cm de altura. 

1.3.2 Empuje hidrostático

Para considerar el empuje debido al agua, se deberá considerar la altura del agua en el recipiente hasta el nivel de vertido de excedencias con un peso volumétrico de 1,000 kg/m3.

Al evaluar las deformaciones en la estructura y en la cimentación de tanques de regulación y cárcamos de bombeo, se supondrá que el recipiente está lleno al 70% de su capacidad; en los recipientes utilizados en los procesos de potabilización, que normalmente vierten por la parte superior, se consideran llenos al 100% de su capacidad.

Para el análisis de recipientes enterrados o semienterrados, ubicados en terrenos donde el nivel de aguas freáticas se encuentre temporal o permanentemente arriba de la losa de fondo, se deberá tener en cuenta el empuje hidrostático lateral del agua sobre los muros y el efecto de flotación del conjunto, considerando el nivel de aguas freáticas máximo esperado en el sitio. Se deberá tener en cuenta que el nivel de aguas freáticas local puede elevarse por fugas de agua de los recipientes o tuberías cercanas 

1.3.3 Empuje del terreno

En el análisis de recipientes enterrados o semienterrados, se deberá tener en cuenta el empuje activo del terreno y considerando la sobrecarga que pueda presentarse por efecto de cargas vivas rodantes. 

1.3.4 Cargas vivas

Las cargas vivas actúan en las cubiertas de los recipientes, pasillos de operación, plataformas y escaleras. Las cargas vivas recomendadas para el análisis de la cubierta de los recipientes, son las siguientes:

- Las losas que soporten equipos de bombeo se deberán diseñar para una carga viva mínima de 1,465 kg/m2, debido a que en el montaje o al efectuar reparaciones, los equipos pueden quedar depositados provisionalmente sobre la cubierta.

- En recipientes que se construyan sobre el nivel del terreno, en un área de acceso restringida, con cubiertas de pendiente igual o menor al 5%, la carga viva en la losa de cubierta se deberá considerar igual o mayor que 120 kg/m2.

- En recipientes enterrados, la carga viva en la losa de cubierta no será menor que 500 kg/m2.

- En recipientes a presión, se considera como carga viva a la presión interior, la cual es la carga por unidad de superficie, generada por la acción del agua, alimentado al interior del recipiente.

En escaleras, pasillos de operación y plataformas, se deberá considerar una carga viva de 500 kg/m2. Los barandales se deberán diseñar para una carga viva concentrada de 100 kg actuando en cualquier punto del pasamanos y en cualquier dirección. 

1.3.5 Maquinaria

Las acciones debidas a maquinaria tales como impacto, par de arranque, vibraciones, arranque y frenado de grúas viajeras, se deberán considerar como cargas variables. Para valuarlas se deberán conocer las características del equipo proporcionadas por el fabricante, así como las especificaciones de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME). 

1.3.6 Viento

Los efectos del viento sobre los tanques se deberán evaluar tomando en cuenta las presiones y/o succiones estáticas o dinámicas para estructuras del Tipo 3, de acuerdo con las Normas Técnicas Complementarias para Diseño por Viento. 

1.3.7 Sismo

Para el diseño sísmico de tanques, es necesario tener en cuenta dos tipos de solicitaciones: presiones hidrodinámicas sobre las paredes y el fondo, y fuerzas de inercia en la masa del tanque. A su vez, el movimiento del líquido origina dos tipos de presiones hidrodinámicas: las presiones impulsivas asociadas al impacto del líquido con el recipiente en movimiento y las presiones convectivas asociadas a las oscilaciones del fluido. 

1.4 Tuberías a presión

La tubería debe proyectarse para que no se dañe en ninguna condición de operación estacionaria o transitoria del acueducto. Los esfuerzos de tensión deberán ser soportados dentro de los límites del comportamiento elástico de los materiales (acero y/o concreto) de la tubería. En las tuberías de acero los esfuerzos máximos a los que la tubería puede ser sometida se determinan por medio de la norma ASTMA53B.

En las tuberías de concreto la norma es NOM-C-253-1985.

En cuanto a las depresiones, presión interior menor que la atmosférica, la tubería debe soportarlas sin colapsar. Siendo la mínima presión posible en el interior de un acueducto, la presión de vapor del agua a la temperatura de trabajo (ver tabla 1-3). 

Las tuberías deben diseñarse para resistir la carga total que consiste en carga estática más sobrecarga por golpe de ariete. Los esfuerzos de trabajo que se usan deben garantizar la seguridad de las instalaciones, en cualesquiera circunstancias de operación. Sin embargo, esfuerzos cercanos al límite de fluencia se pueden aceptar en condiciones de emergencia. Para tuberías apoyadas sobre silletas o anillos atiesadores, dentro de túneles o rampas exteriores, se deben considerar la superposición de esfuerzos por cambios de temperatura y por trabajo como viga, a los obtenidos por presión interna (ref. 3, pág. 133). 

1.4.1 Golpe de ariete

Para la protección de equipos y de la tubería de conducción, se deberán considerar los efectos producidos por Golpe de Ariete.

Para el cálculo de sobrepresión por golpe de ariete, se empleará la siguiente expresión para un tiempo de cierre de

donde:

h1 sobrepresión por golpe de ariete.

v velocidad del agua.

Ea módulo de elasticidad del agua.

D diámetro interior de la tubería.

Et módulo de elasticidad de la tubería.

e espesor de la tubería.

L longitud de la tubería.

a celeridad de la onda de presión.

En la tabla 1-4 (ref. 2) se presentan los módulos de elasticidad de algunos materiales.

 

1.4.2 Esfuerzos circunferenciales

El esfuerzo circunferencial de tensión, en una placa delgada de una tubería, debido a presión interna, está dado por la expresión:

donde: 

fs esfuerzo de tensión en la placa.

D diámetro interior.

p presión interna.

e espesor de la placa.

η eficiencia de la junta soldada, longitudinal.

1.4.3 Esfuerzos longitudinales 

A) Esfuerzos debidos a cambios de temperatura

En tuberías ancladas rígidamente contra movimientos longitudinales el esfuerzo unitario por cada grado de cambio de temperatura es igual al coeficiente de dilatación del material de la tubería “α” multiplicado por su módulo de elasticidad, o sea: 

 

Los coeficientes de dilatación de los principales materiales que se emplean en las tuberías se muestran en la tabla 1-5.

 

En tuberías en que se instalen juntas de expansión y se permita el libre movimiento en los apoyos los esfuerzos longitudinales por cambio de temperatura se deben a la resistencia por fricción entre la tubería y los apoyos, más la resistencia en la junta de expansión. La resistencia en los apoyos varía de acuerdo con el tipo y la condición de soporte. Para obtenerla se presentan los coeficientes de fricción en la tabla 1-6. 

Para juntas de expansión se empleará., una resistencia friccionante de 750 kg por metro lineal de circunferencia, la que se puede usar para obtener los esfuerzos longitudinales correspondientes.

B) Esfuerzos como consecuencia de la deformación radial

La expansión radial de una tubería causada por la presión interna tiende a provocar una contracción longitudinal (relación de Poisson), con el correspondiente esfuerzo longitudinal de tensión, igual a 0.303 del esfuerzo circunferencial, y quedando establecido que la tubería tiene anclajes en los extremos que restringen los desplazamientos en tal sentido.

Estos esfuerzos se deberán combinar algebraicamente con otros esfuerzos longitudinales a fin de obtener los esfuerzos totales. 

1.4.4 Esfuerzos de viga

Cuando una tubería se coloca sobre apoyos trabaja como una viga continua. Las cargas de trabajo serán el peso de la tubería propiamente dicha y el peso del agua.

Se deberán hacer varias combinaciones de los esfuerzos obtenidos por trabajo de viga, temperatura y otros con el fin de determinar la condición más crítica que se debe considerar en el diseño definitivo. 

1.4.5 Apoyos en las tuberías de acero

En las tuberías de acero localizadas dentro de túneles, sobre el terreno o cruzando depresiones o barrancos, deberán ser autosoportables.

Lo anterior es posible en la mayoría de los casos sin incrementar el espesor de las placas, excepto pequeñas longitudes adyacentes a los apoyos, en claros muy grandes.

Para que la tubería funcione satisfactoriamente como una viga se deben limitar las deformaciones de la placa en el apoyo mediante el uso de anillos de rigidez.

Debido a la restricción impuesta por un anillo de rigidez o por un machón de anclaje de concreto, ocurren esfuerzos de flexión secundarios en la tubería, en las proximidades al anillo de rigidez o machón de anclaje. Aun cuando estos son esfuerzos locales en la tubería, los cuales decrecen rápidamente con la distancia al anillo o anclaje, se deben agregar a los otros esfuerzos longitudinales.

En una tubería con deformaciones totalmente restringidas el máximo esfuerzo secundario por flexión será:

donde:

fs1 esfuerzo secundario por flexión.

p presión interna.

r radio del tubo.

e espesor de la tubería. 

1.4.6 Esfuerzos de pandeo

Los esfuerzos debidos a pandeo en un cascarón cilíndrico de forma perfecta están dados por:

en donde E y µ son los módulos de elasticidad y Poisson respectivamente.

1.5 Canales

La distribución de presiones a lo largo de la sección transversal del canal es igual a la distribución hidrostática de presiones; es decir, la distribución es lineal.

El flujo gradualmente variado también puede considerarse como flujo paralelo, debido a que el cambio en la profundidad de flujo es tan suave que las líneas de corriente no tienen curvaturas apreciables ni divergencia; es decir, la curvatura y la divergencia son tan pequeñas que el efecto de las componentes de aceleración en el plano de la sección transversal es insignificante. Por consiguiente, para propósitos prácticos, la ley hidrostática de distribución de presiones es aplicable tanto al flujo gradualmente variado como al flujo uniforme. 

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