Materiales tuberías I
En este capítulo se resumen los principales materiales habitualmente empleados en las conducciones tanto de abastecimiento como de saneamiento. Se pretende con ello que el alumno disponga de los criterios necesarios para decidir qué material emplear en cada caso concreto. Procederemos en primer lugar a enumerar los casos más habituales (comercial) de tuberías (materiales) para finalmente pasar a comentar aspectos relacionados con la durabilidad en cada caso.
Condiciones requeridas para los conductos Los materiales a emplear en los conductos y en elementos complementarios deben ser capaces de soportar los esfuerzos a los que van a ser sometidos durante: Almacenamiento Transporte Acopio en obra Montaje Funcionamiento y explotación En concreto, deben soportar: Esfuerzos de cargas estáticas y dinámicas Ataques de aguas residuales, del suelo y de las aguas subterráneas
Son características fundamentales a considerar: Lisura de la superficie interior Resistencia a las solicitaciones internas o externas, tanto mecánicas como químicas y biológicas Cumplimiento de las especificaciones recogidas en las normas de producto Estanqueidad de las juntas Dimensión homogénea, con referencia a la linealidad, a diámetros nominales, a espesores, a la ovalización.
Materiales convencionales para las redes de abastecimiento, saneamiento y riego: Hormigón armado y sin armar Fibrocemento (FC) Poliéster Policloruro de vinilo (PVC) Polietileno (PE) Gres Polipropileno Polibutileno Fundición (FD)
Tipologías de conducciones empleadas en redes de abastecimiento
Extracción de un tubo de fundición de su molde
En cada caso, para la selección del conducto más adecuado, deberán contemplarse factores técnicos y económicos. Aspectos técnicos: Características anteriormente señaladas Peso o facilidad de manipulación en obra Flexibilidad para su adaptabilidad al trazado en planta y alzado Rendimiento de montaje Facilidad de reparación durante la explotación Etc.
En relación con los factores económicos se compararán: Capacidad hidráulica del conducto, es decir los caudales transportados Período de amortización del material y valor residual Posibilidad de sustitución durante la explotación
El índice más correcto vendrá dado por: índice = A + ME Q R Siendo: A: gastos de amortización ME: gastos de mantenimiento y explotación R: valor residual del conducto Q: capacidad de transporte de caudal Los materiales empleados para la fabricación de las tuberías tienen unas propiedades mecánicas específicas que determinan sus campos de utilización y los límites prácticos de su empleo.
Como criterio general y básico: Una conducción debe proyectarse para que transporte un determinado caudal con el mínimo coste posible, compatible con un coeficiente de seguridad adecuado. Se entiende por mínimo coste posible no sólo el coste de primera inversión, sino también los costes de mantenimiento y explotación durante su período de vida útil. El diámetro de la conducción es uno de los factores que influyen más claramente en la elección del tipo de material a utilizar. Se produce así una selección natural inicial que hace que no se fabriquen determinados diámetros de tuberías en ciertos materiales por razones fundamentalmente económicas ya que técnicamente, haciendo abstracción del coste, si resultaría factible su fabricación.
PROPIEDADES MECÁNICAS DE ALGUNOS MATERIALES
Tuberías metálicas Buenas propiedades mecánicas Deben considerarse los aspectos encaminados a su protección. Deben tenerse en cuenta las acciones biológicas, químicas y electroquímicas, la corrosión por bacterias sulfato reductoras y ferrobacterias, y la formación de pilas por heterogeneidad del material.
Tuberías de hormigón Protección de aspectos tales como el equilibrio carbónico en las aguas transportadas, existencia de aguas selenitosas en el exterior, empleo de hormigones homogéneos, uniformes y compactos, y el empleo de aceros de chapa y armadura de calidad única y uniforme. Son tuberías rígidas y muy pesadas. Su instalación requiere maquinaria auxiliar desde diámetros bajos.
Tuberías de material plástico Tener en cuenta la evolución de la resistencia mecánica con el tiempo, aspecto que ya se considera en las curvas de regresión del material, o curvas de referencia a la hora de hacer el diseño del tubo.
Diámetros nominales interiores (DN/ID) (mm) 20 30 40 50 60 65 80 100 125 150 200 250 300 350 400 450 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1250 1300 1400 1500 1600 1800 2000 2100 2200 2400 2500 2600 2800 3000 3200 3500 4000 Diámetros nominales exteriores (DN/OD) (mm) 25 32 40 50 63 75 90 110 125 160 180 200 225 250 280 315 355 400 450 500 630 710 800 900 1000 1100 1200 1250 1300 1400 1500 1600 1800 2000 2100 2200 2400 2500 2600 2800 3000 3200 3500 4000 Diámetros mínimos (UNE-EN 805) Para el cálculo de pequeños ramales, es aceptable utilizar diámetros mínimos, con los siguientes rangos: DN (mm) Personas abastecidas 50 (no más de 100 m) 30 80 100 100 250
Pendientes mínimas No se recomienda trazar tuberías con una pendiente inferior al 1/500 Ángulos en los codos Los ángulos preferentes en los codos serán: 11 o 15, 22 o 30, 30 o, 45 o y 90 o. Seccionamiento: distancia entre válvulas No se recomienda pasar de las siguientes distancias: Depresión máxima -arterias principales: 5 Km -conducciones principales: 2 Km -conducciones secundarias rurales: 1 Km -conducciones secundarias urbanas: 0.5 Km Los componentes deben soportar una depresión de 80 KPa respecto de la atmosférica (8 m.c.a. respecto de la atmosférica), lo que supone una presión absoluta de 20 KPa (2 m.c.a). Los bombeos verán fijada su depresión máxima en la succión por el valor del NPSH requerido por el fabricante para cada caudal.
De modo orientativo, se puede adoptar la siguiente relación entre diámetros y caudales (velocidad estimada de 1 m/s): En función de la tipología de red
CLASIFICACIÓN DE LOS CONDUCTOS Los conductos se pueden clasificar según distintos criterios: Para redes de agua interiores de los edificios Para redes de agua exteriores a los edificios Los diámetros utilizados en cada caso normalmente son distintos, y rara vez se solapan en su uso. Normalmente son también distintos los materiales utilizados en cada aplicación. Dentro de los edificios los materiales utilizados están muy definidos por el Código técnico de la edificación (Real Decreto 314/2006, de 17 de marzo, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación. BOE - 28 de marzo de 2006; Texto refundido con modificaciones del RD 1371/2007).
Dentro de los conductos para redes exteriores a los edificios, se pueden clasificar en función de: Su aplicación Su sección Su comportamiento hidráulico Su comportamiento mecánico
ATENDIENDO A SU APLICACIÓN Redes de saneamiento Redes de presión (abastecimiento, riego o saneamiento a presión) Los materiales utilizados en una u otra aplicación, a veces pueden ser los mismos, pero los criterios de diseño siempre son diferentes. Redes de saneamiento (in situ o prefabricados): Hormigón en masa o armado Gres Poliéster PVC Polietileno
Redes de presión (abastecimiento y riego): Acero helicoidal soldado Hormigón pretensado, armado o no con camisa de chapa Fundición Poliéster PVC no plastificado Polietileno Polipropileno Polímeros orientados
ATENDIENDO A LA SECCIÓN Tubulares no visitables Semivisitables (tubulares u ovales) Visitables o grandes secciones En función de la sección se utilizan unos materiales u otros, dependiendo fundamentalmente del costo final de la tubería instalada.
Las tuberías normalmente empleadas en los alcantarillados y acometidas son: PRFV (poliester reforzado con fibra de vidrio) PVC (policloruro de vinilo) PE (polietileno) Gres Hormigón centrifugado Hormigón precomprimido Hormigón armado Secciones visitables y semivisitables (grandes caudales): In situ, empleando: - Ladrillos - Piedra - Hormigón en masa o armado Prefabricadas: - Hormigón en masa o armado En estos casos, por ser elementos muy pesados, los problemas de juntas pueden ser mucho más graves que con las tuberías, por lo que hay que cuidar en extremo su ejecución.
ATENDIENDO AL COMPORTAMIENTO MECÁNICO Tuberías rígidas y flexibles en función de su menor o mayor capacidad de deformación bajo carga. Se manifiesta la significativa influencia que ejerce el entorno de la tubería (el terreno que la rodea) en su comportamiento tensodeformacional, de forma que la rigidez o flexibilidad de una tubería viene condicionada por las condiciones de su instalación y el terreno circundante.
ATENDIENDO AL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO a) Tuberías lisas Se denomina hidráulicamente lisa a la tubería en la que: k a u υ < 5 En donde: k a : rugosidad absoluta equivalente u: velocidad de rozamiento τ u = : ρ b) Tuberías rugosas τ fuerza de rozamiento por unidad de superficie ρ : densidad del fluido υ : viscosidad cinemática del fluido
MATERIALES EMPLEADOS EN LA FABRICACIÓN DE TUBERÍAS Los materiales empleados en la fabricación de tuberías, sean para interiores de edificios o exteriores a los mismos, sean para saneamiento o sean para presión, son:
PVC-U (rígido) Policloruro de vinilo no plastificado Además de las excelentes propiedades del polímero, ha contribuido enormemente a su expansión el que las materias primas de las que se obtiene son de gran abundancia y módico precio.
Fundamentalmente se parte en la actualidad del etileno como derivado del petróleo y del cloro procedente del cloruro sódico o sal común.
El PVC es un material termoplástico, inodoro, insípido y no tóxico. Químicamente inerte, es suministrado en forma de polvo blanco amorfo y opaco. Insoluble en agua y muy resistente a los agentes químicos tales como ácidos, álcalis, aceites y alcoholes. Tampoco es soluble en los disolventes corrientes. Se disuelve en ciclohexanona, ciclopentanona, metilciclohexanona, tetrahidrofurano y su cloruro y en dioxano. Algunas sustancias orgánicas son capaces de hinchar el polímero, como el óxido de mesitilo, el monoclorobenceno, la acetona y el cloruro de metileno.
Termoplasticidad del PVC El PVC es un termoplástico, de forma que cuando la temperatura se eleva, se reblandece, y al enfriarse endurece. El PVC no reticula, por lo que es sensible a la fluencia, llamándose así a la deformación lenta bajo carga, por desarrollo de las moléculas y deslizamiento de unas respecto a otras.
-Estabilidad térmica El calor y la luz de onda corta provocan la degradación del PVC. -Peso molecular El peso molecular de los polímeros determina algunas de las características útiles tales como la resistencia mecánica, la temperatura de transición vítrea de los plásticos amorfos y la temperatura de fusión de fibras.
Propiedades mecánicas del PVC
Parámetros geométricos y mecánicos El diámetro nominal (DN) de los tubos de PVC-U es aproximadamente igual al diámetro exterior del tubo. Los diámetros nominales normalizados varían desde 12 hasta 1.000 mm. Las tuberías de saneamiento de PVC no están sometidas a presión interna y por tanto solamente tienen que soportar las cargas externas procedentes de la altura de tierras de relleno y de las cargas de tráfico, si es que las hay.
El criterio de diseño según las normas de producto es conseguir una determinada rigidez circunferencial específica (RCE), que es la que proporciona al tubo su capacidad portante y que viene dada por la expresión: RCE = E I 3 d m E: módulo de elasticidad del material de la tubería I: momento de inercia del tubo d m : diámetro medio del tubo
Los tubos de PVC para presión se diseñan y dimensionan para resistir una determinada presión interna, y después se comprueba su validez como estructura enterrada para soportar además las cargas externas debidas a las tierras de relleno y a las cargas de tráfico. Para cada diámetro nominal se fabrican tubos con distintos espesores, según la norma de producto UNE EN 1452, en función de las presiones internas que deben soportar. Por ello, los tubos de PVC-U se clasifican en series.
La presión nominal (PN) es la presión hidrostática admisible, en bar, para el transporte de agua a 20ºC durante 50 años. La presión de funcionamiento admisible (PFA) es la máxima presión hidrostática que un componente puede soportar en utilización continua. Si el líquido conducido es agua a una temperatura de hasta 25ºC, la PFA coincide con la PN. Si el líquido conducido es agua entre 25ºC y 45ºC, se debe utilizar el coeficiente reductor f T : Recordatorio 1 Pascal = 9.55 x 10-6 kg/cm2 = 9.87 x 10-6 atm = 1.02 x 10-4 m.c.a. = 0.0075 mm Hg = 0.00001 bar
Comparativa de pesos (tubos PN 10 de 6 metros de longitud incluida la copa de unión):
Características - Poco peso: sensiblemente más ligeras que el aluminio, por ejemplo - Facilidad de transporte y sobre todo montaje - Facilidad de mantenimiento - Absoluta estanqueidad - Buena adaptación a los trazados quebrados ya que permite cierto grado de curvatura en la instalación, adaptándose al trazado de la zanja - Igualmente se adapta a los asentamientos del terreno
- Buen comportamiento frente a sustancias agresivas presentes en el agua como los álcalis, aceites, alcoholes, detergentes, lejías, anhídrido carbónico, sulfatos, excepto disolventes, hidrocarburos aromáticos y clorados, ésteres y acetonas. - Excelente comportamiento frente a las sobrepresiones. Esto es debido a que la propia flexibilidad de la tubería permite soportar cargas de terreno y sobrecargas sobre sí misma sin romper, al intervenir en su ayuda los terrenos bien compactados en sus laterales al deformarse ligeramente - Duraderas: vida superior a 50 años con un coeficiente residual de seguridad al alcanzar este tiempo entre 2 y 2,5 - Elevada capacidad hidráulica debido a una baja rugosidad interna (K<0,01), lo que puede redundar en un menor consumo de energía en las instalaciones de bombeo.
- Mal comportamiento frente a grandes oscilaciones térmicas - Mejor comportamiento que los tubos de materiales no plásticos frente a los efectos de las heladas - Ausencia de incrustaciones - Debido a su bajo módulo de elasticidad, en impulsiones tienen bajo valor de la celeridad y por tanto pequeños valores de depresiones/sobrepresiones por golpe de ariete - Resistentes a la corrosión: las conducciones enterradas de materiales tradicionales son susceptibles de ser corroídas exteriormente por los terrenos que las envuelven y en conducciones de saneamiento pueden ser atacadas interiormente por la presencia de azufre, principalmente bajo la forma de ácido sulfúrico. Las tuberías de PVC permanecen inalterables frente a esta agresión incluso en suelos con alto contenido en yeso o en caso de infiltraciones peligrosas
- Son tuberías inocuas, y además no alteran ni el olor ni el sabor del agua, manteniendo sus propiedades organolépticas - Son insensibles a las corrientes eléctricas subterráneas vagabundas y telúricas. No precisan de protección catódica
Tabla comparativa de los valores de rugosidad absoluta para distintas tuberías que se comercializan:
TIPOS DE TUBERÍAS Tuberías compactas de PVC-U Son las obtenidas por el proceso de extrusión consistente en hacer pasar la mezcla de resina de PVC y aditivos debidamente acondicionada, caliente y por lo tanto, moldeable a través de una boquilla con sección anular. La pared del tubo resultante tiene un espesor homogéneo en toda su sección anular, completamente llena y compacta.