Tubos de Concreto: La solución eficiente para drenajes viales en la Carretera Sullana – Trujillo

LOS TUBOS COMO COMPONENTES EN LOS SISTEMAS DE DRENAJE VIAL

Los tubos de concreto son uno de los materiales más utilizados en proyectos de drenaje vial debido a su capacidad para cumplir de manera eficiente con las solicitaciones hidráulicas necesarias para mantener el paso continuo del flujo que atraviesa la estructura del pavimento. Estos tubos no solo gestionan el paso del agua, sino que también mitigan los efectos erosivos propios del desplazamiento de un cuerpo de agua que, en sección reducida, incrementa la velocidad y fuerza del flujo.

En la actualidad, existe una variedad importante de conductos disponibles en el mercado. Estos conductos difieren entre sí por el tipo de material del que están compuestos, diámetros, longitud, peso, capacidades, entre otros aspectos técnicos que son evaluados por el responsable del diseño para seleccionar el tipo de conducto adecuado según las necesidades específicas del proyecto.

Las buenas prácticas de gestión de proyectos, basadas en la experiencia internacional, sugieren que los criterios para la selección del tipo de conducto en sistemas de drenajes viales deben incluir un análisis integral del proyecto, que abarque las exigencias hidráulicas, las condiciones geotécnicas, medioambientales, estructurales y los plazos de ejecución, entre otros criterios propios de cada proyecto. Además, el análisis debe contemplar la eficiencia de los conductos a lo largo de todas las fases del proyecto como son el diseño, la construcción, la operación y el mantenimiento. para garantizar su óptimo cumplimiento.

LAS NECESIDADES FUNCIONALES DEL CONDUCTO EN LOS DRENAJES VIALES

Los proyectos de infraestructura vial requieren sistemas de evacuación para los caudales de agua provenientes de las cuencas cercanas, a fin de garantizar su funcionalidad. Estas cuencas, que forman afluentes, deben ser adecuadamente encauzadas y sus aguas derivadas por conductos que deberán cruzar las vías de manera controlada, evitando que su volumen, velocidad o composición puedan afectar la estructura del terraplén y del pavimento. Los sistemas de drenaje, tratándose de estructuras que se integran a la vía, deberán soportar tres condiciones clave: las cargas de relleno de tierra, las cargas de tránsito vehicular y la exposición a la intemperie.

En particular, las vías de la costa norte del Perú, presentan condiciones ambientales diversas que impactan la funcionalidad de los sistemas de drenaje. Entre los factores a considerar en proyectos de esta zona, se deben tomar en cuenta al menos las siguientes características:

• Suelos de fundación inestables y reducida disposición de material de cantera.
• Niveles freáticos superficiales y/o alta probabilidad de inundación.
• Altos niveles de concentración de sales y sulfatos en suelo y/o agua.
• Topografía plana y espesor reducido de relleno sobre la alcantarilla.

A partir de estos factores, se pueden inferir algunos riesgos asociados a las alcantarillas, como:

• Deformación de la sección del conducto debido a la inestabilidad del suelo de fundación y/o sobrecarga con espesores de relleno reducidos.
• Desplazamiento de su posición en la vía debido al alto potencial de flotabilidad.
• Susceptibilidad al deterioro por la presencia de agentes contaminantes o vandalismo.

Bajo estos escenarios, los tubos de concreto reforzado (TCR) cobran mayor relevancia frente a otros materiales, gracias a sus propiedades mecánicas y estructurales, que lo diferencian de otros tipos de tuberías. Además, al ser prefabricados, facilitan la ejecución de los proyectos de manera eficiente, lo que se traduce en una reducción de los tiempos de ejecución, una optimización del uso de mano de obra y una disminución de los desperdicios, en comparación con los conductos fabricados in situ.

Un caso de éxito de la aplicación de tubos de concreto reforzado (TCR) se observa en un proyecto vial en la provincia de Pacasmayo – La Libertad

APLICACIÓN DE TUBOS DE CONCRETO REFORZADO EN EL PROYECTO DE LA “Segunda Calzada de la Autopista del Sol Tramo Trujillo – Sullana”.

Este proyecto corresponde a la construcción de la segunda calzada de la Autopista del Sol, administrado por la Concesionaria Vial del Sol S.A.

Las alcantarillas viales están formadas por Tubos de Concreto Reforzado (TCR) en aproximadamente 9 km de conductos, como parte de los sistemas de alcantarillado vial del proyecto.

FASE DE DISEÑO

Durante esta fase, se evaluó el cumplimiento de tres condiciones clave que deben cumplir las tuberías que conforman los drenajes viales:

A. La capacidad hidráulica

El conducto debe mantener su sección hidráulica de 1 m. de manera constante durante toda su vida útil, evitando que se modifique el desempeño hidráulico del conducto debido a la deformación de la tubería. Gracias a su rigidez los TCR aseguran secciones hidráulicas constantes durante toda la operación del conducto.

B. La capacidad estructural

Como en la mayoría de proyectos viales en la costa del país, la topografía plana determina que los espesores de relleno sobre los conductos hasta la superficie de rodadura sean mínimos. En este caso particular, los espesores de relleno promedio no superan el metro, lo que genera una mayor exigencia estructural sobre los tubos para resistir las cargas de tránsito vehicular pesado con un espesor de relleno reducido. Este escenario, incrementa el impacto de la carga dinámica sobre el tubo, al no existir un espesor de relleno importante que permita disipar la carga vehicular.

Los TCR, debido a su capacidad de carga considerablemente superior a cualquier otro tipo de tubería, pueden soportar hasta 90% de las cargas aplicadas (relleno o tránsito) por sí mismos, sin depender de la rigidez que pueda aportar el suelo de relleno. Para este proyecto, se utilizó un diseño estructural específico para los conductos, lo que permitió obtener resultados similares a los de un tubo de concreto reforzado de clase IV (NTP 339.038-2022).

C. La durabilidad del conducto

El conducto al formar parte de la estructura de un terraplén no está expuesto directamente al nivel de agresividad propio del suelo natural. Sin embargo, durante todo el año estará expuesto a altos niveles de radiación UV y cambios de temperatura.

Además, para el nivel de importancia que representan las vías de primer orden, las alcantarillas deben prestar garantías de largos periodos de vida útil, con mínimos costes de mantenimiento. En este sentido, los TCR están fabricados con concreto de baja relación agua-cemento, por lo que el grado de permeabilidad es mínimo y su durabilidad mayor.

La naturaleza del concreto reforzado garantiza que la geometría del tubo se mantendrá estable durante toda su vida útil, eliminando el riesgo de cambios volumétricos por temperatura o cristalización debido a la radicación, problemas comunes en los conductos plásticos.

Se ha estimado a través del código 201.2R del ACI, que el tiempo de vida útil mínimo de un tubo de concreto es de 70 años. La experiencia en sistemas de drenaje con TCR a nivel mundial sugiere que la vida útil puede superar los 100 años.

Finalmente, el análisis de las condiciones del proyecto ha dado lugar a las siguientes características técnicas del TCR:

Geometría

Concreto

Acero de refuerzo

FASE DE CONSTRUCCIÓN

La eficiencia constructiva

Los TCR han permitido que los conductos de drenaje vial, puedan ser ejecutados en plazos muy cortos, que han permitido reducir hasta un 75% los plazos comparados con sistemas de drenaje construidos in situ. Esto se debe a que en los drenajes de construcción in situ, las actividades o partidas son variadas y secuenciales, así por ejemplo en el caso de alcantarillas tipo cajón tradicionales, la secuencia de partidas inicia con excavación, armadura de losa de fondo, encofrado de losa de fondo y vaciado de concreto de losa de fondo, adicionalmente se necesita los plazos de espera de la fragua del concreto para continuar con las partidas de muros y losa superior así como con los rellenos controlados y la estructura del pavimento.

Por lo contrario, el trabajo con TCR implica la excavación, la instalación del tubo, el relleno y la estructura del pavimento. Aprovechando las bondades estructurales del tubo, los frentes de construcción podrán aperturarse y liberarse de manera ágil y controlada.

Asimismo, para la partida de instalación de los TCR, no se requiere de equipos o maquinaria especial, pues se empleó la excavadora sobre orugas que también forma parte de la maquinaria de excavación, esto permite eliminar gastos adicionales para la instalación de los prefabricados y reducir la variabilidad de recursos en obra.

Adicionalmente, considerando que la instalación de prefabricados no requerirá de encofrados, el volumen de excavación en zanjas se puede optimizar hasta en un 30%, esta optimización también se ve reflejada en las actividades de relleno controlado.

Por otro lado, la cantidad de personal promedio para ejecutar las alcantarillas se ha optimizado en un 70%, pues se ha pasado de necesitar 20 personas para cumplir las actividades propias de las partidas de ejecución de alcantarillas cuadradas convencionales, (encofrados, vaciados de concreto, acero de refuerzo, entre otros) a un máximo a 6 personas para ejecutar las partidas propias de alcantarillas con TCR prefabricados.

Sostenibilidad ambiental

La construcción con TCR ha permitido que se reduzcan los volúmenes de desechos de construcción en un 100%. Asimismo, se ha prescindido del uso de madera como material de encofrado y se optimiza el agua como insumo para elaborar el concreto a través de la optimización de la relación agua-cemento; reduciendo el consumo de recursos naturales para la construcción.

Además, los TCR son despachados listos para su instalación, que a diferencia de la construcción de alcantarillas in situ en este proyecto vial, se necesita del traslado de materiales, equipos, maquinaria y personal a cada ubicación de alcantarillas, lo que representa la reducción del impacto en la generación de la huella de carbono como consecuencia de las actividades propias de la construcción tradicional.

FASE DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

Se espera que la fase operación, en condiciones regulares de uso del proyecto, dure por lo menos 70 años. La experiencia en países de primer mundo, sugiere que el porcentaje de tuberías que requieren alguna intervención de reparación o mantenimiento representan el 0.3% del total.

Por otro lado, considerando la alta probabilidad de mantenimientos periódicos que comprenderán el retiro de ramas, palizadas o cuerpos voluminosos, el trabajo en el interior de TCR, será bajo condiciones seguras, pues el concreto armado garantiza que el personal y los equipos no estarán expuestos a riesgos de colapso abrupto, propio de tuberías flexibles. Esto evitará que se produzcan accidentes laborales con pérdidas de salud humana y materiales.