¿Qué hace que una tubería de hormigón sea buena?

Los beneficios del levantamiento de tuberías están bien establecidos. Al elegir la elevación de tuberías en lugar de la construcción a cielo abierto, los propietarios pueden tener una tubería instalada con precisión con menos molestias para el público y a un precio competitivo, con menos ruido y menores emisiones.

Si bien los beneficios del levantamiento de tuberías son evidentes, no están exentos de riesgos. Todo el mundo está familiarizado con el dicho: "una cadena es tan fuerte como su eslabón más débil". Si bien ese principio puede aplicarse en muchos escenarios diferentes, desde negocios hasta deportes, se aplica literalmente al levantamiento de tuberías.

En el levantamiento de tuberías, cada segmento de tubería se introduce en el suelo, uno tras otro, formando una "cadena de tuberías" subterránea de longitud y peso crecientes, lo que genera tensión en la tubería de forma incremental. Cualquier falla de un segmento de tubería individual o de una junta en cualquier punto a lo largo de la alineación puede tener consecuencias potencialmente devastadoras para un proyecto, especialmente en áreas urbanas o en cruces de agua donde acceder a la tubería a través de un “pozo o túnel de rescate” puede ser difícil, si no imposible.

Históricamente, ha habido un conocimiento limitado sobre el levantamiento de tuberías entre los propietarios e ingenieros, particularmente cuando se trata de qué hace que un tubo de hormigón sea aceptable. Esto es comprensible considerando la naturaleza de nicho de la elevación de tuberías en general y de los microtúneles en particular. Debido a la naturaleza crítica de cada segmento de tubería a lo largo de la sarta de tubería, la tubería de concreto que ha sido adecuada para la construcción a cielo abierto durante décadas simplemente no cumple con las demandas de los gatos modernos.

Hoy en día, los contratistas de elevación de tuberías y microtúneles necesitan tuberías de elevación construidas teniendo en cuenta el uso final. Las tuberías de elevación necesitan mayor resistencia, juntas que permitan que la sarta de tuberías se curve y juntas que impidan la entrada de agua, tierra o bentonita.

Esto no significa que los tubos de elevación deban ser complicados en su diseño o fabricación. Hay varios fabricantes de tuberías en América del Norte que fabrican segmentos de tuberías que cumplen con las expectativas de los contratistas de elevación de tuberías y microtúneles. Hablamos con Robert Ward, ingeniero y cofundador/propietario de Ward and Burke Microtunnelling, quien compartió su experiencia relacionada con tuberías de hormigón para proyectos de microtúneles en los Estados Unidos y Canadá. Ward and Burke Microtunnelling es miembro de la Asociación Norteamericana de Microtúneles (www.NAMicrotunneling.com), una organización de contratistas que promueve la educación y el diálogo sobre temas relacionados con los microtúneles.

"Lo primero que un propietario debe considerar es que en muchos casos la tubería de elevación es el producto final permanente; nada más tiene interés a largo plazo", dijo Ward. "Por lo tanto, es de lejos la parte más importante del proceso de microtúnel".

De hecho, al momento de su puesta en servicio, la tubería de elevación podría ser el producto final permanente y transportar agua, alcantarillado u otros servicios públicos, por lo que cuanto más dure, más rentable será la instalación inicial. Además, eso significa menos interrupciones al público para futuras reparaciones o reemplazos. Es importante recordar que el tubo de elevación también puede ser un tubo de revestimiento para una tubería de producto permanente como PVC, DIP, etc. A veces, el espacio anular entre el revestimiento y el tubo final se rellena, lo que hace que el tubo de revestimiento sea de naturaleza temporal, pero si el espacio anular no está lleno, el tubo de elevación es una estructura permanente. En todas las situaciones y usos, tener un tubo de elevación de alta calidad es fundamental para tener un proyecto exitoso.

Entonces, ¿cuáles son las características que componen un buen tubo de elevación de hormigón? Ward identifica varias áreas que considera clave. Si bien actualmente no existe una especificación estándar para tuberías de microtúnel, Ward dice que partes de varias normas ASCE y ASTM existentes se pueden combinar para fabricar buenas tuberías de hormigón armado para proyectos de microtúnel. Idealmente, estas secciones dispares se combinarán en un único estándar que los ingenieros de diseño puedan citar al escribir especificaciones para proyectos de microtúneles, especialmente aquellos con geología difícil, recorridos largos o curvas.

Rigidez: La primera característica necesaria para una tubería de elevación competente es la rigidez, dijo Ward, y eso conduce al concreto. "Durante la construcción, la tubería encontrará obstáculos que le aplicarán cargas puntuales, y esa tubería debe permanecer en forma circular", dijo. “La tuneladora es rígida y corta un círculo, por lo que tiene sentido que todo lo que se empuja detrás de la tuneladora también permanezca en un círculo. El concreto es rígido y permanece en un círculo cuando se carga puntualmente”.

Diseño de juntas: "Una de las claves para el éxito de la construcción de microtúneles es reducir la fricción para mantener bajas las fuerzas de elevación", dijo Ward. “La forma de hacerlo es inyectando bentonita alrededor del exterior de la tubería. La bentonita a menudo debe inyectarse entre 40 y 100 psi. Por lo tanto, la junta debe poder soportar 100 psi de presión externa, no 13 psi, que es lo típico de las tuberías de corte abierto”.

La presión es clave para mantener abierto el espacio anular, evitando así que la arena y la tierra se adhieran a la tubería y aumenten la fricción a lo largo de la sarta de la tubería.

Los sistemas de tuberías de hormigón típicos utilizan juntas diseñadas para mantener el agua subterránea fuera de la tubería, pero no tienen en cuenta los sistemas de lubricación de bentonita. “Algunas personas piensan que si están excavando túneles en terreno seco o poco profundo, pueden arreglárselas sin una junta capaz de resistir presiones más altas, pero ese no es el caso. No tiene nada que ver con las aguas subterráneas. Si no se resiste la presión de la bentonita, la arena y la tierra entrarán en contacto con la tubería y, en consecuencia, las tuberías se atascarán”.

Tubo orientable: Los accionamientos curvos han sido comunes a nivel internacional durante varios años y, en los últimos cinco años, se han vuelto comunes en los Estados Unidos y Canadá. La capacidad de realizar recorridos curvos puede eliminar ejes intermedios o evitar obstáculos, lo que resulta en proyectos más rentables. Incluso si la alineación diseñada es recta, la capacidad de dirigir es una característica importante para la tubería de microtúnel. "La tubería debe ser capaz de sortear una curva de 500 m de radio, independientemente de si el túnel es curvo o recto en teoría", dijo Ward.

Eso requiere que el revestimiento de la cola de la tubería se extienda 7 pulgadas para permitir la flexibilidad de que la junta se abra y cierre sin perder presión sobre la junta. Según Ward, cuando el revestimiento de cola está incrustado en la pared de la tubería de concreto, necesita un ángulo que actúe como ancla y como barrera contra el agua. Además, el revestimiento de la cola necesita un anclaje con clavos cada 12 pulgadas soldado alrededor del perímetro o anclajes de barras de refuerzo soldados al revestimiento de la cola con el fin de evitar que el revestimiento de la cola se suelte y permita que el agua se filtre a su alrededor. Finalmente, se necesita una tira hidrófila pegada al interior de la piel de la cola para que actúe como una barrera de agua adicional. (Ver Figura 1: Detalle de junta típica para tubería de elevación de concreto)

Figura 1: Detalle de junta típica para tubería de elevación de concreto

Cargas axiales: en el levantamiento de tuberías, la capacidad de la tubería para aceptar cargas axiales es clave para el éxito. El tubo debe poder atravesar el suelo sin fallos. Independientemente de la duración del proyecto, se necesita una tubería resistente porque, en un mundo imperfecto, surgen dificultades y un contratista de microtúneles puede necesitar aplicar fuerza adicional para mantener la tubería en movimiento.

Además, las tuberías de hormigón para elevación deben ser de fundición húmeda en lugar de de fundición seca, dijo Ward. Aunque las tuberías de fundición seca, que normalmente se utilizan para proyectos a cielo abierto, tienen la misma resistencia máxima que las de fundición húmeda, las tuberías de fundición húmeda tienen una mayor resistencia a la deformación y pueden soportar una carga axial de aproximadamente 2000 toneladas en un tubo de 84 pulgadas. tubería en un radio de 1,500 pies.

"Según nuestra experiencia, cuando la deformación excede 0,002, las tuberías de hormigón moldeado en seco comienzan a perder su capacidad de resistir la carga", dijo Ward. “Las tuberías de hormigón moldeado en húmedo pierden muy poca capacidad para resistir cargas y pueden continuar soportando cargas incluso con deformaciones superiores a 0,002 y hasta 0,005 o más. ACI/ASCE diseña para una capacidad de deformación máxima de 0,003, pero aún así es bueno saber que hay suficiente capacidad de carga por encima de esta deformación en un escenario apocalíptico”.

"Las altas tensiones en las tuberías no ocurren todos los días, pero hay que prepararse para el día en que las cosas salgan mal", dijo Ward. "Es posible que tengas que empujar muy fuerte la tubería para salir de un aprieto, y la tubería fundida húmeda podrá soportar esas cargas".

Otro beneficio del proceso de fundición húmeda es el exterior liso del tubo de elevación. Esta superficie de tubería más suave reduce la fricción superficial sobre la sarta de tubería, lo que reduce la fuerza de elevación requerida que se aplica a la tubería para completar el accionamiento.

Espesor de pared de la tubería: Además de su rigidez, la tubería de concreto es muy adecuada para proyectos de elevación de tuberías debido a su espesor de pared. Las gruesas paredes de la tubería de concreto brindan la capacidad de acomodar estaciones de elevación intermedias (IJS o interjacks), que generalmente se instalan en recorridos largos de microtúneles como un medio para aplicar empuje además de los gatos en el pozo de entrada. Los gatos intermedios se colocan periódicamente a lo largo de la sarta de tuberías entre los segmentos de tubería y esta capacidad de empuje adicional sirve casi como una póliza de seguro en caso de que se necesite un empuje adicional sobre la sarta de tuberías.

El diámetro de los cilindros intermedios es de aproximadamente 6 pulgadas y se necesita un espesor de pared de al menos el diámetro de los cilindros intermedios.

"El tubo de hormigón, con su pared gruesa, tiene una ventaja económica inherente sobre todos los demás productos porque se puede utilizar con gatos intermedios con cargas muy elevadas", dijo. "Una vez más, es posible que no necesite utilizar conectores intermedios con frecuencia, pero cuando los necesite, no querrá una tubería que se rinda". En comparación con otros materiales de tubería, las estaciones de interconexión en tuberías de concreto tienden a ser más económicas de fabricar, instalar durante el levantamiento y luego retirarlas cuando se completa el levantamiento.

Adquisición de la tubería: Ward dice que muchos fabricantes de tuberías de concreto son más que capaces de entregar tuberías de elevación de alta calidad. El aspecto crucial es crear un molde de alta calidad. La tolerancia de la tubería de elevación debe ser mayor que la del concreto a cielo abierto típico, del orden de 1/16 de pulgada. Ward and Burke ha trabajado con fabricantes de tubos de concreto en los Estados Unidos y Canadá que producen tubos de concreto de clase mundial para proyectos de clase mundial.

"Una vez que tienes el molde configurado, la tubería es fácil de fabricar", dijo Ward. "No cuesta mucho más fabricar la tubería correcta y le ahorrará mucho dinero en lugar de atascarse la tubería".

Estándares de la industria: Ha habido cierta discusión dentro de la industria sobre la necesidad de escribir una nueva especificación relacionada con la tubería de elevación de concreto, pero Ward dice que los documentos existentes pueden usarse como guía para fabricar tuberías de concreto que satisfagan las necesidades de los contratistas de microtúneles, comenzando con ASCE 27-00 y su continuación ASCE 27-17: "Práctica estándar para el diseño directo de tuberías de hormigón prefabricadas para elevación en construcciones sin zanjas".

"ASCE 27-17 es la biblia de los microtúneles", dijo Ward. "Hay que saberlo y respetarlo".

Para conocer la resistencia de la tubería, se puede utilizar como documento de referencia ASTM C76-19: “Especificación estándar para alcantarillas, drenajes pluviales y tuberías de alcantarillado de concreto reforzado”. La norma identifica cinco clases diferentes de tuberías, siendo la Clase V la más robusta. Ward sugiere utilizar tuberías Clase V para todos los proyectos de elevación de tuberías (excepto cuando se excavan túneles en arena de playa o roca, donde la Clase IV puede ser aceptable).

Las normas relativas a las juntas para tuberías de hasta 50 psi de presión se pueden encontrar en ASTM C361-16: "Especificación estándar para tuberías de baja presión de hormigón armado". La especificación de tubería C-300 de AWWA debe usarse para tuberías de concreto de microtúnel revestidas de cilindros para presiones nominales entre 50 y 150 psi.

ASCE también ha publicado el libro "Directrices de construcción estándar para microtúneles", que cubre la planificación, el diseño, los materiales de las tuberías y la construcción de microtúneles (CI/ASCE 36-15).

Al elegir tuberías diseñadas adecuadamente para el trabajo, los propietarios pueden lograr proyectos exitosos que satisfagan las demandas del público de las generaciones venideras.

Robert, Ward, cofundador de Ward and Burke, fue la fuente de este artículo en nombre de la Asociación Norteamericana de Microtúneles (NAMA). NAMA y sus miembros respaldan el contenido de este artículo.

Los comentarios están cerrados aquí.