Criterios de diseño en tuberías de fundición dúctil María Domínguez Domínguez (mdominguezd@dragados.com)

DRAGADOS. Dirección Técnica. Jefe del Servicio de Obras Hidráulicas

Características principales de las tuberías de fundición La fundición es una aleación de hierro y carbono (entre 1,7-5%) que contiene habitualmente otros elementos (generalmente silíceo). El carbono se presenta en estado grafítico, pudiendo aparecer en forma laminar (fundición gris) o en forma esferoidal (fundición dúctil). Esta última es la utilizada en las tuberías, ya que además de resistencia a la compresión, aptitud para el moldeo, resistencia a la fatiga y la abrasión... la fundición dúctil añade unas propiedades mecánicas excelentes, como un alto límite elástico, resistencia a los choques, capacidad de alargamiento, etc.

Por otra parte, la fundición es un material reciclable al 100%, sin degradación de sus propiedades.

Las tuberías de fundición dúctil, son una solución fiable, con un excelente comportamiento ante las presiones internas y las cargas externas.

El diámetro de la conducción es uno de los factores que más influyen en la elección del tipo de material a utilizar. El campo de aplicación de las tuberías de fundición puede abarcar desde diámetros pequeños, de 200 mm, hasta 1600 mm (en España), y presiones máximas de 3 a 4 N/mm2, según diámetro.

En los tubos de fundición, el diámetro nominal DN es aproximadamente el diámetro interior ID. Para un mismo diámetro, los tubos pueden tener distintos espesores, y dado que por consideraciones de fabricación, el diámetro exterior OD es fijo, el diámetro interior es el que varía en función del espesor.

Los tubos van provistos de revestimientos tanto interiores como exteriores, cuyo tipo depende de las características del agua a transportar y del medio en el que se instalen.

Los tipos de uniones o juntas habituales en los tubos de fundición deben ser conformes a lo especificado en la UNE-EN-545, y son las que se detallan a continuación:

- Uniones flexibles, que a su vez pueden ser las siguientes: o Unión automática enchufe – extremo liso (enchufe campana). Se obtiene la estanqueidad

por la simple compresión de un anillo elastomérico. También se denomina junta standard. o Unión mecánica. Los tubos a unir también están provistos de enchufe y extremo liso, pero

en este caso la estanquidad se logra por la compresión del anillo elastomérico mediante una contrabrida apretada con bulones que se apoyan en el collarín externo del enchufe. También se denomina junta express.

o Unión acerrojada. Es similar a la anterior, pero con resistencia a la tracción para los casos en los que el tubo debe trabajar a tracción.

- Uniones rígidas. Son las uniones con bridas, que pueden ser móviles (soldadas o roscadas) o fijas (incorporadas al tubo). Los tubos a unir estarán acabados en extremo liso.

Canalización con junta enchufe-extremo liso( automática)

Canalización con junta mecánica

Las canalizaciones de fundición dúctil son un tipo de conducción de calidad, aunque, como inconveniente, pueden ser tuberías caras frente a otros materiales. En lo referente al coste, hay que tener en cuenta las siguientes observaciones:

- La instalación de las canalizaciones de fundición es, en general, sencilla, Las uniones más habituales son las flexibles de enchufe y campana, lo que simplifica los costes del montaje al no tener que recurrir a técnicas especiales, como soldaduras.

- Por un lado, en diámetros pequeños, al ser una tubería con comportamiento rígido, la zanja puede ser más estrecha y los rellenos o el apoyo ser menos cuidados que frente a materiales flexibles, lo que supone menor movimiento de tierras.

- Por otro lado, en las conducciones de fundición dúctil de diámetros medios o grandes y presiones elevadas, el diseño mecánico suele quedar condicionado por la presión hidráulica interior, siendo relativamente indiferentes las condiciones de la instalación.

- Se trata de un material con un vida útil muy larga (hay canalizaciones en servicio con más de 100 años de antigüedad), lo cual disminuye los costes medios de inversión o de reposición.

- El mantenimiento de las canalizaciones de fundición es escaso, y para su protección, no hay que recurrir a técnicas de protección catódica que requieran tareas periódicas de mantenimiento.

Todo lo anterior hace que, aunque las tuberías de fundición dúctil puedan resultar en principio más caras que otros materiales alternativos, el importe económico de otras partidas de la instalación y el mantenimiento pueden disminuir, de forma que el coste total de la canalización sea similar.

Diseño hidráulico de conducciones El diseño hidráulico de una conducción tiene por objeto principal determinar el diámetro de las tuberías.

En las redes de abastecimiento o de regadío (cuyo funcionamiento es bajo presión hidráulica interior) los condicionantes básicos del dimensionamiento hidráulico son el caudal requerido y la presión exigida en

los terminales de la red, si bien estos condicionantes dejan el problema abierto, sin solución única, permitiendo un gran número de diseños posibles.

Se trata de un problema de optimización en el que, además de los anteriores condicionantes (caudales y presiones) intervienen otros factores, como la velocidad de diseño o las pérdidas de carga (continuas y localizadas), y las características de los materiales de la red (rugosidad y coste). La cuestión es más compleja en el caso de las redes malladas que en las ramificadas, ya que en las primeras no quedan definidos a priori los caudales que circulan por cada tramo.

El diseño hidráulico de las redes de saneamiento es más sencillo, pues siempre son ramificadas (y en consecuencia se conoce el caudal que circula por cada tramo), habitualmente su funcionamiento es en régimen de lámina libre, y hay menos alternativas para determinar el diámetro de la conducción.

Canalizaciones de abastecimiento

Los condicionantes básicos del diseño hidráulico de una red abastecimiento o de regadío, cuyo funcionamiento es bajo presión hidráulica interior, son el caudal requerido y la presión exigida en los terminales de la red. Las redes pueden tener dos estructuras, ramificadas o malladas, aunque existen también situaciones intermedias.

Las redes ramificadas o abiertas son aquellas en las que, a partir de un origen del agua (un depósito o un embalse), las conducciones van bifurcándose en dos o más tuberías, las cuales vuelven a hacer lo mismo después, y así sucesivamente. Sólo hay un camino posible para el abastecimiento de agua desde el origen hasta el punto de suministro, de manera que, para una situación definida de consumos en los nudos, pueden calcularse los caudales circulantes por las tuberías sin más que aplicar la ecuación de continuidad; es decir, el caudal circulante por una conducción es igual a la suma de los consumos en los nudos situados aguas debajo de la misma.

Las redes ramificadas tienen un diseño hidráulico más sencillo que las malladas, y además, resultan más económicas, pues la longitud total de conducciones a instalar es menor.

Las redes malladas, por su parte, tienen todas sus tuberías interconectadas entre sí, de manera que el agua puede llegar a un punto siguiendo varios caminos. En consecuencia, los caudales circulantes por las conducciones no quedan definidos aplicando las ecuaciones de continuidad, sino que es necesario, además, aplicar las ecuaciones de equilibrio de presiones de la malla.

Las redes malladas presentan una mayor seguridad o garantía en el suministro, ya que en caso de rotura de una tubería, se puede seguir dando servicio a la casi totalidad de los usuarios gracias a la interconexión entre las conducciones, siempre que existan suficientes válvulas de corte que permitan aislar un sector; en una red ramificada, por el contrario, la rotura de una conducción deja sin servicio a todos los tramos que estén aguas abajo. En las redes malladas, las pérdidas de carga que se producen son menores y no se producen estancamientos del agua, lo que redunda en una mejor calidad

Lo normal es que las redes para abastecimiento de agua potable y las empleadas en regadíos se proyecten con disposición ramificada. Sólo en las redes de distribución en entornos urbanos, en donde se exige al sistema una gran seguridad en el suministro y otras cualidades como el mantenimiento del agua en

circulación permanente en todos los anillos de la red, aunque existan tramos sin consumos, es cuando se recurre a los diseños mallados para las redes de conducciones.

Las redes mixtas, por último, corresponderían a diseños intermedios. Por ejemplo, es frecuente en redes ramificadas disponer algún anillo de refuerzo para mejorar y equilibrar presiones, o aumentar la dotación de alguna zona concreta; esto suele ser una práctica realizada sobre redes existentes en las que, por algún motivo, hay alguna insuficiencia en el suministro de agua.

Cálculo de caudales

El paso previo para el dimensionamiento hidráulico de una red de conducciones es la determinación de los caudales en los puntos de consumo. Ello se hace a través de la consideración de unas dotaciones de cálculo, las cuales son diferentes según la red de conducciones sea para un abastecimiento a una población o para una zona regable.

Redes de abastecimiento urbano

Se entiende por dotación el volumen medio diario de agua a suministrar por cada habitante. Se expresa habitualmente en litros por habitante y día, variando fundamentalmente en función del número de habitantes y del nivel socioeconómico. No obstante, otros factores de los que dependen las dotaciones de agua para abastecimientos urbanos pueden ser , la forma de urbanización y el tamaño de la ciudad, la importancia de las actividades industriales y comerciales en el núcleo urbano, las condiciones climáticas, la calidad del agua (si es muy buena los consumos serán mayores), el régimen tarifario empleado, o el estado de la red de abastecimiento.

En cualquier caso, en España las dotaciones brutas urbanas oscilan habitualmente entre 150 y 500 l/hab/día, comprendiendo consumos domésticos, necesidades comunes o de servicios públicos, dotaciones industriales, pérdidas, etc., incluyendo la eficiencia en la distribución del sistema. En otros países, como en Estados Unidos, las dotaciones son mucho mayores (200 a 1.500 l/hab/día), debido al diferente estilo de vida, basado en la baja densidad urbana de sus poblaciones y la mayor superficie de zonas ajardinadas.

A partir de los valores de la dotación, se obtendrán los caudales medios diarios a suministrar (en l/s), si bien el diseño de una red de distribución de agua no se hace para esos caudales medios sino que es frecuente considerar que el día punta del año consume 1,5 veces lo del día medio y en ese día, en la hora máxima, se consume 1,5 veces lo que la hora media. Ello quiere decir que la punta máxima del año es de 1,5 x 1,5 = 2,25 veces el consumo medio anual. Un criterio similar al anterior y muy utilizado en España en el diseño de una gran cantidad de abastecimientos a poblaciones es el propuesto por la antigua Reglamentación del Ministerio de Obras Públicas para el proyecto de abastecimientos menores de 12.000 habitantes, según el cual la punta de cálculo se obtenía repartiendo el consumo medio diario en 10 horas, lo que equivale a fijar un coeficiente de punta de 2,4.

Si los cálculos se hicieran con mayor detalle debería considerarse también el hecho de que, a medida que la población atendida aumenta, el coeficiente de punta disminuye. Es, por ejemplo, el criterio seguido por el Canal de Isabel II en Madrid, organismo que calcula el caudal punta Qp en función del caudal medio Qm (ambos en l/s) mediante la siguiente expresión, con un valor máximo de 3,00 para el coeficiente de punta.

( )[ ] mmmp QQQQ 38,1 5,0 ≤+=

En cualquier caso, sea cual sea el criterio seguido, el caudal máximo real de diseño de las redes de abastecimiento es el caudal medio mayorado por el coeficiente de punta que, habitualmente, oscila entre 2,00 y 3,00.

Redes para zonas regables

En el dimensionamiento de las conducciones que suministran agua a las zonas regables, el caudal de diseño de las tuberías se realiza igualmente, a partir de la consideración de unos valores de la dotación de la zona regable a atender.

Las dotaciones netas varian en función de la tipología de cultivo y del emplazamiento geográfico. Estos valores corresponderían al volumen de agua estrictamente necesario a aplicar en la parcela, de manera que para convertirlos en dotaciones brutas, se mayoran dividiéndolos por un factor de eficiencia que

tenga en cuenta las pérdidas de agua que se produzcan desde la captación hasta su aplicación. Los valores de la eficiencia pueden ser muy variables, oscilando entre 0,5 en el caso de zonas regables que aprovechen muy bien el agua (riegos por aspersión, conducciones en tuberías, etc), hasta valores de 0,2 en el caso de zonas regables en las que se produzcan muchas pérdidas (riegos por gravedad, transporte del agua en canales sin revestir).

El caudal medio anual obtenido por la aplicación de las dotaciones no se distribuye igual a lo largo de todos los meses del año, sino que se concentra habitualmente en dos o tres meses, con una punta de consumo en torno del 25% en los meses de julio y agosto. Habría un mes crítico en el que se producirá el máximo déficit mensual Dm (en m3/ha/mes), el cual se calcula multiplicando la dotación por la anterior punta de consumo

El caudal de diseño de las grandes conducciones de las zonas regables (las que transportan el agua desde las presas de captación hasta las balsas de regulación de las cabeceras de las zonas regables) se identifica con el caudal ficticio continuo qf (en l/s/ha) que sería el caudal que habría que suministrar durante las 24 horas de todos y cada uno de los días del mes de máximo consumo.

400.8630000.1

××

= mf

Dq

El caudal de diseño de las conducciones de las zonas regables de menor orden (las que transportan el agua desde las balsas de regulación de las cabeceras de las zonas regables hasta cada una de las parcelas) se calcularía teniendo en cuenta la distribución en el tiempo de la demanda de riego.

Presiones en la red

Junto al caudal de cálculo, el otro condicionante básico en el diseño de las redes de abastecimiento es la presión hidráulica interior solicitante en la conducción.

La presión disponible en cada punto de la red es variable ya que depende del nivel del agua en los depósitos reguladores y del consumo instantáneo en cada caso (el cual hace variar las pérdidas de carga). En cualquier caso, debe oscilar entre unos valores máximos y mínimos.

La presión máxima en las redes de distribución urbana se suele fijar en 60 mca frente a los edificios. Cuando no sea posible garantizar la condición anterior de presión máxima (por la topografía de la zona), la red se divide en pisos separados por válvulas reguladoras de presión.

En cuanto a la presión mínima que debe garantizarse, dependería del número de plantas de los edificios, del caudal de diseño de las acometidas, etc. Unos valores frecuentes para estas presiones hidráulicas mínimas pueden ser los que se indican en la tabla adjunta en función del número de pisos de un edificio (equivalentes, aproximadamente, a añadir 15 metros a la altura sobre la calle del techo de la planta más elevada).

Presiones mínimas en las redes de distribución

Número de plantas

Presión mínima (mca)

1 19 2 22 3 26 4 29 5 32 6 36 7 39 8 42 9 45 10 49 11 52 12 55

La diferencia entre la presión máxima en la red (60 mca) y la mínima es la pérdida de carga máxima disponible en el cálculo de la red urbana. Esto implica que habitualmente no es posible abastecer con la sola presión de la red edificios de más de 8 ó 9 plantas, ya que la pérdida de carga admisible máxima sería de 18 ó 15 metros (60 m menos 42 ó 45), valor claramente escaso. Ello implica que los edificios más altos necesitan grupos de bombeo que suplementen la presión necesaria y cuyo cálculo es ajeno a la red domiciliaria.

A partir de los valores antes establecidos para las presiones máximas y mínimas se diseña la red para las dos hipótesis siguientes:

a) Consumo mínimo. La presión en todos los puntos debe ser inferior a la máxima (60 mca). b) Consumo máximo. La presión en todos los puntos debe ser superior a la mínima.

Pero, además de las anteriores hipótesis de funcionamiento normal, deben también garantizarse el diseño de la conducción en situaciones excepcionales como las siguientes:

Ante la eventualidad de un incendio, funcionando un cierto número de hidrantes (complementariamente a los caudales máximos), es admisible que el agua en la red tenga menos presión que los valores mínimos. Unos criterios usualmente empleados para verificar esta hipótesis son los siguientes:

- Reglamentación del Ministerio de Obras Públicas. En poblaciones pequeñas (menores de 5.000 habitantes con menos del 10% de edificios de más de 3 plantas) la red debe ser capaz de alimentar simultáneamente a dos hidrantes como mínimo, separados 200 m, de forma que cada uno de ellos suministre 500 l/minuto con una presión mínima de 10 mca. Para poblaciones mayores, los dos hidrantes serán de 1.000 l/minuto y el resto de condiciones iguales.

- Canal de Isabel II. Con dos hidrantes de 100 mm funcionando simultáneamente, y separados 200 m como máximo, la presión en cualquier punto de la red debe ser superior a 15 mca.

En las redes malladas, si se produce la rotura de alguna de las tuberías, aislando el tramo afectado mediante el cierre de válvulas, puede darse servicio al resto de población, ya que se reajustan los caudales circulantes, aumentando los de los restantes tramos. Esto produce mayores pérdidas de carga, disminuyendo las presiones disponibles, que deben seguir siendo suficientes para dar provisionalmente el servicio hasta que la avería se repare. Es to obliga a recalcular varias veces las redes, para las distintas hipótesis de rotura de diferentes tramos.

Cálculo de las pérdidas de carga

Las pérdidas de carga que se producen en las conducciones que transportan agua son pérdidas de energía hidráulica debidas, principalmente, a la viscosidad del agua y al rozamiento de ésta contra las paredes. Tienen como consecuencia una bajada de la presión global en una red por gravedad, y un gasto de energía añadido en las estaciones de bombeo en las impulsiones.

El cálculo de las pérdidas de carga continuas (por unidad de longitud), J, deben calcularse, en general, mediante la fórmula universal de Darcy-Weisbach:

g2v

IDf

LH

J2

c ×=∆

=

A su vez, independientemente de cual sea la rugosidad hidráulica de la tubería, el cálculo del coeficiente de pérdida de carga por unidad de longitud, f, es recomendable calcularlo mediante la expresión de Colebrook-White (1939):

f Re

2,51ID 3,71

k log

25,0 = f

2

+

J pérdida de carga continua, por unidad de longitud, en m/m ∆Hc pérdida de carga continua, en m L longitud del tramo, en m ID diámetro interior del tubo, en m v velocidad del agua, en m/s g aceleración de la gravedad, en m/s2

f coeficiente de pérdida de carga por unidad de longitud (o coeficiente de fricción); adimensional

k rugosidad de la tubería, en m Re número de Reynolds (adimensional)

c

ID v = Reν

νc viscosidad cinemática en m2/s (1,01 x10-6, para el agua a 20ºC)

Las expresiones anteriores son las conocidas como “fórmulas racionales”, derivadas de la aplicación de la teoría de la hidráulica, si bien, además de estas, existen numerosas “fórmulas empíricas” para el cálculo de las pérdidas de carga. Son, por ejemplo, las de Ganguillet y Kutter (1869), Manning (1890), Bazin (1897), Hazen-Williams (1920), Scimemi (1925), Scobey (1931), o Chézy, (1765) entre otras.

De todas ellas, las de Manning y Hazen-Williams son, quizás, las que más empleo tienen en la práctica, aunque pueden presentar errores respecto a las racionales, de manera que su empleo solo es recomendable para cálculos aproximados.

La expresión de Manning (adimensional) es la siguiente:

)D(In v 6,35

= J 3/4

22

n coeficiente de rugosidad de Manning J,v,ID igual significado que para las expresiones anteriores

La expresión de Hazen-Williams, por su parte, es la siguiente:

54,036,0 JIDC36,0v ×××=

C coeficiente de rugosidad de Hazen-Williams J,v,ID igual significado que para las expresiones anteriores

Independientemente de la expresión utilizada para el cálculo de las pérdidas de carga, los valores que se adopten para la rugosidad son determinantes en los resultados obtenidos en el cálculo. Dependen fundamentalmente del material de la conducción, si bien otros factores que también habría que considerar para la fijación de la rugosidad serían los siguientes:

- el número de uniones de la canalización - el número y tipología de piezas especiales - la antigüedad de la conducción y el estado de conservación - la temperatura del agua transportada - la presencia de irregularidades en el trazado - la ovalización de la tubería

Los textos de hidráulica suelen incluir valores medios de dichas rugosidades, si bien hay mucha disparidad entre unos y otros.

Valores para la rugosidad

absoluta k (mm) Valores para la rugosidad

n de Manning valores para la rugosidad C de

Hazen-Williams Fundición Hormigón Acero PVC y PE

0,030 – 0,300 0,040 - 0,500 0,030 – 0,150 0,002 - 0,010

0,011 – 0,017 0,012 – 0,017 0,010 - 0,011 0,006 – 0,010

125 125 130 150

Sobrepresiones debidas al golpe de ariete

En el diseño de una conducción bajo presión hidráulica interior es fundamental el cálculo del golpe de ariete (sobrepresiones y depresiones). El golpe de ariete es la variacion de presiones que se generan dentro de una tubería debido a los fenómenos transitorios derivados de cambios de régimen de circulación, como cierre o apertura de válvulas, paradas o arranque de bombas, etc.

Simplificadamente, para resistir el fenómeno del golpe de ariete, pueden presentarse dos casos diferentes : que se disponga de una chimenea de equilibrio o de un calderín (en cuyo caso se genera un fenómeno que

se denomina de oscilación en masa), o, ausencia de chimenea de equilibrio o calderín (de manera que el fenómeno que se crea se conoce como de oscilación dinámica). La forma de calcular las sobrepresiones instantáneas en cada caso es diferente.

En el caso de la oscilación en masa, el cálculo de las presiones máxima y mínima se realiza con la metodología explicada en los textos de hidráulica, mediante la aplicación del teorema de la cantidad de movimiento y de conservación de la cantidad total de agua, aplicados en intervalos sucesivos mediante un cálculo de diferencias finitas.

En el caso de la oscilación dinámica, cuando no existe un depósito capaz de almacenar o ceder agua (una chimenea de equilibrio o un calderín), si se disminuye bruscamente el caudal circulante en la tubería (por el cierre brusco de una válvula, por ejemplo), el agua no tiene donde meterse, por lo que aumenta su presión de tal forma que dilata el diámetro de la tubería y se forma un almacenamiento de agua producido por esa dilatación de la tubería y por la compresión del agua. Como el material de la tubería siempre tiene una cierta elasticidad, se deforma de nuevo cediendo el agua almacenada en la dilatación e incluso más, por efecto de la inercia, con lo que se forma un movimiento alternativo del agua en una y otra dirección, al mismo tiempo que unas ondas de sobrepresión y de depresión que se trasladan alternativa y periódicamente en ambas direcciones.

La oscilación dinámica es el fenómeno que se produce con más frecuencia y su cálculo puede realizarse con un las fórmulas simplificadas de Allievi y Michaud. En el caso de una válvula de corte, si la variación de la velocidad del agua en la maniobra de cierre o apertura sigue una ley lineal con respecto al tiempo (conducciones cortas) puede suponerse que la variación de sobrepresiones debidas al fenómeno del golpe de ariete siga una ley lineal a lo largo de la tubería, siendo máxima (positiva o negativa) junto a la válvula y nula en el otro extremo de la tubería. En ese caso, puede utilizarse la fórmula de Michaud (1878) para el cálculo de las sobrepresiones :

gTLv2P ±=∆ si:

aL2

T⟩

∆P sobrepresión debida al golpe de ariete, en m L longitud de la tubería, en m v velocidad de circulación del agua, en m/s T tiempo efectivo de cierre, en s g aceleración de la gravedad (g=9,81 m/s2) a celeridad (velocidad de propagación de las ondas), en m/s

eD

K3,48

9900a

mc+

= ; siendo E

10K

10

c =

Dm diámetro medio de la tubería, en mm e espesor de la tubería, en mm E módulo de elasticidad del material de la tubería, en kg/m2

En caso de que la conducción tenga una longitud grande (conducciones largas), el valor del golpe de ariete de oscilación elástica alcanza su valor máximo no en el extremo de cierre como en el caso anterior, sino en un punto genérico del interior de la tubería. En este caso, el valor máximo de las sobrepresiones debidas al golpe de ariete puede calcularse mediante la fórmula de Allievi (1903):

gavP ±=∆ si:

aL2T⟨

Velocidades de diseño

La velocidad de diseño del agua en una canalización es otro parámetro fundamental en el dimensiona-miento hidráulico. En el caso de las tuberías cuyo funcionamiento hidráulico sea bajo presión hidráulica interior (abastecimientos, regadíos), por la ecuación de continuidad (Q=V x S), la velocidad del agua está directamente relacionada con el caudal circulante y con el diámetro de la conducción.

A priori, el valor de la velocidad de circulación del agua debería ser el resultado de un ejercicio de optimización económica de la red que minimice los costes totales de la tubería, teniendo en cuenta tanto los costes de la propia instalación como los asociados a las pérdidas de carga.

En el caso de una impulsión, para un caudal dado, al aumentar la velocidad admisible disminuye el diámetro, (menores costes de instalación) pero se incrementan las pérdidas de carga, elevándose, en consecuencia, los costes energéticos, existiendo, por tanto, una velocidad que hace mínima la suma de ambos costes.

En una red mallada por gravedad, en la que las presiones finales, y por tanto las pérdidas de carga admisibles estén fijadas previamente. En este caso, existen numerosas combinaciones de diámetros en cada tramo (y en consecuencia diferentes velocidades del agua) para lograr dicho objetivo, pero una será la que corresponderá al coste mínimo de la red.

Además, otro factor limitativo de la velocidad máxima del agua sería el valor de las sobrepresiones derivadas de los posibles golpes de ariete o, por ejemplo, el riesgo de ataque físico a la tubería.

Para un primer tanteo, pueden utilizarse los valores que se indican en la tabla adjunta, propuestos por algunos especialistas, los cuales oscilan entre 2,0 y 3,0 m/s. Como criterio general, cuánto mayores sean los diámetros, mayores serán las velocidades admisibles.

También se han propuesto algunas expresiones para fijar la velocidad máxima de circulación del agua en función del diámetro de la tubería. Es clásica (si bien poco utilizada en la actualidad), la expresión de Mougnie, que relaciona la velocidad (m/s) con el diámetro interior ID ( m):

( )05,0ID5,1v +=

Velocidades máximas orientativas del agua en el diseño de conducciones

ID V (m/s) (Clement-Galand)

V (m/s) (Granados)

100 1,80 2,00 125 1,85 2,00 150 1,95 2,00 200 2,05 2,00 250 2,15 2,00 300 2,25 2,10 350 2,30 2,20 400 2,50 2,30 450 2,85 2,40 500 2,85 2,50 600 3,10 2,60 700 3,10 2,70 800 3,10 2,80 900 3,10 2,90

1.000 3,10 3,00 >1.000 2 + ID (en m)

Dimensionamiento de las redes en presión

Los métodos prácticos para el diseño de una red en presión son diferentes según la red sea ramificada o mallada.

El diseño hidráulico de una red ramificada es muy sencillo, conociendo el caudal circulante por cada tramo y la presión y pérdida de carga admisible, se selecciona un material y un diámetro comercial compatible con tales condicionantes. Los caudales en cada tramo siempre son conocidos, pues las demandas de agua en los extremos de una red ramificada son un dato fijo, de manera que yendo en sentido contrario del agua se puede obtener el caudal en cada tramo. Las presiones y pérdidas de carga admisibles también son un dato fijo, si se conoce la cota piezométrica disponible en cabecera y las cotas piezométricas mínimas exigibles en los terminales.

Antiguamente, las redes ramificadas se diseñaban mediante cálculos hidráulicos de tanteo y comprobación. Más adelante se mejoraron tales metodologías introduciendo en los métodos originarios algoritmos para la optimización económica de los diseños. La condición de coste mínimo de la red es concluyente, ya que si bien existen infinitas soluciones que resuelven el problema hidráulico, y que por tanto dan un servicio correcto al usuario, la que interesa es aquella económicamente más favorable.

A partir de la década de 1980 se empezaron a utilizar métodos de cálculo basados en la programación lineal y dinámica, que permiten obtener la curva real de costes de la red teniendo en cuenta la evolución del timbraje de los tubos en cada uno de sus tramos (el método Granados de 1985, por ejemplo).

El cálculo de una red mallada es más complejo que el de una red ramificada, pues a las dificultades de optimización de diámetros, se une el hecho de que no se conoce el caudal realmente circulante por cada tramo.

Un primer avance en el diseño de redes malladas fue la introducción del método de Hardy Cross, el cual se basaba en el cumplimiento de las dos condiciones hidráulicas siguientes:

- en cada nudo (punto de confluencia de varios tramos) la suma algebraica de caudales debe ser cero (con un signo los que entran y con otro los que salen)

- en cada una de las mallas o circuitos cerrados, la suma de las pérdidas de carga de todos los tramos es cero, independientemente del sentido del recorrido de la malla, y teniendo en cuenta que el sentido del caudal puede ser o no coincidente, lo cual afecta al signo de la pérdida de carga.

La solución se logra por aproximaciones sucesivas, suponiendo una distribución inicial de caudales que se va corrigiendo sistemáticamente hasta lograr la solución final. Lo deseable (para reducir el número de iteraciones y evitar faltas de convergencia) es que la solución inicial sea lo más aproximada a la final. Un criterio práctico para definir la solución inicial es, partiendo del nudo que alimenta a la red, descomponer el caudal entre los diversos tubos salientes, de forma proporcional al cuadrado de sus diámetros, lo cual equivale a una velocidad constante. A los caudales así obtenidos se les restan los consumos y el total de los que llegan a un nudo se descomp one entre los tubos salientes con el mismo criterio anterior.

El método de Hardy Cross aproxima una a una todas las ecuaciones de la malla (que en redes muy tupidas pueden llegar a ser muchas), de manera que hoy en día se han desarrollado métodos matemáticos que, partiendo de las mismas bases de cálculo, aproximan todas las ecuaciones a la vez en su conjunto, resolviendo un sistema de ecuaciones lineales, de manera que la convergencia es mucho más rápida. Dentro de estos métodos pueden citarse, por ejemplo, el método de Newton Raphson o el de Aguinaga.

La resolución práctica de todos estos métodos iterativos para el cálculo de redes malladas se hace con herramientas informáticas. Aunque hay una gran cantidad de programas disponibles en el mercado para el dis eño de redes malladas, puede destacarse el conocido como EPANET. Dicho programa ha sido desarrollado por la División de Recursos Hídricos y Suministros de Agua del Laboratorio Nacional de Investigación para la Prevención de Riesgos (NRMRL) de la Agencia para la Protección del Medio Ambiente de EEUU (USEPA), cuya versión española ha sido traducida en la Universidad Politécnica de Valencia. Es un software de dominio público, que puede bajarse gratuitamente desde el sitio web www.epa.gov/ORD/NRMRL/wswrd/epanet.html.

Es frecuente exigir que las redes de distribución tengan un diámetro mínimo de 80 ó 100 mm según que la población abastecida sea menor o mayor de 5.000 habitantes.

Canalizaciones de saneamiento

Las redes de saneamiento se clasifican en los dos grandes grupos siguientes: redes unitarias y redes separativas.

En las redes unitarias la red se dimensiona de manera que tenga capacidad suficiente para absorber en un mismo conducto las aguas residuales y las pluviales generadas en la cuenca o zona objeto de proyecto. Las redes separativas, por el contrario, constan de dos canalizaciones independientes: una de ellas transporta las aguas residuales hasta la estación depuradora, y la otra conduce las aguas pluviales hasta el medio receptor.

Hoy en día hay una tendencia generalizada a que las nuevas redes de saneamiento sean de tipo separativo, pues presentan ventajas frente a las tradicionales unitarias, entre las que puede destacarse la simplificación que suponen en los costes y en la explotación del sistema de depuración, ya que, por un

lado, el caudal conducido a las depuradoras es menor, y, además, la depuradora trabaja con unas variaciones de carga contaminante mínimas. Estas redes separativas, igualmente, implican una disminución de la carga contaminante vertida al medio receptor.

Las redes separativas, no obstante, presentan también inconvenientes como por ejemplo, la necesidad de que el control de los vertidos sea mucho mayor para evitar acometidas mal realizadas o el hecho de que la instalación y explotación es más compleja que la red única. En consecuencia, el coste de la red es, como regla general, superior, ya que obliga a duplicar los metros de colector a colocar

Por otro lado, está comprobado que las primeras aguas de lluvia presentan una importante carga contaminante por lo que, en las redes unitarias, si no se dispone de algún tratamiento para estas aguas pluviales, se pueden generan importantes contaminaciones en el medio receptor.

Debe, por último, tenerse en cuenta que la conversión de una red unitaria existente en la actualidad en separativa es una tarea prácticamente inabordable con resultados deficientes.

En cuanto al funcionamiento hidráulico de la red, pueden distinguirse, en principio, las dos siguientes posibilidades: por gravedad (lo más habitual) o bajo presión hidráulica (impulsiones).

Cálculo de los caudales de aguas residuales

Las conducciones que forman parte de una red de saneamiento deben diseñarse de manera que se consideren en su cálculo la totalidad de las aguas residuales generadas en la zona y las aguas de lluvia asociadas a un determinado período de retorno.

Así, para el cálculo de las aguas residuales domésticas se deben considerar previamente unos valores razonables de la dotación (ver dotaciones del apartado Redes de abastecimiento), de manera que los caudales medios y mínimos se calcularían con las expresiones siguientes:

40,86

PCDQD rd

m

××= mQDQD ×= 25,0min

Para el cálculo del caudal punta las distintas administraciones manejan diferentes fórmulas, como por ejemplo las siguientes:

Canal de Isabel II ( ) mmmp QDQDQDQD ×≤+= 36,1 2/1

Confederación del Norte ( ) 7,0

mmp QD6,2QDQD ×+= si QDm > 2 l/s

( ) 2,0

mp QD5,5QD ×= si QDm < 2 l/s

D dotación de aguas domésticas (l/hab/día) P población atendida (hab) Cr coeficiente de retorno, de valor 0,8 usualmente QDm caudal medio de aguas residuales domésticas (l/s) QDp

caudal punta de aguas residuales domésticas (l/s) QDmin

caudal mínimo de aguas residuales domésticas (l/s)

Para el cálculo de las aguas residuales de otros orígenes (industrial, sector terciario, equipamientos dotacionales, etc) se deben seguir criterios similares adaptados a cada caso particular.

Cálculo del caudal de aguas pluviales

Además de evacuar los caudales de aguas residuales calculados en el apartado anterior, las redes de saneamiento y drenaje se deben diseñar para desaguar las aguas de lluvia asociadas a un periodo de retorno. De esta manera, se las exige que tengan también una misión antiinundaciones.

La fijación del periodo de retorno para el que diseñar las redes de drenaje es una cuestión compleja. Cuanto más elevado sea, mayores serán los costes de la red, pero menores los daños causados por potenciales inundaciones. Y, en sentido contrario, pequeños periodos de retorno implican costes bajos de inversión, pero importantes afecciones durante el servicio a causa de las inundaciones que se producirán. En consecuencia, en teoría, el periodo de diseño de las redes de drenaje debería ser el que hiciera mínima la suma de ambos costes (los de inversión y los asociados a las inundaciones producidas durante el

servicio de la red). Pero es muy difícil cuantificar monetariamente los gastos debidos a las inundaciones, por lo que, en la práctica se suelen exigir periodos de retorno de diseño del orden de 10 años.

El caudal de aguas pluviales QP de las conducciones que componen las redes de alcantarillado se suele calcular aplicando la formulación del método racional, la cual, en su expresión más general, es la siguiente:

6,3AIC

KQP te ×××=

QP caudal de aguas pluviales, en m3/s Ce coeficiente medio de escorrentía de la cuenca o de la superficie drenada. It intensidad media de precipitación asociada al período de retorno considerado y a un

intervalo de tiempo de t horas, en mm/h A área de la cuenca o de la superficie drenada, en km2

K coeficiente representativo del grado de uniformidad con que se reparte la escorrentía (suele tomarse 1,2)

En relación con los valores a adoptar para la intensidad media de precipitación, It, y para el coeficiente de escorrentía, Ce, pueden seguirse los siguientes criterios:

La intensidad media de precipitación, It de la anterior fórmula será la asociada a una duración igual al tiempo de concentración considerado Tc, el cual se suele calcular mediante la siguiente expresión:

76,0

25,03,0

=

ec

JL

T

Tc tiempo de concentración, en horas L longitud del cauce principal, en km Je pendiente media del cauce principal, en m/m

El cálculo de la intensidad media de precipitación It asociada a una duración Tc, se suele hacer según la siguiente ley intensidad-duración:

IdI =

IdIt 1 1 - 28

T - 280.1

c0.10.1

It intensidad media asociada al intervalo de duración t deseado, en mm/h Id intensidad media de precipitación correspondiente al período de retorno considerado y a

un intervalo de tiempo de t horas, en mm/h

24d

dP

I =

Pd precipitación total diaria asociada a dicho período de retorno, en mm I1/Id cociente entre la intensidad horaria y la diaria; se puede obtener del mapa adjunto:

Baleares: entre 11 y 12 Canarias: 8 en la vertiente norte y en islas de marcado relieve

9 en la vertiente sur y en islas de topografía suave Ceuta y Melilla entre 10 y 11

Mapa para la obtención del factor regional I1/Id

La precipitación total diaria Pd se puede calcular de una forma aproximada a través del mapa de “Máximas lluvias diarias en la España peninsular” del Ministerio de Fomento (1999), según el cual la precipitación máxima en 24 horas asociada a un periodo de retorno T se calcula según la siguiente expresión:

PYP Td ×=

Pd precipitación total diaria asociada a un período de retorno T, en mm YT cuantil regional. Depende del coeficiente de variación CV y de T P valor medio de las precipitaciones máximas, en mm

Las variables P y CV, y el cuantil Yt, se obtienen de la citada publicación.

El coeficiente de escorrentía, en la metodología general expuesta, se puede calcular según la siguiente expresión:

C = ((Pd / Po) - 1) * ((Pd / Po) + 23) / ((Pd / Po) + 11 )2

C coeficiente de escorrentía Pd precipitación total diaria en mm, correspondiente a un período de retorno T Po Umbral de escorrentía. Valor de la precipitación acumulada, en mm, por debajo del cual

no se producen escorrentías. Si no se dispone de datos, se puede adoptar un valor de 20 mm, salvo en terrenos impermeables, en cuyo caso se reduce a 10 mm.

A falta de información detallada, se pueden adoptar los valores indicados en la tabla adjunta para el coeficiente de escorrentía C.

Valores del coeficiente de escorrentía C

Tipo de zona Coeficiente escorrentía C

Zona verde 0,30 Zona rural 0,50 Urbana. Edificación abierta 0,70 Industrial 0,70 Mixta: Urbano – Industrial 0,80 Urbana. Edificación cerrada 0,90

Caudales de diseño de las conducciones

Una vez calculados los caudales de aguas residuales y pluviales, se deben calcular los caudales máximo y mínimo de diseño de los colectores que integran las redes de saneamiento, lo cual se hace conforme los criterios de la tabla adjunta.

Caudales de cálculo en las redes de saneamiento

QDp caudal punta de aguas residuales domésticas (l/s) QDmin caudal de aguas residuales domésticas mínimo (l/s) QP caudal de aguas pluviales (l/s) Qmin caudal mínimo de diseño de las conducciones de la red de alcantarillado (l/s) Qmax caudal máximo de diseño de las conducciones de la red de alcantarillado (l/s)

Diseño hidráulico

Con los caudales máximos y mínimos de diseño de las redes de saneamiento, puede procederse al dimensionamiento hidráulico, al objeto de calcular el diámetro necesario de la conducción. El diseño de la red debe hacerse teniendo en cuenta las dos limitaciones siguientes de velocidad y llenado de la conducción:

Se debe verificar la velocidad de circulación del agua en las secciones que se consideren representativas de las conducciones en, al menos, las siguientes hipótesis:

- Para el caudal máximo de diseño (Qmax), se debe comprobar que la velocidad del agua no exceda un valor máximo tal que garantice la integridad de la conducción. Es frecuente limitar la velocidad máxima a 3 m/s, si el efluente no contiene arena, admitiéndose esporádicamente hasta 6 m/s. Si contiene arenas, la velocidad de diseño se debe reducir a 2 ó 3 m/s para evitar problemas de erosión.

- Para el caudal mínimo de diseño (Qmin), se debe comprobar que la velocidad del agua supera un valor mínimo que evite la sedimentación de las partículas presentes en el agua residual. Un valor frecuente para esta velocidad mínima es 0,60 m/s, si el efluente no contiene arena o, caso contrario (presencia de arena), 0,30 m/s.

Para evitar problemas de septicidad y garantizar una adecuada circulación de oxígeno en la tubería, se debe limitar el llenado de las conducciones de aguas residuales. Es frecuente, limitar el llenado en las conducciones cuyo funcionamiento sea en lámina libre, al 75 u 85 % de la sección, para el caudal máximo de proyecto (Qmax).

En las redes de saneamiento las comprobaciones suelen hacerse a través de la expresión de Manning, teniendo en cuenta la pendiente de la conducción J:

J pendiente de la conducción en m/m Hc pérdida de carga continua, en m L longitud del tramo, en m v velocidad del agua, en m/s RH radio hidráulico de la conducción, en m; RH = Am/Pm

Am área mojada de la conducción, en m2 Pm perímetro mojado, en m

n coeficiente de rugosidad de Manning (adimensional)

Fijados los caudales máximos y mínimos de las redes de saneamiento (y teniendo en cuenta las condiciones de velocidad y llenado indicadas), se obtendría para una pendiente determinada el diámetro necesario. Usualmente, se emplean herramientas informáticas para el cálculo.

Al igual que en las redes de abastecimiento, en las de saneamiento también se fijan unos valores mínimos para los diámetros de las conducciones. El principio básico seguido para la determinación de los diámetros mínimos es que deben tener una sección tal que evite la formación de atascos. Suele exigirse un diámetro mínimo de 300 mm.

Diseño mecánico de tuberías de fundición El dimensionamiento mecánico de las tuberías de fundición se realiza conforme a lo especificado en la norma UNE-EN-545:2011.

Presión admisible

En el caso de canalizaciones de agua, para el cálculo de la presión admisible se utiliza la fórmula del “Anexo A (Normativo) Presiones Admisibles” de la norma UNE-EN-545:2011.

Los valores máximos de presión de funcionamiento admisible (PFA), presión máxima admisible (PMA, presión máxima considerando el golpe de ariete) y presión de ensayo admisible (PEA, presión máxima de prueba en zanja) se calculan con la siguiente fórmula:

PFA = 20. emin . Rm / (D.SF)

PFA presión de funcionamiento admisible (bares) emin espesor mínimo de la pared del tubo (mm) D diámetro medio del tubo (mm) Rm resistencia mínima a tracción de la fundición dúctil (Rm=420 MPa) SF factor de seguridad (SF=3)

Para PMA se calcula igual que PFA pero con SF=2,5; por tanto: PMA = 1,2 x PFA PEA = PMA + 5 bar

Rigidez diametral de los tubos

Los tubos de fundición dúctil pueden soportar grandes ovalizaciones en servicio, conservando sus características funcionales. La ovalización es igual a 100 veces la flecha vertical del tubo en mm, dividida por el diámetro exterior inicial del tubo en mm. Las ovalizaciones admisibles de los tubos, con la canalización en servicio, se recogen en la tabla C1 del “Anexo C (Informativo) Rigidez diametral de los tubos” de la norma UNE-EN-545:2011.

Con el fin de resistir grandes alturas de cobertura o fuertes cargas debidas a tráfico, los tubos de fundición dúctil deben tener las rigideces diametrales mínimas indicadas en la tabla C1 nombrada anteriormente. La rigidez diamtral de un tubo se expresa con la fórmula:

S = 1000. EI / (D)3 = 1000 . (E/12). (e/D)3

S Rigidez diametral (KN/m2) E Módulo de elasticidad en MPa; para la fundición: E=170000 MPa D Diámetro medio del tubo (mm) I Momento de inercia a flexión de un tubo por unidad de longitud (mm3) I = e3 / 12 e Espesor de cálculo del tubo (mm)

Método de cálculo de tubería enterrada: Alturas de cobertura

En el cálculo mecánico de los tubos de fundición enterrados la solicitación condicionante corresponde a la deformación producida en el tubo ante la acción de las acciones externas. Deberá, por tanto, comprobarse que, actuando únicamente las acciones externas (terreno, sobrecargas móviles o fijas, y otras si existen), la deformación máxima debida a la flexión transversal no supera la admisible.

Como deformaciones máximas admisibles se tomarán las ovalizaciones indicadas en la UNE-EN-545, en el “Anexo F (Informativo) Método de cálculo de tuberías enterradas, alturas de cobertura”. Estos valores garantizan que el revestimiento interior de mortero de cemento no sufra daños y que la tensión en el tubo no supere su valor admisible.

La ovalización se calcula con la siguiente fórmula:

∆ = 100 . K . (Pe + Pt) / (8.S + f.E’)

∆ ovalización del tubo (%) K coeficiente de apoyo Pe presión debida a la carga de tierras (KN/m2) Pt presión debida a las cargas rodantes (KN/m2) S rigidez diametral del tubo (KN/m2) f factor de presión lateral (f = 0,061) E’ modulo de reacción del suelo (KN/m2)

La ovalización calculada con esta fórmula no debe sobrepasar la ovalización admisible de la tabla C1. La ovalización admisible aumenta con el DN, y se mantiene por debajo del valor que puede soportar sin deterioro el revestimiento interior de mortero de cemento. Además, proporciona un coeficiente de seguridad de 1,5 con relación al límite elástico a flexión de la fundición dúctil (500 MPa mínimo), limitando la tensión en la pared del tubo a 330 MPa. La ovalización se limita al 4% para los tubos de DN>800.

Presión debida a la carga de tierras

La presión debida a la carga de tierras, Pe, repartida en la generatriz superior sobre una distancia igual al diámero exterior, se calcula mediante la fórmula siguiente (método del primsa de tierra):

Pe = γ . H

Pe presión debida a la carga de tierras (KN/m2) γ peso específico del relleno (KN/m3); en ausencia de datos reales, γ = 20 KN/m3

H altura de la cobertura de tierras, desde la generatriz superior del tubo al suelo (m)

Presión debida a las cargas de tráfico

La presión debida a las cargas rodantes, Pt, distribuida uniformemente en la generatriz superior del tubo sobre una distancia igual al diámetro exterior, se calcula con la fórmula siguiente:

Pt = 40 . (1 - 2.10-4 . DN) . β / H

Pt presión debida a las cargas rodantes (KN/m2) β coeficiente de cargas rodantes.

- zonas de carreteras principales: β=1,5 - zonas de carreteras de acceso: β=07,5 - zonas rurales y caminos: β=0,5

H altura de la cobertura de tierras, desde la generatriz superior del tubo al suelo (m)

Módulo de reacción del suelo E’

El módulo de reacción del suelo E’ depende de la naturaleza del suelo utilizado en la zona del tubo y de las condiciones de instalación. En una situación concreta, el módulo de reacción del suelo puede calcularse mediante la siguiente fórmula:

E’ módulo de reacción del terreno (kN/m2) K coeficiente de apoyo

f factor de presión lateral (f = 0,061) β coeficiente de cargas rodantes.

δ ovalización admisible (%) H altura de la cobertura de tierras, desde la generatriz superior del tubo al suelo (m)

S rigidez diametral del tubo (KN/m2)

Se pueden tomar como referencia los siguientes valores de E’:

E’ ?= 0 terreno sin compactar (caso más desfavorable) E’ ?= 1.000 kN/m2 terreno con compactación mala E’ = 2.000 kN/m2 terreno con compactación media E’ ?= 5.000 kN/m2 terreno con compactación buena

Coeficiente de apoyo K

El coeficiente de apoyo K, depende de la distribución de presiones a nivel de la generatriz superior del tubo, sobre una distancia igual al diámetro exterior, y a nivel de la generatriz inferior del tubo sobre la distancia correspondiente al ángulo de apoyo teórico 2α. El valor de Ka varía entre 0,11 y 0,09.

- si ángulo de apoyo 2 α?= 20º; Ka = 0,110 (tubería sin compactación) - si ángulo de apoyo 2 α?= 45º; Ka = 0,105 - si ángulo de apoyo 2 α?= 60º; Ka = 0,102 - si ángulo de apoyo 2 α= 120º; Ka = 0,090 - si ángulo de apoyo 2 α?= 180º; Ka = 0,083

Alturas de cobertura de tierras

Si se disponen de suficientes datos, con las fórmulas de cálculo anteriores se puede comprobar si la altura de cobertura de tierras es válida, es decir, si la ovalización que se produce debido a dicha altura es admisible.

En la norma UNE-EN-545:2011, se pueden encontrar unas tablas con las alturas de cobertura admisibles para cada diámetro y clase, en el caso más pesimista. Si se utilizan estos valores de altura de cobertura (en metros), no es necesario ningún cálculo adicional de comprobación de la tubería enterrada.

Cambios introducidos en la UNE EN 545:2011 Las dos normas existentes de tuberías de fundición, en la que se incluyen los requisitos que deben cumplir las tuberías de fundición y los ensayos a realizar son:

• UNE-EN-545 –2011: Tubos, racores y accesorios de fundición dúctil y sus uniones para canalizaciones de agua. Requisitos y métodos de ensayo. (Esta norma sustituye a la UNE-EN 545 -2007)

• UNE-EN-598 –2008 + A1: Tuberías, accesorios y piezas especiales de fundición dúctil y sus uniones para aplicaciones de saneamiento. Requisitos y métodos de ensayo.

La norma española UNE-EN 545:2011 es la trasposición a nuestro país de la norma europea EN 545:2010, que fue aprobada a finales del año 2010. La norma UNE EN 545:2011 anula y sustituye la versión la UNE EN 545:2007. Esta última versión de la UNE EN 545, de noviembre de 2011, presenta varios cambios que afectan, sobre todo, a la definición y denominación de las tuberías, ya que desaparece la tradicional clasificación por clases de espesor “K” dando paso a una nueva clasificación por clases de presión “C”. Los principales cambios que introduce la nueva norma, en los diferentes apartados, son los siguientes:

1. Objeto y campo de aplicación

Se amplía el campo de aplicación de la norma para diferentes tipos de agua: agua tratada, agua no tratada, agua regenerada. Y para diferentes aplicaciones como agua para consumo humano, contraincendios, para hacer nieve, para riego, para producción de energía hidroeléctrica, entre otros.

2. Normas de referencia

Aparece una nueva norma de referencia EN 14901 “Tuberías, racores y accesorios de fundición dúctil. Recubrimiento epoxi (alta resistencia) para racores y accesorios de fundición. Requisitos y método de ensayo.”

3. Términos y definiciones

Aparecen dos definiciones nuevas, “componente”, “clase de presión C”, “longitud normalizada”, “espesor mínimo de un tubo”, “espesor para el cálculo de la rigidez de un tubo”.

4. Requisitos técnicos

El revestimiento básico exterior de los tubos de fundición dúctil consiste en la aplicación de una cantidad de zinc de 99,99% de pureza con capa de acabado de pintura epoxi o bituminosa.

En la versión anterior de la norma UNE-EN 545, esta cantidad mínima de zinc era 130 g/m2. Ahora, se produce un aumento del mínimo revestimiento externo de zinc, pasa a tener un mínimo de 200 g/m2.

Los accesorios se revisten tanto interior como exteriormente con pintura epoxi o bituminosa. En la versión anterior se establecía que el espesor del revestimiento no debía ser inferior a 70 µm, salvo para los revestimientos electrodepositados. Ahora, la nueva versión de la norma ha eliminado este caso, con lo que el espesor mínimo pasa a ser 70 µm independientemente de la forma de aplicación del revestimiento.

Los tubos se revisten interiormente con mo rtero de cemento de alto horno. Para la fabricación de dicho mortero se utiliza agua, cemento y arena. Hasta ahora, la exigencia que se pedía al agua utilizada para el mortero era que fuera agua potable o de calidad comparable. Ahora, dicha exigencia es más estricta, ya que el agua deberá cumplir la Directiva de Agua Potable 98/83/CE.

8. Tablas de dimensiones

Se produce un cambio completo de las tablas de dimensiones. Desaparecen las clases K que existían hasta el momento, y aparece unas nuevas clases que atienden al aspecto funcional de los tubos. Se definen unas clases preferenciales en función de los distintos diámetros. Se reducen los espesores mínimos y desaparecen los espesores nominales y sus tolerancias, rigiéndose ahora por espesores mínimos.

Según la anterior norma UNE-EN-545: 2007, las tuberías de fundición se denominaban según la clase de espesor K. La fórmula general para establecer el espesor de una tubería en función de la clase de espesor K era: e = K.(0,5+0,001.DN), con e y DN en mm.

La nueva normativa sustituye las clases de espesor K por las nuevas clases de presión C. Tal como recoge la nueva versión de la norma UNE-EN 545:2011, los tubos podrán ser C20, C25, C30, C40, C50, C64, C100. En función del DN y la clase de presión elegida se define el espesor mínimo de los tubos. Este cambio modifica la definición existente y tradicional de las tuberías de fundición dúctil. El número adimensional que acompaña a la C se corresponde con la presión de funcionamiento admisible (PFA) del tubo. La presión máxima admisible (PMA, presión máxima considerando el golpe de ariete) y la presión de ensayo admisible (PEA, presión máxima de prueba en zanja) no cambian su definición:

PMA = 1,2 x PFA PEA = PMA + 5

Por ejemplo, con una tubería de fundición dúctil C30, su PFA son 30 bar, con lo que su PMA será 36 y su PEA, 41 bar.

La PFA (presión de funcionamiento admisible) está determinada con un coeficiente de seguridad de 3. Esto supone, por lo tanto, que se conservan los márgenes de seguridad en presión que caracterizan a la fundición dúctil.

Clasificación de las clases de presión

Norma UNE-EN-545:2011 CLASE

20 CLASE

25 CLASE

30 CLASE

40 CLASE

50 CLASE

64 CLASE

100 Rango de presión (bar) 20-24,9 25-29,9 30-39,9 40-49,9 50-63,9 64-99,9 = 100

9. Evaluación de la conformidad

El anexo F de la versión 2007 que era informativo pasa al apartado número 9, y por tanto pasa a ser normativo. Se produce una ampliación del mismo, añadiendo y definiendo de forma más precisa cuando se deben realizar los ensayos de prestaciones iniciales. Establece la periodicidad de los controles que se realizan en fábrica.

Anexo A (Normativo) Presiones Admisibles

Se ven modificadas las tablas de presiones admisibles de los tubos, puesto que la fórmula de cálculo se mantiene y se produce una reducción de los espesores. Las fórmulas de cálculo de las diferentes presiones se mantienen idénticas a las que aparecen en la versión 2007. Las presiones de funcionamiento admisible de las clases preferenciales sufren una reducción frente a la clase K9.

Anexo B (Informativo) Resistencia de los tubos a flexión longitudinal

Las condiciones de cálculo se mantienen, pero en las tablas los valores sufren una reducción puesto que está directamente relacionado con el espesor del tubo.

Anexo C (Informativo) Rigidez diametral de los tubos

La ovalización diametral admisible de los tubos se calcula con la misma fórmula que en la versión 2007 de esta norma. Se produce un aumento en el límite del porcentaje de ovalización, tanto en comparación con la clase K9 como en comparación con la clase C40 de la anterior versión de la norma.

La fórmula de cálculo no sufre variaciones, pero se introduce un nuevo concepto que es “estiff “que es el espesor de la pared del tubo para el cálculo de la rigidez diametral en mm. Se produce una reducción de los valores de la tabla de rigidez diametral de los tubos, pues su cálculo está en proporción directa con el espesor de cálculo.

Anexo F (Informativo) Método de cálculo de tuberías enterradas, alturas de cobertura

Este anexo cambia de ser el anexo G a ser el anexo F al introducirse el anterior anexo F (aseguramiento de la calidad) dentro de la propia norma.

Se mantiene el método de cálculo de las alturas de cobertura, produciéndose una reducción en algunas alturas de cobertura debido a que están directamente relacionadas con el espesor de la tubería, pero no existen grandes modificaciones puesto que los límites de ovalización se han aumentado, característica que también influye de una forma directa en la resistencia mecánica de los tubos.

Dimensiones de tuberías. EN 545:2010. (Tabla 17 del apartado 8 de la norma UNE EN 545:2010)

DN Diámetro exterior DE

mm Mínimo espesor de pared e

mm

Nominal Tolerancia Clase 20 Clase 25 Clase 30 Clase 40 Clase 50 Clase 64 Clase 100 mm 80 98 1/-2,7 3,0 3,5 4 4,7 100 118 1/-2,8 3,0 3,5 4 4,7 125 144 1/-2,8 3,0 3,5 4 5,0 150 170 1/-2,9 3,0 3,5 4 5,9 200 222 1/-3,0 3,1 3,9 5 7,7 250 274 1/-3,1 3,9 4,8 6,1 9,5 300 326 1/-3,3 4,6 5,7 7,3 11,2 350 378 1/-3,4 4,7 5,3 6,6 8,5 13,0 400 429 1/-3,5 4,8 6,0 7,5 9,6 14,8 450 480 1/-3,6 5,1 6,8 8,4 10,7 16,6 500 532 1/-3,8 5,6 7,5 9,3 11,9 18,3 600 635 1/-4,0 6,7 8,9 11,1 14,2 21,9 700 738 1/-4,3 6,8 7,8 10,4 13,0 16,5 800 842 1/-4,5 7,5 8,9 11,9 14,8 18,8 900 945 1/-4,8 8,4 10,0 13,3 16,6 1000 1048 1/-5,0 9,3 11,1 14,8 18,4

Las clases de presión preferentes indicadas en la norma son las siguientes:

Clase de presión preferente según UNE-EN-545: 2011

C40 DN 60-300 C30 DN 350-600 C25 DN 700-2000

Los diámetros exteriores se mantienen, y se siguen definiendo mediante su valor y su tolerancia. De este modo se asegura la interconexión con anteriores tuberías, así como con los accesorios que no sufren ninguna modificación en su diseño. Puesto que los Diámetros Exteriores (DE) se mantienen iguales respecto a la anterior UNE EN 545, la campana y la junta no sufre ninguna modificación de diseño y mantienen sus prestaciones.

En la tabla comparativa se puede contrastar a que clases de presión pertenecerían las antiguas K9 y K7 en función de sus diámetros y sus espesores.

Comparativo de presiones UNE-EN-545:2007 y UNE-EN-545:2010

DN

COMPARATIVO CLASE K9 COMPARATIVO CLASE K7

ESPESOR METAL

NOMINAL

EQUIVALENCIA CLASE C

ESPESOR METAL

NOMINAL

EQUIVALENCIA CLASE C

80 6,00 C100 4,06 C100 100 6,00 C100 4,20 C100 125 6,00 C64 4,37 C64 150 6,00 C64 4,55 C64 200 6,30 C64 4,90 C64 250 6,80 C50 5,25 C50 300 7,20 C50 5,60 C50 350 7,70 C50 5,95 C50 400 8,10 C40 6,30 C40 450 8,60 C40 6,65 C40 500 9,00 C40 7,00 C40 600 9,90 C40 7,70 C40 700 10,80 C30 8,40 C30 800 11,70 C30 9,10 C30 900 12,60 C30 9,80 C30 1000 13,50 C30 10,50 C30

Referencias y normativa - Guía Técnica sobre tuberías para el transporte de agua a presión. CEDEX. - Pliego de prescripciones técnicas generales para tuberías de abastecimiento de agua (OM 28 de julio

de 1974). - -Pliego de prescripciones técnicas generales para tuberías de saneamiento de poblaciones (OM 15 de

septiembre de 1986). - Agua y Hierro: Canalizaciones de fundición dúctil. Saint-Gobain Canalización. - UNE-EN 545: Tubos y accesorios en fundición dúctil y sus uniones para canalizaciones de agua.

Prescripciones y métodos de ensayo. - UNE EN 598: Tubos, accesorios y piezas especiales de fundición dúctil y sus uniones para el

saneamiento. Prescripciones y métodos de ensayo. - UNE-EN 805: Abastecimiento de agua. Especificaciones para las redes exteriores a los edificios y

sus componentes. - UNE-EN 1610: Instalaciones y pruebas de acometidas y redes de saneamiento. - UNE-EN 681-1: Juntas elastoméricas. Requisitos de los materiales para juntas de estanquidad de

tuberías empleadas en canalizaciones agua y en drenaje. - UNE EN ISO 9001: Sistemas de gestión de la calidad. Requisitos.

- UNE EN ISO 14001: Sistemas de gestión medioambiental: Especificaciones y directrices para su utilización.

- ISO 2531: Tubos, uniones y piezas accesorias en fundición dúctil para canalizaciones con presión. - ISO 8179-1: Tubos de fundición dúctil. Revestimiento externo de Cinc. Parte 1: Zinc metálico y

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