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Tema C: Agua y Ciudad Eficiencia hidráulica de rejillas transversales continuas Manuel Gómez 1 , Beniamino Russo 2 1 Catedrático de Universidad, E. T. S. de Caminos (UPC), [email protected] 2 Profesor Titular de Escuela Universitaria, Escuela Universitaria Politécnica de La Almunia (Universidad de Zaragoza), [email protected] 1 Introducción 1.1 Enfoque de la problemática Durante un evento de lluvia los caudales de escorrentía deben introducirse en la red de drenaje en los puntos previstos, para que el agua no circule descontrolada por la superficie de la ciudad y no implique condiciones de riesgo para la circulación vehicular y peatonal (DCG, 1969). Si el agua de escorrentía no entra en la red en el sitio donde se hizo la hipótesis que entrara, debido a un escaso número de imbornales o a una inadecuada capacidad de captación de los mismos, el esquema hidrológico e hidráulico de cálculo supuesto en una cuenca en fase de diseño queda modificado. Esto quiere decir que costosas obras de drenaje urbano diseñadas con una metodología hidrológica e hidráulica rigurosa, pueden funcionar de manera inadecuada y diferente a lo previsto. Para garantizar la captación sobre calzadas y aceras normalmente se utilizan imbornales con rejillas, con buzones laterales juntos al bordillo o combinaciones de las dos soluciones. Hoy en día la eficiencia hidráulica de estos elementos empieza a estudiarse con una atención adecuada a la importancia del tema (Spaliviero F. y May R. W. P., 1998; Gómez M. y Russo B., 2005). En un medio urbano, aparte de las superficies conectadas directamente a la red de drenaje de la ciudad como terrazas y tejados y de las calles y aceras en las cuales, para garantizar la captación de escorrentía superficial, contamos con imbornales convencionales, hay toda una serie de superficies como plazas, grandes viales peatonales, zonas ajardinadas y otras grandes superficies abiertas urbanizadas. En estos casos, colocar algunos imbornales de forma aleatoria y esporádica a lo largo de toda la superficie urbanizada representa una solución de escasa eficacia a nivel de captación superficial y por eso se suelen utilizar estructuras de captación transversal continuas formadas por el conjunto de rejillas y canaletas de desagüe asociadas (Figura 1). Figura 1 Rejillas transversales continuas en el Campus Nord de la Universidad Politécnica de Catalunya.

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Tema C: Agua y Ciudad

Eficiencia hidráulica de rejillas transversales continuas

Manuel Gómez1, Beniamino Russo

2

1Catedrático de Universidad, E. T. S. de Caminos (UPC), [email protected]

2Profesor Titular de Escuela Universitaria, Escuela Universitaria Politécnica de La Almunia

(Universidad de Zaragoza), [email protected]

1 Introducción

1.1 Enfoque de la problemática

Durante un evento de lluvia los caudales de escorrentía deben introducirse en la red de drenaje en los puntos

previstos, para que el agua no circule descontrolada por la superficie de la ciudad y no implique condiciones de

riesgo para la circulación vehicular y peatonal (DCG, 1969).

Si el agua de escorrentía no entra en la red en el sitio donde se hizo la hipótesis que entrara, debido a un escaso

número de imbornales o a una inadecuada capacidad de captación de los mismos, el esquema hidrológico e

hidráulico de cálculo supuesto en una cuenca en fase de diseño queda modificado. Esto quiere decir que costosas

obras de drenaje urbano diseñadas con una metodología hidrológica e hidráulica rigurosa, pueden funcionar de

manera inadecuada y diferente a lo previsto. Para garantizar la captación sobre calzadas y aceras normalmente se

utilizan imbornales con rejillas, con buzones laterales juntos al bordillo o combinaciones de las dos soluciones.

Hoy en día la eficiencia hidráulica de estos elementos empieza a estudiarse con una atención adecuada a la

importancia del tema (Spaliviero F. y May R. W. P., 1998; Gómez M. y Russo B., 2005).

En un medio urbano, aparte de las superficies conectadas directamente a la red de drenaje de la ciudad como

terrazas y tejados y de las calles y aceras en las cuales, para garantizar la captación de escorrentía superficial,

contamos con imbornales convencionales, hay toda una serie de superficies como plazas, grandes viales

peatonales, zonas ajardinadas y otras grandes superficies abiertas urbanizadas. En estos casos, colocar algunos

imbornales de forma aleatoria y esporádica a lo largo de toda la superficie urbanizada representa una solución de

escasa eficacia a nivel de captación superficial y por eso se suelen utilizar estructuras de captación transversal

continuas formadas por el conjunto de rejillas y canaletas de desagüe asociadas (Figura 1).

Figura 1 Rejillas transversales continuas en el Campus Nord de la Universidad Politécnica de Catalunya.

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1.2 Justificación del estudio

El estudio de estos elementos de drenaje superficial debería tener en cuenta, por un lado, la eficiencia hidráulica

de las rejillas transversales continuas y, por el otro, la capacidad de desagüe de las canaletas asociadas. El caudal

de desagüe de paso por la canaleta (Qdesagüe) se puede calcular considerando un régimen de flujo espacialmente

variado en el caso de incremento de caudal en la dirección del flujo que corresponde a la situación bajo la cual

las mismas canaletas desaguan los caudales interceptados (qint).

Figura 2 Esquema de funcionamiento de un sistema de drenaje superficial formado por el conjunto rejillas-canaleta.

En bibliografía existen diferentes publicaciones que explican de manera adecuada como se puede resolver este

tipo de flujo teniendo en cuenta la pérdida de carga debidas a la fricción de las partículas de fluido con las

tuberías y las pérdidas de impacto (“impact loses”) generadas por el choque producido por los caudales

interceptados y los caudales de paso por la canaleta. Cuanto más pequeñas sean las canaletas, mayores serán las

pérdidas de impacto. En canaletas de desagüe asociadas a rejillas transversales continuas, gran parte de las

pérdidas de carga producidas son de este tipo debido a que el caudal interceptado muchas veces es del mismo

orden de magnitud que el caudal circulante (French R. H., 1985).

Si el cálculo de los caudales máximos circulantes por una canaleta de desagüe es un problema ya conocido y

suficientemente estudiado, el cálculo de la capacidad hidráulica de rejillas transversales continuas es, sin

embargo, algo mucho menos común, no obstante el uso muy difundido de este tipo de estructuras.

De hecho, la gran mayoría de las veces, el diseño de estas estructuras de captación se decide según criterios

estéticos atendiendo principalmente a sus dimensiones, formas e integración en el mobiliario urbano. Los

suministradores y fabricantes proporcionan numerosos datos sobre su comportamiento estructural pero nunca lo

hacen sobre su capacidad de capturar caudales. Por otro lado, tampoco las normas europeas específicas sobre

elementos de captación, las EN 124 (ECS, 1994) y la EN 1433 (ECS, 2002), proporcionan informaciones

adecuadas sobre la capacidad hidráulica de estos elementos.

En este contexto, queda claro que la única forma de caracterizar hidráulicamente estos elementos consiste en

análisis experimentales a través de modelos físicos. Una campaña experimental para la estimación de la

eficiencia de captación de rejillas transversales continuas ha sido desarrollada en el Laboratorio de Hidráulica de

la Escuela de Caminos de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) y los resultados de la fase experimental

se presentan en esta memoria.

El objetivo de la campaña experimental ha sido lo de hallar formulaciones que permitieran estimar la capacidad

hidráulica de estos elementos sin la necesidad de ensayos previos. En particular se han buscado expresiones que

pudieran también ser útiles para introducirse en códigos de cálculo y así simular el correcto comportamiento

hidráulico de zonas urbanas durante sucesos de lluvias.

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2 Capacidad hidráulica de las rejillas transversales continuas

2.1 Definición de eficiencia hidráulica

La eficiencia hidráulica de un elemento de drenaje superficial se puede definir como el cociente entre el caudal

interceptado por él, y el caudal de paso por la cuneta:

Q

QE int

= (1)

donde:

E es la eficiencia hidráulica de la estructura de captación;

Qint es el caudal captado por la estructura de captación;

Q es el caudal de paso por la cuneta.

La eficiencia hidráulica de un elemento de drenaje superficial depende de muchos parámetros entre los cuales

destacan el caudal de paso por la cuneta (Q), el tipo de rejilla de captación, la pendiente longitudinal (Iy), la

rugosidad (n) y la geometría de la cuneta, el bombeo transversal de la calle (Ix), y del factor de colmatación

debido a fenómenos de obstrucción del área de huecos de la estructura.

La eficiencia hidráulica de rejillas transversales continuas puede expresarse también en términos de eficiencia

unitaria E (eficiencia por metro de rejilla):

q

qE int

= (2)

donde:

qint es el caudal captado por un metro de estructura de captación;

q es el caudal unitario circulante.

2.2 Antecedentes

En publicaciones recientes, ecuaciones experimentales potenciales han sido propuestas para relacionar la

eficiencia hidráulica de rejas de alcantarillado convencionales al calado del flujo (y) (NFCO, 1998) o al cociente

(Q/y) (Spaliviero y May, 1998; Gómez y Russo 2005a, b). Especialmente, durante una campaña experimental

desarrollada en el Laboratorio de Hidráulica de la UPC, las rejas más comunes en Barcelona fueron ensayadas a

través de una plataforma experimental que simula el comportamiento hidráulico de una calle urbana frente a

fenómenos de episodios de fuertes lluvias (Figura 3). Los resultados de esta campaña proporcionaron unas

expresiones experimentales que permiten estimar la eficiencia hidráulica de rejas convencionales sobre la base

de su geometría, para cualquier condición de flujo en cunetas uniformes (Gómez y Russo 2005a, b).

Figura 3 Plataforma para el ensayo de rejas en el Laboratorio de Hidráulica de la Escuela de Caminos de la UPC

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3 Campaña experimental

3.1 Estructuras ensayadas

El uso de rejillas transversales continuas es generalmente común en todas aquellas superficies del medio urbano

que no presenten claras zonas de acumulación de caudales (como cunetas, puntos bajos, etc.) y que por lo tanto

no pueden ser drenadas a través de elementos de captación aislados como los imbornales convencionales.

Ejemplos de este tipo de superficies son plazas duras, parques y jardines, superficies aeroportuales, calles

peatonales, etc.

No obstante la importancia y difusión de este tipo de estructuras, al estado del arte, no existen estudios sobre la

caracterización hidráulica de las rejillas transversales continuas. Debido a todo eso, el Grupo Flumen de la UPC

empezó en el año 2006 una nueva campaña experimental orientada al conocimiento del comportamiento

hidráulico de rejas continuas. Con este objetivo 4 diferentes rejillas se ensayaron en el laboratorio de hidráulica

de la UPC (Figura 4; Tabla 1) utilizando el modelo físico de la plataforma precedentemente descrito después de

aportar algunas significativas modificaciones para poder estudiar un adecuado rango de caudales unitarios.

Rejilla 1

Rejilla 2

Rejilla 3

Rejilla 4

Figura 4 Rejillas transversales continuas ensayadas

Tabla 1 Datos geométricos de las rejillas expresados por metro lineal de estructura de captación.

Rejilla Ancho Longitud Longitud efectiva

Área total

Área de huecos

Numero de barras

longitudinales

Numero de barras

transversales

Numero de barras diagonales

cm cm cm cm2 cm2

1 100 30.2 25.0 3020 1112.4 35 1 0

2 100 19.5 15.0 1950 751.9 36 0 0

3 100 12.4 10.4 1240 397.4 36 0 0

4 100 12.4 12.0 1240 582.4 1 3 59

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3.2 Descripción de las instalaciones y del protocolo experimental

Los ensayos se desarrollaron en escala 1:1 utilizando parte de la superficie de la plataforma. En particular se

limitó el área de circulación del flujo a una superficie de 1.5 m de ancho y 5.5 m de largo (Figura 5) y se estudió

el funcionamiento hidráulico de las rejillas anteriores para un rango de caudales entre 0 y 200 l/s y un rango de

pendientes longitudinales entre 0 y 10%.

Figura 5 Rejillas transversales continuas instaladas y bajo condiciones de ensayos en el

Laboratorio de Hidráulica de la Escuela de Caminos de la UPC

El laboratorio dispone de un grupo de bombeo capaz de impulsar un caudal de hasta 200 l/s desde un depósito

situado en el subsuelo del edificio hasta otro situado en la azotea del mismo. Una válvula de compuerta

motorizada, de tipo multichorro, regula el caudal de suministro a la plataforma. El agua entra en la plataforma a

través de un depósito en la cabecera encargado de tranquilizar y proporcionar una horizontalidad con respecto al

terreno de la lámina de agua. De este modo se favorece que el agua cumpla la condición de movimiento

unidimensional en lámina libre: en una sección (perpendicular a la dirección del flujo) la cota del agua es la

misma para todo el ancho. Así se consigue que el flujo alcance con más facilidad las condiciones de

aproximación en régimen permanente y uniforme. Se pretende así reproducir lo más fielmente posible la llegada

del agua a una estructura de captación en condiciones reales en medio urbano. El agua entra en la plataforma de

ensayo con una distribución transversal de calados muy similar a la que se produce en la realidad en una

superficie urbanizada.

El protocolo de ensayo supuso los siguientes caudales de paso por la plataforma (1.5 me de ancho):

10 l/s, 25 l/s, 50 l/s, 75 l/s, 100 l/s

Si se consideran los datos por metro lineal de rejilla, los 5 caudales unitarios de paso correspondientes serían:

6.7 l/s, 16.7 l/s, 33.3 l/s, 50 l/s, 66.7 l/s por metro lineal

El rango de caudales analizado es próximo a los caudales reales que nos encontramos en zonas urbanas durante

episodios de lluvias intensos.

La pendiente transversal se fijó al 0% debido a que estas rejillas se colocan en superficies que generalmente no

presentan bombeos. Las pendientes longitudinales de ensayo fueron:

0%, 0.5%, 1%, 2%, 4%, 6%, 8%, 10%

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3.3 Resultados de los ensayos experimentales

Los datos de los ensayos se presentaron en términos de eficiencia hidráulica (definida como el cociente entre el

caudal captado y el caudal de paso) por metro lineal de rejilla considerando que esa sea la forma más adecuada

para un uso directo de los resultados por parte de los técnicos y fabricantes que quieran manejar esta

información.

Inicialmente los resultados de los ensayos se propusieron en formatos de ábacos cuyos datos pueden también ser

representados a través de gráficas específicas de cada rejilla. Como ejemplo se representa a continuación la

gráfica de la rejilla 3 en la Figura 6 a continuación. Gráficas parecidas fueron elaboradas para las otras rejillas

analizadas. Como se puede comprobar las eficiencias hidráulicas de cada rejilla depende, por un lado, del caudal

de paso, y por el otro, de la pendiente longitudinal. Analizando la gráfica de la Figura 6 se puede observar que la

eficiencia hidráulica de una rejilla disminuye al aumentar de la pendiente longitudinal pasando de un rango entre

el 80 y el 100% para un caudal específico de 6.6 l/s, y un rango de valores comprendidos entre el 20 y el 30%

para caudales 10 veces mayores.

Eficiencia hidráulica E para la rejilla 3

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

10864210.50

Pendiente longitudinal (%)

E

q=6.6 l/s

q=16.7 l/s

q=33.3 l/s

q=50 l/s

q=66.7 l/s

Figura 6 Resultados de los ensayos de captación para la Rejilla 3 en función de los

caudales unitarios y de las pendientes longitudinales

En general se puede observar que este tipo de estructura de captación presenta altos valores de eficiencia de

captación (muy por encima de rejas convencionales). En la Tabla 2 se presenta el rango de valores de la

eficiencia hidráulica para cada rejilla analizada.

Tabla 2 Rango de eficiencia hidráulica de las rejillas considerando los diferentes caudales de paso y las configuraciones geométricas establecidas en el protocolo de ensayo

Tipología

de rejilla

Rango de

eficiencia (%)

1 53 - 100

2 40 - 100

3 19 - 97

4 15 - 97

Después de obtener datos directos a partir de los ensayos de captación, se ha intentado relacionar la eficiencia

hidráulica de las rejillas de captación a los parámetros del flujo. Las condiciones del flujo durante los ensayos se

caracterizaron por tener altos número de Reynolds (entre 67.000 y 267.000) así que el flujo pudo considerarse

como flujo turbulento completamente desarrollado. Para este tipo de flujo se pueden considerar despreciables los

efectos de la viscosidad. Además, al desarrollarse los ensayos a escala real y debido a las dimensiones de las

rejillas y de sus elementos (barras, áreas de huecos, etc.), se pueden despreciar también las tensiones

superficiales de la lámina de agua. Considerando el análisis adimensional del problema, y por todo lo dicho

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anteriormente, es posible deducir que una cantidad adimensional como la eficiencia hidráulica E debería

depender sólo de la geometría de la rejilla (dimensiones, diseño hidráulico, área de huecos, etc.) y de otro

parámetro adimensional que describa las características inerciales y gravitacionales del flujo: el número de

Froude F del flujo de paso por la rejilla.

El número de Fraude del flujo es un parámetro estrictamente asociado al caudal de paso, la rugosidad superficial

y a parámetros geométricos como las pendientes longitudinales y transversales. Los datos experimentales fueron

elaborados y finalmente se encontró una relación linear entre la eficiencia hidráulica E y el número de Froude

del flujo, para cada rejilla y cada caudal de paso:

baFE += (3)

donde:

a y b son parámetros característicos de las rejillas y del caudal circulante

F es el número de Froude relacionado al caudal circulante q definido como:

qint es el caudal captado por un metro de estructura de captación;

q es el caudal unitario circulante.

B

Ag

vF = (4)

donde:

v es la velocidad del flujo

A es la sección transversal del flujo

B es el ancho superficial del flujo.

Los coeficientes de correlación R2 entre los datos experimentales y las líneas de tendencias lineales resultan

extraordinariamente altos muy altos y el buen ajuste se puede observar también en la gráfica siguiente que

muestra la relación lineal entre E y F para las rejillas con diferentes caudales de paso. (Figura 7).

Figura 7 Correspondencia lineal entre E y F para diferentes rejillas y diferentes caudales de paso

Gráfica E-Fr

Rejilla 2

y = -0.1027x + 0.766

R2 = 0.9834

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0Fr

E

Datosexperimentalespara q= 66.67 l/sAjuste lineal

Gráfica E-Fr

Rejil la 3

y = -0.0575x + 0.7603

R2 = 0.9683

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0Fr

E

Datosexperimentalespara q = 16.67 l/sAjuste lineal

Gráfica E-Fr

Rejil la 4

y = -0.1494x + 0.8403

R2 = 0.9859

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0Fr

E

Datosexperimentalespara q = 50 l/sAjuste lineal

Gráfica E-Fr

Rejilla 1

y = -0.0512x + 1.0297

R2 = 0.9809

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0Fr

EDatosexperimentalespara q = 33.33 l/sAjuste lineal

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Los resultados obtenidos pueden ser utilizados para calcular la eficiencia hidráulica de estas rejillas considerando

un caudal circulante constante. En este caso, como primera aproximación, podrían emplearse el modelo de la

onda cinemática suponiendo condiciones de flujo normal para calcular el número de Froude. Para caudales

intermedios habría que interpolar entre los valores calculados para los caudales de ensayo. En la Tabla 3 se

presentan los coeficientes a y b para cada rejilla y cada flujo considerado durante los ensayos.

Tabla 3 Coeficientes a y b para todas las rejillas ensayadas y todos los caudales considerados durante la campaña

experimental.

Rejilla 1 Rejilla 2 Rejilla 3 Rejilla 4

q (l/s) a b a b a b a b

66.70 -0.03 0.85 -0.10 0.77 -0.05 0.37 -0.16 0.66

50.00 -0.03 1.00 -0.15 0.96 -0.07 0.46 -0.20 0.8

33.30 -0.01 0.98 -0.08 0.99 -0.06 0.56 -0.15 0.84

16.70 -0.01 1.03 -0.07 1.05 -0.06 0.76 -0.15 1.00

6.70 Eficiencia hidráulica cercana al 100%

3.4 Comprobación de las leyes experimentales

Finalmente para comprobar los resultados obtenidos otra rejilla transversal de dimensiones más grandes fue

ensayada en el laboratorio de la UPC. Las características geométricas de esta rejilla se pueden apreciar en la

Figura 8 y en la Tabla 4.

Figura 8 Rejilla transversal 5 ensayada en el Laboratorio de Hidráulica de la Escuela de Caminos de la UPC

Tabla 4 Coeficientes a y b para todas las rejillas ensayadas y todos los caudales considerados durante la campaña

experimental

Rejilla Ancho Longitud Longitud efectiva

Área total

Área de huecos

Numero de barras

longitudinales

Numero de barras

transversales

Numero de barras diagonales

cm cm cm cm2 cm2

5 100 50 25.0 5000 2012 1 3 21

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Con la rejilla 5, el protocolo de ensayo (relacionado con los caudales) fue cambiado debido a la alta eficiencia hidráulica de

la estructura y a las limitaciones del modelo en términos de caudales captados. En este caso se instaló en la plataforma sólo

un metro de estructura de captación así como se puede observar en la Figura 9.

Figura 9 Rejilla transversal 5 bajo condiciones de ensayo colocada por un metro de ancho

Finalmente el nuevo protocolo de ensayo, en términos de caudales circulantes por la plataforma, ha sido:

10 l/s, 25 l/s, 50 l/s, 75 l/s, 100 l/s por metro lineal

El protocolo en términos de pendientes longitudinales no ha variado durante este ensayo. Los resultados obtenidos con la

nueva rejilla transversal han comprobado que la eficiencia hidráulica de una estructura de captación de este tipo puede

relacionarse al número de Froude del caudal circulante a través de una relación lineal para cada caudal de paso. De hecho los

coeficientes de correlación también en este caso fueron muy altos como en el primer caso (generalmente por encima del

90%) (Figura 10).

Gráfica E-Fr

Rejilla 5

y = -0.1129x + 1.0258

R2 = 0.9383

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0Fr

E

Datosexperimentalespara q=75 l/sAjuste lineal

Figura 10 Correspondencia lineal entre E y F para la rejilla 5 y un caudal de 75 l/s

También para la rejilla 5 se presentan los coeficientes a y b para los diferentes caudales ensayados en la Tabla 5.

Tabla 5 Coeficientes a y b para la rejilla 5 y todos los caudales considerados durante la campaña experimental.

Rejilla 5 q (l/s) a b

100 -0.07 0.87

75 -0.11 1.03

50 -0.12 1.15

25 -0.04 1.00

10 Eficiencia hidráulica cercana al 100%

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4 Conclusiones Se ha estudiado la eficiencia hidráulica de algunas rejillas transversales continuas de captación. Este tipo de

rejillas son las más utilizadas en zonas peatonales urbanas (explanadas, plazas, zonas ajardinadas, etc.) donde la

presencia de imbornales aislados no sería eficaz para introducir en la red de alcantarillado toda la escorrentía

producida durante un evento de lluvia.

Los resultados de los ensayos proporcionan informaciones directamente utilizables por los técnicos de las

Administraciones Públicas y suministradores de estas tipologías de estructura de captación.

El análisis de los resultados de los ensayos llevó a la propuesta de una ecuación experimental lineal para todas

las rejillas ensayadas y que relaciona la eficiencia hidráulica de captación superficial con parámetros que

dependen del flujo y de la geometría de las rejillas.

A través de dicha expresión se puede estudiar la eficiencia de captación de las rejillas analizadas para cualquier

configuración geométrica (diferentes pendientes longitudinales) y diferentes caudales de paso.

La metodología se puede aplicar utilizando en primera aproximación el modelo de la onda cinemática

considerando condiciones de flujo normal.

Los resultados obtenidos han sido comprobados con una segunda fase experimental.

5 Referencias bibliográficas Denver Council of Governments (DCG) (1969). Urban Storm Drainage Criteria Manual. Wright-Mclaughlin

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Aprobada por el ECS en el 2002 y entrada en vigor en junio de 2003.

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