Tubos de Hormigón Armado par Hinca: Cálculo Mecánico
De Construmatica
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Durante la instalación de tubos de hormigón armado hincados con empujador existen dos tipos de carga aplicados sobre el tubo: la carga de tierra debida al relleno, con la posibilidad de alguna sobrecarga debida al asentamiento del terreno de alrededor, y la compresión longitudinal provocada por las presiones aplicadas con el empujador al instalar el tubo.
Los tubos de hinca de hormigón armado se probarán únicamente a fisuración, conforme a lo establecido en la Norma UNE 127.010.
Cargas de relleno para tubos hincados
Los factores que influyen en la carga vertical que se aplica sobre el tubo son:
- El peso del prisma de tierras sobre la perforación
- La fuerza de rozamiento entre el prisma de tierra situado sobre la perforación y los prismas adyacentes.
- La cohesión del terreno.
En función de todo ello la carga de tierras es igual al peso de la tierra sobre la perforación menos las fuerzas de rozamiento entre el prisma superior y los prismas adyacentes a la perforación y por la cohesión del terreno situado sobre la perforación.
Donde:
qr = Carga de tierra en condiciones de hincado o perforado (kN/m)
Cz = Coeficiente de Marston o de carga
gr = Densidad del terreno (kN/m³)
De = Diámetro exterior del tubo (m)
c0 = Cohesión del terreno (kN/m²)
Los valores de la cohesión, son los siguientes:
Por ser el valor de la cohesión un valor incierto y depender de la humedad, se recomienda para el cálculo el valor c0 = 2 kN/m².
El valor del coeficiente de Marston se obtiene de:
Se consideran cinco tipos de terreno con los siguientes parámetros:
hr = Altura de relleno (m)
l = Coeficiente de Rankine ó relación entre el empuje lateral y la presión vertical.
m' = Coeficiente de rozamiento entre el material del prisma superior y las paredes laterales.
Se deben tomar como valores de terreno tipo los de la arcilla plástica (gr = 21 kN/m³ y l • m = 0,110), ya que en general se desconoce la naturaleza del terreno en el que se va a ejecutar la perforación y estos valores están claramente del lado de la seguridad.
Determinación del factor de apoyo
El factor de apoyo Fa se define como la relación entre la capacidad resistente de la tubería enterrada y la capacidad resistente de esa misma tubería sometida al ensayo de flexión transversal.
La instalación por hincado proporciona una buena calidad de contacto entre la menor superficie exterior del tubo y el terreno circundante. Si el método de perforación es sobre-excavando el diámetro exterior del tubo, el espacio entre la perforación y el tubo puede ser rellenado con arena, lechada, hormigón u otros materiales. En este caso se puede considerar un factor de apoyo de 3. Para ello, los tubos irán provistos de tres taladros pasantes que permiten realizar las inyecciones necesarias. Están situados en el centro del tubo y dispuestos formando un ángulo entre ellos de 120º. El diámetro de estos taladros pasantes será de 2,5 cm. Si el espacio no fuese rellenado se recomienda disminuir el factor de apoyo a 1,9.
En caso de que el método de perforación consista en que el propio tubo arrastre parte o todo el terreno, se deberán utilizar los factores de apoyo correspondientes a la instalación en zanja. Los distintos factores de apoyo en instalación en zanja oscilan entre 1,5 y 3,0. Se aconseja adoptar para el cálculo 1,5 por ser un valor incierto.
Determinación de la clase de tubo
La clase de tubería se asigna en función de su capacidad resistente expresada en kN/m² y del diámetro interior D expresado en metros. La carga de cálculo será:
g1=Coeficiente de mayoración de acciones; es la relación que se admite entre la carga de rotura y la carga de fisuración. Para las clases III y IV se toma un valor de 1,5. Para la clase V se toma un valor 1,25. Como consecuencia de este cambio de valor del coeficiente de mayoración, se produce un solape en la carga de cálculo entre las clases IV y V, que se soluciona haciendo un cálculo previo de fisuración y comparando con las cargas de fisuración de ambas clases (Carga de fisuración clase IV = 100 kN/m²; Carga de fisuración clase V = 140 kN/m².
Fa = Factor de apoyo
Se considera como clase resistente mínima en el caso de la tubería de hincado la clase III de ASTM C-76M, que tiene como carga de cálculo última 100 kN/m².
Comprobación a compresión longitudinal
La fuerza del empuje se compone de la fuerza en el frente de avance y la fuerza del rozamiento envolvente.
1) Empuje en el frente de avance
Para el cálculo en el frente de avance (F') se tiene en cuenta la tensión de corte del terreno, cuyo valor oscila entre 300 y 600 kN/m², tomándose en el cálculo un valor medio de 450 kN/m².
siendo
F'=Fuerza ejercida en el frente de avance (kN)
D=Diámetro exterior (m)
2) Rozamiento envolvente
En el cálculo del rozamiento envolvente se considera que el terreno se aplica omnidireccionalmente al tubo, siendo este criterio el más desfavorable. Existen diversos factores que pueden reducir este valor, como por ejemplo el hecho de que se pueda constituir una bóveda sobre la tubería una vez que se haya realizado la perforación, con lo que el terreno no presionaría sobre toda la conducción. También se puede considerar el uso de productos lubricantes, como la bentonita, que reducen el rozamiento por debajo de 10 kN/m², siendo el coeficiente de fricción tubo-relleno más restrictivo, m1= 20 kN/m².
siendo
F = Fuerza ejercida por el rozamiento (kN)
m1 = Coeficiente de fricción (kN/m²)
De = Diámetro exterior (m)
L = Longitud de hincado (m)
3) Empuje máximo admisible
El empuje máximo aplicable durante la instalación depende de las características de resistencia a compresión del hormigón fck dadas por el fabricante y de la superficie de empuje Ce.
La resistencia a compresión mínima de cálculo fck (40 N/mm²) no excederá del 40% de la resistencia de cálculo (fcd). La resistencia de cálculo es:
siendo
gc= Coeficiente de minoración del hormigón = 1,5
El área de la superficie (Ce) sometida a compresión se obtiene a partir del menor espesor de la pared en la zona de empuje:
Por lo que debe cumplir:
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