USO DEL CRITERIO DE LA FUERZA TRACTIVA EN EL DISEÑO DE ALCANTARILLADO SANITARIO EN NICARAGUA

USO DEL CRITERIO DE LA FUERZA TRACTIVA EN EL DISEÑO DE ALCANTARILLADO SANITARIO EN NICARAGUA Msc. Ing. Sergio Tercero Talavera Consultor

02 DE NOVIEMBRE DE 2010

Se hace una revisión histórica del uso del criterio de la fuerza tractiva en el diseño de las redes de alcantarillado sanitario de Nicaragua, comparando las Guías Técnicas de Diseño publicadas por INAA en el año 2004 y la Norma NBR 9649 publicada por ABNT de Brasil. Además se presenta una revisión bibliográfica de este concepto, según la documentación a que se pudo acceder en internet.

USO DEL CRITERIO DE LA FUERZA TRACTIVA EN EL DISEÑO DE ALCANTARILLADO SANITARIO EN NICARAGUA

Tabla de contenido PROLOGO ......................................................................................................................................3 I

INTRODUCCIÓN.....................................................................................................................4

II

ORIGEN DEL ALCANTARILLADO SANITARIO SIMPLIFICADO.................................................. 5

III MODIFICACIONES INTRODUCIDAS EN LOS CRITERIOS DE DISEÑO DE REDES DE ALCANTARILLADO..........................................................................................................................6 IV

ASPECTOS CLAVES DEL DISEÑO HIDRÁULICO DEL ALCANTARILLADO SIMPLIFICADO .......... 7

V

DISEMINACIÓN INTERNACIONAL DEL ALCANTARILLADO SIMPLIFICADO............................. 7

VI PROBLEMÁTICA IDENTIFICADA EN LOS DISEÑOS ELABORADOS ACTUALMENTE EN NICARAGUA...................................................................................................................................8 VII COMPARACIÓN DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO HIDRÁULICO DE LAS GUÍAS TÉCNICAS DE DISEÑO SISTEMAS DE ALCANTARILLADO SANITARIO Y LOS CRITERIOS ESTABLECIDOS EN LA NORMA BRASILEÑA EMITIDA POR LA ABNT EN NOVIEMBRE DE 1986, NBR 9649 ‐ PROJETO DE REDES COLETORAS DE ESGOTO SANITÁRIO..................................................................................9 VIII RELACIONES DE GASTO HORARIO MÁXIMO Y GASTO HORARIO MÍNIMO RESPECTO AL GASTO DIARIO MEDIO OBTENIDAS EN INVESTIGACIONES EFECTUADAS EN NICARAGUA......... 12 IX

CONCLUSIONES ...................................................................................................................14

X

RECOMENDACIONES:..........................................................................................................14

ANEXO .........................................................................................................................................16

2


PROLOGO Este trabajo surgió ante un problema real que se tuvo a mediados del mes de octubre de 2010 en una empresa gubernamental al recibir diseños de un mismo consultor internacional, elaborados por 3 consultores nacionales, utilizando diferentes criterios de diseño. Esta situación me motivó a revisar el tema de los criterios de diseño con la tensión tractiva mínima, cual es el objeto del documento. Yo pretendía que el trabajo fuera más fácil y más corto; pero en la medida que escribía, surgían nuevas inquietudes y mayores dudas, que me fueron conduciendo por un camino de nunca acabar. Prácticamente, revisé todos mis libros y documentos que poseo sobre el diseño de alcantarillado sanitario, comenzando con la 2ª. versión de American Sewerage Practice – Metcalf and Eddy, Edición de 1928 hasta llegar a la información más reciente disponible en internet. Fue una buena experiencia y confío en Dios que el esfuerzo que hice sirva para iluminar el camino de la ingeniería sanitaria en Nicaragua y, si no fuera así, que por lo menos no sea piedra de tropiezo para mis amables lectores. Yo, por mi parte, disfruté investigando, resumiendo y escribiendo y reescribiendo. A los amigos y colegas a quienes va dirigido este documento, les pido su comprensión por las desviaciones e imprecisiones que haya cometido al redactar este pequeño documento, que son fruto de mi interés de darles mayor información. Reparto San Martin, Managua, 02 de noviembre de 2010.

3


I

INTRODUCCIÓN

En Nicaragua, en el año 2004 fueron publicadas por el ente regulador del sector de agua potable y saneamiento, INAA, las Guías Técnicas para el Diseño de Alcantarillado Sanitario y Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales1, en las cuales se introdujo el concepto del cálculo hidráulico de las alcantarillas “en base al criterio de la tensión tractiva y a la fórmula de Manning2”. Las Guías, en el Prólogo, refieren que ellas contienen algunos de los parámetros de diseño actualizados contenidos en los “Criterios de Diseño para Sistemas de Alcantarillado Sanitario”34 elaborados por DENACAL en el año 1976 y, más adelante, en la Introducción, establece que “en el año 1976 el Departamento Nacional de Acueductos y Alcantarillados (DENACAL) elaboró unas “Especificaciones Técnicas de Acueductos y Alcantarillado Sanitario” que contienen en el Capítulo III los criterios de diseño de alcantarillado sanitario”. La introducción del concepto de Tensión de Arrastre Mínima en las Guías Técnicas fue un gran paso hacia adelante para lograr ahorros importantes en la construcción de los alcantarillados sanitarios en Nicaragua; sin embargo, en ellas quedaron algunos vacíos que valdría la pena llenar para aprovechar mejor algunos de los conceptos utilizados en el diseño de alcantarillados simplificados5, muy en boga a partir de los primeros años de la década de los ochenta. La intención de este trabajo es revisar algunos de los criterios de diseño del alcantarillado simplificado y proponer su uso en el diseño de las redes de alcantarillado sanitario en Nicaragua, para complementar el criterio de la tensión de arrastre mínima contenido en las

1

Guías Técnicas para el Diseño de Alcantarillado Sanitario y Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales. INAA. Tiraje de 500 ejemplares. Enero 2004. 2 Según las referencias de D. Mara Et Al, en su libro PC‐Based Simplified Design (2001), la Ec. de Manning debe llamarse Ecuación de Gauckler‐Manning, porque 22 años antes (1867‐68), Philippe Gauckler publicó la misma ecuación publicada por Robert Manning en 1890. 3 Con fecha junio de 1975, DENACAL publicó las Normas Técnicas para el Diseño y Construcción de Sistemas de Alcantarillado Sanitario. División de Estudios y Construcciones, en las cuales el autor fue el redactor principal, habiendo recopilado y editado los criterios establecidos hastas ese entonces para el diseño de las redes de alcantarillado. Todo indica que se refiere a los Criterios de Diseño elaborados por la firma consultora Gannet Fleming Corddry Carpenter – Karim DÀrce y Asc., contratada por ENACAL para uno de los estudios de factibilidad del alcantarillado sanitario de Managua, que confirmó los criterios establecidos en las Normas Técnicas elaboradas por DENACAL en el año 1975, introduciendo algunos cambios. 4 Todo indica que se refiere a los Criterios de Diseño elaborados por la firma consultora Gannet Fleming Corddry Carpenter – Karim DÀrce y Asc., contratada por ENACAL para uno de los estudios de factibilidad del alcantarillado sanitario de Managua, que confirmó los criterios establecidos en las Normas Técnicas elaboradas por DENACAL en el año 1975, introduciendo algunos cambios. 5 El alcantarillado simplificado es diferente al alcantarillado condominial.

4


Guías Técnicas de Diseño de INAA, mientras se crea y formaliza la Norma Técnica Obligatoria Nicaragüense correspondiente. Colateralmente, se aprovecha para exponer algunos eventos de la historia de su introducción en Nicaragua y de su divulgación y aplicación a nivel internacional, con ayuda de internet, para que el lector interesado en el tema tenga una mayor visión del desarrollo de este criterio. La inexperiencia en la aplicación del concepto de la fuerza tractiva y la falta de los criterios de diseño nacionales, que sean acordes con las tendencias mundialmente aceptadas, ha obligado a los ingenieros diseñadores y a los ingenieros revisores en las instituciones rectoras a tomar la iniciativa de complementarlo con otros criterios, que no siempre han conducido a un diseño optimizado y que su aprobación o rechazo ha quedado dependiendo de la discrecionalidad y criterios propios del funcionario que revisa y/o aprueba tal diseño. Un ejemplo de esto es el uso de la velocidad mínima. El autor tiene conocimiento de que en algunas oficinas del estado se exige al diseñador cumplir el criterio de la tensión de tracción mínima y/o la velocidad mínima de 0.60 m/s, aunque “se aceptan valores de 0.30 m/s para caudales de diseño con tubo parcialmente lleno6”. Hay que tener en mente que el criterio de la tensión de arrastre mínima es parte de un conjunto de criterios de diseño desarrollados en Brasil para el diseño de sistemas de alcantarillado condominial y alcantarillado simplificado, con el objetivo de lograr diseños más económicos y de esta forma alcanzar mayor cobertura de saneamiento a nivel nacional.

II

ORIGEN DEL ALCANTARILLADO SANITARIO SIMPLIFICADO

El diseño de los sistemas de alcantarillado sanitario simplificado, difundido mundialmente, tiene su origen en la experiencia brasileña de los años 80 y en las normas emitidas por la Asociación Brasileña de Normas Técnicas (ABNT). Para citar un solo caso, la Norma Boliviana NB‐688, Norma Técnica de Diseño para Sistemas de Alcantarillado Sanitario y Tratamiento de Aguas Residuales, fue revisada en 1996 y luego en 2001, introduciendo en esta última vez el concepto de tensión de arrastre en el diseño, con el objetivo de “optimizar costos de inversión y presentar opciones técnicas que permitan el acceso a sistemas de saneamiento básico de un mayor número de beneficiarios, priorizando sectores sociales de menores ingresos económicos”7.

6

En la revisión bibliográfica se encontró que la Norma del Distrito Federal de México permite velocidades mínimas de 30 cm/s para el gasto mínimo de diseño, que es igual a la mitad del gasto medio /s o de 1.0 l /s, en dependencia del tipo de inodoro utilizado. y no menor a 1.5 l Ref.: Normas Técnicas Complementarias para el Diseño y Ejecución de Obras e Instalaciones Hidráulicas. 7 Mayo 2002. Alcides Franco T.‐ Técnicas de Diseño de Sistemas de Alcantarillado Sanitario y Pluvial. ‐ Modificaciones a la Norma NB‐688.

5


III

MODIFICACIONES INTRODUCIDAS EN LOS CRITERIOS DE DISEÑO DE REDES DE ALCANTARILLADO.

En relación a los Criterios de Diseño para Sistemas de Alcantarillado Sanitario elaborados en 1976 por DENACAL (Departamento Nacional de Acueductos y Alcantarillados), las Guías Técnicas de INAA introducen algunas modificaciones a los criterios del diseño convencional8 concentradas en los aspectos siguientes: 5.1 •

•

FÓRMULA Y COEFICIENTE DE RUGOSIDAD: El diseño hidráulico de las alcantarillas se deberá hacer en base al criterio de la tensión tractiva y a la fórmula de Manning. No establece velocidad mínima, pendientes mínimas ni pendientes máximas9.

5.2

EL DIÁMETRO MÍNIMO DE LAS TUBERÍAS DEBERÁ SER DE 150 MM .

5.3

PENDIENTE LONGITUDINAL MÍNIMA: La pendiente longitudinal mínima deberá ser aquella que produzca una velocidad de autolavado, la cual se podrá determinar aplicando el criterio de la Tensión de Arrastre, para lo cual recomienda un valor mínimo de f = 1 Pa.

•

6.1 •

6.3 •

•

UBICACIÓN DE POZOS DE VISITA SANITARIOS: Instalar Registros terminales (Terminales de limpieza) en lugar de los pozos de visita cabeceros cuando no se prevea expansiones hacia aguas arriba. CARACTERÍSTICAS DEL POZO DE VISITA: El uso de Dispositivos de Visita Cilíndricos (DVC) para alcantarillas con diámetros de 200 mm y menores y profundidades hasta un máximo de 1.80 m. Para profundidades de rasante de tubos de 0.60m a 1.00m se usarán Cajas de Registro Sanitarias (CRS).

Por otra parte, entre otros, mantiene los siguientes criterios acarreados de las Normas Técnicas de 1975 y confirmados en los Criterios de Diseño de 1976: 3.5

GASTO MEDIO (Q M) DE AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS IGUAL AL 80% DE LA DOTACIÓN DEL CONSUMO DE AGUA .

8

En 1880, George Waring Jr. diseñó el primer sistema de alcantarillado sanitario separativo en E.U.A. con el criterio de la velocidad mínima de 2 pies/s, el cual continúa aplicándose hasta hoy. Ref. Simplified Sewerage: Design Guidelines, 1994. Alexander Bakalian, Albert Wright, Richard Otis y el Prof. José de Azevedo Netto. 9 La versión digital de las Guías omite el concepto de velocidad máxima. Esto podría ser producto de un error de digitación.

6


3.6

GASTO MÍNIMO (Q MÍN ) IGUAL A ⅕Q M10.

3.7

GASTO MÁXIMO DE AGUAS RESIDUALES (Q MAX ) CALCULADO POR EL CONOCIDO FACTOR DE 11 RELACIÓN DE HARMON ENTRE Q MAX Y Q M.

5.1

LA VELOCIDAD MÁXIMA DE FLUJO DEBERÁ SER DE 3 M/S.

IV

ASPECTOS CLAVES DEL DISEÑO HIDRÁULICO DEL ALCANTARILLADO SIMPLIFICADO

Duncan Mara12 señala como los aspectos claves del diseño hidráulico del alcantarillado simplificado, los siguientes: • •

• •

• •

V

Factor de gasto máximo diario = 1.8 Gasto pico mínimo de 1.5 l /s en cualquier tramo de alcantarilla (es aproximado al pico del caudal inducido por la descarga de un inodoro). Diámetro mínimo de la tubería: 100 mm. Uso de un rango amplio de la profundidad proporcional del flujo en la alcantarilla (d/D) = 0.2 – 0.8. Uso de la tensión tractiva mínima de 1 Pa; y El cálculo de la pendiente mínima l min basado en q = qi (el gasto pico inicial del período de diseño) y la selección del D basado en q=qf (el gasto pico del final del período de diseño).

DISEMINACIÓN SIMPLIFICADO •

INTERNACIONAL

DEL

ALCANTARILLADO

Tal ha sido el impacto que ha tenido en los últimos 25 años el alcantarillado condominial desarrollado en Brasil, acompañado por la Norma NBR 9649 emitidas por la ABNT, que EUA, para mencionar un ejemplo, ya recomienda el cálculo de redes de alcantarillado con el criterio de la tensión tractiva para lograr economías en los sistemas.

10

En las normas del año 1975, este valor se había establecido igual a ⅓Q m; pero en los Criterios de Diseño de 1976 se redujo a ⅕Q m. 11 Es interesante observar que, a pesar de que las investigaciones de campo efectuadas por los consultores Hazen & Sawyer – J.Agustín Chan (1971, 1972) y Gannet Fleming Cordry and Carpenter – Karin DÀrce y Asc. (1976), arrojaron factores en torno a 2.0 para la relación de Gasto Máximo y el Gasto Medio, siempre se adoptó el factor de relación de Harmon, que arroja valores mucho más altos. Las Guías de Diseño de INAA fijan un rango de 1.8 a 3.0. 12 Duncan Mara. Water Supply and Sanitation. Options for Small Urban Centres in Developing Countries. UN‐Habitat. Diciembre 2006.

7


•

•

•

VI

La Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) publicó en el año 2007 el ASCE MOP 60‐WEF FD 5 Manual13 el cual recomienda el uso del método de la fuerza tractiva para lograr el diseño autolimpiante de las alcantarillas sanitarias. Ellos utilizan como Q min el caudal horario más grande alcanzado en la semana de menor flujo durante toda la vida del proyecto. Adicionalmente, Bentley en su última edición del programa de diseño de alcantarillados SewerCad, Edición V8i Select Series 2, con plataforma Autocad 2009, incluye el cálculo de la tensión tractiva para verificar el cumplimiento de la condición mínima establecida. En países como EUA, Francia e Inglaterra se admite el uso de tuberías de 150 mm de diámetro en las redes de alcantarillado sanitario.

PROBLEMÁTICA IDENTIFICADA EN LOS DISEÑOS ELABORADOS ACTUALMENTE EN NICARAGUA

Por la experiencia personal del que escribe, se tiene conocimiento de que actualmente concurren los siguientes problemas principales en los cálculos hidráulicos de las redes de alcantarillado sanitario en Nicaragua: 1. Se continúan diseñando y aceptando diseños de alcantarillado sanitario elaborados con el criterio convencional de velocidad mínima de 0.60 m/s, aplicado al Q max del final del período de diseño. 2. Cuando se presentan diseños con el criterio de la fuerza tractiva mínima también se revisa la velocidad con el caudal del final del período de diseño. 3. Se aceptan velocidades mínimas hasta de 0.30 m/s para el caudal del final del período de diseño. 4. Al utilizar el criterio de la fuerza tractiva mínima en el diseño, lo aplican al caudal de diseño calculado para el final del período de diseño. Un criterio bastante aceptado por las instancias de aprobación. 5. Algunos diseñadores, tratando de apegarse al criterio de la tensión de arrastre mínima establecido en las Guías Técnicas de INAA, aplican este criterio al gasto mínimo para determinar la pendiente mínima necesaria de diseño. Un criterio rechazado por las instancias de aprobación. 6. La fórmula del cálculo aproximado de la pendiente mínima incluida en la Norma NBR 9649 para obtener la tensión tractiva mínima la utilizan indistintamente para tuberías de PVC u otro material. 7. Las Guías de Diseño elaboradas por INAA introducen el criterio de la tensión de arrastre mínima para el diseño de las redes de alcantarillado sanitario en Nicaragua; pero dejan vigentes varios criterios pertenecientes a la vieja metodología de diseño de sistemas convencionales, causando con ello cierta confusión en los ingenieros diseñadores y en las instancias oficiales de gobierno que deben revisar y aprobar los diseños. 13

Tractive force Design for Sanitary Sewer Self ‐Cleansing.‐ LaVere B. Merrit. Journal of Environmental Engineering, Vol.135, Nº12, December 2009. Pp 1338‐1347.

8


VII

COMPARACIÓN DE LOS CRITERIOS DE DISEÑO HIDRÁULICO DE LAS GUÍAS TÉCNICAS DE DISEÑO SISTEMAS DE ALCANTARILLADO SANITARIO Y LOS CRITERIOS ESTABLECIDOS EN LA NORMA BRASILEÑA EMITIDA POR LA ABNT EN NOVIEMBRE DE 1986, NBR 9649 - PROJETO DE REDES COLETORAS DE ESGOTO SANITÁRIO.

A continuación se hace una comparación de los elementos básicos de diseño de las Guías Técnicas publicadas por INAA en el año 2004 y los criterios de diseño de las Normas NBR 9649. En primer lugar se expone lo que dicen las Guías y a renglón seguido lo que dice la Norma 9649 y los comentarios pertinentes del autor de este trabajo, cuando se ha considerado pertinente hacerlo. 1

GASTOS DE DISEÑO 3.5 De las Guías: Gasto medio (Q m). El gasto medio de aguas residuales domésticas se deberá estimar igual al 80% de la dotación del consumo de agua. NBR 9649.

Igual.

3.6 De las Guías: Gasto mínimo (Q min) de aguas residuales. Para la verificación del gasto mínimo en las alcantarillas se deberá aplicar la siguiente relación: Q mín = ⅕Q m NBR 9649. La norma establece el factor k3 = 0.5 para determinar el Q min horario en relación al Q m diario. 3.7 De las Guías: Gasto máximo de aguas residuales (Q max).‐ El gasto máximo de aguas residuales domésticas se deberá determinar utilizando el factor de relación de Harmon. El factor de relación deberá tener un valor no menor de 1.80 y no mayor de 3.00 NBR 9649.‐ La norma distingue 2 gastos máximos diarios para las aguas residuales: el de inicio del período de diseño Q max i y el del final del período de diseño Q max f . Cuando no existen datos propios de las investigaciones realizadas que fueren aplicables al caso en estudio, la norma establece los siguientes criterios: 1) Q max i =

k2*Q m, donde:

Q max i = Gasto máximo de aguas residuales domésticas al inicio del período de diseño. k2 es el factor de hora mínima igual a 0.5 y Q m es el gasto medio tomado del hidrograma real o estimado para el sistema. 2) Q max f =

k1*k2*Q m, donde: 9


Q max f = Gasto máximo de aguas residuales domésticas al final del período de diseño. K1 = 1.2 es el factor de día máximo. k2 = 1.5 el factor de hora máxima, y Q m es el gasto medio tomado del hidrograma real o estimado para el sistema. 3.8 De las Guías: Gasto de Diseño (Q d).‐ “Si el área a servir tuviera más de los usos antes señalados, los caudales de aguas residuales se deberán estimar como la suma de las contribuciones parciales por uso, debiéndose efectuar el diseño de los tramos de alcantarillado en base del aporte calculado para cada uso, y no usando el valor promedio por área unitaria”. Q d = Q max + Q inf + Q com + Q ind + Q inf Donde: Q max = Q inf = Q com = Q ind =

Gasto máximo de aguas residuales domésticas Gasto de infiltración Gasto comercial Gasto industrial

NBR 9649.‐ En la norma NBR 9649, el concepto de Gasto de Diseño toma un sesgo diferente al tradicional, que requiere una explicación: Para el dimensionamiento hidráulico, el artículo 5.1.1 de la norma manda a estimar para cada tramo de la red el caudal inicial (Q i) y el caudal final (Q f). Q i = Q max i + Q ci Donde, Q ci es la suma de las contribuciones al inicio del período de diseño para el tramo de alcantarilla. Q f = Q max f + Q cf Donde, Q cf es la suma de las contribuciones al final del período de diseño para el tramo de alcantarilla. El arto. 5.1.1.1 dice que si no existieran datos investigados y comprobados, con validez estadística, se recomienda utilizar como el menor valor de caudal 1.5 l /s en cualquier tramo. Además, como se refiere más abajo en el arto. 5.1.4 exige la verificación de la pendiente mínima con el caudal inicial (Q i). COMENTARIO: Grosso modo, el caudal de 1.5 l/s, para Nicaragua sería equivalente al Qmax de 550 habitantes calculado por la fórmula de Harmon para un aporte de aguas residuales de 80 lppd. Considerando un índice de hacinamiento de 6.5 hab/viv y una densidad de 24 viv/100 m de calle, sería el caudal aportado por 246 metros de alcantarillas.

10


2. PENDIENTE MÍNIMA 5.3 de las Guías: Pendiente longitudinal mínima. La pendiente longitudinal mínima deberá ser aquella que produzca una velocidad de auto lavado, la cual se podrá determinar aplicando el criterio de la Tensión de Arrastre, según la siguiente ecuación: f = WRS

En la cual: f = Tensión de arrastre en Pa W = Peso específico del líquido en N/m3 R = Radio hidráulico a gasto mínimo en m S = Pendiente mínima en m/m f Se recomienda un valor mínimo de = 1 Pa

Norma NBR 9649. En el Arto. 5.1.4 se establece que el diseño “debe ser verificado por el criterio de la tensión tractiva media de valor mínimo σt = 1.0 Pa calculada para el caudal inicial (Q i), para el coeficiente de Manning n=0.013. La pendiente mínima que satisface esta condición puede ser determinada por la expresión aproximada: •

Iomin. = 0.0055Q i‐0.47, siendo Iomin. en m/m y Q i en l /s. •

En el arto. 5.1.5 establece que para coeficientes de Manning diferentes a 0.013, los valores de tensión tractiva media y pendiente mínima deben ser justificados.

Comentario: En la experiencia, se ha visto que se aplica la fórmula del arto. 5.1.4 de las normas brasileñas para el cálculo de la pendiente mínima de tuberías de PVC, olvidando lo expresado en el arto. 5.1.5 de esta misma norma sobre el uso de diferentes coeficientes de Manning. 3. VELOCIDAD MÁXIMA 5.1 de las Guías: Fórmula y Coeficiente de Rugosidad. Velocidad máxima. ….. La velocidad máxima deberá ser de 3 m/s. Norma 9649.‐ El arto. 5.1.1 de la norma establece que la máxima pendiente admisible será aquella para la cual se tenga vf = 5 m/s.

4. LÁMINA DE AGUA 5.1 de las Guías: Fórmula y Coeficiente de Rugosidad. Tirante de Agua en el colector. Las Guías establecen que las colectoras hasta diámetros de 375 mm (15”) se diseñan para trabajar, como máximo, a la media sección, y que para diámetros mayores, se pueden dimensionar para funcionar con tirantes de 0.70 a 0.80 del diámetro. 11


Norma 9649 El Arto.5.1.6 establece que las láminas de agua deben ocupar como máximo con el caudal final del período de diseño (Q f) el 75% del diámetro del colector, restringida por la relación entre la velocidad máxima y la velocidad crítica calculadas. Además, el Arto. 5.1.5.1 restringe el tirante de agua en el colector, estableciendo que: cuando la máxima velocidad vf resulta mayor que la velocidad crítica vc, la mayor lámina de agua admisible debe ser 50% del diámetro del colector, asegurándose la ventilación del tramo; la velocidad crítica es definida por: vc = 6 (g RH)½, donde g = aceleración de la gravedad. 5. DIÁMETRO MÍNIMO 5.2 de las Guías: Diámetro mínimo. El diámetro mínimo de las tuberías deberá ser de 150 mm. Norma NBR 9649. El arto. 5.1.2 establece que el diámetro menor no debe ser inferior a 100 mm.

VIII

RELACIONES DE GASTO HORARIO MÁXIMO Y GASTO HORARIO MÍNIMO RESPECTO AL GASTO DIARIO MEDIO OBTENIDAS EN INVESTIGACIONES EFECTUADAS EN NICARAGUA

Para establecer las relaciones de gastos horarios obtenidas en NIcaragua, fueron consultadas cuatro fuentes de información bibliográfica, a saber: 1. Criterios de Diseño. Sistema de Alcantarillado Sanitario Managua, Nicaragua. Gannett Fleming Corddry & Carpenter, Inc. – Karim, DÀrce y Asc. DENACAL. Septiembre 1976. 2. Archivo personal de la Evaluación de los Sistemas de lagunas de estabilización, realizada en los años 1997, 1998 y 1999. ENACAL. 3. Monografía de los Ings. Eduardo Alvarado Quintero y Magdiel Arcia Marín para optar al título de ingeniero civil titulada Determinación de la Dotación de Agua Potable y Descargue de Aguas Negras en un Barrio de Bajos Recursos Económicos de la Ciudad de Managua. UNAN. Septiembre 1978. 4. Tesis del ingeniero Miguel Enrique Blanco Chávez y de la Lic. Carmen Lanuza Jarquín para optar al grado de MSc. En Ingeniería Ambiental. PIDMA – UNI. 13 Junio 2001. A continuación se presenta la síntesis de los resultados de cada fuente consultada: 1. Criterios de Diseño, 1976. Fueron aforadas en el tiempo seco de abril y mayo de 1976 las colectoras INVI (S), Quinta Nina (P), Bartolomé (N) y Acahualinca (A). El aforo fue de 7 días continuos, con los resultados siguientes deducidos de las tablas y gráficos que presenta el informe:

12


•

•

•

Se observa la existencia de una relación inversa del factor de relación con la población, tal cual lo sugiere la fórmula de Harmon14 y ha sido demostrado en diferentes estudios realizados en EUA y otros países; El factor de gasto máximo horario (Qmax/Qm) tiene un promedio de 2,28, con variación entre 1.79 y 3.02, para el Q total. El factor de gasto mínimo horario (Qmín/Qm) tiene un promedio de 0.15, con variación entre 0,05 y 0.20.

2. Monografía Alvarado – Arcia. El estudio fue realizado en el Barrio San Judas durante toda la semana del 11 al 18 de marzo de 1978. Las relaciones de gastos horarios máximo y mínimo y máximo diario obtenidas fueron las siguientes: • • •

Relación Qmáx/Qm = 1.99 Relación Q mín/Qm = 0.04 Relación de máximo día (Qmáx día/Qm diario) = 1.08

3. Tesis Blanco – Lanuza. Los aforos realizados no cubren períodos completos de 24 horas, por lo cual sus resultados no son representativos. 4. Evaluación del funcionamiento de los sistemas de lagunas de estabilización. Fueron evaluados los sistemas de lagunas de Chinandega, León, Granada, Rivas, Estelí y Somoto, en períodos de 24 horas en cada evaluación efectuada. Los resultados de las mediciones de campo fueron analizados por el autor de este trabajo para obtener las relaciones de gastos horarios, habiendo obtenido los valores siguientes: •

•

•

El factor de gasto máximo horario (Qmax/Qm) tiene un promedio de 2.06, con variación entre 1.56 y 3.12 para el Q total. El factor de gasto mínimo horario (Qmín/Qm) tiene un promedio de 0.29, con variación entre 0,13 y 0.59. Si se quiere ver por localidad, los resultados son los siguientes:

RELACIONES HORARIAS DE LOS GASTOS DE AGUAS RESIDUALES INFLUENTES A LAGUNAS DE ESTABILIZACIÓN

Gastos

Chinandega

León

Masaya

Granada

Rivas

Estelí

Somoto

General

Qm 24 horas

54,75

63,21

65,94

30,44

15,58

85,17

11,17

54,16

Qmáx hora

102,50

134,44

148,67

59,75

31,20

139,00

24,40

112,44

Qmín hora

12,25

15,35

16,72

12,43

6,70

42,00

2,90

14,94

Qmax/Qm

1,87

2,07

2,25

2,01

2,00

1,63

2,19

2,06

Qmín/Qm 0,22 0,27 Gastos expresados en litros/segundo.

0,25

0,38

0,43

0,49

0,26

0,29

14

Fórmula desarrolllada por W.G. Harmon en 1918 para la ciudad de Toledo, USA.‐ Posteriormente, han sido presentadas otras fórmulas por los textos clásicos de Babbitt and Baumann, Metcalf and Eddy, Fair and Geyer, 10 States Recomendations Standards, WPCF Manual of Practice No.9, entre otros. Para quien desee profundizar sobre el tema, se le sugiere revisar la Tesis de Xiaoyi Zhang ‐ Estimating Peaking Factors with Poisson Rectangular Pulse Model and Extreme Value Theory. Año 2005.

13


IX

CONCLUSIONES

Las comparaciones realizadas entre los criterios de diseño contenidos en los capítulos III y V de las Guías Técnicas para el Diseño de Alcantarillado Sanitario y Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales, los criterios contenidos en la Norma NBR 9649 y los resultados de las mediciones de campo de los gastos horarios consultados y/u obtenidos, permiten establecer las siguientes conclusiones: 1. En el diseño de las redes de alcantarillado sanitario de Nicaragua, no se está aplicando debidamente el gasto de diseño para obtener una tensión de arrastre mínima de 1 Pa. Se está aplicando el gasto del final del período de diseño, cuando debería ser aplicado el gasto de inicios del período de diseño. 2. Se debe calcular el diámetro de la tubería para la capacidad del caudal de fin del período de diseño y verificar el cálculo de la pendiente mínima con el caudal de inicios del período de diseño para lograr la fuerza tractiva mínima de 1.0 Pa. 3. Las Guías establecen que el cálculo hidráulico “se deberá hacer en base al criterio de la tensión de arrastre y la fórmula de Manning”; pero cuando aborda el tema del cálculo de pendiente longitudinal mínima, expresa que este cálculo “se podrá determinar aplicando el criterio de la tensión de arrastre”, abriendo el espacio a la posibilidad de que se pudiera hacer de otra manera, lo cual posiblemente ha inducido a algunos diseñadores a utilizar en su lugar el criterio de la velocidad mínima igual a 0.60 m/s. 4. El cálculo de la pendiente mínima para obtener la fuerza tractiva mínima por medio de la fórmula aproximada de cálculo: Iomin. = 0.0055Q i‐0.47, no se está aplicando bien, pues ésta fue desarrollada para n = 0.013. Para n= 0.009 (utilizado para el PVC) la fórmula a aplicar está expresada por I = 00065 Q ‐0.49, según lo presentan Milton Tomoyuki Tsutiya y Pedro Alem Sobrinho.15 5. Se está echando vino nuevo en un odre viejo16, con resultados inapropiados al conservar varios criterios que pertenecen al pasado. 6. Las mediciones de campo en los sistemas existentes arrojan valores promedios de 2.28 y 1.99 en Managua y 2.06 en las ciudades del interior del país para el factor de gasto de máximo horario.‐ 7. Los valores promedios de gasto horario mínimo van de 0.15 y 0.05 en la ciudad de Managua a 0.29 en las ciudades del interior del país. 8. Es necesario crear una normativa que regule el uso del criterio de la tensión de arrastre mínima para aprovechar las bondades de los sistemas de alcantarillado sanitario simplificado y condominial.

X

RECOMENDACIONES:

En el interés de facilitar la labor de los ingenieros de ENACAL, INAA y los consultores y de lograr redes de alcantarillado sanitario más económicas y funcionales, se recomienda:

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Coleta e Transporte de Esgoto Sanitário. Milton Tomoyuki Tsutiya, Pedro Alem Sobrinho. 2ª. Edición. Sao Paulo. 2000. 16 Pasaje de la Biblia expresado en el evangelio de San Lucas, Cap.5, versículo 36 que hace referencia a que el cambio debe ser total en el hombre.

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1. Adoptar la aplicación de la Norma NBR 9649 en toda su extensión para el diseño de las redes de alcantarillado sanitario, exceptuando el diámetro mínimo que se deberá mantener en 150 mm. El cambio de diámetro merece un mayor análisis, fundamentada en una experiencia local como la que está próxima a iniciarse con el estudio piloto de alcantarillado condominial en un barrio de la ciudad de Managua. 2. Estimular la investigación de los sistemas de alcantarillado sanitario existentes en Nicaragua para establecer nuestros propios parámetros de diseño sobre la base de la experiencia local.

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ANEXO ALGUNAS REFERENCIAS PARTICULARES SOBRE EL CONCEPTO DE LA FUERZA TRACTIVA, SEGÚN REVISIÓN EFECTUADA POR EL ING. SERGIO TERCERO TALAVERA

REFERENCIAS DEL USO DE LA FUERZA TRACTIVA EN EL DISEÑO DE ALCANTARILLADOS SANITARIOS EN NICARAGUA: 1985. La primera vez que el autor de este trabajo tuvo conocimiento del concepto de la fuerza tractiva fue a través de un artículo17 publicado por la Revista DAE18 de Septiembre de 1985, elaborado por un ingeniero chileno y que había sido presentado en el XIX Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (AIDIS), celebrado en Chile en el año 1984. En el citado artículo se hace todo un desarrollo teórico del concepto de fuerza tractiva y entre toda la información que expone el Ing. Contreras, se menciona que en el año de 1979, la Compañía de Saneamiento Básico de Sao Paulo (SABESP),(Brasil), publicó las “Instrucciones para Elaboración de Proyectos de Redes y Colectores Troncales de la Región Metropolitana de Sao Paulo” en la cual estableció la regulación de “dimensionar hidráulicamente la red respetando la condición h/D ≥ 0.20 para las condiciones iniciales de funcionamiento de la red y siempre que la tensión tractiva fuese mayor o igual a 0.15 Kg/m2 ”. 1992. Los ingenieros Moisés McCrea y Pablo Apolinar Baez19 elaboraron su monografía para optar al título de ingeniero civil, con un diseño de alcantarillado sanitario utilizando tuberías de PVC y el criterio de la fuerza de arrastre. 199520. INAA21, con financiamiento del Banco Mundial, recibió al consultor brasileño Ing. Augusto Sergio Pinto Guimaraes, quien difundió por primera vez en Nicaragua, a través de INAA con la participación de la Escuela de Ingeniería Ambiental de la UNI, el diseño de sistemas de alcantarillado simplificado, en el cual se aplica el concepto de la fuerza tractiva, entre otras modificaciones introducidas. El Ing. Guimareas aportó un software para el diseño, llamado Sewerex. Se hicieron diseños con este Programa y se compararon con los costos del diseño convencional, es así que se empiezan a construir barrios con este sistema simplificado (Water Ferrety, Grenada, Carlos Marx I y II, Enrique Smith, Pablo Ubeda, etc.). El alcantarillado

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Aplicacão da Tensão Trativa Mínima ao Transporte Hidráulico de Sólidos en Tubulaçoes. Ramón Reinaldo Contreras Correa. 18 REVISTA DAE – VOL.45 – Nº142 – Setembro de 1985. 19 Comunicación personal con los autores. 20 Aporte personal de la Ing. Ilse Brockmann, funcionaria de ENACAL. 21 Aún no se había efectuado la separación de ENACAL e INAA, producida en el año 1998, con la creación de INAA como organismo regulador.

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simplificado considera redes de 6”, dispositivos de visita cilíndrica (tubos de Ø 30”) y bocas de limpieza. 1999. Monografía elaborada por las ingenieras Karla Leonnie Argüello Pallais y Shirley Amada Espinoza Guevara para optar a su título de Ingeniero civil, titulada Diseño de la Red de Alcantarillado Sanitario para el Barrio Anexo Villa Libertad. UNICA. 2002. INAA sometió22 a la revisión de ENACAL la propuesta de Normas Técnicas para el Diseño de Alcantarillado Sanitario y Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales.‐ Los técnicos de la comisión formada por ENACAL revisamos dicho documento, habiendo emitido nuestras observaciones y recomendaciones, entre las cuales para el propósito de este resumen histórico se resaltan dos de ellas: 1) cambiar el título de Normas a Guías, dado el alcance contenido en el documento; y 2) incluir la metodología de diseño sobre la base de la fuerza tractiva y el sistema de alcantarillado simplificado; Además, en la carta de remisión23, la Presidencia Ejecutiva recomendó a INAA que se formara una comisión técnica de ENACAL – INAA para la revisión final del documento antes de su publicación (esta recomendación no fue atendida por INAA). 200424. INAA publicó las Guías Técnicas para el Diseño de Alcantarillado Sanitario y Sistemas de Tratamiento de Aguas Residuales, que incluye el concepto de fuerza de arrastre para el cálculo hidráulico de las alcantarillas.

EVENTOS DE REFERENCIA INTERNACIONAL La revisión bibliográfica realizada por el autor de este trabajo a través de Internet, (incompleta, por supuesto), muestra los siguientes elementos de la evolución del concepto de diseño de la fuerza tractiva mínima a nivel mundial: 1962. Rath and McCauley, citado por Merrit LaVere B., investigaron la fuerza tractiva como una función del tamaño de la partícula. 1974. Journal of Environmental Engineering, 100 (507‐520), publica el artículo de K. M. YAO “Sewer line Design Based on Critical Shear Stress”. Basado en su investigación realizada en Pakistán Oeste, Universidad de Lahore, concluye, entre otros, que “el método del esfuerzo

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Carta PE‐JHV‐12‐2001‐1097 dirigida al Presidente Ejecutivo de ENACAL. Carta DS‐GCT‐C001‐02 del 23.01.2002 dirigida al Presidente Ejecutivo de INAA. 24 Lamentablemente la publicación de INAA no tiene fecha; sin embargo, por el antecedente referido, se puede afirmar que fue publicado entre los años 2002‐3003. 23

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cortante crítico provee un diseño más económico en el caso de flujos parcialmente llenos con tirante menor de 0.4 del diámetro del tubo; que el uso del criterio de la velocidad mínima constante tiende a subdimensionar las tuberías de mayor diámetro y a sobredimensionar las tuberías de menor diámetro.” 1976. Journal WPCF Vol.48, Nº7, pág. 1772‐1778, publica el artículo de K.M. YAO “Funcional Design of Sanitary Sewer” en el cual menciona que “se ha sugerido que un enfoque más racional para el diseño autolimpiante de las alcantarillas sanitarias es el uso del esfuerzo cortante crítico”. 1979. En Brasil se publicaron las “Instruções para la elaboração de Projetos de Redes e Coletores‐Tronco da Região Metropolitana de São Paulo” da Sabesp – Cía de Saneamento Básico do Estado de São Paulo.” 1983. Según lo indican varios textos, el ingeniero José Carlos Rodrigues de Melo25 (Brasil) coordina el equipo que inicia la diseminación del sistema de alcantarillado condominial en la ciudad de Natal, Brasil, con todas las innovaciones que le pertenecen a este tipo de sistema, que incluye la metodología de diseño de la fuerza tractiva, entre otros. 1986: Brasil publica la norma NBR 9649 Projeto de redes coletoras de esgoto sanitário, que oficializa el uso de la metodología de la fuerza tractiva mínima para el diseño del alcantarillado sanitario. 1994: El UNDP‐ World Bank Sanitation Program publica el texto “Simplified Sewerage: Design Guidelines”, elaborado por Alexander Bakalian, Albert Wright, Richard Otis y el Prof. José de Azevedo Netto. Refiere que la experiencia de Brasil se ha extendido a Bolivia, Perú, Colombia y Uruguay. 1996: Duncan Mara publica el libro Low Cost Sewerage e introduce el concepto de fuerza tractiva mínima para el diseño de alcantarillas. 2000. Milton Tomoyuki Tsutiya y Pedro Alem Sobrinho publican el libro Coleta e Transporte de Esgoto Sanitário, con amplia información sobre el tema de diseño de alcantarillado condominial. 2001: Duncan Mara, David Tayler, University of Leeds, London, UK, publica el libro PC‐Based Simplified Sewerage Design.‐

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Milton Tomoyuki Tsutiya y Pedro Alem Sobrinho en su libro Coleta e Transporte de Esgoto Sanitário indican que los pioneros en el uso del criterio de la tensión tractiva para el diseño de alcantarillados sanitarios en Brasil son los ingenieros Amarílio Pereira de Souza y Miguel Zwi.

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2001; Bolivia revisa la norma NB 688 Noma Técnica para Diseño de Sistemas de Alcantarillado y Tratamiento de Aguas Residuales e introduce en ella el concepto del sistema condominial, con énfasis en la aplicación del método de la “tensión tractiva mínima” en lugar de la velocidad mínima. 2005; El CEPIS publica las Guías para el Diseño de Tecnologías de Alcantarillado, introduciendo el concepto de la fuerza tractiva mínima. 2007: ASCE USA publica el Manual MOP 60‐WEF FD 5 Manual en el cual recomienda el uso del método de la fuerza tractiva para el diseño autolimpiante de las alcantarillas sanitarias por gravedad. 2008. Bentley publica la nueva versión de SewerCad V8 XM Edition e incorpora el cálculo de la fuerza tractiva para la verificación de la fuerza tractiva mínima. Comentario Final: La evolución de las normas es algo natural. En EUA en 1951 fue publicada la 1ª versión de las Normas Recomendadas por los 10 Estados (10 States Standards Recommendation for Wastewater Facilities). En la edición de 2004, elimina la recomendación de la velocidad mínima igual a 2 pps, que había mantenido invariable hasta la versión de 1997. Reparto San Martín, Managua, 02 de noviembre de 2010.

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USO DEL CRITERIO DE LA FUERZA TRACTIVA EN EL DISEÑO DE ALCANTARILLADO SANITARIO EN NICARAGUA

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