HIDRULICA DE SISTEMAS DE ALCANTARILLADO

HIDRULICA DE SISTEMAS DE ALCANTARILLADOG8: CRIOLLO SANTIAGOLPEZ P. DIANADISEO HIDRULICO DE TUBERAS PARCIALMENTE LLENASTIPO DE FLUJO PARA EL DISEOCAUDAL DE DISEODIMETROSPENDIENTE DE LAS TUBERASPROPIEDADES GEOMTRICASECUACONES DE FLUJO UNIFORMEESFUERZO CORTANTECOEFICIENTE DE RUGOSIDADRGIMEN DE FLUJO

1. TIPO DE FLUJO PARA EL DISEOLas tuberas de alcantarillado deben disearse como conducciones a flujo libre por gravedad.El flujo en un sistema de alcantarillado no es permanente, sin embargo, el diseo hidrulico de una tubera fluyendo parcialmente llena se hace bajo la suposicin de que en esta existe flujo uniforme y permanente.FLUJO UNIFORME-PERMANENTENinguna de las caractersticas del flujo (presin y velocidad) varan en el espacio y/o el tiempoFLUJO VARIADO PERMANENTELas caractersticas del flujo varan con el espacio y no con el tiempo.FLUJO GRADUALMENTE VARIADOLos cambios en las caractersticas del flujo son graduales a lo largo de la direccin principal de ste. (Contracciones, expansiones)

2. CAUDAL DE DISEOEl caudal est en funcin del tipo de sistema de alcantarillado (caudales de aguas residuales o caudales pluviales)CAUDALES DE AGUAS RESIDUALESEl caudal de aguas residuales est compuesta por los siguientes aportes:AGUAS RESIDUALES DOMSTICASAGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES, COMERCIALES E INSTITUCIONALESAGUAS DE INFILTRACINCONEXIONES ERRADAS2.1. CAUDAL APORTE DOMSTICO (Qd)

2.2. CAUDAL APORTE INDUSTRIAL (QI)Vara de acuerdo al tamao de la industrial, por ende se determinan para cada caso en particular en base a informacin de censos, encuestas y consumos industriales.

2.3. CAUDAL APORTE COMERCIAL (QC)Para zonas netamente comerciales, el caudal de aguas residuales QC debe estar justificado con un estudio detallado.

2.4. CAUDAL APORTE INSTITUCIONAL (QIN)El consumo de agua de las diferentes instituciones vara de acuerdo al tipo y tamao de las mismas.

2.5. CAUDAL CONEXIONES ERRADAS (QCE)Deben considerarse los aportes de aguas lluvias al sistema de alcantarillado sanitario, provenientes de malas conexiones de bajantes de tejados y patios.

2.6. CAUDAL DE INFILTRACIN (QINF)Es inevitable la infiltracin de aguas subsuperficiales a las redes de sistemas de alcantarillado sanitario, principalmente freticas, a travs de fisuras en las tuberas, en juntas ejecutadas deficientemente, en la unin de tuberas con pozos de inspeccin y dems estructuras, cuando no son completamente impermeables.

3. DIMETROSLos clculos hidrulicos de tuberas fluyendo parcialmente llenasdeben hacerse teniendo en cuenta el dimetro interno real de lastuberas y no los dimetros nominales. El dimetro interno real mnimo permitido en redes de sistemas de recoleccin y evacuacin de aguas residuales tipo alcantarillado sanitario convencional es 250 mm con el fin de evitar obstrucciones de los conductos por objetosrelativamente grandes introducidos al sistema.4. PENDIENTES DE TUBERASLos lmites de velocidad mnima y mxima fijadas para el funcionamiento ptimo de las alcantarillas determinan pendientes mnimas y mximas para los diferentes dimetros de tuberas.La pendiente de cada tramo de tubera debe ser tan semejante a la del terreno como sea posible, con objeto de tener excavaciones mnimas, pero se deber proyectar con una pendiente mnima del 0,5% (400mm).VELOCIDAD MXIMA: Depende del material

5. PROPIEDADES GEOMTRICAS

6. ECUACIONES DE FLUJO UNIFORMECon la finalidad de salvar las dificultades que existen en la aplicacin del principio de energa a la solucin de los problemas de flujo de tuberas se han propuesto una serie de frmulas. Algunas tienen una base racional; sin embargo, la mayora de ellas son generalmente empricas. Se aplican al flujo uniforme permanente y slo toman en cuenta las prdidas por rozamiento. La frmula ms aplicada es la de MANNING.

FRMULA GENERALFRMULA TUBERAS SECCIN CIRCULAR ECUACIONES DE FLUJO UNIFORMEEn los sistemas sanitarios y pluviales, las alcantarillas circulares se proyectan para funcionar a tubo parcialmente lleno.En la aplicacin comn de diseo, con un caudal conocido, y seleccionados el dimetro y la pendiente se debe determinar las relaciones hidrulicas reales (velocidad y profundidad de escurrimiento) con la finalidad de controlar el rgimen de la transicin (pozos de visita) y asegurar velocidades de arrastre. Durante el diseo del sistema, normalmente se conoce la relacin entre el caudal de diseo y el caudal a tubo lleno (q / Q) y se desea hallar la relacin entre la velocidad real y la velocidad a tubo lleno (v / V). Tabla: Propiedades hidrulicas de seccin circular

Fuente: Escalera 2001Grfico: Diagrama de elementos hidrulicos en una seccin circular

7. ESFUERZO CORTANTEPara las condiciones iniciales de operacin de cada tramo, debe verificarse el comportamiento auto limpiante del flujo, para lo cual es necesario utilizar el criterio de esfuerzo cortante medio. Por lo tanto, debe establecerse que el valor del esfuerzo cortante medio sea mayor o igual a 1,0 N/m2 (0,10 Kg/m2) para el cauda mnimo de auto limpieza.

Fuente: Saldarriaga, 2003Esfuerzo CortanteEl esfuerzo cortante est dado por la expresin:

8. COEFICIENTE DE RUGOSIDADEn las alcantarillas, el coeficiente de rugosidad debe considerarse constante cualquiera sea el material empleado para su fabricacin, cuando el agua fluya a ms de la mitad de la seccin y para los dimetros pequeos. La causa que determina un valor constante para el coeficiente de rugosidad independiente del material de la alcantarilla, es la presencia sobre la superficie interna de la misma de una capa grasienta, lisa, pegajosa y viscosa denominada manto biolgico, originada por las aguas residuales.Modelos computacionalesSimulacin hidrulicaLa simulacin de los sistemas de distribucin o de recoleccin de agua puede entenderse, como el uso de una representacin matemtica o numrica del sistema real, al que se denomina modelo matemtico.Con este modelo, se pretende aumentar la comprensin del fenmeno real, hacer predicciones y posiblemente ayudar a controlar el sistema, utilizndolo como la base en el calculo hidrulico para presentar los diferentes estados de carga que se producen en la red de distribucin o de recoleccin de agua. Grafico: pasos para simulacin hidrulica con modelos computacionales.

Los modelos dinmicos mas completos comprenden a un grupo de modelos de flujo gradualmente variado no permanente; en donde se consideran totalmente las ecuaciones de Momentum y de continuidad desarrolladas por Saint Venant.Existen diversidades de paquetes comerciales que ayudan a encontrar las caractersticas hidrulicas de un colector u conducto con rgimen no permanente.SewerGemsCreado por HaestadMethods, se usa para planes maestros, alternativas de rehabilitacin y diseo de nuevos sistemas de alcantarillado sanitario.Interacta con AutoCAD y Arcgis.www.haestad.com/spanish/software/Infoworks.Creado por Wallingford Software Ldt, tiene tres mdulos:Para diseo de sistemas de agua potable, aguas lluvias y de aguas servidas o negras.HYDRA.Creado por PIZER Incorporated.Optimiza el diseo de drenaje, calcula dimetros, es fcil de usar y se integra con GIS y CADwww.pizer.com/spanish.htmlInfraestructuras Urbanas.Alcantarillado: creado por CYE, empresa espaola de software tcnico con certificacin ISO 9001.Las redes funcionan a gravedad, genera perfiles longitudinaleswww.alcantarillado.cype.esEl modelos PCSWMM.Sus siglas provienen de Program Computer Storm Water Management Model, ayuda al manejo de aguas pluviales, aguas residuales y al modelado de cuencas.Proporcionar innovadoras tcnicas de modelado para la comunidad de ingeniera.PCSWMM 2011, incorpora una poderosa herramienta como GIS, que funciona ala perfeccin con los formatos de datos de SIG:conclusionesSobre la base del conocimiento de los fundamentos del flujo permanente y del flujo no permanente, se deduce que el tipo de flujo que mas se asemeja ala realidad presente en las alcantarillas, es el flujo variado no permanente.El anlisis del rgimen no permanente permite alcanzar diseos mas ajustados y econmicos de los sistemas de alcantarillado.La forma mas econmica, eficiente y rpida de encontrar la solucin de flujo no permanente, es con la ayuda de modelos numricos de simulacin de rgimen no permanente.Las ecuaciones de Saint Venant, que resuelven el flujo no permanente unidireccional, son ecuaciones diferenciales parciales, por lo que no se pueden solucionar fcilmente por mtodos analticos. Es necesario el uso de mtodos numricos; por lo que los programas de computadora pueden constituirse en una buena ayuda.Los esquemas de solucin de las ecuaciones de saint Venant tiene problemas de estabilidad cuando el flujo es rpidamente variado. Para solucionar este problema se debe tomar en cuenta los mtodos de aislamiento o los de denominados mtodos directos.Bibliografa:Mecnica de fluidos e hidrulica Ranald v. giles.Hidrulica de Tuberas - Juan SaldarriagaIngenieria sanitaria. W. a. handenbergh y Edward b. rodie.Azebedo, n. acosta g.a manual de hidrulica harla s.a.Capra, g. 1988 ingeniera sanitaria alcantarillado sanitario y pluvial.Chanson, h. 2002. hidrulica de flujo de canales.Chow, v. 1994 hidralica de canales abiertos. Mcgraw-hill.Chow, v.t 1994. hidrologa aplicada.Emmap-q 2009. norma de diseo de sistemas de alcantarillado para la emmap-q.Ieos. 1992. normas tcnicas.