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Modelacin y Diseo de Redes de Alcantarillado Sanitario
SewerCAD SewerGEMS Sanitary v8iIng. Carlos Vidal Valenzuela
CLASE 01
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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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