DISEÑO DE ALCANTARILLADO PLUVIAL URBANIZACION LA FLORIDA PAMPLONA NORTE DE SANTANDER
ELKIN ALFONSO GUTIERREZ HUGO TORRES SANCHEZ WILLIAM PATARROYO OSCAR JULIAN SUAREZ ALDER RIVERA ROMERO
LUIS FERNEL VIRACACHA ING CIVIL
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL 2012
INTRODUCCION En la mayoría de las ciudades se tiene la necesidad de evacuar las aguas de ll uvia pa ra evitar que se inunden las viviendas, los comercios, las industrias y otras áreas de interés. Por otra parte, la construcción de edificios, casas, calles estacionamientos y otros modifican el entorno natural en que habita el hombre y tiene como algunas de sus tantas consecuencias, la creación de superficies poco permeables (que favorece a la presencia de una mayor cantidad de agua sobre el terreno) y la eliminación de los cauces naturales (que reduce la capacidad de desalojo de las aguas pluviales y residuales).Así, la urbanización incrementa los volúmenes de agua de lluvia que escurren superficialmente, debido a la impermeabilidad de las superficies de concreto y pavimento. Por ello, las conducciones artificiales para evacuar el agua son diseñadas con mayor capacidad que la que tienen las corrientes naturales existentes y es a partir de esto que se utilizan los sistemas de alcantarillados pluviales. Una red de alcantarillado pluvial es un sistema de tuberías, sumideros e instalaciones complementarias que permite el rápido desalojo de las aguas lluvias para evitar posibles molestias e incluso daños materiales y humanos debidos a su acumulación o escurrimiento superficial. Su importancia radica específicamente en zonas con altas precipitaciones y superficies poco permeables. En el presente informe se relaciona de forma específica los criterios de diseño del alcantarillado pluvial de la urbanización “LA FLORIDA” Pamplona, basados en la normatividad y reglamentos vigentes del país (RAS 2000) y buscando de esta manera el mejoramiento de los servicios de saneamiento básico y el aumento en la calidad de vida de las personas.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Diseñar el sistema de alcantarilladlo pluvial de la urbanización LA FLORIDA en el municipio de Pamplona, teniendo en cuenta cada uno de los parámetros de diseño vistos en clase y los requerimientos establecidos en titulo D de la Norma RAS 2000 con el fin de brindar un sistema que cumpla con las necesidades de la población.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Permitir una rápida evacuación del agua pluvial de las vías públicas y así evitar la invasión a las propiedades.
Disminuir al máximo los daños que las aguas lluvias pueden ocasionar a la ciudadanía y las edificaciones en el entorno urbano.
Garantizar el normal desenvolvimiento de la vida diaria en la urbanización, permitiendo así un apropiado tráfico de personas y vehículos durante la ocurrencia de las lluvias.
DISEÑO DEL ALCANTARILLADO PLUVIAL
1. DESCRIPCION Y MARCO TEORICO Un alcantarillado de aguas lluvias está conformado por un conjunto de colectores y canales que se hacen necesarios para evacuar la escorrentía superficial producida por la lluvia. El diseño del alcantarillado pluvial se realizará en el departamento de Norte de Santander, en el Municipio de Pamplona en la parte media del Barrio “LA FLORIDA” se encuentra a una altura de 2600 metros sobre el nivel del mar. Sus suelos son propicios para el cultivo y ganadería; así mismo posee prados y bosques.
Caudal de Diseño. Para superficies menores de 1300 Ha se recomienda utilizar el método racional, debido a su simplicidad.
Q=C∗I∗A Donde: Q= C= I= A=
caudal superficial (L/s) coeficiente de escorrentía (adimensional) Intensidad promedio de la lluvia (L/s*Ha) Área de drenaje (Ha)
Área de Drenaje. El área de drenaje dentro de la ciudad se determina trazando diagonales o bisectrices por las manzanas y planimetrando las respectivas áreas aferentes a cada colector, teniendo en cuenta el sistema de drenaje natural según la topografía de la región.
Intensidad de la Lluvia. Para obtener el valor de intensidad de la lluvia en la aplicación del método racional es necesario definir la frecuencia de diseño de la lluvia y su duración; esto se obtiene analizando la información pluviográfica a nivel local o regional.
Nivel de complejidad del sistema. Dependiendo del nivel de complejidad del sistema, las autoridades locales deben definir el grado de protección, esto es, mínimo, aceptable o recomendado. En cualquier caso este grado de protección, o periodo de retorno debe ser igual o mayor al presentado en la tabla D.4.3. Sin embargo, en casos especiales en los cuales exista el peligro de vidas humanas, las autoridades locales pueden incrementar el grado de protección. Para nuestro diseño el nivel de complejidad del sistema es alto.
Frecuencia de la Lluvia. Para efectos de este diseño se tomará una frecuencia recomendada de 3 años según la tabla 16.1 del libro guía sabiendo que las tuberías iniciales tienen un área de drenaje menor a 2 ha, y que tenemos un nivel de complejidad alto.
Tiempo de Concentración. De acuerdo a la Norma RAS2000 en el Titulo D, capitulo D.4 y artículo D: 4.3.7 el tiempo de concentración mínimo en pozos iníciales es de 10 min y máximo de 20 min y el tiempo inicial mínimo es de 5 minutos.
Para la determinación del tiempo de concentración inicial de la zona, se pueden emplear diversos métodos, los cuales se han deducido de manera empírica.
La formulación de la FAA establece:
0. 7 071, 1 −CL T = S Donde: Ti = C= L= S =
Tiempo de concentración inicial (min). Coeficiente de escorrentía (adimensional). Distancia del recorrido (m). Pendiente media del terreno.
La ecuación de Kerby:
T =1,44S
En donde los términos de la ecuación se han definido anteriormente y el coeficiente de retardo, se establece en la siguiente tabla.
Ecuación del SCS:
= V
En donde la velocidad superficial, Vs, puede estimarse como:
=
Y la constante de velocidad superficial, a, se define en la siguiente tabla:
Tiempo de recorrido, Tt El tiempo de recorrido en un colector se puede calcular como:
= 60L
Dado que Tt debe corresponder a la velocidad real del flujo en el colector, el tiempo de concentración puede determinarse mediante un proceso iterativo, tal como se describe a continuación: 1. Suponer un valor de la velocidad real en el colector. 2. Calcular Tt. 3. Calcular Te. 4. Obtener Tc.
5. Obtener i para este valor de Tc y el periodo de retorno adoptado. 6. Estimar Q con el método racional. 7. Con este valor de Q, estimar Tt real; si el valor de Tt estimado en el paso 2 difiere en más de 10% por defecto o exceso con respecto al valor calculado en el paso 7, es necesario volver a repetir el proceso. El tiempo de concentración mínimo en pozos iniciales es 10 minutos y máximo 20 minutos. El tiempo de entrada mínimo es 5 minutos. Si dos o más colectores confluyen a la misma estructura de conexión, debe considerarse como tiempo de concentración en ese punto el mayor de los tiempos de concentración de los respectivos colectores.
Coeficiente de escorrentía. El coeficiente de escorrentía, C, es función del tipo de suelo, del grado de permeabilidad de la zona, de la pendiente del terreno y otros factores que determinan la fracción de la precipitación que se convierte en escorrentía. En su determinación deben considerarse las pérdidas por infiltración en el suelo y otros efectos retardadores de la escorrentía. De igual manera, debe incluir consideraciones sobre el desarrollo urbano, los planes de ordenamiento territorial y las disposiciones legales locales sobre uso del suelo. El valor del coeficiente C debe ser estimado tanto para la situación inicial como la futura, al final del periodo de diseño Para áreas de drenaje que incluyan sub áreas con coeficientes de escorrentía diferentes, el valor de C representativo del área debe calcularse como el promedio ponderado con las respectivas áreas .
Para nuestro diseño vamos a tomar dos coeficientes de escorrentía de: Desarrollos residencial, con casas rodeadas de jardines o multifamiliares apreciablemente separados = 0,45 Residencial, con casas contiguas, predominio de zonas duras = 0,75.
Velocidad Mínima. De acuerdo a la Norma RAS2000 se establece una velocidad mínima real de 0.75 m/s para el caudal de diseño.
Velocidad máxima. Los valores máximos permisibles para la velocidad media en los colectores dependen del material, en función de su sensibilidad a la abrasión. Los valores adoptados deben estar plenamente justificados por el diseñador en términos de la resistencia a la abrasión del material, de las características abrasivas de las aguas lluvias, de la turbulencia del flujo y de los empotramientos de los colectores. Valores típicos de velocidad máxima permisible para algunos materiales se presentan en la tabla D.4.8.
Esfuerzo cortante. En cada tramo debe verificarse el comportamiento auto limpiante del flujo, para lo cual es necesario utilizar el criterio de esfuerzo cortante medio. Se establece, por lo tanto, que el valor del esfuerzo cortante medio sea mayor o igual a 3,0 N/m2 (0,3 Kg/m2) para el caudal de diseño, y mayor o igual a 1,5 N/m2 (0,15 Kg/m2) para el 10% de la capacidad a tubo lleno.
Diámetro Mínimo. En las redes de recolección y evacuación de aguas lluvias y principalmente en los primeros tramos la sección circular es la más usual para los colectores. El diámetro nominal mínimo permitido en redes de sistemas de recolección y evacuación de aguas lluvias es 250 mm. Sin embargo, en casos especiales, en particular para niveles de complejidad del sistema bajo y medio, y con plena justificación por parte del diseñador, puede reducirse en los tramos iniciales a 200 mm.
Pendiente mínima. El valor de la pendiente mínima del colector debe ser aquel que permita tener condiciones de auto limpieza, de acuerdo con los criterios del literal D.4.3.10.
Pendiente máxima, El valor de la pendiente máxima admisible es aquella para la cual se tenga una velocidad máxima real, según el literal D.4.3.11.
D.4.3.14 Profundidad hidráulica máxima. La profundidad hidráulica máxima en colectores de aguas lluvias puede ser la correspondiente a flujo lleno.
D.4.3.15 Profundidad mínima a la cota clave. La profundidad mínima a la cota clave de los colectores de aguas lluvias deben seguir los mismos criterios del literal D.3.2.12. Las conexiones domiciliarias y los colectores de aguas lluvias deben localizarse por debajo de las tuberías de acueducto. Los colectores de aguas
lluvias deben localizarse a una profundidad que no interfiera con las conexiones domiciliarias de aguas residuales al sistema de recolección evacuación de aguas residuales. En general deben considerarse las interferencias con otras redes.
D.4.3.16 Profundidad máxima a la cota clave. La máxima profundidad de los colectores de aguas lluvias debe seguir los mismos parámetros del litera D.3.2.13.l
PASOS PARA EL CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTIA COMPUESTO PARA CADA COLECTOR. 1. Tabla de Datos Iniciales por Tramo. Para los cálculos de los datos iniciales se tuvo en cuenta el siguiente procedimiento:
Área parcial (hectáreas). Corresponde al área de drenaje aguas arriba del colector. Tenemos en cuenta el área que se encuentra en la parte alta de la montaña donde sus aguas vierten al colector de dicho tramo. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2: Área parcial en hectáreas = 1.64 (ha).
Coeficiente de escorrentía parcial. Es el coeficiente ponderado del área definida anteriormente. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2: C par= 0, 45
Incremento de área de drenaje (ha). Corresponde al área aferente de cada colector. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2: ∆ A(ha)= 2,22 ha.
Coeficiente de escorrentía del área de drenaje: Corresponde al coeficiente de escorrentía del área aferente a cada colector. Basándonos en la tabla de los coeficientes de escorrentías típicos tomamos dos valores para nuestro diseño, uno para zona residencial igual a 0,75 y el otro valor para ladera con vegetación igual a 0,3. Área total (ha). Es el área total de drenaje del colector, calculada como la suma del área aferente y el área de drenaje aguas arriba. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1 -2: Área total = 1,64 + 0,581 = 2,22 ha. Coeficiente de escorrentía promedio. Calculado como el coeficiente de escorrentía ponderado del área aferente y el área drenada aguas arriba.
2. Tabla de Cálculos de Empate por Tramo Los cálculos de empate se realizaron teniendo en cuenta la siguiente metodología:
Los datos de las tres primeras columnas son valores de la tabla anterior del calculo de coeficiente de escorrentía compuesto para cada colector. Tiempo de concentración inicial. Para hallar este tiempo inicial utilizamos la ecuación de kerby.
Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1 -2:
, = 1,44( ,) Donde:
= 1,44 ,,,, ,= 20,538 min. Ti= tiempo de concentración inicial (min). L= longitud del área aferente (m): Es la distancia desde el punto más lejano del área de drenaje hasta el colector del tramo. m= Coeficiente de retardo de la ecuación de kerby, este coeficiente depende del tipo de superficie, para nuestro caso adoptamos un valor de 3,0 para pasto. S = pendiente del terreno.
Tiempo de concentración total (min). Tiempo de concentración del área de drenaje aguas arriba del colector. Para los tramos iniciales, corresponde al tiempo de concentración inicial mas el tiempo delo recorrido del colector. Para ls demás tramos, es igual al máximo valor entre la suma de los tiempos de concentración aguas arriba del colector concurrentes al pozo y su correspondiente tiempo de recorrido en el colector. El tiempo de concentración total (inicial mas recorrido en el colector) mínimo es de 10 minutos y el máximo de 20 minutos. Error en la adopción de tiempos de recorrido. Es la diferencia porcentual entre el tiempo del recorrido asumido y calculado. Para el tiempo supuesto en el colector asumimos una velocidad para cada tramo, para el tramo 1-2 le velocidad asumida es d 4,1 m/sg, calculando estos tiempos la diferencia no debe ser mayor del 10%. En caso de ser mayor, la columna del tiempo supuesto vuelve y se calcula nuevamente con la última velocidad obtenida. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1 -2:
= ;
* 100
= ,;, ,
* 100 =5,24
Frecuencia. La frecuencia de diseño, se tiene en cuenta el nivel de complejidad, como es alto la frecuencia es recomendado, el área de drenaje es menor a 2 hectáreas, entonces para zona residencial la frecuencia seria de 3 años para todo el sistema. F= 3 años
Intensidad de la lluvia diseño (mm/h). es la intensidad de la precipitación , en este caso, aplicamos la siguiente ecuación Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1 -2:
I mm/h= , : ,. I mm/h= ,,:,,.
=112, 5570.
Intensidad de diseño (L/s*ha). Es la intensidad anterior multiplicada por el factor de conversión d unidades de 2,78. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2: I (L/s*ha)= 112,5570 x 2,78 = 312,9
Caudal de diseño (L/s). caudal de la escorrentía superficial, definida según el método racional. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2:
Q=C∗I∗A Q=0,44 x 312,9 x 0,3456 = 47,58 L/s
OBSERVACION. Para r los datos de salida se sigue el mismo procedimiento que para el de entrada por lo que solo se realizará el procedimiento para los datos de entrada.
Cota Clave Inicio Tramo – Cota Clave Final Tramo. Se muestra la cota clave respetando la profundidad mínima que debe ser de 1.2 m con respecto a la rasante de la calzada. Se asume una cota de referencia de 2000 msnm, tal como se estipula en el plano topográfico anexado. Cota Clave Inicio Tramo= 2204.5 msnm Cota Clave Final Tramo= 2199.75 msnm
ENTRADA
Caudal de Entrada. Corresponde al caudal de diseño de cada tramo. Ejemplo Tramo 1-2 Q= 0,04758
/sg.
Pendiente de Entrada. Hace referencia a la pendiente de entrada. Se calcula aplicando la siguiente fórmula:
o tramo−Cota cl a ve fi n al tramo S = Cota clave inDiicsitanci ∗100 a de pozo a pozo Ejemplo Tramo 1-2
S = 2204.25.53−2200 474 ∗100=17,75
Diámetro de Entrada. Muestra el diámetro de la tubería de entrada del sistema en cada tramo. Se calcula aplicando la siguiente fórmula: El proyecto de alcantarillado sanitario se desea construir con tubería de PVC, el cual tiene un Coeficiente de rugosidad n=0.009
nQ D =1.548S 0. 0 09∗0. 0 476 D =1.548 0,1775 =0.1168=4,5981"
En nuestro caso para regirnos a lo estipulado en el RAS 2000, debemos diseñar el alcantarillado sanitario con un diámetro mínimo de 10” para un alcantarillado simplificado el cual cuenta con una población pequeña.
Caudal a Tubo Lleno. Es la capacidad máxima de la tubería, calculada para la sección de flujo máxima (con el diámetro interno real). Se calcula aplicando la siguiente fórmula:
∗S D Q =0.312 n Se sigue tomando como ejemplo el tramo 1-2
∗0.1775 0. 2 54 Q =0.312 0.009 =0.3780
Relación Q/Qo. Hace referencia al cociente obtenido de la relación entre el caudal de diseño y el caudal a tubo lleno.
Tramo 1-2, Q/Qo= (0.04758m 3/s)/ (0.3780m3/s)=0.13
Relaciones Hidráulicas. Son valores que se obtienen teniendo en cuenta el valor de la relación entre el caudal de diseño y el caudal a tubo lleno, tomados de la tabla 8.2 del libro “Elementos de Diseño para Acueductos y Alcantarillado”
Tramo 1-2.
=0,580 dD =0.280 RR =0.650 HD =0.197
Parámetros reales. Muestra los valores obtenidos a partir de las tablas de relaciones hidráulicas. Tramo 1-2. Velocidad a tubo lleno para conductos circulares a partir de la ecuación de continuidad.
= ∗DQ 4 = ∗0.0.3780 24 54 =7,459/
=0.580∗7,459=4,3262 m⁄s H=0.1 97∗0,2 54=0, 05m d=0.280∗0.254=0,071 m
Número de Froude: Se determina teniendo en cuenta las siguientes condiciones:
Para el tramo 1-2.
NF≤0.9 Régimen de flujo subcrítico NF≥1.1 Régimen de flujo supercrítico NF= √ gH 236 =6,17 NF= √ 9.4,831∗0. 05
En nuestro diseño el régimen de flujo es supercrítico debido a que el número de Froude es mayor que 1.
CALCULO DE CAIDA EN EL POZO Se toma como ejemplo el diseño del Pozo 2 Debido a que en todos los tramos se obtiene un tipo de flujo supercrítico la caída en el pozo se calcula aplicando la siguiente fórmula para entrada no sumergida:
. . ,∗.. .
≤0.62
1,63
≤0.62
≥0.62
Como el valor nos dio mayor de o, 62 entonces la caída en el pozo es sumergida. Cabe anotar que no para todos los pozos la caída es sumergida.
Figura (Hw/D s ). Muestra el valor de la relación obtenido mediante la figura 14.40 del libro “Elementos de Diseño para Sistemas de Acueducto y Alcantarillado ”. El cual para un valor de
. =# se obtiene que H /D . w
s
Para cuando la caída es sumergida el Hw/Ds se aplica la siguiente formula.
w =k(0,70+1.91(Q/Ds x (g x Ds) w= 3,3077 2
0,5)2)
Dp: Diámetro del pozo, el diámetro minino establecido por el RAS 2000 es de 1.2 m
Ds: Diámetro de salida= 0,254 m
Relación Dp/Ds: Es el cociente de la relación entre el diámetro del pozo y el diámetro de salida. Dp/Ds= 1.2/0.254= 4,72
K: Coeficiente el cual se toma de acuerdo a la relación anterior y de acuerdo a la tabla 14. 6 del libro “Elementos de D iseño para Sistemas de Acueducto y Alcantarillado”. K=1.2
Caída en el pozo. Este valor hace referencia al H w y se obtiene mediante la fórmula: en este caso necesita cámara de caída por que Hw >0,75 m.
Hw =k∗Relacion HwD ∗D Hw =1.2∗3.3077∗0.254=1,008
COTAS TRAMO SALIDA Se toma como ejemplo el diseño del Pozo 2
Cota Clave Tramo Salida Inicio. Muestra la cota clave a la salida del tramo. Esta dada por la ecuación:
=Cota cl a ve f i n al tramo−Diámetro−d−caida en el pozo+Diámetro = [2204,5−0.254−0.1994−1,01+0.254] =2203,14 m
Cota Clave Tramo Salida Final. Muestra la cota clave a la salida del tramo y al final. Esta dada por la ecuación:
=Cota clave inicio−Distancia entre tramos∗S =2203,14−20.7∗0.0484=2202.18
CONCLUSIONES
Para el diseño del alcantarillado pluvial se analizaron los respectivos datos obtenidos en los cálculos realizados con el fin de brindar un sistema que satisfaga las necesidades de la población.
La construcción de un sistema de alcantarillado es necesario en la medida que alivia los problemas generados por la presencia de aguas lluvias en las poblaciones urbanas.
Este alcantarillado se diseñó teniendo en cuenta los requerimientos mininos establecidos por el RAS 2000 para el diseño de alcantarillado pluvial. De tal forma que se garantiza un buen funcionamiento durante su periodo de diseño.
A determinación de las curvas Intensidad-Frecuencia-Duración es un paso sumamente importante en el diseño de un sistema de alcantarillado pluvial ya que a partir de ellas se obtiene la ecuación de la intensidad correspondiente al lugar de estudio. N o s e p u e d e u s a r u n a m i s m a e c u a c i ó n d e i n t e n s i d a d para dos lugares totalmente diferente, ya que la precipitación es diferente y por tanto las condiciones son distintas, lo que vendría a variar con side rab lem ent e los res ult ado s del dis eñ o, porque este se haría para condiciones irreales aunque para facilidad de nuestro trabajo se utilizaron unas curvas de otra zona.
Uno de los principales factores que se deben tener en cuenta en la construcción de sistemas de alcantarillados pluviales es la participación ciudadana debido a que estos son los directamente afectados en los problemas que puedan presentarse con el funcionamiento del sistema. Además cabe resaltar que el control y regulación de las aguas y sus usos debe tener participación social mayoritaria.
Para el diseño del sistema se tuvo en cuenta los caudales de las áreas aferentes, la población servida, periodo de retorno, el clima donde se desarrolla el sistema y los aportes por infiltración y diseño.
BIBLIOGRAFIA
Reglamento Técnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Básico – RAS.
Diseño de acueductos y alcantarillados (López Cualla).
