Ecuación de Hazen-Williams. Pérdida de carga en m, caudal en m3/s, longitud y diámetro interno de la tubería en m.
La ecuación de Hazen-Williams apareció en la primera década del siglo XX (1905), respaldada por los experimentos de sus autores. Se trata de un método muy empleado, pues es una fórmula empírica sencilla, dimensional, siendo su cálculo simple, debido a que su coeficiente de rugosidad C no depende de la velocidad ni del diámetro de la tubería. Sin embargo, solo es válida siendo el agua el fluido circulante a temperaturas entre 5 °C y 25 °C. Su uso está a conductos mayores de dos pulgadas (50,8 mm) y menores de seis pies (1.828,8 mm) de diámetro. Por otro lado, se recomienda utilizarla para valores de velocidades de circulación inferiores a los 10 pies por segundo (3,05 m/s). La aplicación de la fórmula es adecuada solo para la operación de tuberías en regímenes laminar o de transición.
Os dejo a continuación un nomograma que he elaborado conjuntamente con el profesor Pedro Martínez Pagán. En este caso, en la fórmula, la perdida de carga se expresa en m, el caudal en m3/h, el diámetro de la tubería en mm y la longitud de la tubería en m, que son medidas habituales. Es posible en el nomograma usar medidas anglosajonas, pues hemos colocado una escala también para esas unidades. Espero que os sea útil.
También os dejo un problema resuelto que, espero, os sea de interés.
YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.
Podemos definir la instalación de una tubería como el conjunto de acciones que hay que realizar para colocarla en su posición definitiva, garantizando el cumplimiento de la función hidráulica y mecánica para la que ha sido diseñada. Una vez realizada la excavación a la profundidad y anchura necesarias, hay que asegurar que el fondo de la excavación se encuentra exento de elementos gruesos, se debe rasantear y nivelar y, en condiciones especiales como un nivel freático alto, se deben colocar geotextiles, material granular y otros elementos.
El relleno de zanja tiene como misión la de garantizar la solidez en la zona de los riñones y los laterales del tubo. La calidad del material de relleno, así como su correcta ejecución, son aspectos que influir en el comportamiento y funcionalidad a lo largo del tiempo de la tubería instalada. La tubería, aunque se haya fabricado y dimensionado correctamente, puede fallar si no se instala adecuadamente, pues debe soportar los esfuerzos de todo tipo.
Según las Normas UNE EN 805 y UNE EN 1610, en una zanja para instalación de tuberías se distinguen las siguientes partes (Figura 2):
Cama de apoyo: es el relleno que se extiende en el fondo de la zanja para eliminar desigualdades en su base.
Asiento: parte del relleno que proporciona a la tubería el ángulo de apoyo previsto en proyecto.
Apoyo: conjunto formado por la cama de apoyo y el asiento del tubo.
Relleno lateral: es la zona del relleno lateral de la tubería, comprendida entre el asiento y la generatriz superior de la tubería.
Relleno inicial: son los 30 cm de relleno sobre la clave de la tubería.
Recubrimiento: zona de relleno alrededor y hasta 30 cm sobre la generatriz superior del tubo.
Relleno principal: es la altura de relleno por encima del relleno inicial, hasta alcanzar la rasante del terreno, incluyendo la posible calzada.
Altura de relleno: zona que cubre el tubo, desde su generatriz superior hasta la superficie de rodadura de la calzada.
Figura 2. Ejemplo de instalación de zanja (UNE-EN 805)
El apoyo debe realizarse de forma que los tubos reposen a lo largo de toda su caña. En caso necesario, deberá excavarse alojamiento en la capa de apoyo para acomodar a las uniones. El tendido de la cama de arena o material granular debidamente compactado es imprescindible para que la tubería no descanse sobre salientes o piedras que pudieran existir en la base de la zanja. Si el fondo no satisface las condiciones de apoyo de los tubos, deberá sobreexcavarse y rellenar con un material seleccionado adecuado, colocado siguiendo correctamente el perfil longitudinal, y compactado. Solo se puede prescindir de la cama cuando el material del terreno natural de la zanja tenga la calidad y granulometría adecuadas (arenas, zahorras naturales, etc.) según la normativa. También se debe cuidar el ángulo de apoyo previsto en proyecto, soportándose mejor las cargas externas cuando mayor sea el ángulo de apoyo. Para ello es preciso retacar el material de relleno que proporciona el apoyo en la zona inferior de la tubería, asegurando que se consigue el ángulo de apoyo buscado.
Figura 3. Sección tipo de instalación de tubería. https://www.aristegui.info/caracteristicas-de-las-zanjas-para-tuberias-plasticas-enterradas/
La altura del relleno será tal que se impida la congelación de los tubos; si ello no fuera posible, deberán emplearse otros dispositivos alternativos de protección antihielo. El relleno de la zanja, desde la cama de apoyo hasta 30 cm sobre la clave del tubo, se debe hacer por tongadas de 15-20 cm, compactadas hasta alcanzar el grado de compactación considerado en proyecto, no menor del 95% del Proctor Normal. Debe compactarse por debajo de la tubería y a ambos lados simultáneamente, para impedir movimientos de la tubería. El resto del relleno hasta alcanzar la superficie del terreno natural se debe hacer por tongadas de 30 cm como máximo, con un grado de compactación del 100% del Proctor Normal.
En la compactación del relleno de la zanja, desde la cama hasta 30 cm sobre la generatriz superior del tubo, se deben usar pisones vibradores mecánicos ligeros (peso máximo en funcionamiento de 0,30 kN), o placas vibratorias ligeras (peso máximo en régimen de funcionamiento de 1 kN), y con los espesores adecuados de las capas de tierra a compactar. También se pueden utilizar compactadores específicos como la rueda compactadora de zanjas. Las características del material de relleno serán las siguientes:
Que no existan componentes de piedra de granulometría mayor de 50 mm.
Para tuberías de diámetro nominal entre 200 y 600 mm, la granulometría máxima será de 30 mm.
El material tendrá capacidad portante suficiente y no será cohesivo.
Una compactación del 92% del Proctor Normal, por ejemplo, debe garantizar una rigidez de 3 N/mm2.
Figura 4. Instalación con solera de hormigón. https://www.obrasurbanas.es/buenas-practicas-tubos-hormigon/
En el relleno sobre la clave del tubo no se deben utilizar elementos de compactación pesados hasta alcanzar una altura de, al menos, 1 m.
El relleno de las zanjas se debe realizar en dos etapas. La primera es un relleno parcial antes de las pruebas en obra, y la segunda etapa corresponde al terraplenado definitivo después de dichas pruebas.
El material utilizado para el relleno parcial debe situarse uniformemente en la zanja. Hasta una altura de 30 cm por encima de la clave del tubo, el material de relleno debe colocarse en capas de 15 cm muy bien consolidadas lateralmente y asegurando la ausencia de coqueras bajo los riñones del tubo. Las juntas deben quedar libres hasta el relleno definitivo tras las pruebas de obra.
Siempre que el terreno natural tenga la calidad adecuada, se empleará en el relleno el mismo material procedente de la excavación debidamente seleccionado, evitando la caída de piedras u otros objetos que pudieran dañar al golpear los tubos durante el vertido. Cuando las pruebas de presión en obra sean satisfactorias, se procederá al relleno de las juntas descubiertas para completar el relleno de la zona del tubo, cuidando el relleno y retacado en los riñones de manera que no queden coqueras al objeto de que el tubo quede perfectamente apoyado en el ángulo de apoyo previsto en proyecto.
Para terminar el relleno hasta la rasante del suelo, se pueden utilizar materiales ordinarios en los que se hayan eliminado los terrones y piedras gruesas. Este relleno será completado por capas de alrededor de 30 cm de espesor, niveladas y cuidadosamente apisonadas, utilizando pisones mecánicos ligeros o placas vibratorias ligeras.
Los compactadores pesados se permiten a partir de una altura de relleno igual o mayor a 1 m sobre la generatriz superior de la tubería. En tanto las obras no hayan terminado se deberán evitar cargas mayores (por ejemplo, tránsito de vehículos pesados, incluidos los de obra). Estas sobrecargas no están contempladas normalmente en los cálculos de proyecto.
Si por necesidades de obra deben pasar camiones de obra u otro tráfico no previsto o no calculados e proyecto, se deberán realizar cálculos complementarios para comprobar que las tuberías de proyecto son válidas para esas hipótesis de cargas.
Os dejo a continuación algunos vídeos que espero sean de vuestro interés.
Referencias:
AENOR (2000). UNE-EN 805.Abastecimiento de agua. Especificaciones para redes exteriores a los edificios y sus componentes.
AENOR (2016). UNE-EN 1610. Construcción y ensayos de desagües y redes de alcantarillado.
YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia, 158 pp.
El empuje de las tierras sobre un tubo instalado en zanja influye decisivamente en su dimensionamiento. Su magnitud depende tanto de las características geométricas de la zanja y del tubo como de las características propias del terreno. A continuación os dejo un enlace a una página donde podéis entender cómo varía el coeficiente de carga de las tierras sobre un tubo instalado en zanja, en función de las características del terreno, las dimensiones del tubo y la geometría de la propia zanja. Para ello se debe seleccionar: el ancho de la zanja (hasta un máximo de 5 m), la altura de relleno (hasta un máximo de 10 m), el ángulo de rozamiento interno del relleno y el ángulo de rozamiento del relleno contra la zanja (ambos en grados sexagesimales, hasta 50º). No se admiten valores negativos.
El sistema de entubado ajustado (Close-Fit) consiste en la renovación de tuberías de redes urbanas mediante tecnología sin zanja con una nueva tubería el polietileno de alta densidad (PEAD) con un diámetro exterior completamente ajustado a la tubería que se pretende renovar y sin necesidad de rellenar el espacio anular entre ambas. Esta técnica se desarrolló por British Gas a principios de los años 90. Se utiliza en agua potable, saneamiento, petróleo, gas, minería, industria, etc.
La nueva tubería es en forma de U reduciendo su sección un 40%, lo que facilita enormemente su transporte e instalación. Es aplicable a tramos largos (típico 500 m) o cortos (50 m en cruce de puentes), siendo el rango de aplicación de 100 a 1200 mm de diámetro. El nuevo tubo puede ser estructural, semiestructural o un revestimiento. Utiliza una tubería estándar de PEAD con un diámetro ligeramente más grande que el diámetro de la tubería antigua.
Para instalar la nueva tubería, se instala un equipo de reducción en el inicio de la tubería y un cabestrante de tiro en el punto final, deslizando el cable de tiro en toda la longitud. La nueva tubería se hace pasar por el aro de reducción lo que genera una reducción de diámetro que permite la instalación dentro de la antigua. Una vez instalada la tubería, se retira la tracción del cabrestante y la tubería vuelve a su estado original, ajustándose completamente a la tubería existente.
Os dejo a continuación un vídeo de la empresa Sinzatec. Espero que os guste.
Referencias:
UNE-EN ISO 11295:2011. Clasificación e información sobre el diseño de sistemas de canalización en materiales plásticos utilizados en la renovación. (ISO 11295:2010)
La fractura de tubería por tiro con barras, reventamiento de tuberías, (pipe bursting) consiste en la instalación de una tubería nueva en el espacio ocupado por el tubo antiguo, el cual es destruido previamente e incorporado al suelo circundante. Es una tecnología sin zanja (trenchless) recomendada para la sustitución de líneas de agua potable y gas en suelos sensibles, donde otras canalizaciones subterráneas o edificios se encuentran cercanos (dimensiones posibles entre 50 y 1200 mm). Es capaz de sustituir tuberías de hormigón, acero o fundición dúctil sin disminución de sección, permitiéndose incluso ciertos incrementos de sección.
Las barras articuladas de tiro son empujadas desde el pozo de tiro a través de la vieja tubería hacia el pozo de inserción de la nueva tubería. Una vez llegan las barras a este pozo, se acopla una cuchilla de corte, un cono expansor y la nueva tubería, normalmente de polietileno. Los equipos presentan entre 40 y 400 toneladas de capacidad de tiro.
La tubería a reemplazar se rompe con una cabeza de ruptura o se corta con un rodillo de corte. Los fragmentos ocasionados se desplazan contra el terreno circundante y la cavidad se amplía, de forma que un nuevo tubo pueda introducirse en ella. La tubería de substitución puede tener el mismo diámetro que la antigua o incluso mayor. En el caso de que pueda tener un diámetro menor, la técnica de relining sería una alternativa a tener en cuenta.
El equipo de trabajo consiste en un cabezal rompedor en forma de cuchilla capaz de seccionar la tubería existente e instalar la nueva. Una estación hidráulica de unas 40 toneladas de tiro situada en el pozo de llegada es la artífice del proceso. Si los pozos de registro tienen dimensión suficiente puede realizarse la sustitución desde ellos, sin necesidad de excavaciones.
Para realizar la sustitución se procede a la excavación de las catas de tiro e inserción. Los trabajos de instalación de maquinaria, sustitución y retirada tienen una duración aproximada de 3 horas, por lo que la sustitución completa de un tramo de 150-200 m puede llevarse a cabo en una jornada de trabajo.
Procedimiento
Excavaciones para: máquina, entrada de tubería y acometidas
Corte y retiro de las secciones del tubo para instalación de la máquina y entrada de tubería
Colocación de equipo en la zanja
Introducción de barras en la tubería antigua
Instalación de accesorios de corte y expansión
Halado e instalación de la tubería
Retiro de equipo y herramientas
Ejecución de empates y acometidas
A continuación os dejo un mapa conceptual del procedimiento de sustitución de tuberías:
Os paso algunos vídeos donde queda descrito este método constructivo.
UNE-EN ISO 11295:2011. Clasificación e información sobre el diseño de sistemas de canalización en materiales plásticos utilizados en la renovación. (ISO 11295:2010)
Son excavadoras sobre orugas, sobre la que se monta una rueda rígida con cangilones dotados de picas. Al comenzar el giro de la rueda, comienza la excavación; los materiales extraídos por los cangilones se vierten sobre una cinta transportadora transversal. En la parte delantera de la rueda lleva el apoyo guía que descansa sobre el fondo de la zanja y sirve para perfilar las paredes y el fondo, y arrastrar los materiales finos hacia los cangilones. Tiene más velocidad de excavación que las de brazo inclinable, pero presenta el inconveniente de que necesita grandes radios en las curvas.
Os paso un vídeo para que veáis como trabaja esta máquina.
Referencias:
YEPES, V. (2014). Maquinaria de movimiento de tierras. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 204. Valencia, 158 pp.
Una de las unidades de obra más habituales en obras de ingeniería civil es la instalación de tubos prefabricados de hormigón. Para ello se realizan zanjas de una profundidad mínima que permita la protección de las tuberías de los efectos del tránsito y de las cargas exteriores, así como de las variaciones térmicas. La anchura de la zanja será la necesaria para que los operarios trabajen en buenas condiciones. Como norma general, se dejará un espacio mínimo de 0.30 m. a cada lado del tubo, medido entre la intersección del talud con la solera y la proyección sobre ésta del riñón del tubo. El talud de las paredes de la zanja depende del tipo de terreno. El valor mínimo, propio de terreno rocoso, será el talud 1/10, y se recomienda para terrenos normales, el talud 1/5. Los tubos no se apoyarán directamente sobre la rasante de la zanja, sino sobre camas. Para la ejecución de la cama de hormigón de extenderá una solera de hormigón pobre, de 0.10 a 0.15 m de espesor, según los diámetros de los tubos, sobre el fondo de la zanja, y sobre esta solera se situarán los tubos, convenientemente calzados. Posteriormente los tubos se bajan al fondo de la zanja.
La técnica Rocket Plough es un procedimiento de instalación de tuberías que utiliza un arado preparado como máquina de tracción. De este modo, se abre un surco en la tierra a través del que se tracciona una tubería premontada en el exterior. El uso habitual es la instalación de tuberías a presión, normalmente de fundición, de hasta 300 mm de diámetro nominal.
Este procedimiento constructivo tiene gran interés cuando existe una gran longitud de tubería a instalar y muy pocas conexiones. Sería el caso de una zona poco poblada donde existan pocas infraestructuras y obstáculos a sortear.
Lo más impresionante es la rapidez con la que se extraen los tubos, con sólo una grieta el 5-10 cm de ancho en la tierra se pueden instalar más de 400 m de tubería en sólo tres horas.
En la figura siguiente se puede observar cómo se realiza la instalación de la tubería. Los componentes del proceso son básicamente el vehículo de tracción, cabestrante del cable y un arado. Se conecta al vehículo de tracción mediante un cable de acero. La brecha inicial, que se inclina descendentemente, conduce el tubo hasta la profundidad de instalación apropiada y una vez la alcanza se conecta a la paleta del arado. Durante este proceso la paleta desplaza el material de excavación al terreno circundante gracias a la fuerza de arrastre del cabestrante del cable, creando una cavidad que se rellena de inmediato con el tubo a instalar.
En esta técnica, es especialmente importante considerar la protección exterior de las tuberías debido a que éstas habitualmente se entierran sin ningún tipo de lubricantes (bentonita o similares). El desconocimiento de las condiciones exactas del suelo aconsejan que esta protección exterior sea capaz de soportar las cargas e impactos exteriores.
Os dejo algunos vídeos para que veáis este procedimiento de instalación de tuberías.
Referencias:
YEPES, V. (2014). Maquinaria para sondeos y perforaciones. Apuntes de la Universitat Politècnica de València, Ref. 209. Valencia.
