Prefabricados para estructuras hidráulicas
Jaime Gomezjurado S. M. A. TITAN
El campo de las estructuras hidráulicas, tales como presas, embalses y bocatomas, se caracteriza por la utilización de estructuras masivas, en las que comúnmente se prefiere el uso de concreto vaciado en sitio, porque este aporta el peso necesario para asegurar la estabilidad. Sin embargo, los prefabricados de concreto se emplean con frecuencia en la construcción de elementos complementarios, tales como cimentaciones, losas, vigas, desarenadores y canales de descarga, así como también en la construcción de pequeñas presas, debido a las ventajas que tienen; entre las se encuentran: la adaptabilidad, la intercambiabilidad, la resistencia, la durabilidad, la disponibilidad y la economía. Además, los prefabricados de concreto se utilizan en estructuras hidráulicas para el control de erosión, la estabilización de riveras y la prevención de inundaciones y en mayor medida para construir sistemas de recolección y transporte de agua.
Los prefabricados para elementos complementarios de hidroeléctricas representan muy poco volumen del total del concreto que se utiliza en la construcción, pero aportan beneficios importantes en razón de las reducciones de tiempo por el alto rendimiento en la instalación, la precisión y la alta resistencia a la abrasión. Las pequeñas presas se pueden construir con alturas entre 10 y 15 metros, utilizando prefabricados de concreto conformados por unas celdas o cajas cuadradas con dimensiones que varían de 2 m a 6 m de longitud con altura de 50 cm a 70 cm y espesor de pared de 7cm a 15 cm, las cuales son rellenadas con suelo.
Los prefabricados para el control de erosión, la estabilización de riveras y la prevención de inundaciones, son muy diversos y van desde pequeños elementos que se colocan a manera de revestimiento en los suelos o riveras a proteger, pasando por elementos de mayor tamaño como muros de contención y hasta elementos de mayor peso, tales como diques para contener el agua y prevenir inundaciones o corta-olas para proteger las playas.
Sistemas de Recolección y Transporte de Agua.
En los sistemas de recolección y transporte de agua para aplicaciones tales como alcantarillados y sistemas de riego, se utilizan prefabricados de concreto con dimensiones y características estandarizadas, tales como rejillas, sumideros, colectores de lodo, trampas de grasa, tuberías, canales, box culvert, dovelas y pozos de inspección. El concreto de estos elementos dependiendo del sistema de fabricación es de consistencia variable, desde asentamiento cero hasta autocompactante y se caracteriza por baja permeabilidad, baja relación agua material cementante, alta resistencia a la abrasión y resistencia a compresión superior a 32 MPa. Las juntas de los prefabricados están diseñadas para absorber movimientos diferenciales entre elementos, transmitir las cargas entre ellos y mantener la estanqueidad, de manera que no salga ni ingrese líquido al sistema.
Las rejillas y sumideros, que se fabrican con diversas geometrías, se instalan en zonas peatonales y vehiculares para captar las aguas lluvias. En su diseño es importante que tengan la mayor cantidad de área en las ranuras para el ingreso del agua y que éstas no sean de gran tamaño para evitar que por ellas pasen objetos pequeños. Los colectores de lodo y trampas de grasa se utilizan principalmente en industrias en las que el agua se recicla o se emplea dentro de procesos productivos y se pueden ensamblar con tuberías, canales o box culvert de diferentes secciones.
Las tuberías generalmente se fabrican en diámetros entre 15 cm y 300 m, las más pequeñas son en concreto sin refuerzo y las más grandes son en concreto reforzado. Los tubos se clasifican en tres clases cuando son sin refuerzo y en cinco clases cuando son reforzados, de acuerdo con la resistencia al aplastamiento, que es la capacidad de soportar carga sin fisurarse o romperse, lo cual permite que dependiendo de las condiciones del suelo, de la forma de la cimentación y de las cargas que deben soportar, se seleccione la clase de tubo que resulte más económica para cada aplicación. Aunque generalmente los tubos son circulares, para algunas aplicaciones en las que se requiere mayor sección hidráulica y se tiene poca profundidad, estos se pueden fabricar con otras formas, tales como secciones de arco o elípticas.
Los canales se fabrican, dependiendo de las condiciones hidráulicas del proyecto, en sección trapezoidal, rectangular o semicircular de diferentes tamaños y con longitud variable, pueden ser en concreto sin refuerzo o reforzado y destapados o con tapa. Cuando los cambios de dirección son suaves, para adaptarlos a la topografía del terreno se acostumbra instalar los canales con deflexiones entre uno y otro para generar las curvas que sean requeridas, si los cambios de dirección son bruscos se pueden utilizar unas unidades especiales, denominadas cajas de unión, las cuales permiten que los canales cambien de dirección en un solo punto con el ángulo deseado, e incluso que en estos puntos se recojan aguas provenientes de otros conductos.
Los box culvert se producen con sección rectangular completa o en dos secciones en forma de U, las cuales se ensamblan para conformar la sección rectangular; su longitud es variable y pueden hacerse con una o más celdas, para ser instalados a diferentes profundidades. El tiempo de ejecución de las obras con box culvert prefabricados es muy corto porque estos se van instalando inmediatamente se realiza la excavación.
Las dovelas son secciones de arco que entre varias unidades; normalmente 6 u 8, conforman un conducto circular, las cuales se especifican en diámetros mayores a 3 metros, no solamente para la construcción de conductos para transporte de agua, sino también para todo tipo de túneles. La instalación de estos recubrimientos se hace utilizando máquinas tuneladoras con las que se obtienen altos rendimientos constructivos.
Los pozos de inspección necesarios para acceder a los sistemas de recolección y transporte de agua se hacen en secciones de diferentes diámetros, de acuerdo con el tamaño de los equipos que deben ingresar a las redes para las actividades de mantenimiento.
A continuación se presentan siete razones para preferir los sistemas de recolección y transporte de agua, construidos con tuberías y prefabricados de concreto:
1. Eficiencia hidráulica:
Aunque al tacto la superficie del concreto se siente más rugosa que la del plástico, la rugosidad hidráulica representada por el coeficiente n de Manning de los elementos prefabricados de concreto es prácticamente la misma que la del plástico, n=0.009 a n= 0.010, tal y como se ha determinado por numerosos estudios soportados por ensayos de laboratorio. Por otra parte, los prefabricados de concreto tienen muy buen desempeño y eficiencia hidráulica porque, a diferencia de conductos de otros materiales, en razón su masa y resistencia mantienen su forma original y la alineación durante la vida de servicio.
2. Resistencia mecánica:
Los prefabricados de concreto tienen mucha más capacidad portante que otros materiales y su resistencia, al igual que el resto de sus propiedades mecánicas, mejoran con el paso del tiempo, Las propiedades mecánicas de los materiales plásticos decrecen con el paso del tiempo, debido al fenómeno de fluencia que experimentan una vez que están cargados.
La alta resistencia mecánica de los prefabricados de concreto, producidos con o sin refuerzo, en mezclas con resistencia a compresión del rango de 32 MPa a 60 MPa hacen que la estabilidad de la estructura dependa de sí misma y no de las condiciones del suelo en el que se cimenta. En el caso de tubos flexibles la resistencia depende en más del 95% de las condiciones del suelo de soporte y por lo tanto cualquier dificultad que se tenga al momento de seleccionar o compactar los materiales de cimentación se traduce en deformaciones o aplastamiento de los tubos.
Los tubos de concreto se pueden instalar en cualquier condición de carga, como por ejemplo hincados, en terraplén o en zanja inducida, mientras que los tubos plástico solo pueden instalarse en zanjas con muchas restricciones constructivas y en algunos casos en condiciones imposibles de cumplir, por ejemplo, alcanzar niveles de compactación proctor de 95 % como figura en muchos de sus manuales técnicos, en los costados de los tubos, en donde no cabe ningún equipo de compactación. Aunque cupieran estos equipos, no es posible alcanzar tales grados de compactació a los lados de un tubo flexible porque por la naturaleza del mismo al tratar de apisonar el relleno a esos niveles, el tubo se deforma y no permite dicha compactación; en laboratorio se ha demostrado que no es posible alcanzar grados superiores de compactación al 80% alrededor de tubería flexible.
3. Resistencia al fuego:
Los prefabricados de concreto son resistentes al fuego y no son inflamables, tampoco presentan problemas cuando en los lugares de acopio permanecen expuestos a los rayos ultravioleta. Esto es una consideración importante cuando se colocan estructuras en zonas rurales con probabilidad de incendios forestales o incluso en zonas urbanas en las que habitantes de la calle realizan fogatas dentro de estructuras hidráulicas cuando las utilizan como refugio, antes o incluso después de instaladas.
4. Rendimiento en la instalación:
Los prefabricados de concreto se colocan con altos rendimientos de obra, porque en general las condiciones de cimentación que requieren no son muy exigentes, de manera que se hace la excavación, se coloca el material de cimentación, se instala el prefabricado y se vierte el material de relleno, el cual en muchos casos es procedente de la misma excavación. Los tramos de excavación son cortos porque los prefabricados generalmente tienen longitud menor a 2.5 m para facilitar la manipulación y el transporte, sin exceder el peso de los equipos usados para el movimiento de suelo. La excavación en tramos cortos permite disminuir y en algunos casos eliminar el uso de tablestacado en suelos malos, porque los prefabricados por si mismos sirven para contener las paredes de la excavación; además permiten que la alineación y la pendiente de las estructuras hidráulicas se pueda revisar frecuentemente para que tenga la precisión que sea requerida. Por otra parte, en la instalación de tubería, el rendimiento que se tiene para tubos con diámetro mayor de 30 cm, en el que por condiciones de seguridad ocupacional se requiere la utilización de maquinaria para el izaje de los tubos plásticos, es prácticamente igual entre tubos de diferente material, así los tubos de concreto sean más pesados.
5. Peso alto:
El peso en los prefabricados de concreto compacta el suelo sobre el que se instala y resiste los esfuerzos laterales cuando se compacta material en los lados; adicionalmente, previene que se presenten movimientos mientras se ensamblan unos elementos con otros. En el caso de tubería y boxculvert, instalados en zonas con alto nivel freático, el peso de estos prefabricados evita, además, que se presenten problemas de flotación o cambios en la pendiente o el nivel porque el peso ayuda a resistir las fuerzas de flotación y las fuerzas laterales cuando los conductos están parcial o totalmente desocupados.
6. Sostenibilidad:
Los prefabricados de concreto son materiales reciclables que se hacen con materias primas naturales de consecución local en cuya fabricación se utiliza menos energía que la empleada en la fabricación de elementos de plástico. Para las obras que se proponen certificar con los criterios LEED (por sus siglas en inglés: Leadership in Energy & Environmental Design), aportan alto puntaje porque además de los beneficios de sostenibilidad ya enumerados, generan una mínima disposición de residuos y en su fabricación se pueden utilizar agregados reciclados.
7. Durabilidad:
El concreto es sin duda el material más durable que se ha utilizado en la construcción de estructuras hidráulicas, debido al buen desempeño que presenta cuando es expuesto a condiciones ambientales agresivas y a sus bondades para resistir las cargas de servicio.
