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Diseño de sistemas de tuberías plásticas: soluciones integrales para conducción de agua

Rodolfo Vegas Calderón

Miembro de ASETUB

rvegas@plomyplas.com

Introducción En comparación con los tradicionales materiales para tubos de conducción de agua, como el acero, la fundición y el hormigón, los tubos de plástico pueden ser considerados como nuevos materiales. El desarrollo de los tubos de plástico ha tenido lugar principalmente durante el siglo XX. Los más usuales son los de PVC y PE. En los últimos 20 años también el PP ha sido utilizado como material para tubos.

Las tuberías para la conducción de aguas, tanto potable a presión como residuales con o sin presión, se diseñan para una vida útil de cómo mínimo 50 años. Al cabo de este tiempo todavía debe quedar un coeficiente de seguridad, por lo que la vida real de los tubos es todavía mucho mayor.

Flexibilidad

Resistencia a la presión

Rigidez anular

Resistencia a la abrasión

Características hidráulicas

VIDA ÚTIL

ROBUSTEZECONOMÍA

Resistencia química

EstanquidadREQUISITOS

Características

Flexibilidad

Resistencia a la presión

Rigidez anular

Resistencia a la abrasión

Características hidráulicas

VIDA ÚTIL

ROBUSTEZECONOMÍA

Resistencia química

EstanquidadREQUISITOS

Características

Características de las tuberías a tener en cuenta:

En los últimos años la importancia de los tubos plásticos en el diseño de redes públicas, privadas e industriales para abastecimiento de agua y saneamiento se ha incrementado gradualmente. Esta tendencia confirma la confianza de los plásticos como materiales de tuberías, debido principalmente al mayor conocimiento y experiencia que sobre los mismos existe actualmente a nivel mundial.

La mayoría de los plásticos se obtienen del petróleo por lo que puede ser interesante conocer como se distribuye el consumo del petróleo en el mundo. Solamente el 4 % del petróleo es empleado para la fabricación de plásticos, mientras que el 96 % es “quemado” en el transporte, calefacción etc.

Las tuberías plásticas se pueden reciclar, y los residuos pueden transformarse nuevamente en conductos u otros productos importantes. Por su gran duración, los recursos necesarios para fabricarlas son utilizados eficientemente, y son una solución fiable en distribución subterránea de agua. En general, las tuberías de plástico que se instalan sólo tendrán que ser recicladas 50 ó 100 años después.

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¿Tubos rígidos o flexibles? La flexibilidad es la ventaja excepcional de los tubos plásticos enterrados. Los tubos de plástico son flexibles y aunque soportan por sí mismos cierta carga exterior, su comportamiento real se deriva de que al producirse una deformación, entra en acción el empuje pasivo lateral del terreno que los rodea, contribuyendo a soportar tanto las cargas fijas del material de relleno como las móviles debidas al tráfico.

Tubos rígidos y flexibles

Por razones de seguridad, la deformación máxima admitida en los tubos flexibles se ha establecido en el 5% al cabo de 50 años. Como los tubos rígidos no se pueden deformar, tienen que aguantar las cargas permanentemente por lo que la posibilidad de rotura es mayor.

Solamente hay un punto en el que puede afirmarse que los materiales rígidos convencionales para tuberías enterradas gozan de una ventaja en comparación con los plásticos y es que la mayoría de prescriptores están más acostumbrados a ellos. Muchos ingenieros, incluso entre los más cualificados, evitarán especificar un sistema de tuberías flexibles, sencillamente porque desconfían de su flexibilidad. Prefieren lo que consideran una buena cualidad, la “fortaleza” de la tubería rígida.

Sin embargo si estos ingenieros se parasen en pensar un momento, se darían cuenta del error que subyace en esta forma de pensar, ya que no tienen en cuenta la corrosión en tuberías metálicas ni las incrustaciones en tuberías de hormigón. Por otro lado, las cargas que han de soportar las alas de un avión o el ala rotatoria de un helicóptero para elevarse en el aire solamente pueden resistirlas si son flexibles. Si fueran rígidas se romperían antes de que llegaran a sostenerse en el aire.

Los ingenieros especializados en estructuras saben que un edificio elevado es flexible, aunque cualquier persona puede subir a lo alto de un rascacielos durante un vendaval y comprobar como se mueve. La Torre Eiffel experimenta desplazamientos de hasta 130 mm. con vientos fuertes y por supuesto no se trata de la estructura más alta ni más flexible del mundo. Los mayores puentes colgantes del mundo presentan un grado de flexibilidad que es esencial para su supervivencia

Diferencia entre tubos rígidos y flexibles

El espesor de pared en los tubos rígidos debe dimensionarse para soportar las cargas que tengan lugar. Es el propio tubo el que debe soportar las cargas. Con un tubo flexible se producirá una pequeña deformación cuando se trasmita una carga vertical al tubo. La deformación vertical se convierte en una expansión horizontal del tubo contrarrestada por el material de relleno compactado. Aparecerá una fuerza estabilizadora contra la deformación adicional.

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A corto plazo A largo plazo

Flexible Rígido Flexible Rígido

Comportamiento rígido y flexible

El estudio realizado por TEPPFA ha demostrado que al cabo de un tiempo de aproximadamente 1,5 años la interacción tubo-suelo se ha equilibrado y ya no aumenta más la deflexión de los tubos. En la parte derecha de las figuras se indica que las cargas del tubo rígido las soporta el suelo solamente cuando el tubo rígido se ha roto.

El conjunto que absorbe las cargas en el caso de tubos flexibles son el tubo y el suelo que tiene a su alrededor. Mientras un tubo rígido tiene que soportar la carga completa, el tubo flexible deriva la mayor parte del trabajo al suelo. Esto significa que con un buen suelo y una buena compactación la profundidad de tendido es casi ilimitada.

Fase instalación

Fase asentamiento

0 100Tiempo (años)

De

fle

xio

n (

%)

Efecto del tráfico

1.50 100Tiempo (años)

De

fle

xio

n (

%)

Efecto del tráfico

1.50 100Tiempo (años)

De

fle

xio

n (

%)

Efecto del tráfico

1.5

Efecto del tráfico en la deflexión

La rigidez del tubo tiene su mayor importancia durante el período de instalación, donde ligeras desviaciones de los códigos de buena práctica de instalación ocurren normalmente. Una mayor rigidez asegura menores fallos en la instalación y proporciona una seguridad funcional respecto a una mayor vida útil.

La deflexión de un tubo flexible es controlada por el asentamiento del suelo. Después del asentamiento las cargas de tráfico o del terreno, no afectan a la deformación del tubo. Cuando un tubo es más rígido que el suelo, las cargas por tráfico o de otro tipo, las ha de resistir el mismo tubo.

- Deflexiones de los tubos hasta el 10 %, solamente reducen un 2,5% su capacidad de descarga.

- Máximo valor recomendado de la deflexión: 8% inicial, 12,5% final (ISO TR 7073)

- La deflexión no es problema

220

0

20

40

60

80

100

0 5 7,5 10 15 20

Deflexión del tubo [%]

Cap

acid

ad d

e d

esca

rga

[%]

¡

Efecto de la deflexión en la capacidad de descarga

Diferente comportamiento

Una tubería flexible puede absorber deformaciones por asentamiento del terreno sin ver comprometida su estanquidad.

Comportamiento RÍGIDO Comportamiento FLEXIBLE

Tubos Rígidos

Tubos FlexiblesTubos

Rígidos

Tubos Flexibles

¡ Carga !

¡ Carga !

El sistema se deforma en la parte de la conexión.

Sobrecarga!!

El sistema entero evita la aparición de la carga

¡ Carga !

¡ Carga !

221

Comportamiento flexible

Tubos para presión En las tuberías de PE y PVC-U sometidas a presión interior hay que tener en cuenta que su vida útil depende además de la presión, de la temperatura y el tiempo. Después de una vida de 50 años debe existir todavía un coeficiente de seguridad, lo que significa que la duración total es mucho mayor.

Al someterlos a esfuerzos mecánicos, los plásticos tienden a plastodeformarse (flujo en frío), tal y como sucede con los metales a altas temperaturas.

Para determinar los límites de resistencia de los tubos plásticos sometidos a cargas constantes, se debe estudiar y determinar su comportamiento mecánico durante un largo plazo. Generalmente, resulta necesario establecer la curva de resistencia en función del tiempo (curva de referencia) y los límites de dilatación permanente del material de que se trate.

Ensayo resistencia a la presión interior

En los mismos, el tubo objeto de la prueba, cerrado y bajo presión, es llenado de agua previamente, a la misma temperatura que el baño de agua.

Para determinar la resistencia en función del tiempo de las tuberías de PE, se realizaron ensayos según el procedimiento indicado en UNE-EN-ISO 9080, a temperaturas de 20º, 40º, 60º y 80ºC., tal y como indica la figura siguiente. En la ordenada se representan las tensiones tangenciales, σ, en MPa, calculadas según las dimensiones de los tubos y la presión interior.

222

Curvas de referencia

La parte recta corresponde a las roturas por alargamiento y la parte de pendiente pronunciada por agrietamiento por tensión sin deformación del tubo.

La reproducción bilogaritmica de la figura anterior demuestra que todas las curvas de resistencia en función del tiempo transcurren de modo semejante para diferentes temperaturas y descienden después de determinado periodo de uso. Dichas curvas de regresión se han confeccionado en base a los ensayos que se vienen realizando desde 1955 (1 año = 8760 h.), la resistencia para periodos de tiempo mayores se realiza por extrapolación.

El coeficiente de seguridad tiene en cuenta, además, todos los esfuerzos adicionales incontrolados que puedan producirse durante el servicio, como golpes de ariete, tensiones térmicas por cambios de temperatura y movimientos y hundimientos del terreno en tuberías ya instaladas.

Además, se exige que las tuberías no se dilaten demasiado por efectos de la presión. Este requisito puede considerarse cumplido cuando la dilatación permanente no es superior al 5 % después de 50 años a 20 ºC.

Presión interior

La presión interior en una tubería se distribuye en todas direcciones por igual y crea unas tensiones de tracción dentro de la misma que han de ser contrarrestadas por el espesor de pared y la resistencia propia del material (σ), originándose la igualdad indicada a continuación.

Es importante observar que la tensión de diseño, σ , está en el denominador, por lo cual a mayor tensión de diseño obtenemos un espesor menor. De ahí que a igualdad de diámetro y presión interior, los tubos de PE 100 (σ = 8 MPa) tienen menos espesor que los de PE 80 (σ = 6.3 MPa), por ejemplo.

De – e

σ = p -----------

2 e

Siendo: σ = Tensión tangencial

p = Presión interior

De = Diámetro exterior

e

Tensión

1 10 50 años

Tiempo

223

p

e

c

(De – e)σ = σ = σ = σ = p −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

2 . e–

σ = σ = σ = σ = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

σσσσ. 2 . e = p . Dm

Dm = De – e

σσσσ

De . pe2 σ + σ + σ + σ + p

=De . pe

2 σ + σ + σ + σ + p=

(De – e)σ = σ = σ = σ = p −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

2 . e–

σ = σ = σ = σ = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−(De – e)

σ = σ = σ = σ = p −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−2 . e

–σ = σ = σ = σ = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

σσσσ. 2 . e = p . Dm

Dm = De – e

σσσσ

De . pe2 σ + σ + σ + σ + p

=De . pe

2 σ + σ + σ + σ + p=

De . pe2 σ + σ + σ + σ + p

=De . pe

2 σ + σ + σ + σ + p=

σσσσσσσσ σσσσ

p

Dm

e

De

σσσσσσσσ σσσσ

p

Dm

e

De

Tubos para presión

Clasificación tubos de PE

A continuación se representan gráficamente los conceptos indicados anteriormente así como la relación entre los diferentes tipos de tubos de PE.

PE 100 80 63 40 Resistencia

mínima requerida

MRS (MPa)

10 8 6.3 4

Tensión de

diseño

σs (MPa) Coeficiente de seguridad, C

8 1.25 6.3 1.6 1.25 5 2 1.6 1.25

3.2 3.2 2.5 2 1.25

MRS C = -----------

σ σ σ σs

Rango LCL MPa

MRS MPa Tipo de PE

4.00 – 4.99 4 PE 40 6.30 – 7.99 6.3 PE 63 8.00 – 9.99 8 PE 80

10.00 – 11.19 10 PE 100

Tensión para definir clases PN

Clasificación tubos PE

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Un sistema integral de Polietileno contiene tubos de PE y accesorios electrosoldables, polivalentes o manipulados de PE, lo que nos permite realizar una instalación totalmente en PE.

Sistema de Polietileno presión

Con similar planteamiento, también tenemos los tubos y accesorios de PVC-U para conducciones de agua a presión, de acuerdo con la norma UNE-EN 12452

Sistema de PVC-U presión

Tubos para Saneamiento

Rigidez anular

La Rigidez Anular, SN (Nominal Stiffness), es la resistencia al aplastamiento de un tubo o accesorio, en unas condiciones definidas en la norma UNE-EN-ISO 9969

En una red de saneamiento sin presión interior, los tubos están sometidos a unas cargas externas, debido al material de relleno de la zanja y a las cargas móviles del tráfico. Estas cargas provocan que el tubo tienda a deformarse, lo que origina unas tensiones de compresión en la parte interior del tubo y de tracción en la parte

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exterior, observándose en la figura que la parte central del espesor del tubo no sufre ningún tipo de tensión. Éste análisis es el que nos ha llevado a diseñar tubos estructurados para instalaciones de saneamiento sin presión con mayor Rigidez Anular y por tanto mayor resistencia al aplastamiento.

Esfuerzos en un tubo sin presión interna

Así como la Presión Nominal (PN) es la característica fundamental en los tubos de conducción de agua o líquidos a presión, la Rigidez Anular lo es para tubos de Saneamiento sin presión.

La rigidez anular de un tubo de plástico de pared compacta es función del material del tubo y del espesor de la pared. Los tubos de PVC para presión y de pared maciza calculados con una Tensión de Diseño de σ =12.5 MPa son equivalentes a los siguientes tubos para Saneamiento según las normas indicadas.

Equivalencia presión –saneamiento en tubos PVC-U

Tubos de presión

Presión Nominal (PN) bar

UNE-EN 1452

Tubos de saneamiento

Rigidez anular (SN) en kN/m2

UNE-EN 1401

---

PN 6

(PN 7.5)

PN 10

SN 2

SN 4

SN 8

SN 16

E . I

SN = -------- (kN/m2)

Dm3

Siendo:

SN = Rigidez anular (kN/m2)

E = Módulo de elasticidad (N/mm2)

I = Momento de inercia (mm4/mm)

Dm = Diámetro medio (mm)

P

P

p ~ 0

P

P

Altura de

construcción

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Trasladar esta equivalencia a tubos estructurados no es posible. El uso de tubos estructurados nos ha permitido tener un conocimiento más profundo respecto a las propiedades del material y sus características mecánicas para conseguir la rigidez anular deseada, además de obtener un comportamiento a largo plazo mejor.

Tubos estructurados

Los tubos estructurados son productos que tienen un diseño óptimo, con respecto a la cantidad de material empleado, para conseguir los requisitos físicos y mecánicos solicitados en saneamiento e indicados en la norma prEN 13476.

Tipo: En función de sus características constructivas, se distinguen tres tipos:

Tipo A1: Tubos cuya superficie interna y externa son lisas y están unidas por: - nervios internos axiales (tubos alveolares) - PVC-U celular o no (tubos multicapa)

Tipo B: Tubos cuya superficie interna es lisa y la superficie externa corrugada o nervada de forma helicoidal anular (tubos corrugados o nervados).

Clase: Se denomina clase de tubos a aquellos que tienen la misma rigidez anular (SN). Las tuberías deben diseñarse en una de las siguientes clases de rigidez anular SN (kN/m2):

DN ≤ 500: SN 4, SN 8 ó SN 16 DN ≥ 500: SN 2, SN 4, SN 8 ó SN 16

Cuando se dimensiona una estructura para resistir carga, como los tubos estructurados de peso reducido, el factor clave de diseño es la estabilidad de la estructura.

Estos son conceptos generales de ingeniería mecánica, que obviamente también son aplicables a los tubos de plástico. Un análisis completo des las tensiones en un tubo deformado en 3-D no es fácil de efectuar, con objeto de determinar cual de los dos parámetros, aplastamiento o tensión producida, tienen valores inferiores a los máximos permitidos. Para evitar esta complicación debe existir un ensayo que verifique la estabilidad de la estructura y que sea igualmente capaz de revelar los niveles de alargamiento y tensión producidas en la estructura del tubo – todos sabemos que éstos valores varían mucho de un perfil de tubo estructurado a otro.

Para optimizar el diseño de los tubos, hay que aumentar la “altura de construcción H”.

En los tubos de pared maciza, la altura de construcción H coincide con el espesor de pared del tubo (e), mientras que en los tubos estructurados, la cota H siempre es mayor que el espesor (e) de la/s capa/s de los tubos.

Al tener más altura de construcción (H), conseguimos mayor Momento de Inercia y como éste está en el numerador en la fórmula del cálculo de la rigidez anular (SN), a mayor Momento de Inercia obtenemos mayor rigidez anular.

Los tubos de pared maciza están en el mercado desde hace más de 60 años y los estructurados más de 25 años.

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Pared maciza

PVC

H = e

Corrugados.

Doble pared PE-PP-PVC

H > e

Multicapa

PVC

H > e e

e

Una manera de medir este comportamiento es efectuando un ensayo de flexibilidad anular (Buckling Test), el cual consiste en aplicar en la parte superior del tubo una carga con incremento constante, midiéndose la fuerza ejercida.

Flexibilidad Anular

En este ensayo, el tubo se somete a un aplastamiento hasta conseguir una deformación del 30% sin que se produzca disminución de la fuerza necesaria para producir esta deformación. Tampoco se han de producir fisuras en la pared de la estructura del tubo.

Flexibilidad Anular

Otra razón en defensa de este ensayo es que debemos comprobar que un tubo de pared estructurada se comporta como un tubo de pared sólida. Esta es una necesidad fundamental porque hay una gran base de conocimientos acumulados sobre el comportamiento de los tubos plásticos de pared sólida enterrados. Si el comportamiento fuera diferente, entonces todos los códigos de práctica para las instalaciones deberían ser revisados y un extenso plan de ensayos debería ser realizado.

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Este ensayo es uno de los más importantes para demostrar la aptitud de los tubos plásticos utilizados en saneamiento sin presión.

En estas condiciones, un tubo rígido de hormigón o gres, se rompe mucho antes de conseguir estas deformaciones. El ensayo de aplastamiento demuestra claramente si el tubo está diseñado de manera correcta para aprovechar al máximo las propiedades del material y soportar las fuerzas mecánicas que tiene que resistir. Un buen resultado es una garantía de calidad para el comportamiento de un tubo a largo plazo.

Aunque la norma UNE-EN 1401 de tubos de PVC de pared compacta contempla las series de Rigidez Anular SN 2, 4 y 8, hay que tener en cuenta que para obras oficiales que se realicen de acuerdo con el Pliego de Saneamiento del MOPU de 1986 se exige como mínimo una Rigidez Circunferencial Específica RCE de 0.039 kg/cm2 equivalente a SN 4 kN/m2.

Además es importante tener presente que el uso de tubos con Rigidez Anular SN 2 de acuerdo con los códigos de buena práctica de instalación incrementa considerablemente los costos de instalación para resistir tanto las cargas móviles como las del propio terreno. Asimismo, tampoco se deben instalar tubos y accesorios de SN 2 en áreas donde se produzcan descargas de agua caliente ni en el interior de edificios.

Tubo “teja” de pared compacta (izda) y tubo estructurado (derecha)

Estanquidad

La estanquidad es el parámetro fundamental del saneamiento. Rigurosos ensayos de estanquidad con aplastamiento y desviación angular nos demuestra el excelente diseño de las uniones de las tuberías plásticas.

Condiciones del ensayo según prEN 13476: Presión interior: 0,05 bar y 0.5 bar Depresión: - 0.3 bar Deformación en el extremo del tubo macho: 10% Deformación en la embocadura: 5% Angulo de flexión de la junta: 2º

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Se deberá probar al menos el 10% de la longitud total de la red, salvo que el Pliego de Prescripciones Técnicas Particulares fije otra distinta. El Director de la Obra determinará los tramos que deberán probarse.

Actualmente existen equipos y sistemas para realizar pruebas de estanquidad, según la norma UNE-EN 1610, tanto con agua como con aire, asegurando de esta forma, una instalación correcta.

Pruebas de estanqueidad según UNE-EN 1610

Resistencia a la abrasión

Cuando se transportan sólidos a través de tuberías pueden producirse en las mismas, importantes desgastes por abrasión y corrosión, según el material con que estén hechas, lo que da lugar a interrupciones en el trabajo y costosas reparaciones.

nº ciclos

Resistencia a la abrasión

Los sólidos pueden transportarse neumaticamente por tuberías. Sin embargo en el futuro predominará el transporte hidráulico, debido a que la potencia requerida y la capacidad de carga se alcanzan a velocidades mucho más bajas.

Aire Agua

200 mbar (Método LD)

1,5 á 5 minutos de duración

De 1 á 5 mca

30 minutos de duración

Pérdida admisible: < 0,15 L/m2

230

El transporte hidráulico con tuberías de plástico ya se utiliza en yacimientos de arena y grava, en extracciones hidráulicas y mecánicas en minería, para minerales y carbón, en construcción de diques y recuperación de terrenos, en entibaciones hidráulicas en minería y en la transformación de remolachas azucareras.

Áreas de aplicación

No se deben instalar tubos y accesorios de SN 2 en áreas donde se produzcan descargas de agua caliente. La norma UNE-EN 1401 y el prEN 13476 definen dos series o áreas de aplicación:

U – Código de área de aplicación en el exterior de la estructura del edificio, hasta 1 m. del mismo, en la cual es conectado el sistema de tuberías de saneamiento.

D – Código de área de aplicación enterrado, tanto en el interior de la estructura del edificio como en el exterior del edificio, a partir de 1 m. del mismo en donde los tubos y accesorios son conectados al sistema de descarga del edificio.

Estas normas también indican la clasificación de tubos y accesorios que pueden ser usados en cada área de aplicación.

Nota: Las clases de tubos SN 4 y SN 8 son adecuadas para ambas aplicaciones, por lo que pueden ser marcadas UD.

Clase Serie

SN 2 SN4 SN 8

U Si Si Si

D No Si Si

Área de aplicación UD

Área de aplicación D

1 metro Área de aplicación U

Área de aplicación UD

Área de aplicación D

1 metro Área de aplicación U

Áreas de aplicación

Características hidráulicas

Rugosidad

La menor pérdida de carga por rozamiento nos permite evacuar más caudal con el mismo diámetro interior de los tubos o rebajar el diámetro de los tubos plásticos para evacuar el mismo caudal.

231

En el caso de tubos a presión, gastaremos menos energía durante su vida útil de cómo mínimo 50 años, para transportar el mismo caudal que los tubos tradicionales.

La rugosidad de los tubos de hormigón y metálicos facilita la adherencia de incrustaciones en los mismos, con la consiguiente reducción de diámetro con el paso del tiempo.

Incrustaciones en tubos metálicos

Los textos clásicos de hidráulica suelen indicar valores medios de dichas rugosidades, si bien hay mucha disparidad entre unos y otros. En las figuras siguientes se representan unos rangos razonables para los valores de la rugosidad, según se refiera a la rugosidad absoluta o a la “n” de Manning (0,008 para PP), de acuerdo con lo indicado en la Guía Técnica sobre tuberías para el transporte de agua a presión del CEDEX.

Rugosidad k absoluta (arriba) o de Manning (abajo)

PP -

232

Como se observa, las tuberías plásticas tienen la más baja rugosidad de las empleadas usualmente tanto en Abastecimiento como en Saneamiento, lo que se traduce en un ahorro energético muy importante si consideramos su ciclo de vida útil, al consumir menos electricidad para transportar el mismo caudal.

Golpe de ariete

La sobrepresión originada por el golpe de ariete se deberá sumar a la presión de trabajo.

Las variaciones de presión y caudal que dan lugar al golpe de ariete se propagan a través de toda la masa líquida como un movimiento ondulatorio. La velocidad de propagación de la onda se llama CELERIDAD y es función del módulo de elasticidad del material de la tubería.

Cuanto más bajo es el valor de la celeridad, menor es la sobrepresión que pueda originarse en la tubería, de aquí que sea aconsejable el empleo de tuberías plásticas por su bajo módulo de elasticidad, pues en las mismas condiciones de funcionamiento dan lugar a sobrepresiones inferiores a las que se producen con el empleo de materiales tradicionales, considerablemente más rígidos.

En la tabla siguiente se puede observar cómo en los tubos de materiales plásticos la celeridad de onda (y en consecuencia los efectos del golpe de ariete) son mucho menores que en el resto.

Para ello, sobre la base de una tubería supuesta de igual diámetro medio para todos los materiales y considerados unos espesores normales en cada material, en la tabla adjunta se calculan las celeridades de onda resultantes en cada caso, pudiéndose apreciar como éstas, en los materiales plásticos, son del orden de 2 ó 3 veces menores que en los restantes materiales.

Celeridades en distintos materiales

Material E1 (Kg/m2) Dm

(mm) e (mm) a (m/s)

Fundición 17 x 109 500 9 1100 Acero 21 x 109 500 5 1011 Hormigón 3 x 109 500 40 1044 PVC-U 3 x 108 500 24 363 PE 108 500 24 214 PRFV 2 x 109 500 7 492

Resistencia química

Resistencia a la corrosión y al ataque químico

Hay que tener en cuenta que los conductos más afectados por la corrosión debida a los agentes químicos y gases de los sulfuros que se producen en un red de saneamiento, son los que contienen cemento en su composición, como son los tubos de hormigón, de fibrocemento y los de fundición, cuya protección interior se basa en una delgada capa de mortero de cemento.

El sulfhídrico es oxidado por las bacterias aerobias, (thiobacillus), transformándose en ácido sulfúrico en las paredes interiores de los tubos. Esta corrosión no es homogénea en todo el interior del conducto y viene determinada por la concentración de sulfhídrico, según Pomeroy.

El Proceso consta de dos fases. En la primera, los lodos sedimentados por la acción de los organismos anaerobios, producen SH2.

En la segunda fase, estos gases de SH2 son fijados en la superficie interior del conducto, húmedo por condensación. En esta segunda fase, y en estas superficies no inundadas, las bacterias aerobias Thiobacillus dan origen a la producción de ácido sulfúrico, según la reacción:

233

H2S + 2O2 = H2SO4

Corrosión en tubos con cemento (izda) o metálicos (dcha)

Está demostrado que los tubos plásticos resisten mucho mejor el ataque químico y biológico de las aguas y afluentes agresivos. La resistencia química de los materiales plásticos viene recogida en el informe UNE 53389:2001 IN, el cual es equivalente al Informe Técnico Internacional ISO/TR 10358:1993.

Las juntas de estanquidad de los tubos suelen estar fabricadas en EPDM o en caucho natural NR. La resistencia química de las juntas de estanquidad y demás elementos elastoméricos está indicada en la norma ISO/TR 7620:2005 Rubber materials. Chemical resistance

Las tuberías plásticas son resistentes a la mayoría de agentes químicos y suelos agresivos. En general son resistentes a:

- Sales inorgánicas en cualquier concentración, incluyendo metales pesados - Soluciones acuosas diluidas de agentes químicos, como detergentes - Cualquier compuesto natural de suelos, incluyendo sulfatos en cualquier concentración - Acido sulfúrico diluido y en fase gas, que se encuentra en redes de saneamiento

Cálculos mecánicos La deformación de un tubo flexible es controlada por el asentamiento del suelo. Después del asentamiento las cargas de tráfico o del terreno, no afectan a la deformación del tubo. Cuando un tubo es más rígido que el suelo, las cargas por tráfico o de otro tipo, las ha de resistir el mismo tubo.

Para elegir el tubo de PE o PVC-U a utilizar en conducciones con o sin presión sometidas a cargas externas, hay que tener en cuenta las particularidades de los materiales viscoelásticos, a los que no pueden aplicarse para el cálculo estático las fórmulas que tradicionalmente se vienen empleando en los materiales rígidos o semirrígidos.

Los tubos de PE y PVC-U son flexibles, por lo que admiten ciertas deformaciones sin romperse ni fisurarse. No obstante la deformación admitida se limita por razones de seguridad, por lo que el cálculo se basa en asegurar que no se sobrepasa un límite máximo de deformación del 5 % a los 50 años de trabajo.

Para calcular los esfuerzos a que está sometida la conducción y poder elegir el tubo adecuado, es necesario seguir lo indicado en el Informe UNE 53331 (actualmente en revisión) equivalente a la norma ATV A 127. AseTUB dispone de programas de cálculo informático que realizan estos cálculos rápidamente.

Asetub PVC implementa un programa de cálculo de acciones sobre tuberías plásticas enterradas basado en el Informe UNE 53 331 IN "Tuberías de poli(cloruro de vinilo) (PVC) no plastificado y polietileno (PE) de alta y media densidad" para el cálculo mecánico y en el Informe UNE 53959:2002 IN. "Plásticos. Tubos y accesorios de material termoplástico para el transporte de líquidos a presión. Cálculo de pérdida de carga" para el cálculo de pérdida de carga.

Asetub PVC facilita el cálculo de las acciones mecánicas e hidráulicas y ofrece las siguientes funcionalidades:

- Ayuda en pantalla consistente en Imágenes con texto explicativo. - Sistema de información de tubos de PVC de dimensiones normalizadas. - Posibilidad de impresión de informe con los resultados del cálculo - Resumen de las expresiones matemáticas del Informe UNE 53331

234

Página inicial

Esta es la pantalla que aparece en primer lugar al ejecutar el programa. En esta página se debe seleccionar el tipo de cálculo a realizar, mecánico o pérdida de carga y el tipo de conducción de la instalación.

El cálculo de pérdida de carga sólo se puede realizar para conducciones de agua a presión.

En la parte inferior de la ventana se indican las normas de las cuales se han obtenido las dimensiones de los tubos que se adjuntan en las tablas.

· Agua a presión: UNE EN 1452

· Saneamiento a presión: UNE en 1456

· Saneamiento sin presión: UNE EN 1401

Página de inserción de datos

Los datos para el cálculo están clasificados de la siguiente manera:

- Tipos de instalación (Instalación) - Características de tubos e instalación (Tubos y zanja) - Tipos de apoyo (Apoyo) - Tipos de relleno (Relleno) - Módulos de compresión (Tipos de suelos) - Sobrecargas de la instalación (Sobrecargas)

Instalación

Existen cinco tipos de instalación:

· Instalación en zanja · Instalación en terraplén · Instalación en zanja terraplenada · Instalación de dos tubos al mismo nivel · Instalación de dos tubos a distinto nivel

En esta sección es posible indicar el tipo de seguridad que desea aplicarse a los cálculos de acciones mecánicas:

· Seguridad Tipo A. Caso general más restrictivo. Aplica un coeficiente de seguridad de 2.5

· Seguridad Tipo B. Caso especial menos restrictivo. Aplica un coeficiente de seguridad de 2

Parámetros de tubos e instalación

En esta sección se deben introducir todos los datos referentes a las características del tubo/s e instalación.

Si la instalación se compone de una sola conducción, encontraremos que sólo aparece activa la sección correspondiente a un tubo.

En este caso, se debe hacer distinción entre instalaciones bajo zanja o terraplén y bajo zanja terraplenada, ya que en esta última hay especificar la altura del terraplén (Hterr), mientras que en las dos primeras este dato no es necesario y el cuadro de texto correspondiente no está visible.

Si la elección ha sido de instalación con dos conducciones, se encontrarán activadas las secciones correspondientes al tubo 1 y tubo 2.

En este otro caso también se debe distinguir entre dos conducciones al mismo nivel y a distinto nivel. En el primero de estos dos casos, el programa considera que tanto el tubo 1 como el tubo 2 están instalados bajo zanja, de manera que el cuadro de texto "Hterr" existente en la sección para el Tubo 1, no estará visible.

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Apoyo

El Informe UNE 53331 IN, especifica dos formas de apoyar los tubos en la zanja:

· Apoyo tipo A: Este tipo de apoyo consiste, esencialmente, en una cama continua de material granular compactado sobre la que descansa el tubo. La cama de apoyo debe tener una compactación uniforme en toda su longitud y envolver el tubo según el ángulo de apoyo 2 alfa previsto. La relación de proyección para este tipo de apoyo es Pj=1

· Apoyo tipo B: En este tipo de apoyo el tubo descansa directamente sobre el fondo de la zanja o sobre el suelo natural, cuando se trata de una instalación bajo terraplén. Se utilizará únicamente en suelos arenosos exentos de terrones y piedras.

Es necesario especificar el ángulo de apoyo de los tubos sobre la zanja (2 alfa). Una vez cubierta la tubería, se añade un relleno seleccionado, compactándose a ambos lados del tubo para garantizar el ángulo de apoyo 2alfa previsto. La relación de proyección para este tipo de apoyo es Pj=1.

Relleno

Debemos seleccionar un tipo de relleno para la instalación:

- G1 No cohesivo. - G2 Poco cohesivo. - G3 Medianamente cohesivo. - G4 Cohesivo.

A continuación se debe seleccionar el tipo de compactado del relleno:

. Relleno de la zanja compactando por capas en toda la altura de la zanja.

· Relleno de la zanja compactando por capas en la zona del tubo y sin compactar el resto de la zanja

· Relleno de la zanja con compactado posterior.

· Zanja entibada, sin compactado posterior a la retirada de las tablas.

Además hay que añadir el peso específico de la tierra de relleno de la zona de la zanja

Tipos de Suelos (Compresión)

Para el cálculo de las cargas de las tierras es necesario conocer los módulos de compresión del relleno alrededor del tubo, por encima del mismo, en las paredes y en el suelo de la zanja.

E1 Módulo de compresión de relleno en la parte superior del tubo.

E2 Módulo de compresión del relleno alrededor del tubo, hasta 30 cm. por encima de la coronación.

E3 Módulo de compresión del terreno en la zona lateral del tubo.

E4 Módulo de compresión del terreno en la zona inferior al tubo.

Estos valores se deben calcular directamente mediante los ensayos correspondientes.

Si no se realizan ensayos, los valores de E1 y E2 pueden tomarse de la tabla que aparece en pantalla, según el grado de compactación especificado para el relleno y según el tipo de suelo.

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Sobrecargas

Para determinar la presión sobre el tubo debida a las sobrecargas verticales es necesario conocer.

- Sobrecargas concentradas: Se consideran como cargas concentradas las originadas, principalmente, por las cargas de tráfico puntuales. Para ver una tabla con los tipos de vehículos tipo y sus cargas por rueda, pulsar sobre el botón de título vehículos.

- Sobrecargas repartidas: Se consideran como cargas repartidas la originadas, principalmente, por los materiales acopiados, vehículos con cadenas, etc.

Ventana de resultados

Una vez se han introducido todos los datos en las cajas de texto, se procederá al cálculo de acciones. Para ello, hay que pulsar sobre el botón que posee un icono en forma de flecha o elegir la opción del menú: "Opciones" - "Cálculo de acciones".

El programa revisará automáticamente los datos introducidos y en el caso de haberse omitido dato o datos necesarios para el cálculo, se mostrará una ventana especificando cual o cuales son.

Una vez el programa compruebe que no faltan datos, se mostrará una nueva ventana con los resultados de las acciones. El programa calcula las acciones a corto y a largo plazo automáticamente.

Si en la fase de inserción de datos se ha especificado un tipo de seguridad (A o B), el programa aplicará este al resultado del cálculo de acciones, de manera que aquellos resultados que no satisfagan los requisitos aparecerán en color rojo.

Cálculo de la pérdida de carga

El método empleado para calcular la pérdida de carga es el descrito en el Informe UNE 53959:2002 IN. "Plásticos. Tubos y accesorios de material termoplástico para el transporte de líquidos a presión. Cálculo de pérdida de carga"

En la página inicial el usuario debe seleccionar Tipo de cálculo: Hidráulico el tipo de conducción y pulsar "Continuar".

Nota Importante: El cálculo de pérdida de carga sólo se puede realizar para conducciones de agua a presión.

Para el cálculo de perdida de carga en la tubería es necesario que el usuario conozca los siguientes datos:

- Geometría del tubo (diámetro nominal y espesor nominal): - Velocidad media / Caudal: - Temperatura del fluido transportado:

Una vez cumplimentados estos datos se debe pulsar el Botón "Calcular ------------ Pérdida de carga".

A continuación aparecerá un cuadro con el resultado del cálculo y con los parámetros empleados en él.