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Modelacin y Diseo de Redes de Alcantarillado Sanitario

SewerCAD SewerGEMS Sanitary v8iIng. Carlos Vidal Valenzuela

CLASE 01

INSTITUTO DE LA CONSTRUCCION Y GERENCIA - ICGEmail: [email protected] / Web: www.construccion.org

Modelacin y Diseo de Redes deModelacin y Diseo de Redes deAlcantarillado SanitarioAlcantarillado Sanitario

SewerCADSewerCAD //SewerGEMSSewerGEMS SanitarySanitary V8iV8i -- BentleyBentley

Expositor: Ing. Carlos Vidal Valenzuela

CLASE 1

Contenido de Curso Repaso

Teora hidrulica

Sistemas de Alcantarillado Sanitario

Sistemas a gravedad

Representaciones de flujo

Perdidas en las tuberas Consideraciones especiales

Tuberas de presin y estaciones de bombeo

Simulaciones en periodo extendido

Conexiones externas con otros programas

Disposicin Final

Ro, Lago, Laguna, Mar u

otroscuerposde aguaPLANTA DE TRATAMIENTO

Colectores secundariosInterceptores, Bombeo y otros

RED DE RECOLECCION

Area de Drenaje 1Parte Alta

Sistema de Recoleccin y Disposicin Final

Agua Residual Tratada

Reuso del AguaResidual Tratada

para: Agricultura, Piscicultura, etc.

RECOLECCION DISPOSICION FINAL

Agua Residual CrudaEmisor

Emisor

Cmara de Bombeo deDesague

Lnea de Impulsin

Area de Drenaje 2Parte Baja

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CLASE 01


La cmara de bombeo de

desage

Sistemas deAlcantarillado Sanitario

Funcin Primaria:

Drenaje de aguas servidas para propsitos detratamiento deshecho

Componentes primarios:

Tuberas a gravedad

Tuberas a presin

Cmaras y estructuras de registro

Estaciones de bombeo

CONDUIT

PRESSURE PIPE

MANHOLE

Componentes primarios:

Tuberas a gravedad

Cmaras y estructuras de registro

OUTLET ------------- OUTFALL

Estaciones de bombeo

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CLASE 01


TIPOS DE REDES DE ALCANTARILLADO

SISTEMA UNITARIO SISTEMA SEPARADO

Colectores querecolectan aguas

negras y aguas delluvias, en forma

conjunta

Recoleccin aguasnegras

Recoleccin de aguasde lluvias

Realiza un anlisis netamente

hidrolgico.

, ,alcantarillas, estructuras de

registro, laguna de

ponderacin.Programa que hace anlisisde redes agua

No disea Solo se puede hacer

anlisis dinmico.

Si disea Solo se puede hacer

anlisis esttico.

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CLASE 01


Redes de AlcantarilladoCOMPONENTES

A) Tuberas a gravedad.

Redes Primarias >= 350 mm, redes secundarias =

200, 250 y 300 mm

Colectores, Interceptores y Emisores

B) Tuberas a presin.

Lneas de impulsin, sifones invertidos, Lneas de

conduccin de agua negra pre tratada

C) Cmaras y estructuras de registro.

Buzones de inspeccin, cambio de direccin

D) Cmaras de Bombeo de Desages. (Cmara hmeda y

cmara seca)

Elementos del sistema

Gravedad

Tuberas

Cmaras de registro

Presin

Cmara hmeda

Tuberas a presin

Estructuras de unin Uniones de presin

DISEO

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CLASE 01


Redes de AlcantarilladoCOMPONENTES

Sistemas de gravedad diseados para trabajar parcialmente llenos:

Minimizan el riesgo de flujo saliente.

Las aguas residuales estn en un estado aerbico.

Las cmaras de registro permiten el acceso para mantenimiento.

,

Se disean para fluir entre y llenas.

CONSTRUCCIN DEL MODELO

La red es representada como conexiones y nodos.

Modelos dePlaneamiento y Diseo

Modelos de Operacin

Una conexin tiene nodo en cada extremo

Nodos (Nodes): buzones, cmaras hmedas y uniones a presin

Conexiones (Links): Tubera a gravedad y tuberas a presin

Nodo NodoTubera

Bombas son conexiones, pero se comportan como nodos

en los modelos de simulacin.

Elementos del ModeloElevacin cubierta

Elevacin terreno

Rim Elevation

Ground Elevation

Rim Elevation

Cota batea (llegada)

Cota corona (salida)

Cota de fondo

Invert Elevation

Crown Elevation

Sump Elevation

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CLASE 01


Aguas ArribaUP STREAM

Aguas AbajoDOWN STREAM

COTA DE TERRENOCOTA DE TERRENO(GROUND ELEVATION)(GROUND ELEVATION)

Recubrimiento

COTA FONDOCOTA FONDOSUMP ELEVATIONSUMP ELEVATION

UPSTREAM CROWNELEVATION

UPSTREAM INVERTELEVATION

DOWNSTREAM CROWNELEVATION

DOWNSTREAM INVERTELEVATION

Aplicaciones del anlisis ysimulacin de redes:

Conocer el comportamiento de los sistemas de recoleccin.

Diseo de nuevos sistemas.

Evaluacin de la capacidad de conduccin de la red existente.

Uso eficiente y/o reforzamiento de las redes existentes.

El planeamiento contingente. Solucin de las redes para diferentes

escenarios y alternativas.

El diseo de una red de Alcantarillado, consiste en estimar las dimensiones

del conducto, teniendo presente, restricciones (Velocidad, pendiente,

cociente y/D, cobertura, etc.) y econmicas.

ANLISIS DE FLUJO EN ESTADO ESTTICO - ANLISISESTTICO

En este tipo de anlisis de flujo permanente se conoce los dimetros de

todos los tramos de la red y las descargas en los buzones, y se busca lascaractersticas hidrulicas del sistema en un momento determinado. El

Diseo de la red se realizaen Estado Esttico.

ANLISIS DE FLUJO DE PERIODOS EXTENDIDOS -ANLISIS DINMICO - SIMULACIN CONTINUA -SIMULACIN EN EL TIEMPO.

En una red de alcantarillado la descarga vara durante el da, y con ello

los caudales en los colectores, en la cmara hmeda y la operacin de la

bomba y se busca las caractersticas hidrulicas de la red para diferentes

instantes del da (Ejemplo cada hora).

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CLASE 01


Plataforma SewerCAD1. STAND ALONE2. FOR AUTOCAD

HAESTADMETHODS2004.4. FOR MICROSTATION

2004

SewerCAD Stand Alone

SewerCAD for AutoCAD

SewerCAD for MicroStation

SewerGEMS (Arc GIS)

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CLASE 01


GENERACIN DE PERFILES Y REPORTES

Repaso de Hidrulica

Tipos de Flujo

Flujo en canales abiertos

Flujo con superficie expuesta a la atmsfera

Presin o flujo en la tubera

Flujo en una conduccin cerrada a presin

- - CULVET MASTER

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CLASE 01


Clasificaciones de Flujo Flujo esttico

Propiedades no varan con el tiempo en un punto Flujo inestable

Propiedades var an en el tiempo en un punto

Uniforme

Propiedades del flujo no varan en el espacio

No-uniforme

Propiedades del flujo varan en el espacio

Continuidad en canales abiertos

Ecuacin de continuidad (Flujo estable)

,

Donde:Q = caudal

V = velocidad promedio

A = rea

Conservacin de masa

Q in Q out = Velocidad almacenamiento

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CLASE 01


Conservacin demomentum

Segunda ley de Newton

la suma de las fuerzas externas actuando sobre

el mismo.

Conservacinde momentum

Para el flujo en la direccin x:

Fuerzas aplicadas:

Presin

Gravedad (peso)

Fuerzas de friccin a travs del fluido / l imites del canal

Conservacin de Energa

Energa tpicamente

expresada como cargaQ

D

P2 /

hfV2/2g

P1 /

3 formas de energa:

Energa Potencial (z)

Energa de Presin (P / )

Energa Cintica (v2 /2g)

DATUM

Z1 Z2

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CLASE 01


GRADIENTE HIDRULICO(HGL)

Ecuacin de Bernoulli

Energa Potencial (z)

Energa de Presin (P / )

Energa Cintica (v2 /2g)

2 21 1 2 2

1 2 f

P v P vz z h

Y 2g Y 2g+ + = + + +

Ecuacin de Bernoullipara canales abiertos

Presin

expresada entrminos de

rofundidad dey1

y2Q

v12/ 2g

v22/ 2g

flujo (y)

z1 z2DATUM

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CLASE 01


Lneas de energa

QD

P2 /

hfV2/2g

P1 /

Lnea de energa

EGL = y+ z + v2

2gLnea de Gradiente Hidrulico

HGL = y + z

DATUM

Z1 Z2

Prdidas de carga porfriccin

Perdidas por friccin ocurren por la

conversin de energa mecnica en

energa trmica, disipada por laparedes de las tuberas

Ecuaciones de prdidasde carga por friccin

Darcy Weisbachhf= f L v2

D 2g

ManningQ = k A R 2/3 S 1/2

n

k = 1.0 (SI) o 1.49 (US)

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CLASE 01


Ecuacin de Manning

Muy usada en flujo uniforme en canales abiertos

Q = 1 A R2/3

S1/2

n

=

Donde:Q es el caudal

R es el radio hidrulicoS es la pendiente de fondo del canaln es el coeficiente de rugosidad

Alcantarillados

Estimando el factor derugosidad de Manning

Rugosidad de superficie

Vegetacin

Irregularidad del canal

Alineacin del canal

Obstrucciones Tamao y forma del canal

Plataforma y descarga

Enarenado y socavamiento

Coeficientes de rugosidad

Los valores deru osidad se

encuentran entextos de

mecnica defluidos

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CLASE 01


Prdidas Menores

Causadas por aceleracin, desaceleracin,cambio en la direccin, cambio en rea

transversal de flujo, etc.

hM = KM v2

2g

KM = coeficiente de prdida decarga menor

Coeficientes de prdida menor

Rango de valores entre 0.5 a 1.0

Mtodos de clculo prdidas en estructuras

Absoluto (definido por el usuario)

Estndar Genrico

HEC-22 Energa

AASHTO

Energa Especifica

Energa total en unpunto con respecto

al fondo del canal

E = y + v2

2g

E

y

Q = cte

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CLASE 01


Nmero de Froude

Parmetro adimensional utilizado para clasificarflujo en canales abiertos. Utilizado para

determinar la profundidad crtica.

Para canales rectangulares:

F = v

(gy)1/2

Profundidad Crtica

Yc ocurre donde la energa especfica es mnimay el nmero de Froude es igual a 1

Para canales rectangulares:

Yc = ( q2)1/3

g

Donde: q = Q / w

Energa Especifica

y

EQ = cte

Emin

yc F = 1 F > 1

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CLASE 01


Clasificacin de flujo

F < 1 flujo subcrtico

F = 1 flujo crtico

F > 1 flujo supercrtico

El flujo subcrtico es profundo y se muevedespacio, y el flujo supercrtico es superficialy se desplaza rpido

Flujo Uniforme

No acelerado. No hay un desbalance enfuerzas aplicadas

El flujo uniforme requiere un canal prismtico,con una seccin transversal, rugosidad ypendiente longitudinal constantes.

Cuando el flujo es uniforme, las lneas de

corriente son paralelas y la distribucin depresin es hidrosttica.

Profundidad Normal

Es la profundidad de flujo uniforme. Sedetermina usando la ecuacin de Manning.

para clasificar flujos y canales.

yn > yc Subcrtico

yc > yn Supercrtico

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CLASE 01


Flujo No Uniforme

Varia en profundidad a lo largo del tramo.

y(x)

Q

Mayora de flujos son nouniformes

Los canales generalmente no son prismticos...

Estructuras de registro

Cambios de seccin

Dimetro variable

Direccin de flujo Influencia de un control

Nivel elevado de descarga

Descenso nivel de agua en un rebosadero

Control

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CLASE 01


Clasificacin de Canales

Los canales se clasifican con una letra y un

nmero dependiendo de los siguientes factores...

1. Tipos de pendiente

(M) Suaves, si yn > yc

(S) Abruptas, si yn < yc

(C) Criticas, si yn = yc

(H) Horizontales

(A) Adversas

2. Zonas donde y(x) pueden ocurrir

Zona 1

y(x) > yn

Clasificacin de Canales

Zona 2

Zona 3

yn

yc

yn > y(x) > yc

yc > y(x)

Perfiles de Canales Suaves

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Perfiles de Canales Abruptos

Perfiles de Canales Crticos

Perfiles de Canales Horizontales

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CLASE 01

INSTITUTO DE LA CONSTRUCCION Y GERENCIA ICG

Anlisis del perfil del Flujo

Se utiliza paradeterminar la lnea de

gradiente hidrulico

y(x)

Q

Los clculos incluyen

resolver lasecuaciones deenerga en puntos

diferentes a lo largodel perfil

z1

y2

z2DATUM

x

Mtodos de Solucin Mtodo Directo (utilizado por SewerCAD)

Solucin explicita de la ecuacin de energa

Resuelve x basados en valores de y

es ecificados

Mtodo Estndar

Solucin numrica iterativa de la ecuacin de

energa

Implica resolver y para valores de x

especificados.

CONCLUSIN

Los clculos manuales o semi-manuales sondifciles y consumen gran cantidad de tiempo.

La modelacin hace que la ingeniera puedaser mas detallada, gil y que la gestin de los

sistemas sea mas fcil y eficiente.

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