¿ PODEMOS CONOCER EL COEFICIENTE DE SEGURIDAD DE UNA CONDUCCION?

Introducción.

No es habitual hablar de coeficientes de seguridad en tuberías y menos frecuente aún es el disponer de información que nos permita comparar coeficientes de seguridad entre tuberías fabricadas con materiales diferentes.

Este documento trata de exponer los conceptos que se deben tener en cuenta a la hora de diseñar y calcular una tubería con el objeto de poder comparar entre distintos tipos de tubos con unos criterios análogos.

En este sentido, y como referencia de todo cuanto vamos a exponer, tenemos que hacer mención a las “Recomendaciones para el Proyecto, instalación y mantenimiento de tuberías para el transporte de agua a presión” del CEDEX, documento que aun está en fase de borrador y que ha tratado de recoger los distintos tipos de tubos existentes.

Comenzaremos explicando las diferencias entre presión de servicio (PS), presión máxima de trabajo (PT ó PMT) y presión nominal (PN) incidiendo en la equivalencia que existe entre algunas de ellas dependiendo del material del que estemos hablando.

A continuación, hablaremos sobre las hipótesis de diseño y cálculo de los tubos de hormigón con camisa de chapa y su influencia en los coeficientes de seguridad frente a rotura de los mismos.

Finalmente, trataremos de comparar los conceptos anteriormente expuestos para los diferentes materiales empleados en la fabricación de tubos para conducciones a presión.

Definiciones.

Los términos usados para referirse a las distintas presiones hidráulicas son muy distintos lo que ha contribuido a que exista una cierta confusión. Hay que distinguir entre presiones hidráulicas que solicitan a la tubería y las presiones que cada componente es capaz de resistir.

Dentro de las presiones hidráulicas, vamos a definir las siguientes:

• Presión de servicio (PS): Es la presión que indicaría un tubo piezométrico en régimen hidráulico estable, es decir, excluidas las fases transitorias producidas por un posible golpe de ariete.

• Presión máxima de trabajo (PT ó PMT): Es la presión máxima que puede llegar a alcanzarse durante el funcionamiento de la tubería, incluidas las fases transitorias producidas por un posible golpe de ariete.

  Dentro de las presiones que cada componente es capaz de resistir, tenemos:

• Presión nominal (PN): Es un valor numérico de una serie convencional que se adopta para caracterizar a los tubos. La relación entre los valores de la PN y de la presión hidráulica interior depende de tipo de material. Así por ejemplo, en la valvulería y en los tubos de fundición con bridas, la PN es la presión que un componente es capaz de aguantar en servicio sin considerar el golpe de ariete (PS) y en los tubos de PRFV se entiende que es la presión que el tubo es capaz de aguantar incluyendo las sobrepresiones debidas al golpe de ariete (PT ó PMT).

• Presión equivalente: Se entiende por presión equivalente en una sección de una tubería como la presión interior teórica que, por sí sola, produce el mismo dimensionamiento en esa sección que el correspondiente a la hipótesis pésima de carga. La relación entre esta presión equivalente y la presión máxima de trabajo es variable ya que depende de muchos factores tales como el relleno de tierras considerado, el tipo de apoyo, la misma presión máxima de trabajo de cálculo, etc. Así a título orientativo, y para tubos de hormigón con camisa de chapa, podríamos estimar dicho valor como 1.5 veces la presión máxima de trabajo para valores medios de ésta (hasta 9 ó 10 atm.), y unas hipótesis de 3 metros de relleno de tierras con apoyo granular a 90º, quedándose el mismo en valores del orden de 1.25 si hablamos de presiones máximas de trabajo del orden de las 20 atm y apoyo de hormigón a 120º. La relación entre la presión equivalente y la máxima de trabajo no es un coeficiente de seguridad, tan solo nos aporta un valor de referencia que nos permite ver la mayor o menor incidencia de las cargas ovalizantes en el dimensionamiento de la tubería. Lo importante es definir correctamente estas cargas.

Dimensionamiento de los tubos de hormigón con camisa de chapa.

Para el dimensionamiento de los tubos de hormigón con camisa de chapa, se adopta siempre la hipótesis pésima de carga, entendida tal como la combinación de acciones, (presión máxima de trabajo, peso propio, carga del fluido, cargas verticales del relleno, cargas concentradas y empuje lateral) que, durante el servicio de la tubería, produce la máxima solicitación de la sección estudiada habida cuenta del tipo de apoyo.

Es decir, la tubería se dimensiona para que durante toda su vida útil esté soportando simultáneamente: la presión máxima de trabajo, o sea, la presión de servicio más el golpe de ariete, las cargas completas del relleno de tierras y la sobrecarga de tráfico que se haya considerado, y en estas condiciones, no se superen unas tensiones admisibles determinadas, en función de que estemos hablando de tubería de Hormigón Armado o Postesado.

• Tubos de Hormigón Armado con camisa de chapa: En este caso la tensión de trabajo del acero se limita a 1.300 kp/cm2 con el fin de estar en buenas condiciones respecto al estado límite de fisuración controlada.

  Para ver el coeficiente de seguridad con el que se trabaja en este tipo de tubo, en condiciones reales de servicio, necesitamos definir la presión de timbre que es aquella que aplicada al tubo en ausencia de ovalizaciones, sin considerar la colaboración del hormigón, produce en la sección de armadura real del tubo la tensión de cálculo. Vemos por tanto, que en este tipo de tubo, podemos asimilar la presión de timbre a la presión equivalente que hemos definido anteriormente. Pues bien, la presión de rotura para los tubos de hormigón armado con camisa de chapa es 1.85 veces la presión de timbre; es decir, el coeficiente de seguridad a rotura de la tubería en condiciones de servicio es 1.85.

  Es interesante recalcar en este momento dos aspectos: En primer lugar, recordar que como hipótesis de partida estamos adoptando la actuación simultánea de todas las acciones, es decir, no sólo la presión de servicio y las cargas de tierras sino además la sobrepresión por golpe de ariete y la sobrecarga móvil, y que con respecto a esta combinación pésima de acciones el coeficiente de seguridad es de 1.85.

  En segundo lugar si observamos la tensión de cálculo del acero (1.300 kp/cm2) y el coeficiente de seguridad (1.85), la condición de rotura de la tubería viene dada cuando se alcanza en el acero una tensión de 2400 kp/cm2. Normalmente para la fabricación de la tubería de hormigón armado con camisa de chapa se utiliza chapa con un límite elástico de 2400 kp/cm2 y acero corrugado B-400 (con límite elástico 4000 kp/cm2) con lo que el criterio de rotura adoptado está muy del lado de la seguridad. De hecho las normas AWWA admiten tensiones de cálculo distintas para el acero corrugado y para la chapa, es más, en ciertos diseños de tubería como son los casos de armadura arrollada a la camisa, permiten incrementar la tensión de cálculo de la chapa. Por tanto, dependiendo del balance de armadura en chapa o acero corrugado, el coeficiente de seguridad se verá en mayor o menor medida incrementado respecto al valor mínimo que se ha adoptado de 1.85.

• Tubos de Hormigón Postesado con camisa de chapa: Los tubos se dimensionan para que en cualquiera de sus secciones, y bajo la hipótesis pésima de carga, se cumplan, una vez que han tenido lugar todas las pérdidas, las condiciones siguientes:

  El hormigón del primario esté sometido a una compresión igual o superior a 5 kp/cm2.

  La tensión en el alambre de pretensar no supere su tensión de zunchado.

  El hormigón del revestimiento no esté sometido a una tracción superior a la máxima admisible, fct.

  Al igual que en los tubos de hormigón armado hemos definido la presión de timbre, en los de hormigón postesado con camisa de chapa hay un concepto similar: la presión de prueba de fisuración controlada que es aquella presión interna que en ausencia de ovalizaciones, al oponerse a la precompresión, determina en la fibra interior del hormigón una compresión residual de 5 kp/cm2. Vemos que al igual que antes, y teniendo en cuenta los criterios para el dimensionamiento de este tipo de tubos, estamos hablando nuevamente de la presión equivalente.

  La presión de la prueba de agotamiento (rotura) es aquella presión interna que en ausencia de ovalizaciones solicita al acero de pretensar a una tensión igual al 85 % de su carga de rotura. En este caso no existe una relación fija entre la presión de agotamiento y la presión de fisuración controlada ya que el valor de la presión de agotamiento depende del estado tensional del acero de prestensar en condiciones de servicio. No obstante, con el método de cálculo adoptado, es posible fijar a priori la presión de prueba del primario (presión de fisuración controlada, según hemos definido anteriormente) de tal forma que se añada una condición adicional que puede ser determinante o no en función de la presión máxima de trabajo que estemos considerando y de las cargas ovalizantes adoptadas.

  En este caso este coeficiente si actúa como coeficiente de seguridad ya que al aumentar la presión de fisuración por encima del valor correspondiente al determinado por el cálculo aumentamos por ende la presión de agotamiento.

  Lo habitual, como norma de buena práctica, es fijar la presión de prueba del primario como 1.6 veces la presión máxima de trabajo. Con esta condición el coeficiente de seguridad a rotura de este tipo de tubería, en diámetros por debajo de f1.000 mm., varía entre 2.15 y 1.7 dependiendo de las presiones consideradas, y entre 1.9 y 1.5 para diámetros superiores a 1.000 mm. con idénticas consideraciones.

  En los tubos de hormigón postesado con camisa de chapa podemos hacer las mismas consideraciones que hemos hecho con los de hormigón armado con camisa de chapa. Por una parte recordar nuevamente que estamos considerando todas las cargas actuando simultáneamente, incluido el golpe de ariete. Por otra hay que tener presente que la presión de agotamiento que hemos definido es aquella que lleva al acero de pretensar a un 85 % de su carga de rotura, es decir, a su límite elástico garantizado; pero normalmente, el límite elástico suele ser del orden del 90 % de la carga de rotura o mayor.

Comparativo entre tubos de distintos materiales

Con el objeto de realizar un estudio homogéneo de los coeficientes de seguridad a rotura de distintos tipos de tubos sólo estudiaremos el caso de tubos sometidos a cargas de aplastamiento (tubos enterrados).

En primer lugar, hay que tener claro que fijar un coeficiente sobre la presión nominal (PN) y/o sobre la presión máxima de trabajo (PT ó PMT) no es representativo del coeficiente de seguridad en condiciones de servicio ya que no estamos teniendo en cuenta las tensiones adicionales generadas por las cargas ovalizantes con lo que, por ejemplo, un coeficiente de 2 sobre la presión máxima de trabajo, si estimamos la repercusión de las cargas de tierras y demás cargas externas en un 50% de los esfuerzos que provoca la presión interior, es en realidad un coeficiente de 1.33 para la carga combinada.

Aclarado este punto pasamos a ver los distintos tipos de tubos que se emplean en conducciones a presión.

• Tubos de hormigón armado o postesado con camisa de chapa. Con respecto a estos tipos creemos que ha quedado claro, en la exposición anteriormente realizada, cuales son los coeficientes de seguridad:

  Tubos de hormigón armado con camisa de chapa: 1.85

  Tubos de hormigón postesado con camisa de chapa: Variable entre 2.15 y 1.5 dependiendo del diámetro y las presiones consideradas.

• Tubos de PRFV. En el dimensionamiento de este tipo de tubos hay que hacer una comprobación conjunta a presión interna y cargas externas. En este caso el coeficiente de seguridad fijado es de 1.5.

  Por otra parte en la hipótesis de actuación única de la presión interna debe comprobarse que la presión máxima de trabajo es inferior a la PN. En este caso (teórico, no práctico) el coeficiente de seguridad es de 1.5 a 2.0 sobre la presión máxima de trabajo dependiendo de que estemos hablando de las características mecánicas del tubo o de las juntas.

  En el dimensionamiento de este tipo de tubos se hacen otras comprobaciones como son: Tensiones y deformaciones para cargas externas, flexión longitudinal, pandeo transversal, flexión longitudinal y tracción longitudinal con diferentes coeficientes de seguridad para cada hipótesis actuando independientemente.

• Tubos de fundición. En este tipo de tubo el dimensionamiento se realiza independientemente para presión interior, flexión transversal y flexión longitudinal, pero no se contempla como hipótesis pésima de carga la combinación de esfuerzos.

  Con estos parámetros, el coeficiente de seguridad frente a la presión de servicio (PS) es 3 y, 2.5 frente a la presión máxima de trabajo. Coeficientes que no consideran más esfuerzos que las presiones hidráulicas.

• Tubos de acero. El dimensionamiento de estos tubos es similar a los de fundición con un coeficiente de seguridad de 2 frente a la presión máxima de trabajo.

Conclusión.

Como hemos podido ver no es fácil comparar los coeficientes de seguridad de los distintos tipos de tubos ya que no en todos los casos se contempla la comprobación del dimensionamiento del tubo para una combinación de presión interior y cargas exteriores. Esto sí sucede en los tubos de hormigón armado o postesado con camisa de chapa y en los de PRFV. Por el contrario en los tubos de fundición y acero no se contempla tal posibilidad.

Lo importante a la hora de comparar diferentes soluciones es definir claramente unas hipótesis de cálculo homogéneas que deben ser las mismas independientemente del tipo de tubo a emplear de tal forma que fijadas la presión de servicio (o presión de diseño, DP, según la nuevo terminología), la presión máxima de trabajo (presión máxima de diseño, MDP) y las cargas externas, sea posible el dimensionamiento homogéneo de los distintos tipos de tubos y a partir de aquí comprobar los coeficientes de seguridad de cada uno de ellos.