UNE 100156 IN informe UNE

Noviembre 2004 TTULO

Climatizacin Dilatadores Criterios de diseo Air conditioning. Expansion joints. Design criteria. Climatisation. Joints d'expansion. Critres de calcul.

CORRESPONDENCIA

OBSERVACIONES

Este informe anula y sustituye a la Norma UNE 100156 de junio de 1989.

ANTECEDENTES

Este informe ha sido elaborada por el comit tcnico AEN/CTN 100 Climatizacin cuya Secretara desempea AFEC.

Editada e impresa por AENOR Depsito legal: M 47754:2004

LAS OBSERVACIONES A ESTE DOCUMENTO HAN DE DIRIGIRSE A:

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Grupo 5

S

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1 OBJETO Y CAMPO DE APLICACIN

Este informe UNE tiene por objeto indicar los criterios generales de diseo de los dispositivos de expansin, denominados dilatadores, y, en particular, proponer un procedimiento de clculo de los elementos flexibles conformados con tubera. La norma no aborda el problema del clculo de los esfuerzos generados en las tuberas por efectos de los fenmenos de dilatacin y contraccin parcialmente compensados por la flexibilidad de la red. En el mismo contexto, se excluye el estudio de los movimientos de las tuberas enterradas, para los cuales hay que referirse a las publicaciones de los fabricantes. La norma se limita al estudio de los movimientos axiales de las tuberas, quedando excluidos, en consecuencia, los movimientos debidos a fuerzas radiales y torsionales. La norma tiene validez para temperaturas hasta 200 C y es aplicable a los circuitos hidrulicos destinados a las instalaciones de climatizacin. 2 NORMAS PARA CONSULTA

UNE 100152 IN Climatizacin. Soportes de tuberas. 3 SMBOLOS, DEFINICIONES Y UNIDADES DE MEDIDA

Para los fines de esta norma, se aplican los siguientes smbolos, definiciones y unidades de medida.

Smbolo Definicin Unidad a ngulo entre dos tramos de tubera grados B Brazo de un dilatador en L, Z o U mm c Coeficiente de dilatacin lineal K-1 d Dilatacin del tramo de tubera entre los dos puntos de anclaje mm df Densidad del fluido kg/m3 De Dimetro exterior de la tubera mm Di Dimetro interior de la tubera mm Dn Dimetro nominal de la tubera mm e Variacin de longitud de un tramo recto de tubera, debida a una variacin de la temperatura mm E Mdulo de elasticidad del material N/mm2 F Fuerza N J Momento de inercia de la seccin recta de la tubera mm4 K Constante de flexibilidad de los codos

L Longitud del tramo de tubera entre soportes de anclaje mm M Longitud del tramo de tubera entre soportes gua mm P Presin de trabajo del fluido bar1) r Radio de curvatura mm S Superficie transversal del material de la tubera mm2 Si Superficie transversal interior de la tubera mm2 T Tensin mxima admisible en el material de la tubera N/mm2 Tm Temperatura mnima de la tubera K TM Temperatura mxima de la tubera K W Mdulo resistente de la seccin recta de la tubera mm3 v Velocidad del fluido en la tubera m/s

1) 1 bar = 0,1 N/mm2.

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4 GENERALIDADES

Cuando, por efectos de cambios de temperaturas, el movimiento axial de un tramo de tubera comprendido entre dos puntos de anclaje sea total o parcialmente impedido y, en consecuencia, se genere en el material de la misma un esfuerzo superior al mximo admisible, es necesario instalar un elemento flexible. Al concentrarse sobre ste la dilatacin del tramo de tubera afectado, se disminuirn los esfuerzos generados en el material de la tubera por debajo del lmite mximo admisible. Como elementos flexibles pueden utilizarse los cambios de trazados de la tubera, en forma de L, Z o U, o bien dilatadores deslizantes o de fuelle. Los dilatadores conformados con tubera deben instalarse sensiblemente en el centro del tramo a compensar, entre los dos puntos de anclaje; los dilatadores deslizantes o de fuelle, sin embargo, pueden colocarse en cualquier posicin, preferentemente cerca de uno de los puntos de anclaje. El tramo de tubera entre los puntos de anclaje, que debe ser de seccin constante, se guiar convenientemente, de manera que el elemento de dilatacin reciba solamente esfuerzos en sentido axial. La distancia entre los soportes de gua depende del dimetro de la tubera Dn y de la presin de trabajo del sistema P y se calcula segn la siguiente frmula:

M = 3326,24 227,522 P + 5,19067 P2 + 154,126 Dn 9,12921 10-2 Dn2 8,65986 P Dn + + 0,176774 P2 Dn + 4,76471 10-3 P Dn2 9,28553 10-5 P2 Dn2

vlida para

25 mm Dn 600 mm y 3 bar P 30 bar El dilatador debe instalarse a las siguientes distancias mximas, expresadas como mltiplo del dimetro nominal de la tubera: de un anclaje: dos veces; del primer soporte gua: cuatro veces; del segundo soporte gua: catorce veces. Para aprovechar en su totalidad el movimiento del que es capaz un dilatador o un elemento conformado con tubera, es necesario instalarlo en el tramo con una pretensin (en caso de tubera con fluido caliente) o con precompresin (en caso de tubera con fluido fro). El grado de pretensin o precompresin debe estar determinado por la temperatura del ambiente al momento del montaje. 5 CONSTANTES GEOMTRICAS DE UN TUBO

Las constantes geomtricas de la seccin transversal de una tubera se calculan por medio de las siguientes ecuaciones:

2i i( )4

S D=

2 2e i( - )4

S D D=

4 4e i

e

-32

D DW

D

=

- 5 - UNE 100156:2004 IN

4 4e i( - )64

J D D=

Se hace hincapi en que la profundidad de la rosca, eventualmente existente, reduce las dimensiones de la seccin resistente de la tubera, es decir los valores de S, W y J. 6 DILATACIN

La elongacin unitaria de un tramo de tubera entre dos anclajes puede expresarse mediante la siguiente ecuacin:

2 2M m M m( ) ( )

e a T T b T TL

= +

Para temperaturas de hasta 200 C (373 K), la expresin anterior puede simplificarse, eliminando el trmino cuadrtico:

M m( )e c T TL

=

En las tablas del anexo A se indican, para diferentes materiales, los coeficientes de dilatacin a, b y c. En el mismo anexo A se indican tambin el mdulo de elasticidad y la tensin mxima admisible que se recomienda utilizar en los clculos, para cada material; se tendr en cuenta la reduccin que tales valores experimentan al aumentar la temperatura. 7 ELEMENTOS DE DILATACIN CONFORMADOS

Los elementos de dilatacin conformados a partir de la tubera estn representados en la figura 1. Para radios de curvatura r iguales o mayores que tres veces el dimetro de la tubera

r 3 De el brazo del elemento de dilatacin puede calcularse, con buena aproximacin, por medio de una de las siguientes frmulas: BL = 1,25 (e E De/T)0,5 (dilatador en L) BZ = (e E De/T)0,5 (dilatador en Z) BU = 0,7 (e E De/T)0,5 (dilatador en U) En caso de elementos de dilatacin en U prefabricados, las formas, dimensiones geomtricas y, particularmente, la flexibilidad de los codos, varan segn el fabricante. El fabricante debe indicar las dimensiones, los recorridos de dilatacin y compresin y el esfuerzo sobre los anclajes en funcin del dimetro y la temperatura del fluido.

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Fig. 1 Elementos de dilatacin conformados con tubera

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8 ESFUERZOS SOBRE LOS ANCLAJES

Se distingue entre anclajes principales, situados en correspondencia de cambios de direccin, ramales y cambios de seccin, y anclajes intermedios, situados en algn punto de un tramo recto, entre dos dilatadores. Sobre un anclaje intermedio acta solamente la diferencia de las fuerzas necesarias para comprimir los dos dilatadores contiguos, normalmente nula, aparte el peso de tubera, aislamiento y fluido. La presencia de una vlvula, cuando sta est cerrada, transforma un anclaje intermedio en un anclaje principal. Sin embargo, debe considerarse que durante los arranques de la instalacin la tubera se calienta o enfra desde un extremo; en estas circunstancias, el equilibrio de fuerzas desaparece y el anclaje debe estar diseado para resistir las diferencias de los esfuerzos procedentes desde los dos tramos contiguos. Sobre un punto de anclaje principal actan todas o algunas de las siguientes fuerzas:

8.1 En caso de presencia de un cambio de direccin, la fuerza debida al producto de la presin del fluido por la superficie transversal de la tubera:

F = 0,2 P Si sen (a/2)

Su direccin es la bisectriz del ngulo exterior que forman los dos tramos de tubera. El soporte debe resistir tambin el esfuerzo ejercido por la presin de ensayo, igual, en general, a 1,5 veces la presin de ejercicio. Cuando se use un dilatador de fuelle, en los clculos se considerar su superficie interior (dato del fabricante), que es, en general, mayor que de la seccin recta de la tubera.

8.2 La fuerza centrfuga debida al movimiento de la masa de fluido en los cambios de direccin:

F = 2 df Si v2 sen (a/2)

Su direccin es la bisectriz del ngulo exterior que forman los dos tramos de tubera.

8.3 Las fuerzas necesarias para comprimir los dilatadores situados en los tramos contiguos (dato del fabricante del dilatador). Cuando se trate de elementos flexibles conformados con tuberas, los esfuerzos que ejercen sobre el anclaje pueden calcularse, con buena aproximacin, mediante las siguientes frmulas:

3 3 3U U U

83,14 [ ( 2 ) ] ( 2 )

E I eFK B B r B r

=

+ (dilatador en U)

3 3 3Z Z Z

163,14 [ ( 2 ) ] ( 2 )

E I eFK B B r B r

=

+ (dilatador en Z)

3L

3 E I eFB

= (dilatador en L)

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La constante de flexibilidad de las curvas debe calcularse por medio de la siguiente ecuacin:

2

212 1012 1

XKX

+=

+

donde se ha puesto:

e i2

e i

( )8

( )D D r

XD D

=

+

8.4 Las fuerzas debidas a la friccin sobre los soportes de gua; se calculan multiplicando el peso de la tubera que grava sobre la gua por un coeficiente de friccin que depende del tipo de soporte (dato del fabricante). A falta de datos, se puede tomar un valor medio igual a 0,3.

8.5 La fuerza debida a un cambio de seccin, igual a la presin por la diferencia de las dos superficies. Para hallar la fuerza resultante sobre el anclaje, todas estas fuerzas deben ser sumadas vectorialmente. El anclaje debe resistir la fuerza resultante con un coeficiente de seguridad igual, al menos, a 5. Una vez calculadas las reacciones de los soportes de anclaje, gua y apoyo, puedan calcularse las tensiones en el interior del material de las tuberas con el auxilio de las frmulas del captulo 5 y de las ecuaciones de elasticidad. Debido a las tolerancias sobre el espesor de la pared de los tubos, la eventual presencia de roscas o el cordn de soldadura y las imperfecciones de montaje (por ejemplo, desalineacin), deben tomarse los valores de las tensiones mximas admisibles en los distintos materiales con un amplio margen de seguridad. 9 DILATADORES

Los dilatadores pueden ser divididos en dos grandes categoras: juntas deslizantes, en las que existe un movimiento relativo de partes adyacentes, dotadas de empaquetadura para evitar prdidas de fluido, y juntas flexibles, en las que existe una deformacin distribuida del elemento. Los dilatadores se instalarn siguiendo escrupulosamente las instrucciones del fabricante, en particular por lo que se refiere a movimientos mximos admitidos, resistencia de los anclajes y guiado de la tubera. El fabricante debe indicar, para cada tipo de dilatador, los siguientes datos:

presin mxima de servicio;

presin de ensayo;

temperatura mxima de servicio;

materiales de constitucin;

movimientos mximos admisibles, axiales y/o angulares;

superficie efectiva;

esfuerzo axial y, eventualmente, angular;

dimensiones y peso;

tipo de conexin a la tubera.

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10 ELEMENTOS DE DILATACIN ENTERRADOS

En las redes de tuberas enterradas, los movimientos de expansin y contraccin de las mismas pueden verse notablemente reducidos por la resistencia que ofrece el terreno a lo largo de cada tramo. En consecuencia, se generan esfuerzos en el material de la tubera, que dependen de los siguientes factores: diferencia mxima de temperatura en ejercicio; coeficiente de dilatacin de la tubera; adherencia entre los materiales de la tubera, aislamiento trmico y cubierta de proteccin; profundidad de instalacin de la tubera; tipo de terreno y contenido de humedad. El movimiento residual, si existe, ser compensado con elementos de absorcin de tipo prefabricado o conformado con tubera. Estos elementos deben dejarse libres de efectuar los movimientos de expansin o contraccin que le lleguen de los tramos adyacentes de tubera. En cualquier caso, deben seguirse las instrucciones del fabricante de la tubera para la tcnica de montaje de la misma.

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ANEXO A (Informativo) A.1 Coeficientes de dilatacin lineal (en K-1)

Acero Hierro fundido Cobre

a (x 10-6)

b (x 10-9)

c (x 10-6)

11,18

2,934

11,7

9,74

3,145

10,71

16,70

2,239

16,74 A.2 Mdulo de elasticidad (en N/mm2) a 20 C

Acero Hierro fundido Cobre

E (x 105) 2,07 0,83 1,1 A.3 Tensin mxima admisible (en N/mm2) a 20 C

Acero Hierro fundido Cobre

T 80 25 40 (duro)

30 (recocido)

n

Direccin C Gnova, 6 Telfono 91 432 60 00 Fax 91 310 40 32 28004 MADRID-Espaa

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