Calculo Emisario Submarino Anejos_9_17

Proyecto de emisario de Gorliz. Tramo submarino

ANEJO N 9: JUSTIFICACIN DE LA SOLUCIN ADOPTADA


NDICE

1.

DESCRIPCIN DE LA TUBERA EMPLEADA 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. Introduccin Propiedades del material Propiedades de la tubera de polietileno Definicin de la tubera

2. 3. 4.

DESCRIPCIN DEL TRAZADO LASTRADO DE LA TUBERA PROTECCIONES 4.1. 4.2. Clculo del tamao del filtro Dimensionamiento de protecciones de escollera

5.

SECCIONES TIPO

P0720-SR-PBC-A09001-V02.doc

Anejo n 9 Justificacin de la solucin adoptada


1. 1.1.

DESCRIPCIN DE LA TUBERA EMPLEADA Introduccin

La amplia gama de dimetros de tuberas disponible, las diferentes opciones a escoger entre distintas presiones de servicio para las que se fabrican y la diversidad de materiales plsticos empleados en su fabricacin facilitan al proyectista la labor, pudiendo acogerse a un amplio abanico de clases de tubera, adecuada al caso concreto de la instalacin proyectada y del fluido.

En este emisario se siguen los criterios que aseguren que las conducciones se realicen con toda garanta de funcionalidad y duracin, teniendo en cuenta las peculiaridades de la obra, en la que se ejecutar un tnel por el que se introducir la tubera mediante tiro.

1.2.

Propiedades del material

Aunque las propiedades de este material varan segn los mtodos de obtencin, en general este plstico es slido, incoloro, translcido, termoplstico, graso al tacto y blando en pequeos espesores, siempre flexible, inodoro, no txico, se descompone a unos 300C. Es menos denso que el agua.

Sin la ayuda de plastificantes, se reblandece a 115 C, pero hay que sealar que su punto de difusin est muy prximo al de reblandecimiento, particularidad que se atribuye a su grado de cristalinidad, que se estima en un 70% a temperatura ordinaria. Es afectado por la accin nociva del oxgeno durante una exposicin prolongada a la intemperie, lo que se traduce en un endurecimiento y disminucin de sus propiedades. Ello hace necesario el uso de antioxidantes, cuando su empleo posterior hace temer esta degradacin. Por suerte, los antioxidantes (los mismos que para los cauchos) son de absoluta eficacia durante un tiempo muy prolongado.

Es extremadamente poco sensible al agua, incluso hirviendo y a la humedad, de la cual absorbe menos de un 0,005%. Piezas moldeadas y sumergidas durante 7 das en agua, no experimentaron aumento alguno de peso. Esta cualidad la conserva incluso a altas temperaturas. La pelcula de polietileno, en este aspecto, es comparable a la del caucho clorado y muy superior al caucho natural y celulosa, por lo que fue empleada con sorprendente xito en los trpicos durante la guerra.

Cualquiera de los tipos es totalmente inerte a los disolventes y a ciertos plastificantes.

Entre 60 y 70C empieza a disolverse en benceno, xileno, tolueno, tricloroetileno, tetracloruro de carbono y aceites lubricantes minerales.



1


La siguiente relacin entre solubilidad y temperatura, frente al xileno, puede servir de ejemplo tpico:

Temperatura 20C 68,5C 69C 78C

Solubilidad 0,008% 0,25% 0,96% 10,2%

La resistencia a la corrosin es muy elevada. Cintas delgadas de polietileno, sumergidas durante unas horas a 100C en cido ntrico y clorhdrico concentrado y 50% de sosa custica, no presentan alteracin alguna.

Los halgenos y el azufre se difunden a travs de l. En cambio tiene excelente resistencia ante el flor y cido fluorhdrico.

Tanto el PE como sus derivados son los plsticos ms inertes que se conocen frente al atraque de los agentes qumicos.

Su resistencia ante la luz y el calor puede mejorarse por adicin de negro de carbono, tal y como se hace en la tubera elegida para el emisario de Gorliz.

Presenta la particularidad de orientarse por estiramiento y cuando se llega a un 400%, esta orientacin es irreversible.

Posee un elevado coeficiente de dilatacin trmica y bajo factor de prdidas dielctricas.

A bajas temperaturas, como se ha dicho, el polietileno conserva su flexibilidad, si bien va hacindose cada vez ms rgido. Plastificado con poliisobutileno aumenta el lmite de utilizacin a bajas temperaturas, otra de las razones que dan a este material un puesto preeminente en el campo electrnico.

Describimos algunas de las propiedades exigibles a las resinas de PE para ser utilizadas en la fabricacin de tuberas.

-

Resistencia al agrietamiento bajo tensin (ESCR) stress-cracking Resistencia a la deformacin a tensiones elevadas, a 20CAnejo n 9 Justificacin de la solucin adoptada 2



-

Resistencia a la traccin Adecuadas para la soldadura

En este caso, el material elegido para la tubera es el PE-50.

1.3.

Propiedades de la tubera de polietileno

Las tuberas de PE (polietileno) presentan ventajas frente a las fabricadas con otros materiales tradicionales. De forma general, pueden especificarse como:

Inertes Inodoras Inspidas Inoxidables Atxicas Insolubles Inalterables: A la accin de terrenos agresivos y del mar, incluso de suelos con alto contenido de yeso o zonas de infiltraciones peligrosas. Resistentes: A la mayor parte de agentes qumicos, tales como lcalis, aceites, alcoholes, detergentes, lejas, etc, excepto disolventes. Bajo factor de friccin: Las paredes del tubo pueden considerarse hidrulicamente lisas y ofrecen una resistencia mnima a la circulacin del fluido, produciendo prdidas de carga inferiores a las de las tuberas de materiales tradicionales. Baja conductividad elctrica: Son insensibles a las corrientes subterrneas vagabundas y telricas. No admiten incrustaciones: Manteniendo constante su seccin original, lo cual reduce las prdidas hidrulicas a largo plazo. Esta propiedad es muy interesante en el medio marino, ya que no se producirn incrustaciones de mejillones, algas y otra fauna acutica en la tubera, lo cual mejorar su comportamiento. Bajo valor de sus mdulos elsticos: Logrando valores de celeridad bajos, que reducen las sobrepresiones por golpes de ariete, en comparacin con otros materiales. Ello, adems, facilita su colocacin por el mtodo de fondeo progresivo por inundacin controlada. Coeficientes de dilatacin elevados: Que no afectan a las instalaciones de PE. Duraderas: Vida til superior a 50 aos, con un coeficiente residual de seguridad al alcanzar este tiempo. Ligeras: Sensiblemente ms ligeras que el aluminio, facilitando el transporte y montaje en medios tan agresivos como el mar.



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Aislante trmico: Esta propiedad no es necesaria en nuestro emisario, aunque la citemos. Disminuyen el peligro de heladas de los lquidos de las canalizaciones. En las tuberas de PE, caso de helarse el agua de su interior, el aumento de volumen provoca un incremento de dimetro, sin llegar a romperse, recuperando despus del deshielo el dimetro original.

1.4.

Definicin de la tubera

La tubera finalmente proyectada viene definida por los condicionantes y recomendaciones que nos imponen las empresas de perforacin horizontal dirigida, que nos solicitan que las tuberas presenten un SDR 17, lo que nos condiciona todos los parmetros relacionados. Por ello las tuberas proyectadas quedarn definidas de la siguiente manera.

El emisario submarino principal se trata de una conduccin de polietileno PE100 SDR 17 de 710 mm de dimetro exterior y una longitud total de 1073 m.

Los datos del tubo empleado son:

Material: Polietileno de alta densidad PE100 exterior = 710 mm Espesor de pared slida: 42,1 mm ECP (mdulo de elasticidad a corto plazo t = 0) = 105.000 t/m2 EMP (mdulo de elasticidad a medio plazo t = 6 h) = 40.000 t/m2 ELP (mdulo de elasticidad a largo plazo t = 50 aos) = 15.000 t/m2 Densidad Tubo = 0,95 t/m3

Para la zona en la que el tubo se apoya sobre el fondo (93 m finales):

Peso adicional sumergido (recomendado) debido a los lastres= 25 % del empuje total de la tubera vaca. Como veremos posteriormente, este valor se podr variar en funcin de los medios y los plazos de la empresa constructora.

La mxima profundidad de fondeo es la que se indica a continuacin:

Punto de cambio de seccin tipo (conexin con el tramo perforado), -24,15 m Punto final del emisario, -25,09 m

El emisario de alivio es una conduccin de polietileno PE100 SDR 17 de 800 mm de dimetro exterior.



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Los datos del tubo empleado son:

Material: Polietileno de alta densidad PE100 exterior = 800 mm Espesor de pared slida: 47,4 mm ECP (mdulo de elasticidad a corto plazo t = 0) = 105.000 t/m2 EMP (mdulo de elasticidad a medio plazo t = 6 h) = 40.000 t/m2 ELP (mdulo de elasticidad a largo plazo t = 50 aos) = 15.000 t/m2 Densidad tubo = 0,95 t/m3



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2.

DESCRIPCIN DEL TRAZADO

El emisario submarino se proyecta para evacuar las aguas residuales de la cuenca baja del Butrn, una vez tratadas en la EDAR de Grliz, permitiendo el vertido de dichas aguas al mar cumpliendo los objetivos de calidad en el medio receptor.

A partir del anlisis ambiental realizado por la Universidad de Cantabria y de los condicionantes impuestos por la geologa de la zona, se ha optado por una solucin formada por:

Un emisario principal desde la cmara de carga. Un emisario de emergencia.

Ambos emisarios se ejecutarn en perforacin dirigida en la mayor parte de su longitud, mientras que su tramo final se ejecutar mediante una tubera en zanja. En ambos casos la tubera de PE se colocar en el fondo mediante fondeo controlado por inundacin progresiva.

El mtodo de ejecucin y el trazado propuesto logran que la afeccin medioambiental sea mnima, puesto que el emisario discurre en tnel hasta que desemboca en el mar a gran profundidad. Esto permite evitar la salida por la baha de Plencia, de gran sensibilidad ambiental y con gran afluencia de pblico a las playas en perodo estival (que es el nico en el que se pueden ejecutar los trabajos marinos). Adems se evita parcialmente la zona ms expuesta al oleaje y los bajos del acantilado (sobre todo, en el emisario principal), optimizando la proteccin y aumentando su durabilidad.

A continuacin se muestra un esquema de los emisarios, que discurren en una direccin SO-NE.



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3.

LASTRADO DE LA TUBERA

Para evitar que las corrientes marinas y el oleaje produzcan movimientos indeseados en la tubera una vez que ha sido fondeada, es necesaria la colocacin de un lastrado que permita que se mantenga la posicin del emisario hasta que se proceda a su recubrimiento con escollera.

Segn los estudios realizados en esta zona del mar Cantbrico, se recomienda un lastrado del 25%, que podra ser optimizado por la empresa constructora que realice las obras, en funcin de la poca del ao en que se realicen los trabajos y de la duracin de la fase en que el emisario estar sin tapar con escollera. Este porcentaje de lastrado deber ser estudiado en el proyecto constructivo, ya que variar en funcin de la planificacin de obra propuesta por el constructor.

Para ello, en este proyecto bsico se han definido unos lastres de hormign armado, cuyo peso es de 1.336 kg en el aire, y que se dispondrn distanciados en 7,5 metros (ver plano de definicin de lastres).



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4. 4.1.

PROTECCIONES Clculo del tamao del filtro

Con objeto de que la tubera de PEAD no sufra ningn dao por punzonamiento o rayados, se recomienda que el material que est en contacto con la tubera tenga un dimetro pequeo. Se ha optado por un tamao mximo de 50 mm.

Para que esta grava no se escape entre los huecos dejados por la escollera, se coloca un filtro intermedio, cuyo tamao y espesor cumple con las condiciones de Terzaghi.

A continuacin se muestran los clculos realizados como comprobacin de los tamaos elegidos en este proyecto bsico, y representados en los planos.

Se ha empleado un programa de clculo de elaboracin propia, denominado Filtro, en su versin r1, que se describe a continuacin, junto con su modo de funcionamiento.

4.1.1.

Objetivo del clculo

La hoja de clculo Filtro_r1.xls es una hoja que permite el clculo del peso del material de los filtros de un dique en talud o de cualquier otra estructura en la que sea necesaria la colocacin de varias capas de material granular de diferentes tamaos y espesores.

El programa utiliza dos mtodos para el clculo de los pesos y dimetros, uno basado en el criterio de Terzaghi y el segundo a partir de lo expuesto en el Shore Protection Manual. Nosotros emplearemos el mtodo propuesto por Terzaghi. En ambos modelos se parte de las consideraciones del dimetro que deja pasar un % del material, tomndose como valores de referencia el D15, D85, D50, representando el dimetro que deja pasar el 15%, el 85% y el 50% respectivamente. Estos parmetros estarn acompaados de los superndices f y g, que representarn la capa de partculas ms pequeas y ms gruesas respectivamente.

La formulacin utilizada ha sido la obtenida, para el caso de material granular, del Libro de Jimnez Salas, Geotecnia y Cimiento III.

La relacin entre estos parmetros proporcionar las caractersticas de los filtros que hay que instalar para evitar la migracin de finos de una capa hacia la siguiente.



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Las unidades de estos valores estn en toneladas y en metros para pesos y dimetros respectivamente. La densidad est en T/m3.

El anlisis del filtro de una escollera por Terzaghi proporciona los valores mnimos del peso de la escollera para evitar la migracin del material ms fino a travs del ms grueso.

Adems se establece una limitacin que permite que la permeabilidad aumente en una relacin suficiente para que la prdida de carga tenga lugar en la capa de grano fino, quedando la de partculas gruesas a la presin atmosfrica. En este caso evidentemente esto no es de aplicacin.

Las condiciones de filtro deben garantizarse para cualquier capa, respecto de la inmediatamente superior, y as se ha realizado en este proyecto, teniendo siempre en cuenta que el material del ncleo no puede superar los 50 mm de tamao, dado que, de lo contrario, se podra daar el tubo de PEAD.

4.1.2.

Resultados de los clculos

En la siguiente tabla presentamos los resultados de los clculos realizados del tamao de filtro necesario bajo la escollera a partir del tamao del ms grueso, llegndose hasta el tamao del ncleo.

En sombreado (amarillo) estn las celdas donde se introducen los datos de entrada.

OPTIMIZACIN DE CAPAS Densidad material= 2,6 Tm/m3 CAPA SIGUIENTE INFERIOR

Clculos segn criterios de Terzaghi Peso W50 (Tm) D50 (m) Espesor capa W85 (Tm) 1,50000 0,03000 D85 (m) W15 (Tm) 0,8324 0,2259 0,50000 0,01000 D15 (m) D85/D1 5

D50min W50min

MANTO 1,00000 0,7272 1,4547 FILTRO 0,02000 0,1974 0,3948

0,5772 1,4422 0,02909 0,00006 0,1566 1,4422 0,00790 0,00000

Como se puede comprobar, los filtros cumplen sobradamente con las condiciones. En el caso de la grava, tambin cumplir en el caso de que su D50 sea mayor de 10 mm. Como se ha impuesto que su tamao no sea mayor de 50 mm, hay margen para cumplir con estas condiciones.



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Como ya hemos comentado, no se comprueba aqu la condicin de D50 mximo ya que en la proteccin de un emisario, como las diferencias de presiones son bajas, no tiene trascendencia. Al limitar los valores de W85 y W15, los materiales no podrn presentar una gran dispersin (Cu). 4.2. Dimensionamiento de protecciones de escollera

Como parte de los trabajos previos a la modelizacin del vertido, el Instituto de Hidrulica Ambiental de la Universidad de Cantabria proces los datos de corrientes y mareas obtenidos en la campaa oceanogrfica y determin el oleaje de diseo y el tamao de escollera necesario. A continuacin se incluyen los clculos realizados.

4.2.1.

Establecimiento del oleaje de clculo

El conocimiento del clima martimo de la zona de tendido del emisario submarino constituye un aspecto fundamental a la hora de analizar su estabilidad y dimensionar las protecciones del mismo, y de definir su proceso constructivo. En este sentido se debe determinar el rgimen extremal de oleaje, al objeto de establecer la altura de ola mxima que puede incidir con una cierta probabilidad sobre el emisario, tanto en el proceso de fondeo, como a lo largo de su vida til.

A continuacin se determina el oleaje de diseo, o altura y periodo de la ola mxima asociada a la vida til prevista para el emisario.

La altura de ola de clculo se ha establecido siguiendo las normas especificadas en la ROM.02-90 "Acciones en el proyecto de obras martimas y portuarias" (clculo de la vida til, riesgo mximo admisible y perodo de retorno).

El paso previo para abordar cualquier diseo es establecer el perodo de retorno para el que la estructura en cuestin debe ser construida.

4.2.1.1. Periodo de retorno

De acuerdo con la ROM.02-90 "Acciones en el proyecto de obras martimas y portuarias", la eleccin de este valor debe efectuarse para cada tipo (obra rgida o deformable) y fase de proyecto (construccin o servicio), teniendo en cuenta el nivel de seguridad requerido por el carcter especfico de la obra. Para ello es necesario especificar dos variables: la vida til de la estructura y el riesgo mximo admisible.



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El perodo de retorno que determina la altura de diseo es funcin de la vida til prevista para la estructura en cuestin.

De acuerdo con la ROM.02-90, la vida til se establece, para cada proyecto, siguiendo las pautas recogidas en la Tabla 2.2.1.1 de la citada publicacin, la cual, con el fin de facilitar su consulta, se ha incluido, con la misma numeracin, en el presente trabajo (Figura 1. ).

Figura 1.

Vidas tiles mnimas para obras o instalaciones de carcter definitivo.



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Segn la leyenda que incluye esta tabla, la obra objeto de estudio puede considerarse como obra de infraestructura general de nivel 2, por lo que la vida til mnima admisible es de Lf = 50 aos. Una vez fijada la vida til queda por establecer el riesgo mximo admisible que, siguiendo la normativa, debe calcularse para cada tipo (rgida o deformable) y fase (en construccin o servicio) del proyecto.

Para la fase de servicio el nivel de riesgo se calcula de acuerdo con la Tabla 3.2.3.1.2. de la citada publicacin, correspondiente a la Figura 2. del presente informe.

Figura 2.

Riesgos mximos admisibles para la determinacin, a partir de datos estadsticos, de

valores caractersticos de cargas variables para fase de servicio y condiciones extremas.



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As, si se trata de una obra deformable, el riesgo se fijar con el criterio de iniciacin de averas (a), mientras que si es una obra rgida se utilizar el criterio de destruccin total (b).

Independientemente del tipo de estructura, la utilizacin de las tablas de la figura 39 requiere establecer la posibilidad de prdidas humanas y la repercusin econmica en caso de inutilizacin de la misma.

Para el tipo de obra que nos ocupa, obra de infraestructura general de nivel 2, la posibilidad de prdidas humanas es reducida y la repercusin econmica en caso de inutilizacin de la obra ha sido considerada, en primera aproximacin, moderada.

Para obtener un valor ms realista es preciso estimar, de acuerdo con la tabla, el ndice r definido como:

r=

Coste de prdidas directas e indirectas InversinBAJA MEDIA ALTA

r 20

para lo cual es preciso efectuar un estudio econmico, lo que se sale totalmente del contexto del presente estudio.

De esta forma, considerando una posibilidad de prdidas humanas reducida y una repercusin econmica media, los riesgos mximos admisibles que se obtienen para la fase de servicio son: E = 0.30 (estructura flexible).

Una vez fijada la vida til y el riesgo mximo admisible el perodo de retorno se calcula a travs de la ecuacin:

L f 10

1 E = 1 - 1 - R

Lf

(ROM 0.2 - 90 pag.65)

que, para R altos puede aproximarse como:

E = 1 - exp [- L f / R]P0720-SR-PBC-A09001-V02.doc Anejo n 9 Justificacin de la solucin adoptada 14


y despejando

R = -

Lf aos ln (1 - E)

de donde se obtienen los perodos de retorno de diseo para los distintos tipos de estructuras.

R=

50 = 140 aos (deformable) ln (1 - 0.30 )

4.2.1.2. Determinacin del oleaje de diseo.

Para la determinacin del oleaje en la zona correspondiente al periodo de retorno anterior se dispone de la informacin recogida en la ROM.03-91 "Oleaje". En la Figura 3. se recogen los datos incluidos en dicha publicacin para la zona en la que se enmarca el rea de estudio.

El rgimen extremal escalar proporcionado en el grfico D de la Figura 3. se basa en los registros instrumentales escalares de las boyas de Bilbao y Gijn (ver Figura 4. ) Con base en este grfico se obtiene que la altura de ola significante (Hs) correspondiente a un periodo de retorno de 140 aos es de unos 10 metros, con un periodo de pico asociado (calculado a partir de la expresin ajustada para la boya de Bilbao) de aproximadamente 18 s. La altura de ola mxima de clculo ser, Hmx = 1,8 x Hs = 18 m.

Sin embargo, puesto que la profundidad del fondo marino en el tramo final de la tubera es del orden de unos 21 m (con respecto al NMM local), la ola anterior habra roto antes de llegar a alcanzar dicha zona. No en vano, la mxima ola que puede desarrollarse en la zona de vertido de la tubera submarina es de 0,78 x 21 = 16, 4 m, a la que corresponde una altura significante de 9,1 m. Para esta ola, puede suponerse un periodo similar al indicado anteriormente.



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Figura 3.

Informacin de oleaje para la zona de estudio (ROM.03-91 "Oleaje").



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Figura 4.

Regmenes extremales de oleaje en la costa cantbrica (ROM.03-91 "Oleaje").

4.2.2.

Tamao de escollera necesario

El grado de estabilidad de las piezas de proteccin necesarias puede estimarse empleando diversas formulaciones. Entre ellas cabe destacar las formulaciones de inicio de movimiento, para las que la estabilidad viene definida por el ratio entre las fuerzas estabilizadoras (gravedad) y las desestabilizadoras (esfuerzos cortantes).

El inicio de movimiento es un problema que ha sido tratado por diversos autores, dando formulaciones que relacionan parmetros del material (densidad y dimetro) con parmetros del oleaje (amplitud del movimiento y periodo).

Para el caso de escolleras sometidas a la accin del oleaje, van Rijn (1993) propuso:



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crit =donde

b ( s ) gD

crit es el parmetro de inicio de movimiento de Shields2 b = 14 f w u b

es la tensin cortante del oleaje

0 ,19 Ab es el coeficiente de friccin f w = exp 6 + 5,2 k s

Ab es la amplitud del movimiento en el fondo (ub/w) Ks es la rugosidad de lecho D es el dimetro de las piezas s es la densidad de las piezas En la Figura 5. se muestran las curvas que definen el inicio de movimiento y suspensin del material del fondo para el caso de fondo plano. En l puede apreciarse que la curva de Shields resulta poco conservadora, habindose medido el movimiento frecuente o permanente de partculas del lecho.

Figura 5.

Inicio de movimiento y suspensin para una corriente sobre fondo plano, Delft Hydraulics (1972). Fuente: Van Rijn (1993).



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Para el clculo del tamao de las escolleras de proteccin se ha obtenido la velocidad inducida por el oleaje en el fondo a partir de la teora lineal de ondas de Airy.

Para la aplicacin de la formulacin de Van Rijn (1993) se ha considerado un valor de la rugosidad del fondo de k s = 1,75D90 y un parmetro de inicio de movimiento de 0.04, con lo que se tiene un peso de escollera de unos 1.000 kg.

Adems, debe tenerse en cuenta la conveniencia de proteger adecuadamente los tubos elevadores, frente a posibles impactos.



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5.

SECCIONES TIPO

En el emisario proyectado existen tres secciones tipo diferenciadas;

-

La tubera en el interior del tnel. La tubera en zanja, protegida por escollera. La tubera en zanja con los tubos elevadores, protegida con la misma escollera.

La seccin tipo definida por la tubera en el interior del tnel se compone simplemente del tubo de PE dentro del mismo, creada por el equipo de perforacin, y presentar un sobreancho en donde se inyectarn productos para minorar el rozamiento con las paredes durante el proceso constructivo. Este espacio ser hormigonado con lechada, cuando la tubera ya haya sido introducida.

La seccin tipo de la tubera en zanja protegida por la escollera presenta cuatro tipos distintos de material protegiendo al tubo; grava, filtro, escollera, y relleno con material procedente del dragado.

El espesor de la capa de gravas es variable en funcin de la profundidad de la rasante. Esta grava tendr un tamao mximo de 50 mm. Este tamao garantiza que no se produzcan daos en la tubera durante su vertido y el de la escollera. La grava en su coronacin deber tener una anchura mnima de 2 m.

RELLENO CON MATERIAL PROCEDENTE DE DRAGADO

1,700

ESCOLLERA W50= 1000 kg 2 1

2 1

2,000 0,500

4 1

4 1

FILTRO W50= 20 kg

GRAVA

1 1 1

V 1 ENRASE TUBO P.E.A.D. e710 mm 2,000

SECCIN TIPO 1ESCALA 1:50

La capa de filtro tendr un grosor de 0,5 m, y una W50 de 20 Kg. Esto evitar la migracin de la grava, y servir de apoyo a la proteccin con escollera.



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La capa de escollera presentar un grosor de 1,7 m y una W50 de 1.000 Kg. El talud que forma la escollera y el creado por el dragado de la zanja generar una depresin que se rellenar con material procedente del dragado, de tal manera que el lecho marino presente la misma batimetra que tena en un principio. Esto no es estrictamente necesario, porque el perfil del fondo tender a igualarse con el tiempo, aterrndose esta zona de manera natural, por la propia dinmica litoral. A pesar de ello, nos parece conveniente, desde el punto de vista medioambiental, poder restituir el lecho marino para minimizar la afeccin producida, con la ventaja aadida, de poder reutilizar el material procedente del dragado, evitando vertidos en zonas artificiales, y regenerando la situacin de partida.

La seccin tipo que presenta la zanja con los tubos elevadores es muy similar a la anterior, con la nica salvedad de la presencia de los tubos elevadores y bocas de salida, que obligan a una ejecucin ms cuidada (especialmente, en la colocacin de la escollera).

RELLENO CON MATERIAL PROCEDENTE DE DRAGADO

TUBO ELEVADOR

2 1

5,053

1,700

ESCOLLERA W50= 1000 kg 2 1

2,000 0,500

4 1

4 1

FILTRO W50= 20 kg

GRAVA

1 1 1

V 1 ENRASE TUBO P.E.A.D. e710 mm 2,000

SECCIN TIPO 2: ZONA DE DIFUSORESESCALA 1:50



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ANEJO N 10. CLCULOS HIDRULICOS


NDICE

1. 2.

INTRODUCCIN ANLISIS DEL FUNCIONAMIENTO HIDRULICO DEL EMISARIO SUBMARINO 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. Datos de partida Planteamiento del anlisis Anlisis del caso 1 Anlisis del caso 2 Anlisis del caso 3

APNDICE 1:DESCRIPCIN DEL MODELO HIDRULICO EPANET


Anejo n 10 Clculos hidrulicos


1.

INTRODUCCIN

El objeto del presente anejo es analizar el funcionamiento hidrulico de los dos emisarios submarinos y sus efectos sobre el tramo final del emisario terrestre, para los dimetros y caudales de diseo elegidos.



1


2.

ANLISIS DEL FUNCIONAMIENTO HIDRULICO DEL EMISARIO SUBMARINO

2.1. 2.1.1.

Datos de partida Configuracin del sistema

Como se explica en otros anejos del presente proyecto, por motivos de economa y seguridad se ha optado por un sistema compuesto por dos emisarios, uno principal y uno de emergencia, que arrancarn de una misma cmara de carga situada al final del emisario terrestre: El emisario principal tendr una longitud total de 1.040 metros desde la salida de la cmara de carga. Esta longitud corresponde a 1.022 metros de conduccin propiamente dicha hasta el comienzo del tramo difusor y 18 metros de tramo difusor, y supone que el vertido se realiza a una distancia de 700 metros desde la lnea de costa. Segn se explica en el Anejo n 7: Comparacin ambiental de las alternativas, esta distancia es suficiente para evitar toda afeccin a las playas incluso en caso de fallo de la desinfeccin en la EDAR. En cuanto a las caractersticas de la tubera necesaria, en el Anejo n 6: Caudales de diseo se ha justificado la eleccin de una tubera de polietileno PE100 de PN-10, con un dimetro nominal de 710 mm y un dimetro interior de 625,8 mm. El emisario de emergencia tendr una longitud de 163 metros desde la lnea de costa (463 metros desde la cmara de carga), y no llevar difusores. El punto de vertido elegido es el que menor riesgo supone para las playas, de acuerdo con los resultados de la modelizacin, aunque, naturalmente, ni la distancia a la costa ni la profundidad de vertido son suficientes para evitar los impactos en las playas en caso de que fallase la desinfeccin y todo el caudal punta desaguara por el emisario de emergencia. Respecto a la tubera, se ha elegido una tubera de polietileno PE100 de PN-10, con un dimetro nominal de 800 mm y un dimetro interior de 705,2 mm. La idoneidad de este dimetro se comprobar en el apartado 2.3.2 de este anejo. El objetivo de esta configuracin es que durante la mayor parte del tiempo los caudales desagen por el emisario principal. El emisario de emergencia, por su parte, nicamente debera entrar en funcionamiento en dos casos: cuando el emisario principal quede fuera de servicio por avera o por necesidades de mantenimiento, o en pocas de fuertes precipitaciones, cuando se produzcan grandes alivios de aguas pluviales en el bombeo de Gasatxas y en la cabecera de la EDAR.



2


2.1.2.

Caudales de diseo

Segn se explica en el Anejo n 6: Caudales de diseo, se han estudiado los caudales que llegan a la cmara de carga y se ha determinado el caudal ptimo para el diseo del tramo submarino en funcin de la energa disponible para el desage y de la frecuencia y volumen de los alivios por el emisario de emergencia. Como resultado de estos anlisis se lleg a los siguientes valores: Caudales que llegan a la cmara de carga a lo largo del ao medio (1996):

Caudal mnimo Caudal medio Caudal superado el 5% del tiempo Caudal mximo

11 l/s 91 l/s 151 l/s 793 l/s

Caudal mximo desaguado por el emisario principal: 343 l/s.

2.2.

Planteamiento del anlisis

A la hora de analizar el funcionamiento del sistema se han considerado tres casos que se describen a continuacin: El caso n 1 sera la situacin habitual, en la que todo el caudal circula por el emisario principal, sin que lleguen a producirse alivios por el emisario de emergencia. La mxima altura de energa en la cmara de carga vendr determinada por la cota del labio del vertedero que desagua hacia el emisario de emergencia. A su vez, esta altura de energa limitar el caudal que se puede desaguar por el emisario principal para un determinado dimetro y con una determinada cota de marea. En este caso, el anlisis ha consistido en el clculo del mximo caudal que puede desaguar por el emisario principal en las condiciones ms desfavorables, que corresponden al momento de la pleamar viva equinoccial. El caso n 2 correspondera a una situacin de avera o de reparaciones en el emisario principal, en la que todo el caudal circula por el emisario de emergencia. Para poder desaguar, tanto la cmara como el ltimo tramo del emisario terrestre tendrn que funcionar en carga, de modo que se garantice una



3


altura de energa suficiente para compensar la cota de marea y las prdidas de carga en el emisario de alivio. Esta altura de energa deber ser tal que no se ponga en carga el bombeo de Gasatxas. En este caso, el anlisis ha consistido en el clculo de la altura de energa de que deber disponerse en la cmara de carga para desaguar el caudal mximo (793 l/s) contra la pleamar viva equinoccial, y en la comprobacin de los efectos producidos en el resto de la red. El caso n 3 correspondera a una situacin de fuertes lluvias, en la que el caudal que llega a la cmara de carga supera la capacidad del emisario principal. A partir de cierto momento, el exceso de caudal se aliviar por encima del tabique que divide la cmara, y saldr por el emisario de emergencia. En este caso, el anlisis ha consistido en el clculo de la sobreelevacin en el vertedero y del reparto de los caudales entre las dos conducciones, para el caso de caudal mximo (793 l/s) y pleamar viva equinoccial.

2.3. 2.3.1.

Anlisis del caso 1 Metodologa

La determinacin de las prdidas de carga en los diferentes puntos singulares del sistema (puntos de aportacin y cambios de tuberas) se ha llevado a cabo con el modelo de clculo matemtico EPANET 2.0, desarrollado por la Divisin de Recursos Hdricos y Suministros de Agua del Laboratorio Nacional de Investigacin para la Prevencin de Riesgos (NRMRL) de la Agencia para la Proteccin del Medio Ambiente de EEUU (USEPA). Las caractersticas de este programa se describen en el Apndice 1: Descripcin del modelo hidrulico Epanet, mientras que en la figura siguiente se presenta el esquema de la red utilizado para la modelizacin:



4


2.3.2.

Resultados

En la tabla siguiente se recogen los resultados del clculo, suponiendo que se desagua por una tubera de DN 710 mm (dimetro interior = 625,8 mm) contra la pleamar viva equinoccial (cota de marea = +2,963 m sobre NMMA):

Mxima altura de energa disponible en la cmara de carga (m) Caudal circulante por el tramo submarino (l/s) 342,96 6,60 3,637 1,523 0,098 Sobre NMMA Sobre PMVE En el emisario En el tramo difusor

Prdidas de carga (m)

Altura de energa necesaria para desaguar ese caudal (m sobre NMMA))

En el elevador

En el difusorvlvulas

Por de salinidad

Total

conjunto diferencia

0,210

1,278

0,540

3,640

6,60

Como se indica en la tabla, el mximo caudal que se puede llegar a desaguar en el caso 1 es de 343 l/s.



5


2.4. 2.4.1.


Para el clculo de las prdidas de carga a lo largo del emisario de emergencia se ha utilizado la siguiente formulacin:

Prdidas de carga continuas: Las prdidas de carga continuas se han calculado con la frmula de Colebrook. Se trata de una frmula semiemprica, de aplicacin tanto a tuberas lisas como rugosas. La frmula de Colebrook es:

hf = f L

v2 2D g

donde: hf: prdida de carga total, en m.c.a. f: coeficiente de prdida de carga de Darcy-Weisbach L: longitud de la tubera, en metros V: velocidad del agua, en m/s D: dimetro interior de la conduccin, en metros g: aceleracin de la gravedad (9,8 m/s2) El coeficiente de prdida de carga, f, se ha obtenido con la frmula de Colebrook para tubos a seccin llena:

2,51 k 1 ) = 2log 10 ( + 3,71D Re f f

donde

k: rugosidad equivalente, en mm. Para tuberas de polietileno se ha adoptado un valor de k = 1,22 mm. D: dimetro interior de la tubera, en metros Re: nmero de Reynolds:P0720-SR-PBC-A10001-V02.doc Anejo n 10 Clculos hidrulicos

6


Re =

VD

: viscosidad cinemtica. Para agua a 20 C, = 1,3 10 6 m2/s

Prdidas de carga localizadas: Las prdidas de carga localizadas son las que se producen cuando el flujo del agua atraviesa pozos o puntos singulares de la conduccin, y que se aaden a las producidas por la rugosidad de la tubera. En este caso, en la salida al mar se ha supuesto (independientemente de la diferencia de salinidad) una prdida de carga localizada:

hloc =con:

v2 2 g

hloc: prdida de carga localizada, en m.c.a. V: velocidad del agua, en m/s g: aceleracin de la gravedad (9,8 m/s2).

2.4.2.

Resultados

En la tabla siguiente se recogen los resultados del clculo, suponiendo que se desagua el caudal mximo del ao medio (793 l/s) por una tubera de 463 metros de longitud y DN 800 mm (dimetro interior = 705,2 mm) contra la pleamar viva equinoccial (cota de marea = +2,963 m sobre NMMA):

Prdidas de carga (m) A lo largo del emisario 1,945 0,210 En la salida Por diferencia de salinidad 0,540 2,695 Total

Altura de energa necesaria en la cmara de carga (m) Sobre PMVE Sobre NMMA

2,695

5,658

Como se indica en la tabla, la altura de energa necesaria para desaguar el mximo caudal por el emisario de emergencia es como mximo de 5,66 metros sobre el NMMA.



7


Para disponer de esta altura de energa ser preciso que funcionen en carga: El emisario terrestre, en todo el tramo comprendido entre la cmara de carga y el pozo PR-2 situado en la margen izquierda del arroyo Gasatxas. Los 55 metros finales del alivio de Gasatxas, desde el nuevo pozo PR-3.1 hasta el pozo PR-3 del emisario terrestre, situado en la margen derecha del arrroyo Gasatxas.

2.5. 2.5.1.


Para el anlisis de este caso se ha procedido de forma iterativa: a) Se ha supuesto un reparto inicial de caudales, de modo que la suma del caudal desaguado por el emisario principal y del desaguado por el emisario de emergencia ascienda a 793 l/s (el mximo caudal esperable en el ao medio). b) Con ese reparto de caudales se ha determinado la sobreelevacin que se producira en el vertedero, y, por tanto, la altura de energa disponible para desaguar por el emisario principal. c) Con esa altura de energa se ha calculado el caudal que realmente desaguara por el emisario principal, y se ha comparado con el valor supuesto inicialmente. Para el clculo de las prdidas de carga en el emisario principal se ha utilizado el modelo EPANET descrito en el apartado 2.3.1, mientras que el caudal desaguado por encima del vertedero que separa las dos mitades de la cmara se ha obtenido como:

Q = Cd Lh 3 / 2donde Q Cd L h caudal desaguado, en m3/s coeficiente de vertido. Aqu se ha adoptado un valor Cd = 1,4 m1/2 s-1 longitud del vertedero sobreelevacin por encima del labio de vertido



8


2.5.2.

Resultados

Tanteo n 1

Reparto inicial de caudales Caudal total desaguado Caudal desaguado por el emisario principal Caudal desaguado por el emisario de emergencia Qt = Q1 inicial = Q2 = 0,793 m3/s 0,343 m3/s 0,450 m3/s

Funcionamiento del vertedero (Q = Cd L h3/2) Cota del labio de vertido Coeficiente de desage del vertedero Longitud del vertedero Sobreelevacin para desaguar Q2 zv = Cd = L= h= 6,600 m 1,400 m1/2 s-1 4,460 m 0,173 m

Comprobacin del reparto de caudales Cota marea (caso ms desfavorable) z PMVE = 2,963 m sobre NMMA 6,773 m sobre NMMA 3,810 m sobre PMVE Caudal que realmente se desagua (ver modelo EPANET) Error en este tanteo Q1 final = 0,353 m3/s 2,71 %

Altura de energa disponible para desaguar por el emisario principal H =

Tanteo n 2

Reparto inicial de caudales Caudal total desaguado Caudal desaguado por el emisario principal Caudal desaguado por el emisario de emergencia Qt = Q1 inicial = Q2 = 0,793 m3/s 0,353 m3/s 0,440 m3/s



9


Funcionamiento del vertedero (Q = Cd L h3/2) Cota del labio de vertido Coeficiente de desage del vertedero Longitud del vertedero Sobreelevacin para desaguar Q2 zv = Cd = L= h= 6,600 m 1,400 m1/2 s-1 4,460 m 0,171 m

Comprobacin del reparto de caudales Cota marea (caso ms desfavorable) z PMVE = 2,963 m sobre NMMA 6,771 m sobre NMMA 3,808 m sobre PMVE Caudal que realmente se desagua (ver modelo EPANET) Error en este tanteo Q1 final = 0,352 m3/s -0,15 %

Altura de energa disponible para desaguar por el emisario principal H =

Como se indica en la tabla, en el caso en el que se desage contra la pleamar viva equinoccial, el caudal mximo de 793 l/s se repartira en 353 l/s por el emisario principal y 440 l/s por el emisario de emergencia, con una sobreelevacin sobre el labio del vertedero de 0,17 m.



10


APNDICE 1: DESCRIPCIN DEL MODELO HIDRULICO EPANET



TRABAJOS DE ASESORAMIENTO PARA LA REDACCIN DELPROYECTO DEL EMISARIO DE GORLIZ

ANEJO 6. DESCRIPCIN DEL MODELO HIDRULICO EPANET


1 INTRODUCCINEl modelo matemtico EPANET permite realizar simulaciones del comportamiento hidrulico y de la calidad del agua en redes a presin, en periodos de tiempo prolongados. Su funcionamiento brinda la posibilidad de analizar una red, constituida por una serie de nudos (uniones de tuberas), bombas, vlvulas y depsitos de almacenamiento o embalses, mostrando la evolucin de los caudales, presiones, niveles y concentracin de sustancias qumicas durante los periodos de simulacin. El modelo es una herramienta de gran potencia, sin limitacin del tamao de las redes que puede procesar, vlida para disear complejos sistemas de muestreo o gestin de calidad en redes de suministro. No obstante, para el caso que nos ocupa slo se emplea una pequea parte de esa capacidad, limitndose este estudio, como ya se ha indicado anteriormente, a la comprobacin del comportamiento hidrulico del sistema del emisario previsto.

2 DATOS DE PARTIDAA continuacin se describen los datos y variables que ha sido necesario introducir en el modelo para obtener los resultados requeridos, tambin se expone brevemente proceso de clculo de resultados. De esta forma el primer paso para modelar un sistema de distribucin de agua es establecer el esquema de la red de distribucin. Esta red est formada por tuberas que unen una serie de nudos de distribucin de caudal, depsitos o embalses. En cada uno de estos elementos se requieren una serie de entradas al sistema y se obtienen diversos resultados que se describen seguidamente (no se tienen en cuenta aqu los datos referentes a calidad de agua): Nudos de Caudal son los puntos de la red donde se unen las tuberas o sus extremos, (tambin pueden ser slo puntos de paso). Los datos de entrada son: la cota respecto a un nivel de referencia y las demandas de agua. Como resultados se obtienen: la altura piezomtrica (energa interna por unidad de peso del fluido) y la presin.

ANEJO 6

1


Embalses son nudos que representan una fuente externa ilimitada de alimentacin, o bien un sumidero de caudal. La propiedad bsica es la altura piezomtrica (que coincidir con la cota de la superficie libre del agua si ste se encuentra a la presin atmosfrica) y que no se ver afectada por lo que pueda ocurrir en la red. Por tanto, no existen resultados derivados del clculo en los mismos. Depsitos son nudos con capacidad de almacenamiento, en los cuales el volumen de agua almacenada puede variar con el tiempo. Los datos bsicos de un depsito son: la cota de solera (para la cual el nivel del agua es cero), su geometra, los niveles de agua (inicial, mnimo y mximo). Los principales resultados son la altura piezomtrica y la presin. Tuberas son las lneas que transportan el flujo de un nudo a otro. EPANET asume que las tuberas estn completamente llenas en todo momento, y, por tanto, que el flujo es a presin. Los parmetros ms significativos de una tubera son: los nudos inicial y final, el dimetro, la longitud, el coeficiente de rugosidad (para calcular las prdidas de carga) y su estado (abierta, cerrada, o con vlvula de retencin). Los resultados en una tubera contemplan: el caudal circulante, la velocidad del flujo, la prdida de carga unitaria, el factor de friccin para la frmula de DarcyWeisbach y la velocidad media de reaccin (a lo largo de la tubera). Para calcular la prdida de carga (o de altura piezomtrica) en una tubera debida a la friccin por el paso del agua, pueden emplearse en EPANET tres frmulas diferentes: Hazen-Williams Darcy-Weisbach Chezy-Manning

Todas las frmulas emplean la misma ecuacin bsica para calcular la prdida de carga entre el nudo de entrada y el de salida: hL=Aqb

ANEJO 6

2


donde hL = prdida de carga, q = caudal, A = coeficiente de resistencia, y b = exponente del caudal. Para cada una de las formulaciones, los coeficientes de resistencia y los exponentes de caudal son los de la tabla 1.Frmula Hazen-Williams Darcy-Weisbach Chezy-Manning Coeficiente de Resistencia (A) 10,674 C-1,852 d-4,871 L 0,0827 f(,d,q) d-5 L 10,294 n2 d-5,33 L Exponente Caudal (B) 1.852 2.000 2.000

Siendo: C = Coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams = Coeficiente de rugosidad de Darcy-Weisbach (m) f = factor de friccin (depende de , d, y q) n = Coeficiente de rugosidad de Manning d = dimetro de la tubera (m) L = longitud de la tubera (m) q = caudal (m3/s) Tabla 1. Coeficientes de resistencia (A) y exponentes de caudal (B) para las diferentes frmulas.

Los coeficientes de rugosidad se determinan empricamente para cada frmula. En funcin del material de la tubera pueden considerarse, de forma general, los mostrados en la tabla 2.Material Fundicin Hormign Hierro Galvanizado Plstico Acero CermicaTabla 2.

C Hazen-Williams (universal) 130 140 120 140 120 140 150 140 150 110

Darcy-Weisbach (mm) 0.25 0.3-3.0 0.15 0.0015 0.03 0.3

n Manning (universal) 0.012-0.015 0.012-0.017 0.015-0.017 0.011-0.015 0.015-0.017 0.013-0.015

Coeficientes rugosidad para las diferentes frmulas (Tubera nueva).

Dado que en el presente estudio no se han contemplado los aspectos del modelado referentes a la calidad del flujo, ni se han incluido otros elementos fsicos (bombas o vlvulas) o complementarios (curvas de comportamiento o de modulacin y leyes de control), nicamente queda por exponer la inclusin de las prdidas menores o localizadas del sistema.

ANEJO 6

3


Estas prdidas, debidas a los incrementos de turbulencia que se producen en cambios de direccin, codos, accesorios, variaciones de seccin, etc., son importantes en el clculo de una red como la que nos ocupa. EPANET permite asociar a cada tubera un coeficiente de prdidas menores, siendo el valor de la prdida el producto de dicho coeficiente por la altura dinmica en la tubera: v2 hL = K 2g

donde: K = coeficiente de prdidas menores, v = velocidad del flujo g = aceleracin de la gravedad Para determinacin de estas prdidas existen tablas con valores indicativos para los elementos ms comunes (como codos o vlvulas de globo), pero dado que K depende fundamentalmente de la geometra, del nmero de Reynolds, e incluso de las condiciones del flujo, es ms precisa su determinacin con una formulacin adecuada al tipo de red que se est estudiando.

3 ESTABLECIMIENTO DE CLCULO DEL MODELO

PARMETROS

DE

Tal y como se describe en el apartado anterior, para la realizacin de los clculos hidrulicos el modelo EPANET requiere una precisa definicin de la configuracin geomtrica y disposicin de las conducciones, as como su composicin y caractersticas hidrulicas (principalmente el coeficiente de rugosidad). Adems de estos datos es tambin necesario establecer las prdidas de carga localizadas que aparecen entre los distintos elementos y que pueden tener diferente tipologa (existencia de codos, cambios de seccin, variaciones de velocidad,). Estas prdidas se han incorporado al modelo como coeficientes de prdidas menores en las conducciones. Para su determinacin se han empleado una serie de expresiones hidrulicas generales que se exponen a continuacin:

ANEJO 6

4


3.1 Prdidas de carga en derivacionesQ2 , D2

Q1,D1hcodo = kcodo *(v22 /2g) KQ1-Q2 = 1.2 + (Q2/Q1)-2 (D2/D1)4 KQ1-Q2 = 0.4 + (Q2/Q1) (D2/D1)-2 4

Q3,D1

uniones sin redondeo. uniones con redondeo (se utiliza por defecto).

Q 1+ 3 Q 1 KQ1-Q3 = 3.5 Q3 1+ Q 1

2

3.2 Prdidas de carga por reduccin de dimetro de forma brusca

V1, Area1hreduccion,1 = kreduccion,1 *(v22/2g) kreduccion,1 = (1/e 1)2 e = 0.57 + 0.043/(1.1 Area2/Area1)

V2, Area2

3.3 Prdidas de carga por reduccin de dimetro de forma suaveV2, Area2

V1, Area1hreduccion,2 = kreduccion,1 kreduccion,2 *(v22/2g) kreduccion,2 = 56.72 -0.007 + 0.01 55.5

ANEJO 6

5


3.4 Prdidas en vlvulas anti-retorno

v

Hantiretorno = 0.402 V + 0.383 Hantiretorno = 0.182 V + 0.183

10 (45 metros contra presin) TF2 serie 10 (20 metros contra presin) TF2 serie

Las prdidas de carga indicadas para las vlvulas anti-retorno son orientativas. Estas prdidas han de ser ajustadas en cada caso concreto con las indicaciones del fabricante.

3.5 Prdida de carga por variacin de la velocidad en la salida

v

hcambio velocidad = V2/2g

ANEJO 6

6


ANEJO N 11. CLCULOS ESTRUCTURALES


NDICE

1. 2.

INTRODUCCIN TRANSPORTE DE LA TUBERA 2.1. Introduccin

3.

ESFUERZOS DURANTE EL PROCESO DE HUNDIMIENTO PARA LA ALTERNATIVA 1 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. Objeto Descripcin de la tubera y condiciones de instalacin Descripcin del mtodo empleado Evaluacin de las tensiones originadas en el tubo durante el fondeo Conclusiones

4.

ESFUERZOS DURANTE EL PROCESO DE HUNDIMIENTO PARA LA ALTERNATIVA 2 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. Objeto Descripcin de la tubera y condiciones de instalacin Descripcin cualitativa de los esfuerzos en las distintas fases Descripcin de la unin en el fondo La abolladura Evaluacin de las tensiones originadas en el tubo en fondeo

5.

VELOCIDAD DE CADA DEL MATERIAL DE PROTECCIN DURANTE SU COLOCACIN 5.1. 5.2. 5.3. 5.4. Descripcin del fenmeno Hiptesis de clculo para el vertido de escollera Clculos y resultados con piedra de 20 kg vertida desde gnguil de vertido lateral Clculos y resultados con piedra de 20 kg vertida desde gnguil de vertido por fondo 5.5. Clculos y resultados con piedras de distintos tamaos vertidas desde gnguil de vertido lateral 5.6. Conclusiones

6.

CLCULOS DE LA TUBERA EN SERVICIO 6.1. 6.2. Tensin generada por la sobrepresin interior Abolladura por sobrepresin exterior

7.

CLCULO DE LAS PANTALLAS PROVISIONALES 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. Introduccin Descripcin de la estructura Bases de clculo Caractersticas de los materiales Acciones consideradas Listados de clculo


Anejo n 11 Clculos estructurales


1.

INTRODUCCIN

El objeto del presente anejo de este proyecto bsico del emisario de Grliz es la realizacin de los clculos necesarios para obtener los esfuerzos principales a los que se ver sometida la tubera de polietileno, y poder determinar si las caractersticas de la tubera elegida permiten soportarlos. Asimismo se incluyen los clculos estructurales correspondientes a las pantallas provisionales de la cmara de carga.



1


2.

TRANSPORTE DE LA TUBERA

2.1.

Introduccin

Para la realizacin del fondeo, es necesario que la tubera a fondear se site sobre la traza prevista por el emisario y por tanto ser necesario llevar la tubera desde el lugar de su fabricacin. Este transporte est previsto que se realice desde puerto (en este caso, desde el puerto de Bilbao) hasta el emplazamiento de las obras, en las cercanas de Grliz. Este transporte depender del sistema de ejecucin elegido finalmente, ya que segn ste, la tubera puede transportarse llena de agua o de aire, y las acciones sobre la tubera que predominarn sern el viento o las corrientes. En el proyecto constructivo ser necesario analizar el efecto de las corrientes y los vientos sobre la tubera, determinando si las tensiones sufridas son mayores que las admisibles para la tubera de polietileno prevista.

Figura 1: Esquema del transporte



2


2.1.1.

Flotacin de la tubera

La realizacin de este estudio nos ha permitido estimar el calado y francobordo de la tubera para el momento en el que se realiza el transporte, siendo importante para determinar la influencia de las acciones (viento y corrientes) que va a sufrir la tubera durante su transporte desde su lugar de fabricacin y nos va a permitir planificar los medios necesarios para poder realizar su construccin con seguridad.

2.1.1.1. Clculos del francobordo A continuacin mostramos los clculos realizados para obtencin del francobordo de la tubera.

2.1.1.2. Resultados a seccin llena A continuacin se estudia el francobordo para la tubera para el tramo sin lastres, para la realizacin del transporte con la seccin llena de agua obtenindose un francobordo muy pequeo, evitando de este modo la accin del viento.

CLCULO DE FLOTACIN DEL TUBO CON SECCIN LLENA 1. DATOS 1.1.Geometra Dimetro interior (Dint)= Dimetro exterior= Espesor (esp) Longitud (long)= 1.2.Pesos Densidad del liquido (gamma)= Peso del lastre por m lineal DensTubo(rotub) DensHormig

0,6258 0,71 0,0421 1 1,026 0 0,950 2,400

m m m m t/m3 t/m t/m3 t/m3

(Normalmente unidad)



3


2. CLCULOS 2.1.Seccin Radio (Ri) Area (Ar) Seccin bajo agua (S) Perimetro Perim mojado Pm= Perim seco Ps= Porcentaje mojado Porcentaje seco Rh= T= Ym= 2.2.Pesos Factor correccin por corrugas Peso total del tubo al aire Peso de la pared tubera emerg Peso pared de la tub sum Peso del lastre emergido Peso del lastre sumergido 2.3.Fuerzas Emp de Arqu del aire oclu = Peso total semisum (ptot)Dif

0,31 0,31 0,31 1,97 1,83 0,13 0,93 0,07

m m2 m2 m m m

0,17 m 0,07 m 4,71

1 0,079 0,005 -0,0059 0,000 0,000

t t t t t

(1 para espesor slido y 1,3 para corrugadas) (Introd directam si es conocido)

(factor corrector /1,3) (factor corrector *1,3)

-0,314965 t/m 0,3149639 t/m0,0000



4


3. RESULTADOS ngulo del nivel sobre la hztal (teta) 1,3608474 rd Calado (y) 0,66 m Francobordo(f) 0,05 m

El resultado obtenido nos muestra que el francobordo de la tubera, una vez que se ha llenado de agua es de 0,05 m, con un calado de 0,66 m, lgicamente. Este dato nos muestra que la tubera tiene poca flotabilidad, lo que implicar que el viento apenas nos afecte y por lo tanto para esta fase de transporte, que se crea tanto en la alternativa 1 como en la alternativa 2, ser necesario un estudio de las corrientes de la zona, para as poder estimar si los medios propuestos por la empresa constructora son suficientes.

2.1.1.3. Resultados a seccin vaca

CLCULO DE FLOTACIN DEL TUBO CON SECCIN VACA1. DATOS 1.1.Geometra Dimetro interior (Dint)= Dimetro exterior= Espesor (esp) Longitud (long)= 1.2.Pesos Densidad del liquido (gamma)= Peso del lastre por m lineal DensTubo(rotub) DensHormig

0,6258 0,71 0,0421 1 1,026 0,168 0,950 2,400

m m m m t/m3 t/m t/m3 t/m3

(Normalmente unidad)



5


2. CLCULOS 2.1.Seccin Radio (Ri) Area (Ar) Seccin bajo agua (S) Perimetro Perim mojado Pm= Perim seco Ps= Porcentaje mojado Porcentaje seco Rh= T= Ym= 2.2.Pesos Factor correccin por corrugas Peso total del tubo al aire Peso de la tubera emergida Peso de la tub sum Peso del lastre emergido Peso del lastre sumergido 2.3.Fuerzas Emp de Arqu del aire oclu = Peso total semisum (ptot)Dif

0,31 0,31 0,16 1,97 1,00 0,97 0,51 0,49

m m2 m2 m m m

0,16 m 0,31 m 0,51

1 0,079 0,039 -0,0032 0,064 0,063

t t t t t

(1 para espesor slido y 1,3 para corrugadas) (Introd directam si es conocido)

(factor corrector /1,3) (factor corrector *1,3)

-0,162619 t/m 0,1626203 t/m0,0000



6


3. RESULTADOS ngulo del nivel sobre la hztal (teta) 0,0240454 rd Calado sin contar lastre (y) 0,36 m Francobordo(f) 0,35 m

f

y

En el caso de que la tubera est llena de aire y con los lastres adosados (situacin que se crea para la alternativa 2), el francobordo aumenta hasta 0,35 m y el calado por tanto es de 0,36 m. Se ha previsto que el transporte se realice, por tanto, con la tubera llena de agua, por ser ms favorable frente a los empujes del viento, siendo la accin preponderante la corriente, ms reducida.

2.1.2.

Anlisis del transporte

A continuacin se estudia el transporte de la tubera desde el Puerto de Bilbao hasta el emplazamiento de las obras en Grliz.



7


Figura 2: Transporte de tubera



8


3.

ESFUERZOS DURANTE EL PROCESO DE HUNDIMIENTO PARA LA ALTERNATIVA 1

3.1.

Objeto

En el presente apartado se describe el proceso de fondeo de la tubera, para introducirla en el tnel previamente ejecutado. Se analizan las solicitaciones a las que se ve sometida la tubera, comprobando que resiste los esfuerzos generados. El sistema constructivo consiste en la fabricacin de tramos de tubera en tierra (en una zona que puede estar alejada de la ubicacin definitiva del tubo y que, en nuestro caso, es el Puerto de Bilbao), su traslado flotando hasta la zona de Grliz y su hundimiento controlado y progresiva introduccin en el tnel.

3.2.

Descripcin de la tubera y condiciones de instalacin

La tubera que se va a fondear est formada por tubos de polietileno PE100 de 710 mm de dimetro exterior con 42,1 mm de espesor, lo que representa un SDR 17. La longitud total de esta tubera es de 1.073 m. En esta alternativa se realizar el fondeo conjunto de dos tramos de tubera de distintas caractersticas, puesto que la zona final se encuentra lastrada. A pesar de ello tal y como se ha descrito, para esta alternativa se prev la colocacin de unos flotadores que contrarresten los efectos de los lastres, de tal manera que se permita llevar la tubera llena de agua, flotando. Durante el fondeo se deber alcanzar una profundidad inicial aproximada de 24 m, donde la tubera se introducir en el tnel realizado previamente, penetrando en l a travs de una pieza de transicin que permitir que la tubera vaya tomando el ngulo correspondiente a la salida del tnel. El fondeo finalizar a una profundidad mxima de unos 25 m una vez que los flotadores hayan sido eliminados. En esta alternativa, la tubera parte de una situacin en la que est completamente inundada (esta inundacin se ha realizado en el puerto de Bilbao). Dado que la densidad del PE es inferior a la del agua de mar, en la zona sin lastrar el tubo flota por si mismo, y en la zona lastrada, tal y como ya hemos dicho, esto se produce gracias a los flotadores. Como las dos densidades son muy similares, la flotabilidad remanente es muy pequea, por lo que, cuando se tira del tubo hacia el interior del tnel, los esfuerzos sern muy pequeos. La resistencia a vencer es pequea y, por tanto, los radios de curvatura generados sern perfectamente admisibles, tal y como se describe ms adelante.



9


3.3.

Descripcin del mtodo empleado

Como ya hemos dicho la tubera se transporta flotando, semisumergida al estar llena de agua, desde su punto de fabricacin en el puerto de Bilbao hasta una ubicacin prxima a la salida del tnel realizado, en la zona de Grliz. Una vez situada sobre este punto, se le engancha un cable a uno de sus extremos. Dicho cable est unido a las varillas que estn en el interior del tnel. Desde el extremo tierra del tnel se ejecuta un tiro que va introduciendo el cable en el interior del tnel y, arrastrado por ste, la tubera va metindose tambin en su interior.

ESQUEMA DE COLOCACIN FRENTE A TUNEL

CABLE A TNEL

La gran flexibilidad de los tubos de PE favorecer la ejecucin del fondeo. Ser necesario que desde el otro extremo de la tubera se realice un tiro longitudinal, para contrarrestar el transmitido por el cable que tira desde tierra, por lo que se dispondr de una embarcacin capaz de ejercer el tiro exigido. Tenemos que sealar que este valor ser una variable clave para que la embocadura en el interior del tnel sea correcta, puesto que segn la magnitud de este tiro ejercido, se conseguir un ngulo concreto en el extremo de la tubera, y se deber proyectar una pieza de transicin que logre modificar suavemente el ngulo de hundimiento de la tubera y convertirlo en el de salidaP0720-SR-PBC-A11001-V02.doc

delAnejo n 11 Clculos estructurales

CO RR IEN

TE S

Y/O

VIE N

TO

tnel.10


A continuacin se muestra un esquema de la posicin que alcanza el tubo cuando su distancia al tnel es de 10 metros y el tiro horizontal ejercido por la embarcacin en la superficie es de 2,5 t.

Forma de la curva descrita por el tubo30 25 20 15 10 5 0 -5 0 20 40 Tramo sumergido 60 80 100 120 140 Superficie del mar 160 180

Tramo en superficie

3.4.

Evaluacin de las tensiones originadas en el tubo durante el fondeo

Como ya se ha indicado, el fondeo comienza con la aplicacin de un tiro sobre la tubera, generado por el conjunto formado por el cable y el varillaje, cuyo extremo se encuentra en la zona terrestre y que atraviesa el tnel realizado hasta enganchar con uno de los extremos de la tubera. Por el otro extremo un barco mantendr la tensin necesaria para que la alineacin de la tubera adquiera el ngulo requerido. Este tiro se deber calcular para que coincidan el ngulo previsto por la pieza de transicin que se proyectar a la salida del tnel y el ngulo del extremo de la tubera que se tiene que introducir por l. De este modo se consigue que no se produzcan esfuerzos dainos, al evitarse puntos de discontinuidad angular en la tubera. La tubera, durante este proceso, se comporta como mnsula con una carga puntual en su extremo, por lo que su ley de momentos se asemejar a dicha funcin, tal y como vemos en la siguiente figura, que representa el momento en el que el cable se encuentra a 10 m de al embocadura del tnel, con un tiro horizontal estimado de 2,5 t.



11


DISTRIBUCION DE MOMENTOS FLECTORES A LO LARGO DEL TUBO (Tn*m)-1,8 -1,6 -1,4 -1,2 -1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Se recomienda que el tiro ejercido se controle desde la embarcacin, por lo que dispondr de un elemento de control que nos indique la magnitud de dicho tiro, aunque siempre tendr que ser compatible con el realizado desde tierra por el equipo de perforacin. En los siguientes epgrafes mostramos las curvaturas y esfuerzos ms importantes que se generan en la tubera, en funcin de la distancia desde la boca del tnel al extremo de la misma, (o lo que es lo mismo, la longitud de cable fuera del tnel), para un tiro horizontal hipottico de 2,5 t.

3.4.1.

Ratio (Radio de Curvatura/Dimetro)

Para este emisario (e=710), se establece como criterio de aceptacin de los esfuerzos que el radio de curvatura R sea: R > 30 e = 21,3 m Es decir, que el Ratio (Radio de curvatura/ Dimetro exterior) debe ser mayor que 30. Esta limitacin implica que las tensiones axiales mximas se mantengan en torno a 135 y 140 Kp./cm2 (variable en funcin del esfuerzo normal). No obstante, tal y como veremos, para esta alternativa, los valores alcanzados de este ratio son muy altos con lo que se cumple con gran holgura la limitacin impuesta.



12


La tensin compuesta de Von Mises, debido a la accin del cortante y axial en la fibra neutra, es siempre inferior a la traccin, tal y como se muestra en el presente estudio. Slo se tienen en cuenta las acciones debidas al peso propio, empuje de Arqumedes y tiro horizontal. Por ello consideramos imprescindible que el tiro calculado como estrictamente necesario sea multiplicado, al menos, por 2, para trabajar con un suficiente margen de seguridad. Estos clculos se han realizado considerando las caractersticas del material a 20 C. A mayor temperatura el lmite elstico disminuira, reducindose, por tanto, la seguridad. A continuacin se muestra grficamente el Ratio (Radio de curvatura/Dimetro) que se genera al aplicar un tiro longitudinal de 2,5 t. Este tiro deber ser estudiado en el proyecto constructivo, ya que nos definir el ngulo con el que la tubera alcanza la embocadura del tnel, y por tanto nos especificar la pieza de transicin necesaria entre el tnel y el tramo apoyado en la zanja.

Ratio (Radio de curvatura/dimetro)Ratio para tiro 2,5 t 502 500 498 496 Ratio 494 492 490 488 486 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Longitud de cable (m)

Tal y como se puede observar, el Ratio esperado es muy grande, lo que nos permite afirmar que nos encontramos ante una situacin no muy exigente desde el punto de vista estructural. En los siguientes apartados se irn cuantificando los esfuerzos mximos a los que se ver sometida la tubera durante este proceso de hundimiento.



13


3.4.2.

Tensiones mximas y mnimas

A continuacin se presenta una grfica en la que se muestran las tensiones mximas y mnimas producidas segn la distancia a la que se encuentra el extremo por el que comienza el hundimiento (longitud de cable). Tal y como se prevea, las tensiones no alcanzan altos valores, por lo que no ser necesario aplicar ningn sistema que reduzca los esfuerzos.

Tensiones mximasTensin Mxima para tiro 2,5 t 13 13 13 13 Tensin (t) 13 13 12 12 12 12 12 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Longitud del cable (m)



14


Tensiones mnimasTensin mnima para tiro 2,5 t -7 0 -7 5 10 15 20 25 30 35 40 45

-7 Tensin (t)

-7

-7

-7

-8 Longitud del cable (m)

3.4.3.

Momentos mximos y mnimos

Las grficas adjuntas muestran cmo los valores alcanzados por los momentos que se generan durante el hundimiento son muy pequeos.



15


Momentos MximosMomento mximo con tiro de 2,5 t

0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0,002 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Longitud de cable (m)

Momentos (t*m)

Momentos MnimosMomento Mnimo con tiro de 2,5 t -2 0 -2 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Momentos (t*m)

-2

-2

-2

-2

-2 Longitud de cable (m)



16


3.4.4.

Tiro del cable sumergido

Se debe hacer una consideracin respecto al tiro que es necesario ejercer. El tiro del que hemos estado hablando de 2,5 t es el tiro aplicado por el barco, por lo tanto es un tiro longitudinal, es decir horizontal. Por ello el tiro que repercutir en el cable que sale del tnel ser de un valor mayor, dependiente, como es lgico, del ngulo del cable en cada momento. A continuacin mostramos estos valores segn la posicin de la tubera en cada momento, en el que se ve como es lgico, que el orden de magnitud es similar.

Tiro del cable (desde el fondo)Tiro de la cable para tiro del barco 2,5 t 2,680 2,670 2,660 2,650 Tiro (t) 2,640 2,630 2,620 2,610 2,600 2,590 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Longitud de la cable (m)

3.5.

Conclusiones

Para la tubera considerada y bajo las hiptesis planteadas, no se espera que se generen esfuerzos que afecten a su capacidad estructural durante el proceso de fondeo. El tiro longitudinal que se ha considerado para poder definir el orden de magnitud de los esfuerzos generados es de 2,5 t. Este parmetro deber ser especificado en el proyecto constructivo ya que en funcin de su magnitud se crear un ngulo determinado en el extremo de la tubera, que deber ser



17


compatible con la pieza de transicin que se deber proyectar para evitar discontinuidades angulares que generen esfuerzos puntuales excesivos. En relacin a la posible abolladura circunferencial de la tubera, dado que su interior est lleno de agua y los extremos estn abiertos, la presin interior es igual a la exterior, por lo que no hay ningn esfuerzo que pueda abollar circunferencialmente a la tubera.



18


4.

ESFUERZOS DURANTE EL PROCESO DE HUNDIMIENTO PARA LA ALTERNATIVA 2

4.1.

Objeto

Los esfuerzos originados para la alternativa 2 se producen para dos situaciones diferenciadas puesto que el fondeo se realiza en dos etapas aisladas. En este caso no se estudiarn los esfuerzos para la primera parte del fondeo, puesto que coinciden exactamente con la alternativa 1. A continuacin se estudian los esfuerzos generados durante la segunda etapa, en la que la tubera lastrada y llena de aire se fondea mediante la entrada controlada de agua en su interior. Este fondeo se realiza mediante inundacin progresiva del tubo por un extremo con la consiguiente formacin de una S. El objeto del presente estudio es analizar las tensiones de traccin y tangencial a las que se ve sometido el tubo durante su fondeo as como el riesgo de abolladura de la tubera. Adems, se pretende comprobar cual es radio de curvatura del tubo para poder asegurar que se mantiene por encima de un valor que no genere tensiones excesivas en el tubo, manteniendo la tensin mxima por debajo de un lmite.

4.2.

Descripcin de la tubera y condiciones de instalacin

La tubera que se va a fondear est formada por tubos de polietileno PE100 de 710 mm de dimetro exterior con 42,1 mm de espesor. Peso adicional (sumergido) debido a los lastres es un 25 % del empuje total de la tubera vaca, y la longitud total de la tubera con lastres es de 93 m. Durante el fondeo se deber alcanzar una profundidad inicial aproximada de 24 m, donde la tubera se unir al tramo en tnel mediante una unin embridada en el fondo. El fondeo finalizar a una profundidad mxima de 25 m. La tubera se transporta desde el puerto de Bilbao llena de aire, con dos bridas ciegas en sus extremos.

4.3.

Descripcin cualitativa de los esfuerzos en las distintas fases

Vamos a exponer los momentos flectores y presiones interiores que se generan en el tubo durante su fondeo por inundacin controlada, teniendo slo en cuenta su peso, empujes hidrostticos y reaccin vertical en el fondo. El cortante podra obtenerse por derivacin de la ley de momentos flectores. Sin embargo, las tensiones cortantes son muy inferiores a las axiales.



19


En el proceso de fondeo, el tubo pasa por las fases que se describen a continuacin, las cuales dan lugar a unos momentos flectores, que pueden tomar valores excesivos, generados por las cargas verticales de flotacin y de peso propio del tubo. Las fases son las siguientes:

Imagen 1 Fases de fondeo de la tubera y fuerzas actuantes Fase 1) Tubo flotando en la superficie: el tubo est vaco y permanece recto, sin ningn esfuerzo, sobre la superficie marina, salvo los debidos a los empujes horizontales. Fase 2) Se introduce agua en el interior del tubo, por lo que su extremo comienza a hundirse. El tubo se comporta como una mnsula en la que su extremo est cargado hacia abajo y el resto cargado hacia arriba. El instante ms desfavorable sucede justo antes de tocar el fondo. Fase 3) Cuando la cantidad de agua en el interior del tubo es suficiente, el extremo del mismo toca el fondo, inclinndose a medida que la longitud inundada aumenta. Gracias a la reaccin vertical, los momentos flectores se reducen, respecto del instante anterior al contacto. Fase 4) Llega un momento en que el tubo apoya longitudinalmente sobre el fondo. Segn va incrementndose la longitud inundada, aumenta la longitud apoyada en el fondo, con lo que la S que se forma entre ste y la superficie del mar va desplazndose. La forma de esta S y la altura hasta la que llega el agua del tubo se mantienen constantes (si la profundidad es constante), sufriendoP0720-SR-PBC-A11001-V02.doc Anejo n 11 Clculos estructurales 20


solamente un desplazamiento horizontal. Lo mismo sucede con las cargas y la ley de momentos flectores. Fase 5) Tubo por debajo de la superficie del mar: segn va ingresando agua en el tubo, la longitud vista en la superficie disminuye hasta que el tubo abandona la misma. Dado que hay una parte todava llena de aire, el tubo presenta una longitud por encima del fondo marino. Si el tubo fuese muy rgido, el extremo podra incluso asomar por encima de la superficie. El tubo se comporta como una mnsula con su parte extrema cargada hacia arriba y la parte cercana al fondo cargada hacia abajo. Fase 6) Tubo sobre el fondo: cuando no queda aire dentro del tubo, ste descansa completamente apoyado sobre el fondo, con lo que no aparecen esfuerzos, salvo los debidos a posibles curvaturas del fondo.

Imagen 2 Esquema de los momentos flectores en la tubera para las diferentes fases.

4.4.

Descripcin de la unin en el fondo

A continuacin se describe brevemente el proceso constructivo que deber realizarse para la unin en el fondo del tramo de polietileno con el tramo hincado (mediante la pieza especial de conexin).



21


El tubo a unir se transporta flotando, lleno de aire, hasta la zona de unin. Se introduce progresivamente agua por un extremo, con lo que empieza su hundimiento por dicho extremo (ser necesario que un hombre-rana acompae a la cabeza del emisario de forma que controle la entrada de agua para que la velocidad de hundimiento sea moderada). En el extremo contrario, la vlvula de aire permanece cerrada y conectada a una bomba que puede introducir aire en la tubera para mantener la presin y as lograr sus dos objetivos: Mantener una posicin de equilibrio durante todo el tiempo que dure el proceso de unin (es decir, que la tubera no sufra movimientos y permanezca fija durante todo ese periodo). Evitar la abolladura de la tubera.

En un momento dado, el tubo toca el fondo y su extremo va inclinndose hasta que descansa en cierta longitud sobre el lecho marino, mientras que el otro extremo flotar sobre la superficie. En este instante se procede a la unin de ambos tramos, abrindose la brida ciega, acercndose ambos extremos y ejecutando la brida de unin de los mismos. Lgicamente, la vlvula de salida del aire debe estar cerrada para mantener fijada la posicin del nuevo tramo. Podra ser, incluso, necesario, introducir aire por el extremo superior, antes de abrir la brida ciega para que, al hacerlo, se mantenga la posicin de la tubera (es decir, sin que se produzca entrada o salida de agua). Una vez que ya se han llevado los dos extremos a la posicin buscada, se prosigue la inundacin del emisario, manteniendo completamente abierta la vlvula de agua (del tramo que ya estaba en el fondo), o bien quitada la brida correspondiente y entreabriendo la vlvula de aire, con lo que ste va hundindose y apoyando en el fondo. Se deber estudiar con precaucin la presin en el interior de la tubera durante todo el proceso de fondeo para evitar la abolladura de la tubera. Durante el tiempo que dura el proceso de unin, tal y como hemos comentado antes, la vlvula de aire permanece completamente cerrada en posicin de equilibrio y asegura que en todo momento la presin interior es mayor o igual que la exterior. Todas estas maniobras debern ser suaves y suficientemente lentas para que no se generen grandes diferencias de presiones entre el interior y exterior de la tubera.

4.5.

La abolladura

El fenmeno de la posible abolladura sucede cuando la presin exterior al tubo es mayor que la interior. Debido a los fenmenos de segundo orden, la resistencia del tubo a la presin exterior es mucho menor que la resistencia a la interior. Basta sealar que un tubo de PN4, con tensin de diseo de 5 MPa, queP0720-SR-PBC-A11001-V02.doc Anejo n 11 Clculos estructurales 22


resistira una presin interior de 4 atmsferas (a tiempo infinito) slo sera capaz de resistir una sobrepresin exterior de 0,5 atmsferas (en un tiempo de 2 horas). Por ello, debemos controlar en todo momento la presin existente en el interior del tubo. La gran flexibilidad de los tubos de PE, que favorece la ejecucin del fondeo, tiene sin embargo un efecto negativo sobre la abolladura. Adems, dado que el mdulo de elasticidad del PE se reduce con el paso del tiempo, cualquier parada durante el proceso de fondeo agrava la situacin del tubo. La resistencia frente a la abolladura est garantizada durante todo el fondeo, ya que la tubera es capaz de resistir las acciones a las que se ver sometida.

4.6.

Evaluacin de las tensiones originadas en el tubo en fondeo

Se han evaluado las tensiones originadas en el tubo durante el fondeo con el peso adicional sumergido dado por los lastres (25 % del empuje total de la tubera vaca) y se ha comprobado que las tensiones mximas no son superiores a los lmites establecidos para la realizacin del fondeo sin la aplicacin de mtodos de reduccin de esfuerzos, (la tubera es capaz de soportar dichos esfuerzos). No obstante, como ahora veremos, si se aplica un tiro longitudinal, las solicitaciones se rebajan considerablemente.

4.6.1.

Limitacin de esfuerzos en el tubo

Para este emisario (e = 710 mm), se establece como criterio de aceptacin de los esfuerzos que el radio de curvatura R sea: R > 30 e = 21,3 m Es decir, que el Ratio (Radio de curvatura/ Dimetro exterior) debe ser mayor que 30. Esta limitacin implica que las tensiones axiales mximas se mantengan en torno a 135 y 140 Kp./cm2 (variable en funcin del esfuerzo normal). Tal y como veremos, el valor del ratio alcanzado para la ejecucin del fondeo sin tiro en esta alternativa, es de 36, con lo que estaramos cumpliendo esta limitacin. La tensin compuesta de Von Mises, debido a la accin del cortante y axial en la fibra neutra, es siempre inferior a la traccin, tal y como se muestra en el presente estudio.



23


Slo se tienen en cuenta las acciones debidas al peso propio, empuje de Arqumedes y tiro horizontal. Por ello consideramos imprescindible que el tiro calculado como estrictamente necesario sea multiplicado, al menos, por 2, para trabajar con un suficiente margen de seguridad. Estos clculos se han realizado considerando las caractersticas del material a 20 C. A mayor temperatura el lmite elstico disminuira, reducindose, por tanto, la seguridad.

4.6.2.

Fase inicial (cabeceo)

Es la que denominamos Fase 2 en las figuras adjuntas. En el inicio del fondeo, segn se va llenando el tubo de agua por un extremo, ste va hundindose progresivamente por aquel. Las tensiones debidas a los esfuerzos (sobre todo, de Mf) van incrementndose progresivamente, alcanzndose el mximo en el instante inmediatamente anterior al contacto con el fondo del mar. En funcin de la profundidad a la que se llegue, podra ser necesario un tiro vertical ascendente para que el radio de curvatura sea admisible. Si esto fuera necesario se creara fcilmente con un flotador en el extremo por el que se comienza a fondear.

4.6.3.

Fase cuatro: tubo en S

Cuando el tubo toca el fondo, la reaccin hace que las tensiones disminuyan respecto de la fase inicial. Segn va incrementndose la longitud inundada del tubo, se va inclinando en su origen hasta que apoya en cierta longitud y se hace tangente al fondo marino. En este momento se iniciara la fase 3, tambin llamada fase de formacin de la S. A partir de ah las tensiones van aumentando hasta que la tubera apoya en el lecho marino cierta longitud, en donde las tensiones alcanzan los valores mximos. En este momento comienza la fase 4. A partir de este momento, la tensin mxima se estabiliza y se mantiene constante (salvo el incremento debido al aumento de calado). Para la profundidad mxima, se obtiene la siguiente forma de la tubera y los siguientes resultados:



24


Forma de la curva descrita por el tubo30 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120

Tramo inundado

Tramo vaco sumergido

Tramo vaco en superficie

Superficie del mar

Tiro horizontal (t) 0

Ratio

Tensin mxima (kg/cm2)

Sobrepresin (mca) 6,12

36,6

135,31

Forma de la curva descrita por el tubo30 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120

Tramo inundado

Tramo vaco sumergido

Tramo vaco en superficie

Superficie del mar

Tiro horizontal (t) 4

Ratio 49,6

Tensin mxima (kg/cm2) 104,24

Sobrepresin (mca) 6,10

Como podemos observar, si se realiza el fondeo sin la aplicacin de tiro horizontal, el ratio (radio de curvatura/dimetro exterior) alcanza el valor de 36,6, que esta por encima del lmite propuesto, y por lo tanto del lado de la seguridad. Adems, se puede ver que con un pequeo tiro de 4t, el ratio (radio de curvatura / dimetro exterior) aumenta a 49,6, y con ello, las tensiones mximas disminuyen considerablemente. Esto nos hace recomendar que la ejecucin se produzca con tiro, puesto que la tubera estara sufrira menos esfuerzos.



25


Por lo tanto, tal y como hemos visto, la tubera es capaz de resistir perfectamente las acciones a las que se ver sometida durante el fondeo. De igual forma, la sobrepresin interna es asumible por la tubera. Las leyes de momentos flectores y tensiones a lo largo del tubo se exponen en las siguientes grficas, mostrando su variacin en funcin de la posicin de la tubera en la que nos encontremos. (Para el fondeo realizado sin tiro):

DISTRIBUCION DE MOMENTOS FLECTORES A LO LARGO DEL TUBO (Tn*m)20 15 10 5 0 -5 -10 -15 -20 -25 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

DISTRIBUCION DE TENSIONES A LO LARGO DEL TUBO (Kg/cm2)200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100



26


5.

VELOCIDAD DE CADA DEL MATERIAL DE PROTECCIN DURANTE SU COLOCACIN

La colocacin de la escollera habitualmente se realiza mediante gnguil, bien sea de vertido lateral o de vertido por fondo. En el caso que nos ocupa, el tramo submarino del emisario incluye zonas de tramo difusor, por lo cual el vertido de la escollera debe ser cuidado para evitar posibles daos en los tubos elevadores. El vertido de la grava y del filtro (20 kg) puede realizarse mediante dicho vertido directo, ya que la posibilidad de afeccin a los tubos no es probable. No obstante, para la zona de difusores se debe estudiar con detalle esta operacin, para evitar cualquier tipo de dao en los tubos elevadores. A continuacin se realiza un estudio del vertido de las capas de filtro, determinando los ensayos a realizar en puerto para asegurar que no se producirn daos en dicho proceso.

5.1.

Descripcin del fenmeno

Cuando una piedra cae en el agua hacia el fondo, sufre dos fuerzas de sentido contrario: la fuerza de la gravedad, hacia abajo y de valor constante y la fuerza de rozamiento con el agua, cuyo valor vara con la velocidad relativa entre la piedra y el agua. Llega un momento en que ambas fuerzas se igualan, con lo que la velocidad se mantiene constante. Ello sucede cuando la piedra adquiere una vel

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Calculo Emisario Submarino Anejos_9_17