Selección de la Resistencia y la Clase de Carga del Tubo de Hormigón: ¿Qué se Debe Comprobar en el Proyecto?

El número del que más se habla en una línea de infraestructura es el diámetro; sin embargo, el número que determina cuántos años durará la línea es la clase de resistencia. El tubo de hormigón soporta a la vez el peso del terreno que tiene encima, el tráfico que circula por la superficie y las solicitaciones derivadas del asentamiento del relleno. Dos tubos del mismo diámetro soportan cargas totalmente distintas porque su espesor de pared y su armadura son diferentes; y el mismo tubo se comporta de forma distinta cuando se instala con un tipo de cama de apoyo diferente. Por eso, la elección correcta no se hace consultando una única tabla, sino evaluando conjuntamente la profundidad de cobertura, la carga de tráfico, la geometría de la zanja y el tipo de cama de apoyo. En este artículo explicamos cómo trabaja el tubo de hormigón bajo carga, cuándo elegir tubo de hormigón sin armar y cuándo tubo de hormigón armado, y qué debe comprobarse exactamente en el proyecto.

¿Cómo Soporta la Carga una Tubería Enterrada?

Una tubería enterrada no soporta el suelo que tiene encima como una columna aislada, sino como un sistema que trabaja junto con el terreno circundante. Tan importante como la magnitud de la carga es el ancho sobre el que se distribuye y la forma en que lo hace sobre la tubería. Hay cuatro factores que determinan la carga que llega a la tubería:

• Carga de relleno: El peso de la tierra sobre la tubería. Aumenta con la profundidad de recubrimiento. Pero esta relación no es una simple multiplicación; en una zanja estrecha, las paredes de la zanja soportan por fricción parte de la carga, mientras que en una tubería en zanja ancha o bajo relleno libre este apoyo disminuye.
• Carga de tráfico: La carga de los vehículos que circulan por la superficie. Disminuye rápidamente con la profundidad, pero se convierte en la carga determinante en tuberías con poca cobertura. La sección más crítica de una tubería bajo una carretera no suele ser la más profunda, sino la más superficial.
• Carga de agua: El peso del agua en el interior del tubo y, en los tubos situados bajo el nivel freático, la presión del agua desde el exterior.
• Apoyo del lecho y del relleno lateral: El apoyo que proporcionan el lecho bajo la tubería y el relleno compactado a sus lados. Esto no reduce la carga aplicada, pero aumenta la capacidad de la tubería para soportar esa misma carga.

Bajo estas cargas, el tubo se somete a esfuerzo generando en su sección momentos de flexión y tensiones de tracción. Los puntos críticos son cuatro: la solera, la clave y los dos riñones. Bajo un apoyo insuficiente o una carga excesiva, el tubo se agrieta primero en sentido longitudinal; las grietas suelen originarse por el interior en la solera y la clave, y por el exterior en los riñones. Este patrón de fisuración es una herramienta de diagnóstico en obra: si hay una grieta longitudinal, el problema está casi siempre en la selección de la clase o en la ejecución del lecho de apoyo, no en la fabricación del tubo.

El rendimiento del tubo de hormigón se define dentro de la norma de producto TS EN 1916. La norma abarca la resistencia al aplastamiento (rotura) del tubo, las tolerancias dimensionales, la estanqueidad al agua, la hermeticidad de la junta con junta elastomérica y, en los tubos armados, el recubrimiento de la armadura; el fabricante declara estos valores. Para los pozos de registro, se aplica la TS EN 1917, de la misma familia; elegir el tubo y el pozo de registro de la misma familia garantiza que los elementos de conexión sean compatibles entre sí. Hemos tratado los elementos del pozo y la secuencia de montaje en nuestro artículo sobre elementos y montaje del pozo de registro.

¿Tubo de hormigón sin armar o tubo de hormigón armado?

La diferencia entre los dos productos es si la resistencia a tracción del hormigón resulta suficiente o no.

La tubería de hormigón sin armar soporta la carga únicamente con la resistencia del propio hormigón. Como el hormigón tiene una resistencia a compresión alta y una resistencia a tracción baja, la capacidad de carga de estas tuberías está limitada por el espesor de la pared y la calidad del hormigón. En diámetros pequeños y medios, a profundidades de recubrimiento razonables y colocada sobre una cama de apoyo correcta, es una solución económica y sólida. Las líneas de aguas pluviales, las acometidas a parcela, las pequeñas alcantarillas y los colectores de borde de carretera son aplicaciones típicas. En nuestra planta de Milas fabricamos tuberías de hormigón sin armar de Ø200 a Ø600; este rango corresponde a la zona en la que la tubería sin armar funciona de forma eficiente en infraestructuras.

El tubo de hormigón armado resiste los esfuerzos de tracción mediante la armadura de acero colocada en el interior de la pared. De este modo, el tubo sigue soportando la carga incluso después de fisurarse, y se genera un margen de seguridad claro entre la carga de fisuración y la carga de rotura. El tubo de hormigón armado es necesario en grandes diámetros, con recubrimientos profundos, bajo tráfico pesado y en trazados donde las condiciones del terreno son inciertas. A partir de Ø800, la armadura se convierte prácticamente en una necesidad: a medida que aumenta el diámetro, los momentos en la sección del tubo crecen con rapidez y una sección sin armar no puede resistirlos con un espesor de pared económico. Nuestra producción de tubo de hormigón armado abarca el rango de Ø800 a Ø2000.

Un orden práctico para la decisión es el siguiente:

1. Si el diámetro es Ø800 o superior, tubo de hormigón armado.
2. Si el diámetro es pequeño pero la profundidad de enterramiento es alta (colector profundo, cruce de arroyo, bajo relleno), tubo de hormigón armado.
3. Si el diámetro es pequeño y el enterramiento poco profundo pero circulan vehículos pesados por encima, tubo de clase alta; si el cálculo sigue resultando insuficiente, tubo de hormigón armado o cama de hormigón.
4. Si el diámetro es pequeño, el enterramiento razonable, el tráfico ligero o inexistente y la cama de apoyo puede ejecutarse correctamente, tubo de hormigón en masa.

Este orden no sustituye a un cálculo; muestra qué elemento es crítico. La decisión final se basa en el cálculo de cargas del proyecto y en el pliego de condiciones de la administración. El planteamiento de «mismo diámetro, mismo tubo», tan habitual en obra, es el error más costoso de todos: el diámetro es una magnitud hidráulica, mientras que la clase es una magnitud estructural.

Profundidad de Cobertura y Carga de Tráfico: El Peligro en Ambos Extremos

El aspecto más malentendido en la selección de tubos de hormigón es la suposición de que la profundidad actúa en una sola dirección. En realidad, tanto una cobertura muy superficial como una muy profunda conllevan su propio riesgo.

Recubrimiento escaso: La carga de tráfico se reparte y disminuye a medida que desciende desde la superficie. Cuanto menor es el espesor de recubrimiento, antes llega la carga al tubo sin que este reparto se complete, y la carga de la rueda incide casi directamente sobre el tubo. Además, en los tubos con poco recubrimiento el efecto dinámico, es decir, el coeficiente de impacto, es mayor. Cuando no puede garantizarse un recubrimiento suficiente bajo una vía, hay tres opciones: subir la clase del tubo, colocarlo sobre un lecho de hormigón o construir una losa de hormigón repartidora de cargas sobre el tubo. Un tubo con poco recubrimiento tiene además otro riesgo: quedar por encima de la profundidad de helada y verse afectado por ella.

Recubrimiento profundo: La carga de relleno aumenta con la profundidad. Pero lo que determina esto no es solo la profundidad, sino el ancho de la zanja y la forma del relleno. En una zanja estrecha, las paredes firmes de la zanja soportan por fricción parte del relleno y la carga que llega a la tubería disminuye; a medida que la zanja se ensancha, este apoyo desaparece y la carga sobre la tubería aumenta. El caso más severo es el de una tubería que no está en una zanja, sino sobre un terreno sobre el que se amontona relleno; en este caso, la columna de tierra sobre la tubería asienta menos que el terreno de al lado, y se transfiere una carga adicional a la tubería. Dos tuberías instaladas a la misma profundidad no soportan la misma carga si la geometría de la zanja es distinta.

En la práctica, en obra esto significa lo siguiente: no abra la zanja más ancha de lo necesario. Una zanja ancha no solo supone un mayor coste de excavación y relleno; también aumenta la carga que recibe el tubo. El ancho de la zanja debe ser el justo para poder compactar a ambos lados del tubo, ni más. Explicamos paso a paso la excavación de la zanja, la preparación de la cama y la instalación de la junta en nuestro artículo sobre la instalación de tubos de hormigón.

La clasificación de la carga de tráfico es un tema aparte. En una línea bajo una carretera no se tiene en cuenta qué vehículos circulan hoy, sino cuáles podrían circular. Una vía urbana que hoy solo ven turismos recibirá mañana un camión hormigonera, un camión de basura o un vehículo de bomberos. La misma lógica se aplica a las rejillas de drenaje y las tapas de registro; hemos recogido en una tabla las clases de carga de los elementos de superficie en nuestro artículo sobre drenaje de aguas pluviales.

Tipo de Cama de Apoyo: El Detalle Que Refuerza el Mismo Tubo

La capacidad de carga de un tubo no viene determinada solo por el producto en sí, sino por cómo está apoyado. En condiciones de ensayo, el tubo se somete a aplastamiento entre apoyos lineales; esta es la condición de apoyo más desfavorable que puede darse en obra. Si en obra el tubo se apoya a lo largo de la solera y en los riñones, ese mismo tubo puede soportar una carga de tierras notablemente superior a la carga de ensayo. El coeficiente que expresa esta mejora se denomina factor de apoyo, y aumenta cuanto más resistente es el tipo de cama.

Los tipos de cama de apoyo se ordenan de más débil a más resistente según la siguiente lógica:

• Fondo plano (sin cama de asiento): El tubo se coloca directamente sobre el fondo de la zanja. El apoyo queda casi puntual a lo largo de la generatriz inferior del tubo. Es el atajo más común y más perjudicial que se realiza en obra; somete al tubo a una carga cercana a las condiciones de ensayo.
• Cama granular: Se extiende arena-grava con un espesor determinado sobre el fondo de la zanja, el tubo se asienta sobre esta cama y se compacta de forma que envuelva la zona inferior del tubo. En los tubos con junta de enchufe y campana se abre además un nicho para la campana (collarín); si la campana se apoya sobre la cama, la carga se concentra en el collarín en lugar de repartirse por todo el cuerpo, y el tubo se agrieta a la altura del collarín.
• Lecho granular con relleno lateral compactado: Además del lecho granular, ambos lados de la tubería se rellenan y compactan en capas hasta la clave de la tubería. El relleno lateral impide que la tubería se deforme lateralmente y aumenta considerablemente su capacidad de carga.
• Cama de hormigón: La tubería se asienta sobre hormigón o se envuelve en hormigón cubriendo un ángulo de apoyo determinado. Proporciona la mayor capacidad. Se utiliza con poca profundidad de recubrimiento, bajo tráfico pesado, en terrenos débiles y en cruces de carreteras.

Lo que este orden significa en obra es lo siguiente: en lugar de comprar un tubo de una clase superior, suele ser más barato y más eficaz mejorar un grado el lecho de apoyo. El lecho de apoyo distribuye la carga del tubo en un ángulo amplio sobre la solera; esa carga repartida reduce el momento generado en la sección. Lo contrario también es cierto: si se coloca el tubo de la clase más alta sobre el fondo plano de una zanja, nunca se obtendrá en obra el rendimiento que cabría esperar de esa clase. La mayoría de los tubos rotos no son un fallo de producto, sino un fallo de lecho de apoyo.

La segunda función de la cama de apoyo es mantener la pendiente de la línea. Un tubo apoyado sobre un fondo blando o irregular se asienta de forma diferente tras el relleno; la pendiente de la línea se altera, se empiezan a acumular sedimentos en los puntos bajos y se forman puntos de obstrucción. La cama de apoyo es la columna vertebral de la línea, tanto en carga como en nivel.

La Relación entre Diámetro, Espesor de Pared y Clase

En un tubo de hormigón, tres magnitudes están vinculadas entre sí: el diámetro nominal, el espesor de pared y la clase de resistencia.

Cuanto mayor es el diámetro, mayor es la exigencia. Piense en la sección del tubo como un anillo: bajo la misma carga de tierras, cuanto mayor es el radio del anillo, más rápido crece el momento flector generado en la sección. Por eso un espesor de pared suficiente en un tubo Ø400 no es suficiente en uno Ø1000. A medida que aumenta el diámetro, aumentan tanto el espesor de la pared como la necesidad de armadura.

El espesor de la pared es la única baza de la tubería sin armar. En una tubería sin armar, la única forma de aumentar la capacidad de carga es engrosar la pared. Pero esto la hace más pesada, dificulta su manipulación y, a partir de cierto punto, deja de ser económico. Ese es el punto en el que se pasa a la tubería de hormigón armado.

La clase de resistencia es el valor declarado de la carga de aplastamiento que puede soportar el tubo. Según la norma TS EN 1916, este valor se define como la carga de aplastamiento que el tubo puede soportar por unidad de longitud y se relaciona con el diámetro nominal; es decir, dos diámetros distintos dentro de la misma clase soportan cargas absolutas diferentes. En la práctica se manejan dos valores: la carga de fisuración (la carga con la que se forma una fisura de un ancho determinado) y la carga de rotura (la carga con la que el tubo pierde su capacidad portante). En el tubo sin armar, ambos valores están muy próximos entre sí; el tubo pierde gran parte de su capacidad en el momento en que se fisura. En el tubo de hormigón armado, en cambio, al entrar en juego la armadura existe un margen claro entre la fisuración y la rotura. Esta es la verdadera seguridad que ofrece el tubo de hormigón armado: una fisura es una advertencia, no un colapso.

Indicar únicamente el diámetro al hacer un pedido equivale a plantear solo la mitad de la cuestión. Un pedido correcto incluye la siguiente información: diámetro nominal, clase de resistencia o carga de aplastamiento declarada, tipo de tubo (sin armar / armado), tipo de junta (de enchufe y campana con junta elastomérica, o de extremos lisos), longitud y, en su caso, requisitos especiales. La junta elastomérica es una cuestión aparte relativa a la estanqueidad; una unión inadecuada deja la línea con fugas, por muy resistente que sea el tubo.

Qué revisar en el proyecto: lista de comprobación

Para verificar la clase del tubo en un proyecto de infraestructura, se revisa la siguiente información en este orden:

1. Perfil longitudinal (sección): En él se lee la profundidad de recubrimiento en cada punto de la línea. El punto crítico no es solo el más profundo; se comprueban por separado tanto el punto más profundo como el más superficial. Los puntos superficiales son críticos por la carga de tráfico, y los profundos por la carga de relleno.
2. Sección tipo (detalle de zanja): Aquí se definen el ancho de la zanja, el tipo y el espesor del lecho de asiento, los materiales de relleno lateral y de relleno superior, y los grados de compactación. Un proyecto que no especifica el tipo de lecho de asiento es un proyecto en el que no se ha completado el cálculo de la clase de tubería.
3. Definición de la carga: La clase de carga de tráfico para las líneas bajo carreteras, y el tráfico de obra, si lo hay, para las líneas fuera de carretera. Durante la fase de obra, la maquinaria pesada que circule sobre la línea puede ser más pesada que la carga de servicio; para esta situación temporal debe planificarse una protección adicional.
4. Condiciones del terreno y del agua: El estudio geotécnico determina la capacidad portante, el nivel freático y la agresividad del terreno. Una tubería situada por debajo del nivel freático se evalúa además frente a la flotación y la presión exterior del agua. En las zonas costeras, el agua freática salina condiciona la composición del hormigón y el recubrimiento de la armadura.
5. Listado de tuberías y pliego de condiciones: Diámetro, clase, tipo y datos de unión para cada tramo de la línea. El pliego de la administración suele fijar también la clase mínima y el tipo de cama de apoyo; si hay diferencia entre el proyecto y el pliego, se aplica el requisito más exigente.
6. Pozos de registro y elementos de conexión: Elementos de pozo de registro de la misma familia normativa que la tubería, con juntas compatibles. Cuando la tubería y el pozo proceden de familias distintas, se obtiene una unión que hay que forzar en obra y que empieza a tener fugas durante el primer año.

Si falta cualquiera de estos seis elementos, la decisión de clase que se toma en obra se basa en conjeturas. Adivinar no tiene un lado barato: una clase sobredimensionada supone un coste innecesario, mientras que una clase infradimensionada significa volver a excavar la carretera unos años después.

Las Consecuencias de Elegir la Clase Incorrecta y el Suministro Adecuado

La historia en obra de una elección de clase insuficiente es casi siempre la misma. Se tiende la línea, se rellena, se pavimenta la vía y, durante los primeros meses, no se aprecia ningún problema. Como el tubo trabaja al límite de su capacidad, aparecen las primeras grietas longitudinales; mientras sean estrechas, la línea sigue funcionando. Con el tiempo, el agua se filtra al terreno a través de las grietas, o bien material fino del terreno entra en el tubo. El agua filtrada lava el relleno situado bajo el tubo y a su lado, creando huecos; a medida que disminuye el apoyo, el tubo sufre más tensión y la grieta crece. El resultado es primero un hundimiento en la superficie de la vía y después el colapso de ese tramo de la línea, con la consiguiente excavación y renovación. Como este ciclo se completa años después del error inicial, suele atribuirse al terreno o a la mala suerte; sin embargo, el origen es la decisión sobre la clase o el asiento tomada el día en que se tendió la línea.

Elegir una clase excesiva tiene consecuencias más leves, pero igualmente reales: coste innecesario, peso innecesario y una manipulación más difícil. Lo importante es poner la seguridad en el lugar correcto. Con el mismo presupuesto, mejorar un nivel el tipo de asiento en lugar de comprar una tubería de una clase superior compra más seguridad en la mayoría de las líneas.

Para resumir las tres decisiones erróneas más frecuentes:

• Tubería de clase estándar en un cruce superficial bajo carretera: Cuando la cobertura es insuficiente, la carga de tráfico incide directamente sobre la tubería. La solución es un lecho de hormigón o una losa de reparto de cargas.
• Insistir en tubería sin armar en grandes diámetros: La opción aparentemente económica produce una línea que se agrieta en el primer relleno. En grandes diámetros, la tubería de hormigón armado no es una preferencia, sino una necesidad.
• Tubo correcto, cama incorrecta: Un tubo de clase alta se coloca sobre el fondo plano de la zanja y el relleno lateral no se compacta. La capacidad declarada del producto nunca se alcanza en obra.

La elección correcta empieza con un fabricante que declare con claridad qué producto corresponde a cada clase. En Bodrum Boru, en nuestras instalaciones de 10.500 m² en Milas, fabricamos tubos de hormigón sin armar Ø200-Ø600 y tubos de hormigón armado Ø800-Ø2000, junto con los elementos de pozo de registro compatibles; para recibir asesoramiento sobre el diámetro, la clase y la cama de apoyo adecuados a la sección y las condiciones de carga de su proyecto, visite nuestra página de tubos de hormigón o nuestra página de contacto.

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