Componentes, Presiones y Tipos de Tubos en Sistemas de Conducción: Énfasis en Hormigón

Componentes Fundamentales de Sistemas de Tuberías

Tubo

Elemento de sección transversal uniforme, generalmente con forma de corona circular y que en sentido longitudinal suele ser recto.

Pieza Especial

Elemento que se encuentra intercalado entre tubos y que permite cambiar la dirección, el diámetro, etc.

Válvula

Es un elemento hidromecánico que se instala entre tubos y nos permite controlar el paso del fluido (generalmente agua), evitar su retroceso, reducir su presión, etc.

Elemento Complementario de la Tubería

Componente que facilita y permite la explotación y mantenimiento de la tubería.

Unión

Elemento que une dos componentes de una tubería. Pueden ser:

• Flexibles: Permiten cierta desviación angular y ligero desplazamiento entre ejes.
• Rígidas: No permiten dicha desviación angular ni desplazamiento.

Tubería

Una sucesión de tubos intercalados entre sí, además de otros elementos como piezas especiales y válvulas.

Conceptos Clave en Tuberías

Dimensión Nominal (DN)

Es el valor que se toma como referencia para caracterizar de forma dimensional los diferentes componentes de una tubería.

Presiones

Se distinguen dos categorías principales de presiones en el contexto de las tuberías:

A) Presiones Hidráulicas que Solicitan a la Tubería

• Presión estática: La presión del fluido en reposo.
• Presión de diseño (DP): Presión máxima esperada en condiciones normales de operación, sin considerar el golpe de ariete.
• Presión máxima de diseño (MDP): Presión máxima esperada, considerando el efecto del golpe de ariete.
• Presión de prueba (STP): Presión a la que se somete la tubería durante las pruebas de estanqueidad en obra.

B) Presión que Cada Componente es Capaz de Resistir

• Presión nominal (PN): Valor de referencia para la resistencia de un componente, sin considerar el golpe de ariete.
• Presión de funcionamiento admisible (PFA): Máxima presión hidrostática que un componente puede soportar de forma continua en servicio, sin considerar el golpe de ariete.
• Presión máxima admisible (PMA): Máxima presión, incluyendo el golpe de ariete, que un componente puede soportar de forma segura.
• Presión de prueba admisible: Máxima presión de prueba que puede soportar un componente sin sufrir daños.
• Presión de prueba en fábrica: Presión a la que se somete el componente durante las pruebas de calidad en su lugar de fabricación.
• Presión de rotura: Presión a la cual el componente falla estructuralmente.

Tubos de Hormigón Armado y Pretensado

Estos tubos se clasifican en varios tipos, cada uno con características y aplicaciones específicas:

• Tubos de hormigón armado sin camisa de chapa (THAsCCh): Diseñados para presiones inferiores a 0,5 N/mm².
• Tubos de hormigón con armadura difusa, sin camisa de chapa (THD): Adecuados para diámetros interiores y presiones menores de 2 N/mm².
• Tubos de hormigón armado con camisa de chapa (THAcCCh): Son los más empleados debido a su mayor resistencia y versatilidad.
• Tubos de hormigón pretensado sin camisa de chapa (THPsCCh).
• Tubos de hormigón pretensado con camisa de chapa (THPcCCh).

Características Específicas de los Tipos de Tubos de Hormigón

Tubos de Hormigón Armado sin Camisa de Chapa (THAsCCh)

Están compuestos por una pared de hormigón con una o dos capas de armadura transversal. En ocasiones, también se necesita añadir refuerzos longitudinales a la armadura.

Tubos de Hormigón con Armadura Difusa (THD)

Formados por una pared de hormigón con una o más capas de armadura transversal y longitudinal distribuida de manera difusa.

Tubos de Hormigón Armado con Camisa de Chapa (THAcCCh)

Constituidos por una pared de hormigón y una armadura transversal formada por una o más jaulas cilíndricas, además de una camisa de chapa de acero integrada.

Tubos de Hormigón Pretensado con Camisa de Chapa (THPcCCh)

Formados por un núcleo de hormigón que incluye una camisa cilíndrica de chapa. Sobre este núcleo se enrolla un alambre de acero de alta resistencia que se somete a tensión (pretensado). El tubo puede ser de camisa embebida o de camisa revestida, dependiendo de la posición y recubrimiento de la camisa de chapa en el núcleo.

Tubos de Hormigón Pretensado sin Camisa de Chapa (THPsCCh)

Formados por un núcleo de hormigón, con armaduras pasivas o activas longitudinales. Un alambre de acero de alta resistencia está enrollado helicoidalmente sobre el núcleo y postesado (tensado después del endurecimiento del hormigón del núcleo). Finalmente, se aplica un revestimiento exterior protector.

Especificaciones Técnicas Adicionales para Tubos de Hormigón

Diámetros Nominales

Los diámetros nominales en tubos de hormigón generalmente se refieren al diámetro interior útil del tubo. Es importante destacar que, para un mismo diámetro nominal, pueden existir tubos con diferentes espesores de pared, en función de su diseño estructural (espesor del hormigón y cuantía de armado), lo que afecta directamente su resistencia mecánica.

Tamaño Máximo del Árido

El tamaño máximo del árido utilizado en la fabricación de los tubos de hormigón está limitado para asegurar la correcta compactación y homogeneidad del material. Generalmente, se siguen estas directrices:

• THAsCCh: El tamaño máximo del árido será 1/3 del espesor del tubo (e), con un límite superior de 32 mm (TMA ≤ e/3; TMA ≤ 32 mm).
• THAcCCh: El tamaño máximo del árido será 1/3 del espesor de hormigón (e) a cada lado de la chapa, con un límite superior de 32 mm.
• THPsCCh: El tamaño máximo del árido será 1/3 del espesor (e) del núcleo o del revestimiento exterior, con un límite superior de 32 mm.
• THPcCCh: El tamaño máximo del árido será 1/3 del espesor (e) a cada lado de la camisa o del revestimiento exterior, con un límite superior de 32 mm.

Nota Importante: No se permite el empleo de aditivos que contengan cloruros en la fabricación de estos tubos, ya que pueden inducir corrosión en las armaduras.

Uniones en Tubos de Hormigón

• Uniones rígidas: Se llevan a cabo mediante soldadura de las camisas de chapa o elementos metálicos incorporados. Para diámetros menores a 800 mm, la soldadura se realiza habitualmente por el exterior del tubo, y para diámetros mayores, por el interior para facilitar el acceso.
• Uniones flexibles: Se realizan comúnmente con un anillo elastomérico (junta de goma) alojado en la campana de uno de los tubos, que asegura la estanqueidad y permite ciertos movimientos axiales y angulares.

Revestimiento Exterior

En tubos de hormigón pretensado, tengan o no camisa de chapa, el recubrimiento exterior aplicado sobre el alambre de pretensado (postesado) debe tener un espesor mínimo para garantizar su protección:

• Si se realiza con hormigón proyectado o vibrado: 20 mm como mínimo.
• Si se realiza con mortero: 15 mm como mínimo.

Instalación de Tuberías

Las tuberías pueden instalarse de diversas maneras según las condiciones del terreno, el tipo de tubo y los requisitos del proyecto:

• En zanja: El método más común, donde la tubería se aloja en una excavación.
• En terraplén: Cuando la tubería se coloca sobre el terreno natural y luego se cubre con material de aporte.
• En zanja terraplenada: Una combinación, donde parte de la tubería está en zanja y parte en terraplén.

Dimensionamiento Mecánico de una Tubería

El proceso de dimensionamiento mecánico de una tubería es crucial para asegurar su integridad estructural y funcionalidad a lo largo de su vida útil. Comprende las siguientes fases fundamentales:

1. Determinación de las acciones: Identificación y cuantificación de todas las cargas (peso propio, peso del fluido, cargas del terreno, sobrecargas externas, presión interna, etc.) y solicitaciones a las que estará sometida la tubería.
2. Obtención de las solicitaciones producidas por dichas acciones: Cálculo de los esfuerzos internos (axiles, cortantes) y momentos flectores resultantes de las acciones identificadas.
3. Cálculo de las secciones resistentes necesarias: Diseño y comprobación de que la sección transversal del tubo y sus materiales son capaces de resistir las solicitaciones calculadas, cumpliendo con los estados límite de servicio y últimos definidos en la normativa aplicable.

Consideraciones para el Dimensionamiento de Tubos THAcCCh

Para los tubos de hormigón armado con camisa de chapa (THAcCCh), el proceso de dimensionamiento requiere una verificación detallada de dos estados límite principales:

1. Comprobación del Estado Límite de Rotura (ELU): Asegurar que el tubo no colapsará bajo las acciones mayoradas de diseño.
2. Comprobación del Estado Límite de Fisuración Controlada (ELS): Verificar que la fisuración del hormigón, bajo condiciones de servicio, se mantiene dentro de límites admisibles para garantizar la durabilidad y estanqueidad.