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Tubos de hormigón armado de gran sección en saneamiento. Instalación y tipología

José Rodríguez Soalleiro

Ingeniero de Camino, Canales y Puertos. Director Técnico de Tubos Borondo, S.A.

jrodriguez@borondo.es

Introducción Entendemos por tubería el sistema integrado por un conjunto de tubos, sus uniones y las piezas especiales correspondientes.

Los sistemas de tuberías se clasifican según el fluido interior esté en presión o su circulación se produzca por gravedad y, en este último caso, según ocupe toda la sección del tubo o no. Los tubos que integran el sistema de tuberías pueden clasificarse atendiendo al material con el que están fabricados, siendo, en general, desaconsejable el empleo de diferentes materiales dentro de un mismo sistema.

Un material muy adecuado, y de uso extendido desde la década de los cincuenta para fabricar tubos y los accesorios de las tuberías, es el hormigón armado, donde junto a las tradicionales virtudes del hormigón como material de construcción se une el hecho de que al ser pasivante el medio donde se encuentran las armaduras metálicas éstas quedan así fuertemente protegidas contra los procesos de corrosión metálica.

El hormigón armado es un material muy indicado para la fabricación de tuberías sin presión, tanto a sección llena como en lámina libre. Aunque el hormigón en masa tiene unas buenas cualidades para ser utilizado en tuberías sin presión, de pequeño diámetro y siempre que el proceso de fabricación sea muy cuidado, presenta el riesgo de rotura frágil, que se evita utilizando hormigón armado. Además de esta ventaja, la resistencia a las cargas exteriores y la durabilidad, hacen que el tubo de hormigón armado sea un magnífico elemento para la construcción de redes de saneamiento y drenaje, su uso más generalizado, aunque no exclusivo.

En efecto, según su uso, los tubos de hormigón armado pueden clasificarse en:

Tubos para saneamiento sin presión Tubos para saneamiento con baja presión Tubos para drenaje Tubos para redes de riego por gravedad Tubos para redes de riego en baja presión Tubos para redes de abastecimiento de agua en baja presión Tubos para usos industriales

Tubos para colectores de pluviales

Procedemos a continuación a clasificar las diferentes tipologías que existen en la actualidad de tubos de hormigón armado, así como a exponer los distintos tipos de instalación que se realizan con estos elementos, centrándonos en los tubos de hormigón armado para saneamiento y drenaje sin presión, bien en lámina libre o a sección llena

Básicamente realizaremos su clasificación atendiendo a la forma de su sección transversal, a su visitabilidad y al tipo de unión. Esta última depende a su vez del perfil y de la forma exterior de los extremos del tubo, así como del material de sellado para la junta, el cual determina si la unión es rígida o flexible.

En cuanto a las instalaciones, distinguiremos las instalaciones a cielo abierto (zanja, terraplén, zanja terraplenada y zanja inducida en terraplén) de las instalaciones hincadas.

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Clasificación de los tubos de hormigón armado

Según la forma de su sección transversal

La forma de la sección interior del tubo permite establecer una clasificación, siendo la sección circular la más habitual para el conjunto de los materiales, hormigón armado incluido, aunque este último permite el diseño y construcción de tuberías con secciones no circulares.

Fundamentalmente existen las secciones circulares, ovoides, elípticas y rectangulares (marcos), siendo denominadas galerías las de sección abovedada, destinadas principalmente a colectores o a galerías visitables de servicios.

Así por ejemplo, cuando la variación de caudales que se espera circule por una red de saneamiento sea grande, puede resultar aconsejable acudir a secciones interiores ovoides en hormigón armado, que reduzcan posibles problemas de sedimentación con caudales bajos, dada la mayor velocidad a la que circulan estos últimos por las secciones ovoides frente a las secciones circulares equivalentes o a tubos circulares con canal y andén

El uso de tubos de sección rectangular se enfoca principalmente a canalizaciones de cursos naturales de agua, a colectores de gran caudal y formación de tanques de tormentas.

Aunque pueden fabricarse tubos de cualquier forma de sección y tamaño, las secciones y espesores de los tubos circulares y ovoides se encuentran normalizadas - norma UNE 127 1916-, y son las que figuran a continuación

Tubo sección circular Tubo sección ovoide

Tubo sección rectangular (marco) Galerías abovedadas Tubo sección elipse

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Dimensiones tubos circulares

Dimensiones tubos ovoides

Dimensión nominal

DN

Diámetro(mm)

300 300 400 400 500 500 600 600 700* 700 800 800 900* 900 1.000 1.000 1.100* 1.100 1.200 1.200 1.300* 1.300 1.400 1.400 1.500 1.500 1.600 1.600 1.800 1.800 2.000 2.000 2.500 2.500 3.000 3.000

Dimensiones nominales WN/HN

Ancho(mm)

Alto(mm)

600/900 600 900700/1050 700 1050800/1200 800 1200900/1350 900 1350

1000/1500 1000 15001200/1800 1200 18001400/2100 1400 2100

Según su visitabilidad

En cuanto a la visitabilidad de las conducciones de hormigón armado viene marcada principalmente por un diámetro interior mínimo de 800 mm que permita la entrada de una persona y por la presencia de un andén que permita su acceso en condiciones normales posibilitando su presencia fuera de la cuna hidráulica por la que circula el efluente. Tradicionalmente, se habían utilizado como elementos visitables las galerías, aunque en la actualidad se fabrican tubos de sección circular o rectangular de gran diámetro con dichos andenes. A continuación exponemos unos ejemplos de estas conducciones.

Tubo circular visitable

Galería visitable

Marco visitable

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Según el tipo de unión

Los tubos han de resistir las cargas exteriores y han de ser estancos, por lo que debe prestarse una especial atención a las uniones.

La unión de tubos suele estar constituida por un extremo macho y un extremo hembra, especialmente diseñados para comprimir unos materiales de sellado que componen la junta.

La estanquidad de las conducciones, condición elemental entre los requisitos que se deben exigir, ha de dar garantía de la estabilidad de la conducción, asegurar que no se produce contaminación del agua circulante por filtración desde el exterior, así como que no se produce contaminación de los acuíferos por fugas en conducciones de aguas residuales y que impida el paso de las raíces.

Existen diversos tipos de unión para los tubos de hormigón armado. Se pueden distinguir las uniones según el perfil interior de los extremos que puede ser a testa, machihembrado o específico para un perfil de junta determinada (escalonado o acanalado). Además, según la forma exterior de los extremos pueden ser de enchufe y campana o cilíndricas.

Por último, también cabe diferenciar las uniones rígidas de las elásticas en función del material de sellado utilizado.

Según la forma de los extremos

El tipo de unión más simple es la unión “a testa” en la que los extremos de los tubos son rectos sin forma alguna, debiendo realizarse el sellado con bandas, manguitos o corchetes exteriores. Esta unión prácticamente no se usa en la actualidad en tubos de hormigón.

Una mejora sustancial se introduce con la unión machihembrada. Con ella se mejora notablemente la continuidad interna de la tubería y se facilita la colocación al tiempo que se simplifica la solución del sellado de la unión.

Esta unión machihembrada ha evolucionado introduciendo en los extremos de los elementos a unir diferentes formas especificas para una junta determinada que, junto con los productos de sellado adecuados y la disposición de “topes mecánicos” cuando se requieran, permiten resolver los déficit que tenía la unión machihembrada y satisfacer las máximas demandas actuales.

Dentro de estos perfiles específicos cabe distinguir según la forma de los extremos macho:

Extremo macho escalonado

Extremo macho acanalado

En la primera opción, el tubo lleva en su extremo macho un tope de hormigón que impide la expulsión del material de sellado, generalmente una junta elastomérica, en el sentido longitudinal de la tubería durante el emboquillado mientras que en el segundo caso el extremo macho lleva una hendidura que fija exactamente la posición de la junta. A continuación se exponen los dos tipos de extremo macho.

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Extremo escalonado con junta elastomérica

autodeslizante

Extremo acanalado con junta elastomérica

autodeslizante

También existen, en función de la forma exterior de los extremos, los tubos de enchufe y campana con la variante de extremo cilíndrico para elementos muy gruesos En la actualidad existen por lo tanto dos tipos de uniones según la forma exterior de los extremos hembra que son:

tubos de enchufe y campana

tubos de extremo cilíndrico

Tubo de hormigón con extremo en enchufe y campana

Tubería de hormigón con extremo cilíndrico

En efecto, la zona de la unión puede resolverse dentro del espesor de pared del tubo o necesitar un recrecido en su extremo hembra. Los tubos que reducen su espesor, cuando este es lo suficientemente grande, para realizar un “cajeado” que permita acoplar el siguiente tubo resultando una forma exterior de la unión cilíndrica son los conocidos por extremo cilíndrico. Si por el contrario el espesor no permite realizar la unión de forma adecuada, se da un sobreespesor al extremo hembra de manera que la forma exterior es de campana. Los tubos con este recrecido son los conocido por enchufe y campana. En este último caso es necesario construir nichos en los fondos de las zanjas para garantizar la nivelación y alineación de la conducción.

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En tuberías con pequeño espesor el dispositivo de unión recomendable es el de unión enchufe y campana puesto que garantiza el espesor suficiente para cumplir su función (compresión del material de sellado), asegurando que la unión no representa un punto estructuralmente más débil en la conducción.

En cambio en ciertos tipos de instalación, como es la hinca de tuberías, es necesaria una sección externa cilíndrica constante. Al ser estos tubos de gran espesor, para permitir la transmisión longitudinal de los empujes, no existe inconveniente en resolver la unión dentro del espesor, al igual que en los tubos de gran diámetro cuyos espesores necesarios estructuralmente son suficientes para realizar este tipo de unión. Además, en el caso de los tubos de hinca la unión se protege especialmente mediante la colocación durante el proceso de fabricación del tubo de un anillo (virola) en su extremo.

Para todos estos dispositivos el extremo macho debe de tener un acabado liso, sin oquedades y sin rebabas para que se produzca un correcto asiento de las juntas. El diseño y tolerancias dimensiónales deben garantizar que cumplen su función de estanquidad. La alta tecnología actual permite obtener estos acabados incorporando a las cadenas de producción líneas de fresado que proporcionan tolerancias de décimas de milímetros en el diámetro de asiento de la junta de estanquidad en el enchufe del tubo.

Según el material de sellado

Como ya hemos indicado, existen distintos tipos de materiales para garantizar la estanquidad de la conducción. Los elementos de sellado más utilizados son:

Mortero Cordones bituminosos Bandas exteriores Poliuretanos monocomponentes Juntas elastoméricas

Marco con junta elástica realizada en obra con

bandas exteriores

Junta elástica realizada en obra con cordón

bituminoso

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En primer lugar hay que distinguir entre dos tipos de uniones diferentes en su funcionamiento: la unión rígida y la unión elástica. La primera se realiza en obra sellando la conducción con mortero especial, dando continuidad a la tubería de hormigón. La segunda puede realizarse en obra o no y utiliza un material elástico en la junta que debe garantizar la estanquidad, permitiendo además que la tubería se adapte a los movimientos del terreno generados por los asentamientos diferenciales que se producen durante su ejecución y posterior entrada en servicio.

Dentro de este último caso, como materiales utilizados en obra más comunes existen los cordones bituminosos, las bandas exteriores y los poliuretanos monocomponentes, cuyas aplicaciones en las juntas se realizan en la propia obra durante la instalación.

Los cordones bituminosos se aplican igual que el mortero y permiten una cierta flexibilidad que puede absorber ligeros movimientos, aunque normalmente no aguantan presiones.

Las bandas exteriores de sellado se suelen utilizar en elementos de formas no circulares.

Los sellamientos de poliuretano monocomponente se emplean en tuberías ovoides, marcos y galerías abovedadas. Según la naturaleza del efluente se emplea el tipo de poliuretano apropiado. Estos tipos de sellado son de alta calidad por su gran resistencia mecánica, elasticidad y durabilidad

Como uniones flexibles, las juntas elastoméricas son los sellantes más empleados en los tubos de hormigón armado de sección circular. Solucionan prácticamente todos los problemas de las otras uniones, aunque requieren una tolerancia dimensional estricta de los extremos de los elementos a unir. Veremos a continuación que la junta elastomérica puede ser incorporada al tubo durante su proceso de fabricación o suministrada por separado para su colocación en el macho o en la hembra del tubo durante su instalación, pudiendo ser en este caso rodantes o deslizantes.

Las primeras juntas elastoméricas utilizadas han sido las tóricas, de sección circular, que evolucionaron hacia la forma de “lágrima” o “gota” para evitar el desemboquillado de los tubos ya unidos. Estas juntas son rodantes ya que se colocan en la espiga o macho de uno de los tubos a unir y por contacto con la campana al introducir el otro tubo giran hasta quedar situadas en su posición final. Si este movimiento de giro en los extremos de los elementos no se produce correctamente, la unión no será estanca, por lo que para evitar esta incertidumbre aparecieron las juntas deslizantes. La solución más sencilla de junta deslizante es la que con forma de “flecha”, “arpón” o “delta” y apoyándose sobre un rebaje o escalón de la espiga del tubo se comprime en el momento del emboquillado de los tubos.

Junta arpón en extremo

escalonado

Junta integrada

en la hembra

Otra solución, muy utilizada en otros países europeos, es la de la junta integrada en la campana. Así se tiene la garantía de que la junta siempre irá en la posición correcta, pero presenta el inconveniente de que un retraso en el

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montaje de los elementos fabricados puede dar lugar al deterioro de las características del elastómero. En países como el nuestro con elevadas temperaturas y alto soleamiento, el acopio en fábrica y obra puede suponer aumentos de la dureza de la goma que invaliden su empleo, conllevando la pérdida del tubo.

Otra solución que garantiza el exacto posicionamiento de la junta en el momento del emboquillado es el de los extremos acanalados.

Las juntas deslizantes requieren el uso de un lubricante que facilita el emboquillado y su correcta colocación. El lubricante se aplica con brocha al menos sobre el extremo de la unión que no lleva la junta, y debe mantenerse libre de arena, tierra o cualquier otro elemento que perjudique el correcto deslizamiento, cosa que no resulta fácil en una obra de construcción.

Finalmente, para solucionar este problema, aparecen las juntas autolubricadas, vistas anteriormente en un extremo acanalado y en otro extremo escalonado, que incorporan interiormente un producto que permite su colocación sin necesidad de aplicación alguna en obra.

Instalación de los tubos de hormigón armado La instalación de los tubos de hormigón armado actualmente se suele realizar de dos maneras, a cielo abierto o en hinca. La forma tradicional de puesta en obra es a cielo abierto, distinguiéndose la instalación en zanja, y en terraplén (y sus variantes zanja terraplenada y zanja inducida en terraplén), aunque el desarrollo de nuevas tecnologías ha permitido que se utilicen cada vez más sistemas de instalación especiales como la hinca de tubería, sobre todo para el cruce de infraestructuras puesto que la tubería se instala disminuyendo e incluso eliminando el tiempo de interrupción del servicio en dichas infraestructuras.

Instalaciones a cielo abierto

Las infraestructuras de saneamiento y drenaje por gravedad han sido desde su primera concepción subterráneas por necesidades intrínsecas a su función. Tradicionalmente han existido dos formas de puesta en obra de tuberías enterradas: en zanja y en terraplén.

En el primer caso la cota de la clave del tubo se encuentra por debajo de la cota del terreno natural siendo necesaria la excavación y extracción de material. En el segundo caso la clave del tubo se encuentra por encima de la cota del terreno siendo necesario el aporte de material para la formación del terraplén. Las infraestructuras de saneamiento generalmente se ejecutan en zanja, sobre todo en entorno urbano, mientras que, por ejemplo, la ejecución en terraplén es la tipología común en el drenaje transversal de infraestructuras de transporte.

Es obvio que tanto la instalación en zanja como en terraplén tiene singularidades y problemáticas inherentes a cada tipo de ejecución., por ejemplo la flotabilidad de la tubería con un nivel freático alto a la hora de ejecutar una zanja o la incidencia de una compactación excesiva en el drenaje de terraplenes. No obstante el proceso de instalación del tubo de hormigón armado es básicamente el mismo en los dos casos.

Tras el transporte descarga y acopio en obra, los tubos deben unirse mediante una fuerza axial aplicada progresivamente sin sobretensionar los componentes y usando los útiles adecuados en función del diámetro de los tubos que preferiblemente incorporan dispositivos de tracción.

Para el correcto empalme y estanquidad de la unión es necesario por lo tanto que el tubo entrante se encuentre suspendido y concéntrico con el tubo ya instalado. La junta debe estar colocada y las partes de la tubería que se ponen en contacto deben estar limpias y lubricadas en el caso de tratarse de juntas deslizantes.

La suspensión de los tubos de pequeño diámetro se puede realizar con los mismos elementos utilizados para la bajada a zanja, pudiéndose emplear tiradores o palancas mecánicas para vencer el esfuerzo de conexión. Otros útiles para el montaje de estos tubos de pequeño y mediano diámetro son los tiradores hidráulicos. Éstos alcanzan una mayor potencia lo que permite conectar tubos de hasta 600 mm de diámetro nominal.

Para el montaje de los tubos podrán igualmente utilizarse trácteles, si bien en este caso la precaución fundamental que habrá que adoptar será que la tracción aplicada no desvíe o impida la concentricidad y la alineación del tubo. A partir de 800 mm de diámetro nominal podrá alojarse en el interior de la tubería una

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máquina juntatubos especialmente diseñada para el montaje de tubos de grandes diámetros. Este tipo de útil se puede emplear para montar tubos de hasta 3.000 mm de diámetro nominal.

Una alternativa frente a los anteriores montajes para tubos de gran diámetro es el empleo de tubos taladrados de origen en fábrica. En dicho taladro se coloca una barra de anclaje conectada a un tráctel mientras que la barra del tubo que va a ser instalado sirve para mantener el tubo en suspensión y permitir una correcta alineación.

Tirador hidráulico Máquina juntatubos

Montaje de tubos con anclajes

Cuando se disponga de solera de hormigón, los tubos pueden montarse con el empleo de carretillas elevadoras.

Una vez que se ha instalado la tubería y cuando las uniones entre tubos y los apoyos de los tubos estén en condiciones de admitir cargas, se procede al relleno o al terraplenado de la zona y su posterior compactación en tongadas sucesivas. Es necesario extender el material en capas de espesor suficientemente uniforme, cuidando siempre de que para la compactación mecánica del material que está situado justo encima del tubo haya una profundidad mínima de 300 mm tal y como recoge la norma de instalación UNE- EN 1.610.

Por lo tanto, básicamente la instalación es similar en una instalación como en otra y en lo que a la tubería de hormigón armado se refiere, la principal diferenciación entre los distintos tipos de instalación está en la carga de relleno incidente sobre el tubo.

En efecto, tal y como exponemos a continuación, las distintas instalaciones tienen un comportamiento geotécnico diferenciado.

Como ya hemos indicado, la colocación del tubo puede hacerse básicamente en zanja o terraplén aunque desde el punto de vista mecánico también existen la zanja terraplenada y la zanja inducida en terraplén como variantes a la zanja y al terraplén respectivamente.

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Instalación en zanja Instalación en terraplén

Instalación en zanja terraplenada Instalación en zanja inducida en terraplén

Anteriormente hemos comentado que la primera distinción entre instalación en zanja o terraplén la encontramos según que la cota de la generatriz superior del tubo esté situada por debajo o por encima, respectivamente, de la rasante del terreno primitivo. Un tubo está colocado en zanja terraplenada cuando sobre la zanja que hay que rellenar se efectúa un terraplén o cuando se han realizado una prezanja para seguidamente, sobre su base, continuar con una zanja.

Por último, un tubo está colocado en zanja inducida en terraplén cuando sobre el terraplén ya compactado se excava una zanja, o se provoca la descarga parcial del prisma de relleno situado sobre el tubo con desiguales grados de compactación o tipos de relleno.

Para el cálculo de las cargas verticales que producen los rellenos se utiliza la teoría propuesta por Marston, válida en principio para instalaciones en zanja, pero que fue ampliada por Schilk y Spangler posteriormente. Estas teorías consideran: la compactación del terreno lateral, el peso del relleno y las fuerzas de rozamiento que se originan en el mismo y que producen aumento o disminución del peso del relleno que gravita directamente sobre el tubo, en función del tipo de instalación.

En la instalación en zanja, el relleno y el apoyo sufren un asentamiento relativo frente al terreno primitivo, y se producen unas fuerzas de rozamiento que originan un aligeramiento del peso del relleno sobre la tubería.

Este efecto favorable (valorado por un coeficiente de Marston inferior o igual a 1 en el caso de la zanja) disminuye a medida que aumenta la anchura de la zanja, lo que obliga a calcular, también, el peso del relleno como si la tubería estuviera colocada en terraplén, y considerar como real el menor de ambos, ya que la carga para el caso de instalación en terraplén es la mayor que se puede producir para una altura de relleno determinada. Esta consideración resulta obligada para cualquier tipo de zanja incluso la terraplenada o inducida.

En la instalación en zanja terraplenada el prisma central, que está limitado por los planos que contienen las paredes de la zanja, es de mayor altura que los prismas exteriores y, por tanto, estos prismas asientan menos que el prisma central y se producen unas fuerzas de rozamiento sobre este último, que originan un aligeramiento del peso del relleno sobre la tubería, efecto similar al que ocurre en la instalación en zanja. Al aumentar la altura del relleno, disminuye la diferencia de asentamiento que se hace nula en el llamado plano de igual asentamiento.

En este tipo de instalación se denomina:

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Razón de proyección o coeficiente de proyección, η ´, al cociente cuyo numerador es la distancia de la generatriz superior del tubo a la base del terraplén y cuyo denominador es la anchura de la zanja al nivel de la generatriz superior:

η´= hr´´/ b

Razón de asentamiento, δ', al valor definido por la expresión:

δ' = (S1 - ( S2 + S3 + av )) / S2

S1 es el asentamiento de la superficie del terreno natural. S2 es el asentamiento del relleno en la zanja, entre el nivel del terreno natural y la generatriz superior del tubo. S3 es el asentamiento de la generatriz inferior del tubo. av es la deformación vertical del tubo.

Las instalaciones en zanja inducida surgen al reducir la carga que recibe una conducción instalada en terraplén, invirtiendo artificialmente el sentido del deslizamiento, esto es, haciendo que el prisma central asiente más que los exteriores, generando de esta forma unas fuerzas de rozamiento dirigidas hacia arriba, las cuales equilibran parte del peso del prisma central, y por lo tanto aligeran la carga sobre la conducción. De esta forma se transforma una instalación en terraplén en otra en zanja terraplenada.

En las instalaciones en terraplén, cuyo esquema aparece en la figura adjunta, el prisma central, que está limitado por los planos verticales tangentes a la tubería, es de menor altura que los prismas exteriores, y por tanto, estos prismas asientan más que el prisma central y se producen unas fuerzas de rozamiento, sobre este último, que originan un aumento del peso del relleno sobre la tubería (efecto valorado por un coeficiente de Marston superior o igual a 1). Al aumentar la altura del relleno, disminuye la diferencia de asentamiento, que se hace nula en el plano de igual asentamiento.

En este tipo de instalación se denomina: Razón de proyección o coeficiente de proyección, η, al cociente cuyo numerador es la distancia de la generatriz

superior del tubo a la superficie del terreno natural y cuyo denominador es el diámetro exterior del tubo.

η = hr´/ De

Razón de asentamiento, δ, al valor definido por la expresión:

δ = (( S4 + S1 ) - (S3 + av )) / S4

- S1 es el asentamiento de la superficie del terreno natural

- S3 es el asentamiento de la generatriz inferior del tubo

- av es la deformación vertical del tubo

- S4 es el asentamiento del relleno a la cota hr´

Deformaciones en la entrada en carga de una tubería

El efecto de los rozamientos, favorables o desfavorables, debido a los asentamientos diferenciales de los prismas de rellano se valora a través del coeficiente de Marston el cual se obtiene superior o igual a 1 en el caso de un terraplén e inferior o igual a 1 en el caso de una zanja.

Por lo tanto, se puede afirmar que la instalación en terraplén, a igualdad de alturas de rellano sobre el tubo, es la

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más crítica ya que la carga incidente se ve “mayorada” por el coeficiente de Marston, de ahí que sea necesario, en todos los casos, realizar también el cálculo de la instalación como si de un terraplén se tratara puesto que en ningún caso la carga obtenida para otros tipos de instalación puede ser superior a la que se obtienen en el caso de un terraplén. De hecho, en una zanja, a partir de un ancho determinado (llamado ancho retransición), el efecto de los rozamientos en la pared de la zanja deja de ser significativo comportándose como si de un terraplén se tratara.

Hemos visto los tipos de instalación más tradicionales, a cielo abierto, de tuberías de hormigón. Veamos a continuación la instalación en hinca de estos elementos.

Instalaciones en hinca

Los sistemas de instalación de tuberías para saneamiento y drenaje han experimentado un elevado desarrollo debido a la aplicación de los distintos avances tecnológicos. Nos referimos especialmente a los sistemas de instalaciones especiales, que se añaden a los clásicos de instalación en terraplén e instalación en zanja con sus distintas variantes: zanja terraplenada y zanja inducida en terraplén.

Esquema de instalación en hinca

Se consideran instalaciones especiales las tuberías en túnel y tubos hincados con empujador (tubos para hinca), las conducciones elevadas y las tuberías alojadas en tubos protectores, necesarios bajo ciertas condiciones, por ejemplo en áreas de acuíferos protegidos o en instalaciones industriales.

Pero sin duda la técnica que más profusión ha tenido, debido a las múltiples ventajas que ofrece en ciertas circunstancias, es la instalación en hinca. A continuación exponemos los fundamentos básicos de este sistema de puesta en obra.

Las primeras perforaciones horizontales datan de principios de siglo en Estados Unidos y vienen dadas por la necesidad de realizar instalaciones de tuberías bajo infraestructuras ya acondicionadas (vías ferroviarias, carreteras,...), o de salvar barreras geomorfológicas. Fue a partir de 1950 cuando se difundió su uso, siendo hoy en día una práctica generalizada en toda Europa.

Las principales tipologías de hincado de tubería son con escudo abierto, en la cual se tiene acceso al frente de ataque para la retirada de material, y con escudo cerrado en la cual no se tiene acceso a dicho frente siendo el material retirado por bombeo de la mezcla de arcillas (bentonita) y los residuos de la perforación.

Esta tecnología requiere el uso de maquinaria especializada (tuneladoras, escudos, estaciones de empuje, estación de bombeo de bentonita,...) y de tubos especialmente diseñados para esta aplicación que puedan resistir las tensiones de empuje y cuyas uniones no sean dañadas durante la puesta en obra. Con esta finalidad los tubos son equipados con unas piezas protectoras denominadas virolas, que garantizan la perfecta estanquidad de la conducción.

El hincado de tuberías de hormigón armado con microtuneladoras es el sistema más empleado, y por lo tanto al que dedicaremos más atención. Consta de las siguientes partes principales:

Pozo de ataque: debe tener espacio suficiente para alojar los componentes de la hinca y proteger la zona de trabajo. Su pared posterior ha de ser capaz de resistir los empujes previstos para colocar la tubería.

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Cabeza perforadora o microtuneladora: formada básicamente por el cabezal de ataque donde van colocados los grupos eléctricos, oleohidráulico y compresor así como los depósitos de aire y combustible y las distintas coronas de corte dependiendo de los terrenos a perforar. En esta sección suelen incluirse los cuadros eléctricos y automatismos, además del pupitre de control y la cabeza de guiado, por lo que el operario-maquinista dispone de total información durante el trabajo. El pupitre de mando ofrece la situación exacta de los gatos hidráulicos para el direccionamiento de la cabeza, pudiendo corregir las posibles desviaciones de trayectoria. Estos equipos suelen ir dotados de un sistema de guiado por láser para conocer en cada momento la posición real.

Elemento de empuje: formado por un sistema de cilindros hidráulicos en número adecuado al diámetro de los tubos que, a través de una corona para repartir esfuerzos, empuja sobre los tubos para introducirlos en la perforación. Dado que los cilindros hidráulicos tienen un recorrido limitado, se colocan unos postizos a medida que el tubo va introduciéndose con el fin de no parar el avance. Cuando la tubería hincada es de gran longitudse hace necesario la utilización de estaciones intermedias de empuje. Estas constan de un sistema de cilindros hidráulicos de carrera corta, cuyo empuje actúa alternándose con el de la estación principal. La longitud de una perforación viene condicionada por la máxima presión que pueden desarrollar los cilindros y, por otra parte, por la resistencia que ofrece la compresión longitudinal de la tubería.

Los tubos de hormigón armado para hinca, por los esfuerzos que deben soportar y por la complejidad del hincado (ya que requiere un perfecto paralelismo entre sus caras), deben ser diseñados y fabricados siguiendo los más estrictos controles de calidad. Hay, de hecho, cuatro aspectos fundamentales que caracterizan y condicionan el diseño de la tubería de hinca:

Limitación de la longitud útil a tres metros como máximo para evitar el pandeo. Así mismo, las superficies de los frontales de los tubos, que transmitirán la carga de empuje durante el montaje de la tubería, deben ser planas y estar libres de irregularidades que puedan dar lugar a concentraciones puntuales de carga.

Los tubos llevan un zuncho metálico galvanizado (virola) en uno de sus extremos de forma que para conseguir la estanquidad de la conducción se colocará una junta elástica en el extremo macho del tubo para que en la unión haga tope contra la virola. Esta pletina debe ser de acero y se incorpora a los tubos durante el proceso de fabricación de modo que su unión resulte solidaria. Para ello se conecta adecuadamente a la armadura de la tubería. Además entre las testas de los tubos se intercalaran aros de madera conglomerada (sufrideras) que evitan el desconche del hormigón al recibir los esfuerzos de empuje.

Los tubos de hinca llevan instalados unos taladros metálicos en las paredes del tubo para facilitar la instalación en obra al permitir la inyección de lodos bentoníticos que lubrican reduciendo el rozamiento y evitan el posible desmoronamiento del terreno perforado.

En el caso de juntas a medio espesor las armaduras de los tubos de hinca deben prolongarse desde el cuerpo del tubo hasta los extremos macho y hembra. La armadura transversal debe reforzarse en ambos extremos del tubo. Además se deben disponer estribos que conecten la armadura exterior e interior en los dos extremos del tubo. La cuantía de la armadura longitudinal debe ser al menos de un 10% de la armadura transversal, con una separación máxima entre barras de 40 cm.

Durante la instalación de tubos de hormigón armado hincados con empujador existen dos tipos de carga aplicadas sobre el tubo: la carga de tierra debida al relleno, con la posibilidad de alguna sobrecarga debida al asentamiento del terreno de alrededor, y la compresión longitudinal provocada por las presiones aplicadas con el empujador al instalar el tubo.

El cálculo de la carga de relleno, aplicando la teoría de Marston, depende del peso del prisma de tierras sobre la perforación, de las fuerzas de rozamientro entre el prisma de tierra situado sobre la perforación y los prismas adyacentes y de la cohesión del terreno.

La fuerza del empuje se compone de la fuerza en el frente de avance y la fuerza del rozamiento envolvente. Para el cálculo en el frente de avance se tiene en cuenta la tensión de corte del terreno, cuyo valor oscila entre 300 y 600 kN/m2. En el cálculo del rozamiento envolvente se considera que el terreno se aplica omnidireccionalmente al tubo, siendo este criterio el más desfavorable. Para reducir el rozamiento se puede considerar el uso de productos lubricantes, como la bentonita, que reducen el rozamiento por debajo de 10kN/m2, siendo el coeficiente de fricción tubo-relleno más restrictivo, µ= 20 kN/m2.

Es obvio que el tubo de hormigón armado permite este tipo de puesta en obra gracias a sus elevadas características resistentes, ya que los requerimientos estructurales del método de instalación son muy altos. Los elementos de la conducción se ven sometidos a grandes tensiones por lo que deben emplearse tubos de alta calidad y fiabilidad, especialmente diseñados para esta aplicación. Hoy en día los procesos de fabricación y

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control han sido mejorados de forma a ofrecer una producción de estos elementos con toda garantía.

Pozo de ataque Tubo de hinca

Bastidor de empuje Estación intermedia