Para poder entender el concepto de empuje por presión, podemos tomar un cilindro hidráulico, con un resorte en su interior, como referencia de un fuelle simple, diseñado para un movimiento axial. La fuerza sobre los accesorios o anclajes de tubería “F” = (área efectiva del fuelle) x (presión de operación). El pistón hidráulico representa el efecto del empuje por presión que puede ejercer la junta de expansión sobre los anclajes de tubería o limitadores del empuje por presión (bisagras, cardanes, tensores) que pueden formar parte de la estructura de la junta de expansión. El área del cilindro hidráulico sería el área efectiva del fuelle.

Todo elemento flexible montado en un sistema de tubería, sea un fuelle, un cuerpo esferoidal en caucho o una tela hermética, sometido a presión interna, tiende a estirarse generando una fuerza que se conoce como fuerza de reacción por presión. Esto no es más que el principio de Pascal.

Esta fuerza equivale al producto de la presión por el área media del elemento flexible:

Frp = P x A

Esta fuerza debe ser contenida, en un sistema de tuberías, por soportes fijos con cero grados de libertad o puntos fijos. Cuando una junta de expansión tiene estructura externa, tipo tensores, bisagras o cardanes, son estos los encargados de contener esta fuerza.

El efecto que produce la presión interna, corresponde a un empuje denominado fuerza de reacción por presión (FRP) que se crea mediante la instalación de un elemento flexible en una línea de tubería, tal como una junta de expansión, en un sistema de tuberías rígido que está sometido a presión. La fuerza de empuje de presión es función de la presión del sistema y del diámetro medio del fuelle. En los casos de presión interna o positiva, los fuelles se ven obligados a extenderse en longitud mientras que lo contrario se observa en casos de presión externa o negativa. Esta fuerza se transmite desde los extremos de la junta de expansión a lo largo de la tubería.

La fuerza se transmite con igual intensidad en todas las direcciones.

Así como la presión actúa internamente en un recipiente cilíndrico, con sus extremos cerrados, aparecerá una tensión en las paredes longitudinales del recipiente producida por la fuerza de reacción por presión (FRP) como se muestra en la figura. Como en cualquier cuerpo cilíndrico con elemento móvil, no tiene una resistencia longitudinal. La fuerza longitudinal FRP, tenderá a alejar las partes hasta separarlas, como ocurre por ejemplo en un émbolo. Una situación similar se produce si unimos las partes móviles con un fuelle soldado.

La fuerza de reacción por presión FRP, está dada por la siguiente ecuación:

FRP = p * A f

FRP = p * π/4 * (d + h)^2

Donde: FRP = Fuerza de reacción por presión

p = Presión interna

A= Área interna de la sección transversal

d=Diámetro externo de la tubería

h=Altura de la onda

*** (d+h) Diámetro medio del fuelle

Existen diversas maneras de contener la transmisión de la fuerza de reacción por presión o evitar que la junta se expanda. Las medidas pueden ser:

  • Ubicar soportes fijos en los tramos de tubería a ambos lados de la junta. Se debe tener en cuenta la FRP al momento de dimensionar los soportes, ya que en algunas ocasiones esa fuerza puede ser muy alta.

  • Utilizar juntas de expansión con estructura que pueda resistir la fuerza. En este caso la FRP es contenida por la propia estructura, liberando los puntos fijos y/o equipos de esa carga. Es en este caso que la junta no trabajará axialmente, sino que puede deformarse principalmente en forma lateral.

  • El utilizar juntas de expansión auto compensadas, permite evitar el efecto de la FRP, mediante la utilización de un fuelle compensador.