Poliester reforzado con fibra de vidrio como material para tubos de hinca

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 51)

1.Reseña histórica

El empleo de PRFV (Poliéster Reforzado con Fibra de Vidrio) como material para la construcción de tubos conductores de fluídos, en ubicación subterránea o no, con o sin presión interna, y en una multitud de aplicaciones de todo tipo, ha experimentado un enorme crecimiento desde su introducción, inicialmente en la industria del petróleo, allá por los años 50 del siglo pasado. Este auge se debe a las ventajas que aporta frente a otros materiales tradicionales en el transporte de fluidos, como la fundición, el acero, el gres o el hormigón.

Igualmente, y como subconjunto de lo anterior, también se ha generalizado la aplicación del PRFV para la fabricación de tubos destinados a ser instalados por métodos sin zanja, mediante hinca (entendiendo por tal el empuje de tubos simultáneo a la excavación del terreno mediante cualquier tipo de máquina   a sección completa);  y especialmente, por microtunelación, en cuyo caso la máquina suele ser una tuneladora de escudo cerrado, guiada desde el exterior y a su vez empujada por la propia línea de tubos a instalar.

Este empleo de tubos PRFV para ejecución de microtúneles de diversos propósitos comenzó a aplicarse en Europa hacia finales de la década de los 70 del siglo XX,  en paralelo con el progreso de la tecnología y maquinaria  de los equipos microtuneladores, que permitían acometer cada vez tramos de mayor longitud y mayores dificultades de trazado o geotécnicas. Al mismo tiempo surgían nuevos fabricantes de tubos PRFV y se desarrollaban nuevos métodos de fabricación de los tubos,  como el enrollamiento en continuo. Desde entonces se han construido  con este material muchos miles de metros  de microtúnel en todos los continentes, con una amplia variedad de  finalidades, diámetros, requisitos de presión externa o interna y estanqueidad, agresividad del líquido transportado y circunstancias  condicionantes de trazado.  En España, sin embargo, no se ha llegado hasta la fecha a un empleo consolidado de los tubos PRFV para microtunelación, pese a ser éste un procedimiento constructivo ya usual  en el país.

También se está aplicando mucho el PRFV en los países de Europa central para hincas de tipo “cruce” bajo vías  o carreteras, realizadas con sencillas máquinas de hélice, pero incorporando técnicas modernas de pilotaje y recuperación de camisas, apenas conocidas en nuestro país. Se consigue una precisión absoluta en dirección y pendiente y se elimina la tradicional (en España) vaina  o camisa de acero perdida,  que pasa a ser inútil (el tubo PRFV soporta las cargas externas), con el consiguiente ahorro de costes.

El grupo internacional AMIANTIT, con sede central para Europa en Mochau, próximo a Dresde (Alemania), es uno de los mayores fabricantes mundiales de tubos y accesorios en PRFV. En España dispone de fábrica en Tarragona, capaz a día de hoy de producir tubos para la gran mayoría de las exigencias en cuanto a tipo de aplicación y dimensiones.

2.Constitución de la tubería y procedimiento constructivo

Amiantit fabrica 2 gamas de tubería de hinca, Amijack y Flowtite.

La tubería Amijack se fabrica por centrifugación en un molde rotatorio. La tubería Flowtite se fabrica por enrollamiento de capas sucesivas sobre un mandril en un proceso continuo. En ambos casos las materias primas utilizadas son:

  • Fibra de vidrio cortada y/o contínua clase E o E-CR: se emplea como material de refuerzo (equivalente a la armadura del hormigón). Otorga a la tubería altas propiedades mecánicas especialmente en cuanto a resistencia circunferencial.
  • Resina: poliéster ortoftálica y poliéster flexible (liner interior). Además  de cohesionar mecánicamente la estructura,  aportan a la tubería una elevada resistencia a la corrosión.
  • Cargas inertes: arena de sílice (pureza mínima de 98 %) y/o cargas de carbonato cálcico. Colaboran con las anteriores para  obtener, con poco peso, las altas propiedades mecánicas de la tubería, actuando como núcleo o alma y  aumentando la rigidez.
  • Aditivos: generalmente se emplea un catalizador y un acelerante.

Poliester reforzado con fibra de vidrio para tubos de hinca: PRFV

Este sistema permite crear un extenso rango de espesores de tubería, lo que da lugar a un amplio abanico de valores de rigidez circunferencial (“clase resistente”) y de resistencia  a compresión axial  requerida para su hinca.

Diámetros desde 400 mm hasta 2500mm, con clases de rigidez estándar  (kN/m2) desde SN10000 hasta SN1000000, para espesores de pared entre 45 y 90 mm.

La fabricación de estas tuberías y su control de calidad se rigen por la norma ISO 25780.

Poliester reforzado con fibra de vidrio para tubos de hinca: PRFV

3.Cuadro de propiedades principales

Poliester reforzado con fibra de vidrio para tubos de hinca: PRFV

4.Análisis comparativo

Las principales características que hacen a estos tubos competitivos en comparación con los fabricados con otros materiales son las siguientes:

4.1.Excelente comportamiento hidráulico

Esta tubería es hidráulicamente muy lisa (coeficientes de rugosidad Manning y Hazen-Williams del orden de 40% mejores que los que ofrece el hormigón armado). Esto puede ser decisivo para conseguir autolimpieza permanente en colectores en gravedad, de poca pendiente, y sujetos a grandes variaciones de caudal, que es la condición típica en muchos tramos finales de colectores troncales próximos a depuradoras en poblaciones costeras. Usando PRFV se consiguen las velocidades mínimas exigidas incluso con caudales muy bajos, y por tanto, se evitan sedimentaciones y malos olores. Por ejemplo, en un tubo PRFV de DN1000, con pendiente de i=0,001, el cálculo demuestra que bastará un caudal de 0,035 m3/s para tener 0,6 m/s de velocidad, mientras que se necesitarían del orden de 0,080 m3/s en tubo de hormigón de las mismas dimensiones y pendiente.

4.2.Menores espesores de pared requeridos

La gran resistencia a la tracción de la fibra de vidrio permite obtener altas rigideces circunferenciales (clase resistente) así como gran resistencia a la compresión axial con espesores de pared relativamente pequeños. Esto, junto con el punto anterior, permite obtener los mismos resultados hidráulicos y mecánicos con diámetros externos netamente inferiores. A igualdad de capacidad hidráulica, menor tamaño de tubo y tuneladora con el consiguiente ahorro económico directo, además del derivado de disminuir los costes de transporte y canon de deposición del menor volumen de material excavado. O recíprocamente, con el mismo equipo perforador, supondría aumentar el diámetro interior, y por tanto aumentar la capacidad de transporte.

4.3.Alta resistencia a la corrosión

Las resinas de poliéster confieren a la tubería un elevado nivel de resistencia a la corrosión, evitando la necesidad de recurrir a medidas protectoras adicionales y garantizando una larga vida útil sin pérdida de propiedades hidráulicas, con ventaja sobre otros materiales. De hecho, una aplicación ya  antigua y clásica del PRFV es como capa protectora interna en tuberías de hormigón armado. En particular, el PRFV es especialmente resistente al fenómeno de corrosión biogénica debida a la acción de bacterias que provocan la producción de ácido sulfúrico  a partir de las aguas fecales y que tiende a destruir la canalización un poco por encima de la superficie del agua.  Tanto más severa cuanto menor es la velocidad del fluido, es por ello un factor a tener muy en cuenta en el caso de colectores sujetos a grandes variaciones estacionales de caudal, como puede ser el caso de las poblaciones costeras de veraneo. En todo caso, Amiantit selecciona la resina más adecuada para optimizar la protección frente al ataque químico en función del efluente transportado.

Amiantit, al analizar estadísticamente una enorme muestra que recoge su historial de 30 años  de ensayos normativos de corrosión bajo tensión deformante, y realizando la extrapolación a futuro en los términos que recoge la Norma  ASTM D3681,  asevera que incluso a los 150 años de servicio se dispondrá de un factor de seguridad (cociente entre la tensión soportable prevista y la máxima admisible según la Norma), de 2,3. Mucho mayor que lo exigido (1,5 a 50 años).

4.4.Mayor ligereza

A igualdad de diámetro la tubería Amiantit pesa del orden del 30% de lo que pesa la tubería de hormigón armado equivalente, debido sobre todo al menor espesor de pared requerido y también, en segundo lugar, a la menor densidad. Esto supone un ahorro en el transporte y en los medios de elevación. También puede facilitar el empleo de tubos más largos (p. ej. 6 m frente a los usuales  2,5 m), evitando maniobras (menos tiempo) y aminorando el número de conexiones.

4.5. Mayor facilidad de hincado

Las mediciones realizadas en ensayos de laboratorio así como datos recogidos en hincas reales, demuestran que la fuerza resistente (por unidad de superficie) en los tubos PRFV puede estimarse entre un 20% y un 60% menor que la correspondiente a tubos de superficie más áspera, como es el caso del hormigón armado, para hincas en suelos y con diversos niveles de lubricación. Esto significa: 1) Menos estaciones intermedias; 2) Menor empleo de las mismas; y 3) Mucho menor riesgo de bloqueo al arrancar de nuevo la hinca después de una parada. Los puntos 2) y 3), sobre todo el 3), mejoran mucho la seguridad de ejecución en hincas largas. Entre las experiencias recopiladas con tubería de hinca PRFV figuran muchos tramos de longitudes importantes, entre 180 y 800 m, que se ejecutaron sin necesidad de usar las EI, y con fuerzas de rozamiento globales máximas del orden de 1,7÷2,0 kN/m2.

Poliester reforzado con fibra de vidrio para tubos de hinca: PRFV

4.6. Mayor elasticidad del material

La curva tensión-deformación a compresión longitudinal del material compuesto que constituye las paredes de los tubos de PRFV presenta un tramo elástico con un módulo E del orden de 15000 MPa aproximadamente. Esto permite absorber de una manera natural las desalineaciones angulares entre tubos consecutivos, cualquiera que sea su origen (curvas de la trayectoria planificadas o no, etc.) sin necesidad de recurrir, dentro de ciertos límites, al empleo de anillos de reparto (“sufrideras”). De hecho, sin sobrepasar la tensión a compresión máxima típica admisible (90 MPa, minorada  para cálculo  según prescribe la Norma ATV-161) es fácil calcular que se pueden planificar curvas de radio mínimo del orden de 300 veces el diámetro de los tubos hincados, sin necesidad de sufrideras, trabajando con unión completamente cerrada; y, cosa  muy importante, con independencia casi total de la longitud individual del tubo(recuérdese que con tubos de materiales rígidos sólo pueden conseguirse curvas cerradas mediante el empleo de tubos especiales de corta longitud, además de sufrideras de alta compresibilidad). La ausencia de anillos de reparto redunda también en economía y mejor acabado y conservación del túnel.

En caso de proyectar curvas extremadamente cerradas (p. ej., R < 100 m para DN ≥ 1500 mm) se emplearán sufrideras de madera libre de nudos según la práctica usual, pero con la ventaja de que sólo van a absorber una parte de la curvatura, minimizándose así el riesgo derivado de que no se conoce bien el momento en que estos elementos dejan de comprimirse y pasan a comportarse como sólido rígido.

Otro aspecto muy ventajoso de la elasticidad del PRFV para operación de hinca es que previene la generación de fisuras longitudinales internas, por causa de cargas verticales extraordinarias. Es bastante conocida la aparición de este fenómeno cuando al ejecutar microtúneles en roca, en determinadas circunstancias, se acumulan finos o fragmentos de roca en el anular de sobrecorte, lo que provoca un efecto de acuñamiento de los tubos que se ven así sometidos a esfuerzos de compresión verticales muy importantes, pudiendo producirse fisuras en la capa interna sometida a tracción, y obligando a repararla al  finalizar la hinca. La capacidad de deflexión del PRFV, junto con la flexibilidad de las capas de recubrimiento interno y la alta resistencia a la tracción de la fibra de vidrio son una clara contramedida preventiva contra el desarrollo de esta perjudicial incidencia.

4.7.Alta resistencia a la abrasión

El ensayo  normalizado según DIN 19.565 declara una resistencia a la abrasión para la tubería Amijack y Flowtite de: Reducción de pared media de 0,24mm en la superficie interior de la tubería a 100.000 ciclos. Esto significa también una excelente resistencia a la limpieza con agua a presión (“water jetting”), por otra parte probablemente innecesario, debido a la mínima rugosidad de la pared, que evita la acumulación de sólidos.

4.8.Posibilidad de modificaciones in situ

Los tubos PRFV son fácilmente mecanizables permitiendo realizar uniones o añadir accesorios una vez finalizado el proceso de hincado.

5.Uniones. Estaciones Intermedias. Inyectores de bentonita

Todos estos elementos tienen un concepto de diseño similar a los homólogos para hormigón, si bien adaptados a las peculiaridades de geometría  y material. Por ejemplo, para uniones se emplea preferentemente el denominado sistema GR, que incorpora virola de PRFV, sellada y pegada al cuerpo del tubo. Incluye doble junta tórica, la primera en el macho y la segunda entre la virola y el cuerpo del tubo. Garantiza la estanqueidad externa bajo cargas de agua aplicadas continuadamente durante 2 horas, a presión superior a 5 bares.

6.Selección de la tubería y su cálculo

Una vez predefinido el tubo necesario en cuanto a prestaciones hidráulicas, se ha de proceder al cálculo mecánico del mismo tanto en lo relativo a su capacidad para soportar las cargas radiales (terreno, tráfico, etc.) como para afrontar las cargas longitudinales que habrán de aplicarse durante el proceso de hincado de la tubería. Amiantit puede realizar ambos cálculos siguiendo la marcha prevista en la Norma ATV-A161E, a partir de la información general, topográfica y geomecánica relativa a la canalización objeto de estudio.

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