Diseño de redes de alcantarillado sanitario M. I. José A. Cisneros Rosas

Universidad del Drenaje

ADS Mexicana

Colegio de Ingenieros Civiles del Estado de Tabasco Sociedad Mexicana de Hidráulica – Capítulo Tabasco

Julio, 2012

En la actualidad, en función del tipo de aguas que conducirá un sistema de alcantarillado, se puede distinguir la siguiente clasificación: a) Alcantarillado sanitario b) Alcantarillado pluvial c) Sistema combinado La justificación económica y técnica en la selección de un sistema de alcantarillado debe considerar la mayor cantidad de factores posible que permitan la adecuada implementación del mismo. La selección de un sistema residual, pluvial o combinado depende en gran medida de las características económicas de la población y de las condiciones topográficas de la localidad. Otros factores que deben tenerse en cuenta son la necesidad y factibilidad del tratamiento de las aguas negras y las necesidades de bombeo.

Partes de que consta un alcantarillado

De forma general, las obras que integran los sistemas de alcantarillado son: a) Obras de captación. Descargas domiciliarias y red de atarjeas.

b) Obras de conducción: Colectores, interceptores y emisores. c) Obras de tratamiento. d) Obras de disposición final. Estructuras de descarga.

La ubicación de los colectores e interceptores es un problema de relativa sencillez, ya que se dispone de la topografía del área por drenar: Deben localizarse al centro de las calles No deben cruzar manzanas ni edificaciones Ubicación en las zonas más bajas Debe aprovechar al máximo el escurrimiento por gravedad Utilizar el menor número de cambios de dirección posible Buscar el camino más corto al sitio de vertido

RELLENO FINAL

CUÑA DE FALLA DEL SUELO

De/2 D De/2

60°

MATERIAL DE RELLENO SELECIONADO CLASE II ó CLASE I TRITURADO

INSTLACION ZANJA TIPO

SUELO NATIVO POBRE

SUELO NATIVO POBRE

SUELO NATIVO POBRE SUELO NATIVO

POBRE

2 De

Diámetro nominal Ancho Profundidad

Espesor de plantilla

Volumen de excavación

cm pulgadas cm cm cm m3/m 20 8 75 115 10 0.86 25 10 80 120 10 0.96 30 12 85 125 10 1.06 35 14 90 130 10 1.17 40 16 95 140 10 1.33 45 18 110 145 10 1.60 50 20 115 155 11 1.78 61 24 130 165 13 2.15 76 30 150 185 14 2.77 91 36 170 210 15 3.57 107 42 190 230 17 4.37 122 48 210 245 20 5.14 162 60 250 300 23 7.50 183 72 280 340 27 9.52 213 84 320 380 30 12.16 244 96 350 415 34 14.53

EMPAQUE ASTM F477

DIAMEETRO EXTERIOR

BANDA CERAMICA

CAMPANA

EMPAQUE ASTM F477

CAMPANA

24” A 60” (610 A 1500 mm)

4” A 18” (100 A 450 mm)

Los tubos rígidos son aquellos que no presentan deflexión apreciable sin que se presente una falla estructural

Los tubos rígidos manifiestan una falla estructural apreciable al deflectarse un 2% o más de su diámetro bajo cargas externas

TUBO RTUBO RÍÍGIDO BAJO CARGAGIDO BAJO CARGA

EL MATERIAL RESISTE EL TOTAL DE EL MATERIAL RESISTE EL TOTAL DE LA CARGA SIN DEFORMACILA CARGA SIN DEFORMACIÓÓN N APRECIABLEAPRECIABLEHASTA EL PUNTO EN QUE EL HASTA EL PUNTO EN QUE EL MATERIAL SE ROMPE EN MATERIAL SE ROMPE EN CUADRANTES POR MECANISMO DE CUADRANTES POR MECANISMO DE CUATRO ARTICULACIONES.CUATRO ARTICULACIONES.

TUBERTUBERÍÍA DE CONCRETO A DE CONCRETO

FALLA TFALLA TÍÍPICA POR FRACTURA BAJO CARGA EXCESIVA.PICA POR FRACTURA BAJO CARGA EXCESIVA.

Los tubos flexibles se deflectan por lo menos un 2% sin que se presente falla estructural

Los diferentes tipos de tubería pueden tener diferentes límites de desempeño de acuerdo al tipo, material y diseño de la pared

La resistencia a los esfuerzos en la pared debidos a cargas externas es crítica para la tubería rígida, mientras que para tubería flexible, la rigidez es importante para resistir la deflexión y el posible pandeo

AL APLICAR LA CARGA, SE INDUCE AL APLICAR LA CARGA, SE INDUCE DEFORMACIDEFORMACIÓÓN AL TUBO CAMBIANDO LA N AL TUBO CAMBIANDO LA FORMA CIRCULAR POR UNA ELFORMA CIRCULAR POR UNA ELÍÍPTICA. PTICA.

AL APLICAR LA CARGA, SE INDUCE AL APLICAR LA CARGA, SE INDUCE DEFORMACIDEFORMACIÓÓN AL TUBO CAMBIANDO LA N AL TUBO CAMBIANDO LA FORMA CIRCULAR POR UNA ELFORMA CIRCULAR POR UNA ELÍÍPTICA. PTICA.

EL ACOSTILLADO DEL TUBO PROPORCIONA EL ACOSTILLADO DEL TUBO PROPORCIONA EL CONFINAMIENTO NECESARIO PARA EL CONFINAMIENTO NECESARIO PARA IMPEDIR LA EXPANSIIMPEDIR LA EXPANSIÓÓN HORIZONTAL DEL N HORIZONTAL DEL TUBO CON LO QUE SE TRANSFIEREN TUBO CON LO QUE SE TRANSFIEREN CARGAS AL SUELO Y SE MANTIENE LA CARGAS AL SUELO Y SE MANTIENE LA CIRCULARIDAD DEL TUBO.CIRCULARIDAD DEL TUBO.

TUBO ADS N-12 DEFLEXIÓN ADMISIBLE 5%

Estructuras especiales. Pozo de visita común

Diámetro interior de 1.2 metros

Tubería de hasta 61 centímetros de diámetro

Conexión hasta 45 cm

Deflexión máxima de 90 grados

Estructuras especiales. Pozo especial

Pozo tipo 1: se utiliza con tuberías de 0.76 a 1.07 metros de diámetro con entronques a 90 grados de tuberías de hasta 0.3 metros y permite una deflexión máxima en la tubería de 45 grados

Pozo tipo 2: se usa con diámetros de 1.22 metros y entronques a 90 grados de tuberías de hasta 0.3 metros y permite una deflexión máxima en la tubería de 45 grados

Estructuras especiales. Pozo caja

Los pozos caja están formados por el conjunto de una caja de concreto reforzado y una chimenea de tabique similar a la de los pozos comunes y especiales

Estos pozos no permiten deflexiones en las tuberías.

Su utilizan para tuberías desde los 76 cm y hasta 1.83 metros

Estructuras especiales. Pozo caja unión

Los pozos caja de unión son cajas de sección horizontal en forma de polígono irregular, y no permiten deflexiones en las tuberías.

Se utilizan para tuberías desde 1.52 metros de diámetro y hasta 2.13 metros

Estructuras especiales. Pozos caja deflexión

Se les nombra pozos caja de deflexión a los pozos a los que concurre una tubería de entrada y tienen sólo una de salida con un ángulo de 45 grados como máximo

Se utilizan en tuberías de 1.52 a 3.05 m de diámetro

La separación máxima entre los pozos de visita debe ser la adecuada para facilitar las operaciones de inspección y limpieza En tramos de 20 hasta 61 centímetros de diámetro,

125 metros. En tramos de diámetro mayor a 61 centímetros y

menor o igual a 122 centímetros, 150 metros. En tramos de diámetro mayor a 122 centímetros y

menor o igual a 305 centímetros, 175 metros

Para los cambios de dirección, las deflexiones necesarias en los diferentes tramos de tubería se efectúan como se indica a continuación: Si el diámetro de la tubería es de 61 centímetros o menor, los

cambios de dirección son hasta de 90 grados, y deben hacerse con un solo pozo común.

Si el diámetro es mayor de 61 centímetros y menor o igual que 122, los cambios de dirección son hasta de 45 grados, y deben hacerse con un pozo especial.

Si el diámetro es mayor de 122 centímetros y menor o igual a 305 centímetros, los cambios de dirección son hasta de 45 grados, y deben hacerse en un pozo caja de deflexión.

Si se requiere dar deflexiones más grandes que las permitidas, deberán emplearse el número de pozos que sean necesarios, respetando el rango de deflexión permisible para el tipo de pozo

Estructuras especiales. Caídas

Tipo de caída Diámetros, cm

Altura de la caída, cm

Libre en pozos común, especial 1 o especial 2.

Diámetro de entrada 20 a 25 50

Caída adosada a pozos común, especial 1 o

especial 2.

Diámetro de entrada 20 a 25 200

Libre en pozo común o especial 1.

Diámetro de entrada y salida 30 a 76

Un diámetro (el mayor)

Pozo con caída. Diámetro de entrada y salida 30 a 76 300

Estructura de caída escalonada.

Diámetro de entrada y salida mayor a 76 250

0.32

0.50 0.50 0.08

0.12

VARIABLE

0.12

0.39

0.10 A 0.15

d

ESCALONES VARILLA3/4"

BROCAL Y TAPA DE POLIETILENO MEDIA DENSIDAD

MEZCLA CEMENTO-ARENA

LADRILLO O BLOCK A SOGAJUNTEADO CON MEZCLA

CEMENTO-ARENA 1:3

APLANADO MEZCLACEMENTO-ARENA 1:3

CON ADITIVO ESTABILIZADOR DE VOLUMENO GROUT NO METALICO

ACABADO PULIDO

APLANADO MEZCLACEMENTO-ARENA 1:3ACABADO SARPEADOCON IMPERMEABILIZANTE INTEGRAL

CODO DE PEAD INYECTADO 8"x90° ó 10"x90°

TEE DE PEAD INYECTADA 10"x10" ó 8"x8"

EMPAQUE ELASTOMERICO

PEAD corrugado 8" ó 10"

O DE PIEDRA BRAZA

PEAD corrugado 8" ó 10"

BASE CONCRETO F´c=150 KG/CM2

PEAD corrugado

PEAD corrugado 8" ó 10"

TEE DE PEAD INYECTADA 10"x10" ó 8"x8"

PEAD corrugado

PEAD corrugado

MURO POZO DE VSITA

0.40

VARIABLE

VARIABLE

D

ALT

UR

A D

E C

AÍD

A A

DO

SA

DA

Estructuras especiales. Estructuras de vertido

Criterios de diseño hidráulico

Periodo económico de proyecto y vida útil de las obras

Población de proyecto

Dotación de agua potable y aportación de aguas residuales

Poblacion Tipo de clima

Calido Templado Frio

Menos de 15 000 150 125 100

15 000 a 30 000 200 150 125

30 000 a 70 000 250 200 175

70 000 a 150 000 300 250 200

Mas de 150 000 350 300 250

Gastos de diseño Gasto medio

Gasto mínimo

86400pp

m

PAQ =

mmin QQ 5.0=

Gasto máximo instantáneo

minstmax MQQ =.

M es el coeficiente de Harmon:

PM

++=

4141

M = 3.8 si P = 1 000 habitantes M = 2.17 si P > 63 454 habitantes

Gasto máximo extraordinario

.... instmaxextramax CPQQ =

CP es el coeficiente de previsión = 1.5

Parámetros de diseño Diámetro mínimo

Se recomienda sea de 25 cm.

Velocidades La velocidad mínima deberá ser de 60 cm/seg. La velocidad máxima oscila entre 3 y 5 m/seg.

Pendientes

Pendiente mínima es aquella con la que se obtienen velocidades de por lo menos 60 cm/seg.

Con la pendiente máxima se obtendrán velocidades de 3 a 5 m/seg.

C.S. CONCRETO SIMPLE.C.R. CONCRETO REFORZADO.AC. ACEROFC. FIBROCEMENTOPEAD POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD.PVC POLI ( CLORURO DE VINILO) PVC.

COEF. FRICC.=0.014

C.S. C.R. PEN. MIN. AC. PEN.

MIN. FC. PEN. MIN. PEAD

PVC(Metrico

)

PVC(Ingles)

PEN. MIN.

diametro diametro diametro diametro diametro diametro diametro(cm) (cm) (milesimas) (cm) (milesimas) (cm) (milesimas) (cm) (cm) (cm) (milesimas)15 17 5 15 3 15 16 15 2.520 4 22 4 20 2 20 20 20 225 2.5 27 3 25 1.5 25 25 25 1.530 30 2 32 2.5 30 1.5 30 31.5 30 138 38 1.5 36 2 35 1 35 37.5 0.7

41 1.5 40 0.8 40 40 0.745 45 1.2 46 1.3 45 0.7 45 45 0.6

51 1.1 50 0.6 50 50 52.5 0.560 60 0.8 55 0.5

61 0.9 60 0.5 60 63 60 0.476 76 0.6 65 0.4

75 0.4 70 0.375 0.380 0.3

91 0.5 90 0.3 81 0.3100 0.3 85 0.3

107 0.4 110 0.3 90 0.3122 0.3 120 0.2

130 0.2140 0.2

152 0.3 150 0.2160 0.2170 0.2

183 0.2 180 0.2190 0.1200 0.1

213 0.2244 0.2305 0.1

TIPO DE TUBERIA, DIAMETRO EN CM, PENDIENTE MINIMA EN MILESIMAS.

COEF. FRIC.C=0.010 COEF. FRICC.=0.009COEF. FRICCION=0.013

Cálculo hidráulico

Velocidad del flujo

5.067.01pSR

nv =

5.067.0

4100 pSDv

=

Si n = 0.010

ADS N-12 Valores de Manning "n" vs Velocidad

0.0080.009

0.010.0110.0120.0130.0140.0150.0160.0170.0180.019

0.020.0210.0220.0230.0240.025

0 1 2 3 4Velocidad (m/s)

"n"

de M

anni

ng

Comportamiento en tuberías

TUBERÍAS

Las tuberías sometidas a esfuerzo constante se caracterizan por conducir líquidos o gases a presiones internas de operación superiores a la presión atmosférica

Los rangos para las presiones de operación pueden variar considerablemente desde 0.1 kg/cm2 a 0.5 kg/cm2 (baja presión), 15 kg/cm2 (alta presión) o hasta 32 kg/ cm2 (muy alta presión) en conducción de agua potable

EL ESFUERZO RESULTANTE EN LA PARED DEL TUBO ES DE TENSIÓN

Los esfuerzos experimentados en tuberías enterradas y sometidas a presión interna, son producidos principalmente por las cargas tanto internas debidas al fluido (presión hidrostática y sobrepresiones de operación o “golpe de ariete”), como externas debidas al relleno sobre el tubo (carga muerta) y a la aplicación de cargas por vehículos en la superficie (carga viva)

Las tuberías sometidas a deformación constante se caracterizan por conducir fluidos a presión atmosférica, como ejemplo las redes de alcantarillado, colectores, emisores, acueductos a gravedad, canales entubados o alcantarillas

EL ESFUERZO RESULTANTE EN LA PARED DEL TUBO ES DE COMPRESIÓN

Las tuberías enterradas y con flujo a presión atmosférica están sometidas principalmente a las solicitaciones externas carga viva ocasionada por el tránsito de

vehículos en la superficie carga muerta, el peso del relleno que lo rodea

y sobre el tubo

Flujo en secciones parcialmente llenas

( )rd−⋅= − 1cos2 1θ

( )2cos1 α−= rd

360απ ⋅⋅= DPm

⋅−=

παα

23601 senrrh

−

⋅⋅=

23602 ααπ senrA