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239 Diseño de tuberías autoportantes Jaime Gil Navas Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Departamento de Obras Hidráulicas Corsan-Corviam [email protected] Qué es una tubería autoportante Es una tubería que aprovecha la capacidad mecánica del propio tubo para - además de transportar el fluido que tenga que transportar- salvar una dificultad en el trazado funcionando como una estructura aérea o parte de una estructura aérea. Cuando mencionamos el término “dificultad” nos referirnos normalmente a una singularidad en el trazado de una conducción enterrada que nos obligue a abandonar la sección tipo de zanja y a adoptar una rasante por encima del terreno. Esta singularidad puede no ser puntual (como sería el caso de -por ejemplo- el cruce de la conducción sobre una vaguada) y extenderse a longitudes grandes de tubería. Tal sería el caso de una conducción sobre apoyos puntuales en una refinería o en el interior de una galería. Por otra parte el concepto de autoportante es muy amplio y englobaría tanto a una pequeña conducción sujeta con abrazadaras a una pared como a una gran estructura que salvase el cauce de un río. En cualquier caso surgen una serie de preguntas que es necesario contestar en torno a los autoportantes: ¿cuándo colocar una tubería autoportante? ¿qué particularidades tiene? ¿qué materiales pueden usarse? ¿qué detalles constructivos específicos es necesario cuidar? ¿cómo se dimensiona? etc. El resto del texto procura arrojar luz sobre estas y otras cuestiones.

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Diseño de tuberías autoportantes Jaime Gil Navas

Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos

Departamento de Obras Hidráulicas Corsan-Corviam

[email protected]

Qué es una tubería autoportante Es una tubería que aprovecha la capacidad mecánica del propio tubo para - además de transportar el fluido que tenga que transportar- salvar una dificultad en el trazado funcionando como una estructura aérea o parte de una estructura aérea.

Cuando mencionamos el término “dificultad” nos referirnos normalmente a una singularidad en el trazado de una conducción enterrada que nos obligue a abandonar la sección tipo de zanja y a adoptar una rasante por encima del terreno. Esta singularidad puede no ser puntual (como sería el caso de -por ejemplo- el cruce de la conducción sobre una vaguada) y extenderse a longitudes grandes de tubería. Tal sería el caso de una conducción sobre apoyos puntuales en una refinería o en el interior de una galería.

Por otra parte el concepto de autoportante es muy amplio y englobaría tanto a una pequeña conducción sujeta con abrazadaras a una pared como a una gran estructura que salvase el cauce de un río.

En cualquier caso surgen una serie de preguntas que es necesario contestar en torno a los autoportantes:

¿cuándo colocar una tubería autoportante? ¿qué particularidades tiene? ¿qué materiales pueden usarse? ¿qué detalles constructivos específicos es necesario cuidar? ¿cómo se dimensiona? etc.

El resto del texto procura arrojar luz sobre estas y otras cuestiones.

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Cuándo utilizar la solución de tubería autoportante La colocación de una tubería autoportante será practicamente obligada cuando sea necesario que la conducción discurra aérea, ya que la otra alternativa consistiría en que la tubería fuese una mera sobrecarga de otra estructura. Esta solución es siempre de mayor coste y debe adoptarse solo cuando la estructura sobre la que descanse el tubo sea previamente existente.

En otros casos hay que entender la tubería autoportante como una de las alternativas a considerar para realizar un paso singular:

Para cruzar un río sería la alternativa a una zanja quizá profunda y complicada de ejecutar. Para un terreno rocoso y escarpado sería la alternativa a una cara zanja realizada mediante voladura.

Ventajas e inconvenientes de las tuberías autoportantes Sea de obligada colocación o sea como resultado de una elección entre varias alternativas, la colocación de una tubería autoportante tiene algunos inconvenientes.

Quizá el más acusado sea precisamente su naturaleza aerea, que la sitúa muy a menudo a la intemperie y por tanto sometida a soleamiento, hielo-deshielo y deterioro de los revestimientos exteriores o del propio material del tubo.

Además está expuesta al vandalismo y sin duda siempre causa impacto visual.

Sin embargo se trata de una solución limpia e incluso muy ingenieril. Esto último hace que un autoportante pueda ser lo más representativo, lo simbólico, de una obra de tubería que de otra forma apenas sería perceptible.

Solicitaciones mecánicas en una tubería autoportante Sea cual sea el diámetro y el material de una tubería autoportante existen una serie de características estucturales comunes a todos ellos.

Una tubería autoportante se comporta como una estructura independientemente de cual sea su diámetro y material. Así, estará sometida en general a:

Peso propio del tubo Peso del fluido Sobrecargas Viento Variaciones térmicos Etc.

Además debe soportar las solicitaciones debidas a presión interior, que se traducen

Tensiones circunferenciales Tensiones longitudinales localizadas cerca de los apoyos debidas a la presión interior.

Al respecto cabe decir que –como en todo tipo de estucturas- solo en el dimensionamiento de autoportantes de cierta entidad es necesario un cálculo detallado de todos estos esfuerzos.

En las tuberías autoportantes de poca entidad (pequeño diámetro y/o poca luz de vano) o poco comprometidas suele bastar con las recomendaciones del fabricante de la tubería o con la estimación de las solicitaciones más importantes.

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Tuberías autoportantes de fundición Las tuberías de fundición con junta estándar pueden ser colocadas fundamentalmente de dos maneras, dependiendo del vano a salvar. Estas dos colocaciones están tipificadas por los fabricantes de este tipo de tubería y no es necesario para ellas ningún cálculo adicional.

La primera colocación consiste en un solo apoyo por tubo de 6 m, apoyo en cuna que ha de situarse junto a la hembra, quedando el extremo macho apoyado en el extremo hembra del tubo adyacente. De esta menra se salvan vanos de 6 m.

Con la otra opción puede llegarse a luces de 12 m para φ < 600 mm adoptando la disposición de la figura adjunta.

La longitud B no debe exceder un cuarto (1/4) de la longitud total del vano.

Gracias al tipo de junta los cambios térmicos no generan tensiones ya que el tubo tiene libertad para dilatarse y contraerse.

Tuberías autoportantes de materiales plásticos Debido a sus características mecánicas, las tuberías de material plástico (PRFV, PVC y PEAD) no pueden salvar grandes vanos sin apoyos intermedios. Lo más frecuente es disponer apoyos puntuales (en forma de cuna, mediante abrazaderas o directamente si los diámetros son pequeños) cada pocos metros, de acuerdo con las recomendaciones de los propios fabricantes.

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El caso de las tuberías de P.E.A.D. es aún más extremo debido a que las flechas que se producen se hacen muy grandes en cuanto la distancia entre apoyos es de algunos metros. Además su elevadísimo coeficiente de dilatación acentúa este problema. En este sentido hay que tener especial cuidado para no inducir artificialmente puntos altos en la rasante en los que pueda acumularse aire.

La variedad de abrazaderas, apoyos y sujecciones es muy grande. El gráfico que se adjunta puede ser ilustrativo.

Tuberías autoportantes de acero El acero es el mejor material para salvar grandes vanos debido a su gran capacidad mecánica. Estos autoportantes son los que realmente requieren un cálculo detallado, consistente –como en otras estructuras de acero- en comprobar que la tensión producida por las distintas solicitaciones no supera en ningún punto de la estructura la tensión admisible del material. Además es necesario comprobar que las flechas máximas no sean excesivas. En general pueden limitarse a 1/300 de la luz, aunque es fácil entender que este no es un aspecto de especial importancia.

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Esquema estructural y detalles constructivos

Los autoportantes más habituales responden normalmente al esquema estructural de viga de uno o más vanos horizontales con apoyos que permiten desplazamiento horizontal (salvo uno de ellos) y giro.

No obstante no es obligatorio ceñirse a esta tipología, pudiéndose diseñar con extremos empotrados, por ejemplo.

La interrupción estructural en los extremos se materializa mediante compensadores de dilatación.

Los apoyos por su parte son puntos de concentración importante de carga. Para garantizar que la tubería conserve su forma circular y para reducir unas tensiones que de otra forma serían demasiado elevadas (como se verá más abajo), se dispone en los apoyos cunas a 120º o bien anillos completos, a los que se incorporan los soportes que han de transmitir las cargas a pilas o estribos.

Para materializar los apoyos fijos (no deslizantes horizontalmente) se pueden intercalar entre los soportes del anillo y la cabeza de la pila o estribo correspondiente un neopreno que apoye en una chapa de acero embebida, mientras que para materializar los apoyos deslizantes se puede adoptar la misma disposición pero intercalando además entre el neopreno y la chapa embebida en la pila o estribo un teflón solidario con el neopreno y una chapa de acero inoxidable solidaria con la chapa embebida.

Esta tipología no es –evidentemente- única. Se pueden colocar apoyos sobre rodillos en vez de cunas deslizantes o soportes biarticulados en vez del conjunto neopreno-teflón antes descrito.

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Tensiones en el tubo

La estructura tubería-de-acero está sometida en general a las cargas que a continuación se enumeran y que producen las tensiones siguientes:

Peso propio, peso del fluido, empuje del viento (normalmente despreciable) y sobrecargas

Se trata de cargas perpendiculares al eje de la conducción y que producen momentos flectores y cortantes calculables de acuerdo con la resistencia de materiales.

Las tensiones producidas en una sección por el momento flector (+) son tracciones longitudinales en la generatriz inferior y compresiones en la superior y a la inversa para momentos (-), mientras que las generatrices medias no sufren esfuerzo.

Por el contrario los cortantes generan esfuerzos tangenciales verticales máximos en las generatrices medias y nulos en la superior e inferior.

Además, junto a los apoyos en cuna el cortante produce un esfuerzo longitudinal local que puede calcularse de acuerdo con la expresión:

σ = k · Q / t2 · L(R/t)

σ tensión localizada (psi) k 0.02 – 0.00012 · (A-90) A, ángulo de la cuna Q cortante (lb) R radio (in) t espesor (in)

Incrementos térmicos

Lo más recomendable es evitar que se generen tensiones por este motivo, lo que se logra permitiendo las deformaciones que aquellas provocan mediante los apoyos deslizantes. No debe por tanto disponerse dos apoyos fijos consecutivos.

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Si por el motivo que fuese no pudiesen liberarse las deformaciones térmicas se producirían compresiones o tracciones longitudinales uniformes en todas las generatrices. Al respecto de las variaciones térmicas es necesario comentar que pueden ser realmente fuertes. Piénsese que un tubo de acero destinado al transporte de agua, vacío y sometido a soleamiento intenso puede alcanzar temperaturas superiores a 70º. Si el mismo tubo se llena de agua, esta impondrá su temperatura (que bien pudiera ser de 7º aún en varano) inmediatamente.

Esto es importante a la hora de prever las dilataciones/contracciones máximas que pueden producirse y por tanto a la hora de escoger los compensadores de dilatación adecuados.

Presión interior

La presión interior producirá tracciones transversales uniformes a lo largo de toda la circunferenciad del tubo, calculables de acuerdo con la fórmula de la caldera:

σ = p·φ / 2e

Pero además la presión interior producirá unas tensiones longitudinales junto a los apoyos si estos son del tipo anillo a causa de que este impide el incremento de diámetro que producirái la presión interior si no hubiese coacciones. En la figura adjunta se esquematiza el fenómeno. El momento flector y el cortante en la pered del tubo junto al anillo vienen dados por la expresión (“Theory of plates and shells”, Timoshenko):

M0 = p / 2β2 Q0 = p / β con β4 = 3·(1-υ2) / a2h2

p presión interior υ coeficiente de Poisson a radio h espesor

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Puntos de un autoportante donde debe calcularse la tensión de comparación y compararla con la tensión admisible

De acuerdo con lo anterior, deben comprobarse los siguientes puntos:

Generatriz inferior de los puntos de máximo momento flector negativo Generatriz superior de los puntos de máximo momento flector positivo Generatrices medias de los puntos de máximo cortante

Además deben comprobarse las secciones junto a los apoyos porque en ellas aparecen las tensiones localizadas descritas, si bien hay que tener en cuenta que junto a los apoyos con anillo las tensiones por presión interior quedan constreñidas a causa de la presencia de este y por tanto no hay que considerarlas.

Por último, debe comprobarse la estabilidad de los puntos más comprometidos o bien disponer elementos metálicos adicionales que eviten el fenómeno (normalmente rigidizadores longitunales). Es esto es especialmente ilustrativa la publicación “Buckling of Steel Shells” (ECCS, TC 8, WG 8.4) y básicamente se trata de comparar la tensión de comparación con la tensión admisible del acero, pero minorada por un coeficiente (adicional al coeficiente de minoración del material).

En general, lo más recomendable es utilizar un único espesor para toda la tubería autoportante excepto en los puntos más solicitados (centro de vano o junto a los apoyos) en los que se colocan virolas de mayor espesor. Adicionalmente puede colocarse un perfil longitudinal al tubo soldado en centro de vano a lo largo de la generatriz superior para prevenir el pandeo de esta sección.

Tuberías de acero como parte de una estructura Cuando el vano a salvar hace que el espesor necesario en un autopotante de acero sea excesivo puede utilizarse el tubo no como viga propiamente dicha sino parte de una estructura más compleja.

Así, el tubo puede usarse como cordón inferior de tracción en una estructura biapoyada, pueden disponerse tirantes en sustitución de pilas para acortar vanos o puede en definitiva formar parte de una estructura que ha de calcularse como tal, con los esfuerzos adicionales introducidos por la presión interior.

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Tubería de acero. Figura del Manual M11 de AWWA

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CÁLCULO DE TUBERÍA AUTOPORTANTECOMPROBACIÓN TENSIONAL DE TUBERÍA DE ACERO

TÍTULO: CURSO ÁVILASección juntio a apoyo en viga continua

CARACTERÍSTICAS DEL ACERO

límite elástico del acero………………………………………………………….. 482 N/mm2límite de rotura del acero………………………………………………………… 565 N/mm2módulo de Poisson……………………………………………………………….. 0.30

CARACTERÍSTICAS DE LA CONDUCCIÓN EN LA SECCIÓN

diámetro exterior…………………………………………………………………… 1880 mmespesor…………………………………………………………………………. 12.7 mm¿existe anillo rigidizador? (si/no)………………………………………………… si

módulo resistente de la tubería…………………………………………………. 35254 cm3

CARGAS Y TENSIONES

presión interior…………………………………………………………………. 1.50 Mpamomento flector…………………………………………………………………… 8900 kN*mcortante……………………………………………………………………………… 960 kN

beta………………………………………………………………………………… 11.8 1/mmomento local mayorado………………………………………………………… 5.42 kN*m/mcortante local mayorado…………….…………………………………………… 128 kN/m

tensión por flexión mayorada…………………………………………………… 252 N/mm2tensión por cortante mayorada…………...……………………………………… 26 N/mm2tensión por presión interior mayorada…………………………………………… 0 N/mm2

tensión longitudinal localizada (anillo de rigidez infinita)……………………… 202 N/mm2tensión por cortante localizada…………………………………………………… 10 N/mm2

COMPROBACIÓN DE TENSIONES

tensión de comparación en fibra de generatriz superior/inferior……………… 454 N/mm2tensión de comparación en fibras de generatrices medias…………………… 207 N/mm2

Tuberías autoportantes de hormigón Poco utilizadas, son una opción perfectamente válida y se calculan como si de una estructura de hormigón armado se tratase. No solo es necesaria la armadura espiral necesaria para soportar la presión interior o las cargas ovalizantes cuando está enterrada sino también armadura longitudinal para los esfuerzos como viga biapoyada o continua