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El proceso de fabricación de los tubos de hormigón armado y postensado con camisa de chapa

Rafael Villa López

Ingeniero Industrial. Director General de Prefabricados Delta

rvilla@fcc.es

Introducción Los tubos de hormigón armado y/o postesado con camisa de chapa tienen asociada una tecnología específica y diferente a la utilizada de forma habitual en el sector de la construcción. Esta tecnología está condicionada por aspectos tales como las estrictas tolerancias dimensionales necesarias, la capacidad de producción de las instalaciones y la importancia de los medios necesarios para fabricar, entre otros.

Al mismo tiempo este tipo de tubería presenta unas determinadas características que, en gran medida, están relacionadas con el proceso de fabricación y el propio diseño de la misma. En el presente documento se tratará de ampliar estos dos conceptos como aspecto más específico.

Tubería de hormigón armado con camisa de chapa

El tubo de hormigón armado está constituido por una camisa de acero soldado helicoidalmente cuya misión es conferir la estanquidad y al mismo tiempo colaborar a su resistencia mecánica. El espesor de la chapa varía según las prestaciones y no suele superar los 6 milímetros. Interiormente se reviste con una capa de hormigón de 35 a 45 milímetros de espesor.

En los extremos de la camisa se sueldan los aros metálicos que constituyen el sistema de unión entre tubos. Estos aros serán diferentes según el tipo de unión: soldada o elástica.

En el exterior de la camisa se sitúa una o varias jaulas de armadura formadas por espiras de acero corrugado y generatrices de acero liso. Las espiras tienen un diámetro máximo de 12 milímetros y se unen a las generatrices, en todas las intersecciones, mediante soldadura. Un hormigón exterior solidariza todo el conjunto de modo que la jaula de armadura más externa quede con un recubrimiento que puede variar entre 25 y 35 milímetros. El espesor total de la pared depende del diámetro y puede alcanzar los 300 milímetros en grandes tubos. La figura adjunta muestra un tubo de hormigón armado seccionado con las diferentes capas que lo componen visibles.

Tubería de hormigón armado con camisa de chapa

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Tubería de hormigón postesado con camisa de chapa

La solución más empleada en tubería postesada es la denominada de camisa revestida que se describe a continuación. Al igual que en el tubo armado el postesado dispone de una camisa que le confiere la estanquidad pero en este caso no es determinante en el dimensionamiento por lo que se emplea siempre acero de 1,5 milímetros de espesor. El hormigón interior tiene en este caso más espesor puesto que, junto con la camisa, constituye el denominado núcleo el cual debe soportar la compresión del postesado. Exteriormente al núcleo se enrollan espiras de acero de alto límite elástico con una determinada tensión de forma que este adquiera la compresión adecuada. El acero empleado habitualmente es de 5 milímetros de diámetro aunque puede usarse hasta de 7 milímetros. Este conjunto se denomina primario. El primario está protegido exteriormente por un recubrimiento de un hormigón adecuado con un espesor mínimo sobre espira de 30 milímetros. La figura adjunta muestra una sección del tubo.

Tubería de hormigón armado con camisa de chapa

Tipologías de juntas

Las tipologías empleadas son la unión elástica y la soldada. Ambas se obtienen a partir de perfiles de acero laminado soldados en los extremos de la camisa del tubo. La junta elástica (Figura 3) dispone de un perfil macho el cual presenta un alojamiento para incorporar un anillo de elastómero de sección circular, por lo general de 20 milímetros de diámetro. El perfil hembra dispone en la parte más extrema de una zona tronco cónica que recibe y comprime el elastómero, y una zona intermedia cilíndrica para la posición definitiva de este una vez montado.

Junta flexible

Junta soldada

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La elección del tipo de junta depende de factores como el diámetro del tubo, el tipo de terreno, el apoyo elegido, etc.

La unión elástica puede emplearse con grandes diámetros y presiones. Si no se emplea en diámetros superiores a 2.000 milímetros y con presiones altas es debido a que, por cálculo, se necesitan perfiles para los aros metálicos de mayor espesor que los existentes en el mercado y la escasa demanda de estos tubos no justifica la inversión en utillajes para la laminación de estos perfiles especiales.

La junta soldada emplea unos perfiles más sencillos de modo que permiten realizar una soldadura en el solape de los mismos.

Ambas tipologías admiten deflexión entre tubos pero, en el caso de la junta elástica, ha de tenerse en cuenta que si aprovechamos esta deflexión para evitar piezas especiales, por ejemplo trazando curvas de gran radio, estamos agotando la capacidad de absorber posteriores asientos diferenciales del terreno.

El sistema más empleado en la actualidad es la junta elástica puesto que permite rapidez de montaje, el empleo en obra de poco personal especializado y un fácil control de ejecución. Además de los condicionantes de montaje existen otras razones como son el disponer de una conducción flexible capaz de soportar los mencionados asientos diferenciales.

Características de los tubos de hormigón con camisa de chapa

Diseño a medida

Permite tramificar la conducción en función, normalmente, de presiones y alturas de relleno diferentes de modo que se adapte a la situación real en que va a encontrarse el tubo.

Recordando la composición de los tubos de hormigón con camisa de acero es fácil entender que, con poco esfuerzo, se pueden modificar las prestaciones resistentes de los mismos.

En el caso del tubo armado bastará con variar el espesor de la camisa de acero, el número de espiras de la jaula de armadura o incorporar una segunda jaula si es preciso. En los tubos postesados se puede variar el número de espiras y el diámetro del acero de las mismas.

En ambos casos puede recurrirse también a modificar los espesores si bien esto no es habitual ya que supone el empleo de utillajes de fabricación específicos y los espesores disponibles por los diferentes fabricantes suelen cubrir la mayor parte de las necesidades que se presentan.

Robustez y durabilidad

Al tratarse de estructuras de hormigón se tiene un buen comportamiento frente a golpes accidentales y frente a los momentos ovalizantes que originan las cargas de relleno, el agua transportada, las sobrecargas de tráfico, etc. Además, los procesos de fabricación implican al empleo de hormigones con elevadas resistencias a corto plazo lo que origina que a 28 días se sobrepasen las resistencias consideradas en el cálculo.

Por último, los aceros embebidos en hormigón se encuentran protegidos de modo que no precisan mantenimiento alguno. Este fenómeno, conocido como pasivación, se produce como consecuencia del carácter básico de los hormigones los cuales presentan un pH superior a 12. En este ambiente básico, y a los potenciales habituales, el acero tiene inhibidas las reacciones de corrosión y permanece estable por tiempo indefinido. Además los hormigones exteriores, en el caso de la tubería postesada, se elaboran siempre con cemento resistente a sulfatos y con una baja permeabilidad lo que les confiere una elevada durabilidad.

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Proceso de fabricación

Tubería de hormigón armado con camisa de acero

El proceso de fabricación de la tubería comprende cinco fases diferenciadas:

- Elaboración de los anillos que conforman las juntas - Fabricación de las camisas de chapa - Elaboración de las jaulas de armaduras - Hormigonado del conjunto - Curado del hormigón hasta alcanzar la resistencia adecuada

Un aspecto común a todas las fases es el control riguroso de las materias primas empleadas así como de los procesos. Este control incluye el registro de todos aquellos aspectos que puedan incidir en la calidad final del tubo.

Elaboración de los anillos que conforman las juntas

La fabricación, a partir de perfiles laminados, se realiza curvando los mismos hasta formar un anillo de diámetro inferior al deseado. El anillo se cierra mediante soldadura y se expansiona hasta el diámetro final en una prensa hidráulica. Este proceso permite trabajar con precisiones milimétricas y asegurar el buen comportamiento de la unión. El control dimensional se realiza, siempre, sobre el 100% de las piezas.

Fabricación de las camisas de chapa

Las camisas se fabrican a partir de bobinas de acero. Estas bobinas, cuyo ancho puede variar, se introducen en una máquina que las va desenrollando para formar el tubo mediante soldadura helicoidal, por solape. En los extremos se sueldan los aros de junta. La totalidad de las camisas se someten a una prueba hidráulica de presión de modo que se asegure la estanquidad de las mismas.

Fabricación de las camisas de chapa

Elaboración de las jaulas de armaduras

Se realiza mediante máquinas diseñadas especialmente para esta tarea. La máquina se alimenta de bobinas de acero corrugado situadas tangencialmente a la jaula que se fabrica y de barras de acero liso introducidas longitudinalmente desde la parte posterior de la máquina. Las intersecciones entre generatriz y espira se sueldan por contacto haciendo pasar una corriente eléctrica de alta intensidad a través de las mismas. La sincronización entre el giro y el avance del tambor de la máquina determina el número de espiras que forman la jaula. La geometría y rigidez de la jaula está asegurada puesto que, una vez alimentada la máquina, el proceso es automático.

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Elaboración de las jaulas de la armadura

Hormigonado del conjunto (moldeo vertical)

La camisa de acero junto con la jaula de armadura se colocan en el interior de un conjunto de hormigonado formado por: molde interior, molde exterior, aro centrador inferior y aro centrador superior.

Los moldes constituyen los encofrados y los aros centradores aseguran la posición de la camisa en el hormigón de modo que esta quede equidistante de los moldes en todo su perímetro. El centrado de la jaula de armadura se realiza mediante separadores adecuados. Sobre el conjunto así formado se vierte el hormigón aportándose a los moldes vibración de alta frecuencia mediante vibradores adosados. Estos pueden ser neumáticos o eléctricos.

Curado del hormigón

El curado del hormigón de los tubos se realiza en el interior de los moldes aportando vapor de agua. Este curado acelerado no presenta pérdida de humedad puesto que la superficie de los tubos está en contacto con los moldes. El proceso siempre contempla un tiempo de reposo, un incremento de la temperatura, el mantenimiento de la misma y, por último, el descenso hasta temperatura ambiente. Para ello se emplean sondas de temperatura instaladas en los moldes y sistemas de control de temperatura que actúan sobre la alimentación de vapor.

Al finalizar este primer curado, de una duración aproximada de 8 horas, el tubo tiene resistencia suficiente para ser manipulado por lo que se retira de los moldes y pasa a un curado en acopio mediante riego por aspersión durante un mínimo de una semana.

Tubería de hormigón postesado con camisa de acero .

El proceso de fabricación de la tubería comprende seis fases diferenciadas. Las dos primeras son comunes con los tubos de hormigón armado.

- Elaboración de los anillos que conforman las juntas - Fabricación de las camisas de chapa - Hormigonado de camisas para obtener el núcleo - Postesado de núcleos para obtener el primario - Revestido de los primarios - Curado del hormigón

Hormigonado de camisas para obtener el núcleo

En esta fase se coloca el hormigón interior a la camisa. Para ello la camisa se introduce verticalmente en un molde metálico cuya única función es conferirle rigidez durante el proceso de hormigonado. Por lo tanto este molde queda en contacto con el exterior de la camisa de chapa.

Este conjunto se sitúa en la máquina de compresión radial, donde un rotor se posiciona en la parte inferior del conjunto. Desde la parte superior se vierte el hormigón sobre el rotor. El movimiento de rotación y traslación,

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vertical este último, del rotor va compactando el hormigón sobre el interior de la camisa de modo que cuando sale del molde por la parte superior el hormigón ha quedado adherido en toda la longitud de la misma.

Este proceso requiere unos pocos minutos, entre diez y veinte, al cabo de los cuales el núcleo así obtenido se deja en reposo y el molde puede emplearse para tomar una nueva camisa.

Máquina de compresión radial y rotor

Al no emplearse encofrado alguno (en realidad se trata de un encofrado deslizante), el hormigón utilizado debe tener unas características especiales que le permitan sostenerse.

Los núcleos se someten a un proceso de curado, mediante riego individualizado y en posición vertical, hasta que el hormigón alcanza la resistencia necesaria para poder pasar a la siguiente fase, el postesado.

Postesado de núcleos

Los núcleos, una vez han adquirido la resistencia de cálculo pasan a la fase de postesado para lo cual se colocan en posición horizontal sobre la máquina de postesar. En esta máquina se enrollan al núcleo, con tensión, el número de espiras obtenido en el cálculo. El sincronismo entre el giro del núcleo en la máquina y el desplazamiento de la polea que guía el acero de postesar da como resultado el número de espiras deseado. En los extremos del núcleo se colocan los anclajes del acero de forma que este mantenga la tensión.

La máquina realiza el postesado de forma automática dejando un registro tanto de la tensión del acero en cada momento como del número de espiras incorporadas al tubo.

El núcleo una vez postesado pasa a denominarse primario.

Revestido de primarios

Los primarios se revisten exteriormente con una capa de hormigón de un espesor de 30 milímetros sobre el exterior de las espiras obteniéndose el tubo definitivo.

Este proceso de hormigonado tampoco utiliza moldes. El revestido se realiza situando el primario en horizontal en una máquina donde este es suspendido interiormente por unas ruedas giratorias en ambos extremos. De este modo el primario gira manteniendo fija la posición de la generatriz superior. Sobre esta generatriz se vierte el hormigón que es compactado mediante una regla vibrante que incorpora vibradores neumáticos eléctricos de frecuencia regulable. El hormigón así depositado debe mantenerse adherido al primario durante el giro de este. Después de dos vueltas se tiene el recubrimiento adecuado y el tubo así obtenido pasa a la fase de curado.

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Postesado de núcleos

Revestido del primario

Al igual que en hormigonado de los núcleos los hormigones empleados en el revestido son específicos del proceso y poseen una gran compacidad lo que se verifica posteriormente con ensayos de permeabilidad sobre los tubos terminados.

Curado de los tubos

La tubería se somete a un curado mediante riego durante, al menos, una semana. Después de ese tiempo puede transportarse a obra para su montaje.

Montaje de tubería de hormigón armado y/o postesado con camisa de chapa

Tipologías de montaje

Señalar que los tubos de hormigón se dimensionan teniendo en cuenta la tipología de montaje por lo tanto es necesario respetar la misma en obra ya que los esfuerzos a que está sometido el tubo difieren de un caso a otro . Las tres configuraciones básicas son: colocación en zanja, en terraplén y en zanja terraplenada. También influye el tipo de apoyo, granular a 90º u hormigón a 120º, y el tipo de relleno, compactado o sin compactar.

El fabricante de la tubería suministra habitualmente los cálculos de la misma donde figuran, como hipótesis de cálculo, todos los condicionantes anteriores.

Las figuras siguientes muestran los tres tipos de colocación.

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Recomendaciones de montaje

Zanja

Es importante comprobar que las dimensiones de la zanja son las adecuadas. Una zanja estrecha no permite compactar la tubería adecuadamente en riñones y una zanja demasiado ancha no se ajusta al modelo de cargas del cálculo ya que se pierde la influencia favorable del rozamiento del relleno con el lateral de la zanja. Por criterios de seguridad es necesario asegurar la estabilidad de los laterales adecuando los taludes a las características del material que constituye el terreno. Otro aspecto a tener en cuenta es el rendimiento de ejecución de la zanja. A menudo suele ser este el camino crítico para asegurar los plazos de ejecución de la obra. Un rendimiento bajo paralizará el montaje por lo que un criterio generalmente aceptado es que la zanja tenga dos días de adelanto sobre el montaje de tubería. Por último, la presencia de agua en la zanja perjudica de forma importante la correcta ejecución del montaje. No se asegura el correcto apoyo de la tubería y puede dar lugar a problemas variados: falta de estanquidad en tubos de junta flexible, sobreesfuerzos en tubos de junta rígida, etc.

Compactación y rasante de la solera.

El fondo de zanja será el que condicione la correcta alineación de la tubería así como el reparto uniforme de los esfuerzos. Por ello es determinante realizar un correcto replanteo de la línea de rasante (figura 10) no permitiendo la existencia de blandones, en caso de existir se aportará material, ni de rocas que puedan provocar punzonamientos en la tubería. Si el apoyo es granular el correcto extendido del material garantiza el apoyo continuo de la generatriz inferior.

Replanteo de la tubería

Extendido del material granular

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Montaje de la tubería.

Antes de iniciar el montaje se debe contar con la maquinaria y útiles auxiliares adecuados de modo que los rendimientos de montaje no se vean penalizados por problemas accesorios. Una grúa de capacidad insuficiente puede originar importantes retrasos al necesitar cambiar de posición con demasiada frecuencia. La manipulación del tubo se realizará con ayuda de eslingas adecuadas y nunca “ahorcando” los tubos. En el material granular se dejarán zonas preparadas para facilitar la retirada de las eslingas una vez apoyado el tubo.

Montaje de la tubería

En pendientes fuertes los tubos se montarán siempre en sentido ascendente. Si la conducción es de junta elástica el personal que interviene es mínimo. Un encargado y dos o tres operarios conforman el equipo. En este caso son especialmente importantes tres aspectos: la limpieza y lubricación de la zona de unión de los tubos, la correcta colocación de la junta de elastómero, repartiendo la tensión del elastómero para que presente la misma sección en todo su perímetro, y el enchufe del tubo hasta las marcas indicadas por el fabricante.

Montaje de las uniones

En caso de junta soldada se precisa de más personal y con mayor cualificación. Los soldadores deberán estar homologados y las soldaduras se verificarán por medio de líquidos penetrantes. Los tubos se sueldan generalmente por el interior. En diámetros pequeños sólo puede soldarse exteriormente, en cualquier caso nunca se suelda por ambos lados. Si la pletina empleada en las juntas es de espesor superior a 8 milímetros es necesario realizar dos cordones de soldadura. Para evitar esfuerzos provocados por la dilataciones originadas por la soldadura se suele dejar sin soldar un tubo de cada cuatro, el cual se suelda posteriormente. Asimismo no es conveniente dejar sin cubrir una conducción soldada puesto que las dilataciones provocadas por la diferencia de temperatura entre la noche y el día pueden originar fisuraciones transversales en algún tubo.

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Relleno.

El material de relleno en contacto con el tubo debe de ser seleccionado, con un tamaño máximo de 30 milímetros, y su compactación se realizará con medios ligeros. Nunca se compactará con medios mecánicos si no es a más de dos metros sobre la generatriz superior del tubo y consultando al fabricante para asegurar que esta sobrecarga se ha tenido en cuenta. Un buen método para compactar es regar abundantemente. El material debe verterse a la zanja desde poca altura y alternativamente a ambos lados del tubo, nunca sobre él, de modo que no se desplace por el empuje del relleno. También es aconsejable puntear la tubería con un relleno intermitente para evitar movimientos indeseados.

Relleno de las zanjas

Rendimientos de montaje.

En la tabla adjunta se ha recogido, a modo de ejemplo, los rendimientos medios mínimos que se obtienen con tubería postesada de junta elástica considerando una traza sin dificultades especiales. Con las grúas elegidas se montan al menos tres tubos desde una misma posición y el equipo necesario es de tres personas hasta diámetro 1.500 milímetros y de cuatro personas para tubos de 1.600 milímetros en adelante.

Rendimientos en el montaje de tuberías

DN (mm)

Longitud (m)

Peso (tn)

Rendimiento (m/día)

Grúa (tn)

700 6 3,5 132 50 800 6 3,5 132 50 900 6 4,5 120 50

1.000 6 5 120 50 1.100 6 5,8 120 50 1.200 6 6,6 108 70 1.300 6 7,8 108 70 1.400 6 8,8 108 70 1.500 6 9,7 96 90 1.600 6 10,8 96 90 1.800 6 13,5 96 120

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Problemas de obra

A modo de recordatorio se ilustran algunos de los problemas más habituales, y al mismo tiempo fácilmente evitables, que se dan en los montajes. En la figura adjunta se puede ver un tubo de junta elástica sin enchufar hasta la marca, perfectamente visible, del fabricante, así como una alineación incorrecta con la conducción totalmente pegada a un lado de la zanja sin permitir un correcto relleno.

Junta elástica sin enchufar

Tubería mal alineada

La figura siguiente muestra un relleno donde el material no se ha seleccionado, un tubo golpeado en la manipulación así como los problemas que se presentan, debido a la flotabilidad de la tubería, en una conducción sin cubrir y tapada en sus extremos para realizar una prueba.

Relleno sin seleccionar

Tubo golpeado

Problemas debidos a la flotabilidad

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Pruebas de la tubería instalada.

Los procedimientos y requisitos de las pruebas están suficientemente recogidos en instrucciones y normas por lo que aquí se expondrán únicamente algunas cuestiones de interés para facilitar la realización de las mismas.

En primer lugar hay que contar con medios adecuados. No es extraño encontrar obras en las que las bombas empleadas para llenar la conducción sean de un caudal insuficiente o incapaces de alcanzar la presión de prueba con el consiguiente retraso.

La conducción debe llenarse despacio y por la parte más baja de modo que se permita salir el aire manteniendo abiertos todos los elementos por donde este pueda salir. En el punto más alto se colocará una purga para asegurar el llenado completo.

El manómetro se colocará en el punto donde se alcanza la máxima presión y su fondo de escala estará próximo a la presión de prueba.

Otro aspecto a tener en cuenta es el agua que absorbe el hormigón interior de los tubos a las presiones de prueba y que provoca el descenso de la presión. Para evitar que esto desvirtúe la prueba es necesario mantener la conducción al menos un día a una presión próxima a la de prueba. Para ello son muy útiles las bombas que de forma automática mantienen la presión.

Los macizos de apoyo de los tapones extremos de las pruebas son también objeto de problemas. Cuando se quiere economizar haciendo unos macizos demasiado ajustados estos suelen desplazarse impidiendo que pueda realizarse la prueba. En algunos casos este desplazamiento no es tan importante como para impedir la prueba pero supone que hay que añadir un volumen adicional de agua que no se corresponde con una fuga.

La figura adjunta muestra una correcta ejecución frente a otra menos cuidada.

Correcta ejecución

Ejecución menos cuidada