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Gua para el diseo Hidrulicode Redes de Alcantarillado
Medelln 2009
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TABLA DE CONTENIDO
Captulo 1 INTRODUCCIN ....................................................................................................................................................................5
Captulo 2 INFORMACIN MNIMA NECESARIA Y CRITERIOS DE DISEO ........................................................72.1 INFORMACIN MNIMA ............................................................................................................................................................72.2 CONSIDERACIONES DE DISEO ..........................................................................................................................................9
2.2.1 Clientes y poblacin ............... ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ........... 92.2.2 Geometra de la red de alcantarillado ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ...9
2.3 PARMETROS DE DISEO ........................................................................................................................................................92.3.1 Perodo de diseo de redes de aguas residuales ................ ............... ................ ............... ................ .......... 92.3.2 Parmetros hidrulicos ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ .....9
Captulo 3 INFORMACIN DEL SISTEMA A DISEAR ......................................................................................................113.1 SISTEMA A DISEAR .................................................................................................................................................................113.2 PARAMETROS DE DISEO ....................................................................................................................................................16
3.2.1 Caudales de agua residual ............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............ 163.2.2 Caudales de agua lluvia .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ..17
Captulo 4 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES .........................................................................................................................194.1 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS....................................................................19
4.1.1 Mtodo utilizando los usuarios y el consumo ............... ............... ................ ............... ................ .............. 194.1.2 Mtodo utilizando la proyeccin del circuito .............. ................ ............... ................ ............... ................ .21
4.2 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES ............... ............... ................ ............... .... 214.3 CAUDAL DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES ............... ................ ............... ................ ...... 224.4 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DE USO OFICIAL Y USO ESPECIAL .............. ......... 224.5 CAUDALES DE AGUA RESIDUAL DE LAS REAS TRIBUTARIAS PROPIAS DE CADA TRAMO .......... 224.6 CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES ..................................................................................................244.7 CLCULO DEL CAUDAL MXIMO HORARIO .............................................................................................................254.8 CLCULO DEL CAUDAL POR INFILTRACIN ..............................................................................................................254.9 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES POR CONEXIONES ERRADAS ............... ................ ... 264.10 CLCULO DEL CAUDAL DE DISEO DE AGUA RESIDUAL .............. ............... ................ ............... .............. 26
Captulo 5 CAUDAL DE AGUAS LLUVIAS...................................................................................................................................315.1 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUA LLUVIA ..................................................................................................................325.2 CAUDALES DE DISEO ...........................................................................................................................................................37
Captulo 6 DISEO HIDRULICO DE LA RED DE ALCANTARILLADO...................................................................396.1 DISEO TRAMO A TRAMO ....................................................................................................................................................39
6.1.1 Caudales de diseo .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ........... 406.1.2 Determinacin de dimetros .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ..... 40
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6.1.3 Evaluacin de criterios hidrulicos .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ......... 446.1.4 Diseo de la red ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... .46
6.2 DISEO DE CMARAS .............................................................................................................................................................506.2.1 Determinacin del dimetro de las cmaras .............. ............... ................ ............... ................ ............... ... 506.2.2 Diseo de cmaras de unin subcrtica .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............. 51
6.2.3 Diseo de cmaras de unin supercrticas ............... ................ ............... ................ ............... ................ ..... 536.2.4 Diseo de cmara de cada ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ........ 55
6.3 DISEO DE ELEMENTOS ESPECIALES.............................................................................................................................55
Captulo 7 COMPROBACIN DE DISEO CON FGV ..........................................................................................................577.1 CARACTERSTICAS TOPOLGICAS DE LA RED .........................................................................................................577.2 CAUDAL DE DISEO.................................................................................................................................................................587.3 EJECUCIN DEL MODELO HIDRULICO ......................................................................................................................587.4 REVISIN DEL COMPORTAMIENTO HIDRULICO DE LA RED .........................................................................59
Captulo 8 COMPROBACIN DE DISEO CON FNP ..........................................................................................................638.1 CARACTERSTICAS TOPOLGICAS DE LA RED .........................................................................................................648.2 CARACTERSTICAS DE LAS REAS TRIBUTARIAS .....................................................................................................648.3 CAUDAL DE AGUA RESIDUAL .............................................................................................................................................678.4 CAUDAL DE AGUA LLUVIA ...................................................................................................................................................67
8.4.1 Hietograma de diseo.................... ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ............... 678.4.2 Hidrogramas de diseo .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ..68
8.5 EJECUCIN DEL MODELO HIDRULICO ......................................................................................................................698.6 REVISIN DEL COMPORTAMIENTO HIDRULICO DE LA RED .........................................................................69
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Captulo 1 INTRODUCCIN
Esta Gua de Diseo Hidrulico de Redes deAlcantarillado tiene como objetivo explicar la orma
de llevar a cabo el diseo hidrulico de un sistemade alcantarillado, de acuerdo con lo establecido enlas Normas de Diseo de Redes de Alcantarilladode EPM. Para cumplir con este propsito, la guaestablece en orma secuencial, todos las pasosque se deben seguir hasta nalizar el diseo y lacomprobacin del comportamiento hidrulico delsistema de drenaje urbano.
Es importante enatizar que esta gua corresponde
nicamente al diseo hidrulico de la red, el cual seentiende como la determinacin de la pendiente decada tramo, el clculo de los caudales de cada tramo,el dimensionamiento del dimetro interno de cadatramo, el diseo de las estructuras complementariasy la comprobacin del comportamiento hidrulicode todo el sistema ensamblado bajo las condicionesde lujo gradualmente variado y/o lujo nopermanente.
La metodologa seguida en la gua consiste enpresentar un ejemplo de diseo correspondiente alalcantarillado combinado del barrio Prado Centro dela ciudad de Medelln, el cual es existente y se deseaoptimizar. Sin embargo, la gua puede ser utilizadapara sistemas de alcantarillado separado de aguasresiduales o lluvias y tambin para los casos denuevos desarrollos.
El contenido de la Gua de Diseo Hidrulico de
Redes de Alcantarillado est dividido de la siguientemanera:
- Captulo 2: Inormacin mnima y criterios dediseo que debe tener en cuenta el ingenieropara realizar el diseo de la red de alcantarillado yparmetros de diseo.
- Captulo 3: Inormacin necesaria para desarrollarel ejemplo de diseo.
- Captulo 4: Determinacin de los caudales de aguaresidual a partir de la inormacin de consumos delos usuarios de la red de acueducto.
- Captulo 5: Determinacin de los caudales de aguaslluvias de acuerdo con el rgimen pluviogrco dela zona de estudio.
- Captulo 6: Diseo hidru lico de la red dealcantarillado para la condicin de lujo uniorme,calculando los caudales de diseo, los dimetrosde las tuberas, los materiales a utilizar y las cotasde las cmaras de inspeccin. Con la red diseadase evalan criterios que se deben cumplir a inde evitar problemas de sedimentacin y acilitarla limpieza en las tuberas. Igualmente se indicacmo se disean y evalan las cmaras deinspeccin, cmaras de cada y estructurasespeciales.
- Captulo 7: Comprobacin del diseo hidrulico
de la red para la condicin de fujo gradualmentevariado. De acuerdo con los resultados de lasimulacin y las limitaciones de campo, se analizarla posibilidad de modicar las cotas de las cmarasy/o los dimetros de las tuberas, siempre buscandomejorar la hidrulica de la red.
- Captulo 8: Comprobacin del diseo para lacondicin de lujo no permanente. Se evaluarnlas condiciones hidrulicas de las cmaras y los
tramos con el in de establecer sobrecargas, y encaso de presentarse solucionar dichos problemasmodicando algunas caractersticas de la red.
En la Figura 1-1 se muestra el sector geogrcocorrespondiente a la zona del proyecto que seutilizar para ilustrar la aplicacin de la Gua.
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Figura 11: Imagen satelital del sector de Prado Centro.
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Captulo 2 INFORMACINMNIMA NECESARIA Y CRITERIOSDE DISEO
En el Numeral 2.4 de las Normas de Diseo de Redesde Alcantarillado de EPM se establecen los pasosnecesarios, los criterios de diseo y la inormacinbsica que se requieren para llevar a cabo el procesode diseo de un sistema de alcantarillado. En general,en el caso del municipio de Medelln y los demsmunicipios del Valle de Aburr cuya operacin esta cargo de las Empresas Pblicas de Medelln la granmayora de estos pasos ya han sido realizados.
Tabla 21 Inormacin mnima para el diseo de redes de alcantarillado
Inormacin requerida Tipo de inormacinCaractersticas de la
inormacin
INFORMACIN TOPOGRFICA Levantamiento topogrfco delsector de diseo de la red dealcantarillado
Siempre se debe realizar ellevantamiento topogrco exactodel terreno para conocer su ormay establecer por donde se va arealizar el trazado de la red dealcantarillado. Esta inormacintopogrca permitir calcular lascotas de terreno de las cmarasde inspeccin y determinar lapendiente promedio de las reastributarias.
Por consiguiente en este captulo se especiicanicamente la inormacin mnima necesaria y loscriterios para disear un proyecto cuya concepcingeneral ya ha sido desarrollada.
La inormacin mnima necesaria es aquellarequerida para que el diseador pueda llevar a caboel proceso de optimizacin del diseo hidrulicode la red.
2.1 INFORMACIN MNIMA
Una vez EPM ha denido el alcance del proyecto,cada diseador debe recolectar la inormacin quees bsica para el diseo de las redes de alcantarillado,
la cual se presenta en la Tabla 2-1
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Inormacin requerida Tipo de inormacinCaractersticas de la
inormacin
CATASTRO DE LA ZONA Planos del manzaneo de la zona
de estudio Catastro de redes de serviciospblicos Planos de la malla vial
Para realizar el diseo de la red de
alcantarillado se debe conocer laubicacin de la malla vial, de lasredes de servicios pblicos y/oestructuras especiales. Con estainormacin se establecen losposibles puntos del trazado dela red.
CATASTRO DE USUARIOS DEACUEDUCTO, PROYECCIONES DECONSUMOS O DOTACIONES DE
ACUEDUCTO
Consumos y tipos de usuarios delsistema de acueducto Ubicacin espacial de los
usuarios P lanes de ordenamientoterritorial, POT
Para la estimacin de los caudalesde agua residual se debe conocerla distribucin de la poblacin o
de los clientes y su consumo. EPMcuenta con tablas por circuitosque resumen el tipo de usuarios,sus consumos mensuales y lasproyecciones estimadas deconsumo. En caso de no contarcon estas tablas, se usarn losdatos de dotaciones.
INFORMACIN HIDROLGICA Curvas IDF de las estacionescercanas al proyecto
Distribucin temporal de laprecipitacin
Esta inormacin hidrolgicaes suministrada por EPM en su
norma.
INFORMACIN HIDRULICA Ubicacin del cuerpo receptor Rugosidades de los materiales detuberas disponibles
Esta inormacin es necesaria parael diseo de la red de alcantarilladoya que se establece el lugar adonde se deben llevar las aguasde la red.
INFORMACIN GEOLGICA Tipos de suelos de la zona Es necesario para determinarlos parmetros de los modelos
de inltracin o del coecientede escorrenta, para calcular elcaudal de aguas lluvias, cuandose trate de fujo no permanente.El hietograma que se construyadeber ser aprobado por EPM.
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2.2 CONSIDERACIONES DE DISEO
2.2.1 CLIENTES Y POBLACIN
Son los contribuyentes de caudal de agua residual
al sistema de alcantarillado, proyectados al perodode diseo. Existen proyecciones calculadas por EPM,en caso de no existir la proyeccin utura de clientesdebe calcularse de acuerdo con el Numeral 5.2.2.1de la norma.
2.2.2 GEOMETRA DE LA REDDE ALCANTARILLADO
La disposicin de los tramos y de las cmaras queconorman la red constituye uno de los parmetrosbsicos del diseo. Dicha disposicin deine lageometra de la red y con sta sus caractersticastopolgicas, las cuales permanecen invariablesdurante el diseo. Estas caractersticas incluyenel nmero de tramos y cmaras, la unin de losmismos, la longitud de los tramos y la sectorizacinde los caudales que se presentan para cada puntode descarga. Tambin, se debe determinar las reastributarias a cada tramo, las cuales se utilizan en elclculo del caudal de aguas residuales y/o lluvias.
2.3 PARMETROS DE DISEO
2.3.1 PERODO DE DISEO DE REDESDE AGUAS RESIDUALES
Para determinar el perodo de diseo se debehacer reerencia al Numeral 5.2.1 de la norma. Estacaracterstica puede variar dependiendo de lazona de diseo. Por ejemplo, para los municipiosdel Valle de Aburr el perodo de diseo es de 30aos. Para aquellos casos en los cuales el anlisisde costo mnimo sugiera un desarrollo por etapas,stas deben disearse teniendo en cuenta dichoperodo de diseo. En todo caso, se debe compararel perodo de diseo con el perodo en el cual se
alcanza la poblacin de saturacin, pues en casode que se llegue a la poblacin de saturacin enun perodo menor al de diseo, se debe utilizar elprimero como perodo de diseo.
2.3.2 PARMETROS HIDRULICOS
Al mismo tiempo que se planea hidrulicamente eluncionamiento de la red es importante tener encuenta los requerimientos mnimos que estipulanlos parmetros de las Normas de Diseo de Redesde Alcantarillado de EPM.
Los parmetros hidrulicos mnimos que se debentener en cuenta desde el diseo preliminar bajo laconsideracin de fujo uniorme y que la experienciaha determinado que permite obtener redes con unaadecuada autolimpieza y buen comportamientohidrulico son:
- Los dimetros nominales mnimos son de 200mm para alcantarillados de aguas residuales y 250mm para alcantarillados de aguas lluvias y aguascombinadas.
- La velocidad mnima es de 0.45 m/s paraalcantarillados de aguas residuales y 0.75 m/s paraalcantarillados de aguas lluvias y combinadas.
- La velocidad mxima es de 10 m/s para tuberasplsticas y de 5 m/s para otro tipo de materiales.
- Para que las redes de alcantarillado residualcumplan con el criterio de autolimpieza se debetener un esuerzo cortante mnimo de 1.5 N/m,para alcantarillados pluviales el valor es de 3.0 N/m para el caudal de diseo.
- Para evitar que se presente fujo crtico y cuasicrticoen los tramos se recomienda tener nmeros deFroude por uera del intervalo de 0.7 a 1.5 para lacondicin de fujo uniorme.
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Captulo 3 INFORMACIN DELSISTEMA A DISEAR
En este captulo se explican, en detalle, las
caractersticas de la red de Prado Centro, la cual sedisear paso a paso a modo de ejemplo, siguiendolas especiicaciones de la Norma de Diseo deSistemas de Alcantarillado de las Empresas Pblicasde Medelln indicando la inormacin que se usarpara el diseo de la red.
3.1 SISTEMA A DISEAR
El proyecto est ubicado entre el barrio Prado Centroy el sector del Chagualo, en la ciudad de Medelln,
sectores que cuentan con sistemas de redes dealcantarillado combinado.
El proyecto est compuesto por 66 tramos y 67cmaras de inspeccin y se dividi en dos sectores,de acuerdo con la ubicacin de dos sitios en loscuales es posible realizar la entrega de las aguasrecolectadas, como se indica en la Figura 3-1. Elprimer punto de entrega de las aguas combinadasse encuentra localizado en la Calle 62 con Carrera51, se trata de una cobertura que en el proyecto
aparece identicada como COB y que aguas abajotiene construido un aliviadero. El segundo punto deentrega identicado como ALIV., estar localizado
Afluentes al ALIV
Afluentes a la COB
1470 148 0 1490 1500 1510
COB
BOT
1460
Figura 3 1: Auentes a los puntos de descarga en el modelo Prado.
en la calle 65 con la avenida Regional y se trata deun aliviadero que se disear en el proyecto y quetendr como objetivo separar las aguas combinadasy conducir las aguas residuales al Interceptor Orientaly las aguas lluvias al Ro Medelln en el punto
denominado BOT, ver la Figura 3-4.
La primera consideracin que se debe hacer aldisear una red de alcantarillado es denir el sentidoen que se desea conducir el caudal de drenaje yasea de aguas lluvias, residuales o combinadas. Conla inormacin del levantamiento topogrico yla ubicacin de los cuerpos receptores se puedeestablecer el sentido de fujo en el sector.Para el diseo de la red se deben considerar aspectoscomo la topograa del terreno, las limitantes de
cruces con otras redes de servicios pblicos y/oestructuras existentes como undaciones del Metroy los niveles de descarga a la cobertura (COB), alInterceptor Oriental y al Ro Medelln.
Para generar el modelo hidrulico de la red dealcantarillado se debe asignar un identicador onmero a las cmaras de inspeccin y a los tramosque unen estas cmaras. En la Figura 3-2 se presentala ubicacin y nomenclatura de estos elementos yen la Tabla 3-1 se puede ver los tramos que unenlas cmaras de inspeccin de acuerdo con lanomenclatura establecida en la Figura 3-2.
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Tabla 31 Identifcadores de los tramos y cmaras que componen la red de alcantarillado
Tramo Nudo Inicial Nudo Final Tramo Nudo Inicial Nudo Final
T1 C34 C32 T24 C68 C64
T2 C32 C29A T25 C64 C64A
T3 C29A C26 T26 C64A C63T4 C18 C17 T27 C57 C8
T5 C17 C10 T28 C87 C89
T6 C10 C8 T29 C89 C90
T7 C8 C7A T30 C90 C46A
T8 C7A C7B T31 C80 C81
T9 C7B C7 T32 C81 C49A
T10 C7 COB T33 C110 C85
T11 C46 C26 T34 C85 C87A
T12 C49 C50 T35 C87A C80A
T13 C50 C23 T36 C80A C78T14 C23 C17 T37 C78 C77
T15 C42 C43A T38 C77 C74
T16 C43A C46A T39 C113 C111
T17 C46A C49A T40 C111 C80A
T18 C49A C54 T41 C66 C7
T19 C54 C55 T42 C117 C123
T20 C55 C76 T43 C105 C105A
T21 C76 C74 T44 C105A C102
T22 C74 C69 T45 C102 C43A
T23 C69 C68 T46 C26 C18
C34
C32
C42
C3A
C105A C102
C105C90
C89
C85
C10
C117
C123
C113
C111
C87
C78C69
C64A
C64C63C93
C93A
C93BC93C
C41C93CC165
C165A
C165C
C160C160B
C159A
C159B
C159C
C159D
A1
A1
B0
C159E
C74
C76
C80
C80
C29
C26
C46
C46A
C49
C49A
C23
C17
C10
C7A
C7
C08C55 C54
C57
C18
Figura 3 2: Plano de diseo geomtrico de la red de Prado.
Tramo Nudo Inicial Nudo Final
TA1 C63 C63A
TA2 C63A C93
TA3 C93 C93ATA4 C93A C93B
TA5 C93B C93C
TA6 C93C C93D
TA7 C93D C141
TA8 C141 C165
TA9 C165 C165A
TA10 C165A C165B
TA11 C165B C160A
TA12 C160A C160B
TA13 C160B C159ATA14 C159A C159C
TA15 C159C C159D
TA16 C159D C159E
TA17 C159E A155A
TA18 A155A C153
TA19.1 A155A A155B
TA19.2 A155B BOT
TA20 C165C C160A
TA21 C159B C159A
TA22 C63B C63A
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rea tributaria que proviene de otras zonas y cuyocaudal ser transportado a travs de ste. Las reasse acumulan de acuerdo con la conectividad quetengan los tramos.
Del mismo modo, se obtienen los datos restantespara los tramos del sector de El Chagualo, cuyas aguasresiduales y lluvias son descargadas al InterceptorOriental y al ro Medelln respectivamente.
Y
X
1480
1490
C64 A
1474.36
C66
1474.20
C76
1485.21
C64
1474.36C68
1477.72 C69
1479.17C74
1484.50 C77
1485.46
C78
1491.16
Figura 36: Detalle de las cotas de terreno de las cmaras de inspeccin.
61
52 59
5667
6468
68
6962
64
65 66
67
69
25
13
12
11
10
8
89
259
45
5
38
48504
42
28
40
2827
29
30
3244
51
20
24
28
2122
24
36
18
19
37
47
6
43
14
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Figura 3 7: reas tributarias a cada tramo del sistema.
De acuerdo con la Figura 3-7 se determina el tamaode la supercie de cada rea tributaria (para agilizareste proceso se puede utilizar un sotware de diseoasistido por computador, como AutoCad).
En la siguiente tabla se presentan los valores delas reas tributarias cuyo caudal se descarga en lacobertura ubicada en la calle 62 con carrera 51.
Previamente se ha determinado que tipo de aguase va a transportar, si residual, lluvias o combinadas,esto con el n de asignar la respectiva rea. Se calculatanto el rea tributaria propia del tramo, como el
Con la geometra de la red establecida, se determinan las reas tributarias a cada uno de los
tramos de la red (con base en el rea tributaria a cada tramo), las cuales se utilizarn en elclculo de los caudales residuales y de aguas lluvias. Estas reas se muestran en la Figura 3-7.
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Tabla 32 reas tributarias del sector Prado Centro.
reas tributarias (ha)
Aguas residuales residenciales Aguas lluviasTramo De A
Propia Otra Acumulada Propia Otra Acumulada 1 C34 C32 0.19 1.78 1.97 0.19 1.78 1.97
2 C32 C29 0 0 1.97 0 0 1.97
3 C29 C26 0.34 0.57 2.88 0.34 0.57 2.88
46 C26 C18 0.38 0.56 3.82 0.38 0.56 3.82
4 C18 C17 0 0 3.82 0 0 3.82
5 C17 C10 0.38 0.5 4.7 0.38 0.5 4.7
6 C10 C8 0.08 0 4.78 0.08 0 4.78
7 C8 C7A 0.05 0.56 5.39 0.05 0.56 5.39
8 C7A C7B 0.07 0 5.46 0.07 0 5.46
9 C7B C7 0.06 0 5.52 0.06 0 5.52
10 C7 COB 0.15 1.17 6.84 0.15 1.17 6.8 4
11 C46 C26 0.56 0 0.56 0.56 0 0.56
12 C49 C50 0.14 0 0.14 0.14 0 0.14
13 C50 C23 0.36 0.14 0.5 0 0.36 0.14 0.5 0
14 C23 C17 0 0.50 0.5 0 0 0.50 0.5 0
27 C57 C8 0.56 0 0.56 0.56 0 0.56
41 C66 C7 0.77 0 0.77 0.77 0 0.77
En la tabla 3-3 se presenta el resumen de las reas tributarias de todo el proyecto.
Tabla 3 3 reas tributarias totales de cada tramo de la red de Prado Centro
Tramo
rea tributaria
agua residual
(ha)
rea tributaria
agua lluvia
(ha)
Tramo
rea tributaria
agua residual
(ha)
rea tributaria
agua lluvia
(ha)
T1 1.97 1.97 T35 0.97 0.97
T2 2.54 2.54 T36 1.66 1.66
T3 2.88 2.88 T37 1.92 1.92
T4 3.82 3.82 T38 1.92 1.92
T5 4.70 4.70 T39 0.28 0.28
T6 4.78 4.78 T40 0.47 0.47
T7 5.39 5.39 T41 0.77 0.77
T8 5.46 5.46 T43 0.16 0.16
T9 5.52 5.52 T44 0.25 0.25
T10 6.84 6.84 T45 0.55 0.55
T11 0.56 0.56 T46 3.82 3.82
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Tramo
rea tributaria
agua residual
(ha)
rea tributaria
agua lluvia
(ha)
Tramo
rea tributaria
agua residual
(ha)
rea tributaria
agua lluvia
(ha)
T12 0.14 0.14 TA1 15.30 21.07
T13 0.50 0.50 TA2 25.01 21.07
T14 0.50 0.50 TA3 28.11 28.09
T15 8.01 8.01 TA4 28.91 28.89
T16 8.93 8.93 TA5 29.46 29.43
T17 10.56 10.56 TA6 30.17 30.14
T18 11.92 11.92 TA7 30.32 30.29
T19 11.92 11.92 TA8 31.02 30.99
T20 12.61 12.61 TA9 32.08 32.05
T21 12.61 12.61 TA10 32.23 32.20
T22 14.68 14.68 TA11 32.23 32.20
T23 14.71 14.71 TA12 32.98 32.41T24 14.79 14.79 TA13 33.42 32.85
T25 15.17 15.17 TA14 34.94 34.37
T26 15.30 15.30 TA15 36.18 34.37
T27 0.56 0.56 TA16 36.91 34.37
T28 0.30 0.30 TA17 36.91 34.37
T29 0.56 0.56 TA18 0.00 0.00
T30 1.28 1.28 TA19.1 0.00 34.37
T31 0.26 0.26 TA19.2 0.00 34.37
T32 1.00 1.00 TA20 0.75 0.21
T33 0.18 0.18 TA21 1.13 1.13T34 0.68 0.68 TA22 9.71 0.00
3.2 PARMETROS DE DISEO
A continuacin se presentan los parmetros dediseo que se utilizarn en el desarrollo del ejemplode diseo de la red de alcantarillado de PradoCentro.
3.2.1 CAUDALES DE AGUA RESIDUAL
De acuerdo con lo establecido en el Numeral 5.2.1 dela norma el perodo de diseo para la red de PradoCentro es de 30 aos, los cuales se cuentan a partirdel 2008, ao en el cual se realiza el diseo.
Para determinar los caudales de agua residualse debe utilizar la inormacin disponible de
EPM para el circuito del Batalln, ya que la redde Prado Centro pertenece a ste. A partir de losdatos de Proyeccin de caudales de suministropor circuito expresado en (L/s) y proporcionadospor EPM e indicados en la Tabla 3-4, se calcula laproyeccin de consumo para el perodo de diseo.
La proyeccin para obtener la dotacin del perodode diseo, se construye a partir de los datos de laTabla 3-4, haciendo uso de tendencias, tales como:lineal, logartmica, exponencial, entre otras. Deacuerdo con la dispersin que tengan los valores dela tabla, se determina cual es la tendencia que mejorrepresenta la proyeccin de consumo en el circuito.
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Tabla 34 Proyeccin de caudales de suministro para el circuito del Batalln
Ao 2008 2009 2010 2012 2014 2016 2018 2020
Caudal desuministro
(L/s)
131.54 133.93 136.32 141.10 145.88 150.66 155.44 160.22
En la Figura 3-8 se muestra la proyeccin de caudales de suministro (L/s) para el circuito Batalln.
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040
Ao
Caudal(L/s)
Figura 38: Proyeccin de caudales de suministro (L/s) para el circuito Batalln.
Para el ejemplo de diseo, la lnea de proyeccinmarca en el ao 2038 un caudal de suministro de203.23 L/s. Teniendo en cuenta que el rea total del
circuito Batalln es 224.03 hectreas, se obtiene unadotacin de 0.907 L/s ha. Este valor se utilizarpara obtener el caudal de aguas residuales en elsistema.
3.2.2 CAUDALES DE AGUA LLUVIA
De acuerdo con el Numeral 6.2 de la norma seestablece el perodo de retorno del evento deprecipitacin. Como el rea total que contribuye a
la red de Prado Centro que se est diseando tieneun rea mayor a las 10 hectreas y menor a 1000hectreas se debe utilizar un perodo de retorno de10 aos.
Para conocer las caractersticas hidrolgicas de lazona de estudio, se debe ubicar el proyecto en elplano de polgonos de Thissen con la localizacin
de
las estaciones pluviomtricasque tiene EPM. En laFigura 3-9 se muestra la ubicacin del proyecto dela red de Prado Centro; se puede observar que el
agua lluvia que llega a esta red proviene o drenadesde la zona tributaria a la estacin pluviogrcade la Planta de Villa Hermosa.
Para esta estacin pluviogrca EPM cuenta concurvas IDF e inormacin de duracin de las lluvias.La ecuacin de la curva IDF para un perodo deretorno de 10 aos de la estacin de la Planta VillaHermosa es la que se presenta a continuacin:
( ) 9946.0(min)161.3483)/(
dT
hmmi+
= Ecuacin 3 - 1
donde,i = Intensidad media de precipitacin (mm/hr).T
d= Duracin de la lluvia (min).
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Figura 39: Ubicacin de la zona de proyecto con respect a los lmites de inuenciadeterminados para las estaciones cercanas.
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- Trazar el rea tributaria propia del tramo.- Seleccionar los usuarios domsticos que se
encuentran dentro de cada rea tributaria por mediode la herramienta SIG.
Usuarios Prado Centro
Residencial
Oficial
Insdustrial
Comercial
Especiall
En la Figura 4-3 se muestra el conjunto de usuariosdomsticos ubicados en el rea tributaria propiadel tramo T41, de C66 a C7, y para la cual se estimsu caudal total de consumo de agua potabledomstico.
Figura 43: Distribucin de los clientes de la red de acueducto
en el rea tributaria del tramo T41: usodomstico.
- Determinar el consumo total de cada rea tributariacomo la suma de los consumos promedio de aguapotable de cada usuario.
- Convertir el consumo obtenido de agua potablea caudal de aguas residuales por medio del
coeciente de retorno.
Este tramo representa un caudal de consumo deagua potable de 1221.1 m3 /mes que luego seconvirtieron a caudal de aguas residuales, por mediode la expresin.
0.000386 * *D D
Q CR q= Ecuacin 4 - 1
donde,Q
D= Caudal de aguas residuales domstico (L/s).
CR
= Coeciente de retorno (0.85).q
D= Caudal de consumo domstico de agua
potable domstico (m3/mes).
Reemplazando para el tramo T41 se obtiene:
0.000386*0.85*1221.1 0.401 /DQ L s= =Ecuacin
4 - 2
Figura 42: Distribucin de clientes del sistema de alcantarillado en la zona de estudio.
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denidas y la asignacin de una contribucin netapara las mismas. Para el caso de la red de PradoCentro se dispone, igual que para el consumodomstico, de la ubicacin espacial y el valor delconsumo industrial de agua potable.
En la Figura 4-4 se muestra el conjunto de usuariosindustriales ubicados en el rea tributaria propia deltramo T41.
Figura 44: Distribucin de los clientes de la red de
acueducto en el rea tributaria del tramo T41:uso industrial.
El consumo industrial en este tramo corresponde a14.4 m3/mes* que aectado por un coeciente deretorno de 0.851 en la Ecuacin 4-1 se obtiene uncaudal de:
0.000386*0.85*14.4 0.005 /I
Q L s= = Ecuacin4 - 4
* (No obstante este consumo no es representativocomo industrial, se incluye a modo de ejemplo).
1El coeciente de retorno depender del proceso que se lleveen la industria; en algunos casos toda el agua consumida seevacuar al sistema de alcantarillado. Esto debe ser evaluadopor el diseador.
4.1.2 MTODO UTILIZANDO LA PROYECCINDEL CIRCUITO
El segundo mtodo que el diseador puede utilizares el de proyeccin del circuito de acuerdo con ladotacin establecida para el circuito en el cual seencuentra el proyecto. Para el caso de ejemplo ladotacin para el circuito Batalln ue establecida enel Numeral 3.1.1 de esta Gua, por lo tanto el caudalde agua residual se calcula multiplicando la dotacinde 0.907 L/s ha por el rea tributaria de cada tramode la red de Prado Centro.
Para el mismo tramo T41 el caudal ser de:
sLhahasLQD /698.077.0/907.0 == Ecuacin4 - 3
La dotacin que se estableci para el circuitoBatalln corresponde al promedio de los dierentestipos de contribucin (domstica, comercial,industrial e institucional). Es por esta razn que elcaudal de 0.698 L/s obtenido por este mtodo esmayor que el de 0.401 L/s obtenido por el mtododel Numeral 4.1.1, porque en este ltimo mtodo
solo se incluyeron contribuciones domsticas; unavez se totalicen los dierentes tipos de usuarios y susconsumos, se alcanzar un valor muy cercano al de0.698 L/s para el tramo y as para cada uno de lostramos que componen la red.
En caso de que en un circuito de acueductoexistieran usuarios con consumos superiores alpromedio, por ejemplo escuelas, clnicas, industrias,centros comerciales, entre otros, su consumo seingresa en la respectiva rea tributaria como un
aporte puntual.
4.2 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUASRESIDUALES INDUSTRIALES
De acuerdo con el Numeral 5.2.3.2 de la norma,es posible estimar el caudal de aguas residualesindustriales a partir de las reas tributarias ya
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tipo de contribucin para todos los tramos de la red de Prado Centro. En esta tabla QD
corresponde al caudal
domstico, Qc
al caudal comercial, QIal caudal industrial, Q
OFal caudal ocial y Q
ESPal caudal especial.
Tabla 41 Caudales de agua residual de aporte a cada tramo de la red de Prado Centro
Tramo QD (L/s) Qc L/s) QI (L/s) QOF(L/s) QESP (L/s)T1 1.101 0.002 0.021 0.000 0.025T2 1.260 0.009 0.021 0.000 0.025
T3 1.429 0.048 0.021 0.000 0.051
T4 1.690 0.192 0.021 0.012 0.051
T5 1.759 0.215 0.021 0.013 0.124
T6 1.782 0.232 0.021 0.013 0.195
T7 2.019 0.232 0.021 0.013 0.211
T8 2.066 0.232 0.021 0.013 0.216
T9 2.114 0.232 0.021 0.013 0.221
T10 2.781 0.492 0.027 0.014 0.309T11 0.214 0.144 0.000 0.012 0.000
T12 0.020 0.000 0.000 0.000 0.000
T13 0.046 0.007 0.000 0.001 0.001
T14 0.046 0.007 0.000 0.001 0.001
T15 4.805 0.034 0.024 0.000 0.154
T16 5.180 0.089 0.029 0.000 0.172
T17 5.398 0.178 0.029 0.000 0.334
T18 5.812 0.204 0.029 0.000 0.343
T19 5.812 0.204 0.029 0.000 0.343
T20 6.167 0.209 0.033 0.000 0.360T21 6.167 0.209 0.033 0.000 0.360
T22 6.639 0.429 0.033 0.000 0.748
T23 6.654 0.429 0.033 0.000 0.748
T24 6.670 0.429 0.033 0.000 0.748
T25 6.827 0.446 0.033 0.000 0.748
T26 6.903 0.446 0.033 0.000 0.748
T27 0.189 0.000 0.000 0.000 0.011
T28 0.023 0.006 0.000 0.000 0.032
T29 0.064 0.047 0.000 0.000 0.038
T30 0.119 0.089 0.000 0.000 0.144T31 0.039 0.020 0.000 0.000 0.009
T32 0.249 0.026 0.000 0.000 0.009
T33 0.032 0.000 0.000 0.000 0.000
T34 0.134 0.000 0.000 0.000 0.066
T35 0.213 0.000 0.000 0.000 0.201
T36 0.242 0.217 0.000 0.000 0.309
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Para el caso del tramo T41, que une las cmaras C66y C7, los caudales de aguas residuales domsticas,comerciales, industriales, oiciales y especialestributario son 0.409 L/s, 0.232 L/s, 0.005 L/s, 0.001L/s y 0.083 L/s respectivamente lo que da un caudal
medio de aguas residuales de:
En el diseo de la red de Prado Centro se utiliza laecuacin de Tchobanoglous del Numeral 5.2.6 dela norma:
0.0733
3.7
MDI
FQ
=
Ecuacin 4 - 10
donde,F = Factor de Mayoracin (adimensional).Q
MDI= Caudal medio diario de aguas residuales
tributario a cada tramo (L/s).
El actor de mayoracin del tramo T41 es:
( )79.3
73.0
7.37.3
0733.00733.0===
MDIQF Ecuacin
4 - 11
Luego, mayorando nicamente el caudal de aguasresiduales domsticas y adicionando el componentede aguas comerciales, industriales, oiciales yespeciales tributario a cada tramo de la red dealcantarillado se calcula el caudal mximo horariode aguas residuales de cada tramo.
Para el Tramo T41 se muestra el procedimientode clculo antes mencionado haciendo uso de la
Ecuacin 4-9, como muestra las ecuaciones 4-12y 4-13.
QD
= Caudal de aguas residuales domstico (m3/s).Q
I= Caudal de aguas residuales industriales (m3/s).
QC
= Caudal de aguas residuales comerciales (m3/s).Q
OF= Caudal de aguas residuales ociales (m3/s).
Para cada tramo de la red de Prado Centro se calcula elcaudal medio diario por medio de la Ecuacin 4-7.
0.409 0.232 0.005 0.001 0.083 0.730 /MDQ L s= + + + + = Ecuacin 4 - 8
Al comparar este valor de caudal medio (0.730 L/s)con el caudal obtenido usando la dotacin promedio(0.698 L/s) se puede concluir que los dos caudalesson muy parecidos. Por esta razn cualquiera delas dos metodologas es viable para determinar loscaudales de agua residual, el uso de cada una deellas depende de la inormacin con que cuente eldiseador.
4.7 CLCULO DEL CAUDAL MXIMOHORARIO
El Numeral 5.2.5 de la norma indica que el caudalmximo horario de aguas residuales (Q
MH), es la base
para establecer el caudal de diseo de cada uno delos tramos que conorman una red de alcantarilladode aguas residuales. El caudal mximo horario delda de mximo consumo se calcula a partir delcaudal nal medio diario, utilizando un actor demayoracin, F, calculado con la Ecuacin 4-9.
OFfCfifDfMHf QQQQFQ +++=Ecuacin
4 - 9
donde,
QMH = Caudal mximo horario nal (m3/s).F = Factor de mayoracin (adimensional).Q
D= Caudal de aguas residuales domstico nal (m3/s).
QI
= Caudal de aguas residuales industriales inal (m3/s).Q
C= Caudal de aguas residuales comerciales inal (m3/s).
QOF
= Caudal de aguas residuales ociales nal (m3/s).
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( ) slslslslslQMHf /083.0/001.0/005.0/232.0/409.079.3 ++++= Ecuacin 4 - 12
slQMHf /87.1= Ecuacin 4 - 13
4.8 CLCULO DEL CAUDALPOR INFILTRACIN
Para determinar los caudales por inltracin lo ideales realizar aoros en el sistema, en horas de mnimoconsumo de agua potable, tal como lo indica el Numeral5.2.3.6 de la norma. Debido a que no se cuenta con estainormacin para calcular el caudal por inltracin sehar uso del valor unitario de 0.04 m por milmetro de
dimetro de la tubera por kilmetro de longitud por da(m/mm dimetrokmda)2 recomendado por la norma.
Debido a que todava no se conocen los dimetrosde diseo, ue necesario estimar inicialmente elcaudal de inltracin con un valor de 0.2 L/s*ha,
pINF Aha
slQ =
/2.0 Ecuacin 4 - 14
donde,
AP = rea tributaria propia del tramo en ha.Para estimar el caudal de inltracin del tramo T41,se tiene que su rea tributaria es de 0.77 hectreas,por lo tanto su caudal de inltracin ser:
slhaha
slQINF /154.077.0
/2.0 == Ecuacin 4 - 15
De igual modo se realiza el clculo para los tramosrestantes.
4.9 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUASRESIDUALES POR CONEXIONESERRADAS
El caudal correspondiente a las conexiones erradasde una red de alcantarillado debe determinarse deacuerdo con el Numeral 5.2.3.5 de la norma. Para
el caso de la red de Prado Centro este caudal no sedetermina debido a que se trata de un alcantarillado
de aguas combinadas.
4.10 CLCULO DEL CAUDAL DE DISEODE AGUA RESIDUAL
Este caudal se obtiene de la suma del caudal mximohorario nal del da de mayor consumo de aguapotable, Q
MH, ms los aportes de caudal de inltracin
y caudal de aguas residuales por conexiones erradas,de acuerdo con la Ecuacin 4-16.
CEfINFMHfDT QQQQ ++= Ecuacin 4 - 16
donde,Q
DT= Caudal de diseo para cada tramo (m3/s).
QMH
= Caudal mximo horario nal (m3/s).Q
INF= Caudal por inltraciones (m3/s).
QCE
= Caudal por conexiones erradas nal (m3/s).
Si el sistema de alcantarillado es solamente de aguaresidual, el caudal de diseo se debe determinar
mediante la Ecuacin 4-16 y en caso de que seamenor a 1.5 L/s, se debe utilizar este valor comocaudal de diseo. Para sistemas de alcantarilladocombinado el caudal de diseo se establece en elNumeral 6.1.1 de esta Gua.
Como ejemplo, el caudal de diseo de aguasresiduales para el rea tributaria del tramo T41 secalcula de la siguiente manera, como se muestraen la ecuacin 4-17
En la Tabla 4-2 se muestran los caudales de aguaresidual de acuerdo con el tipo de contribucin yel caudal de diseo de aguas residuales de la redde Prado Centro.
2Fuente: Gravity Sanitary Sewer Design and Construction, ASCEManuals And Reports On Engineering Practice N60, 1982.
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Captulo 5 CAUDAL DE AGUASLLUVIAS
Para la estimacin de los caudales de diseo de aguas
lluvias el diseador deber utilizar el mtodo racionalsiempre y cuando el rea de drenaje sea menora 80 hectreas y se cumpla con las restriccionesexpresadas en el Numeral 6.2.4.1 de la norma. En estemtodo se determinan los caudales mximos a partirdel tiempo de concentracin del rea de drenaje yla relacin que ste tiene con dierentes perodos deretorno para estimar la intensidad media del eventode precipitacin de diseo. Adicionalmente, se tieneen cuenta un coeciente de escorrenta de acuerdo
con el tipo de suelo y del uso que se le est dandoal mismo.
Por medio de la Ecuacin 5-1 se puede calcular elcaudal mximo de aguas lluvias de acuerdo con elmtodo racional.
CiAQ = Ecuacin 5 - 1
donde,Q = Caudal mximo de aguas lluvias (L/s).C = Coeciente de escorrenta (adimensional).i = Intensidad de precipitacin (L/s/ha).A = rea tributaria (ha).
El coeiciente de escorrenta tiene en cuenta elcoeciente de impermeabilidad que est relacionadocon el tipo de supercie del rea de drenaje, ademsde involucrar la pendiente promedio de la cuenca dedrenaje como se muestra en la Ecuacin 5-2.
SIC *05.0*65.014.0 ++= Ecuacin 5 - 2
donde,I = Coeciente de impermeabilidad (adimensional).S = Pendiente promedio del rea tributaria (m/m).
El coeciente de impermeabilidad, I, es uncindel tipo del suelo de la cuenca, del grado de
permeabilidad de la zona, de la pendiente delterreno y de todos aquellos otros actores quedeterminan qu parte de la precipitacin seconvierte en escorrenta. Tambin se deben tener encuenta las consideraciones expuestas en el Numeral
6.2.7 de la norma.
El diseador debe hacer uso de los coecientes deimpermeabilidad que se presentan en la Tabla 5-1.
Tabla 5 1 Coefcientes de impermeabilidad
Tipo de supercie I
Cubiertas 0.90
Pavimentos aslticos y supericies de
concreto
0.90
Vas adoquinadas 0.85
Zonas comerciales o industriales 0.90
Residencial , con casas contiguas,predominio de zonas duras
0.75
Residencial multiamiliar, con bloquescontiguos y zonas duras entre stos
0.75
Residencial uniamiliar, con casas conti-guas y predominio de jardines
0.60
Residencial, con casas rodeadas de
jardines o multiamiliares apreciablementeseparados
0.45
Residencial, con predominio de zonasverdes y parques-cementerios
0.30
Laderas sin vegetacin 0.60
Laderas con vegetacin 0.30
Parques recreacionales 0.30
Para calcular la intensidad de la precipitacin es
necesario determinar el tiempo de concentracin,el cual es uncin de los tiempos de entrada y detrnsito.
Para el primer tramo, el tiempo de entradacorresponde al tiempo que toma el fujo supercialen viajar desde la parte ms alejada del reatributaria hasta el punto de entrada o hasta el
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Figura 51: rea tributaria del tramo T1
De acuerdo con el Captulo 3 y la Figura 5-1 las reastributarias que llegan al Tramo 1 son la 29, 30 y 32.Al realizar las mediciones en el plano se tiene que la
longitud mxima de fujo de escorrenta superciales de 215.1 metros y que la pendiente promedio delrecorrido de esa lnea es de 8.9 %.
Suponiendo una velocidad media de fujo en el TramoT1 de 5 m/s y sabiendo que la longitud del tramo esde 72.93 metros, el tiempo de recorrido es:
- Paso 9. Con el valor del caudal (paso 7) y el dimetrodel tramo (paso 8), calcular la velocidad en el tramo ycomparar con el valor supuesto en el paso 1. Si estosvalores tienen una dierencia superior o igual al 1%,el proceso iterativo se vuelve a iniciar utilizando como
velocidad la ltima calculada.
Sin embargo, si el tiempo de concentracin mnimoen las cmaras iniciales es inerior a 3 minutos, sedebe adoptar como tiempo de concentracin 3minutos. Por otro lado, el tiempo de concentracinmximo debe ser 15 minutos.
Para ilustrar el procedimiento antes descrito setomar como ejemplo dos tramos de la red de
Prado Centro. El primero un arranque y el segundosu continuidad.
En primer lugar se tiene el Tramo T1, la orma ycaractersticas del rea tributaria se presentan laFigura 5-1.
min243.0560
93.72=
=t
T Ecuacin 5 - 6
Para determinar el tiempo de entrada se utiliza un coeciente de impermeabilidad de 0.75 correspondientea zonas residenciales multiamiliares con casas contiguas predominadas de zonas impermeables y losvalores de longitud y pendiente del rea tributaria establecidos antes, ecuacin 5-7.
( )min129.8
089.0
1.21575.01.1707.0
3/1=
=
eT Ecuacin 5 - 7
Entonces el tiempo de concentracin ser, como se muestra en la ecuacin 5-8.
min372.8min129.8min243.0 =+=C
T Ecuacin 5 - 8
Como se mencion en el Numeral 3.1.2 el perodo de retorno que se debe utilizar en el diseo de la red dePrado Centro es de 10 aos. Para la estacin de la Planta Villa Hermosa la ecuacin que describe la curvaIDF para este perodo de retorno es:
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34
( ) 9946.0(min)16
1.3483)/(
Tchmmi
+= Ecuacin 5 - 9
Con la ecuacin de la curva IDF de la estacin Planta Villa Hermosa se calcula la intensidad promedio
como:
( ) hasL
hmmi/
9.403/4.145372.816
1.3483
9946.0==
+= Ecuacin 5 - 10
Se usa el actor 100/36 para convertir la intensidad expresada en mm/h a L/s/ha.
El coeciente de escorrenta se calcula mediante la siguiente expresin:
632.0089.0*05.075.0*65.014.0 =++=C Ecuacin 5 - 11
El rea total de este tramo es de 1.97 hectreas de acuerdo con la Tabla 3-3, por lo tanto el caudal de agualluvia ser:
( ) ( ) Lhaha
sLCiAQ /9.50297.1
/9.403632.0 = == Ecuacin 5 - 12
Para determinar la velocidad de fujo del tramo, primero se estable la proundidad normal de acuerdo conla siguiente expresin que relaciona el caudal que pasa por la tubera, bajo la condicin de fujo uniorme,como uncin de la rugosidad absoluta de la tubera, del radio hidrulico de la seccin transversal, de laviscosidad cinemtica del agua y de la pendiente del tramo.
o
s
ogRSRR
kgRSAQ
84
51.2
8.14log82 10
Ecuacin 5 - 13
donde,Q = Caudal del fujo (m3/s).R = Radio hidrulico (m).A = rea mojada transversal (m2).S
o
= Pendiente longitudinal del tramo. = Viscosidad cinemtica (m2/s)
Una vez se tiene la proundidad normal, la velocidad de fujo se calcula mediante las siguientes tresecuaciones:
+=
2/
2/2
d
dyarcsen n Ecuacin 5 - 14
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35
( )( ) Send
A =8
2
Ecuacin 5 - 15
A
Q
v=
Ecuacin 5 - 16
Para el caso especco del tramo 1 que tiene una pendiente de 6.18% se sigui el diagrama de fujo de diseoestablecido en el Numeral 6.1 requirindose una tubera de PVC de 16 de dimetro nominal (0.362 metros dedimetro interno). Utilizando la Ecuacin 5-13 se determina la proundidad normal como:
( ) ( )( ) ( ) ( )
+
=
nnn
nnyRyRyR
* * *yRyA85.44
1014.151.2
8.14
105.1log85.425029.0
66
10 Ecuacin 5 - 17
Al resolver la ecuacin se obtiene una proundidad normal de 0.236 metros.
Utilizando la Ecuacin 5-14, la Ecuacin 5-15 y la Ecuacin 4-15 se determina la velocidad de fujo como:
radoarcsen 759.338.215181.0
181.0236.02 =
+= Ecuacin 5 - 18
( )( )( ) 2
2
071.038.215759.38
362.0mSenA == Ecuacin 5 - 19
sm
m
sm
v /08.7071.0
/5029.02
3
== Ecuacin 5 - 20
Tabla 52 Clculo del caudal de agua lluvia del tramo T1
Velocidadsupuesta
Tiempo derecorrido
Tiempo deentrada
Tiempo deconcentracin
Intensidadmedia
Caudal deagua lluvia
Velocidadnal
[ m/s ] [ min ] [ min ] [ min ] [ L/s/ha ] [ L/s ] [ m/s ]
5.00 0.243 8.129 8.372 403.9 502.8 7.08
7.08 0.172 8.129 8.300 405.1 504.3 7.06
Teniendo en cuenta que la relacin entre el tiempo de trnsito asumido y el tiempo de trnsito nal, (tta/ t
t), debe
estar en un rango de 0.99 y 1.01, se procede a chequear con el valor obtenido al desarrollar la Ecuacin 5-20.
Como la velocidad nal diere en un 29% con respecto a la velocidad supuesta, se debe reiniciar elprocedimiento antes descrito desde el paso 1. En la Tabla 5-2 se presenta el resumen de las iteracionesrealizadas para encontrar el caudal de agua lluvia del tramo 1.
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37
radoarcsen 462.333.198226.0
226.0262.02 =
+= Ecuacin 5 - 27
( ) ( )( ) 22
0964.033.198462.38452.0 mSenA == Ecuacin 5 - 28
sm
m
sm
v /72.60964.0
/6476.0
2
3
== Ecuacin 5 - 29
Como la velocidad fnal difere en un 26% con respecto a la velocidad supuesta se debe reiniciar el
procedimiento antes descrito. En la Tabla 5-3 se presenta el resumen de las iteraciones realizadas paraencontrar el caudal de agua lluvia del Tramo 2.
Tabla 53 Clculo del caudal de agua lluvia del tramo T2
Velocidadsupuesta
Tiempo derecorrido
Tiempo deentrada
Tiempo de
concentracinIntensidad
mediaCaudal de
agua lluviaVelocidad
nal
[ m/s ] [ min ] [ min ] [ min ] [ L/s/ha ] [ L/s ] [ m/s ]
5.00 0.020 8.300 8.320 404.7 647.5 6.72
6.72 0.015 8.300 8.315 404.8 647.6 6.72
5.2 CAUDALES DE DISEO
De la misma manera que se calcularon los caudales de agua lluvia de los Tramos 1 y 2 se procede adeterminar los caudales de agua lluvia de los dems tramos que conorman la red de Prado Centro. En laTabla 5-4 se presentan los caudales de agua lluvia de acuerdo con el procedimiento establecido en elnumeral anterior:
Tabla 5 4 Caudales de diseo de aguas lluvias para la red de Prado Centro
TramoQ
LLU
(m3/s)Tramo
QLLU
(m3/s)
TramoQ
LLU
(m3/s)
T1 0.503 T24 2.977 TA1 4.211
T2 0.643 T25 3.027 TA2 4.218T3 0.728 T26 3.056 TA3 5.619
T4 0.955 T27 0.112 TA4 5.775
T5 1.181 T28 0.063 TA5 5.879
T6 1.201 T29 0.118 TA6 6.022
T7 1.343 T30 0.266 TA7 6.051
T8 1.355 T31 0.066 TA8 6.192
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TramoQ
LLU
(m3/s)Tramo
QLLU
(m3/s)
TramoQ
LLU
(m3/s)
T9 1.369 T32 0.254 TA9 6.405
T10 1.689 T33 0.049 TA10 6.434
T11 0.130 T34 0.186 TA11 6.434T12 0.041 T35 0.262 TA12 6.476
T13 0.145 T36 0.445 TA13 6.564
T14 0.145 T37 0.511 TA14 6.863
T15 1.604 T38 0.511 TA15 6.863
T16 1.792 T39 0.083 TA16 6.864
T17 2.118 T40 0.136 TA17 6.860
T18 2.388 T41 0.218 TA18 0.000
T19 2.382 T43 0.041 TA19.1 6.860
T20 2.518 T44 0.063 TA19.2 6.860T21 2.518 T45 0.137 TA20 0.056
T22 2.938 T46 0.959 TA21 0.238
T23 2.950 TA22 0.000
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La inormacin especca de la zona del proyectoes la que le permite al diseador conocer lascaractersticas especiales de su modelo y tomarla decisin de incluir elementos especiales comoaliviaderos, estaciones de bombeo, cmaras de cada
y/o dispositivos de almacenamiento.
6.1 DISEO TRAMO A TRAMO
La ecuacin que determina la capacidad de unatubera trabajando parcialmente llena de acuerdocon la norma es la que combina las ecuacionesde Darcy-Weisbach y Colebrook White y relacionael caudal que pasa por tal tubera bajo condicinde fujo uniorme como uncin de la rugosidad
absoluta de la tubera, del radio hidrulico de laseccin transversal, de la viscosidad cinemtica delagua y de la pendiente longitudinal del trazado.
Tales caractersticas de lujo deben compararsecon los parmetros correspondientes que rigenel diseo de la normativa aplicable a cada tipo dealcantarillado en particular; entre ellas se incluye laproundidad normal de fujo, la velocidad media, elporcentaje del caudal a tubo lleno, la proundidadhidrulica y el nmero de Froude. Adicionalmentese debe revisar que no se inrinjan restriccionesde diseo independientes a las hidrulicas, entreellas las condiciones geotcnicas las cuales estndirectamente relacionadas con la proundidad deexcavacin.
Es posible representar el algoritmo iterativo que se rea-liza en el diseo de tramos de alcantarillado bajo fujouniorme en esquemas como el de la Figura 6 -1.
Captulo 6 DISEO HIDRULICODE LA RED DE ALCANTARILLADO
La norma establece un procedimiento de diseo
que comprende el predimensionamiento de lastuberas de la red a travs de las ecuaciones defujo uniorme, la inclusin de prdidas menores enel diseo de cmaras de inspeccin y de cada, y lacomprobacin de la lnea de gradiente hidrulico yenerga total dentro de cada tramo de alcantarilladopara vericar sobrecargas y ormacin de resaltoshidrulicos.
Antes de proceder con el diseo, el ingeniero
diseador debe comprender y analizar la inormacindisponible sobre el sitio, usuarios, redes existentes,etc., con el n de modelar el sistema de la manerams coherente posible con las condiciones deoperacin del prototipo.
+=
s
gRSRR
kgRSAQ
84
51.2
8.14log82 10
Ecuacin 6 - 1
donde,Q = Caudal del fujo (m3/s).k
s= Rugosidad absoluta de la tubera (m).
R = Radio hidrulico (m).A = rea mojada transversal (m2).S
o= Pendiente longitudinal del tramo (m/m).
= Viscosidad cinemtica (m2/s).
La ecuacin anterior permite calcular el dimetromnimo necesario para alcanzar una capacidad de
descarga igual o mayor que el caudal de diseoespecicado, cumpliendo a la vez con el criterio deproundidad mxima.
Una vez se ha determinado el menor dimetro
interno comercial del material escogido cuya
capacidad iguale o exceda el caudal de diseo se
deben establecer las caractersticas normales
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Tabla 6 1 Caudales de diseo para sector prado
TramoQ
DISEO
(m3/s)Tramo
QDISEO
(m3/s)
TramoQ
DISEO
(m3/s)T1 0.508 T24 3.002 TA1 4.237
T2 0.648 T25 3.053 TA2 4.256
T3 0.734 T26 3.082 TA3 5.658
T4 0.962 T27 0.113 TA4 5.815
T5 1.189 T28 0.063 TA5 5.922
T6 1.209 T29 0.119 TA6 6.065
T7 1.352 T30 0.267 TA7 6.094
T8 1.364 T31 0.066 TA8 6.235
T9 1.378 T32 0.255 TA9 6.449
T10 1.701 T33 0.049 TA10 6.478
T11 0.131 T34 0.187 TA11 6.478T12 0.041 T35 0.263 TA12 6.521
T13 0.145 T36 0.447 TA13 6.609
T14 0.145 T37 0.513 TA14 6.910
T15 1.622 T38 0.513 TA15 6.917
T16 1.811 T39 0.083 TA16 6.918
T17 2.138 T40 0.136 TA17 6.914
T18 2.410 T41 0.220 TA18 0.054
T19 2.404 T43 0.042 TA19.1 6.860
T20 2.541 T44 0.064 TA19.2 6.860
T21 2.541 T45 0.138 TA20 0.056T22 2.963 T46 0.966 TA21 0.239
T23 2.975 TA22 0.013
puedan ser utilizados en el diseo de la red dealcantarillado, teniendo en cuenta las limitacionesque pueda tener en la ase de construccin, comopor ejemplo longitud controlada.
En el caso de las redes de alcantarillado de la ciudadde Medelln y de los municipios atendidos por EPM
los materiales que comnmente se utilizan son PVC,GRP y Concreto; para estos tres materiales se debenseguir las especicaciones tcnicas descritas en lasnormas Incontec e internacionales que se relacionanen el Numeral 4.2.6 de la norma.
La base de dimetros que se va a considerar para eldiseo es la que se presenta en la Tabla 6-2.
Una vez se tiene la base de dimetros se procedea encontrar el dimetro de la tubera que permitatransportar el caudal de diseo establecido en loscaptulos anteriores.
Tomando como ejemplo el diseo del Tramo TA17
el cual tiene una longitud de 38.31 metros, unapendiente de 0.00143, un caudal de diseo de 6.914m3/s y en el que se utilizar GRP como material delas tuberas con un ks de 0.03 mm.
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Tabla 62 Base de dimetros para el diseo
Dimetro comercialDimetro real interno
en PVCDimetro real interno
en GRPDimetro real interno
en Concreto
10 0.227 m 0.250 m 0.250 m
12 0.284 m 0.300 m 0.300 m14 - 0.350 m 0.350 m
16 0.362 m 0.400 m 0.400 m
18 0.407 m 0.450 m 0.450 m
20 0.452 m 0.500 m 0.500 m
24 0.595 m 0.600 m 0.600 m
27 0.671 m 0.700 m 0.700 m
30 0.747 m 0.800 m 0.800 m
36 0.899 m 0.900 m 0.900 m
40 - 1.000 m 1.000 m42 1.051 m - -
44 - - 1.100 m
48 1.203 m 1.200 m 1.200 m
52 1.295 m - 1.300 m
54 1.353 m - -
56 - 1.400 m 1.400 m
60 1.507 m - 1.500 m
64 - 1.600 m 1.600 m
68 - 1.700 m72 - 1.800 m 1.800 m
El primer paso es escoger la relacin entre la proundidad de fujo y el dimetro de la tubera, que para estecaso el valor es de 0.70 porque el dimetro inicial (250 mm) a utilizar es menor de 500 mm; esta relacin seescoge de acuerdo con el Numeral 6.2.19 de la norma. Con esta relacin se determina el ngulo subtendidoentre el centro de la seccin transversal y los puntos de contacto entre la supercie libre y la circunerenciade la tubera, as:
+=
2/
2/2
d
dyarcsen n
radd
ddarcsen 965.3
2/
2/7.02 =
+=
Ecuacin 6 - 2
Calculado el ngulo antes descrito se procede a escoger el primer dimetro de la base de dimetros (0.250metros) para calcular las caractersticas geomtricas de la tubera como el rea, el permetro y el radiohidrulico como se muestra en las siguientes tres ecuaciones:
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43
( )( ) Send
A =8
2
( )( )( ) 2
2
0367.0965.3965.3
8
25.0mSen
mA ==
Ecuacin 6 - 3
dP
2
1=
mmradP 496.025.0965.3
2
1= =
Ecuacin 6 - 4
P
AR =
m
m
mR 074.0
496.0
0367.02
==
Ecuacin 6 - 5
Con las caractersticas geomtricas de la tubera, la rugosidad, pendiente de la misma y la viscosidadcinemtica del agua se puede determinar el caudal que puede transportar esa tubera con una relacinde proundidad normal de 0.7 veces el dimetro, como:
+=
o
s
gRSRR
kgRSAQ
84
51.2
8.14log82 10
smQ
Q
/026.0
00143.0074.081.98074.04
10*14.151.2
074.08.14
10*
* * * * *
*5.1log** * * * 00143.0074.081.980367.02
3
66
10
=
+=
Ecuacin 6 - 6
Este caudal de 0.026 m3/s es menor que el caudal de diseo de 6.914 m3/s, por lo tanto se debe utilizarun dimetro mayor. Para los siguientes dimetros reales internos se realiz el mismo procedimiento hastaencontrar el dimetro que permita transportar el caudal de diseo. En la Tabla 6-3 se muestran los resultados.
Una vez se ha determinado el dimetro de la tubera que puede transportar el caudal de diseo, se debeencontrar la proundidad normal de fujo para dicho caudal. En la Tabla 6-4 se presenta el resumen de losclculos realizados. Para determinar la proundidad normal de fujo correspondiente al caudal de diseo,se establece una proundidad normal inicial pequea y se va aumentando hasta encontrar la que corres-ponda al caudal de diseo. La octava columna se usa para la vericacin de la proundidad, cuando sepase de un No a un S esa es la proundidad normal de fujo que debe haber en la tubera para que sepueda transportar el caudal de diseo antes especicado.
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Tabla 63 Determinacin del dimetro de diseo
D Y A P R Q Q > Q D(m) (m) (rad) (m2) (m) (m) (m3/s) (S / No)
0.250 0.175 3.965 0.037 0.496 0.074 0.026 No
0.300 0.210 3.965 0.053 0.595 0.089 0.042 No0.350 0.245 3.965 0.072 0.694 0.104 0.063 No
0.400 0.280 3.965 0.094 0.793 0.118 0.090 No
0.450 0.315 3.965 0.119 0.892 0.133 0.123 No
0.500 0.400 4.429 0.168 1.107 0.152 0.190 No
0.600 0.480 4.429 0.242 1.329 0.183 0.306 No
0.700 0.560 4.429 0.330 1.550 0.213 0.460 No
0.800 0.640 4.429 0.431 1.771 0.243 0.653 No
0.900 0.720 4.429 0.546 1.993 0.274 0.890 No
1.000 0.850 4.692 0.712 2.346 0.303 1.237 No1.200 1.020 4.692 1.025 2.815 0.364 1.994 No
1.400 1.190 4.692 1.395 3.285 0.425 2.985 No
1.600 1.360 4.692 1.822 3.754 0.485 4.233 No
1.800 1.530 4.692 2.305 4.223 0.546 5.758 No
2.000 1.700 4.692 2.846 4.692 0.607 7.581 Si
Tabla 64 Determinacin de la proundidad normal de ujo para el dimetro seleccionado
D Y A P R Q Q > Q D(m) (m) (rad) (m2) (m) (m) (m3/s) (m3/s)
2.000 1.300 3.751 2.162 3.751 0.576 5.581 No
2.000 1.350 3.857 2.256 3.857 0.585 5.879 No
2.000 1.400 3.965 2.349 3.965 0.592 6.167 No
2.000 1.450 4.075 2.439 4.075 0.599 6.446 No
2.000 1.500 4.189 2.527 4.189 0.603 6.710 No
2.000 1.520 4.235 2.562 4.235 0.605 6.812 No
2.000 1.541 4.285 2.597 4.285 0.606 6.916 Si
De la Tabla 6-4 se observa que el valor de proundidad normal es de 1.541 metros (y/D = 77.1 %).
6.1.3 EVALUACIN DE CRITERIOS HIDRULICOS
Una vez se ha determinado cul es el dimetro y la proundidad de fujo se procede a calcular las caracters-ticas hidrulicas del tramo para vericar si cumple con los criterios de velocidad mnima, esuerzo cortantemnimo, nmero de Froude y relacin y/D.
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En primer lugar se determina el nmero de Froude para vericar que el tramo no trabaje en fujo cuasicrtico;de lo contrario es necesario variar la pendiente a n de solucionar este inconveniente. Para determinar elnmero de Froude se debe calcular el ancho supercial y el rea de la seccin transversal, utilizando lassiguientes ecuaciones:
=2
SendT
m
radSenmT 682.1
2
285.40.2 ==
Ecuacin 6 - 7
( )( ) Send
A =8
2
( ) ( )( ) 22
597.2285.4285.48
0.2mSen
mA ==
Ecuacin 6 - 8
T
AgA
QFr=
684.0
682.1
597.2
/81.9597.2
/914.6
2
22
3
==
m
m
smm
smFr
Ecuacin 6 - 9
Como el nmero de Froude no se encuentra entre el rango de 0.7 a 1.5 no hay problema por fujo cuasicrtico; porlo tanto el rgimen de fujo en este tramo ser fujo subcrtico porque el nmero de Froude es menor de 1.
Luego se debe evaluar la velocidad de fujo para vericar si se encuentra en el rango permitido por norma.La velocidad se calcula como:
smm
sm
A
Qv /66.2
597.2
/914.6
2
3
=== Ecuacin 6 - 10
Las condiciones de velocidad en este tramo son las adecuadas de acuerdo con las especicaciones descritasen el Numeral 2.3.2 de esta gua.
Por ltimo se evala el esuerzo cortante para saber si el tramo cumple con el criterio de autolimpieza, paralo cual se utilizan las siguientes rmulas:
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Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de Alcantarillado
46
=
SendR 1
4
( )m
rad
radSenmR 606.0
285.4
285.41
4
0.2==
Ecuacin 6 - 11
RS =
Pammkgsm 5.800143.0606.0/1000/81.9 32 = =Ecuacin 6 - 12
Como el valor del esuerzo cortante es mayor de 3 pascales el tramo diseado cumple con el criteriode autolimpieza.
6.1.4 DISEO DE LA REDDe manera similar se calcula el dimetro de cada una de los tramos que componen la red de alcantarillado dePrado Centro, como se muestra en las siguientes dos tablas 6-5 y 6-6. En cada uno de los diseos se deben vericarlos criterios de velocidad mnima, esuerzo cortante mnimo, mnima proundidad de excavacin y rgimen de fujo.
Tabla 65 Caractersticas topolgicas de la red de Prado Centro
Tramo Longitud Pendiente Rugosidad Caudal de
diseoDimetro
Proundidadnormal
- (m) (-) (mm) (m3/s) (m) (m)
T1 72.93 0.0618 0.0015 0.507 0.362 0.236T2 6.01 0.0466 0.0015 0.648 0.452 0.260
T3 92.25 0.0841 0.0015 0.734 0.452 0.230
T4 7.75 0.0439 0.0015 0.962 0.595 0.286
T5 66.25 0.1428 0.0015 1.188 0.595 0.225
T6 18.81 0.1318 0.0015 1.209 0.595 0.232
T7 17.58 0.0421 0.0015 1.352 0.595 0.359
T8 17.62 0.0471 0.0015 1.364 0.595 0.347
T9 20.52 0.0463 0.0015 1.378 0.595 0.351
T10 62.93 0.0399 0.0015 1.701 0.595 0.433T11 91.52 0.0140 0.6000 0.131 0.350 0.208
T12 23.51 0.0106 0.0015 0.041 0.284 0.106
T13 58.21 0.0309 0.6000 0.145 0.300 0.191
T14 10.05 0.0308 0.6000 0.145 0.300 0.192
T15 5.62 0.0872 0.0015 1.622 0.595 0.314
T16 92.32 0.1022 0.0015 1.811 0.595 0.319
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Tramo Longitud Pendiente Rugosidad Caudal de
diseoDimetro
Proundidadnormal
T17 90.79 0.0865 0.0015 2.138 0.595 0.377
T18 93.73 0.0775 0.0015 2.410 0.595 0.431
T19 3.99 0.0501 0.0015 2.404 0.671 0.455T20 80.72 0.0348 0.0015 2.541 0.747 0.496
T21 8.67 0.0346 0.0015 2.541 0.747 0.497
T22 34.79 0.0776 0.0015 2.963 0.747 0.412
T23 18.84 0.0690 0.0015 2.975 0.747 0.430
T24 18.77 0.1214 0.0015 3.002 0.747 0.358
T25 3.57 0.0476 0.0015 3.053 0.747 0.501
T26 44.53 0.0631 0.0015 3.082 0.747 0.454
T27 89.87 0.0847 0.6000 0.113 0.250 0.133
T28 42.88 0.0219 0.6000 0.063 0.250 0.142T29 28.65 0.0143 0.6000 0.118 0.350 0.193
T30 93.62 0.0228 0.6000 0.267 0.400 0.257
T31 35.67 0.0241 0.6000 0.066 0.250 0.142
T32 94.42 0.0207 0.6000 0.255 0.400 0.257
T33 58.95 0.1620 0.6000 0.049 0.250 0.069
T34 6.08 0.0444 0.6000 0.187 0.300 0.201
T35 88.49 0.0867 0.0015 0.263 0.362 0.141
T36 53.52 0.0807 0.0015 0.447 0.362 0.197
T37 59.05 0.0853 0.0015 0.513 0.362 0.211T38 11.71 0.0863 0.0015 0.513 0.362 0.211
T39 39.86 0.0361 0.6000 0.083 0.250 0.144
T40 43.67 0.0066 0.0015 0.136 0.362 0.220
T41 153.15 0.0181 0.6000 0.220 0.400 0.243
T43 37.78 0.0289 0.6000 0.042 0.250 0.102
T44 19.75 0.0790 0.6000 0.064 0.250 0.096
T45 82.99 0.0316 0.6000 0.138 0.300 0.184
T46 93.54 0.0917 0.0015 0.966 0.452 0.266
TA1 3.15 0.0222 0.0015 4.237 1.051 0.632TA2 18.15 0.0430 0.0015 4.256 1.051 0.508
TA3 10.84 0.0351 0.0015 5.658 1.051 0.652
TA4 113.62 0.0252 0.0015 5.815 1.051 0.758
TA5 58.88 0.0160 0.0015 5.922 1.203 0.810
TA6 89.71 0.0159 0.0015 6.065 1.203 0.825
TA7 10.77 0.0158 0.0015 6.094 1.203 0.831
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Tramo Longitud Pendiente Rugosidad Caudal de
diseoDimetro
Proundidadnormal
TA8 107.06 0.0175 0.0015 6.235 1.203 0.812
TA9 50.12 0.0184 0.0015 6.449 1.203 0.816
TA10 43.46 0.0189 0.0015 6.478 1.203 0.810TA11 11.95 0.0176 0.0015 6.478 1.203 0.833
TA12 36.15 0.0191 0.0015 6.520 1.203 0.810
TA13 105.20 0.0194 0.0015 6.609 1.203 0.813
TA14 87.73 0.0092 0.0015 6.909 1.353 1.018
TA15 105.29 0.0101 0.0015 6.917 1.353 0.980
TA16 98.81 0.0104 0.0015 6.918 1.353 0.966
TA17 38.31 0.0014 0.0300 6.914 2.000 1.536
TA18 9.66 0.0724 0.6000 0.054 0.250 0.090
TA19.1 16.33 0.0061 0.0300 6.860 2.000 0.915TA19.2 37.31 0.0043 0.0300 6.860 2.000 1.022
TA20 12.04 0.2043 0.0015 0.056 0.284 0.053
TA21 20.91 0.1188 0.0015 0.239 0.284 0.136
TA22 3.92 0.1811 0.6000 0.013 0.250 0.034
Tabla 66 Caractersticas geomtricas de las tuberas de la red de Prado Centro
Tramo Y/D Velocidad Esuerzocortante
Nmero deFroude
Rgimen defujo
- - (m/s) (Pa) - -T1 0.65 7.152 63.33 5.04 Supercrtico
T2 0.58 6.778 56.12 4.68 Supercrtico
T3 0.51 8.935 94.34 6.69 Supercrtico
T4 0.48 7.286 62.41 4.94 Supercrtico
T5 0.38 12.357 171.05 9.66 Supercrtico
T6 0.39 12.059 161.59 9.26 Supercrtico
T7 0.60 7.714 68.38 4.49 Supercrtico
T8 0.58 8.108 75.20 4.84 Supercrtico
T9 0.59 8.080 74.36 4.78 SupercrticoT10 0.73 7.850 69.74 3.92 Supercrtico
T11 0.59 2.207 13.25 1.70 Supercrtico
T12 0.37 1.898 6.04 2.16 Supercrtico
T13 0.64 3.060 25.99 2.41 Supercrtico
T14 0.64 3.042 25.97 2.38 Supercrtico
T15 0.53 10.906 131.48 6.96 Supercrtico
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Tramo Y/D Velocidad Esuerzocortante
Nmero deFroude
Rgimen defujo
T16 0.54 11.941 155.68 7.54 Supercrtico
T17 0.63 11.519 143.78 6.46 Supercrtico
T18 0.72 11.178 135.27 5.61 SupercrticoT19 0.68 9.409 96.58 4.70 Supercrtico
T20 0.66 8.225 74.15 3.97 Supercrtico
T21 0.67 8.206 73.80 3.95 Supercrtico
T22 0.55 11.958 150.86 6.61 Supercrtico
T23 0.58 11.394 137.35 6.12 Supercrtico
T24 0.48 14.468 216.43 8.76 Supercrtico
T25 0.67 9.771 101.87 4.68 Supercrtico
T26 0.61 11.057 129.20 5.71 Supercrtico
T27 0.53 4.274 53.83 4.19 SupercrticoT28 0.57 2.206 14.47 2.07 Supercrtico
T29 0.55 2.185 13.02 1.77 Supercrtico
T30 0.64 3.129 25.60 2.12 Supercrtico
T31 0.57 2.312 15.92 2.17 Supercrtico
T32 0.64 2.992 23.24 2.02 Supercrtico
T33 0.28 4.416 63.75 6.32 Supercrtico
T34 0.67 3.710 38.13 2.80 Supercrtico
T35 0.39 7.116 64.55 7.02 Supercrtico
T36 0.54 7.819 75.39 6.27 SupercrticoT37 0.58 8.259 82.84 6.32 Supercrtico
T38 0.58 8.259 83.75 6.32 Supercrtico
T39 0.57 2.857 24.04 2.66 Supercrtico
T40 0.61 2.087 6.58 1.55 Supercrtico
T41 0.61 2.754 19.83 1.94 Supercrtico
T43 0.41 2.229 15.33 2.58 Supercrtico
T44 0.39 3.652 40.40 4.35 Supercrtico
T45 0.61 3.041 26.08 2.46 Supercrtico
T46 0.59 9.827 111.85 6.67 SupercrticoTA1 0.60 7.770 63.72 3.41 Supercrtico
TA2 0.48 10.237 108.44 5.20 Supercrtico
TA3 0.62 10.000 102.02 4.29 Supercrtico
TA4 0.72 8.675 77.58 3.28 Supercrtico
TA5 0.67 7.279 55.05 2.74 Supercrtico
TA6 0.69 7.304 55.33 2.70 Supercrtico
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50
6.2.1 DETERMINACIN DEL DIMETRO DELAS CMARAS
De acuerdo con el Numeral 8.3.2.2 de la norma eldimetro interno de las cmaras de inspeccin sedebe determinar teniendo en cuenta que no existaintererencia entre los tramos de entrada y de salidaa la cmara.
A manera de ejemplo se determinar el dimetrointerno de la Cmara C165, Figura 6-2.
El dimetro interno de la cmara se calcula mediantela siguiente ecuacin:
( )2/=Cos
DD sp Ecuacin 6 - 13
donde,D
p= Dimetro interno real de la estructura de
conexin (m).D
s= Dimetro externo real de la tubera de salida (m).
= ngulo de interseccin entre los tramos (Grados).
Tramo Y/D Velocidad Esuerzocortante
Nmero deFroude
Rgimen defujo
TA7 0.69 7.280 54.94 2.68 Supercrtico
TA8 0.67 7.643 60.28 2.87 Supercrtico
TA9 0.68 7.862 63.47 2.94 SupercrticoTA10 0.67 7.963 65.06 2.99 Supercrtico
TA11 0.69 7.719 61.19 2.84 Supercrtico
TA12 0.67 8.015 65.81 3.01 Supercrtico
TA13 0.68 8.091 66.95 3.03 Supercrtico
TA14 0.75 5.954 37.00 1.91 Supercrtico
TA15 0.72 6.202 39.98 2.06 Supercrtico
TA16 0.71 6.299 41.24 2.12 Supercrtico
TA17 0.77 2.671 8.53 0.69 Subcrtico
TA18 0.36 3.394 35.29 4.20 SupercrticoTA19.1 0.46 4.896 28.32 1.86 Supercrtico
TA19.2 0.51 4.248 21.33 1.51 Supercrtico
TA20 0.19 6.834 64.96 11.31 Supercrtico
TA21 0.48 7.955 80.64 7.80 Supercrtico
TA22 0.14 3.287 38.20 6.81 Supercrtico
6.2 DISEO DE CMARAS
Todas las consideraciones de diseo que se deben
tener en cuenta para el diseo de estructurasde conexin y complementarias en sistemas dealcantarillados se encuentran establecidas en elCaptulo 8 de las Normas de Diseo de Redes deAlcantarillado de EPM.
El tipo de empalme o conexin que debe hacerseentre dos tramos depende del rgimen de fujopresente. Cuando existe la presencia de dos o mstramos de llegada a las cmaras de conexin esnecesario establecer aquel que se comporta como
el hidrulicamente dominante en el diseo de laestructura, segn el Numeral 8.3.6.1 de la normateniendo en cuenta alguno de los siguientes trescriterios:
- Conducto con menor ngulo de defexin- Conducto con mayor altura de velocidad- Conducto con mayor valor resultante al multiplicar
el caudal por la velocidad
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51
Figura 62: Vista en planta de la Cmara C165.
Al incorporar los valores de la cmara C165 en laEcuacin 6-13 se obtiene el siguiente dimetrointerno de la cmara:
( )m
Cos
mDp 703.1
"21'0345
203.1=
= Ecuacin 6 - 14
Los dimetros comercialmente usados son: 1.20 m,1.50 m y 2.00 m, razn por la cual el valor del dime-tro obtenido al desarrollar la Ecuacin 6-14 se deberedondear a un dimetro estndar, por lo tanto eldimetro de la cmara C165 ser de 2.0 metros.
Tabla 6 7 Inormacin necesaria para el clculo de empalme de la cmara C165A
Tramo IDS
(%)D
(m)Q
(m3/s)Yn(m)
V(m/s) Froude Rgimen Defexin
Entrada TA9 0.12 1.203 2.10 0.96 2.16 0.69 Subcrtico4
Salida TA10 0.10 1.203 2.25 1.02 2.19 0.64 Subcrtico
El empate por lnea de energa establece la siguiente suposicin:
mp
m
hEEH
gvyE
gvyE
hEE
+=
+=+=
+=
12
2
222
2
111
21
2;
2 Ecuacin 6 - 15
donde,H
p= Cada de ondo en la estructura de conexin y/o inspeccin (m).
v1
= Velocidad en el tramo de entrada (m/s).
6.2.2 DISEO DE CMARAS DE UNINSUBCRTICA
El Numeral 8.3.6.2 de la norma, indica lascondiciones para calcular las uniones entre tramos
que operan bajo rgimen subcrtico. En este casopuede aplicarse un empalme por lnea de energay las prdidas menores pueden calcularse concualquiera de los tres mtodos permitidos en lanorma:
Estndar AASHTO HEC 22
Para el empleo de estos tres mtodos se debe tenerun rgimen subcrtico en los tramos de entrada y desalida de la cmara a disear. En la red de Prado existesolamente un tramo con lujo subcrtico (TA17)por lo tanto no se podra realizar el diseo de unacmara de unin subcrtica. A manera de ejemplose utilizarn datos hipotticos para ilustrar este tipode clculo con la cmara C165A, cuya inormacinde entrada se muestra en la Tabla 6-7:
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E1
= Energa especca en el tramo de entrada (m).E
2= Energa especca en el tramo de salida (m).
hm
= Prdidas menores en la estructura de conexiny/o inspeccin (m).
v2
= Velocidad en el tramo de salida (m/s).
y1
= Proundidad el fujo en de el tramo de entrada (m).
y2
= Proundidad el fujo en el tramo de salida (m).
Figura 63 Criterio de empate de lnea de energa en una cmara
Para la cmara C165A el componente de prdidas menores hm
, se determina a partir de la metodologaestndar. En este caso el dimetro de entrada es igual al dimetro de salida en los tramos y la defexin esde 4, por lo tanto se cumplen las recomendaciones del Numeral 8.3.6.2 de la norma en lo que correspondeal mtodo mencionado.
El coeciente Km es obtenido de la Tabla 8-2 de la norma donde se presenta un coeciente de prdidaspara cmaras con un tramo de entrada sin cauela. Este coeciente vara desde 0.5 para defexin de 0hasta 0.8 para defexin de 90; utilizando interpolacin se encuentra el coeciente de prdida para 4correspondiente a un valor de 0.513.
Tabla 82 de la norma: Coefcientes de prdidas menores Mtodo Estndar
Descripcin de la cmara Coeciente de prdida Km
Tramo nico de entrada, sin cauela, = 0 0.5
1 tramo de entrada, sin cauela = 90 0.8
2 tramos entrantes, ngulo entre ellos mayor que90
0.9
3 o ms tramos entrantes 1.0
donde, = ngulo de defexin entre el tramo de entrada y el tramo de salida de la cmara (grados).
El clculo de la prdida menor se eecta multiplicando la altura de velocidad del tramo de salida por elcoeciente de prdida obtenido de la siguiente manera:
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=
g
vKh mm
2
2
2
Ecuacin 6 - 16
donde,
hm = Prdidas menores en la cmara de inspecciny/o conexin (m).
El paso siguiente dentro del diseo de la cmara subcrtica es determinar la cada de ondo de laestructura:
2 1p m
H E E h= + Ecuacin 6 - 18
m
g
vyE 198.1
81.92
)16.2(96.0
2
22
111 =
+=+= Ecuacin 6 - 19
mg
vyE 264.1
81.92
)19.2(02.1
2
22
222 =
+=+= Ecuacin 6 - 20
mmmmHp 191.0125.0198.1264.1 =+= Ecuacin 6 - 21
Por lo tanto en la cmara C165A se debe dejar una
cada de 0.19 metros.6.2.3 DISEO DE CMARAS DE UNIN
SUPERCRTICAS
Para el diseo de cmaras de unin con rgimende fujo supercrtico en las tuberas de entrada ysalida se debe estimar el valor de la mxima cadaque se puede colocar en la cmara. Dejando unacada inerior a la establecida y cumpliendo conunas relaciones de proundidad en las tuberasde entrada a la cmara de inspeccin se pueden
evitar problemas de fujo transicional y prdida decapacidad estructural.
En las cmaras de inspeccin con rgimende lujo supercrtico se pueden presentar tresconiguraciones dependiendo del nmero detramos que entran a la cmara y de los ngulos dedefexin de los mismos.
Km
= Coeciente de prdidas menores (adimensional).V
2= Velocidad en el conducto de salida (m/s).
Reemplazando en la Ecuacin 6-16 se obtiene:
mhm 125.081.92
19.2
513.0
2
=
= Ecuacin 6 - 17
La primera coniguracin corresponde a la que
tiene una sola entrada con un ngulo de defexinmenor a 10 grados (Conguracin de fujo directo),la segunda coniguracin corresponde a la quetiene una sola entrada pero el ngulo de defexines mayor de 10 grados (Conguracin de cambio dedireccin) y la tercera conguracin corresponde ala que tiene ms de una entrada (Conguracin deunin). En la Figura 6-4 se presenta el esquema deuna cmara supercrtica con conguracin de fujodirecto.
Para ilustrar el ejemplo de diseo de cmaras deunin en condiciones supercrticas se analizar unacmara que tenga conguracin de fujo directo.Para este caso se utilizar la Cmara C68 cuyosdatos de entrada requeridos por la metodologase encuentran en la Tabla 6-8, los cuales han sidotomados de los resultados del diseo bajo fujouniorme.
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Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de Alcantarillado
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Figura 64 Esquema de cada de ondo en cmaras supercrticas de ujo directo
Tabla 68 Inormacin necesaria para el clculo de empalme de la cmara C165A
Cmara Tramo de entrada Tramo de salidaDimetro de
salida (m)y/d de entrada
C68 T23 T24 0.747 0.58
Inicialmente se debe determinar el actor de capacidad de la cmara (Fc). De acuerdo con la metodologade Hager y Gisonni4 Fc se calcula mediante la siguiente expresin:
( ) 75.0/7.0/3.176.14
7.0/2
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Figura 65: Cmara de cada con tubera externa.
disea para separar las aguas combinadas y entregarel caudal de aguas residuales al colector Oriental y elcaudal de aguas lluvias al ro Medelln. El diseo serealiza segn el Numeral 8.6.7 de la norma.
El diseo del aliviadero consiste en determinar lascotas en las que debe instalarse el tramo de entrada(aguas combinadas) y los tramos de salida (aguasresiduales y lluvias), para que bajo las condicionesde operacin se distribuyan los caudales estimadosen el diseo.
El Tramo TA18 que descarga al interceptor Oriental,tiene un dimetro interno de 300 mm y debe
descargar un caudal de aguas residuales de 80 L/s (*).Para este caso el diseador debe utilizar la Ecuacin6-25, ya que corresponde a la expresin manejadapara dimensionar oricios.
0.5(2 )dQ C A gH = Ecuacin 6 - 25
donde,
Q= Caudal de descarga a travs del oricio (m3/s).CA
= Coeciente de descarga (-).A = rea de la seccin transversal interna de la
tubera (m2).H = Proundidad de lmina de agua por encima del
oricio (m).g = Aceleracin de la gravedad (m/s2).
*(Este caudal corresponde al obtenido al correr el modelohidrulico).
6.2.4 DISEO DE CMARA DE CADA
Como se