Cálculo estructural de tuberías enterradas por el método de elementos finitos, con base en el informe técnico CEN/TR 1295-3

Resumen

Los estudios desarrollados en esta tesis proponen una generalización del uso del método de elementos finitos para el cálculo estructural de tuberías enterradas como “método común” de dimensionamiento en Europa. Las ecuaciones constitutivas utilizadas en el modelo están basadas en el comportamiento elástico de la tubería y elastoplástico del terreno, modelizado éste último a través del modelo de Drucker-Prager de cinco parámetros con flujo asociado. Se han estudiado, de entre los procedimientos de dimensionamiento actuales, aquellos que permiten un dimensionamiento multimaterial, y especialmente los dos procedimientos de cálculo que el informe técnico CEN/TR 1295-3 ha establecido como principales candidatos para definir un “método común” de dimensionamiento de tuberías enterradas en Europa (Opción 1 y opción 2). Tras el análisis de dichos procedimientos se han propuesto modificaciones en la consideración de las hipótesis pésimas de carga y en las expresiones para el cálculo de esfuerzos, basadas en datos obtenidos de la normativa vigente. Se ha propuesto, igualmente, la generalización de los modelos para el dimensionamiento de tuberías sometidas a presión interior y se han desarrollado las formulaciones correspondientes a la estimación completa de los momentos flectores en la opción 2. A su vez, se ha desarrollado un procedimiento de cálculo automatizado (mediante hoja de cálculo) que ha sido calibrado utilizando los resultados publicados en el informe técnico CEN/TR 1295-3, de forma que ha permitido realizar gran número de simulaciones para el estudio comparativo entre las dos opciones de cálculo, con el fin de estudiar sus predicciones frente a los diferentes parámetros. Sobre el modelo de elementos finitos se han realizado numerosas simulaciones con el objeto de evaluar las diferentes aproximaciones al modelo, en primer y segundo orden. Las simulaciones realizadas se corresponden con los materiales y procedimientos de instalación habituales en España. El modelo ha sido también calibrado mediante el contraste con los resultados obtenidos aplicando las modificaciones propuestas, ya citadas anteriormente con los modelos definidos por el CEN/TR 1295-3. Los modelos realizados cubren un rango importante de instalaciones, tipos de tuberías y alturas de cobertura. Todas las simulaciones realizadas con el modelo propuesto predicen con exactitud los resultados obtenidos mediante las opciones de cálculo del informe técnico CEN/TR 1295-3. Los resultados demuestran la capacidad del modelo desarrollado para predecir, de forma aceptable, las principales características de los comportamientos de los diferentes tipos de tuberías enterradas, sometidas a las acciones de tierras, tráfico y presión interior entre otras. ABSTRACT The studies developed in this thesis propose generalised use of the finite elements method for the structural calculations of buried pipes as a “common sizing method” in Europe. The constitutive equations used in the model are based on the pipe’s elastic behaviour and the soil’s elastoplastic behaviour, modelling the latter using the five-parameter Drucker-Prager model with associated flow. This thesis studies, among current sizing procedures, those that allow multimaterial sizing, in particular the two calculation procedures established by technical report CEN/TR 1295-3 as the main candidates for defining a “common sizing method for buried pipes in Europe” (Option 1 and Option 2). After analysing these procedures modifications have been proposed in the consideration of worst-case load hypotheses and in stress calculation expressions, based on data obtained from current regulations. Similarly, this thesis proposes generalisation of the models for sizing pipes subject to internal pressure, developing the formulations corresponding to the complete estimation of bending moments in option 2. At the same time, an automated calculation procedure has been developed (using a spreadsheet), calibrated using the results published in technical report CEN/TR 1295-3, making it possible to conduct a large number of simulations for comparative study between the two calculation options, aimed at analysing their forecasts against the different parameters. A large number of simulations have been carried out on the finite elements model with a view to evaluating the different approaches to the model, in first and second order. The simulations conducted correspond to common materials and installation procedures in Spain. The model has also been calibrated through comparison with the results obtained by applying the proposed modifications, already mentioned above with the models defined by CEN/TR 1295-3. The conducted models cover an important range of installations, pipe types and cover heights. All simulations carried out using the proposed model accurately predict the results obtained using the calculation options of technical report CEN/TR 1295-3. The results demonstrate the developed model’s capacity to acceptably predict the main features of the behaviour of different types of buried pipes, subject to the actions of soil, traffic and internal pressure among others.