CURSO Diseño Básico de Drenajes
Contenido 1.
INTRODUCCIÓN 1.1 1.2
2.
TIPOS DE SISTEMAS DE DRENAJE 2.1 2.2 2.3 2.4
3.
Clasificación de los sistemas de Drenajes Normas
Sistemas de aguas Libres de contaminación de Hidrocarburos y/o productos Químicos Sistemas de aguas contaminadas con hidrocarburos y/o productos químicos Sistema de drenaje de descargas aceitosas provenientes de purgas ó mantenimiento de equipo. Sistema de aguas negras.
GASTOS DE CAUDALES 3.1 3.2 3.3 3.4
DISEÑO
Y
DETERMINACIÓN
DE
Aguas de lluvia (QLL) Aguas de Proceso (Qp) Aguas provenientes de purgas ó mantenimiento de equipos Aguas contra incendio (QCI)
Contenido (Cont.) 4.
DIMENSIONAMIENTO DE OBRAS DE CAPTACIÓN 4.1 4.2
5.
DIMENSIONAMIENTO DE OBRAS DE TRANSPORTE 5.1
6.
Canales de Captación Sumideros
Colectores Cerrados
DIMENSIONAMIENTO DE OBRAS DE CAPTACIÓN 6.1
Drenaje Transversal. Alcantarillas
1.
INTRODUCCIÓN El presente documento representa una recopilación general de los principales criterios y procedimientos de diseño a ser usados en proyectos de sistemas de drenajes relacionados a un desarrollo industrial y tiene como finalidad servir de guía de referencia hacia la bibliografía ó normativa a utilizar al respecto.
1.1
Clasificación de los Sistemas de Drenaje La clasificación del tipo de sistema de drenaje y la selección de los criterios a seguir para su diseño dependerán del uso del área en estudio y del tipo de fluido a drenar. Según esto, podríamos clasificar el drenaje en tres grandes tipos: -
Drenaje de aguas de lluvia Drenaje de aguas industriales Drenaje de aguas negras
1.2
Normas En Venezuela, las Normas del Ministerio de Sanidad y Asistencia Social y las del Instituto Nacional de Obras Sanitarias señalan que los drenajes de aguas de lluvia y de aguas negras deben realizarse mediante sistemas separados. La industria petrolera y petroquímica ha desarrollado a través del tiempo normas y procedimientos de diseño. Para el desarrollo de sistemas de drenaje fuera del ámbito industrial, regirán para su diseño las normas emitidas por los organismos estatales competentes.
Todo sistema de drenaje se puede dividir en: Obras de Captación Sumideros Rejas Ventana Piezas Sanitarias Obras de Transporte Colectores Canales Tuberías Canales Perimetrales Tuberías de Impulsión
Estructuras Especiales Sumideros Sellos Hidráulicos Tanquillas Bocas de Visita Alcantarillas Disipadores de Energía Rápidos Descargas
2.
TIPOS DE SISTEMAS DE DRENAJE Para optimizar el tratamiento de efluentes líquidos en una planta, es necesario separar dichos efluentes desde su origen. Con este fin las largas descargas líquidas deberán separarse en los siguientes tipos:
2.1
Sistemas de Aguas libres de Contaminación de Hidrocarburos y/o productos Químicos Este tipo de sistema se refiere al drenaje urbano y vial que se produce normalmente a nuestro alrededor.
2.1.1 Normas Los sistemas de drenaje de aguas de lluvia se diseñan siguiendo las normas INOS. 2.1.2 Criterios de Diseño a) En general el sistema de drenaje debe seguir la geomorfología del área en estudio tratando en lo posible de no intervenir el libre escurrimiento de las aguas. b) Se debe realizar un diseño adaptado a las necesidades de desarrollo.
2.1.3 Recolección de información a) Recolectar todo lo referente a la topografía del lugar. b) Hidrología c) Visita al sitio d) Ubicación de puntos de descarga 2.1.4 Desarrollo de la red de drenajes Dependiendo del tipo de urbanismo, se elabora el planteamiento de la red de drenajes. Para zonas urbanas se combina el drenaje superficial en aceras y calles con el sistema enterrado. 2.2 Sistemas de Aguas contaminadas con Hidrocarburos y/o productos químicos 2.2.1 Concepto de aguas contaminadas Se entiende por aguas contaminadas, aquellas que caen en áreas contaminadas ó los líquidos proceso. En este aparte podemos dividir accidentalmente contaminadas y aguas contaminadas
aguas pluviales provenientes de las aguas en potencialmente
2.2.2 Normas Son muchas las normas que se manejan a nivel mundial, en nuestro país la industria petrolera, petroquímica y básica se rige por las normas PDVSA. 2.2.3 Criterios de Diseño En general se diseña como un sistema de drenaje de agua no contaminada, pero la aplicación se debe basar en las normas PDVSA anexas. 2.2.4 Recolección de Información a) Topografía b) Implantación c) Hidrología d) Caudal de combate de incendio en cada área e) Sito de Descarga
2.2.5 Desarrollo de la red Una vez establecido cual es el caudal a transportar y las diferentes incorporaciones, se debe trazar una red que cumpla con el requerimiento de un sumidero cada 240 m², tanquilla con sello hidráulico, velocidad mínima, capacidad máxima etc. 2.3
Sistema de Drenaje de Descargas aceitosas Provenientes de Purgas ó Mantenimiento de Equipos Sala de Bombas, Sala de Compresores, Estaciones de Servicios y otros Equipos.
3.
GASTOS DE DISEÑO Los gastos de diseño a considerar dentro de un sistema de drenaje industrial, fuera de las aguas negras son: - Aguas de lluvia QLL - Aguas de Proceso Qp - Aguas contra incendio QC Se establecerá el gasto de diseño como el mayor valor resultante de las siguientes combinaciones: QLL + Qp QCI + Qp
3.1
Aguas de Lluvia El método racional es el más utilizado para el cálculo de gastos de diseño para áreas menores a 200 ha y tiempos de concentración menores a treinta minutos ( 30 min), según la siguiente formula: Método Racional: Q= C*I*A ( Gasto máximo de diseño en l/s) C= Coeficiente de escorrentía ( Adimensional) I = Intensidad de lluvia ( lps/ha) A= Área contribuyente (ha).
USO DEL SUELO Y PERIODOS DE RETORNO FUNCION COMPLEMENTARIA (*)
TIP0 DE USO
TR (AÑOS)
ZONAS DE ACTIVIDAD COMERCIAL
10
ZONAS DE ACTIVIDAD INDUSTRIAL
10
ZONAS DE EDIFICIOS PUBLICOS
10
ZONAS RESIDENCIALES UNIFAMILIARES Y MULTIFAMILIARES DE BAJA DENSIDAD (R1, R2, R3, R4 Y R5) (**)
2
ZONAS RESIDENCIALES MULTIFAMILIARES DE ALTA DENSIDAD (R6, R7, R8, R9 Y R10)
5
ZONAS RECREATIVAS DE ALTO VALOR E INTENSO USO POR EL PUBLICO
2
OTRAS AREAS RECREATIVAS
1
(*)
LA LETRA R SE REFERE A LAS ZONIFICACIONES USUAJES EN EL PAIS.
(**)
SE ENTIENDE POR BAJA DENSIDAD A VALORES INFERIORES A LOS 100 HABITANTES POR HECTAREA BRUTA Ref (7)
GRAFICO PARA DETERMINAR EL TIEMPO DE CONCENTRACION SUPERFICIAL
COEFICIENTE DE ESCURRIMIENTO – ZONA URBANA
TABLA Nº 3-1
TABLA Nº 3-2
GRAFICO PARA DETERMINAR EL TIEMPO DE VIAJE
3.2
Aguas de Procesos (QP) La magnitud y periodicidad de esta descarga será fijada por la disciplina de procesos. Con la información de caudales, periodicidad y tipo de efluente.
3.3
Aguas Provenientes de purgas ó Mantenimiento de Equipos -
No será considerado en el gasto pico.
-
Será igual al gasto de diseño cuando el aporte individual sea mayor que el considerado por otros eventos.
3.4
Aguas contra incendio en áreas de proceso - El caudal de agua contra incendio a drenar será el 60% del caudal calculado según la norma PDVSA IR-M-03. - El caudal a usar en las tuberías sub-laterales será: 114 m3/h proveniente de cada sumidero. - Por cada tubería lateral pasará el flujo acumulado de los sumideros que drenen a través de ella. A través de la tubería principal de drenaje, circulará el flujo máximo acumulado por las tuberías laterales que le llegan.
3.5 Aguas contra incendio en Patio de Tanques a) El sistema de drenajes para patios de tanques se diseñará con el caudal resultante de considerar que se debe desalojar en seis horas la cantidad de agua recogida en 24 horas, esto equivale a calcular este caudal por la siguiente ecuación: QLL( m3/ hr ) = LL máx (mm) * Área patio ( m2) 1000 * 6 hr
La cantidad de agua a recoger en 24 horas se estimará con la lluvia máxima diaria, la cual se obtendrá de datos de lluvia máximas disponibles, de los cuales se tomará un tamaño de muestra de por lo menos 20 años ó más y se calculará la máxima lluvia diaria promedio probable como sigue: i =n LLmáx = (∑ LLmáx diaria )*n Donde: i = 1 n = Número de años registro LL = Lluvia máxima en 24 horas Llmáx = Lluvia promedio máxima en 24 horas.
4.
DIMENSIONAMIENTO OBRAS DE CAPTACIÓN
4.1
Canales Su diseño se realizará bajo la condición de flujo uniforme; estableciendo la capacidad de la sección según la ecuación de Manning: ⅔ ½ 3 Q (m /seg) = 1/n *(Rh) * (So) * A(m³/s) Donde: Q = n =
Capacidad (m³/s) Es el coeficiente de Manning de rugosidad que dependerá del tipo de revestimiento. Rh = Es el radio Hidráulico de la Sección ( A/P) A = Es el área mojada de la sección (m²) P = Es el perímetro mojado de la sección (m) So = La pendiente de fondo (1/100) La velocidad de flujo a sección plena será: V = Q/A ( m/s)
VELOCIDADES MAXIMAS RECOMENDABLES EN CANALES NO REVESTIDOS
PROFUNDIDAD CRITICA Y PROFUNDIDAD NORMAL DE SECCIONES TRAPECIALES
ELEMENTOS GEOMETRICOS DE LAS SECCIONES MAS USUALES
4.1.1 Ejemplo de Cálculo Diseñar un canal revestido en concreto que tenga capacidad para transportar 600 l/s, con una pendiente de fondo de 1 %. a)
Inicialmente se asume una sección rectangular A =b*y P = b + 2y
Solo se puede tener una incógnita, se fija entonces b= 0,60 m que sería el ancho mínimo por razones de mantenimiento b)
Se iguala el caudal a la ecuación de Manning 0,60m
5/3 * (0,01) 1/2 3 /s (0,60 * y) (0,6 2y) 2/3 * 0,014
Por iteraciones sucesivas se calcula el valor de y: Para y = 0,40 ; Q = 0,53 m³/s Para y = 0,50 ; Q = 0,70 m³/s Para y = 0,45 ; Q = 0,61 m³/s La elección lógica es la altura de 0,5 m , se revisa la velocidad entre los valores mínimos y máximos haciendo uso de la ecuación de continuidad:
Q 0,60m 3 /s Q V*A V A 0,6m * 0,5m V 2m/s se encuentra en el rango de diseño
4.2 Sumideros Son estructuras encargadas de captar el gasto confinado en brocales, cunetas y puntos bajos. Podemos clasificarlos en : - Sumideros de rejas para So >3% ó puntos bajos - Sumideros de ventana para So <3% ó puntos bajos - Tanquillas sumidero para cunetas ó canales de captación 4.2.1 Criterios de ubicación a) Puntos bajos y depresiones de la calzada según perfiles longitudinales b) En intersecciones de vías c) En cambios de pendiente longitudinal y transversal de la calzada. d) En accesos a los puentes y terraplenes sobre quebradas. e) En calles donde la acumulación de agua moleste al transito, en sectores comerciales y zonas residenciales de importancia. f) También se pueden colocar en puntos intermedios.
4.2.2 Coeficiente de Intercepción El coeficiente de intercepción es la relación entre el gasto captado (QI) y el gasto de aproximación (QA) ó gasto máximo permitido en la calle: QI = 70% en puntos intermedios QA QI = 100% en puntos bajos QA El gasto remanente ó sobrante (QR) se deberá considerar en el sumidero siguiente: QR=QA-QI Cálculo caudal máximo del brocal (QA) QA
0 , 00175
*
Z N
* So
1 / 2
*
y
2 / 3
-
Sumidero de ventana QI 2 / 3 * A 2 * g * h * ( ya h 2)
-
Sumidero de rejas QI
-
60
*
A *
2 g
*
yp
Longitud al primer sumidero desde un punto alto (Lo) Lo = QA/QU = gasto máximo permitido en la calle caudal unitario Donde: Q unitario = Q diseño / longitud del tramo
-
Cálculo de la longitud hasta los siguientes sumideros L = Lo * QI/QA
4.3 Sumideros en áreas de proceso -
Las dimensiones mínimas serán de 0,60 * 0,60 m La losa de piso estará 30 cm por debajo de la salida de la tubería. La tapa debe coincidir con el nivel de terreno en el punto más bajo de su área individual de drenaje. Se deberán colocar como máximo cada: 280 m² en áreas pavimentadas y 465 m² en áreas no pavimentadas. No podrán ubicarse debajo de equipos, escaleras ó debajo de tuberías. Ningún sumidero podrá estar conectado a otro sumidero Cada sumidero que drene aguas contaminadas deberá estar provisto de un sello hidráulico. La distancia máxima de desplazamiento al aire libre de un líquido hacia un sumidero será de 15 m. La pendiente de la línea de máxima pendiente no debería ser mayor al 1%.
SUMIDERO DE VENTANA TIPO INOS
ABACO PARA CALCULO DE AREA INUNDADA EN LA CALLE
SUMIDEROS DE VENTANA – RELACION DE INTERCEPCIÓN ( B = 0,30, A=0,025M)
CAPACIDAD SUMIDERO REJAS TIPO INOS EN CALZADA (POSICION NORMAL)
ABACO PARA DETERMINAR ANCHO Y ALTURA DE INUNDACION EN CALZADA
EJEMPLO DE LOCALIZACION DE SUMIDEROS
EJEMPLO DE LOCALIZACION DEFINITIVA DE SUMIDEROS
UBICACIÓN DE SUMIDERO DE REJAS
DISPOSICION RELATIVA DE REJAS EN CALZADAS
UBICACIÓN DE SUMIDEROS DE REJAS
ARREGLO TIPICO DE DRENAJE INDIVIDUAL EN AREA DE UNIDAD DE PROCESO UBICACIÓN DE SUMIDEROS DE REJAS
ARREGLO TIPICO DE DRENAJE EN AREA DE UNIDAD DE PROCESO
DETALLE TIPICO DE DRENAJE EN TRINCHERAS
LLENADERO DE CAMIONES, DETALLES DEL SISTEMA DE DRENAJES
SECCION A-A
SECCION C-C
SECCION B-B
5. DIMENSIONAMIENTO DE OBRAS DE TRANSPORTE 5.1 Colectores - Capacidad Se calculará por la formula de Manning ya descrita en el aparte 4.1 Vp = Q/A n = 0,011Tuberías de acero, hierro fundido y P.V.C n = 0,015 para Ø=21” en concreto n = 0,013 para Ø=24” en concreto - Capacidad Máxima El INOS establece que la altura del agua (d) dentro del colector no debe ser mayor al 75% del diámetro (D): d/D = 75% dmin= 5 cm
- Velocidad Máxima Dependerá del tipo de material Concreto (ver aparte 4.1) Arcilla vitrificada 6 m/s Asbesto cemento 4.5 m/s P.V.C 4.5 m/s Hierro fundido y acero sin límite La norma PDVSA recomienda velocidades de 2.5 m/s - Diámetros mínimos recomendables Tanques de almacenamiento =0,30 m (12”) Sumideros viales = 0,25 m(10”) Tuberías principales en drenaje vial = 0,25 m (10”) En áreas de proceso = 0,15 m (6”) Para aguas sanitarias fuera de edificaciones = 0,20 m (8”)
-
Pendientes de fondo máximas y mínimas Se refiere a las pendientes asociadas a las velocidades máximas y mínimas.
Ejemplo de cálculo Diseñar una tubería de concreto que tenga capacidad para transportar 600 lps, con una pendiente de fondo de 1%. 1 Q * R n
0 , 60
2 /3
1 0 , 014
* S
1 / 2
* A
* 0 , 01
1 / 2
D A 4 P D
A R P
*
D
2
/ 4
5 /3
D 2 / 3
Por iteraciones sucesivas se calcula el valor de D D
Q(m³/s)
0,6
0,57
0,70
0,86
2
Se busca el diámetro comercial más cercano: 27”=0,69 m
D= 0,69 m
Q=0,83 (m³/s)
Se verifica el porcentaje de la relación de caudales Qr Qsp
0 ,6 0 , 83
0 , 72
72
,3 %
Haciendo uso de la curva anexa se determina la altura de agua dentro del tubo H/d=0,64
h=0,44 m
PROFUNDIDAD CRITICA Y PROFUNDIDAD NORMAL DE SECCIONES CIRCULARES
CONTROL A LA SALIDA CAJONES DE CONCRETO A SECCION PLENA = ת0,12
PROFUNDIDAD CRITICA Y PROFUNDIDAD NORMAL DE SECCIONES CIRCULARES
DISTRIBUCION TIPICA DE SERVICIOS
PROFUNDIDAD MINIMA Y MAXIMA DE LA RASANTE TUBOS EN ZANJA SIN ENTIBADO (CARGA MUERTA + CARGA VIVA)
TIPO B
TIPO A
TIPO C
6.
DIMENSIONAMIENTO DE ESTRUCTURAS ESPECIALES
6.1 Drenaje Transversal. Alcantarillas Las vías que cruzan causes naturales de drenaje, ameritan la construcción de obras adecuadas que permitan el paso de las aguas y aseguren el funcionamiento de la vía. Los ensayos de laboratorio y observaciones de campo han demostrado que existen dos tipos principales de flujo en las alcantarillas: flujo con control en la entrada y flujo con control en la salida. Control de entrada significa que la capacidad de la alcantarilla está regulada por la geometría de la sección y la altura de la entrada independientemente que esté libre ó sumergida. Cuando el control es en la salida, la capacidad dependerá además: la longitud, de las perdidas y a veces de la altura de agua en la salida. - Diámetros Mínimos Alcantarillas en vías de importancia: 36” Alcantarillas en vías secundarias: 24” Alcantarillas en vías con arrastre de sedimentos: 48”
- Procedimiento de diseño Datos requeridos 1. Gasto de diseño 2. Ubicación de la alcantarilla • Progresiva del sitio de cause • Progresiva de la alcantarilla • Cota rasante de la vía • Pendiente de la alcantarilla • Longitud de la alcantarilla • Velocidad máxima permisible a la salida 3. Carga permisible a la entrada (HEP): la carga a la entrada debe cumplir las siguientes condiciones: • Borde libre mínimo de 0,40 hasta nivel de sub-rasante • Evitar en lo posible inundaciones aguas arriba. • La carga en la entrada no debe ser mayor de 1.2 veces la altura de la sección
4. Selección de la alcantarilla, dependiendo del material, caudal y sitio. 5. El cálculo de la altura de agua a la entrada El cálculo hidráulico de una alcantarilla consiste en verificar la altura de agua a la entrada (HE) y compara que sea menor ó igual al HEP. Para ello se calcula esta altura de agua suponiendo control a la entrada y después a la salida, tomando el caso más desfavorable para la comparación. 6. Control a la salida Resuelve la acuación: HE=H + ho – Lso Donde H= Hv + He +Hf
SECCIONES CIRCULARES DE CONCRETO A SECCION PLENA = ת0,12
SECCIONES CIRCULARES DE METAL CORRUGADO A SECCION PLENA = ת0,024
PROFUNDIDAD CRITICA
ELEMENTOS HIDRAULICOS
