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Soluciones sostenibles en redes hidráulicas enterradas (y II)

En la primera parte de este artículo de Cimbra, redactado con la colaboración de la empresa Adequa, se analizaban las características y usos de las tuberías de PVC-O en las redes hidráulicas enterradas. 

Dentro de este análisis general, en la segunda parte, se estudia la segunda opción presentada por Adequa, la optimización de redes de agua por gravedad con tuberías de PVC corrugadas SN8.

Así, hasta mediados de los años 70, las tuberías en España para redes por gravedad eran fundamentalmente de hormigón o fibrocemento. A partir de entonces, aparecen las primeras tuberías en PVC, que suponen un avance cualitativo por las propiedades del material plástico. 

No obstante, debido al coste del PVC, estas tuberías, que son lisas, se fabrican solo con un cierto espesor para cada diámetro, que asegura una rigidez anular mínima inicial de 4kN/m2 (rigidez nominal SN4). Esto, en determinadas condiciones de la instalación, resulta insuficiente para evitar deformaciones excesivas a medio y largo plazo.

Es por ello que en los años 80 comienzan a desarrollarse tuberías de PVC con paredes estructuradas que incrementan la rigidez sin encarecer los tubos. Esto supone un salto conceptual importante, puesto que se consigue una mejora estructural, optimizando a su vez el consumo de materias primas y, por tanto, de energía a lo largo de todo el ciclo de vida de la tubería. 

De estas tuberías, la que mayor difusión adquiere es la tubería PVC Corrugada SN8, en la que el espesor se conforma con do capas, siendo corrugada la exterior y lista la interior. Incorpora importantes ventajas con respecto a la mayoría de las tuberías plásticas, de las cuales resumimos a continuación las más importantes.

Rigidez a corto y largo plazo

La flexibilidad de las tuberías plásticas es un factor positivo para poder adaptarse a los asentamientos del terreno. Sin embargo, a ello se contrapone el hecho aún más importante de que la tubería debe ser suficientemente rígida a corto y largo plazo. Es sino también sobre el terreno que lo envuelve, por lo que es esencial que la instalación de las tuberías se haga correctamente (ver formulación incluida en el artículo completo de Cimbra).

Las cargas actuantes se deben a factores externos, tales como el peso del terreno que hay encima, las fuerzas dinámicas del tráfico de vehículos, la carga estática de elementos puntuales sobre la superficie, etc. Si se prevé que las condiciones del terreno tras la instalación no serán suficientemente buenas como para alcanzar altos valores del módulo de elasticidad del suelo que rodea al tubo, o si no se va a poder garantizar una correcta instalación, entonces habrá que garantizar una rigidez inicial del tubo RCE0 (rigidez circunferencial específica del tubo) suficientemente alta como para que la rigidez a largo plazo (50 años) se mantenga en valores aceptables. 

En este sentido, se define el coeficiente de fluencia de un determinado elemento plástico para un cierto tiempo t, como:

Cf= Ep0/Ept

Es decir: como la relación entre el módulo de elasticidad inicial del plástico p y el módulo de dicho plástico p transcurrido el tiempo t.

Es muy relevante señalar que los coeficientes de fluencia pueden variar mucho dependiendo del tipo de plástico que consideremos. De acuerdo con la norma DIN 16961-2, dichos coeficientes son los siguientes en los tres tipos de materiales plásticos más utilizados en saneamiento: 

• Coeficiente de fluencia del PVC a 50 años: CPVC 50=2,06.
• Coeficiente de fluencia del polietileno alta densidad (PEAD) a 50 años: CPE 50=5,33.
• Coeficiente de fluencia del polipropileno copolímero bloque (PP) a 50 años: Cpp 50=6,67.

Como la rigidez varía en la misma relación que el módulo elástico E, ya que I y dm permanecen constantes, en la gráfica incluida en el artículo completo de Cimbra, se visualizan las caídas de rigidez que sufren las tres tuberías SN8, que son las que se utilizan normalmente. 

Si consideramos que, como término medio, una rigidez aceptable para soportar las cargas externas es de kN/m2, la única tubería que mantiene este valor a largo plazo es la de PVC SN8. En los otros dos materiales, la rigidez cae muy rápidamente. 

De hecho, la rigidez inicial en estos materiales debería ser:

• Rigidez inicial del tubo de PEAD: 21 kN/m2.
• Rigidez inicial del tubo de PP: 27 kN/m2. 

De lo contrario, la instalación podría sufrir deformaciones excesivas, en especial si la instalación de la tubería no se ha ejecutado correctamente. 

Capacidad hidráulica

La capacidad hidráulica de un tubo por gravedad viene determinada por dos factores: el coeficiente de fricción del agua con el tubo y el diámetro interior del mismo.

En los tubos plásticos, el coeficiente de rozamiento para aguas limpias es de K=0,01 en la fórmula de Prandtl-Colebrook para aguas residuales, 10 veces inferior al considerado para un tubo de hormigón.

En cuanto al diámetro interior, la mayoría de las tuberías plásticas siguen el criterio DN=D(sub exterior), por lo que el diámetro interior dependerá del espesor del tubo y será variable según el fabricante. Esto proporciona caudales diferentes a igualdad de pendiente y de rugosidad interior para el mismo diámetro nominal.

Por otro lado, el espesor del tubo está condicionado por el tipo de material del que está hecho ya que, al tener éste un determinado módulo de elasticidad Ec, la rigidez obliga a un valor del momento de inercia I en la fórmula RCE=(Ec-I)/dm3.

Como I es función del espesor, en los tubos PE y PP corrugados (valor de Ec pequeño), el espesor tendrá que ser más alto que en el PVC corrugado (valor Ec alto) para conseguir la misma rigidez. Por tanto, en la tubería PVC corrugada SN8, la capacidad hidráulica es siempre mayor que en otros materiales termoplásticos y, más aún, en diámetros superiores a DN 500.

Estanqueidad

La normativa actual admite diferentes tipos de unión para las tuberías plásticas, aunque en los más habituales, dicha unión se realiza siempre mediante junta elástica. En las tuberías estructuradas, la norma UNE EN 13.476 contempla tanto uniones por enchufe campana como mediante manguitos. 

La unión del tubo PVC corrugada SN8 se realiza mediante el primero de los sistemas llamado copa de embocadura integrada. En ella, se mantienen las características del resto del tubo (corrugas y espesores), por lo que resulta la más fiable de entre las diversas soluciones existentes.

Otro aspecto muy importante que afecta a la estanqueidad de la unión es la junta elastomérica. En la tubería PVC corrugada SN8, esta junta es bilabiada (anclada en dos corrugas) hasta diámetro DN 500, con un perfil que, por un lado, impide que la junta se desplace durante el montaje del tubo y, por otro, asegura una mayor estanqueidad. En tuberías de diámetro superior (DN 630-DN 1200), la junta es de simple labio, ya que la mayor profundidad de las corrugas evita que la junta pueda desplazarse fácilmente de su alojamiento.

Sostenibilidad de las tuberías

De acuerdo con un estudio realizado por el Laboratorio de Modelización Ambiental del Departamento de Proyectos de Ingeniería de la Universidad Politécnica de Cataluña, el consumo energético y la emisión de C02 de la atmósfera, a lo largo de todo el ciclo de vida de las tuberías hidráulicas, son muy bajos en las tuberías plásticas si lo comparamos con los valores que se asignan a los tubos de otros materiales (metal u hormigón armado). 

Este ciclo de vida contempla todas las etapas por las que pasa el producto durante su vida útil:

• Extracción de las materias primas que conforman el tubo.
• Transporte de las materias primas a la planta de producción de tuberías.
• Fabricación de las tuberías.
• Transporte de los tubos a la obra donde se instalarán.
• Instalación de las tuberías.
• Utilización de los tubos: labores de mantenimiento y reparaciones.

El estudio tiene dos partes, en una de las cuelas se contemplan los tubos habitualmente utilizados en abastecimiento y, en otra, los más usados en saneamiento. A continuación, se resumen los resultados del mismo (ver tablas incluidas en el artículo completo de Cimbra):

• Los valores de los materiales plásticos son muy inferiores a los de la fundición o el hormigón, debido al bajo peso y bajo contenido en materias primas de los primeros respecto a los segundos.
• Asimismo, se observa que en las dos tuberías de PVC se han considerado diámetros inferiores al resto, debido a las diferencias ya comentadas de capacidad hidráulica.

Podemos concluir que, entre las tuberías de presión, la que menor consumo energético y emisión de C02 produce es la de PVC-O, mientras que, entre las tuberías por gravedad, la situación óptima se consigue con la de PVC corrugado SN8.

En relación a la sostenibilidad, un producto es sostenible cuando satisface las necesidades de las generaciones presentes sin comprometer las posibilidades de las del futuro para atender sus propias necesidades. En este sentido, es importante que dicho producto tenga un ciclo de vida largo, sea por tanto duradero, pero al mismo tiempo que, durante su ciclo de vida, el consumo de recursos sea mínimo (en particular el gasto energético), igual que mínima debe ser su repercusión en el entorno social y medioambiental.

En los apartados anteriores, hemos visto, tanto en tuberías de presión como en tuberías por gravedad, una serie de características que contribuyen a una alta sostenibilidad del producto.

Autor: Juan Pastor Martín, Gerente de Productos de Infraestructuras de Adequa.

Para ver el artículo completo, aquí.