Tuberías de concreto
Jaime Gomezjurado S. M. A. TITAN
El concreto es el material de construcción más ampliamente utilizado en los proyectos de saneamiento básico y particularmente en los conductos para transportar aguas residuales y pluviales, debido entre otras ventajas, a su alta resistencia mecánica, la durabilidad y la consecución de materias primas locales. La primera estructura de que se tiene noticia construida para el transporte de aguas servidas, conocida como la cloaca máxima, fue elaborada con cemento natural y bloques de piedra por los romanos en el año 800 a.c. y algunos de sus segmentos se conservan en buen estado aún en la actualidad. En el siglo 19 por razones de salud pública se diseñaron los primeros sistemas de alcantarillado, en los cuales el concreto empezó a jugar un papel preponderante, el cual se consolido en el siglo 20 con la aparición de nuevas tecnologías que contribuyeron con el desarrollo de la industria de los tubos de concreto, de manera que hay innumerables alcantarillados construidos en concreto que tienen vida de servicio superior a 100 años, lo cual lo convierte en el único material que ha demostrado su buen desempeño con el pasar del tiempo. Los materiales sustitutos que actualmente se consiguen para alcantarillado tienen muy poco tiempo en el mercado, de manera que no pueden acreditar una durabilidad siquiera parecida a la del concreto.
Los avances en la tecnología del concreto permiten que los tubos de este material sigan siendo la mejor alternativa para muchos proyectos, puesto que la industria prefabricadora de tubos de concreto ha evolucionado a pasos agigantados en las últimas décadas, en las cuales se ha optimizado el análisis y diseño de tubería con ayuda de programas de computador específicos para el sector, se han incorporado diseños de mezclas con los avances en los aditivos, se han mejorado los equipos de mezcla automatizados, se dispone de equipos precisos para la fabricación de las canastas de refuerzo, se han consolidado técnicas para el control de calidad, se ha mejorado las juntas de los tubos y se han creado nuevas normas de instalación. De la misma forma, los box culvert prefabricados han tenido desarrollos tales como, mejor control de calidad, implementación de elementos de izaje que facilitan la instalación, reducción de los riesgos asociados con las zanjas abiertas, menor impacto ambiental y alta velocidad de instalación para efectuar grandes proyectos en corto tiempo. El crecimiento de las ciudades y la infraestructura vial demandan la construcción de alcantarillados para agua residual y pluvial que impulsan el desarrollo de la industria de tubería de concreto, puesto que esta puede ser instalada en zanjas profundas, debajo de terraplenes de gran altura, con sistemas sin zanja en grandes longitudes, mientras que tuberías de otros materiales, solo pueden ser instalados en zanjas de poca profundidad.
Aunque los tubos de concreto más usados en nuestro medio son los de sección circular o cuadrada, estos se pueden fabricar en prácticamente cualquier geometría, para lograr mayor eficiencia hidráulica considerando las cargas específicas de cada proyecto y la topografía del mismo. Existen especificaciones internacionales y normas técnicas colombianas que describen las características que deben cumplir los tubos circulares, cuadrados o box culvert, elípticos y con secciones en arco. Cuando se requiere manejar gran caudal en conductos que requieren un trazado con poca pendiente y a poca profundidad, los tubos con sección cuadrada, elíptica instalados con el eje menor en sentido vertical y secciones en arco son los más indicados, para alcantarillados con caudal muy variable los tubos con sección elíptica instalados con el eje mayor en sentido vertical son ideales porque la velocidad de agua es alta con poco caudal, lo que le permite arrastrar todo los sólidos que viajan por el alcantarillado.
Los tubos de concreto normalmente se suministran en diámetros desde 0.15 m, para los arranques de los alcantarillados, hasta 3.20 m para la parte final de los mismos, en los casos en que se requiere mover más caudal se pueden utilizar dos líneas de alcantarillado o instalar ductos de mayor diámetro con sistemas de dovelas prefabricadas en concreto, para lo cual prácticamente no hay restricción de diámetro. La razón por la cual normalmente no se fabrican tubos de mayor diámetro que 3.20 m es que por su volumen y peso se hace difícil el transporte y resulta más eficiente segmentarlo en dovelas. La longitud de los tubos varía según el diámetro y normalmente se hacen con longitud de 2.50 m o 2.60 m para embalarlos en el sentido transversal de los planchones de los camiones.
La instalación de los tubos de concreto cuando es en zanja normalmente se hace utilizando parte del material de excavación , cuando los tubos se instalan en la parte baja de un terraplén, este se elabora con el material de corte de otras zonas. Dependiendo de la profundidad de la zanja o la altura del relleno y las cargas de servicio se especifica la clase del tubo, la cual es función de la resistencia del tubo, puesto que este es el que aporta la capacidad de soporte. Los tubos reforzados se clasifican en cinco clases que se designan en números romanos ( I a V) y los tubos sin refuerzo se clasifican en tres clases que se escriben en números arábigos (1 a 3).
La construcción de alcantarillado sin zanja normalmente se hace utilizando máquinas del tipo TBM, (del inglés Tunnel Boring Machine) también llamadas Tuneladoras o Topos, las cuales excavan túneles a sección completa, en los cuales en la medida que se va realizando la excavación se van colocando los tubos o las dovelas. Normalmente la excavación se realiza con una cabeza giratoria equipada con elementos de corte que permite hacer tramos rectos o con alineación en curva. Los tubos para hincado difieren de los tubos para instalación en zanja o terraplén, que son diseñados para soportar los esfuerzos durante la instalación.
Para seleccionar el material a utilizar en un proyecto de alcantarillado es necesario revisar además de las características de tubo (distancia entre juntas, diámetro real, peso), las condiciones del terreno y la forma de instalación, puesto que de esto depende que resulte más práctico y/o económico determinado material. Algunas veces cuando se comprará únicamente el costo de los tubos parece más económico emplear un tubo plástico, sin embargo cuando se considera los costos de excavación y relleno se encuentra que en general la tubería de concreto es más competitiva en diámetros iguales o superiores a 90 cm que la de otros materiales.
Algunos de los paradigmas que la industria del plástico ha creado alrededor de los tubos de concreto con el propósito de incursionar en mercados de la región, se desmienten con el siguiente decálogo ampliamente soportado por estudios realizados por entidades independientes:
1. Los tubos de concreto tienen mejor eficiencia hidráulica que los de plástico:
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 tubos 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. Esto se traduce en que el coeficiente de rugosidad seleccionado por diseñador hidráulico para la tubería de concreto para las redes recién instaladas es igual al del plástico, adicionalmente cuando las redes de alcantarillado entran en servicio las paredes interiores de los tubos son recubiertas por una película orgánica que físicamente hace que la rugosidad hidráulica de todos los conductos sea la misma. Por otra parte, los tubos de concreto tienen mejor desempeño y eficiencia hidráulica porque a diferencia de las tuberías plásticas mantienen su forma original y la alineación durante la vida de servicio.
2. Los tubos de concreto tienen mayor resistencia mecánica que los de plástico:
Los tubos 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 tubos 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.
3. Los tubos de concreto pueden ser instalados en cualquier condición:
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 para alcantarillado 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 compactación 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.
4. Los tubos de concreto son resistentes al fuego:
Los tubos 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 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.
5. Los tubos de concreto se pueden instalar con mayor rendimiento que los tubos plásticos:
Los tubos 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 tubos 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 tubos 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.
6. El alto peso de los tubos de concreto favorece la instalación:
El peso en los tubos 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 tubos 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.
7. Los tubos de concreto son reciclables:
Los tubos de concreto son materiales reciclables que se hacen con materias primas naturales de consecución local, una vez se cumple con su vida útil pueden ser triturados para ser utilizados como material granular para bases y subbases o como agregados para producir nuevo concreto. El a refuerzo que se separa en el proceso de trituración se procesa en altos hornos para producir diferentes clases de acero
8. La fabricación de tubos de concreto no contamina el medio ambiente:
En la fabricación de tubos de concreto se utiliza menos energía que la empleada en la fabricación de tubería de plástico y se generá una mínima disposición de residuos, los cuales en todos los casos pueden ser reciclados. Los residuos de la industria del plástico no son biodegradables.
9. Los tubos de concreto son los más durables:
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. Los materiales plásticos fueron inventados hace relativamente poco tiempo y su durabilidad solo puede ser estimada a través de ensayos de laboratorio.
10. Los alcantarillados con tubos de concreto son más económicos
Prácticamente para todas las condiciones de instalación, los alcantarillados construidos con tubería de concreto en diámetros superiores a 50 cm, son más económicos que los que utilizan tubos plásticos, porque los materiales y actividades para la cimentación son menos exigentes y por lo tanto menos costosas. Para tuberías de mentor diámetro a 50 cm frecuentemente los costos de los alcantarillados de concreto son menores, especialmente cuando se requieren instalaciones con alto desnivel.
