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• Leon Chavez Joselin

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Jacinto Rojas Alvarez Ingeniero Civil

MIS APUNTES DE CLASES ……………………………………………………………………………………………………

SISTEMAS DE AGUA POTABLE SISTEMAS A GRAVEDAD.- Aquellos que utilizan el desnivel existente desde la fuente hasta el área de servicio, para conducir el agua. 1. CAPTACIÓN.conjunto de obras que permiten recoger el agua en su estado natural desde la fuente. a. AGUAS SUPERFICIALES.Aquellas que corren libremente por la superficie del suelo en el momento de ser utilizadas: ríos, lagos, acequias. b. VERTIENTES.Las vertientes o manantiales, son aguas subterráneas que afloran o brotan a la superficie del suelo.

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c. GALERIA DE INFILTRACION.- Es una estructura que sirve para captar el agua subterránea que está próxima a la superficie y que aflora en varios puntos. 2. DESARENADOR.- Estructura que permite retener el material grueso y en especial las arenas que ingresan al sistema. 3. CONDUCCIÓN.- Conjunto de elementos que permiten transportar el agua desde la captación hacia el tratamiento. 4. TRATAMIENTO.- Conjunto de unidades que cumplen procesos específicos para potabilizar el agua. a. AERACION.Proceso físico que permite la incorporación de oxígeno en el agua, así como la eliminación de gases no deseables. b. SEDIMENTACIÓN.- Proceso para que se produzca el asentamiento y separación de partículas que se encuentran suspendidas en el agua. c. PRE-FILTRACION.- Proceso para disminuir la turbiedad del agua, hasta un nivel permitido para pasar sin problemas a la siguiente unidad (filtro lento).

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d. FILTRACION.Es la retención de partículas y micro-organismos que no fueron separados y eliminados en los procesos anteriores. Este proceso utiliza un medio filtrante, compuesto principalmente por arenas. e. DESINFECCION.- Consiste en la aplicación directa de productos adecuados con la finalidad de eliminar los micro-organismos y agentes infecciosos. 5. RESERVA.Estructura para almacenar agua en las horas de menor consumo, con el fin de equilibrar el gasto en las horas de mayor demanda y casos de emergencia. 6. DISTRIBUCION. Es el conjunto de tuberías, válvulas y accesorios instalados en las calles de la población que permiten llevar el agua potable desde la unidad de tratamiento. 7. CONEXIONES DOMICILIARIAS.- Conjunto de elementos (tuberías, accesorios y/o medidor que entregan el agua al consumidor desde la red de distribución.

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CONDUCCIÓN DE AGUA. Línea de Conducción o simplemente conducción es el conjunto que une la estructura de toma o captación con la planta de tratamiento o tanque de almacenamiento. Si existe desarenador, la línea de conducción es la tubería que une esta estructura con el tanque o planta de tratamiento. Las captaciones pueden ser pozos, fuentes o estructuras especiales para recoger aguas de embalses, lagos o ríos. 

Si la fuente está muy distante de la ciudad, entonces para conducir el agua se requiere: un canal abierto, un acueducto o una tubería.

CANAL ABIERTO.- Se utilizan accidentalmente para conducir el agua desde el origen hasta la instalación de elevación o de tratamiento.

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Ventajas: Desventajas:

Se pueden usar materiales baratos. Menor costo de construcción. Se produce perdida de agua por filtración y evaporación. Existe peligro de contaminación. Ganado, roedores, y raíces de árboles pueden causar daños.

Secciones transversales: Semicirculares, Trapecial. ACUEDUCTOS.- Son conducciones cerradas de mampostería construidas en el terreno Tipos  Con desmonte y cubierta siguiendo el gradiente hidráulico.  Con desmonte y cubierta por debajo del gradiente hidráulico, o sea, bajo presión.  Túnel siguiendo gradiente hidráulico  Túnel debajo del gradiente hidráulico, o sea bajo presión.

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TUBERIAS.-Es una variante del acueducto; son conductos fabricados en cualquier sitio, usualmente fuera del trabajo. Ventajas del acueducto de mampostería  Uso de materiales locales: arena, grava, etc.  Mayor duración que ciertos tipos de tuberías.  Mantiene su capacidad de conducción con el tiempo  Menor costo inicial  Bajo costo de conservación Desventajas de los acueductos  Desde el inicio deben construirse de amplias dimensiones. Las tuberías pueden instalarse de pequeños diámetros y posteriormente para aumentar la capacidad se pueden instalar nuevas tuberías en paralelo  Deben adaptarse a la superficie del terreno, por lo que a veces se requiere terraplenes antiestéticos.

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CAPTACIONES. Consisten en un orificio o rejilla, por la cual entra el agua, la misma que por una conducción pasa por gravedad a un pozo sumidero, desde la cual se elevan hasta las tuberías maestras o a la unidad de tratamiento. Tienen una importancia primordial 

Cuando no hay certeza que se pueda prestar un servicio continuo las captaciones deben duplicarse.

CONSIDERACIONES PARA PROYECTAR Y UBICAR LAS CAPTACIONES   

Origen del suministro: Embalse, lago o río. (Analizar las variaciones del nivel del agua) Características de los alrededores: altura de agua, efectos de las corrientes, posibilidades de socavacion, propiedades del fondo, exigencia de navegación. Ubicación con respecto a los focos de polución.

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

Factibilidad de eliminación de cuerpos flotantes, troncos, vegetación.

CAPTACION DE EMBALSES  El agua de los embalses puede variar de calidad a distintos niveles. Es aconsejable realizar la captación de agua a pocos decímetros de la superficie.  Debido a las variaciones del nivel del agua, resulta conveniente disponer aberturas a varias alturas. Si la presa es de tierra, la toma se realiza mediante una torre de hormigón situada en aguas profundas junto al pie de la presa y aguas arriba de ellas.  Para manipular las compuertas se construye una pasarela.  Si la presa es de mampostería, la toma puede ser un pozo perforado en la propia estructura.

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RED DE DISTRIBUCION. Breve reseña histórica.

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     

El transporte de agua para satisfacer las necesidades de una comunidad es una práctica muy antigua. Civilizaciones muy antiguas transportaban el agua en canales abiertos. El primer sistema de transporte de agua con conductos circulares cerrados data del año 1.500 A.C. en la isla Creta en Grecia. Arquímedes desarrolla las primeras leyes de la mecánica de fluidos 250 años A.C. El acueducto romano que transporta agua desde grandes distancias se construye aproximadamente 100 años D.C. Por esta época se publican los primeros libros sobre sistemas de abastecimientos de agua. La tubería de hierro aparece en Alemania en 1.455.

Adelantos científicos.

Bases de la Hidráulica



Medición de la velocidad del flujo (por PITOT-1732).



Principios de las leyes de la energía aplicados a sistemas

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 

hidráulicos (por BERNOULLI-1738). Ecuación de la energía (Por EULER-1752). Primer acueducto en Pennsylvania, Estados Unidos-1754).

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Bases para Modelación matemática del flujo en tuberías

Ecuación de la cantidad de movimiento (por VENANT-1843) Primer desarrollo de la Ecuación de la pérdida de energía (por DARCY-WEISBACH-1845). Fórmula empírica para el cálculo de pérdida de energía (por HAZEN-WILLIAMS-1906) Primeras ecuaciones para el análisis de redes de distribución (por HARDY CROSS-1936).

   Análisis de redes por computador



Desarrollo de primeros computadores (1950) Primeros modelos digitales para solución de redes de tuberías (1960-1970) Surgen varios métodos de análisis de redes por computador: Método del gradiente por E. Todini y S. Pilati-1988. Los resultados dependen de la calidad de los datos de entrada y del análisis del Ingeniero al relacionar los aspectos técnicos, económicos y sociales.

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… RED DE DISTRIBUCION.

La red de distribución se define como el conjunto de tuberías cuya función es suministrar el agua potable a los consumidores de una localidad en condiciones de cantidad y calidad aceptables. La unión entre el tanque de almacenamiento y la red de distribución se hace mediante una conducción denominada “LINEA MATRIZ”.

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Reserva

Línea Matriz

Red de distribución El diseño de la línea matriz depende de las condiciones de operación de la red, tales como: trazado, caudal, presión de servicio. Por tratarse generalmente de

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una conducción a gravedad los criterios de cálculo deben considerar esta situación.

CONFORMACION DE LA RED DE DISTRIBUCION

   

Red principal o matriz. Red secundaria Red terciaria o menor Conexión domiciliaria.

RED PRINCIPAL O MATRIZ.- Es el conjunto de tuberías con diámetros mayor o igual a 12” (300 mm) encargadas de distribuir el agua en las diferentes zonas de la población; sobre ella se deben garantizar los caudales y presiones. En esta red matriz no deben instalarse guías domiciliarias.

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RED SECUNDARIA.- Es el conjunto de tuberías con diámetros menores de 12” pero mayor o igual a 4” (100 mm). Estas se abastecen de la red principal y alimentan a las redes terciarias. No deben instalarse guías domiciliarias excepto el caso de grandes consumidores con conexiones superiores a 3” (75 mm). RED TERCIARIA O MENOR.- Es alimentada por la red secundaria y es la que sirve para la instalación de las guías domiciliarias. Sus diámetros usuales son menores de o iguales a 3”; el diámetro mínimo depende del uso del agua (doméstico, comercial o industrial), pero nunca debe ser menor de 1 ½”. CONEXIÓN DOMICILIARIA.- Es aquella instalación que se hace desde la red terciaria hasta cada predio. Los diámetros dependen del tipo de usuario y van de ½” a 3”. Usualmente, para viviendas el diámetro es ½”.

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

En poblaciones pequeñas ( menor de 60.000 hbts), generalmente no hay diámetros mayores de 12”; es decir, NO HAY RED PRINCIPAL O MATRIZ. La Red secundaria hace las veces de Red Principal.

Materiales para tuberías

     

Acero Asbesto-cemento Concreto Hierro Polivinilo de cloruro P.V.C. Polietileno de alta o baja densidad.

o El diámetro empleado en los cálculos hidráulicos se refiere al diámetro interno real.

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TRAZADO DE LA RED. Se requiere conocer:  Características topográficas presentes y futuras, perímetro urbano.  Infraestructura vial.  Áreas de desarrollo  Cursos de agua  Localización de servicios públicos: Alcantarillados, sistemas eléctricos, telefónicos.  Características geológicas: ubicación de zonas de falla, de deslizamiento.  Grado sísmico de la zona.  Ubicación de zonas propensas a inundación.

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…TRAZADO DE LA RED.

Configuración hidráulica del sistema

  

Redes abiertas Redes cerradas Redes mixtas

TRAZADOS TIPICOS. 1.-

RED DE MAYOR A MENOR DIÁMETRO.

RED PRINCIPAL

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  2.-

Consiste en una tubería principal de mayor a menor diámetro para poblaciones pequeñas de una calle principal. Tipo de Cálculo: Red Abierta.

RED EN ARBOL.

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RED PRINCIPAL RED SECUNDARIA

 

Consiste en un tronco principal con varias ramificaciones. Tipo de cálculo: Red abierta.

…TRAZADO DE LA RED.

3.-

RED EN PARRILLA.

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 

4.-

Consiste en colocar una malla en el centro de la población y de ella se desprenden varios ramales. Tipo de cálculo: Mixto. o Malla central: red cerrada o Otras tuberías: red abierta (ramales). RED EN MALLAS.

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  

Consiste en colocar la red principal formando una gran malla con varios circuitos cerrados; las demás tuberías forman la red secundaria. Es la forma más usual del trazado de redes de distribución. Tipo de cálculo: red cerrada.

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…TRAZADO DE LA RED.

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R.ED CERRADA

RED DE DISTRIBUCION

RED ABIERTA

MEJOR DISTRIBUCION DE PRESIONES Y CAUDALES MENORES VELOCIDADES FACILIDAD DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.

SE APLICAN EN ZONAS RURALES O POBLACIONES DE BAJA DENSIDAD, POR RAZONES FISICAS O ECONOMICAS. BAJA DENSIDAD: < 30 h/Ha.

RED PRINCIPAL O MATRIZ

USUALMENTE SON TUBERIAS LONGITUDINALES O ABIERTAS.. EN GRANDES SISTEMAS PUEDEN SER REDES CERRADAS. EL TRAZADO SE HACE CONSIDERANDO LOS PUNTOS DE DISTRIBUCIÓN Y DE MAYOR CONSUMO.

DELIMITACION DE LOS CIRCUITOS CERRADOS: RED Sí el área es mayor de 1 Km2, las MISdistancias APUNTES DEparalelas CLASES SECUNDARIA entre tuberías …………………………………………………………………………………………………… es mayor de 250 m. Jacinto Rojas Alvarez Ingeniero Civil

RED TERCIARIA

SON LAS MALLAS AL CERRAR CADA MANZANA. SE RECOMIENDA HACER UN TRAZADO DOBLE PARA CALLES DE MAS DE 15 M. O DE TRAFICO INTENSO.

ZONAS DE PRESION.  

El nivel máximo en el tanque de almacenamiento debe fijarse correctamente para el adecuado funcionamiento de la red de distribución. En poblaciones con grandes desniveles hay que subdividir la red en varias zonas de presión, tomando en cuenta las exigencias de presión máxima y de presión mínima.

En puntos BAJOS:

Las presiones no deben ser excesivamente altas.

En puntos ALTOS:

Las presiones no deben ser muy bajas.

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Presión Premínima Presión mínima en zona aPreplta en zona alta

Usuario más alto

Presión máxima en zona baja.

Usuario mas bajo

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Presiones máximas y mínimas. CPmax = CCmin + Pmax CPmin = CCmax + Pmin Donde: CPmax: Cota piezométrica máxima CPmin: Cota piezométrica mínima CCmax: Cota clave de la tubería del punto más alto CCmín: Cota clave de la tubería del punto más bajo Pmax: Presión máxima Pmin: Presión mínima.

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EJEMPLO 1 Supóngase que el usuario del punto más bajo está en la cota 100 y no puede tener presiones superiores a 35 m.c.a.; el usuario del punto más alto se encuentra en la cota 160 y debe tener presiones superiores a 15 m.c.a. Determine las cotas de los puntos necesarios para analizar las zonas de presión-

Pmin =15 m 160

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Presión máxima en zona baja. = 35 m

100



Con las presiones máximas y mínimas no se satisfacen simultáneamente las presiones de los dos sectores; por lo que en estos casos los usuarios deben ser abastecidos por zonas de presión diferentes.

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



Cada zona debe contar con un tanque de almacenamiento que determine la cota piezométrica estática máxima y entre el límite de dos zonas se debe colocar una válvula reductora de presión, cuya función es reducir la presión aguas abajo a un valor apropiado, según las zonas de presión. El tanque de almacenamiento garantiza la presión máxima y las válvulas reductoras de presión garantizan la presión mínima aguas abajo.

CAUDAL DE DISEÑO DE LAS REDES DE DISTRIBUCION.

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El caudal de diseño usualmente corresponde al caudal máximo horario. Qmaximo horario = Qmedio diario x K2 K1 y

K2

:

Factores de mayoración de Qmedio diario

Población

K1

Menos de 12.500 hbts Igual o más de 12.500 hbts

1,30 1,20

Población

K2

Menos de 5.000 hbts

1,80

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De 5.000 a 20.000 hbts Más de 20.000 hbts



1,65 1,50

En casos de ciudades intermedias hay que considerar adicionalmente el caudal de incendio.

VOLUMEN PARA ATENCION DE INCENDIOS.  

En poblaciones pequeñas es innecesario y antieconómico prever un volumen adicional por necesidades de incendios; en caso necesario se debe justificar. El caudal de incendio requerido (m3/s), se determina aplicando la sgte fórmula: 3,86 P P Qi = --------- √-------------  1 - 0,01√ ----------

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60 Qi: P:

1.000

1.000

caudal de incendio requerido (m3/s) Población (número de hbts). 

Se estima que un incendio es atendido en 2 horas.

Volumen de incendio: Vi = Qi x t

El Volumen de incendio también puede determinarse a partir del caudal de un hidrante y la estimación del número de hidrantes que atenderán la emergencia durante 2 horas. (ver tabla de demanda contra incendios).

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TABLA:

Demanda contra incendios.

Población

Número de hidrantes en uso simultáneo

(hbts)

zona residencial de Alta densidad, Comercial –ind.

12.500 – 20.000 20.000 - 60.000 60.000 – 100.000 Más de 100.000

1 3 3 4

zona unifamiliar baja densidad 1 1 2 2

caudal por hidrante l/s 5 5 5 10

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HIDRANTE.- Es el accesorio utilizado para obtener el caudal de agua a la presión requerida, con el fin de atender un incendio. Cada hidrante lleva una válvula de corte para aislarlo de la red de distribución.  Diámetro mínimo del hidrante: 3”  Distancia máxima entre hidrantes: 300 m.  En zonas residenciales de alta densidad, comerciales o industriales el diámetro mínimo es 4”. En zonas de alto valor comercial la distancia máxima entre hidrantes es 100 m y en zonas de edificios multifamiliares es 150 m.  Para la ubicación de los hidrantes debe darse importancia para la protección a hospitales, escuelas, colegios o edificios públicos.

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EJEMPLO DE DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCION. Condiciones de Diseño.  Periodo de diseño = 20 años.  Población de diseño = 7.850 hbts.  Dotación media futura: 250 l/h.d

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     

Caudal medio diario = l/s. Incluir sistema contra incendio: Considere la instalación de 2 hidrantes. Presión mínima de servicio: La correspondiente a edificios de 3 pisos. Cota del nivel mínimo de agua en el tanque de almacenamiento = 61,90 Cota del nivel máximo de agua en el tanque de almacenamiento = 63,80. Profundidad de la tubería = 1,00 m.

Caudal de diseño (Qd). Qmaximo horario = Qmedio diario x K2 Según Normas del IEOS, para poblaciones mayores de 1.000 habitantes: K1 = (1,3 – 1,5); y el caudal máximo horario está entre (2 a 2,3) del caudal medio diario.

Qmaximo horario = 22,71 x 2.15

Qmaximo horario = 48,84 l/s

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Caudal de incendio:

Qi = Número de hid. x Qhid Qhid: caudal de cada hidrante (ver tabla) Qi = 2 x 5 l/s

Qd =

Qmaximo horario + Qi

Qi = 10 l/s. Qd = 58,80 l/s

Presión de diseño. Se debe disponer de un plano topográfico (curvas de nivel), considerar las presiones máximas y mínimas en los puntos más altos y más bajos y analizar si es o no necesario dividir la red en zonas de presión. 

Según el número de pisos de los edificios se selecciona la presión mínima de servicio. TABLA: PRESION MINIMA DE SERVICIO

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Número de pisos

Presión mínima m.c.a.

1 11 2 15 3 18 4 22 5 25 En nuestro ejemplo, para 3 pisos corresponde Pmin = 18 m.c.a. Presión máxima en punto más bajo: Presión Max (PB) = Cota Piezom Max - Cota Clave Min Presión mínima en punto más bajo: Presión Min (PB) = Cota Piezom Min - Cota Clave Min Presión máxima en el punto más alto: Presión Max (PA) = Cota Piezom Max - Cota Clave Max Presión mínima en el punto más alto: Presión Min (PA) = Cota Piezom Min - Cota Clave Max La Norma del IEOS, para poblaciones > 1.000hbtes, establece mínimo 10 m de columna de agua en los puntos y condiciones más desfavorables de la red. Para el

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caso de proyectos en lo que el abastecimiento se realiza a través de grifos públicos, esta presión se puede reducir a 5 m.

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1

43,55/ 42,55

2

42,60/ 41,60

3

42,71 / 41,71

4

41,51 / 40,51

100 m

5

41,88 / 40,88

100 m Jacinto Rojas Alvarez Ingeniero Civil

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Presión máxima y mínima en punto más bajo: Pmax = 63,80 – 40,51 = 23,29 m.c.a. Pmin = 61,90 - 40,51 = 21,39 m.c.a. Presión máxima y mínima en punto más alto. Pmax = 63,80 – 42,55 = 21, 25 m.c.a. Pmin = 61,90 – 42,55 = 19,35 m.c.a. Como las presiones máximas y mínimas en el punto más alto y más bajo son satisfactorias, no hay necesidad de dividir la red en zonas de presión. Diseño de la línea matriz.

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n. max: 63,80 n. min: 61,90

H RESERVORIO L = 200 m. Pmin = 18 m

1

42,55

RED DE DISTRIBUCION

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En este caso la tubería matriz trabaja a gravedad. Condiciones de diseño: Qd = 58,80 l/s Material de la tubería: PVC Longitud de la tubería matriz: L = 200 m. Cota en el punto de entrada:

42,55.

Carga hidráulica disponible: H = 61,90 - 60,55 = 1,35 m. Pérdida de carga unitaria: J = H/L J = 1,35 m / 200 m.

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Utilizar formula de Hazen Williams y calcular el diámetro.

SECTORIZACION DE LA RED La sectorización consiste en el aislamiento de una zona y su abastecimiento a través de un punto de entrada de agua al sector. Dependiendo del tamaño de la población, un sector puede ser subdividido en otro sector y así sucesivamente. Una red sectorizada permite:    

Evaluar y controlar las pérdidas técnicas y comerciales. Facilitar las labores de operación y mantenimiento general del sistema. Conformar diferentes zonas de presión. Instalar macro-medidores a la entrada y salida (si hay).

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

Facilitar la detección de fugas, conexiones clandestinas y pérdidas

ESPECIFICACIONES DE DISEÑO Periodo de diseño.  El periodo de diseño de las redes de distribución depende de las características de tamaño de la población y de la capacidad económica del municipio o gobierno para ejecutar la obra.  Las redes de mayor tamaño, deben cumplir su función de suministrar el caudal adecuado, a una presión adecuada y por un mayor número de años que una red menor, ya que su cambio o refuerzo implica grandes inconvenientes técnicos, administrativos y afectación importante del diario vivir de la comunidad.  El crecimiento de la red de distribución debe ser de acuerdo a la planificación de desarrollo de la comunidad, por lo que la red futura se puede planificar por etapas de desarrollo. El periodo de expansión por etapas es

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aproximadamente diez años, aunque puede ser menor, dependiendo de diversos factores: económicos, administrativos, etc. El periodo de diseño recomendado para diversos tipos de redes es: RED MATRIZ O PRINCIPAL.- Para tuberías con diámetro superior o igual a 12” el periodo de diseño final está entre 20 y 30 años. RED SECUNDARIA.- Para redes entre diámetros de 4” a 12” el periodo de diseño se establece entre 15 y 25 años. RED TERCIARIA.- Para diámetros menores o igual a 3” el perido es de 15 a 20 años. Caudal de diseño. El caudal de diseño de las redes de distribución corresponde al caudal máximo horario; En algunos casos de ciudades intermedias se diseña con el mayor valor de caudal resultante de la comparación del caudal máximo horario, con el caudal de incendio más

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el caudal medio diario. En este último caso, el caudal de incendio se determina de acuerdo al número de hidrantes y su caudal unitario establecido (5 o 10 l/s. hidrante). Presiones extremas y de servicio La presión mínima en cualquier punto de la red, matriz o secundaria deber ser mayor a 10 m.c.a. En ciudades de gran tamaño (mayor de 60.000 habitantes) se puede exigir una presión mínima superior a 15 m.c.a. (referida al nivel mínimo de agua en el tanque de almacenamiento). La presión máxima para cualquier tamaño de comunidad es de 60 m.c.a. (referida al nivel máximo en el tanque de almacenamiento), en ningún caso debe sobrepasar la presión de servicio de la tubería, establecida según su clase y material. Se debe considerar la presión de servicio teniendo en cuenta las alturas de edificaciones permitidas por el municipio.

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Diseño y dimensionamiento de la red. Según normas del IEOS para poblaciones > de 1.000 hbtes: Las tuberías de la red serán dispuestas formando mallas, evitando, en todo lo posible, ramales abiertos. Cada circuito de la malla deberá tener, en lo posible, un perímetro entre 500 y 2.000 m En calles cuyo ancho sea mayor a 20 m o que tengan varias calzadas, se proveerá de 2 ramales de tuberías; el uno con un diámetro correspondiente al de los cálculos hidráulicos y el otro con un diámetro igual al de las tuberías de relleno. La localización de las tuberías principales y secundarias se hará en los costados norte y este de las calzadas Se diseñarán obras de protección cuando las tuberías deban cruzar ríos, quebradas, etc. Se ubicarán válvulas de aire en los puntos necesarios.

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Las tuberías de agua potable, deberán estar separadas de las de alcantarillado por lo menos 3 m horizontalmente y 0,30 m verticalmente, entre sus superficies exteriores. Cuando sea imposible cumplir con las exigencias de distancias mínimas, se debe revestir exteriormente las tuberías de A.P. a lo largo de la zona del problema. Se tomarán todas las precauciones necesarias para impedir conexiones cruzadas y flujo inverso. Se deben utilizar anclajes en todos los puntos en los que haya un desequilibrio de fuerzas. En Colombia, se establecen los siguientes diámetros mínimos para la red de distribución. DIAMETROS MÍNIMOS EN LA RED DE DISTRIBUCION (RAS–2.000, COLOMBIA)

POBLACION (habitantes)

Ømin RED MATRIZ

Ømin RED MENOR

OBSERVACION

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< 2.500 2.500 – 12.500 12.500 – 60.000

2 ½” (64 mm) 4” (100 mm) 6” (150 mm)

1 ½” (38 mm) 2” (50 mm) 4” (100 mm)

> 60.000

12” (300 mm)

2 ½” (64 mm) 6” (150 mm) 3” (75 mm)

Zona comercial e industrial Zona residencial Zona comercial e industrial Zona residencial

Velocidad de diseño. Por lo general, se debe diseñar con velocidades que estén comprendidas entre 0,90 y 1,50 m/s. En zonas rurales se es más flexible y se puede diseñar con velocidades entre 0,40 y 2,50 m/s. La norma del IEOS, para poblaciones mayores de 1.000 hbtes establece:

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La velocidad dentro de las tuberías deberá, en lo posible, mantenerse alrededor de 1,50 m/s. Profundidad de las tuberías La profundidad mínima de las tuberías en la red de distribución debe ser de 1,0 m, medido desde la rasante hasta la cota externa superior de la tubería. En algunos casos puede reducirse hasta 0,60 m, teniendo en cuenta que si hay tráfico vehicular, es necesario hacer un análisis estructural de la tubería. La profundidad máxima es normalmente de 1,50 m. La norma del IEOS, para poblaciones mayores de 1.000 hbtes establece: Las tuberías deberán estar instaladas a una profundidad mínima de 1,00 m. sobre la corona del tubo.

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Pendiente de la tubería La pendiente mínima recomendada es: 0,04 %, cuando el aire se desplaza en la misma dirección del agua. 0,1 %, cuando el aire se desplaza en dirección contraria a la del agua. Válvulas de corte. Se deben colocar válvulas de corte tipo compuerta o mariposa, a lo largo de la red, con el fin de aislar sectores en caso de reparaciones y seguir suministrando el agua al resto de la población. Válvulas de purga. Se deben colocar válvulas de purga en todos los puntos bajos de la red, descargando al sistema de alcantarillado.

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En tuberías principales, el diámetro de la purga se detyermina de acuerdo al tiempo de vaciado de la tubería; ejemplo para diámetros de 48” el tiempo de vaciado se estima en 10 horas. En redes menores el diámetro de la purga puede estar entre 1/3 y 1/4 del diámetro de la tubería de la red; mínimo 3”. Para tuberías menores de 3”, el diámetro de la purga debe ser igual al de la red. Válvulas de aire. Las válvulas de aire o ventosas deben instalarse en todos los puntos altos de la red para permitir la remoción de aire. En redes secundarias y terciarias usualmente son de 1” 0 2”. Válvulas reguladoras de presión.

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Son válvulas de control que permiten regular la presión aguas debajo de la misma, introduciendo una pérdida controlada e independiente del caudal que pasa a través de ella. Cálculo hidráulico de la red en malla En el caso de mallas cerradas, el equilibrio hidráulico de la red puede hacerse por los métodos tradicionales de cálculo manual como son el Hardy Cross y el Longitudes equivalentes. En la actualidad existen varios programas que permiten la modelación y optimización de redes combinadas (abiertas y cerradas): Water cad, Epanet, Civil Cad. Distribución de Caudales. Antes de iniciar la modelación de la red de distribución, es necesario determinar la demanda en cada uno de los nodos de la red; se puede obtener por el método de las áreas o el de longitud abastecida.

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Método de las áreas. El método consiste en determinar el área de influencia de cada nodo en donde se asume concentrado el caudal que ésta demanda. La demanda total del nudo se obtiene multiplicando el área por un caudal unitario (L/s. Ha); puede haber diferentes tipos de áreas aferentes al nodo, dependiendo del uso del agua y de la densidad de la población, produciéndose diferentes valores de caudales unitarios. El área aferente a cada uno se delimita trazando las mediatrices de los tramos que llegan al nodo.

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Demanda en nodos por el método de las áreas.

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Método de la longitud abastecida. Este método se aplica en el caso de redes pequeñas, relativamente simétricas y uniformes. Primero se determina un caudal unitario (L/s . Km). Se determina la longitud abastecida por cada tramo de la red (en base a una distribución lógica del flujo) Se multiplica el caudal unitario por la longitud abastecida de cada tramo, lo cual permite determinar la demanda en los nodos.

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Demanda en nodos por el método de longitud abastecida

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Método de Hardy Cross Primero se seleccionan (suponen), los caudales iniciales y los diámetros en los diferentes tramos de la red. Se corrigen, mediante un proceso iterativo, los caudales, de tal forma que el cierre de malla no exceda de 0,1 m.c.a. (diferencia de presiones entre un ramal y otro de la malla cerrada) En la figura, la pérdida de carga a través de los nodos 1,2,3,4 debe ser exactamente igual a la pérdida de carga ocurrida entre los nodos 1, 5,4. Al haberse supuesto los caudales iniciales, la diferencia de presiones seguramente será mayor que la permitida, por lo que deben hacerse las correcciones necesarias.

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1

2

3 + -

6

5

4

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Si se tiene una red con dos mallas, existirá un tramo común, al cual se deberá hacérsele doble corrección de caudales.

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Ecuaciones básicas utilizadas en el método de Cross. Fórmula de Hazen Williams. Q = 0,2785 C D 2,63 J 0,54. J = [ Q / ( 0,2785 C D 2,63) ] 1/0,54 n = 1/ 0,54 = 0,85 (Q + Δ Q ) n = Qn + n Q n – 1 Δ Q Δ Q = (-∑H ) / [ 1,85 x ∑ (H/Q)] Cuando la condición de cierre se cumpla, la malla estará equilibrada hidráulicamente y los caudales obtenidos serán los reales. Se deben verificar las presiones en cada uno de los nodos.

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También se debe verificar que se cumpla la norma en cuando a la velocidad en los tramos.

REDES DE AGUA POTABLE TIPO RAMIFICADO.

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Son redes de distribución constituidas por un ramal troncal y una serie de ramificaciones que terminan en puntos ciegos o en pequeñas mallas. (Corcho Romero Freddy 1993- Acueductos Teoría y Diseño). Este tipo de red se adapta por lo general a poblaciones donde por razones topográficas no es económico, ni técnico formar mallas. También se adaptan a las poblaciones que se desarrollan a lo largo de una vía o de un río. Ejemplo D 7

A (TE) C 50

B

40 30

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20

E G F 15

Esquema de red de distribución tipo ramificada. DATOS: Pdiseño: 800 h Dotación: 250 l/h.d Longitud total de la red

10

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Tramos AB BC CD BE EF FG Suma

Longitud (m) 100 85 70 150 105 50 560

Caudal medio diario, cmd = P x D/86400 cmd = 800 x 250 /86400;

cmd = 2,3 l/s

Caudal unitario por metro, qum = cmd/Lt; qum = 2,3/560

qum = 0,0041 l/s.m

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Caudal máximo horario por metro, CMHu = K2 qum = 2 x 0,0041 = Los cálculos de la red se registran en la siguiente planilla. tramos

L (m)

Caudal Medio l/s

Caudal l/s

Qdiseño l/s

Dcalc. m

Dcalc pulg

Dadop pulg

Dadop m

J m/m

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TANQUE DE ALMACENAMIENTO.  

El consumo de agua de la población no es constante, varía según la hora del día. El suministro es un caudal teóricamente constante (Caudal máximo diario).

Debido a que el consumo de agua varía, mientras que el suministro es constante, se hace necesaria la construcción de un TANQUE REGULADOR que satisfaga las demandas horarias.

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12 Almacenar agua, en los periodos en los cuales la demanda es menor que el suministro

FUNCION BASICA DEL TANQUE Proporcionar el agua requerida en los momentos que la demanda es mayor que el suministro.

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FUNCIONES ESPECÍFICAS DEL TANQUE

Compensar las variaciones de consumo durante las distintas horas. Reservar agua contra incendios. Reservar agua para casos de emergencias: reparaciones, cortes de energía eléctrica. Dar la presión adecuada a la red de distribución.

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Condición topográfica favorable

Superficiales Semi-enterrados Enterrados.

Condición topográfica desfavorable

Tanque de succión, sistema de bombeo; y, tanque elevado.

TIPOS DE TANQUES

…TANQUE DE ALMACENAMIENTO.

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TANQUES ENTERRADOS O SEMI-ENTERRADOS. Deben estar alejados de toda fuente de contaminación, tales como tuberías de alcantarillado sanitario, pozos sépticos, letrinas o sitios de disposición de basuras. (la distancia mínima será de 30m o 50m). Para reducir la posible contaminación puede construirse un sistema de drenaje perimetral. El material del tanque debe ser impermeable y estará protegido contra la posible corrosión causada por el agua. El diseño estructural del tanque debe permitir resistir los empujes hidrostáticos, empujes de tierra y flotación del mismo cuando éste se encuentre sin agua (vacío). La losa del fondo del tanque debe quedar mínimo a 50 cm. encima del nivel freático máximo. Los tanques pueden ser de forma cuadrada, rectangular o circular. La forma tiene mayor influencia en el diseño estructural y la cimentación.

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En teoría, la red de distribución resulta más económica si el tanque se localiza en el centro de gravedad de la población. Por razones de espacio, estética o seguridad esa ubicación casi nunca es posible. TANQUES DE DISTRIBUCION. Se denominan así a los tanques que se ubican antes de llegar a la población. TANQUES DE COMPENSACION. Estos se ubican en el extremo opuesto de la entrada de agua a la red de distribución.  Cuando el consumo es nulo la totalidad del agua llega al tanque de compensación a través de la red.  Cuando el consumo iguala al suministro, no entra ni sale agua del tanque de compensación; y,

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

Cuando el consumo es mayor que el suministro, se abastecerá a la población tanto por la línea directa como por el tanque de compensación.

TANQUE DE DISTRIBUCION TANQUE DE COMPENSACION

POBLACION

TANQUE ELEVADO.

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Por economía, se acostumbra instalar una sola tubería que sirve de entrada y salida del tanque elevado. En estos casos:  Si el suministro es mayor que el consumo, el agua sobrante subirá por la tubería para llenar el tanque elevado; y,  Si el suministro es menor que el consumo, el agua del tanque bajará por la misma tubería para compensar el déficit. Cuando la altura del tanque elevado representa un porcentaje considerable respecto de la altura total de bombeo y además el nivel del agua en el dicho tanque es muy variable, es conveniente instalar una tubería independiente para la entrada y otra para la salida. La entrada se hace por la parte superior

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DE TANQUE SUCCION

AL DESAGUE

X

X X

A RED

TANQUE ELEVADO CON UNA SOLA TUBERIA PARA ALIMENTACION Y SUMINISTRO

AL DESAGUE

X X DE T. SUCCION

X

X

A RED

TANQUE ELEVADO CON TUBERIA DE ALIMENTACION Y SUMINISTRO INDEPENDIENTES.

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NUMERO DE TANQUES Y PERIODO DE DISEÑO. El número de tanques debe establecerse con posterioridad al cálculo del volumen requerido para la regulación de la demanda de la población, la atención de incendios y el cumplimiento de la presión de diseño de la red de distribución.

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  

Generalmente es suficiente un solo tanque ubicado después de la planta de purificación. En ciudades grandes se debe disponer un mínimo de 2 tanques de almacenamiento. Para poblaciones pequeñas, el tanque puede ser de compartimiento sencillo, pero para ciudades intermedias y grandes será de compartimiento doble.

El número de tanques y el número de compartimientos depende del periodo de diseño, el cual será de 20 a 30 años.  El sistema puede desarrollarse por etapas; en cada etapa se incrementa el número de compartimientos o si la presión así lo requiere se incrementa el número de tanques. CAPACIDAD DEL TANQUE DE DISTRIBUCION.

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El volumen de almacenamiento del tanque debe calcularse en base a los datos de consumo de la población y su distribución horaria. 

En poblaciones pequeñas, generalmente esa información no se dispone por lo que se estima por datos conocidos de poblaciones semejantes.

Se hace necesario disponer de una curva de distribución horaria. (horas del día vs porcentaje de caudal medio diario o caudal máximo diario). METODO DE LA CURVA INTEGRAL. A partir de la curva de variación horaria se define la “curva integral” la cual tiene en cuenta los valores del consumo acumulado en un periodo de 24 horas. La curva integral tiene las siguientes características:  La curva es siempre ascendente  La ordenada en cualquier punto representa el consumo total hasta ese momento.

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

La pendiente en cualquier punto representa el consumo instantáneo. % Qmax diario

24 HORAS CURVA INTEGRAL DEL CONSUMO DE LA POBLACION.

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 

Una vez determinada la curva integral del consumo, se debe establecer la curva del suministro, la cual depende del tipo de tanque; ya sea alimentado por gravedad o por bombeo. La curva integral de suministro es de pendiente uniforme, es decir, el suministro es constante en intervalos de tiempo característicos.

CALCULO DE LA CAPACIDAD DEL TANQUE ALIMENTADO POR GRAVEDAD.

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% Qmax diario 100 %

24 HORAS CURVA INTEGRAL DEL CONSUMO DE LA POBLACION.

BB´ :

Volumen de máximo deficit.

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D D´:

Volumen de máximo sobrante.

Volumen total del tanque: V = B B´ + D D´ Por seguridad el volumen necesario de regulación de la demanda puede incrementarse en un 20 %.

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ALCANTARILLADO SANITARIO.

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El alcantarillado sanitario se diseña para evacuar las aguas residuales de una población. CAUDAL DE DISEÑO. Está compuesto por los siguientes aportes:  Aguas residuales domésticas.  Aguas residuales industriales, comerciales e institucionales.  Aguas de infiltración.  Conexiones erradas. CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS. Usualmente se cuantifica este aporte basándose en el consumo de agua potable determinado para el diseño del sistema de agua potable. El aporte medio diario para cada una de las zonas se puede expresar en función del área servida y sus características: Cr x C x D x A

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Q = -------------------------86.400 También se puede expresar en función del número de habitantes servidos por el alcantarillado: Cr x C x P Q = ----------------------86.400 Q: Cr: C: D: A: P:

caudal medio de aguas residuales domésticas, L/s coeficiente de retorno. consumo neto de agua potable, L/hab . d densidad de población de la zona, hab/Ha. área de drenaje de la zona, Ha. número de habitantes de la zona.

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El comportamiento hidráulico del alcantarillado sanitario puede ser diferente en el inicio y final del proyecto, por lo que es necesario evaluar el caudal para ambos extremos. COEFICIENTE DE RETORNO No toda el agua consumida dentro del edificio va al alcantarillado, ya que una parte se usa en riego, lavado de pisos, cocina, etc. Un porcentaje estimado entre el 65 y 85 % es el que va al alcantarillado; este porcentaje se denomina “coeficiente de retorno”. CONSUMO DE AGUA POTABLE El consumo de agua potable que debe considerarse corresponde al consumo neto del domicilio. POBLACIÖN La población servida puede estimarse como el producto de la densidad de población y del área bruta servida por dicho colector. También puede estimarse a partir del número de viviendas y del número de habitantes por vivienda.

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DENSIDAD DE POBLACIÖN. Es el número de personas que habitan en una determinada área; usualmente se expresa en hab/Ha. (habitantes por hectárea). Se debe diseñar con la máxima densidad esperada y verificar el comportamiento hidráulico del sistema con la densidad actual. En poblaciones pequeñas la densidad tiende a fluctuar entre 100 y 200 hab/Ha. En poblaciones grandes o ciudades, la densidad puede llegar a 400 hab/Ha o más. AREA DE DRENAJE La determinación de las áreas de drenaje a cada colector debe hacerse de acuerdo a la topografía de la población y el trazado de las tuberías. El área bruta de drenaje aferente a cada colector se obtiene trazando las diagonales o bisectrices sobre las manzanas. Las zonas de uso recreacional deben incluirse en dicha área. CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES. Este aporte varía según el tipo, tamaño y otras características de la industria.

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Para poblaciones pequeñas sin zonas industriales definidas o pequeñas industria, puede tomarse un aporte medio de 0,40 L/s.Ha hasta 1,50 L/s.Ha (según tamaño de la población); El área corresponde a las de uso industrial. Este caudal debe definirse tanto para el inicio y final del proyecto. CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES. Cuando no se tenga información claramente definida, se puede emplear un aporte comercial medio de 0,40 L/s.Ha a 0,50 L/s.Ha. El área a considerar será la de uso comercial. El caudal debe definirse para las condiciones de inicio y final del proyecto. CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INSTITUCIONALES. Se refiere a los aportes de escuelas, colegios, universidades, centros de salud, hospitales, hoteles u otros. Este aporte varía, por lo que debe considerarse cada caso particular.. Para instituciones pequeñas localizadas en zonas residenciales, puede considerarse un aporte medio diario entre 0,40 L/s.Ha y 0,50 L/s.Ha. El área corresponde a la de uso institucional. El caudal debe definirse para el inicio y final del proyecto.

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CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES. El aporte medio diario al alcantarillado sanitario resulta de sumar los aportes domésticos, industriales, comerciales e institucionales. Se deben obtener para el periodo inicial y para el periodo final del proyecto. CAUDAL MAXIMO HORARIO DE AGUAS RESIDUALES. El caudal de diseño de la red de colectores debe contemplar el caudal máximo horario; se determina a partir de factores de mayoración del caudal medio diario. Los tramos iniciales tendrán factores de mayoración más altos que los que tendrá el emisario final. ECUACION DE BABBIT. Para poblaciones menores de mil habitantes. Q max horario = Qm x [ 5 / P 0,2 ]

Qm: caudal medio

ECUACION DE HARMON. Para poblaciones entre mil y un millón de habitantes.

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18 + √ P/1000 Q max horario = Qm x [ --------------------- ] 4 + √ P/1000 ECUACION DE LOS ANGELES. Para caudales entre 2,8 L/s y 28, 3 m3/s Q max horario

= Qm x [ 3,53 / Qm 0,0914 ]

CAUDAL DE INFILTRACION. El agua debajo del nivel freático tiende a ingresar a través de las uniones, fisuras o conexiones al sistema sanitario; este se denomina caudal de infiltración y se estima en base a las características de permeabilidad del suelo en el que se construye el sistema sanitario. Puede expresarse por metro lineal de tubería o por su equivalente en hectáreas de agua drenada.

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APORTE DE INFILTRACION POR LONGITUD DE TUBERÍA. CONDICIONES Tuberías existentes Tubería nueva unión cemento Tubería nueva unión caucho

ALTA

INFILTRACION ( L/s. Km) MEDIA

BAJA

4

3

2

3

2

1

1,5

1

0,5

APORTE DE INFILTRACION POR AREA DRENADA ALTA

INFILTRACION (L/s. Ha) MEDIA

BAJA

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0,15 – 0,4

0,1- 0,3

0,05 – 0,2

Se recomienda utilizar los valores superiores del rango establecido en la tabla de infiltración por área drenada cuando las condiciones de construcción no sean las mejores y la precipitación y riesgo de amenaza sísmica sean elevadas.

CAUDAL DE CONEXIONES ERRADAS. Se refiere a las conexiones clandestinas y a las de aguas lluvias que por equivocación se conectan al sistema sanitario. Existen diversos criterios para estimar este aporte, sin embargo se podría considerar:  Para poblaciones que disponen de un sistema de alcantarillado pluvial el valor de conexiones erradas puede variar de 0,1 L/s.Ha a 0,2 L/s. Ha.; el valor máximo para poblaciones pequeñas donde las medidas de control no son tan eficientes.  En caso de no existir el alcantarillado pluvial, el aporte de conexiones erradas es mayor y puede ser superior a 2 L/s.Ha.

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

Las conexiones erradas también pueden definirse por la densidad de la población y adoptar coeficientes de aportes unitarios que en poblaciones pequeñas son del orden de 5 L/h.d

CAUDAL DE DISEÑO. Corresponde a la suma del caudal máximo horario (aporte doméstico, industrial, comercial e institucional), caudal de infiltración y caudal de conexiones erradas. Debe calcularse para las condiciones finales del proyecto (periodo de diseño), situación para la cual se ha de dimensionar el sistema; y, para las condiciones iniciales se verifica el funcionamiento hidráulico del sistema previamente dimensionado. El caudal de diseño mínimo para cualquier colector debe ser 1,5 L/s OTRAS ESPECIFICACIONES DE DISEÑO También se deben cumplir las siguientes normas específicas para alcantarillados: VELOCIDAD

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VELOCIDAD MÍNIMA. Cuando la tubería trabaja con caudales menores que el caudal de diseño es usual que los sólidos transportados se sedimenten. Para lograr la resuspensión del material sedimentado, se debe diseñar una tubería con características de auto-limpieza, definida según criterios de velocidad mínima y esfuerzo cortante mínimo.  La velocidad mínima recomendada para alcantarillados convencionales es 0,45 m/s (para transporte de aguas residuales con predominio de aporte doméstico, con DBO efectiva < 200 mg/L).  Para alcantarillados simplificados la velocidad debe ser superior a 0,40 m/s  La velocidad mínima para transportar aguas residuales industriales depende de la demanda bioquímica de oxigeno DBO efectiva, la cual se determina en base a la DBO5 y cuya relación es: DBOefectiva = 1,25 DBO5 (1,07)T- 20 T: temperatura del agua en grados centígrados.

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VELOCIDADES MÍNIMAS REALES PARA RESIDUOS INDUSTRIALES DBOefectiva (mg/L)

VELOCIDAD MINIMA (m/s)

< 225 225 - 350 351 - 500 501 - 690 691 - 900

0,50 0,65 0,75 0,90 1

VELOCIDAD MÀXIMA

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Para cualquier caso y a fin de evitar la abrasión de la tubería, la velocidad máxima será 5 m/s ESFUERZO CORTANTE Se debe calcular el esfuerzo cortante medio con el fin de verificar la condición de autolimpieza de la tubería.

τ = γRS τ: esfuerzo cortante medio , N/m2 γ: peso específico del agua residual, 9,81 KN/m3 R: radio hidráulico de la sección de flujo, m. S: pendiente de la tubería.

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El esfuerzo cortante mínimo recomendado para las condiciones de operación inicial de un alcantarillado sanitario convencional es de 1,5 N/m2 (0,15 Kg/m 2). Para sistemas de alcantarillados sanitarios simplificados se puede reducir a un mínimo de 1 N/m2. 



Si la pendiente de los colectores debe ser muy baja que no se pueda cumplir con la especificación de velocidad mínima de 0,45 m/s; se puede admitir tal condición, siempre y cuando se garantice un esfuerzo cortante medio superior a 1,2 N/m2. Los sistemas de alcantarillados que transportan aguas residuales industriales deben diseñarse para cumplir con un esfuerzo cortante mínimo del orden de 1,5 N/m2 a 2 N/m2.

DIAMETRO MINIMO El diámetro mínimo para los colectores de un alcantarillado sanitario convencional debe ser 8” (200 mm). En alcantarillados simplificados o poblaciones pequeñas puede justificarse el uso de diámetro mínimo = 6” (150 mm).

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BORDE LIBRE. Para la selección del diámetro (con hipótesis de flujo uniforme y permanente), se acostumbra a utilizar la ecuación de Manning.

R 2/3 S 1/2 V = -------------------------n V: R:

velocidad media en la sección (m/s) radio hidráulico (m); R = A/P.

R´:

radio hidráulico para la sección a tubo lleno;

A:

área de la sección de flujo (m2)

R´ = π D2/ 4 π D R´ = D/4.

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P: D: S: C: n:

perímetro mojado (m) diámetro de la sección (m) pendiente de la línea de energía (m/m) coeficiente de resistencia al flujo de Chezy. coeficiente de rugosidad de Manning.

La Ecuación de Manning, en términos del caudal y del diámetro de la tubería es: D 8/3 S 1/2 Q = 0,312 [ ------------------ ] n nQ D = 1,548 [ ---------- ] 3/8 S 1/2

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El diámetro obtenido con esta ecuación debe aproximarse al diámetro nominal superior y con ello se obtiene un borde libre por encima de la lámina de agua hasta la clave de la tubería. Al seleccionar el diámetro nominal superior se debe asegurar un borde libre que permita la adecuada ventilación de la tubería, en razón de la alta peligrosidad de los gases que en ella se forman. 

El borde libre puede estar en función del máximo porcentaje de utilización de la capacidad de transporte de agua en la tubería (Q / Qo) dado en la siguiente tabla: BORDE LIBRE EN FUNCIÓN DE Q/Qo MAXIMA PERMITIDA. DIAMETRO DE TUBERIA Q/Qo máxima 200 mm – 600 mm 0,6 600 mm – 1200 mm 0,7 > 1200 mm 0,9

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

El borde libre también puede estar dado por la relación entre la profundidad hidráulica al diámetro interno del colector (H/D), la cual debe ser máximo el 85 %.

CORROSIÓN El problema de la corrosión en tuberías de concreto, asbesto – cemento, hierro o acero, solubles en ácido puede ocasionar la falla de la tubería. 

El proceso de degradación de la materia orgánica comienza por la reducción bacterial de sulfatos en condiciones anaeróbicas y de pH bajo, produciéndose ácido sulfhídrico (H2S). El ácido sulfhídrico es liberado a la atmósfera de la

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  

alcantarilla, donde entra en solución con el agua condensada acumulada en la corona de la tubería. Posteriormente, bajo la acción de la bacteria aeróbica Thiobacillus, se presenta la oxidación del ácido sulfhídrico, produciendo ácido sulfúrico (H2SO4). El fenómeno de la corrosión se agrava en situaciones de pendientes bajas, produciéndose velocidades bajas, tiempos de retención largos, poca ventilación del sistema con borde libre pequeño y temperaturas relativamente altas. Es posible contrarrestar la corrosión mediante revestimiento interno de la tubería con material inerte, ventilación forzada o con cloración (solución temporal). Se puede prever la posible generación de ácido sulfhídrico mediante la aplicación del índice de Pomeroy (Z)

Z = 3 (DBO5) (1,07)

(T – 20)

P --------------------S 1/2 Q 1/3 H

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ESTIMACIÓN DE GENERACIÓN DE H2S (Según índice Pomeroy) INDICE DE POMEROY (Z) GENERACIÓN H2S < 5.000 POCO PROBABLE 5.000 – 10.000 PROBABLE > 10.000 MUY PROBABLE

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DISEÑO DEL ALCANTARILLADO SANITARIO CONVENCIONAL Sobre el plano de lotes de la población, se debe hacer el trazado de red de colectores, seleccionando los colectores iniciales y enumerando los pozos considerando la topografía del terreno, el funcionamiento a gravedad y los criterios de localización de tuberías. Localización de tuberías. El trazado de la red de colectores debe seguir la disposición topográfica de las calles.  

Por protección a la red de agua potable, las tuberías del alcantarillado sanitario y las de agua potable deberán estar localizadas en lados opuestos de la calzada. La cota clave de las tuberías de aguas servidas debe quedar por lo menos 0,30 m. debajo de la cota invert de las tuberías de agua potable; horizontalmente deben quedar separadas por lo menos 1,00m. En caso de no poder cumplirse la

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distancia vertical mínima debe diseñarse la protección adecuada a la red de agua potable. Profundidad mínima  En general, la profundidad mínima a la clave de la tubería debe ser 1,20 m con respecto a la rasante de la calzada.  En zonas verdes o de vías peatonales y de tráfico liviano, la profundidad mínima puede reducirse a 0,75 m.  En terrenos planos, donde existen problemas de drenaje por la poca pendiente, es posible reducir la profundidad mínima, pero teniendo en cuenta la seguridad estructural de la tubería. Área de drenaje aferente Una vez trazada la red de colectores y enumerado los pozos se debe determinar el área aferente a cada colector, trazando diagonales o bisectrices sobre cada manzana. Luego se establece el caudal de aguas residuales.

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1

bisectrices 2

3 diagonales

4

5

Área aferente al colector 4-5

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PARAMETROS DE DISEÑO Periodo de diseño El periodo de diseño para redes de alcantarillados sanitarios oscila entre 15 y 25 años, dependiendo del tamaño de la población y su capacidad económica. Para este ejemplo consideraremos un periodo de 15 años. Población de diseño La población actual y futura servida por el proyecto se determina en base a los censos y métodos de proyección; o, por el producto de la densidad poblacional y área servida por los colectores. Para el ejemplo; adoptaremos la siguiente información: PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN AÑO POBLACIÓN (HAB) 2.007 6.000

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2.022

6.800

Área Área actual (2.007) de la población: 14 Ha. Área proyectada (2.022): 18 Ha.

Densidad poblacional La densidad poblacional en una misma ciudad puede ser uniforme o variar según diferentes usos o estratos socio – económicos; en este último caso es necesario considerar la zonificación. Para el presente ejemplo, consideraremos que es uniforme; por lo tanto: D = P /A

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D = 6800 / 18;

D = 378 h/Ha.

Consumos Consideraremos para el ejemplo un consumo neto de agua potable de 200 L/h.d, para el año 2.022. Caudal de diseño Para determinar el caudal de diseño de cada colector se tabula la información en la respectiva hoja de cálculos. El caudal de diseño mínimo es de 1,5 L/s.

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DISEÑO SANITARIO CALCULO DE LOS CAUDALES DE DISEÑO ←

Caudal domestico

1

2

3

tram o

Área Parcia

Área Total

4 Á

Industrial

5

6

7

D Densid

P Poblac.

Aporte Unit.

8 A Ind.

Comercial

9 Aport e

10 A Co

Institucional

11

12 13

14

15

Aport e

A Ins.

Área Tota

Aport e

Aport e unit

16

17

18

19

20

21

22

2 3

2 4

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pozo s

l

dom Ha

%

Ha

Domést . h

h/Ha

1,44

1,44

76,9

1,71

3,15

100

1-2 2-4

.

312,92 6 312,92

Unit Ind %

L/s. Ha 450,6 985,71 6

Unit Com %

L/s.H a 0

% L/s.H a

0

23, 1

Inst

l

L/s.H a

% 100 100

Unit Ponde rado L/s.H a

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0,99

0,99

100

0,882

1,87 2

66,66 7

3-4 4-5 5-8

0,882

2,75 4

312,92 7 312,92 7

309,79 7 585,79 9

100 16,66 7

16,66 7

100

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Explicación de la tabla de cálculos Columna 1: Identificación del tramo de colector. Se identifica el tramo del colector con la numeración de los pozos inicial y final. Ejs: tramo 1-2; 2-4; etc. Columna 2: Área parcial en Ha. Corresponde al área aferente a cada tramo (colector). Ejemplo:

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100 m

a1 2

a2 100 m

a3

3

a5 100 m

a4 a6

4

a7

5

a8 a9

7

8

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Columna 3: Área total de drenaje en Ha. Se acumula el área de drenaje de los colectores aguas arriba del colector en cuestión.

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Ej, para el tramo 5-8, el área total es igual al área aferente del propio tramo 5-8 más la suma de las áreas totales de los tramos aguas arriba. At 5-8

=

A 5-8

+

At 4-5

+ At 3-5

(col 3) 5-8 = (col 2) 5-8 + (col 3) 4-5 + (col 3 ) 3-5

At 5-8 = Columna 4: Porcentaje de área (uso doméstico) Es el porcentaje de área aferente destinada a uso doméstico. Se obtiene en base al plano de zonificación según el uso (hay zonas residenciales, comerciales, industriales, institucionales). Columna 5: Densidad poblacional (h/Ha)

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Es la densidad de la población del área aferente al colector. En este ejemplo se considera uniforme para toda la población. D=P/A D = 6.800 /18 = 378 h /Ha.

D = 378 h/Ha

Columna 6: Población servida (habitantes) Corresponde al número estimado de habitantes que servirá el colector (se debe tomar en cuenta la densidad poblacional de cada zona; en nuestro ejemplo se ha supuesto la misma densidad para toda la población) Pi = Ai x Di + ∑ P aguas arriba Ej,

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P P También se puede calcular así: P2-4 = At2-4 x D P2-4 = At2-4 x D P2-4 =

Columna 7: Aporte unitario de aguas residuales domésticas (L/s.Ha) El aporte doméstico es el mismo para todos los colectores, siempre y cuando no cambie la densidad poblacional. Se calcula con la siguiente fórmula: Cr x C x D

0,80 x 200 x 378

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Q = ------------------------ = --------------------------- = 0,70 L/s.Ha 86.400 86.400 Columna 8: Porcentaje de área destinada a uso industrial Se obtiene o se estima de acuerdo al plano respectivo. Columna 9: Aporte industrial. Puede tomarse un aporte medio comprendido entre 0,40 y 1,50 L/s.Ha. Para el ej, se ha estimado 0,60 L/s.Ha Columna 10: Porcentaje de área comercial Se obtiene o se estima en base al plano respectivo Columna 11: Aporte comercial Puede considerarse un aporte comercial medio de 0,40 a 0,50 L/s.Ha Para el ejemplo considere 0,50 L/s.Ha.

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Columna 12: Porcentaje de área institucional Se obtiene o se estima en base al plano respectivo Columna 13: Aporte institucional. Puede tomarse un aporte medio diario de entre 0,40 y 0,50 L/s.Ha. Para el ejemplo considere 0,50 L/s.Ha. Columna 14: Área total en porcentaje Se suman los porcentajes de las distintas áreas; doméstica, industrial, comercial e institucional, debiendo obtenerse el 100 % en todos los casos. Columna 15: Aporte unitario ponderado (L/s.Ha) Promedio ponderado de los aportes unitarios aferentes a cada colector, con el porcentaje de uso del suelo. qm = [Ad(%) x qd] + [ Aind(%) xqind] + [ Acom (%) x qcom] + [ Ains (%) x qins]

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(col 15) = [ col 4 x col 7] + [ col 8 x col 9] + [ col10 x col 11] + [ col 12 x col 13]

Columna 16: Caudal medio diario de aguas residuales (L/s) Es el aporte correspondiente al área aferente más los caudales recibidos por el colector agua arriba. Qm i = qm i x Ai + ∑ Qm aguas arriba Ejemplo:

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Qm 5-8 = qm 5-8 + Qm 4-5 + Qm 3-5 (col 16) 5-8 = (col 15) 5-8 + (col 16) 4-5 + (col 16) 3-5

Columna 17: coeficiente de mayoración Para la mayoración del caudal medio diario se utiliza la fórmula de Harmon, teniendo en cuenta la población servida por el colector dividida para 1000. 18 + √ P/1000 F = ----------------------4 + √ P/1000 Columna 18: Caudal máximo horario de aguas residuales (L/s).

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Corresponde al producto del caudal medio diario de aguas residuales por el coeficiente de mayoración F. Col 18 = col 16 x col 17 CAUDAL DE INFILTRACIÓN

Columna 19: Coeficiente de infiltración (L/s . Ha) Depende del tipo de suelo y unión empleadas en las tuberías. Se adopta un coeficiente único para toda la zona. APORTE DE INFILTRACION POR AREA DRENADA ALTA 0,15 – 0,4

INFILTRACION (L/s. Ha) MEDIA 0,1- 0,3

BAJA 0,05 – 0,2

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Se recomienda utilizar los valores superiores del rango establecido en la tabla de infiltración por área drenada cuando las condiciones de construcción no sean las mejores y la precipitación y riesgo de amenaza sísmica sean elevadas. Columna 20: Caudal de infiltración (L/s) Se calcula multiplicando el área total drenada por el coeficiente de infiltración. Col 20 = col 3 x col 19 CAUDAL DE CONEXIONES ERRADAS

Columna 21: Coeficiente de conexiones erradas (L/s . Ha) El coeficiente depende del nivel de control del sistema y de la existencia o no del sistema de alcantarillado pluvial. 

Para poblaciones que disponen de un sistema de alcantarillado pluvial el valor de conexiones erradas puede variar de 0,1 L/s.Ha a 0,2 L/s. Ha.; el valor máximo para poblaciones pequeñas donde las medidas de control no son tan eficientes.

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 

En caso de no existir el alcantarillado pluvial, el aporte de conexiones erradas es mayor y puede ser superior a 2 L/s.Ha. Las conexiones erradas también pueden definirse por la densidad de la población y adoptar coeficientes de aportes unitarios que en poblaciones pequeñas son del orden de 5 L/h.d

Columna 22: Caudal de conexiones erradas (L/s) SE calcula multiplicando el área total drenada por el coeficiente de conexiones erradas adoptado para la zona. Col 22 = col 3 x col 21 Columna 23: Caudal de diseño calculado (L/s) Corresponde a la suma de los caudales máximo horario de aguas residuales, de infiltración y de conexiones erradas.

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Col 23 = col 18 + col 20 + col 22. Columna 24: Caudal de diseño adoptado (L/s) El caudal mínimo de diseño por seguridad debe ser mayor o igual a 1,50 L/s. Debe adoptarse 1,50 L/s, en caso que el caudal de diseño calculado sea menor a 1,50 L/s. CALCULO DE LA RED DE COLECTORES Se deben tener en cuenta las normas y recomendaciones correspondientes:  

La profundidad mínima en los colectores iniciales es de 0,75 m y de 1,20 m en todos los demás. Se debe considerar el coeficiente de rugosidad de Manning (n), según el material de la tubería; para el concreto n = 0,013.

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

Para efectos del diseño de las tuberías y su unión en los pozos, las longitudes y cotas se consideran al eje del pozo. Posteriormente se deben calcular las cotas de construcción a la entrada y salida del pozo, teniendo en cuenta las dimensiones del pozo y la pendiente aguas arriba y aguas abajo, respectivamente.

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1 TRAMO

2 LONGITUD

3 Qd

4 S

5 DIÁMETRO (m)

6 DIÁMETRO (pulg)

7 DIÁM. Adoptado (pulg)

8 DIAM. Adoptado Interno ( m)

9 Qo

10 Vo

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1 TRAMO

11 Q/Qo

12 V/Vo

13 d/D

14 R/Ro

15 H/D

16 V (m/s)

17 V2 / 2g (m)

18 R ( m)

19

τ ( N/m2)

20 d (m)

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1 TRAMO

21 E (m)

22 H (m)

23 NF

24 h trans

25 Rc/D

26 H curv

27 h total (m)

28 COTA RASANTE

29

COTA CLAVE

30 COTA INVERT

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CALCULO DEL COLECTOR Columna 1: Identificación del tramo. Columna 2: Longitud de cada colector (m) Columna 3: Caudal de diseño (L/s) Corresponde a la columna 24 de la ta bla anterior. Columna 4: Pendiente del colector Se recomienda que en la medida de lo posible la pendiente sea la misma del terreno o un poquito mayor; en caso de terreno horizontal usar pendientes del 1 o 2 por mil. La pendiente puede corregirse posteriormente según las condiciones de esfuerzo cortante velocidad mínima.

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Cota 1 = 42,55 (terreno) Cota 2 = 42,20 (terreno) Altura a cota clave 1: 0,80 Altura a cota clave 2: 1,20 Cota clave 1: 42,55 – 0,80 = 41,75 Cota clave 2: 42,20 – 1,20 = 41,00 Desnivel 0,75 Longitud tramo 1 – 2: 100 m Pendiente: 0,75 % Columna 5: Diámetro teórico de la tubería: Se calcula de acuerdo a la ecuación de Manning:

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nQ D = 1,548[ -------------- ] (3/8) S (1/2)

Ejemplo:

0,013 x 0,0015 D = 1,548 [ ------------------------] (3/8) (0,75/100) (1/2) D = 0,066 m

Columna 6: Diámetro teórico de la tubería en pulgadas. 1 pulg = 0,0254 m

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Si D = 0,0 66m entonces D = 2,6 pulg. Columna 7: Diámetro nominal de la tubería en pulgadas El diámetro nominal mínimo para sistemas de alcantarillados de ciudades es 8”. Para alcantarillados de pequeñas comunidades por economía se puede adoptar 6” (150 mm) Columna 8: Diámetro real interno de la tubería en metros. Según la tubería a utilizar y el diámetro nominal adoptado se debe anotar el diámetro interno correspondiente en metros. Columna 9: Caudal a tubo lleno: Qo (L/s) Es la capacidad máxima de la tubería, calculada con el diámetro interno real (sección de flujo máxima)

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Qo = 312 [ n

D (8/3) S(1/2) ---------------

]

(col 8) (8/3) (col 4/100) (1/2) Qo = 312 [ -----------------------------------0,013 Qo = 13,20 L/s.

Columna 10: Velocidad a tubo lleno (m /s) Se calcula por la ecuación de la continuidad: Qo = Vo A De donde:

]

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Vo = Qo / A

A = π D2/4

13, 1 / 1000 x 4 Vo = -----------------------= 0,74 m/s π (0,15)2

Columna 11: Relación entre el caudal de diseño y el caudal a tubo lleno.

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

El borde libre puede estar en función del máximo porcentaje de utilización de la capacidad de transporte de agua en la tubería (Q / Qo) dado en la siguiente tabla: BORDE LIBRE EN FUNCIÓN DE Q/Qo MAXIMA PERMITIDA. DIAMETRO DE TUBERIA Q/Qo máxima 200 mm – 600 mm 0,6 600 mm – 1200 mm 0,7 > 1200 mm 0,9

La relación Q / Qo es igual a: Q/Qo = col 3 / col 9 Ejemplo: Q/Qo = 1,50 / 13, 2 = 0,11. Columna 12: Relación entre velocidad real y velocidad a tubo lleno

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Se determina en la tabla de relaciones hidráulicas. V / Vo Columna 13: Relación entre lámina de agua y diámetro interno de la tubería Se determina en la tabla de relaciones hidráulicas. d /D Columna 14: Relación entre radio hidráulico de la sección de flujo y radio hidráulico a tubo lleno (D/4) Se determina en la tabla de relaciones hidráulicas. R/Ro Columna 15: Relación entre profundidad hidráulica de la sección de flujo y diámetro interno de la tubería. Se determina en la tabla de relaciones hidráulicas. H/D.

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Columna 16: Velocidad real en la sección de flujo (m/s) La velocidad real mínima recomendada es 0,45 m/s V Qo V = ----- x -------- = col 12 x col 10 Vo A

Columna 17: Altura de velocidad (m) V2 (col 16) 2 ------ = ----------------2g (2 x 9,81)

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Columna 18: Radio hidráulico para la sección de flujo (m) R D R = -------- x ---------- = Ro 4

col 8 col 14 x ----------4

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1 TRAMO

2 LONGITUD

3 Qd

4 S

5 DIÁMETRO (m)

6 DIÁMETRO (pulg)

7 DIÁM. Adoptado (pulg)

8 DIAM. Adoptado Interno ( m)

9 Qo

10 Vo

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1 TRAMO

11 Q/Qo

12 V/Vo

13 d/D

14 R/Ro

15 H/D

16 V (m/s)

17 V2 / 2g (m)

18 R ( m)

19

τ ( N/m2)

20 d (m)

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1 TRAMO

21 E (m)

22 H (m)

23 NF

24 h trans

25 Rc/D

26 H curv

27 h total (m)

28 COTA RASANTE

29

COTA CLAVE

30 COTA INVERT

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