DISEÑO DE DRENAJE URBANO MAYOR
INTRODUCCION
Para diseñar los elementos elementos de una red de drenaje es necesario necesario conocer el origen y la magnitud de los caudales máximos que pueden llegar a la red. Se hará hará una una desc descri ripc pció ión n de los los fact factor ores es que que gene genera ran n los los caud caudal ales es,, y se presentarán procedimientos de cálculo para la determinación de caudales. Sistema de drenaje pluvial que evacua caudales que se presentan con poca frecuencia y que además de utilizar el sistema de drenaje menor (alcantarillado pluvial), utiliza las pistas delimitadas por los sardineles de las veredas, como canales de evacuación. El drenaje urbano tiene por objetivo el manejo del agua de lluvia de la s ciudades para evitar daño en las edificaciones y obras públicas
FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FORMACION DE LOS CAUDALES Son básicamente dos, factores de la lluvia y factores de la cuenca.
La Duración ( t ) es el período de análisis. Las lluvias de corta duración, conocidas también como tormentas, son eventos que por lo general tienen duraciones entre 5 minutos y 24 horas, y se utilizan para el cálculo de crecientes.
La Intensidad ( i ) se define como el volumen de precipitación por unidad de tiempo. Se expresa en milímetros por hora (mm/h).
La Frecuencia ( f ) es una medida de la probabilidad de ocurrencia de eventos mayores o iguales que el que se analiza. Generalmente se relaciona con el período de retorno (Tr).
El Suelo y su uso tienen importancia en lo que hace relación con la capacidad de infiltración y con los estimativos de evapotranspiración. La Capacidad de regulación por almacenamiento tiene que ver con los tipos de almacenamiento que predominan en la cuenca; por ejemplo, concentrados en embalses, o repartidos en las corrientes de drenaje o en los depósitos subterráneos.
OBRAS DE DRENAJE. El objetivo de las obras de drenaje es el de conducir las aguas de escorrentía, o de flujo superficial, rápida y controladamente hasta su disposición final. En su diseño existen tres componentes básicas: Entrada a la red de drenaje, Conducción, Entrega al dispositivo final. Las condiciones de diseño de estas componentes dependen de las características propias de cada sistema de drenaje.
TIPOS DE SISTEMA DE DRENAJE URBANO. El drenaje urbano de una ciudad está conformado por los sistemas de alcantarillado, los cuales se clasifican según el tipo de agua que conduzcan; así tenemos:
Sistema de Alcantarillado Sanitario .- Es el sistema de recolección diseñado para llevar exclusivamente aguas residuales domésticas e industriales.
Sistema de Alcantarillado Pluvial .- Es el sistema de evacuación de la escorrentía superficial producida por las lluvias. •
Componentes de un sistema de alcantarillado pluvial
Un sistema de alcantarillado pluvial está constituido por los siguientes componentes Conjunto cordón – cuneta. Boca de tormenta. Cámara de conexión. Tubería de conexión. Cámara de inspección. Colectores secundarios. Colector principal.
2
3
1
4
1.
Cuneta
2.
Cordón de acera
3.
Boca de tormenta
4.
Cámara de conexión
5.
Tubería de conexión
5
Fig. Componentes de un sistema de alcantarillado pluvial
CONSIDERACIONES BÁSICAS DE DISEÑO: a) Los caudales para sistema mayor deberán ser calculados por los métodos del Hidrograma Unitario o Modelos de Simulación. El Método Racional sólo deberá aplicarse para cuencas menores de 13 Km2. b) El Periodo de Retorno no debe ser menor de 25 años. c) El caudal que no pueda ser absorbido por el sistema menor, deberá fluir por calles y superficie del terreno. d) La determinación de la escorrentía superficial dentro del área de drenaje urbano o residencial producida por la precipitación generada por una tormenta referida a un cierto periodo de retorno nos permitirá utilizando la ecuación de Manning determinar la capacidad de la tubería capaz de conducir dicho caudal fluyendo a tubo lleno. (Ver gráfico No 2)
V
R
2 3
S
=
12 ⇒
n
Q
=
V ⋅ A
⇒
Q
AR
2 3
S
12
=
n
Donde: V= Velocidad media de desplazamiento (m/s) R= Radio medio hidráulico (m) S= Pendiente de la canalización n= Coeficiente de rugosidad de Manning. A= Sección transversal de la canalización (m2) Q= Caudal (Escorrentía superficial pico) (m3/s) e) Para reducir el caudal pico en las calles, en caso de valores no adecuados, se debe aplicar el criterio de control de la descarga mediante el uso de lagunas de retención (Ponding) f)
Las Lagunas de Retención son pequeños reservorios con estructuras de descarga regulada, que acumulan el volumen de agua producida por el incremento de caudales pico y que el sistema de drenaje existente no puede evacuar sin causar daños.
g) Proceso de cálculo en las Lagunas de Retención. Para la evacuación del volumen almacenado a fin de evitar daños en el sistema de drenaje proyectado o existente, se aplicarán procesos de cálculo denominados Tránsito a través de Reservorios. h) Evacuación del Sistema Mayor. Las vías calle, de acuerdo a su área de influencia, descargarán, por acción de la gravedad, hacia la parte más baja, en donde se preverá la ubicación de una calle de gran capacidad de drenaje, denominada calle principal o evacuador principal.
EL MÉTODO RACIONAL Este método establece que el caudal superficial producido por una precipitación es:
Q = 0.278 C i A Donde: Q = Caudal superficial (L/s) C = Coeficiente de escorrentía ( adimensional ) i = Intensidad promedio de la lluvia (L/s Ha) A = Area de drenaje (Ha) Este método según nuestro reglamento esta condicionado al área de la cuenca a drenar la cual tendrá que ser menor a 13 km 2 de lo contrario se utilizarán otros métodos especificados en el reglamento •
Área de drenaje (A ) Puede ser estimada trazando diagonales o bisectrices por las manzanas y planimetreando las respectivas áreas referentes a cada colector.
•
Intensidad de lluvia
La intensidad de lluvia que se adopta en el cálculo del caudal para los proyectos, se determinará con el tiempo de concentración ( Tc ).
•
Frecuencia de lluvia
La frecuencia de las precipitaciones es el tiempo en años en que una lluvia de cierta intensidad y duración se repite con las mismas características
•
Duración de lluvia Tc = Te + Tp Donde:
Tc = Tiempo de concentración ( min )
Te = Tiempo de entrada ( min )
Tp = Tiempo en el colector ( min )
•
Coeficiente de escorrentía ( C )
Coeficiente que indica la parte de lluvia que escurre superficialmente
•
Periodo de Retorno :
Periodo de retorno de un evento con una magnitud dada es el intervalo de recurrencia promedio entre eventos que igualan o exceden una magnitud especificada. •
Tiempo de Concentración
Es definido como el tiempo requerido para que una gota de agua caída en el extremo más alejado de la cuenca, fluya hasta los primeros sumideros y de allí a través de los conductos hasta el punto considerado. El tiempo de concentración se divide en dos partes: el tiempo de entrada y el tiempo de fluencia. La pendiente de los colectores, siempre que sea posible, deberá ser igual a la del terreno. No obstante, para emplear secciones de menores dimensiones, pueden ser adoptadas inclinaciones mayores que la del terreno. •
Orientación del Flujo En el diseño de pistas se deberá prever pendientes longitudinales (Sl) y transversales (St ) a fin de facilitar la concentración del agua que incide sobre el pavimento hacia los extremos o bordes de la calzada Las pendientes a considerar son: Pendiente Longitudinal (S l) > 0,5% Pendiente Transversal (St) de 2% a 4%
•
Captación y Transporte de aguas Pluviales de calzada y aceras La evacuación de las aguas que discurren sobre la calzada y aceras se realizará mediante cunetas, las que conducirán el flujo hacia las zonas bajas donde los sumideros captarán el agua para conducirla en dirección a las alcantarillas pluviales de la ciudad. a) Las cunetas construidas para este fin podrán tener las siguientes secciones transversales Circular ,triangular ,trapezoidal, en V, etc
•
Clasificación de los sumideros -
•
Sumideros de ventana o acera Sumideros de reja o calzada Sumideros mixtos o combinado Sumideros especiales
Sumideros Laterales en Sardinel o Solera :
Este ingreso consiste en una abertura vertical del sardinel a través del cual pasa el flujo de las cunetas. Su utilización se limita a aquellos tramos donde se tenga pendientes longitudinales menores de 3%.
Sistema de Alcantarillado Combinado .- Es el sistema de alcantarillado que conduce simultáneamente las aguas residuales (domésticas e industriales) y las aguas de las lluvias.
SISTEMAS DE EVACUACIÓN : Gravedad, Bombeo, Mixto En nuestro caso usaremos el método por gravedad debido a la topografía del terreno
Sistema de Evacuación por Gravedad ( Reglamento OS. 060 ) a) En caso de descarga al mar, el nivel de agua en la entrega (tubería o canal) debe estar 1,50 m sobre el nivel medio del mar. b) En el caso de descarga a un río, el nivel de agua en la descarga (tubería o canal) deberá estar por lo menos a 1,00 m sobre el máximo nivel del agua esperado para un periodo de retorno de 50 años. c) En el caso de un lago, el nivel de evacuación del pelo de agua del evacuador o dren principal estará a 1,00 m, por encima del nivel del agua que alcanzará el lago para un periodo de 50 años. d) En general el sistema de evacuación debe descargar libremente (> de 1,00 m sobre los máximos niveles esperados), para evitar la obstrucción y destrucción del sistema de drenaje pluvial.
SUMIDERO LATERAL DE SARDINEL O SOLERA Sumideros de acera
Acera
Acera
Sin Depresión
Con Deflector
Con Depresión
SUMIDERO DE FONDO Sumideros de cuneta
Acera
Acera
Sin Depresión
Con Depresión
SUMIDERO DE MIXTO O COMBINADO Sumideros combinados de acera y cuneta
Sumidero múltiple de cuneta y acera
Acera
Acera
Con Depresión
UBICACIÓN DE LOS SUMIDEROS EN INTERSECCIÓN DE LAS CALLES
Sin Depresión
Un par de sumideros protege el cruce peatonal
Sumidero
1
Acera 2 Calle Cruce Peatonal
3
Planta
Alcantarilla Pluvial Sumidero
R = 1.80m T = 1.00m
T
R
ACERA
2 : 1
.10 .15
H
CUNETA TRIANGULAR
CUNETA SEGMENTAL R = 1.20m
T = 1.00m
T
ACERA .10
.15
. : 1 T . 2 P
12:1
CUNETA TRIANGULAR
CUNETA ASFÁLTICA 15 cm
T = 0.60m
ACERA .10
Igual base a la Requerida para Pavimento de Concreto
.15
CUNETA RECTANGULAR
CUNETA DE CONCRETO Piedras de 23 cm (mínimo)
T = 0.65m
ACERA .10
.15
7.5 cm de Lecho de Grava (mínimo)
CUNETA TRAPEZOIDAL
CUNETA DE CANTOS RODADOS 5 cm de Grama (mínimo)
H (cm)
T (m)
SEGMENTAL
Pendiente del Talud 2:1
16.5
1.50
ASFÁLTICA
12:1 & 2:1
12.5
2.10
CUNETA
10 cm de Greda (mínimo)
CUNETA DE GRAMA
H
EJERCICIO APLICATIVO 1) diseñar el sistema de drenaje urbano de la lotización mostrada en el esquema para las siguientes consideraciones: a) Se hará el diseño de las cunetas, sumideros y otras estructuras de drenaje urbano mayor solo para la parte superior triangular del plano de trazado y lotizacion que se muestra. b) Considerara para el edificio una intensidad de lluvia en la zona de 12 mm/dia,. c) Toda la zona tiene un coeficiente de escorrentía de 0.45, a excepción de las áreas que descargan en los tramos 7-8, 8-9, 9-10, los cuale tiene un coeficiente igual a 0.60 d) Utilice la frecuencia de diseño y tiempo de concentración que establece el reglamento de drenaje del Perú. e) Considere para el calculo del tiempo de concentración que la distancia de recorrido no debe sobrepasar los 50 mt.
Solución Distribuimos las áreas como si fuera área tributaria para cada uno de los tramos : Para Tramo 1 -2 • 100*100/6= 1666.67m 2 = 0.00167Km 2 Para Tramo 1- 3 • 100*100/6= 1666.67m 2 = 0.00167Km 2 Para Tramo 2 -3 • 100*100/6 + 2500 = 4166.67m 2 = 0.004167Km 2 Para Tramo 2 -4 • 2500 = 0.0025Km 2 Para Tramo 3 -5 • 100*100/6 + 2500 = 4166.67m 2 = 0.004167Km 2 Para Tramo 4 - 5 • 2500 *2 = 0.005Km 2 Para Tramo 3 -6 1666.67m2 = 0.00167Km 2Km2 •
Para Tramo 5-6 100*100/6 + 2500 = 4166.67m 2 = 0.004167Km 2 •
Para Tramo 7 -8 2500 = 0.0025Km 2 Para Tramo 4 -7 • 2500 = 0.0025Km 2 •
Para Tramo 5 - 8 2500 *2 = 0.005Km 2 •
Para Tramo 6 -9 100*100/6 + 2500 = 4166.67m 2 = 0.004167Km 2 Para Tramo 8 -9 • 2500 = 0.0025Km 2 Para Tramo 9- 10 • 100*100/6= 1666.67m 2 = 0.00167Km 2 •
Hallamos S: Tramo 1 – 2 Tramo 1 – 3 Tramo 2 – 3 Tramo 2 – 4 Tramo 3 – 5 Tramo 4 – 5 Tramo 3 – 6 Tramo 5 – 6 Tramo 7 – 8 Tramo 4 – 7 Tramo 5 – 8 Tramo 6 – 9 Tramo 8 – 9 Tramo 9 – 10 Tramo 10 – E
( 42.55 – 42.20)/ 100 ( 42.55 – 42.10)/ 100 ( 42.20 – 42.10)/ 100 ( 42.20 – 42.10)/ 100 ( 42.10 – 41.74)/ 100 ( 41.75 – 41.74)/ 100 ( 42.1 – 41.72)/ 100 ( 41.74– 41.72)/ 100 ( 41.60 – 41.58)/ 100 ( 41.75 – 41.60)/ 100 ( 41.74– 41.58)/ 100 ( 41.72 – 41.68)/ 100 ( 41.68 – 41.58)/ 100 ( 41.68 – 39.81)/ 100 ( 39.81 – 36.55)/ 100
= 0.0035 = 0.00318 = 0.0010 = 0.0045 = 0.0036 = 0.0010 = 0.00268 = 0.002 = 0.0002 = 0.0015 = 0.0016 = 0.0004 = 0.001 = 0.0187 = 0.00326
POR CUMPLIR CON EL AREA MENOR A 13 KM2 SE UTILIZARA EL METODO RACIONAL EL CUAL
Q = 0.278 C i A Donde: Q = Caudal superficial (L/s) C = Coeficiente de escorrentía ( adimensional ) i = Intensidad promedio de la lluvia (L/s Ha) A = Area de drenaje (Ha)
Tramo 1 – 2 Q = 0.278 * 0.45 * 0.5 * 0.00167 Q = 0.10446 Lt/ Seg.
Tramo 1 – 3 Q = 0.278 * 0.45 * 0.5 * 0.00167 Q = 0.10446 Lt/ Seg. Tramo 2 – 3 Q = 0.278 * 0.45 * 0.5 * 0.00417 Q = 0.2608 Lt/ Seg.
Tramo 2 – 4 Q = 0.278 * 0.45 * 0.5 * 0.0025 Q = 0.1564 Lt/ Seg. Tramo 3 – 5 Q = 0.278 * 0.45 * 0.5 * 0.00417 Q = 0.2608 Lt/ Seg. Tramo 3 – 6 Q = 0.278 * 0.45 * 0.5 * 0.00167 Q = 0.10446 Lt/ Seg. Tramo 5– 6 Q = 0.278 * 0.45 * 0.5 * 0.00417 Q = 0.2608 Lt/ Seg. Tramo 4 – 7 Q = 0.1564 Lt/ Seg. Tramo 4 – 5 Q = 0.3127 Lt/ Seg Tramo 6 – 10 Q = 0.10446 Lt/ Seg Tramo 6 – 9 Q = 0.2608 Lt/ Seg Tramo 4 – 7 Q = 0.3127 Lt/ Seg Tramo 7 – 8 Q = 0.2085 Lt/ Seg Tramo 8 – 9 Q = 0.2085 Lt/ Seg Tramo 9 – 10 Q = 0.1393 Lt/ Seg Escogemos el tipo de cuneta triangular y aplicando la formula correspondiente hallaremos el tirante remplazando datos tenemos. Tramo 1 – 2 y = 0.0244 m. y = 2.44 cm. Tramo 1 – 3 y = 0.0248 m. Tramo 2 – 3
y = 2.48 cm.
y = 0.0435 m.
y = 4.35 cm.
Tramo 2 – 4 y = 0.0328 m.
y = 3.28 cm.
Tramo 3 – 5 y = 0.044 m.
y = 4.40 cm.
Tramo 3 – 6 y = 0.033 m.
y = 3.30 cm.
Tramo 5 – 6 y = 0.079 m.
y = 7.90 cm.
Tramo 4 – 7 y = 0.048 m.
y = 4.80 cm.
Tramo 4 – 5 y = 0.072 m.
y = 7.20 cm.
Tramo 6 – 10 y = 0.029 m.
y = 2.90 cm.
Tramo 6 – 9 y = 0.079 m.
y = 7.90 cm.
Tramo 5 – 8 y = 0.062 m.
y = 6.20 cm.
Tramo 7 – 8 y = 0.082 m.
y = 8.20 cm.
Tramo 8 – 9 y = 0.087 m.
y = 8.70 cm.
Tramo 9 – 10 y = 0.060 m.
y = 6.00 cm.
Tramo 10 – E y = 0.054 m.
y = 5.40 cm.
Tomamos para el diseño de la cuneta el mayor tirante.
y = 7.80 cm.
CONCLUSIONES •
•
como todas las pendientes son menores a 3 % en nuestro caso según reglamento se utilizaran sumideros laterales. No es necesario sumideros de fondo ya que el tirante no cumple con la condición.
•
Se deberá poner un buzón o colector en cada cambio de dirección o pendiente, según reglamento.
