Tubos estructurados de PP-B para saneamiento enterrado sin presión. Diseño y características

Elisiario Silva

Director Técnico. Grupo PLOMYPLAS

esilva@plomyplas.com

Rodolfo Vegas

Marketing y Soporte Técnico. Grupo PLOMYPLAS

rvegas@plomyplas.com

Introducción Algunas informaciones técnicas divulgadas sobre tuberías termoplásticas corrugadas para saneamiento sin presión, contienen omisiones deliberadas, desviaciones intencionadas y datos sacados de su contexto, que no ayudan al conocimiento correcto de los tubos estructurados para saneamiento, no benefician la libre opinión, originan mal entendidos, imprecisiones y principalmente crean dudas a los utilizadores.

No hay que confundir requisitos de suministro con comportamiento real, ensayos de laboratorio con utilización, admitir deficiente calidad de instalación para justificar argumentos, omitir valores para reducir la importancia relativa de las variables.

Los prescriptores o ingenieros que proyectan, deben tener disponible información técnica adecuada que les permita la toma de decisión más correcta y de forma imparcial.

Con este estudio pretendemos clarificar algunas de estas situaciones y contribuir a que la toma de decisiones se haga de la forma más justa posible.

Situación actual del saneamiento Las crecientes preocupaciones medioambientales de la sociedad actual requieren redes de saneamiento de las aguas residuales totalmente estancas, que nos eviten por un lado las fugas (y por tanto la contaminación del subsuelo y los acuíferos) y por otro lado las infiltraciones, con el consiguiente aumento de caudal, a tratar en las Estaciones de Depuración de Aguas Residuales (EDAR) y por tanto de coste.

Otro tema importante a tener en cuenta es el aprovechamiento de las aguas pluviales sobre todo para riego, debido a los cada vez mayores ciclos de sequía, lo que nos obliga a realizar Redes Separativas. Actualmente ya existen municipios que en sus obras realizan esta separación, identificando las aguas residuales por el color teja (marrón RAL 8023) de sus tubos y las aguas pluviales por el color negro.

ORIGEN DEL EFLUENTEPLUVIALRESIDUAL

ORIGEN DEL EFLUENTEPLUVIALRESIDUAL

Redes unitarias Redes separativas

De forma resumida podríamos indicar los puntos que definen la situación actual del saneamiento en España:

- Crecientes preocupaciones medioambientales, lo que convierte a la ESTANQUIDAD en el parámetro fundamental del saneamiento

- El 87 % de las redes son unitarias, es decir las aguas residuales van por la misma red que las aguas pluviales

- En redes nuevas hay una tendencia a ir a redes separativas sobre todo en áreas no metropolitanas

- Las tuberías plásticas tienen el 40 % del mercado y con tendencia creciente

- Dentro de las tuberías plásticas el Polipropileno (PP) es el material que más incremento ha tenido, habiendo duplicado su consumo en los últimos 10 años

- Cumplimiento Directiva del Consejo Europeo 91/271/CE:

Como máximo, el 31 de Diciembre del año 2005 todas las poblaciones que tengan entre 2.000 y 15.000 e-h (equivalentes habitantes), deberán disponer de sistemas de colectores para las aguas residuales urbanas. El 31.12.00 venció el plazo para los municipios mayores de 15.000 e-h. A fecha de hoy todavía no se ha cumplido totalmente esta Directiva

*h-e = Habitante equivalente Corresponde a la carga orgánica biodegradable con una demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) de 60 g por día

- Prevalecen a menudo las prácticas de diseño utilizadas para tubos rígidos

- Los proyectistas no siempre están familiarizados con el comportamiento de los tubos de materiales plásticos enterrados

- La flexibilidad de las tuberías plásticas es considerada por los prescriptores, cada vez más, una ventaja

- La gestión integral del ciclo del agua está tomando mayor importancia, dentro del panorama español. Las Compañías de Aguas que hasta ahora solamente gestionaban el Abastecimiento, también empiezan a gestionar la red de Saneamiento

- De acuerdo con la IX Encuesta Nacional sobre Suministro de agua potable y saneamiento en España (2004), los problemas principales del saneamiento son:

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Insuficiencia de la red (en lluvias)

Mal estado general de la red

Información incompleta

Filtraciones del subsuelo a la red

Vertidos peligrosos a la red

Principales problemas del saneamiento

Las conclusiones principales de esta encuesta son:

a) El principal problema de las redes de saneamiento sigue siendo la insuficiencia de la red ante grandes lluvias, especialmente en áreas metropolitanas

b) Crece la preocupación de las entidades gestoras del saneamiento sobre el mal estado general de la red, empezando a adoptarse sistemas de rehabilitación

%

c) La información incompleta sobre la red es el tercer problema en importancia

d) Las filtraciones de la red constituyen un problema apreciable en todos los rangos de población, aunque menos pronunciado en áreas metropolitanas

En cuanto a la antigüedad de la red de alcantarillado, la IX Encuesta de AEAS nos da la siguiente situación:

Antigüedad de la red de alcantarillado

- Prescripciones legales. Guía CEDEX

El PLIEGO DE PRESCRIPCIONES TÉCNICAS GENERALES PARA TUBERÍAS DE SANEAMIENTO DE POBLACIONES aprobado el 15 de Septiembre de 1986 por el MOPU no se ha actualizado, ya que no refleja la situación real en cuanto a los materiales que se están utilizando últimamente.

Esto Pliego sugiere en su punto 9.2.4 que la rigidez mínima a corto plazo de las tuberías a utilizar debe ser de 4 KN/m2.

En el año 2003, el CEDEX recibe un encargo de los Ministerios de Fomento y Medio Ambiente, para actualizar el Pliego anterior. En el año 2007 el CEDEX edita la GUÍA TÉCNICA SOBRE REDES DE SANEAMIENTO Y DRENAJE URBANO, que sustituye técnicamente al Pliego.

Además de los materiales tradicionales, en esta Guía están incluidos los materiales plásticos: PE, PP, PVC y PRFV.

Exigencias de las tuberías estructuradas Las tuberías estructuradas son productos que tienen un diseño optimizado, con respecto a la utilización del material empleado, para conseguir los requisitos físicos y mecánicos solicitados en una red de saneamiento y que vienen definidos en la norma UNE-EN 13476.

El diseño de estas tuberías tiene en cuenta la normalización aplicable, los materiales utilizados, las condiciones de instalación, la necesidad de sistemas integrales y las exigencias del mercado en cuanto a una vida útil de cómo mínimo 50 años.

Exigencias tuberías estructuradas

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, por lo que la característica más importante es su 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. La Rigidez Anular se calcula con la siguiente fórmula:

Siendo:

SN = Rigidez anular (kN/m2) E = Módulo de elasticidad (N/mm2) I = Momento de inercia (mm4/mm) Dm = Diámetro medio (mm)

En función de sus características constructivas, se distinguen los siguientes tipos más usuales en PP:

- Tubos cuya superficie interna es lisa y la superficie externa corrugada

- Tubos cuya superficie interna es lisa y la superficie externa es nervada

Diferencia entre tubos rígidos y tubos flexibles

En una tubería rígida, es el tubo el que absorbe las cargas externas porque no cambia su sección transversal.

En una tubería rígida la carga vertical aumenta durante el asentamiento de la zanja porque las fuerzas de fricción se transfieren a la columna del material que hay encima del tubo, de esta forma la carga puede ser considerablemente mayor que la columna del relleno.

E . I SN = -------- (kN/m2)

Dm3

En una tubería flexible las cargas externas originan la ovalación de la sección transversal.

Una tubería flexible que se ovala por la carga, recibe una tensión más pequeña que una tubería rígida cuya sección transversal no cambia.

La explicación de esto es que si la tubería se ovala más que el relleno que tiene alrededor, parte de la carga, se transfiere al suelo, debido a que se produce el efecto silo, por el cual se produce un rozamiento en las paredes de la misma para soportar parte del peso del relleno.

Actualmente, se considera que, en general la carga de suelo que se trasmite a una tubería flexible se limita al peso de la columna de tierra sobre la misma.

Comportamiento distinto

En resumen, 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 lo rodea, contribuyendo a soportar tanto las cargas fijas del material de relleno como las móviles debidas al tráfico.

TUBO RÍGIDO

Cuando aparece la carga, el tubo rígido no se puede deformar por lo que ha de resistir toda la carga….

… hasta que rompe.

TUBO FLEXIBLE

El tubo evita la carga por deflexión. El terreno que lo rodea soporta toda la carga.

La rigidez del suelo es de 10 a 200 veces mayor que la rigidez del tubo.

El terreno determina la rigidez del tubo-suelo.

Tubos rígidos y flexibles

¡Crack! ¡Flexibilidad!

Flexible Rígido

Características tuberías corrugadas de PP

Los tubos plomySAN son tubos corrugados de doble pared en Polipropileno Bloque (PP-B) con Rigidez Anular SN 8 kN/m2 con copa integrada y certificados con Marca “N” de AENOR.

El interior de los tubos es liso lo que origina menor resistencia al rozamiento y a la abrasión, siendo de color blanco para facilitar la visión de las cámaras de TV durante la inspección.

El exterior de los tubos es corrugado lo que permite tener siempre alojamiento para la junta en caso de tener que cortar el tubo y es de color “teja” para identificar que es una red de aguas residuales.

Embocadura integrada

La norma europea de los tubos estructurados es:

UNE-EN 13476-3

Sistemas de canalización en materiales plásticos para evacuación y saneamiento enterrado sin presión. Sistemas de canalización de pared estructurada de poli(cloruro de vinilo) no plastificado (PVC-U, polipropileno (PP) y polietileno (PE).

- Parte 1: Requisitos generales y características de funcionamiento

- Parte 2: Especificaciones para tubos y accesorios con superficie interna y externa lisa y el sistema, de Tipo A

- Parte 3: Especificaciones para tubo y accesorios con superficie interna lisa y superficie externa corrugada y el sistema, de Tipo B

Los tubos plomySAN están fabricados con Polipropileno Copolímero Bloque (PP-B). En los últimos años este material ha tenido un incremento de utilización considerable para la fabricación de tubos para saneamiento, llegando a duplicar su consumo.

0

20

40

60

80

100

120

140

2000 2002 2004 2006Año

kT

Polipropileno, tendencia y tubos

• El largo ciclo de vida del PP en esta aplicación y el estudiado diseño del perfil estructurado, minimizan el consumo de recursos

• El proceso de producción es totalmente limpio

• Los tubos de PP son totalmente reciclables, ayudando a disminuir el impacto en nuestro entorno

Todo lo cual hace que el balance eco ambiental de este producto sea muy positivo.

• Gama de tubos plomySAN

Diámetro Nominal (Exterior) – DN/OD

Dext (mm) 160 200 250 315 400 500 630 800 1000

Dint (mm) 139.6 174.0 218.8 273.0 348.2 433.4 545.2 692.8 867.8 Siendo la longitud total de 6 metros

Características técnicas

Características Valor típico Unidades Método de ensayo a) FÍSICAS Densidad a 23º C 0.910 g/cm3 ISO 1183 Índice de fluidez (MFR) 230ºC/2.16 Kg 0.3-0.6 g/10 min ISO 1133 Resistencia a la tracción en el punto Yield 30 MPa ISO 527 Alargamiento a la rotura >500 % ISO 527 Módulo de flexión 1650 MPa ISO 178 Impacto Izod, 23ºC con entalla 40 kJ/m2 ISO 180 Impacto Izod, -20ºC con entalla 5 kJ/m2 ISO 180 Tiempo de Inducción a la Oxidación a 200ºC > 8 Min. ISO 728 Temperatura reblandecimiento VICAT a 10 N 155 ºC ISO 306 Ensayo de estufa, 150º / 30-60 min. Sin fisuras - ISO 12091 b) MECÁNICAS Rigidez Anular, SN 8 kN/m2 UNE-EN-ISO 9969 Resistencia al impacto, Oº C TIR ≤ 10 % UNE-EN 744 Flexibilidad anular, deformación 30% Sin fisuras - UNE-EN 1446 Coeficiente de fluencia, extrapolación a 2 años ≤ 4 - UNE-EN-ISO 9967 c) FUNCIONALES Estanqueidad de la unión

- Temperatura de ensayo: 23º C - Deformación tramo recto: 10% - Deformación embocadura 5% - Presión interna agua: 0.05 bar, 15’ - Presión interna agua: 0.5bar, 15’ - Depresión aire: -0.3 bar, 15’ - Desviación angular:

De ≤ 315 = 2º 315 < De ≤ 630 = 1.5º

630 < De = 1º

Sin fugas - UNE-EN 1277 Condición B

Resistencia cíclica a temperatura elevada Sin fugas - UNE-EN 1055

Comparación dimensiones tubos de PP y PVC-U según UNE-EN 13476

Valores exigidos por UNE-EN 13476 Tubos PVC-U corrugados doble capa

plomySAN di

DN/OD PP

dimin PP

DN/ID PVC-U

dimin PVC-U

de di di

160 134 160 145 139.6

200 167 200 181 174.0

250 209 250 226 218.8

315 263 315 285 273.0

400 335 400 362 348.2

500 418 --- --- --- --- 433.4

500 490 539 485

630 527 --- --- --- --- 542.2

600 588 649 590

800 669 --- --- --- --- 692.8

800 680 855 775

1000 837 --- --- --- --- 867.8

1000 864 1072 970 Serie DN/OD = Diámetro Nominal / Diámetro Exterior

Serie DN/ID = Diámetro Nominal / Diámetro Interior

De esta tabla deducimos lo siguiente:

• Hay 2 series de tubos, la que el DN es el diámetro exterior (DN/OD) y la que el DN es el interior (DN/ID) y que coincide aproximadamente con el interior de los tubos de hormigón.

• La filosofía de las tuberías plásticas es fijar como DN el diámetro exterior para tener un solo tipo de accesorio universal y que valga para todos los tubos. En caso contrario, quizá el cliente sea cautivo del fabricante que produce la serie DN/ID.

• No es necesario igualar el diámetro interior de los tubos de hormigón ya que los tubos de plástico tienen bastante menos pérdida de carga y por tanto su diámetro interior puede ser menor.

• La serie DN/ID nos lleva a tener diámetros exteriores “raros” y como se ve mayores que los de la serie DN/OD por lo que necesitarán mayor anchura de zanja, más volumen a transportar, etc. con su coste correspondiente.

• Cuando se calcula un colector de saneamiento hay que definir el nivel de llenado del tubo (%) previsto y que suele variar de un proyectista a otro, estando entre el 50% y el 80%, por lo que no es razonables hablar de distintos caudales admisibles entre las serie DN/OD que en la serie DN/ID.

Ventajas destacables

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 primeros en utilizarse fueron el PVC y el PE, aunque en los últimos 20 años también el PP ha sido utilizado como material para tubos de saneamiento.

• 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 de PP.

Ensayo de estanquidad en laboratorio

Condiciones del ensayo según UNE-EN 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

En la prueba de estanquidad en obra, 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.

Fig. - xxx – Pruebas de estanqueidad según UNE-EN 1610

Ensayo de estanquidad en obra

• Resistencia a la temperatura

Los tubos plomySAN resisten una rango mayor que otros tubos plásticos de temperaturas, desde –20 ºC hasta 95 ºC. A otros tubos, no plásticos, las bajas temperaturas les afectan de una forma importante, sobre durante la manipulación y montaje por lo posibles impactos.

La mayor resistencia a la temperatura nos da una ventaja adicional para el buen comportamiento de los tubos de PP en las redes de saneamiento.

Resistencia a la temperatura

• Resistencia a la abrasión

Las redes de saneamiento y sobre todo las unitarias contienen bastantes sólidos debido al arrastre de tierras y arena que entran por los imbornales.

Debido a su lisura interior la abrasión en tubos plásticos es mucho menor que en tubos rugosos como los de hormigón. Además el PP tienen un excelente comportamiento a la abrasión, según se puede ver en el gráfico siguiente:

Gres

Hormigón

PVC

plomySAN

Gres

Hormigón

PVC

plomySAN

Resistencia a la abrasión

Aire Agua

200 mbar (Método LD) 1,5 á 5 minutos de duración

Pérdida admisible: < 15 mbar

De 1 á 5 mca 30 minutos de duración

Pérdida admisible: < 0,15 L/m2

• 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.

Corrosión

Agua residual

Sedimentación

Oxidación

Reducción

Resistencia a la corrosión

• 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.

Rugosidad “n” de Manning

Para PP

n = 0,008

Rugosidad y Coeficiente n según Manning

• Ligereza

Debido a su baja densidad, todos los tubos plásticos pesan mucho menos que los tradicionales, lo que nos permite por un lado ahorrar costes de maquinaria para su manipulación y por otro mayor rendimiento de instalación. De entre todos los plásticos el que tienen menor densidad es el PP.

Comparación pesos de diferentes tuberías

Criterios para elegir PP en tubos de saneamiento

- Mayor resistencia química (pH2 á pH12)

- Larga vida útil (de 50 á 100 años)

- Mayor resistencia al impacto

- Densidad baja, peso bajo

- Amigo del medio ambiente y reciclable

- Resistencia a la abrasión

- Resistencia a la oxidación y corrosión

- Mayor resistencia a la temperatura (-20ºC a 95ºC)

- Mayor crecimiento europeo

Condiciones técnicas de suministro vs condiciones de utilización Entendemos que las características mecánicas de las tuberías de saneamiento por gravedad a utilizar en proyecto, son sus valores nominales, los que tienen en el momento de utilizarlas y de instalarlas.

No tiene sentido interpretar su posible comportamiento visco elástico y considerar su Módulo de Fluencia o su Rigidez Anular a largo plazo para explicar su comportamiento real, cuando todos sabemos que esos valores son muy afectados por las condiciones de instalación y funcionamiento.

Las instalaciones con 20-25 años de antigüedad que existen por toda Europa, América y Australia siguen funcionando sin problemas, lo que confirma nuestro razonamiento.

La adecuada Rigidez Anular a corto plazo es elegida para garantizar el buen comportamiento de un tubo a una determinada especificación de zanja, cuando está sujeto a una condición de carga definida. Además de los muchísimos estudios en este sentido, los propios documentos oficiales y normativos aplicables confirman que así es.

%

Hormigón Gres Fundición PRFV PVC PP plomySAN

% 2200 900 700 200 120 100

0

500

1000

1500

2000

2500 x22

x9 x7

x2 x1.2

Comparación de pesos en % Tubo de saneamiento DN 250, incluyendo accesorios

Norma UNE-EN 13476

Esta norma ha sido de difícil elaboración, debido a que su objetivo es poner los distintos materiales y diseño en igualdad de circunstancias. Así y teniendo en cuenta la misma utilización define las características que tienen que respetar las tuberías fabricadas con distintos perfiles y materiales (PVC, PE y PP), con objeto de poner a todas en las mismas condiciones de utilización.

O sea, las distintas tuberías producidas con distintos materiales de acuerdo con esta norma son igualmente capaces para este tipo de utilización. Las condiciones de diseño estructural de las tuberías flexibles enterradas, así como la compactación de zanja apropiada pueden ser analizadas en el anexo B de la norma UNE- EN 13476-1.

Norma DIN 16961-2

Esta norma define un conjunto de condiciones que las tuberías tienen que respetar en el momento del suministro, o si preferimos al momento de ser instaladas.

En particular, en cuanto a resistencia de las tuberías, define la forma de determinar su rigidez así como su Módulo de Fluencia a partir de medición en laboratorio. Establece las distintas exigencias que han de cumplir cada uno de los distintos termoplásticos para situarles en igualdad de condiciones para una misma utilización.

Sistema tubo-suelo

Tubos flexibles-conceptos de diseño

La clasificación de tubo flexible es atribuida a los materiales que soportan una deflexión sin daño superior a 3% de su diámetro nominal (17). En la tabla siguiente se presentan los conceptos de diseño a tener en cuenta para tuberías flexibles enterradas (14).

Características de la estructura (Tubo + suelo) forman una estructura integral Factores que influyen en la vida útil (Rigidez Anular tubería / rigidez suelo) Materiales PP, PE, PVC Deflexión permitida 5-6 % Criterio de diseño del tubo Deflexión + Estabilidad

Deflexión

La estabilidad estructural de una tubería enterrada termoplástica corrugada sin presión, sujeta a cargas de suelo y de tráfico, es garantizada por su Rigidez Anular que combinada con la rigidez del suelo de relleno y su nivel de compactación le permite resistir al colapso y limitar su deformación diametral, deflexión (∆y), a un valor que no origine fugas ni interrumpa el paso del agua.

De acuerdo con la ecuación de Spangler la deflexión porcentual (∆y/D) es directamente proporcional a la carga (q) e indirectamente proporcional a la rigidez resultante del sistema tubo-suelo (15).

siendo: q – carga originada por el suelo y el trafico

Ss – La rigidez del suelo

SN - La rigidez nominal del tubo

a,b,c – factores

∆y/ D = c . q / (a . Ss + b . SN)

La rigidez del suelo es función del tipo de relleno y su grado de compactación (Proctor Normal). Mejor compactación supone mayor densidad y por lo tanto mayor rigidez del suelo.

El grado de compactación (o sea la calidad de la instalación) es determinante en la definición del valor de la deflexión. Estudios realizados en Holanda, Suecia y Alemania, con patrocinio de TEPPFA/APME, en instalaciones reales, durante 7 años, demuestran que, p.ej. una tubería SN8 puede presentar deflexiones máximas de 0,8-2,2 ó 6% conforme se encuentre en un entorno de buena (Proctor Normal > 94%), moderada (>87%) o ninguna compactación (20).

Deflexión según compactación y rigidez

Al contrario de algunas opiniones que parten del principio de que las instalaciones no se controlan, que su calidad por definición es mala, reafirmamos nuestra responsabilidad en la divulgación y defensa de las buenas prácticas que garantizan rellenos y niveles de compactación adecuados. Así consideramos que una instalación debe asegurar una densidad de compactación Proctor Normal por encima de 87%, lo que supone una compactación moderada-buena y utilización de materiales de relleno no cohesivos como gravas o arenas sueltas.

Siendo la zanja el elemento fundamental de una buena instalación, indicamos a continuación una zanja tipo para tuberías termoplásticas corrugadas para saneamiento sin presión de PP.

Zanja tipo

Proctor según instalación: - Buena: >94 % - Moderada: 87-94 % - Ninguna: No especificado

Si tomamos la ecuación de Spangler para tuberías plásticas en suelo firme (5):

En donde Es el modulo secante del suelo.

Para tubería enterrada SN 8, con 6 m de relleno y compactada a 90º densidad Proctor, tenemos Es = 3.000 KN/m2, resultando una rigidez para el sistema tubo suelo de:

16.SN + 0,122.Es = (16 x 8) + (0,122 x 3000) = 494 kN/m2

Queda clara la diferencia entre la rigidez del tubo y la rigidez del sistema tubo-suelo y también que es la calidad de la instalación y no la rigidez del tubo quien controla la deflexión, y así podemos afirmar:

Una tubería enterrada no es un tubo solo, sino que es parte de un sistema integrado tubo-suelo

Estabilidad Funcional

La estabilidad funcional del tubo enterrado es correcta, siempre que el efecto combinado de cargas de suelo y cargas de tráfico sobre la tubería, sea inferior a su resistencia al colapso.

En suelo firme la presión externa permisible sin riesgo de colapso se puede calcular por la ecuación siguiente (5):

Siendo:

F – Factor de seguridad (F=2 a 3) SN – Rigidez Anular a corto plazo del tubo Es – Módulo secante del suelo

Deflexión en función del tiempo

La norma UNE-EN-ISO 9967 indica en su introducción:

“La experiencia muestra que, cuando un tubo está instalado en el suelo de acuerdo a un código de puesta en obra apropiado, el aumento de la deformación se detiene después de un corto periodo de tiempo. Este periodo que depende del suelo y de las condiciones de puesta en obra puede variar pero no excede de 2 años”.

Más del 80% de la deflexión total que experimentará una tubería flexible durante toda su vida ocurrirá dentro de los primeros 30 días (11). La deflexión solo crece durante los primeros 1,5 – 2 años pos- instalación (asentamiento del suelo), siendo constante a partir de entonces (∆y=k). (20) (21) (24)

Los valores medios de la deflexión final alcanzan un valor máximo de 1,5 veces la deflexión inicial (14).

0 1.5 100

Tiempo (años)

Fase de instalación

Fase de asentamiento

Def

lexi

ón [%

]

Efecto del tráfico

Deflexión y tiempo

qperm= 5,63 / F x √ (SN . 2 Es)

0,083.q ∆y/D = -------------------------- 16.SN + 0,122.Es

Durante ese periodo inicial de asentamiento del suelo (1,5 - 2 años), se produce una deflexión inferior a la que ocurriría si la misma tubería estuviera en laboratorio sujeta a una carga de igual valor.

En la tubería instalada no hay fluencia libre

Por tanto, la fluencia no puede explicar la deflexión producida

Después, durante la fase de deflexión constante, la carga (q) sigue igual, en cuanto que en laboratorio tendríamos que reducir la carga para verificar el mismo fenómeno.

Por tanto, tampoco la relajación de tensiones no explica ∆y=k.

No es correcto analizar el comportamiento de un material visco elástico como si fuera un elástico, y menos cuando forma de parte una estructura tubo-suelo que interacciona

“ But what happens when pipes can not creep free? ” (como dice Tim Meijering - Teppfa project manager)

De acuerdo con el Prof.Lars-Eric Janson:

“La deflexión final de las tuberías enterradas puede ser calculada como la suma de pequeños impulsos de carga de corto plazo, a cada uno de los cuales el tubo responde siempre con su Modulo inicial, hasta llegar a un equilibrio tubo-suelo” (5) (19).

Módulo Elástico y Rigidez Anular

Estudios efectuados en la Universidad de Massachusetts, especialmente dirigidos al efecto del tiempo sobre el modulo-E de los termoplásticos, han concluido: Por cada nueva carga adicional, el material visco elástico siempre reacciona de acuerdo con sus propiedades de corto plazo, independiente del periodo de tiempo pasado desde que la primera carga ha ocurrido (10) (16) (18).

Después de la determinación del Coeficiente de Fluencia en laboratorio, se han utilizado las mismas probetas para determinar la Rigidez Anular

SN = f (F / ∆y)

Módulo Elástico y se comprueba que la tubería reacciona siempre con su módulo de corto plazo a todas las cargas incrementadas repetidas utilizadas para realizar el ensayo.

O sea las tuberías plásticas en un sistema integrado tubo-suelo conservan siempre sus propiedades de corto plazo y reaccionan de acuerdo con éstas tan pronto como se aplique una carga adicional

Sistema en equilibrio

Un tubo enterrado y sus elementos adyacentes del suelo respetan el principio fundamental del análisis estructural: elementos de mayor rigidez atraen la mayor proporción de la carga compartida que aquellos que son más flexibles (16).

Los sistemas con tubería flexible son por lo tanto diseñados para interaccionar con el suelo, para facilitar la acomodación a sus movimientos. Por lo tanto la deflexión no es un riesgo sino un comportamiento que obliga al material de relleno a tomar una cantidad mayor de la carga (16), pues el arqueo del relleno redujo la carga sobre la tubería en un 77% (10).

Esto también demuestra que la carga de la columna del relleno es un método muy conservador para calcular este componente de carga (10). Estudios actualmente en desarrollo investigan el control de volumen en lugar del control de cargas (15).

ColumnaArco suelo

Arqueo del suelo

Una importante propiedad de los tubos flexibles es su capacidad de ajustar su geometría de forma a reducir su momento resistente a favor del aumento de la compresión anular. Mayor compresión anular, resulta una menor tensión de curvatura, en menor tensión residual o al final, ninguna, como resultado más favorable (16). De todo lo que acabamos de decir se puede concluir que debido a la interacción tubo-suelo las tensiones sobre la tubería quedan minimizadas, o incluso anuladas. Es lo mismo que decir que, por interacción, en un sistema tubo-suelo la tubería flexible descarga sus tensiones sobre el suelo.

La deformación constante de un tubo como parte de un sistema integrado estable, tubo-suelo, significa que queda sujeto a tensiones muy bajas o prácticamente nulas.

Durabilidad de las tuberías termoplásticas sin presión en un sistema en equilibrio

La vida útil de las tuberías termoplásticas de saneamiento sin presión depende de su comportamiento bajo 4 condiciones principales (6):

- Estabilidad mecánica del sistema integrado tubo-suelo

- Rigidez Anular del tubo

- Estabilidad química y biológica

- Estabilidad funcional

Admitiendo que se cumplen las 4 condiciones “un efecto general del envejecimiento físico de los materiales poliméricos es que su Modulo-E a corto plazo aumenta a lo largo del tiempo” (Prof. Lars-Eric Janson) {4}.

Un estudio efectuado en Australia sobre tuberías termoplásticas con 11, 16 y 25 años de funcionamiento determinó que el envejecimiento físico origina reducción del volumen libre entre cadenas, como consecuencia de la consolidación de la estructura molecular y es acompañado por el aumento de resistencia y del modulo. “Como consecuencia del envejecimiento físico de los tubos desenterrados, los tubos tienen más rigidez que cuando fueron originalmente extruidos” (8).

“ Entonces, la consecuencia del envejecimiento físico de los polímeros es que su Módulo-E de Corto plazo no se reduce después de largo tiempo bajo una carga. Por el contrario de hecho aumenta “ (4)

“Como la Rigidez Anular es una función lineal del modulo-E, esto también significa que después de cargado durante mucho tiempo, la Rigidez Anular se mantiene o mejora su valor de corto plazo, en cada futuro nuevo impulso de carga” (4).

“Este hecho es de gran importancia para una adecuada comprensión del proceso de deflexión que ocurre con las tuberías termoplásticos de saneamiento por gravedad enterradas” (4).

Para tuberías termoplásticas de saneamiento por gravedad, producidas e instaladas correctamente, su vida útil no puede ser estimada pero puede lógicamente se puede predecir en más de 100 años hasta que sea necesario su rehabilitación (6).

Conclusiones a. La Rigidez Anular a CORTO PLAZO ha de ser mínimo 4 kN/m2 de acuerdo con el Pliego del

MOPU del año 1986. Los tubos estructurados de PP-B aquí tratados tienen el doble, es decir 8 kN/m2

b. Los materiales plásticos utilizados para tubos estructurados en todo el mundo y en las correspondientes normas UNE-EN 13476 son el PVC-U, PE y PP. La inmensa mayoría de los nuevos tubos estructurados para saneamiento se han diseñado en PP

c. No es lo mismo el comportamiento de un tubo en laboratorio que el comportamiento tubo-suelo

d. Una tubería enterrada como parte integrante de un sistema tubo-suelo en equilibrio:

• No tiene ni fluencia libre ni relajación de tensiones

• Que haya sido instalada de acuerdo con los códigos de buena práctica, tiene una deflexión muy reducida, prácticamente nula

• Por lo que está sujeta a tensiones muy bajas, casi nulas

• Y mantiene o mejora a lo largo del tiempo sus propiedades de corto plazo

e. Utilizar la bajada del valor del módulo de elasticidad a lo largo del tiempo para justificar una caída de la Rigidez Anular de los tubos enterrados es confundir tuberías con presión con tuberías sin presión, es confundir ensayos de laboratorio con comportamiento real. Puesto que:

UN SISTEMA TUBO-SUELO NO ES UN TUBO SOLO

Referencias

Norma UNE-EN 13476

Norma DIN 16961-2. Thermoplastic pipes and fittings with profiled outer and smooth inner surfaces - Part 2 Technical delivery conditions

Pliego de prescripciones técnicas generales para tuberías de saneamiento de poblaciones - MOPU 1986

Plastic Pipes for Water Supply and Sewage Disposal – by Lars-Eric Janson- 4th Edition – 2003

Design and Installation of Buried Plastic Pipes - by Lars-Eric Janson and Jan Molin-1991

Life expectance for plastic pipes- Plastic Industry Pipe Association of Australia

Resistance to ring bending-pipe stiffness (PS), ring stiffness constant (RSC) and flexibility factor (FF) for Buried Gravity Flow Pipes-Plastic Pipes Institute 2005

Predicting the residual life of PVC sewer pipes - by A. J. Whittle & J. Tennkoon

The installation of buried flexible pipes - by Peter Nixey

Analysis of the performance of a buried PEHD pipe, by Nayla Hashash & Ernest Selig, Universidad de Massachusetts -1990

Stress relaxation characteristics of HDPE pipe soil system by Larry Petroff - 1990

Stiffness of HDPE pipe in ring bending – by Timothy McGrath, Ernest Selig y Leonard Di Francesco – 1994

Long-term behaviour of buried PVC sewer pipes by Lars-Eric Janson-1995

The actual performance of buried plastics pipes in Europe over 25 years - by W. J. Elzink and J.Molin-1992

The design of buried thermoplastic pipes - by Frans Alferrink

The pipe-soil structure. Actions and Interactions – Lester Gabriel

Characteristics of Corrugated HDPE pipe. Structural considerations – by Soleno

Structural integrity of non-pressure corrugated PE pipe – PPI Plastic Pipe Institute (USA)

Comportamiento de tuberías flexibles instaladas en zanja – by Krah América Latina SA (Argentina)

Pipe Tech Review by TEPPFA – jun 2007

Pipe Tech Review by TEPPFA – set 2007

Durability Testing for 100 years lifetime for buried non-pressure plastic pipes by Gunnar Bergstrom & others

PP piping systems for non-pressure sewerage applications by Christer Lind

Structured wall plastic pipes systems – Special Report – British Plastics Federation