Impacto de los proyectos del Instituto

Falla en tubos de concreto presforzado del Sistema Cutzamala

La rotura de un tubo de concreto presforzado y la identificación de otros dos debilitados por corrosión en el tramo a gravedad del Sistema Cutzamala, evidenciaron la necesidad de llevar a cabo estudios para evaluar y controlar el riesgo de falla de las tuberías de la fuente de abastecimiento de agua potable más importante del valle de México.

A solicitud de la Gerencia Regional de Aguas del Valle de México, el Instituto de Ingeniería realizó un estudio multidisciplinario, en el que participaron las coordinaciones de Ingeniería Mecánica, Térmica y de Fluidos, de Mecánica Aplicada y de Estructuras y Materiales. Los objetivos del estudio fueron los siguientes:

• Analizar el funcionamiento hidráulico y hacer mediciones en campo para evaluar la posibilidad de que presiones extremas por condiciones transitorias hayan sido la causa importante del rompimiento del tubo.

• Identificar el estado del arte de las tecnologías para inspección y evaluación de acueductos de concreto presforzado.

• Elaborar modelos estructurales para calcular esfuerzos en tubos deteriorados por distensión.

La revisión del funcionamiento hidráulico confirmó que, en el tramo en estudio, no es posible realizar maniobras de obstrucción al flujo que generen fluctuaciones de presión por golpe de ariete. Tampoco hay evidencia de que la falla del tubo pueda asociarse con variaciones de presión por la presencia de aire acarreado por el flujo, ya que en las mediciones realizadas durante la operación a flujo estable sólo se observaron fluctuaciones de presión de muy baja intensidad.

Por otro lado, las técnicas mejor documentadas y probadas para inspección y evaluación de acueductos de concreto presforzado son: inspección por interacción de campos magnéticos y monitoreo acústico

En el primer caso, se trata de una técnica que aporta información muy confiable y precisa sobre ubicación y número de espiras rotas en la estructura de los tubos, pero que requiere vaciar el conducto. Con la segunda técnica, no se requiere la suspensión del servicio; sólo es necesario realizar inserciones en la tubería para instalar hidrófonos con los que es posible obtener una buena precisión de la ubicación de las secciones con espiras en proceso de distensión.

Adicionalmente, las pruebas de laboratorio realizadas al acero de presfuerzo y al concreto mostraron que los materiales utilizados para la construcción de los tubos cumplen con los estándares de resistencia de materiales típicos, por lo que las fallas ocurridas no pueden ser atribuidas a una mala fabricación de la tubería. De esta manera, se confirmó que la corrosión del alambre de presfuerzo es la única causa de la falla del tubo.

Los modelos planos de elementos finitos del tubo mostraron que, cuando se tienen confinamiento del suelo en todo el perímetro, los esfuerzos de tensión en el concreto del forro interior se alcanzan para mayores valores de presión interna, mientras que los esfuerzos en la lata de acero siempre permanecen por abajo del límite de fluencia del material.

Los modelos tridimensionales de elementos finitos muestran, para tubos con características similares a los del Sistema Cutzamala, que si el alambre de presfuerzo presenta espiras rotas en secciones con 35 cm de longitud, apenas se logra la falla por tensión del concreto del forro exterior, lo cual no implica la rotura de la tubería. Por otro lado, a partir de longitudes de aproximadamente 73.5cm con rotura de espiras, es de esperarse la falla del concreto y de la lata de acero, y en consecuencia, la falla completa del tubo. Las longitudes mencionadas pueden utilizarse como parámetros para determinar cuando un tubo debe ser reparado o, en su caso, sustituido.

En esta investigación colaboraron, por la Coordinación de Mecánica, Térmica y de Fluidos: Alejandro Sánchez Huerta, Eduardo Rodal Canales y Rafael Carmona Paredes, este último como responsable de la parte hidráulica y de los métodos de inspección no destructiva del proyecto; por la Coordinación de Estructuras y Materiales: Carlos Javier Mendoza Escobedo; y por la Coordinación de Mecánica Aplicada: Roberto Gómez Martínez, como responsable de la parte estructural del proyecto, y los becarios David Muñoz Vizuet y Ricardo Vera Ramírez.