Tuberías (página 2)

Partes: 1, 2

Cargas

Las cargas siguientes se aplican al modelo

• Pretensión se aplica como presión
radial externa.

• El peso de la tubería se aplica como carga
de la gravedad en el concreto con
una densidad concreta
de 2.4 kilogramos/m3 (pcf 150), balanceada por presiones externas
del suelo
según lo determinado por la distribución de Olander para un
ángulo del lecho de 15 grados.

• Conecte a tierra la
carga, tubería y se aplican los pesos del líquido
usando la distribución de Olander por un ángulo de
120 grados.

• La presión interna se aplica como
presión interna uniforme igual a la presión del
agua en la
corona de la tubería, es decir, diseña la cabeza
hidráulica menos el diámetro interno de la
tubería.

La pérdida de la pretensión es modelada
para la tubería concreta pretensada quitando la
presión radial externa que representa la pretensión
de la circunferencia entera de la tubería para la longitud
dada de la pérdida de pretensión a lo largo de la
tubería o de una región rectangular, asumiendo un
desarrollo
gradual de la tensión en el alambre y de las fuerzas
fraccionales y momentos que resultan. La longitud del área
de la pérdida de pretensión, asumida para ser
centrado en la parte media de la longitud de la tubería,
se varía en incrementos.

Para una tubería doble envuelta, los modos
siguientes de la pérdida de pretensión se
consideran:

• Externo/interno pérdida de
pretensión. La pérdida simultánea de
pretensión en ambas capas sobre la pérdida de
longitud.

• Pérdida de pretensión
externa. La pérdida de pretensión en la capa
externa solamente.

• Caminado de la pérdida de
pretensión. Los retrasos de la capa interna pretensada
de la pérdidas de la capa externa por 0.61 m (2 pies) en
cada final de la zona de la pérdida de la
pretensión. Para el caso de caminado de la pérdida
de pretensión, la longitud de la perdida de
pretensión divulgada es el promedio de longitud de la
perdida de pretensión en las capas interiores y
exteriores.

Las cargas se aplican en la orden siguiente prevista
para representar la secuencia de la construcción: pretensión de la
presión, el peso de la tubería, la carga de
la tierra, el
peso del fluido, y la presión interna. Después de
que se aplique la carga entera, la pretensión se quita
incremental. En cada incremento, la carga se reduce en muchos
pasos. En la divulgación de los datos, la
fracción de pretensa pérdida quitada en cada
incremento se interpreta como la fracción de la longitud
del incremento de la pérdida de la
pretensión.

Para PCCP las cargas son iguales que para la
tubería concreta pretensada salvo que para cada longitud
de pretensión en la zona de la pérdida, la
presión interna se aumenta gradualmente y el comportamiento
de la tubería con los alambres quebrados se
evalúa.

Análisis

ABAQUS un programa no
linear de finite element se utiliza para el análisis. Se realiza el análisis
estáticamente hasta un punto de la no-convergencia y
después se continúa de este punto
seudo-dinámicamente. El análisis termina cuando el
modelo no
puede converger para ninguna pérdida adicional de
pretensión o aumento de la presión. La integración adicional señala a
través del grueso la leve mejora de la
convergencia.

No se espera que este análisis que capture la
fuerza que se
enclavija de la base concreta agrietada exactamente debido a un
acoplamiento más fino requerido para un cálculo de
arqueamiento del bloque según lo discutido por Zarghamee y
Ojdrovic (2001). La capacidad de arqueamiento del bloque de la
base externa agrietada puede ocurrir en las presiones menos que
ésos calculados por este modelo del finite-element.
También incluye efecto del suelo como presión
activa externa. Pues tal él es un modelo válido
cuando el derrame puede erosionar la resistencia del
suelo, pero es demasiado conservador para las tuberías
enterradas donde el derrame no precede para proceso de
ruptura.

Resultados
para una tubería concreta Pretensada de gran
diámetro No cilíndrica

Los resultados del análisis para una
tubería no cilíndrica de diámetro de 6.400
milímetros (252-in.) se demuestran en los cuadros 3 a 6.
La tubería tiene un grueso de base de 292
milímetros (11.5 pulg.). Se envuelve doble con 200
envolturas por el metro (60.6 envolturas por el pie) de alambres
de la galga 8 y tiene una presión de la
descompresión del kPa 950 (138 PSI). Se diseña
para3 m (10 pies) de cubierta y15 del kPade m (50pies) 145 (21
PSI) de la cabeza.

Sin cualquier pérdida de pretensión la que
la tubería experimenta alguna micro grieta longitudinal en
invertido, y leve ablandamiento extensible en el springline.
Ningún ablandamiento extensible longitudinal ocurre. Los
momentos y los empujes son sobre todo uniformes a lo largo de la
longitud de la tubería.

La seguridad de la
tubería sujetada a los pesos externos de la carga y de la
tubería y del líquido de la tierra y a la
presión interna del diseño
con la progresión de alambres quebrados se evalúa.
El análisis se realiza en ambas axisimetrica y rectangular
zonas de perdida de pretensión. Sin embargo, por brevedad
solamente los resultados para zona de la pérdida de
pretensión axisimetrica que se presentan abajo.

Mientras que la longitud de la pérdida de
pretensión aumenta en una zona de la pérdida de
pretensión axisimetrica, las grietas invertidas de la
tubería, reduciendo la capacidad del momento del
invertido. El exceso del momento que resulta de agrietarse en el
invertido se cambia de puesto al springline, de el cual entonces
se agrieta en la zona de pérdida de pretensión. La
tubería es apoyada por la capacidad del momento de la
corona y la capacidad restante del momento en el springline,
sobre todo las regiones sin agrietarse, fuera de la zona de la
pérdida de pretensión. Mientras que la capacidad
del momento del springline se excede, formando una segunda y
tercera bisagra, el momento se transfiere a la corona, que no
tiene suficiente capacidad del momento y se derrumba la
tubería.

Las desviaciones verticales de la corona concerniente al
invertido con respecto a longitud de pretensión de la zona
de pérdida para diversos modos de pérdida de
pretensión en tuberías de doble-envoltura se
muestran en el cuadro 3, y el aumento en la pretensión del
alambre con tensión respecto a la longitud de la zona de
la pérdida de pretensión que se demuestran en
figura 4. La pérdida simultánea de
pretensión en ambas capas y la perdida de la
pretensión recorrida muestran esencialmente el mismo
comportamiento. El caso de perdida de la pretensión
externa muestra un bajo
riesgo de la
ruptura de la tubería. Por motivo de brevedad, los
resultados siguientes son mostrados por el caso de la
pérdida de pretensión en solamente ambas
capas.

Desviación. La desviación
vertical aumenta exponencialmente con el aumento de la
pretensión de la longitud de la pérdida (cuadro 3).
Sin embargo, la magnitud de desviación adicional debido a
la pérdida de pretensión es pequeña y menos
de13 milímetros (el 1/2 pulg.).

Pretensión de la tensión del
alambre. Aumenta en los alambres con tensión
(cuadro 4) que alcanzan 138 MPa (20 ksi) que en
aproximadamente1.9 m (6.2 pies) de longitud de la pérdida
de pretensión. Más allá de esta longitud de
la pérdida, la tensión del alambre aumenta
rápidamente y alcanza 414 MPa (60 ksi) en2.2 m (7.1
pies).

Longitud de las grietas. Las tensiones
de la sección de pared de la tubería se muestran en
el cuadro 5 en el springline. Visibles grietas en invertido y el
springline ocurre en1.1 m (3.6 pies) y2.0 m (6.4 pies) de
pérdida de pretensión, respectivamente.

Choque de concreto. El choque del
concreto no ocurre. Sigue habiendo cerca de 64 milímetros
a 76 milímetros (2.5pulg.a 3pulg.) de la pared de la
tubería en la compresión y la tensión
compresiva máxima es 1328 de micro tensión, el 44%
de la tensión que se choca. Por lo tanto, el
análisis no demuestra el choque del concreto.

A través de la las grietas. Las
profundidades de la grietas de 376 milímetros (14.8 pulg.)
y de 358 milímetros (14.1 pulg.) existen en invertido y en
el springline, respectivamente, en el estado
convergido final con 2.3 m (7.7 pies) de la pérdida de
pretensión. La sección de pared de la
tubería nunca está en la tensión a
través de la profundidad entera (cuadro 5). Grietas
circunferenciales son de menor importancia.

Modo de fallo. Para el análisis
convergido pasado, con pretensión la longitud de la
pérdida de 2.3 m (7.7 pies), fuerzas y los momentos y las
tensiones en la pared de la tubería se calculan. El cuadro
6 demuestra las tensiones circunferenciales en las caras internas
y externas de la pared de la tubería. El cuadro 6
demuestra áreas de ablandamiento extensible y
localizaciones de grietas longitudinales en la pared de la
tubería. La falta de convergencia representa la
formación de un mecanismo inestable de cuatro-bisagras;
sin embargo, la fractura de los alambres de pretensión
adyacentes a la zona de la pérdida de la pretensión
ocurre entre1.9 m (6.2 pies) y 2.2 m (7.1 pies) de pérdida
de la pretensión y antes del derrumbamiento de la
tubería con la formación del mecanismo de las
cuatro-bisagras.

Resultados para una tubería concreta
Pretensada cilíndrica

Los resultados del análisis para un
diámetro de concreto pretensado cilíndrico de la
tubería 1.829 milímetros (72-in.) con una base de
133 milímetros (5.25pulg.), un cilindro de acero de 16
galgas, y 69 envolturas por el metro (21 envolturas por pie) se
demuestran en los cuadros 7 a 9. La presión de la
descompresión de la tubería es el kPa 1.165 (169
psi). La seguridad de la tubería se evalúa por 3 m
(10 pies) de la cubierta y variando las presiones internas con la
progresión de alambres quebrados y del aumento en la
longitud de la zona de la pérdida de pretensión. El
análisis se realiza por ambas zonas de la pérdida
de pretensión axisimetrica y rectangular. Sin embargo por
motivo de brevedad solo los resultados de las zonas de la
pérdida de pretensión axisimetrica se
presentan.

Desviación. Como el
tamaño de la zona de la pérdida de la
pretensión aumente, en una mano la tubería redondea
más en la acción
de las cargas de la gravedad, y por otra parte de ella tiende al
redondeo y se amplía mientras que la presión
interna aumenta. La combinación de estos efectos de
oposición que se muestran en el cuadro 7 mientras que la
desviación radial máxima de la tubería en el
springline con la presión interna para diversas longitudes
de la zona de la pérdida de pretensión. El cuadro 7
demuestra un aumento rápido en la desviación radial
de la tubería con el aumento de la presión y
longitud de la pretensión de la pérdida.

Pretensión de la tensión del
alambre. El cuadro 8 demuestra que un cambio de 138
MPa (20-ksi) en la tensión en los alambres adyacente a la
zona de la pérdida de la pretensión ocurre en las
presiones que son inverso proporcionales al número de
alambres quebrados. Un cambio de 413 MPa (60-ksi) en la
tensión del alambre no ocurre hasta después de que
se agriete completamente de la base y se rinda el cilindro de
acero.

Inicio de las grietas. El cuadro 8
demuestra que la presión que se agrieta de la base del
inicio disminuye rápidamente con el número de los
alambres quebrados, pero cuando el número de alambres
quebrados excede a los 50 (es decir, la longitud de
pretensión la zona de la pérdida excede 0.7 m (2.4
pies) el cambio en la presión que producen en las grietas,
es pequeño.

Longitud de las grietas. El cuadro 8
demuestra que cuando el número de alambres quebrados es
pequeño, ejemplo: menos de 80, hay una diferencia
significativa de la presión entre el inicio de agrietarse
y el inicio de las grietas estructuralmente (de 0.33
milímetros (13mil) longitud de las grietas). Sin embargo,
cuando el número de alambres quebrados excede de 80, la
tubería forma una grieta de 0.33milímetros (13-mil)
inmediatamente después del inicio de agrietarse. La
presión que produce las grietas de la estructura
(0.33 milímetros (13mil) en longitud) es inverso
proporcional al número de alambres quebrados.

Los patrones internos y externos que se agrietan de la
superficie de la base externa se demuestran en el cuadro 9. El
cuadro 9 demuestra las grietas longitudinales y diagonales con la
base externa. Las grietas circunferenciales se forman dentro de
la base externa cerca de la zona de la pérdida de la
pretensión y en el exterior de la base en el medio de la
zona de la pérdida de pretensión. Este
patrón que se agrieta da lugar al bloque que arquea
según las indicaciones del cuadro 10. La fuerza de
arqueamiento del bloque del concreto agrietado con este
patrón proporciona la parte de la resistencia de la
tubería a la ruptura final.

Tensión de acero del cilindro.
Sigue habiendo la tensión de acero del cilindro debajo de
la fuerza de la producción bien más allá de
la formación de las grietas estructurales (0.33
milímetros (13mil) en anchura). El cuadro 11 demuestra que
esa tensión principal en el cilindro de acero en la
presión del kPa 620 (90-psi) con1.8 m (6 pies) de la
pérdida de pretensión. El cilindro de acero ha
alcanzado la producción sobre la mayoría de su
superficie en la zona de la pérdida de la
pretensión. De hecho, la tensión es bastante grande
como para causar endurecimiento de tensión. Observe que la
tensión en el cilindro de acero no es axisimetric y la
tensión máxima de cerca de 1 por ciento ocurre en
el cilindro de acero cerca del springline. La tensión de 1
por ciento está lejos de la fuerza de la ruptura de la
tensión del 20% del cilindro de acero sin corrosión. Para alcanzar la última
fuerza de la tubería, la fuerza de arqueamiento del bloque
de la base concreta externa debe ser superada. La fuerza de
arqueamiento del bloque de la base se asocia generalmente a las
tensiones que están perceptiblemente debajo de la
última tensión del cilindro de acero, solamente
más que su tensión de la
producción.

Choque de concreto. El choque de
concreto ocurre circunferencialmente en la cara externa de la
base externa en el borde de la zona de la pérdida de
pretensión en el springline. La tensión compresiva
limitadora de 0.003 (según ACI 318-99) ocurre en las
presiones demostradas en el cuadro 8 por longitudes diferentes de
la zona de la pérdida de pretensión.

Modo de fallo. Cuando una
tubería con algunos alambres quebrados se sujeta a la
presión interna suficientemente alta, las grietas finas se
comienzan a formar. Mientras que la presión o el
número de alambres quebrados aumentan, las grietas
penetran con la base externa del concreto. Con la presión
creciente, las longitudes de las grietas en la superficie interna
de la base externa alcanzan 0.33 milímetros (13 mil) que
forman qué se conoce aquí como grietas
estructurales. Con grietas estructurales de la base externa, el
cilindro de acero ya no es protegido por base concreta y esta
expuesto al ambiente
corrosivo del suelo. La tensión en el cilindro de acero a
este punto puede estar bien debajo de la fuerza de la
producción del cilindro de acero. Con la presión
del aumento las longitudes de la grieta y la tensión en el
aumento de acero del cilindro rápidamente. El
patrón que se agrieta no es necesariamente rectangular,
sino puede estar en una de las formas demostradas en el cuadro
10. La última fuerza de la tubería se alcanza
cuando la presión interna excede la resistencia de la
fuerza de arqueamiento del bloque de la base externa agrietada.
En el nivel de arqueamiento de la tensión del bloque, el
cilindro está debajo de su última fuerza. Por lo
tanto, la corrosión de menor importancia del cilindro de
acero tiene poco efecto, pero la corrosión significativa
causa a reducción drástica de la fuerza la
tubería.

Conclusiones

Un análisis no lineal del finite-element de la
tubería concreta pretensada de la presión sujeta a
los efectos combinados de la presión interna, los pesos de
la tubería y del líquido y la carga de la tierra
cuando pierde pretensión debido al número
gradualmente de aumento de alambres quebrados se desarrolla. El
modelo incorpora una relación no linear del stress-strain
para el concreto que incluye las no linealidades debido al choque
compresivo, al ablandamiento extensible y a las
grietas.

Los resultados del análisis demuestran los
patrones de la grieta, longitud de la grieta, profundidad de la
grieta, desviación de la tubería, cambio en la
tensión en los alambres, y el choque de concreto como una
función
de longitud de la pérdida de pretensión. Los
resultados del análisis para una tubería de gran
diámetro no cilíndrica con la presión
interna baja demuestran que el modo de fallo final de la
tubería está ciertamente en la forma de
progresión de las roturas del alambre debido al aumento en
las tensiones en los alambres, en vez del choque de concreto o
derrames importantes. Los resultados del análisis para un
diámetro más pequeño de PCCP sujeto a una
demostración que fuerza el enclavijarse de la base externa
agrietada y fuerza del cilindro del acero de la última,
más bien que progresión de la fractura del alambre,
gobierna la fuerza de la tubería. Para la tubería
con el mayor número de las roturas del alambre, grietas
estructurales pueden ocurrir exponiendo el cilindro de acero a
los ambientes corrosivos del suelo, que pueden dar lugar a un
derrame y a la falta prematura del cilindro de acero.

Los resultados de tales análisis finite element
se utilizan para validar los criterios y los procedimientos de
la ingeniería usados para el análisis
de riesgo y de la determinación de las prioridades para la
reparación de tuberías con los alambres quebrados y
para la comparación con la prueba de la
confirmación de la tubería con los alambres
quebrados.

Reconocimiento

El trabajo
investigado en este papel ha sido patrocinado por el grupo de
usuario de PCCP y el proyecto central
del Arizona.

Referencias

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(ACI 318-95) (1995), Reported by ACI Committee 318, Ch.
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