Guia Diseno Hidraulico Redes Alcantarillado

8/3/2019 Guia Diseno Hidraulico Redes Alcantarillado

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Gua para el diseo Hidrulicode Redes de Alcantarillado

Medelln 2009


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Gua para el Diseo Hidrulico de Redes de Alcantarillado

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TABLA DE CONTENIDO

Captulo 1 INTRODUCCIN ....................................................................................................................................................................5

Captulo 2 INFORMACIN MNIMA NECESARIA Y CRITERIOS DE DISEO ........................................................72.1 INFORMACIN MNIMA ............................................................................................................................................................72.2 CONSIDERACIONES DE DISEO ..........................................................................................................................................9

2.2.1 Clientes y poblacin ............... ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ........... 92.2.2 Geometra de la red de alcantarillado ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ...9

2.3 PARMETROS DE DISEO ........................................................................................................................................................92.3.1 Perodo de diseo de redes de aguas residuales ................ ............... ................ ............... ................ .......... 92.3.2 Parmetros hidrulicos ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ .....9

Captulo 3 INFORMACIN DEL SISTEMA A DISEAR ......................................................................................................113.1 SISTEMA A DISEAR .................................................................................................................................................................113.2 PARAMETROS DE DISEO ....................................................................................................................................................16

3.2.1 Caudales de agua residual ............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............ 163.2.2 Caudales de agua lluvia .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ..17

Captulo 4 CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES .........................................................................................................................194.1 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DOMSTICAS....................................................................19

4.1.1 Mtodo utilizando los usuarios y el consumo ............... ............... ................ ............... ................ .............. 194.1.2 Mtodo utilizando la proyeccin del circuito .............. ................ ............... ................ ............... ................ .21

4.2 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES ............... ............... ................ ............... .... 214.3 CAUDAL DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES COMERCIALES ............... ................ ............... ................ ...... 224.4 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES DE USO OFICIAL Y USO ESPECIAL .............. ......... 224.5 CAUDALES DE AGUA RESIDUAL DE LAS REAS TRIBUTARIAS PROPIAS DE CADA TRAMO .......... 224.6 CAUDAL MEDIO DIARIO DE AGUAS RESIDUALES ..................................................................................................244.7 CLCULO DEL CAUDAL MXIMO HORARIO .............................................................................................................254.8 CLCULO DEL CAUDAL POR INFILTRACIN ..............................................................................................................254.9 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUAS RESIDUALES POR CONEXIONES ERRADAS ............... ................ ... 264.10 CLCULO DEL CAUDAL DE DISEO DE AGUA RESIDUAL .............. ............... ................ ............... .............. 26

Captulo 5 CAUDAL DE AGUAS LLUVIAS...................................................................................................................................315.1 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUA LLUVIA ..................................................................................................................325.2 CAUDALES DE DISEO ...........................................................................................................................................................37

Captulo 6 DISEO HIDRULICO DE LA RED DE ALCANTARILLADO...................................................................396.1 DISEO TRAMO A TRAMO ....................................................................................................................................................39

6.1.1 Caudales de diseo .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ........... 406.1.2 Determinacin de dimetros .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ..... 40


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6.1.3 Evaluacin de criterios hidrulicos .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ......... 446.1.4 Diseo de la red ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... .46

6.2 DISEO DE CMARAS .............................................................................................................................................................506.2.1 Determinacin del dimetro de las cmaras .............. ............... ................ ............... ................ ............... ... 506.2.2 Diseo de cmaras de unin subcrtica .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............. 51

6.2.3 Diseo de cmaras de unin supercrticas ............... ................ ............... ................ ............... ................ ..... 536.2.4 Diseo de cmara de cada ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ........ 55

6.3 DISEO DE ELEMENTOS ESPECIALES.............................................................................................................................55

Captulo 7 COMPROBACIN DE DISEO CON FGV ..........................................................................................................577.1 CARACTERSTICAS TOPOLGICAS DE LA RED .........................................................................................................577.2 CAUDAL DE DISEO.................................................................................................................................................................587.3 EJECUCIN DEL MODELO HIDRULICO ......................................................................................................................587.4 REVISIN DEL COMPORTAMIENTO HIDRULICO DE LA RED .........................................................................59

Captulo 8 COMPROBACIN DE DISEO CON FNP ..........................................................................................................638.1 CARACTERSTICAS TOPOLGICAS DE LA RED .........................................................................................................648.2 CARACTERSTICAS DE LAS REAS TRIBUTARIAS .....................................................................................................648.3 CAUDAL DE AGUA RESIDUAL .............................................................................................................................................678.4 CAUDAL DE AGUA LLUVIA ...................................................................................................................................................67

8.4.1 Hietograma de diseo.................... ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ............... 678.4.2 Hidrogramas de diseo .............. ................ ............... ................ ............... ................ ............... ................ ............... ..68

8.5 EJECUCIN DEL MODELO HIDRULICO ......................................................................................................................698.6 REVISIN DEL COMPORTAMIENTO HIDRULICO DE LA RED .........................................................................69


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Captulo 1 INTRODUCCIN

Esta Gua de Diseo Hidrulico de Redes deAlcantarillado tiene como objetivo explicar la orma

de llevar a cabo el diseo hidrulico de un sistemade alcantarillado, de acuerdo con lo establecido enlas Normas de Diseo de Redes de Alcantarilladode EPM. Para cumplir con este propsito, la guaestablece en orma secuencial, todos las pasosque se deben seguir hasta nalizar el diseo y lacomprobacin del comportamiento hidrulico delsistema de drenaje urbano.

Es importante enatizar que esta gua corresponde

nicamente al diseo hidrulico de la red, el cual seentiende como la determinacin de la pendiente decada tramo, el clculo de los caudales de cada tramo,el dimensionamiento del dimetro interno de cadatramo, el diseo de las estructuras complementariasy la comprobacin del comportamiento hidrulicode todo el sistema ensamblado bajo las condicionesde lujo gradualmente variado y/o lujo nopermanente.

La metodologa seguida en la gua consiste enpresentar un ejemplo de diseo correspondiente alalcantarillado combinado del barrio Prado Centro dela ciudad de Medelln, el cual es existente y se deseaoptimizar. Sin embargo, la gua puede ser utilizadapara sistemas de alcantarillado separado de aguasresiduales o lluvias y tambin para los casos denuevos desarrollos.

El contenido de la Gua de Diseo Hidrulico de

Redes de Alcantarillado est dividido de la siguientemanera:

- Captulo 2: Inormacin mnima y criterios dediseo que debe tener en cuenta el ingenieropara realizar el diseo de la red de alcantarillado yparmetros de diseo.

- Captulo 3: Inormacin necesaria para desarrollarel ejemplo de diseo.

- Captulo 4: Determinacin de los caudales de aguaresidual a partir de la inormacin de consumos delos usuarios de la red de acueducto.

- Captulo 5: Determinacin de los caudales de aguaslluvias de acuerdo con el rgimen pluviogrco dela zona de estudio.

- Captulo 6: Diseo hidru lico de la red dealcantarillado para la condicin de lujo uniorme,calculando los caudales de diseo, los dimetrosde las tuberas, los materiales a utilizar y las cotasde las cmaras de inspeccin. Con la red diseadase evalan criterios que se deben cumplir a inde evitar problemas de sedimentacin y acilitarla limpieza en las tuberas. Igualmente se indicacmo se disean y evalan las cmaras deinspeccin, cmaras de cada y estructurasespeciales.

- Captulo 7: Comprobacin del diseo hidrulico

de la red para la condicin de fujo gradualmentevariado. De acuerdo con los resultados de lasimulacin y las limitaciones de campo, se analizarla posibilidad de modicar las cotas de las cmarasy/o los dimetros de las tuberas, siempre buscandomejorar la hidrulica de la red.

- Captulo 8: Comprobacin del diseo para lacondicin de lujo no permanente. Se evaluarnlas condiciones hidrulicas de las cmaras y los

tramos con el in de establecer sobrecargas, y encaso de presentarse solucionar dichos problemasmodicando algunas caractersticas de la red.

En la Figura 1-1 se muestra el sector geogrcocorrespondiente a la zona del proyecto que seutilizar para ilustrar la aplicacin de la Gua.


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Figura 11: Imagen satelital del sector de Prado Centro.


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Captulo 2 INFORMACINMNIMA NECESARIA Y CRITERIOSDE DISEO

En el Numeral 2.4 de las Normas de Diseo de Redesde Alcantarillado de EPM se establecen los pasosnecesarios, los criterios de diseo y la inormacinbsica que se requieren para llevar a cabo el procesode diseo de un sistema de alcantarillado. En general,en el caso del municipio de Medelln y los demsmunicipios del Valle de Aburr cuya operacin esta cargo de las Empresas Pblicas de Medelln la granmayora de estos pasos ya han sido realizados.

Tabla 21 Inormacin mnima para el diseo de redes de alcantarillado

Inormacin requerida Tipo de inormacinCaractersticas de la

inormacin

INFORMACIN TOPOGRFICA Levantamiento topogrfco delsector de diseo de la red dealcantarillado

Siempre se debe realizar ellevantamiento topogrco exactodel terreno para conocer su ormay establecer por donde se va arealizar el trazado de la red dealcantarillado. Esta inormacintopogrca permitir calcular lascotas de terreno de las cmarasde inspeccin y determinar lapendiente promedio de las reastributarias.

Por consiguiente en este captulo se especiicanicamente la inormacin mnima necesaria y loscriterios para disear un proyecto cuya concepcingeneral ya ha sido desarrollada.

La inormacin mnima necesaria es aquellarequerida para que el diseador pueda llevar a caboel proceso de optimizacin del diseo hidrulicode la red.

2.1 INFORMACIN MNIMA

Una vez EPM ha denido el alcance del proyecto,cada diseador debe recolectar la inormacin quees bsica para el diseo de las redes de alcantarillado,

la cual se presenta en la Tabla 2-1


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Inormacin requerida Tipo de inormacinCaractersticas de la

inormacin

CATASTRO DE LA ZONA Planos del manzaneo de la zona

de estudio Catastro de redes de serviciospblicos Planos de la malla vial

Para realizar el diseo de la red de

alcantarillado se debe conocer laubicacin de la malla vial, de lasredes de servicios pblicos y/oestructuras especiales. Con estainormacin se establecen losposibles puntos del trazado dela red.

CATASTRO DE USUARIOS DEACUEDUCTO, PROYECCIONES DECONSUMOS O DOTACIONES DE

ACUEDUCTO

Consumos y tipos de usuarios delsistema de acueducto Ubicacin espacial de los

usuarios P lanes de ordenamientoterritorial, POT

Para la estimacin de los caudalesde agua residual se debe conocerla distribucin de la poblacin o

de los clientes y su consumo. EPMcuenta con tablas por circuitosque resumen el tipo de usuarios,sus consumos mensuales y lasproyecciones estimadas deconsumo. En caso de no contarcon estas tablas, se usarn losdatos de dotaciones.

INFORMACIN HIDROLGICA Curvas IDF de las estacionescercanas al proyecto

Distribucin temporal de laprecipitacin

Esta inormacin hidrolgicaes suministrada por EPM en su

norma.

INFORMACIN HIDRULICA Ubicacin del cuerpo receptor Rugosidades de los materiales detuberas disponibles

Esta inormacin es necesaria parael diseo de la red de alcantarilladoya que se establece el lugar adonde se deben llevar las aguasde la red.

INFORMACIN GEOLGICA Tipos de suelos de la zona Es necesario para determinarlos parmetros de los modelos

de inltracin o del coecientede escorrenta, para calcular elcaudal de aguas lluvias, cuandose trate de fujo no permanente.El hietograma que se construyadeber ser aprobado por EPM.


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2.2 CONSIDERACIONES DE DISEO

2.2.1 CLIENTES Y POBLACIN

Son los contribuyentes de caudal de agua residual

al sistema de alcantarillado, proyectados al perodode diseo. Existen proyecciones calculadas por EPM,en caso de no existir la proyeccin utura de clientesdebe calcularse de acuerdo con el Numeral 5.2.2.1de la norma.

2.2.2 GEOMETRA DE LA REDDE ALCANTARILLADO

La disposicin de los tramos y de las cmaras queconorman la red constituye uno de los parmetrosbsicos del diseo. Dicha disposicin deine lageometra de la red y con sta sus caractersticastopolgicas, las cuales permanecen invariablesdurante el diseo. Estas caractersticas incluyenel nmero de tramos y cmaras, la unin de losmismos, la longitud de los tramos y la sectorizacinde los caudales que se presentan para cada puntode descarga. Tambin, se debe determinar las reastributarias a cada tramo, las cuales se utilizan en elclculo del caudal de aguas residuales y/o lluvias.

2.3 PARMETROS DE DISEO

2.3.1 PERODO DE DISEO DE REDESDE AGUAS RESIDUALES

Para determinar el perodo de diseo se debehacer reerencia al Numeral 5.2.1 de la norma. Estacaracterstica puede variar dependiendo de lazona de diseo. Por ejemplo, para los municipiosdel Valle de Aburr el perodo de diseo es de 30aos. Para aquellos casos en los cuales el anlisisde costo mnimo sugiera un desarrollo por etapas,stas deben disearse teniendo en cuenta dichoperodo de diseo. En todo caso, se debe compararel perodo de diseo con el perodo en el cual se

alcanza la poblacin de saturacin, pues en casode que se llegue a la poblacin de saturacin enun perodo menor al de diseo, se debe utilizar elprimero como perodo de diseo.

2.3.2 PARMETROS HIDRULICOS

Al mismo tiempo que se planea hidrulicamente eluncionamiento de la red es importante tener encuenta los requerimientos mnimos que estipulanlos parmetros de las Normas de Diseo de Redesde Alcantarillado de EPM.

Los parmetros hidrulicos mnimos que se debentener en cuenta desde el diseo preliminar bajo laconsideracin de fujo uniorme y que la experienciaha determinado que permite obtener redes con unaadecuada autolimpieza y buen comportamientohidrulico son:

- Los dimetros nominales mnimos son de 200mm para alcantarillados de aguas residuales y 250mm para alcantarillados de aguas lluvias y aguascombinadas.

- La velocidad mnima es de 0.45 m/s paraalcantarillados de aguas residuales y 0.75 m/s paraalcantarillados de aguas lluvias y combinadas.

- La velocidad mxima es de 10 m/s para tuberasplsticas y de 5 m/s para otro tipo de materiales.

- Para que las redes de alcantarillado residualcumplan con el criterio de autolimpieza se debetener un esuerzo cortante mnimo de 1.5 N/m,para alcantarillados pluviales el valor es de 3.0 N/m para el caudal de diseo.

- Para evitar que se presente fujo crtico y cuasicrticoen los tramos se recomienda tener nmeros deFroude por uera del intervalo de 0.7 a 1.5 para lacondicin de fujo uniorme.


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Captulo 3 INFORMACIN DELSISTEMA A DISEAR

En este captulo se explican, en detalle, las

caractersticas de la red de Prado Centro, la cual sedisear paso a paso a modo de ejemplo, siguiendolas especiicaciones de la Norma de Diseo deSistemas de Alcantarillado de las Empresas Pblicasde Medelln indicando la inormacin que se usarpara el diseo de la red.

3.1 SISTEMA A DISEAR

El proyecto est ubicado entre el barrio Prado Centroy el sector del Chagualo, en la ciudad de Medelln,

sectores que cuentan con sistemas de redes dealcantarillado combinado.

El proyecto est compuesto por 66 tramos y 67cmaras de inspeccin y se dividi en dos sectores,de acuerdo con la ubicacin de dos sitios en loscuales es posible realizar la entrega de las aguasrecolectadas, como se indica en la Figura 3-1. Elprimer punto de entrega de las aguas combinadasse encuentra localizado en la Calle 62 con Carrera51, se trata de una cobertura que en el proyecto

aparece identicada como COB y que aguas abajotiene construido un aliviadero. El segundo punto deentrega identicado como ALIV., estar localizado

Afluentes al ALIV

Afluentes a la COB

1470 148 0 1490 1500 1510

COB

BOT

1460

Figura 3 1: Auentes a los puntos de descarga en el modelo Prado.

en la calle 65 con la avenida Regional y se trata deun aliviadero que se disear en el proyecto y quetendr como objetivo separar las aguas combinadasy conducir las aguas residuales al Interceptor Orientaly las aguas lluvias al Ro Medelln en el punto

denominado BOT, ver la Figura 3-4.

La primera consideracin que se debe hacer aldisear una red de alcantarillado es denir el sentidoen que se desea conducir el caudal de drenaje yasea de aguas lluvias, residuales o combinadas. Conla inormacin del levantamiento topogrico yla ubicacin de los cuerpos receptores se puedeestablecer el sentido de fujo en el sector.Para el diseo de la red se deben considerar aspectoscomo la topograa del terreno, las limitantes de

cruces con otras redes de servicios pblicos y/oestructuras existentes como undaciones del Metroy los niveles de descarga a la cobertura (COB), alInterceptor Oriental y al Ro Medelln.

Para generar el modelo hidrulico de la red dealcantarillado se debe asignar un identicador onmero a las cmaras de inspeccin y a los tramosque unen estas cmaras. En la Figura 3-2 se presentala ubicacin y nomenclatura de estos elementos yen la Tabla 3-1 se puede ver los tramos que unenlas cmaras de inspeccin de acuerdo con lanomenclatura establecida en la Figura 3-2.


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Tabla 31 Identifcadores de los tramos y cmaras que componen la red de alcantarillado

Tramo Nudo Inicial Nudo Final Tramo Nudo Inicial Nudo Final

T1 C34 C32 T24 C68 C64

T2 C32 C29A T25 C64 C64A

T3 C29A C26 T26 C64A C63T4 C18 C17 T27 C57 C8

T5 C17 C10 T28 C87 C89

T6 C10 C8 T29 C89 C90

T7 C8 C7A T30 C90 C46A

T8 C7A C7B T31 C80 C81

T9 C7B C7 T32 C81 C49A

T10 C7 COB T33 C110 C85

T11 C46 C26 T34 C85 C87A

T12 C49 C50 T35 C87A C80A

T13 C50 C23 T36 C80A C78T14 C23 C17 T37 C78 C77

T15 C42 C43A T38 C77 C74

T16 C43A C46A T39 C113 C111

T17 C46A C49A T40 C111 C80A

T18 C49A C54 T41 C66 C7

T19 C54 C55 T42 C117 C123

T20 C55 C76 T43 C105 C105A

T21 C76 C74 T44 C105A C102

T22 C74 C69 T45 C102 C43A

T23 C69 C68 T46 C26 C18

C34

C32

C42

C3A

C105A C102

C105C90

C89

C85

C10

C117

C123

C113

C111

C87

C78C69

C64A

C64C63C93

C93A

C93BC93C

C41C93CC165

C165A

C165C

C160C160B

C159A

C159B

C159C

C159D

A1

A1

B0

C159E

C74

C76

C80

C80

C29

C26

C46

C46A

C49

C49A

C23

C17

C10

C7A

C7

C08C55 C54

C57

C18

Figura 3 2: Plano de diseo geomtrico de la red de Prado.

Tramo Nudo Inicial Nudo Final

TA1 C63 C63A

TA2 C63A C93

TA3 C93 C93ATA4 C93A C93B

TA5 C93B C93C

TA6 C93C C93D

TA7 C93D C141

TA8 C141 C165

TA9 C165 C165A

TA10 C165A C165B

TA11 C165B C160A

TA12 C160A C160B

TA13 C160B C159ATA14 C159A C159C

TA15 C159C C159D

TA16 C159D C159E

TA17 C159E A155A

TA18 A155A C153

TA19.1 A155A A155B

TA19.2 A155B BOT

TA20 C165C C160A

TA21 C159B C159A

TA22 C63B C63A


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rea tributaria que proviene de otras zonas y cuyocaudal ser transportado a travs de ste. Las reasse acumulan de acuerdo con la conectividad quetengan los tramos.

Del mismo modo, se obtienen los datos restantespara los tramos del sector de El Chagualo, cuyas aguasresiduales y lluvias son descargadas al InterceptorOriental y al ro Medelln respectivamente.

Y

X

1480

1490

C64 A

1474.36

C66

1474.20

C76

1485.21

C64

1474.36C68

1477.72 C69

1479.17C74

1484.50 C77

1485.46

C78

1491.16

Figura 36: Detalle de las cotas de terreno de las cmaras de inspeccin.

61

52 59

5667

6468

68

6962

64

65 66

67

69

25

13

12

11

10

8

89

259

45

5

38

48504

42

28

40

2827

29

30

3244

51

20

24

28

2122

24

36

18

19

37

47

6

43

14

25

Figura 3 7: reas tributarias a cada tramo del sistema.

De acuerdo con la Figura 3-7 se determina el tamaode la supercie de cada rea tributaria (para agilizareste proceso se puede utilizar un sotware de diseoasistido por computador, como AutoCad).

En la siguiente tabla se presentan los valores delas reas tributarias cuyo caudal se descarga en lacobertura ubicada en la calle 62 con carrera 51.

Previamente se ha determinado que tipo de aguase va a transportar, si residual, lluvias o combinadas,esto con el n de asignar la respectiva rea. Se calculatanto el rea tributaria propia del tramo, como el

Con la geometra de la red establecida, se determinan las reas tributarias a cada uno de los

tramos de la red (con base en el rea tributaria a cada tramo), las cuales se utilizarn en elclculo de los caudales residuales y de aguas lluvias. Estas reas se muestran en la Figura 3-7.


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Tabla 32 reas tributarias del sector Prado Centro.

reas tributarias (ha)

Aguas residuales residenciales Aguas lluviasTramo De A

Propia Otra Acumulada Propia Otra Acumulada 1 C34 C32 0.19 1.78 1.97 0.19 1.78 1.97

2 C32 C29 0 0 1.97 0 0 1.97

3 C29 C26 0.34 0.57 2.88 0.34 0.57 2.88

46 C26 C18 0.38 0.56 3.82 0.38 0.56 3.82

4 C18 C17 0 0 3.82 0 0 3.82

5 C17 C10 0.38 0.5 4.7 0.38 0.5 4.7

6 C10 C8 0.08 0 4.78 0.08 0 4.78

7 C8 C7A 0.05 0.56 5.39 0.05 0.56 5.39

8 C7A C7B 0.07 0 5.46 0.07 0 5.46

9 C7B C7 0.06 0 5.52 0.06 0 5.52

10 C7 COB 0.15 1.17 6.84 0.15 1.17 6.8 4

11 C46 C26 0.56 0 0.56 0.56 0 0.56

12 C49 C50 0.14 0 0.14 0.14 0 0.14

13 C50 C23 0.36 0.14 0.5 0 0.36 0.14 0.5 0

14 C23 C17 0 0.50 0.5 0 0 0.50 0.5 0

27 C57 C8 0.56 0 0.56 0.56 0 0.56

41 C66 C7 0.77 0 0.77 0.77 0 0.77

En la tabla 3-3 se presenta el resumen de las reas tributarias de todo el proyecto.

Tabla 3 3 reas tributarias totales de cada tramo de la red de Prado Centro

Tramo

rea tributaria

agua residual

(ha)

rea tributaria

agua lluvia

(ha)

Tramo

rea tributaria

agua residual

(ha)

rea tributaria

agua lluvia

(ha)

T1 1.97 1.97 T35 0.97 0.97

T2 2.54 2.54 T36 1.66 1.66

T3 2.88 2.88 T37 1.92 1.92

T4 3.82 3.82 T38 1.92 1.92

T5 4.70 4.70 T39 0.28 0.28

T6 4.78 4.78 T40 0.47 0.47

T7 5.39 5.39 T41 0.77 0.77

T8 5.46 5.46 T43 0.16 0.16

T9 5.52 5.52 T44 0.25 0.25

T10 6.84 6.84 T45 0.55 0.55

T11 0.56 0.56 T46 3.82 3.82


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Tramo

rea tributaria

agua residual

(ha)

rea tributaria

agua lluvia

(ha)

Tramo

rea tributaria

agua residual

(ha)

rea tributaria

agua lluvia

(ha)

T12 0.14 0.14 TA1 15.30 21.07

T13 0.50 0.50 TA2 25.01 21.07

T14 0.50 0.50 TA3 28.11 28.09

T15 8.01 8.01 TA4 28.91 28.89

T16 8.93 8.93 TA5 29.46 29.43

T17 10.56 10.56 TA6 30.17 30.14

T18 11.92 11.92 TA7 30.32 30.29

T19 11.92 11.92 TA8 31.02 30.99

T20 12.61 12.61 TA9 32.08 32.05

T21 12.61 12.61 TA10 32.23 32.20

T22 14.68 14.68 TA11 32.23 32.20

T23 14.71 14.71 TA12 32.98 32.41T24 14.79 14.79 TA13 33.42 32.85

T25 15.17 15.17 TA14 34.94 34.37

T26 15.30 15.30 TA15 36.18 34.37

T27 0.56 0.56 TA16 36.91 34.37

T28 0.30 0.30 TA17 36.91 34.37

T29 0.56 0.56 TA18 0.00 0.00

T30 1.28 1.28 TA19.1 0.00 34.37

T31 0.26 0.26 TA19.2 0.00 34.37

T32 1.00 1.00 TA20 0.75 0.21

T33 0.18 0.18 TA21 1.13 1.13T34 0.68 0.68 TA22 9.71 0.00

3.2 PARMETROS DE DISEO

A continuacin se presentan los parmetros dediseo que se utilizarn en el desarrollo del ejemplode diseo de la red de alcantarillado de PradoCentro.

3.2.1 CAUDALES DE AGUA RESIDUAL

De acuerdo con lo establecido en el Numeral 5.2.1 dela norma el perodo de diseo para la red de PradoCentro es de 30 aos, los cuales se cuentan a partirdel 2008, ao en el cual se realiza el diseo.

Para determinar los caudales de agua residualse debe utilizar la inormacin disponible de

EPM para el circuito del Batalln, ya que la redde Prado Centro pertenece a ste. A partir de losdatos de Proyeccin de caudales de suministropor circuito expresado en (L/s) y proporcionadospor EPM e indicados en la Tabla 3-4, se calcula laproyeccin de consumo para el perodo de diseo.

La proyeccin para obtener la dotacin del perodode diseo, se construye a partir de los datos de laTabla 3-4, haciendo uso de tendencias, tales como:lineal, logartmica, exponencial, entre otras. Deacuerdo con la dispersin que tengan los valores dela tabla, se determina cual es la tendencia que mejorrepresenta la proyeccin de consumo en el circuito.


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Tabla 34 Proyeccin de caudales de suministro para el circuito del Batalln

Ao 2008 2009 2010 2012 2014 2016 2018 2020

Caudal desuministro

(L/s)

131.54 133.93 136.32 141.10 145.88 150.66 155.44 160.22

En la Figura 3-8 se muestra la proyeccin de caudales de suministro (L/s) para el circuito Batalln.

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040

Ao

Caudal(L/s)

Figura 38: Proyeccin de caudales de suministro (L/s) para el circuito Batalln.

Para el ejemplo de diseo, la lnea de proyeccinmarca en el ao 2038 un caudal de suministro de203.23 L/s. Teniendo en cuenta que el rea total del

circuito Batalln es 224.03 hectreas, se obtiene unadotacin de 0.907 L/s ha. Este valor se utilizarpara obtener el caudal de aguas residuales en elsistema.

3.2.2 CAUDALES DE AGUA LLUVIA

De acuerdo con el Numeral 6.2 de la norma seestablece el perodo de retorno del evento deprecipitacin. Como el rea total que contribuye a

la red de Prado Centro que se est diseando tieneun rea mayor a las 10 hectreas y menor a 1000hectreas se debe utilizar un perodo de retorno de10 aos.

Para conocer las caractersticas hidrolgicas de lazona de estudio, se debe ubicar el proyecto en elplano de polgonos de Thissen con la localizacin

de

las estaciones pluviomtricasque tiene EPM. En laFigura 3-9 se muestra la ubicacin del proyecto dela red de Prado Centro; se puede observar que el

agua lluvia que llega a esta red proviene o drenadesde la zona tributaria a la estacin pluviogrcade la Planta de Villa Hermosa.

Para esta estacin pluviogrca EPM cuenta concurvas IDF e inormacin de duracin de las lluvias.La ecuacin de la curva IDF para un perodo deretorno de 10 aos de la estacin de la Planta VillaHermosa es la que se presenta a continuacin:

( ) 9946.0(min)161.3483)/(

dT

hmmi+

= Ecuacin 3 - 1

donde,i = Intensidad media de precipitacin (mm/hr).T

d= Duracin de la lluvia (min).


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Figura 39: Ubicacin de la zona de proyecto con respect a los lmites de inuenciadeterminados para las estaciones cercanas.


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- Trazar el rea tributaria propia del tramo.- Seleccionar los usuarios domsticos que se

encuentran dentro de cada rea tributaria por mediode la herramienta SIG.

Usuarios Prado Centro

Residencial

Oficial

Insdustrial

Comercial

Especiall

En la Figura 4-3 se muestra el conjunto de usuariosdomsticos ubicados en el rea tributaria propiadel tramo T41, de C66 a C7, y para la cual se estimsu caudal total de consumo de agua potabledomstico.

Figura 43: Distribucin de los clientes de la red de acueducto

en el rea tributaria del tramo T41: usodomstico.

- Determinar el consumo total de cada rea tributariacomo la suma de los consumos promedio de aguapotable de cada usuario.

- Convertir el consumo obtenido de agua potablea caudal de aguas residuales por medio del

coeciente de retorno.

Este tramo representa un caudal de consumo deagua potable de 1221.1 m3 /mes que luego seconvirtieron a caudal de aguas residuales, por mediode la expresin.

0.000386 * *D D

Q CR q= Ecuacin 4 - 1

donde,Q

D= Caudal de aguas residuales domstico (L/s).

CR

= Coeciente de retorno (0.85).q

D= Caudal de consumo domstico de agua

potable domstico (m3/mes).

Reemplazando para el tramo T41 se obtiene:

0.000386*0.85*1221.1 0.401 /DQ L s= =Ecuacin

4 - 2

Figura 42: Distribucin de clientes del sistema de alcantarillado en la zona de estudio.


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denidas y la asignacin de una contribucin netapara las mismas. Para el caso de la red de PradoCentro se dispone, igual que para el consumodomstico, de la ubicacin espacial y el valor delconsumo industrial de agua potable.

En la Figura 4-4 se muestra el conjunto de usuariosindustriales ubicados en el rea tributaria propia deltramo T41.

Figura 44: Distribucin de los clientes de la red de

acueducto en el rea tributaria del tramo T41:uso industrial.

El consumo industrial en este tramo corresponde a14.4 m3/mes* que aectado por un coeciente deretorno de 0.851 en la Ecuacin 4-1 se obtiene uncaudal de:

0.000386*0.85*14.4 0.005 /I

Q L s= = Ecuacin4 - 4

* (No obstante este consumo no es representativocomo industrial, se incluye a modo de ejemplo).

1El coeciente de retorno depender del proceso que se lleveen la industria; en algunos casos toda el agua consumida seevacuar al sistema de alcantarillado. Esto debe ser evaluadopor el diseador.

4.1.2 MTODO UTILIZANDO LA PROYECCINDEL CIRCUITO

El segundo mtodo que el diseador puede utilizares el de proyeccin del circuito de acuerdo con ladotacin establecida para el circuito en el cual seencuentra el proyecto. Para el caso de ejemplo ladotacin para el circuito Batalln ue establecida enel Numeral 3.1.1 de esta Gua, por lo tanto el caudalde agua residual se calcula multiplicando la dotacinde 0.907 L/s ha por el rea tributaria de cada tramode la red de Prado Centro.

Para el mismo tramo T41 el caudal ser de:

sLhahasLQD /698.077.0/907.0 == Ecuacin4 - 3

La dotacin que se estableci para el circuitoBatalln corresponde al promedio de los dierentestipos de contribucin (domstica, comercial,industrial e institucional). Es por esta razn que elcaudal de 0.698 L/s obtenido por este mtodo esmayor que el de 0.401 L/s obtenido por el mtododel Numeral 4.1.1, porque en este ltimo mtodo

solo se incluyeron contribuciones domsticas; unavez se totalicen los dierentes tipos de usuarios y susconsumos, se alcanzar un valor muy cercano al de0.698 L/s para el tramo y as para cada uno de lostramos que componen la red.

En caso de que en un circuito de acueductoexistieran usuarios con consumos superiores alpromedio, por ejemplo escuelas, clnicas, industrias,centros comerciales, entre otros, su consumo seingresa en la respectiva rea tributaria como un

aporte puntual.

4.2 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUASRESIDUALES INDUSTRIALES

De acuerdo con el Numeral 5.2.3.2 de la norma,es posible estimar el caudal de aguas residualesindustriales a partir de las reas tributarias ya


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tipo de contribucin para todos los tramos de la red de Prado Centro. En esta tabla QD

corresponde al caudal

domstico, Qc

al caudal comercial, QIal caudal industrial, Q

OFal caudal ocial y Q

ESPal caudal especial.

Tabla 41 Caudales de agua residual de aporte a cada tramo de la red de Prado Centro

Tramo QD (L/s) Qc L/s) QI (L/s) QOF(L/s) QESP (L/s)T1 1.101 0.002 0.021 0.000 0.025T2 1.260 0.009 0.021 0.000 0.025

T3 1.429 0.048 0.021 0.000 0.051

T4 1.690 0.192 0.021 0.012 0.051

T5 1.759 0.215 0.021 0.013 0.124

T6 1.782 0.232 0.021 0.013 0.195

T7 2.019 0.232 0.021 0.013 0.211

T8 2.066 0.232 0.021 0.013 0.216

T9 2.114 0.232 0.021 0.013 0.221

T10 2.781 0.492 0.027 0.014 0.309T11 0.214 0.144 0.000 0.012 0.000

T12 0.020 0.000 0.000 0.000 0.000

T13 0.046 0.007 0.000 0.001 0.001

T14 0.046 0.007 0.000 0.001 0.001

T15 4.805 0.034 0.024 0.000 0.154

T16 5.180 0.089 0.029 0.000 0.172

T17 5.398 0.178 0.029 0.000 0.334

T18 5.812 0.204 0.029 0.000 0.343

T19 5.812 0.204 0.029 0.000 0.343

T20 6.167 0.209 0.033 0.000 0.360T21 6.167 0.209 0.033 0.000 0.360

T22 6.639 0.429 0.033 0.000 0.748

T23 6.654 0.429 0.033 0.000 0.748

T24 6.670 0.429 0.033 0.000 0.748

T25 6.827 0.446 0.033 0.000 0.748

T26 6.903 0.446 0.033 0.000 0.748

T27 0.189 0.000 0.000 0.000 0.011

T28 0.023 0.006 0.000 0.000 0.032

T29 0.064 0.047 0.000 0.000 0.038

T30 0.119 0.089 0.000 0.000 0.144T31 0.039 0.020 0.000 0.000 0.009

T32 0.249 0.026 0.000 0.000 0.009

T33 0.032 0.000 0.000 0.000 0.000

T34 0.134 0.000 0.000 0.000 0.066

T35 0.213 0.000 0.000 0.000 0.201

T36 0.242 0.217 0.000 0.000 0.309


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25

Para el caso del tramo T41, que une las cmaras C66y C7, los caudales de aguas residuales domsticas,comerciales, industriales, oiciales y especialestributario son 0.409 L/s, 0.232 L/s, 0.005 L/s, 0.001L/s y 0.083 L/s respectivamente lo que da un caudal

medio de aguas residuales de:

En el diseo de la red de Prado Centro se utiliza laecuacin de Tchobanoglous del Numeral 5.2.6 dela norma:

0.0733

3.7

MDI

FQ

=

Ecuacin 4 - 10

donde,F = Factor de Mayoracin (adimensional).Q

MDI= Caudal medio diario de aguas residuales

tributario a cada tramo (L/s).

El actor de mayoracin del tramo T41 es:

( )79.3

73.0

7.37.3

0733.00733.0===

MDIQF Ecuacin

4 - 11

Luego, mayorando nicamente el caudal de aguasresiduales domsticas y adicionando el componentede aguas comerciales, industriales, oiciales yespeciales tributario a cada tramo de la red dealcantarillado se calcula el caudal mximo horariode aguas residuales de cada tramo.

Para el Tramo T41 se muestra el procedimientode clculo antes mencionado haciendo uso de la

Ecuacin 4-9, como muestra las ecuaciones 4-12y 4-13.

QD

= Caudal de aguas residuales domstico (m3/s).Q

I= Caudal de aguas residuales industriales (m3/s).

QC

= Caudal de aguas residuales comerciales (m3/s).Q

OF= Caudal de aguas residuales ociales (m3/s).

Para cada tramo de la red de Prado Centro se calcula elcaudal medio diario por medio de la Ecuacin 4-7.

0.409 0.232 0.005 0.001 0.083 0.730 /MDQ L s= + + + + = Ecuacin 4 - 8

Al comparar este valor de caudal medio (0.730 L/s)con el caudal obtenido usando la dotacin promedio(0.698 L/s) se puede concluir que los dos caudalesson muy parecidos. Por esta razn cualquiera delas dos metodologas es viable para determinar loscaudales de agua residual, el uso de cada una deellas depende de la inormacin con que cuente eldiseador.

4.7 CLCULO DEL CAUDAL MXIMOHORARIO

El Numeral 5.2.5 de la norma indica que el caudalmximo horario de aguas residuales (Q

MH), es la base

para establecer el caudal de diseo de cada uno delos tramos que conorman una red de alcantarilladode aguas residuales. El caudal mximo horario delda de mximo consumo se calcula a partir delcaudal nal medio diario, utilizando un actor demayoracin, F, calculado con la Ecuacin 4-9.

OFfCfifDfMHf QQQQFQ +++=Ecuacin

4 - 9

donde,

QMH = Caudal mximo horario nal (m3/s).F = Factor de mayoracin (adimensional).Q

D= Caudal de aguas residuales domstico nal (m3/s).

QI

= Caudal de aguas residuales industriales inal (m3/s).Q

C= Caudal de aguas residuales comerciales inal (m3/s).

QOF

= Caudal de aguas residuales ociales nal (m3/s).


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( ) slslslslslQMHf /083.0/001.0/005.0/232.0/409.079.3 ++++= Ecuacin 4 - 12

slQMHf /87.1= Ecuacin 4 - 13

4.8 CLCULO DEL CAUDALPOR INFILTRACIN

Para determinar los caudales por inltracin lo ideales realizar aoros en el sistema, en horas de mnimoconsumo de agua potable, tal como lo indica el Numeral5.2.3.6 de la norma. Debido a que no se cuenta con estainormacin para calcular el caudal por inltracin sehar uso del valor unitario de 0.04 m por milmetro de

dimetro de la tubera por kilmetro de longitud por da(m/mm dimetrokmda)2 recomendado por la norma.

Debido a que todava no se conocen los dimetrosde diseo, ue necesario estimar inicialmente elcaudal de inltracin con un valor de 0.2 L/s*ha,

pINF Aha

slQ =

/2.0 Ecuacin 4 - 14

donde,

AP = rea tributaria propia del tramo en ha.Para estimar el caudal de inltracin del tramo T41,se tiene que su rea tributaria es de 0.77 hectreas,por lo tanto su caudal de inltracin ser:

slhaha

slQINF /154.077.0

/2.0 == Ecuacin 4 - 15

De igual modo se realiza el clculo para los tramosrestantes.

4.9 CLCULO DEL CAUDAL DE AGUASRESIDUALES POR CONEXIONESERRADAS

El caudal correspondiente a las conexiones erradasde una red de alcantarillado debe determinarse deacuerdo con el Numeral 5.2.3.5 de la norma. Para

el caso de la red de Prado Centro este caudal no sedetermina debido a que se trata de un alcantarillado

de aguas combinadas.

4.10 CLCULO DEL CAUDAL DE DISEODE AGUA RESIDUAL

Este caudal se obtiene de la suma del caudal mximohorario nal del da de mayor consumo de aguapotable, Q

MH, ms los aportes de caudal de inltracin

y caudal de aguas residuales por conexiones erradas,de acuerdo con la Ecuacin 4-16.

CEfINFMHfDT QQQQ ++= Ecuacin 4 - 16

donde,Q

DT= Caudal de diseo para cada tramo (m3/s).

QMH

= Caudal mximo horario nal (m3/s).Q

INF= Caudal por inltraciones (m3/s).

QCE

= Caudal por conexiones erradas nal (m3/s).

Si el sistema de alcantarillado es solamente de aguaresidual, el caudal de diseo se debe determinar

mediante la Ecuacin 4-16 y en caso de que seamenor a 1.5 L/s, se debe utilizar este valor comocaudal de diseo. Para sistemas de alcantarilladocombinado el caudal de diseo se establece en elNumeral 6.1.1 de esta Gua.

Como ejemplo, el caudal de diseo de aguasresiduales para el rea tributaria del tramo T41 secalcula de la siguiente manera, como se muestraen la ecuacin 4-17

En la Tabla 4-2 se muestran los caudales de aguaresidual de acuerdo con el tipo de contribucin yel caudal de diseo de aguas residuales de la redde Prado Centro.

2Fuente: Gravity Sanitary Sewer Design and Construction, ASCEManuals And Reports On Engineering Practice N60, 1982.


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Captulo 5 CAUDAL DE AGUASLLUVIAS

Para la estimacin de los caudales de diseo de aguas

lluvias el diseador deber utilizar el mtodo racionalsiempre y cuando el rea de drenaje sea menora 80 hectreas y se cumpla con las restriccionesexpresadas en el Numeral 6.2.4.1 de la norma. En estemtodo se determinan los caudales mximos a partirdel tiempo de concentracin del rea de drenaje yla relacin que ste tiene con dierentes perodos deretorno para estimar la intensidad media del eventode precipitacin de diseo. Adicionalmente, se tieneen cuenta un coeciente de escorrenta de acuerdo

con el tipo de suelo y del uso que se le est dandoal mismo.

Por medio de la Ecuacin 5-1 se puede calcular elcaudal mximo de aguas lluvias de acuerdo con elmtodo racional.

CiAQ = Ecuacin 5 - 1

donde,Q = Caudal mximo de aguas lluvias (L/s).C = Coeciente de escorrenta (adimensional).i = Intensidad de precipitacin (L/s/ha).A = rea tributaria (ha).

El coeiciente de escorrenta tiene en cuenta elcoeciente de impermeabilidad que est relacionadocon el tipo de supercie del rea de drenaje, ademsde involucrar la pendiente promedio de la cuenca dedrenaje como se muestra en la Ecuacin 5-2.

SIC *05.0*65.014.0 ++= Ecuacin 5 - 2

donde,I = Coeciente de impermeabilidad (adimensional).S = Pendiente promedio del rea tributaria (m/m).

El coeciente de impermeabilidad, I, es uncindel tipo del suelo de la cuenca, del grado de

permeabilidad de la zona, de la pendiente delterreno y de todos aquellos otros actores quedeterminan qu parte de la precipitacin seconvierte en escorrenta. Tambin se deben tener encuenta las consideraciones expuestas en el Numeral

6.2.7 de la norma.

El diseador debe hacer uso de los coecientes deimpermeabilidad que se presentan en la Tabla 5-1.

Tabla 5 1 Coefcientes de impermeabilidad

Tipo de supercie I

Cubiertas 0.90

Pavimentos aslticos y supericies de

concreto

0.90

Vas adoquinadas 0.85

Zonas comerciales o industriales 0.90

Residencial , con casas contiguas,predominio de zonas duras

0.75

Residencial multiamiliar, con bloquescontiguos y zonas duras entre stos

0.75

Residencial uniamiliar, con casas conti-guas y predominio de jardines

0.60

Residencial, con casas rodeadas de

jardines o multiamiliares apreciablementeseparados

0.45

Residencial, con predominio de zonasverdes y parques-cementerios

0.30

Laderas sin vegetacin 0.60

Laderas con vegetacin 0.30

Parques recreacionales 0.30

Para calcular la intensidad de la precipitacin es

necesario determinar el tiempo de concentracin,el cual es uncin de los tiempos de entrada y detrnsito.

Para el primer tramo, el tiempo de entradacorresponde al tiempo que toma el fujo supercialen viajar desde la parte ms alejada del reatributaria hasta el punto de entrada o hasta el


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Figura 51: rea tributaria del tramo T1

De acuerdo con el Captulo 3 y la Figura 5-1 las reastributarias que llegan al Tramo 1 son la 29, 30 y 32.Al realizar las mediciones en el plano se tiene que la

longitud mxima de fujo de escorrenta superciales de 215.1 metros y que la pendiente promedio delrecorrido de esa lnea es de 8.9 %.

Suponiendo una velocidad media de fujo en el TramoT1 de 5 m/s y sabiendo que la longitud del tramo esde 72.93 metros, el tiempo de recorrido es:

- Paso 9. Con el valor del caudal (paso 7) y el dimetrodel tramo (paso 8), calcular la velocidad en el tramo ycomparar con el valor supuesto en el paso 1. Si estosvalores tienen una dierencia superior o igual al 1%,el proceso iterativo se vuelve a iniciar utilizando como

velocidad la ltima calculada.

Sin embargo, si el tiempo de concentracin mnimoen las cmaras iniciales es inerior a 3 minutos, sedebe adoptar como tiempo de concentracin 3minutos. Por otro lado, el tiempo de concentracinmximo debe ser 15 minutos.

Para ilustrar el procedimiento antes descrito setomar como ejemplo dos tramos de la red de

Prado Centro. El primero un arranque y el segundosu continuidad.

En primer lugar se tiene el Tramo T1, la orma ycaractersticas del rea tributaria se presentan laFigura 5-1.

min243.0560

93.72=

=t

T Ecuacin 5 - 6

Para determinar el tiempo de entrada se utiliza un coeciente de impermeabilidad de 0.75 correspondientea zonas residenciales multiamiliares con casas contiguas predominadas de zonas impermeables y losvalores de longitud y pendiente del rea tributaria establecidos antes, ecuacin 5-7.

( )min129.8

089.0

1.21575.01.1707.0

3/1=

=

eT Ecuacin 5 - 7

Entonces el tiempo de concentracin ser, como se muestra en la ecuacin 5-8.

min372.8min129.8min243.0 =+=C

T Ecuacin 5 - 8

Como se mencion en el Numeral 3.1.2 el perodo de retorno que se debe utilizar en el diseo de la red dePrado Centro es de 10 aos. Para la estacin de la Planta Villa Hermosa la ecuacin que describe la curvaIDF para este perodo de retorno es:


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34

( ) 9946.0(min)16

1.3483)/(

Tchmmi

+= Ecuacin 5 - 9

Con la ecuacin de la curva IDF de la estacin Planta Villa Hermosa se calcula la intensidad promedio

como:

( ) hasL

hmmi/

9.403/4.145372.816

1.3483

9946.0==

+= Ecuacin 5 - 10

Se usa el actor 100/36 para convertir la intensidad expresada en mm/h a L/s/ha.

El coeciente de escorrenta se calcula mediante la siguiente expresin:

632.0089.0*05.075.0*65.014.0 =++=C Ecuacin 5 - 11

El rea total de este tramo es de 1.97 hectreas de acuerdo con la Tabla 3-3, por lo tanto el caudal de agualluvia ser:

( ) ( ) Lhaha

sLCiAQ /9.50297.1

/9.403632.0 = == Ecuacin 5 - 12

Para determinar la velocidad de fujo del tramo, primero se estable la proundidad normal de acuerdo conla siguiente expresin que relaciona el caudal que pasa por la tubera, bajo la condicin de fujo uniorme,como uncin de la rugosidad absoluta de la tubera, del radio hidrulico de la seccin transversal, de laviscosidad cinemtica del agua y de la pendiente del tramo.

o

s

ogRSRR

kgRSAQ

84

51.2

8.14log82 10

Ecuacin 5 - 13

donde,Q = Caudal del fujo (m3/s).R = Radio hidrulico (m).A = rea mojada transversal (m2).S

o

= Pendiente longitudinal del tramo. = Viscosidad cinemtica (m2/s)

Una vez se tiene la proundidad normal, la velocidad de fujo se calcula mediante las siguientes tresecuaciones:

+=

2/

2/2

d

dyarcsen n Ecuacin 5 - 14


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35

( )( ) Send

A =8

2

Ecuacin 5 - 15

A

Q

v=

Ecuacin 5 - 16

Para el caso especco del tramo 1 que tiene una pendiente de 6.18% se sigui el diagrama de fujo de diseoestablecido en el Numeral 6.1 requirindose una tubera de PVC de 16 de dimetro nominal (0.362 metros dedimetro interno). Utilizando la Ecuacin 5-13 se determina la proundidad normal como:

( ) ( )( ) ( ) ( )

+

=

nnn

nnyRyRyR

* * *yRyA85.44

1014.151.2

8.14

105.1log85.425029.0

66

10 Ecuacin 5 - 17

Al resolver la ecuacin se obtiene una proundidad normal de 0.236 metros.

Utilizando la Ecuacin 5-14, la Ecuacin 5-15 y la Ecuacin 4-15 se determina la velocidad de fujo como:

radoarcsen 759.338.215181.0

181.0236.02 =

+= Ecuacin 5 - 18

( )( )( ) 2

2

071.038.215759.38

362.0mSenA == Ecuacin 5 - 19

sm

m

sm

v /08.7071.0

/5029.02

3

== Ecuacin 5 - 20

Tabla 52 Clculo del caudal de agua lluvia del tramo T1

Velocidadsupuesta

Tiempo derecorrido

Tiempo deentrada

Tiempo deconcentracin

Intensidadmedia

Caudal deagua lluvia

Velocidadnal

[ m/s ] [ min ] [ min ] [ min ] [ L/s/ha ] [ L/s ] [ m/s ]

5.00 0.243 8.129 8.372 403.9 502.8 7.08

7.08 0.172 8.129 8.300 405.1 504.3 7.06

Teniendo en cuenta que la relacin entre el tiempo de trnsito asumido y el tiempo de trnsito nal, (tta/ t

t), debe

estar en un rango de 0.99 y 1.01, se procede a chequear con el valor obtenido al desarrollar la Ecuacin 5-20.

Como la velocidad nal diere en un 29% con respecto a la velocidad supuesta, se debe reiniciar elprocedimiento antes descrito desde el paso 1. En la Tabla 5-2 se presenta el resumen de las iteracionesrealizadas para encontrar el caudal de agua lluvia del tramo 1.


36/72


37/72


37

radoarcsen 462.333.198226.0

226.0262.02 =

+= Ecuacin 5 - 27

( ) ( )( ) 22

0964.033.198462.38452.0 mSenA == Ecuacin 5 - 28

sm

m

sm

v /72.60964.0

/6476.0

2

3

== Ecuacin 5 - 29

Como la velocidad fnal difere en un 26% con respecto a la velocidad supuesta se debe reiniciar el

procedimiento antes descrito. En la Tabla 5-3 se presenta el resumen de las iteraciones realizadas paraencontrar el caudal de agua lluvia del Tramo 2.

Tabla 53 Clculo del caudal de agua lluvia del tramo T2

Velocidadsupuesta

Tiempo derecorrido

Tiempo deentrada

Tiempo de

concentracinIntensidad

mediaCaudal de

agua lluviaVelocidad

nal

[ m/s ] [ min ] [ min ] [ min ] [ L/s/ha ] [ L/s ] [ m/s ]

5.00 0.020 8.300 8.320 404.7 647.5 6.72

6.72 0.015 8.300 8.315 404.8 647.6 6.72

5.2 CAUDALES DE DISEO

De la misma manera que se calcularon los caudales de agua lluvia de los Tramos 1 y 2 se procede adeterminar los caudales de agua lluvia de los dems tramos que conorman la red de Prado Centro. En laTabla 5-4 se presentan los caudales de agua lluvia de acuerdo con el procedimiento establecido en elnumeral anterior:

Tabla 5 4 Caudales de diseo de aguas lluvias para la red de Prado Centro

TramoQ

LLU

(m3/s)Tramo

QLLU

(m3/s)

TramoQ

LLU

(m3/s)

T1 0.503 T24 2.977 TA1 4.211

T2 0.643 T25 3.027 TA2 4.218T3 0.728 T26 3.056 TA3 5.619

T4 0.955 T27 0.112 TA4 5.775

T5 1.181 T28 0.063 TA5 5.879

T6 1.201 T29 0.118 TA6 6.022

T7 1.343 T30 0.266 TA7 6.051

T8 1.355 T31 0.066 TA8 6.192


38/72


38

TramoQ

LLU

(m3/s)Tramo

QLLU

(m3/s)

TramoQ

LLU

(m3/s)

T9 1.369 T32 0.254 TA9 6.405

T10 1.689 T33 0.049 TA10 6.434

T11 0.130 T34 0.186 TA11 6.434T12 0.041 T35 0.262 TA12 6.476

T13 0.145 T36 0.445 TA13 6.564

T14 0.145 T37 0.511 TA14 6.863

T15 1.604 T38 0.511 TA15 6.863

T16 1.792 T39 0.083 TA16 6.864

T17 2.118 T40 0.136 TA17 6.860

T18 2.388 T41 0.218 TA18 0.000

T19 2.382 T43 0.041 TA19.1 6.860

T20 2.518 T44 0.063 TA19.2 6.860T21 2.518 T45 0.137 TA20 0.056

T22 2.938 T46 0.959 TA21 0.238

T23 2.950 TA22 0.000


39/72


39

La inormacin especca de la zona del proyectoes la que le permite al diseador conocer lascaractersticas especiales de su modelo y tomarla decisin de incluir elementos especiales comoaliviaderos, estaciones de bombeo, cmaras de cada

y/o dispositivos de almacenamiento.

6.1 DISEO TRAMO A TRAMO

La ecuacin que determina la capacidad de unatubera trabajando parcialmente llena de acuerdocon la norma es la que combina las ecuacionesde Darcy-Weisbach y Colebrook White y relacionael caudal que pasa por tal tubera bajo condicinde fujo uniorme como uncin de la rugosidad

absoluta de la tubera, del radio hidrulico de laseccin transversal, de la viscosidad cinemtica delagua y de la pendiente longitudinal del trazado.

Tales caractersticas de lujo deben compararsecon los parmetros correspondientes que rigenel diseo de la normativa aplicable a cada tipo dealcantarillado en particular; entre ellas se incluye laproundidad normal de fujo, la velocidad media, elporcentaje del caudal a tubo lleno, la proundidadhidrulica y el nmero de Froude. Adicionalmentese debe revisar que no se inrinjan restriccionesde diseo independientes a las hidrulicas, entreellas las condiciones geotcnicas las cuales estndirectamente relacionadas con la proundidad deexcavacin.

Es posible representar el algoritmo iterativo que se rea-liza en el diseo de tramos de alcantarillado bajo fujouniorme en esquemas como el de la Figura 6 -1.

Captulo 6 DISEO HIDRULICODE LA RED DE ALCANTARILLADO

La norma establece un procedimiento de diseo

que comprende el predimensionamiento de lastuberas de la red a travs de las ecuaciones defujo uniorme, la inclusin de prdidas menores enel diseo de cmaras de inspeccin y de cada, y lacomprobacin de la lnea de gradiente hidrulico yenerga total dentro de cada tramo de alcantarilladopara vericar sobrecargas y ormacin de resaltoshidrulicos.

Antes de proceder con el diseo, el ingeniero

diseador debe comprender y analizar la inormacindisponible sobre el sitio, usuarios, redes existentes,etc., con el n de modelar el sistema de la manerams coherente posible con las condiciones deoperacin del prototipo.

+=

s

gRSRR

kgRSAQ

84

51.2

8.14log82 10

Ecuacin 6 - 1

donde,Q = Caudal del fujo (m3/s).k

s= Rugosidad absoluta de la tubera (m).

R = Radio hidrulico (m).A = rea mojada transversal (m2).S

o= Pendiente longitudinal del tramo (m/m).

= Viscosidad cinemtica (m2/s).

La ecuacin anterior permite calcular el dimetromnimo necesario para alcanzar una capacidad de

descarga igual o mayor que el caudal de diseoespecicado, cumpliendo a la vez con el criterio deproundidad mxima.

Una vez se ha determinado el menor dimetro

interno comercial del material escogido cuya

capacidad iguale o exceda el caudal de diseo se

deben establecer las caractersticas normales


40/72


41/72


41

Tabla 6 1 Caudales de diseo para sector prado

TramoQ

DISEO

(m3/s)Tramo

QDISEO

(m3/s)

TramoQ

DISEO

(m3/s)T1 0.508 T24 3.002 TA1 4.237

T2 0.648 T25 3.053 TA2 4.256

T3 0.734 T26 3.082 TA3 5.658

T4 0.962 T27 0.113 TA4 5.815

T5 1.189 T28 0.063 TA5 5.922

T6 1.209 T29 0.119 TA6 6.065

T7 1.352 T30 0.267 TA7 6.094

T8 1.364 T31 0.066 TA8 6.235

T9 1.378 T32 0.255 TA9 6.449

T10 1.701 T33 0.049 TA10 6.478

T11 0.131 T34 0.187 TA11 6.478T12 0.041 T35 0.263 TA12 6.521

T13 0.145 T36 0.447 TA13 6.609

T14 0.145 T37 0.513 TA14 6.910

T15 1.622 T38 0.513 TA15 6.917

T16 1.811 T39 0.083 TA16 6.918

T17 2.138 T40 0.136 TA17 6.914

T18 2.410 T41 0.220 TA18 0.054

T19 2.404 T43 0.042 TA19.1 6.860

T20 2.541 T44 0.064 TA19.2 6.860

T21 2.541 T45 0.138 TA20 0.056T22 2.963 T46 0.966 TA21 0.239

T23 2.975 TA22 0.013

puedan ser utilizados en el diseo de la red dealcantarillado, teniendo en cuenta las limitacionesque pueda tener en la ase de construccin, comopor ejemplo longitud controlada.

En el caso de las redes de alcantarillado de la ciudadde Medelln y de los municipios atendidos por EPM

los materiales que comnmente se utilizan son PVC,GRP y Concreto; para estos tres materiales se debenseguir las especicaciones tcnicas descritas en lasnormas Incontec e internacionales que se relacionanen el Numeral 4.2.6 de la norma.

La base de dimetros que se va a considerar para eldiseo es la que se presenta en la Tabla 6-2.

Una vez se tiene la base de dimetros se procedea encontrar el dimetro de la tubera que permitatransportar el caudal de diseo establecido en loscaptulos anteriores.

Tomando como ejemplo el diseo del Tramo TA17

el cual tiene una longitud de 38.31 metros, unapendiente de 0.00143, un caudal de diseo de 6.914m3/s y en el que se utilizar GRP como material delas tuberas con un ks de 0.03 mm.


42/72


42

Tabla 62 Base de dimetros para el diseo

Dimetro comercialDimetro real interno

en PVCDimetro real interno

en GRPDimetro real interno

en Concreto

10 0.227 m 0.250 m 0.250 m

12 0.284 m 0.300 m 0.300 m14 - 0.350 m 0.350 m

16 0.362 m 0.400 m 0.400 m

18 0.407 m 0.450 m 0.450 m

20 0.452 m 0.500 m 0.500 m

24 0.595 m 0.600 m 0.600 m

27 0.671 m 0.700 m 0.700 m

30 0.747 m 0.800 m 0.800 m

36 0.899 m 0.900 m 0.900 m

40 - 1.000 m 1.000 m42 1.051 m - -

44 - - 1.100 m

48 1.203 m 1.200 m 1.200 m

52 1.295 m - 1.300 m

54 1.353 m - -

56 - 1.400 m 1.400 m

60 1.507 m - 1.500 m

64 - 1.600 m 1.600 m

68 - 1.700 m72 - 1.800 m 1.800 m

El primer paso es escoger la relacin entre la proundidad de fujo y el dimetro de la tubera, que para estecaso el valor es de 0.70 porque el dimetro inicial (250 mm) a utilizar es menor de 500 mm; esta relacin seescoge de acuerdo con el Numeral 6.2.19 de la norma. Con esta relacin se determina el ngulo subtendidoentre el centro de la seccin transversal y los puntos de contacto entre la supercie libre y la circunerenciade la tubera, as:

+=

2/

2/2

d

dyarcsen n

radd

ddarcsen 965.3

2/

2/7.02 =

+=

Ecuacin 6 - 2

Calculado el ngulo antes descrito se procede a escoger el primer dimetro de la base de dimetros (0.250metros) para calcular las caractersticas geomtricas de la tubera como el rea, el permetro y el radiohidrulico como se muestra en las siguientes tres ecuaciones:


43/72


43

( )( ) Send

A =8

2

( )( )( ) 2

2

0367.0965.3965.3

8

25.0mSen

mA ==

Ecuacin 6 - 3

dP

2

1=

mmradP 496.025.0965.3

2

1= =

Ecuacin 6 - 4

P

AR =

m

m

mR 074.0

496.0

0367.02

==

Ecuacin 6 - 5

Con las caractersticas geomtricas de la tubera, la rugosidad, pendiente de la misma y la viscosidadcinemtica del agua se puede determinar el caudal que puede transportar esa tubera con una relacinde proundidad normal de 0.7 veces el dimetro, como:

+=

o

s

gRSRR

kgRSAQ

84

51.2

8.14log82 10

smQ

Q

/026.0

00143.0074.081.98074.04

10*14.151.2

074.08.14

10*

* * * * *

*5.1log** * * * 00143.0074.081.980367.02

3

66

10

=

+=

Ecuacin 6 - 6

Este caudal de 0.026 m3/s es menor que el caudal de diseo de 6.914 m3/s, por lo tanto se debe utilizarun dimetro mayor. Para los siguientes dimetros reales internos se realiz el mismo procedimiento hastaencontrar el dimetro que permita transportar el caudal de diseo. En la Tabla 6-3 se muestran los resultados.

Una vez se ha determinado el dimetro de la tubera que puede transportar el caudal de diseo, se debeencontrar la proundidad normal de fujo para dicho caudal. En la Tabla 6-4 se presenta el resumen de losclculos realizados. Para determinar la proundidad normal de fujo correspondiente al caudal de diseo,se establece una proundidad normal inicial pequea y se va aumentando hasta encontrar la que corres-ponda al caudal de diseo. La octava columna se usa para la vericacin de la proundidad, cuando sepase de un No a un S esa es la proundidad normal de fujo que debe haber en la tubera para que sepueda transportar el caudal de diseo antes especicado.


44/72


44

Tabla 63 Determinacin del dimetro de diseo

D Y A P R Q Q > Q D(m) (m) (rad) (m2) (m) (m) (m3/s) (S / No)

0.250 0.175 3.965 0.037 0.496 0.074 0.026 No

0.300 0.210 3.965 0.053 0.595 0.089 0.042 No0.350 0.245 3.965 0.072 0.694 0.104 0.063 No

0.400 0.280 3.965 0.094 0.793 0.118 0.090 No

0.450 0.315 3.965 0.119 0.892 0.133 0.123 No

0.500 0.400 4.429 0.168 1.107 0.152 0.190 No

0.600 0.480 4.429 0.242 1.329 0.183 0.306 No

0.700 0.560 4.429 0.330 1.550 0.213 0.460 No

0.800 0.640 4.429 0.431 1.771 0.243 0.653 No

0.900 0.720 4.429 0.546 1.993 0.274 0.890 No

1.000 0.850 4.692 0.712 2.346 0.303 1.237 No1.200 1.020 4.692 1.025 2.815 0.364 1.994 No

1.400 1.190 4.692 1.395 3.285 0.425 2.985 No

1.600 1.360 4.692 1.822 3.754 0.485 4.233 No

1.800 1.530 4.692 2.305 4.223 0.546 5.758 No

2.000 1.700 4.692 2.846 4.692 0.607 7.581 Si

Tabla 64 Determinacin de la proundidad normal de ujo para el dimetro seleccionado

D Y A P R Q Q > Q D(m) (m) (rad) (m2) (m) (m) (m3/s) (m3/s)

2.000 1.300 3.751 2.162 3.751 0.576 5.581 No

2.000 1.350 3.857 2.256 3.857 0.585 5.879 No

2.000 1.400 3.965 2.349 3.965 0.592 6.167 No

2.000 1.450 4.075 2.439 4.075 0.599 6.446 No

2.000 1.500 4.189 2.527 4.189 0.603 6.710 No

2.000 1.520 4.235 2.562 4.235 0.605 6.812 No

2.000 1.541 4.285 2.597 4.285 0.606 6.916 Si

De la Tabla 6-4 se observa que el valor de proundidad normal es de 1.541 metros (y/D = 77.1 %).

6.1.3 EVALUACIN DE CRITERIOS HIDRULICOS

Una vez se ha determinado cul es el dimetro y la proundidad de fujo se procede a calcular las caracters-ticas hidrulicas del tramo para vericar si cumple con los criterios de velocidad mnima, esuerzo cortantemnimo, nmero de Froude y relacin y/D.


45/72


45

En primer lugar se determina el nmero de Froude para vericar que el tramo no trabaje en fujo cuasicrtico;de lo contrario es necesario variar la pendiente a n de solucionar este inconveniente. Para determinar elnmero de Froude se debe calcular el ancho supercial y el rea de la seccin transversal, utilizando lassiguientes ecuaciones:

=2

SendT

m

radSenmT 682.1

2

285.40.2 ==

Ecuacin 6 - 7

( )( ) Send

A =8

2

( ) ( )( ) 22

597.2285.4285.48

0.2mSen

mA ==

Ecuacin 6 - 8

T

AgA

QFr=

684.0

682.1

597.2

/81.9597.2

/914.6

2

22

3

==

m

m

smm

smFr

Ecuacin 6 - 9

Como el nmero de Froude no se encuentra entre el rango de 0.7 a 1.5 no hay problema por fujo cuasicrtico; porlo tanto el rgimen de fujo en este tramo ser fujo subcrtico porque el nmero de Froude es menor de 1.

Luego se debe evaluar la velocidad de fujo para vericar si se encuentra en el rango permitido por norma.La velocidad se calcula como:

smm

sm

A

Qv /66.2

597.2

/914.6

2

3

=== Ecuacin 6 - 10

Las condiciones de velocidad en este tramo son las adecuadas de acuerdo con las especicaciones descritasen el Numeral 2.3.2 de esta gua.

Por ltimo se evala el esuerzo cortante para saber si el tramo cumple con el criterio de autolimpieza, paralo cual se utilizan las siguientes rmulas:


46/72


46

=

SendR 1

4

( )m

rad

radSenmR 606.0

285.4

285.41

4

0.2==

Ecuacin 6 - 11

RS =

Pammkgsm 5.800143.0606.0/1000/81.9 32 = =Ecuacin 6 - 12

Como el valor del esuerzo cortante es mayor de 3 pascales el tramo diseado cumple con el criteriode autolimpieza.

6.1.4 DISEO DE LA REDDe manera similar se calcula el dimetro de cada una de los tramos que componen la red de alcantarillado dePrado Centro, como se muestra en las siguientes dos tablas 6-5 y 6-6. En cada uno de los diseos se deben vericarlos criterios de velocidad mnima, esuerzo cortante mnimo, mnima proundidad de excavacin y rgimen de fujo.

Tabla 65 Caractersticas topolgicas de la red de Prado Centro

Tramo Longitud Pendiente Rugosidad Caudal de

diseoDimetro

Proundidadnormal

- (m) (-) (mm) (m3/s) (m) (m)

T1 72.93 0.0618 0.0015 0.507 0.362 0.236T2 6.01 0.0466 0.0015 0.648 0.452 0.260

T3 92.25 0.0841 0.0015 0.734 0.452 0.230

T4 7.75 0.0439 0.0015 0.962 0.595 0.286

T5 66.25 0.1428 0.0015 1.188 0.595 0.225

T6 18.81 0.1318 0.0015 1.209 0.595 0.232

T7 17.58 0.0421 0.0015 1.352 0.595 0.359

T8 17.62 0.0471 0.0015 1.364 0.595 0.347

T9 20.52 0.0463 0.0015 1.378 0.595 0.351

T10 62.93 0.0399 0.0015 1.701 0.595 0.433T11 91.52 0.0140 0.6000 0.131 0.350 0.208

T12 23.51 0.0106 0.0015 0.041 0.284 0.106

T13 58.21 0.0309 0.6000 0.145 0.300 0.191

T14 10.05 0.0308 0.6000 0.145 0.300 0.192

T15 5.62 0.0872 0.0015 1.622 0.595 0.314

T16 92.32 0.1022 0.0015 1.811 0.595 0.319


47/72


47


diseoDimetro

Proundidadnormal

T17 90.79 0.0865 0.0015 2.138 0.595 0.377

T18 93.73 0.0775 0.0015 2.410 0.595 0.431

T19 3.99 0.0501 0.0015 2.404 0.671 0.455T20 80.72 0.0348 0.0015 2.541 0.747 0.496

T21 8.67 0.0346 0.0015 2.541 0.747 0.497

T22 34.79 0.0776 0.0015 2.963 0.747 0.412

T23 18.84 0.0690 0.0015 2.975 0.747 0.430

T24 18.77 0.1214 0.0015 3.002 0.747 0.358

T25 3.57 0.0476 0.0015 3.053 0.747 0.501

T26 44.53 0.0631 0.0015 3.082 0.747 0.454

T27 89.87 0.0847 0.6000 0.113 0.250 0.133

T28 42.88 0.0219 0.6000 0.063 0.250 0.142T29 28.65 0.0143 0.6000 0.118 0.350 0.193

T30 93.62 0.0228 0.6000 0.267 0.400 0.257

T31 35.67 0.0241 0.6000 0.066 0.250 0.142

T32 94.42 0.0207 0.6000 0.255 0.400 0.257

T33 58.95 0.1620 0.6000 0.049 0.250 0.069

T34 6.08 0.0444 0.6000 0.187 0.300 0.201

T35 88.49 0.0867 0.0015 0.263 0.362 0.141

T36 53.52 0.0807 0.0015 0.447 0.362 0.197

T37 59.05 0.0853 0.0015 0.513 0.362 0.211T38 11.71 0.0863 0.0015 0.513 0.362 0.211

T39 39.86 0.0361 0.6000 0.083 0.250 0.144

T40 43.67 0.0066 0.0015 0.136 0.362 0.220

T41 153.15 0.0181 0.6000 0.220 0.400 0.243

T43 37.78 0.0289 0.6000 0.042 0.250 0.102

T44 19.75 0.0790 0.6000 0.064 0.250 0.096

T45 82.99 0.0316 0.6000 0.138 0.300 0.184

T46 93.54 0.0917 0.0015 0.966 0.452 0.266

TA1 3.15 0.0222 0.0015 4.237 1.051 0.632TA2 18.15 0.0430 0.0015 4.256 1.051 0.508

TA3 10.84 0.0351 0.0015 5.658 1.051 0.652

TA4 113.62 0.0252 0.0015 5.815 1.051 0.758

TA5 58.88 0.0160 0.0015 5.922 1.203 0.810

TA6 89.71 0.0159 0.0015 6.065 1.203 0.825

TA7 10.77 0.0158 0.0015 6.094 1.203 0.831


48/72


48


diseoDimetro

Proundidadnormal

TA8 107.06 0.0175 0.0015 6.235 1.203 0.812

TA9 50.12 0.0184 0.0015 6.449 1.203 0.816

TA10 43.46 0.0189 0.0015 6.478 1.203 0.810TA11 11.95 0.0176 0.0015 6.478 1.203 0.833

TA12 36.15 0.0191 0.0015 6.520 1.203 0.810

TA13 105.20 0.0194 0.0015 6.609 1.203 0.813

TA14 87.73 0.0092 0.0015 6.909 1.353 1.018

TA15 105.29 0.0101 0.0015 6.917 1.353 0.980

TA16 98.81 0.0104 0.0015 6.918 1.353 0.966

TA17 38.31 0.0014 0.0300 6.914 2.000 1.536

TA18 9.66 0.0724 0.6000 0.054 0.250 0.090

TA19.1 16.33 0.0061 0.0300 6.860 2.000 0.915TA19.2 37.31 0.0043 0.0300 6.860 2.000 1.022

TA20 12.04 0.2043 0.0015 0.056 0.284 0.053

TA21 20.91 0.1188 0.0015 0.239 0.284 0.136

TA22 3.92 0.1811 0.6000 0.013 0.250 0.034

Tabla 66 Caractersticas geomtricas de las tuberas de la red de Prado Centro

Tramo Y/D Velocidad Esuerzocortante

Nmero deFroude

Rgimen defujo

- - (m/s) (Pa) - -T1 0.65 7.152 63.33 5.04 Supercrtico

T2 0.58 6.778 56.12 4.68 Supercrtico

T3 0.51 8.935 94.34 6.69 Supercrtico

T4 0.48 7.286 62.41 4.94 Supercrtico

T5 0.38 12.357 171.05 9.66 Supercrtico

T6 0.39 12.059 161.59 9.26 Supercrtico

T7 0.60 7.714 68.38 4.49 Supercrtico

T8 0.58 8.108 75.20 4.84 Supercrtico

T9 0.59 8.080 74.36 4.78 SupercrticoT10 0.73 7.850 69.74 3.92 Supercrtico

T11 0.59 2.207 13.25 1.70 Supercrtico

T12 0.37 1.898 6.04 2.16 Supercrtico

T13 0.64 3.060 25.99 2.41 Supercrtico

T14 0.64 3.042 25.97 2.38 Supercrtico

T15 0.53 10.906 131.48 6.96 Supercrtico


49/72


49


Nmero deFroude

Rgimen defujo

T16 0.54 11.941 155.68 7.54 Supercrtico

T17 0.63 11.519 143.78 6.46 Supercrtico


T20 0.66 8.225 74.15 3.97 Supercrtico

T21 0.67 8.206 73.80 3.95 Supercrtico

T22 0.55 11.958 150.86 6.61 Supercrtico

T23 0.58 11.394 137.35 6.12 Supercrtico

T24 0.48 14.468 216.43 8.76 Supercrtico

T25 0.67 9.771 101.87 4.68 Supercrtico

T26 0.61 11.057 129.20 5.71 Supercrtico


T29 0.55 2.185 13.02 1.77 Supercrtico

T30 0.64 3.129 25.60 2.12 Supercrtico

T31 0.57 2.312 15.92 2.17 Supercrtico

T32 0.64 2.992 23.24 2.02 Supercrtico

T33 0.28 4.416 63.75 6.32 Supercrtico

T34 0.67 3.710 38.13 2.80 Supercrtico

T35 0.39 7.116 64.55 7.02 Supercrtico


T38 0.58 8.259 83.75 6.32 Supercrtico

T39 0.57 2.857 24.04 2.66 Supercrtico

T40 0.61 2.087 6.58 1.55 Supercrtico

T41 0.61 2.754 19.83 1.94 Supercrtico

T43 0.41 2.229 15.33 2.58 Supercrtico

T44 0.39 3.652 40.40 4.35 Supercrtico

T45 0.61 3.041 26.08 2.46 Supercrtico

T46 0.59 9.827 111.85 6.67 SupercrticoTA1 0.60 7.770 63.72 3.41 Supercrtico

TA2 0.48 10.237 108.44 5.20 Supercrtico

TA3 0.62 10.000 102.02 4.29 Supercrtico

TA4 0.72 8.675 77.58 3.28 Supercrtico

TA5 0.67 7.279 55.05 2.74 Supercrtico

TA6 0.69 7.304 55.33 2.70 Supercrtico


50/72


50

6.2.1 DETERMINACIN DEL DIMETRO DELAS CMARAS

De acuerdo con el Numeral 8.3.2.2 de la norma eldimetro interno de las cmaras de inspeccin sedebe determinar teniendo en cuenta que no existaintererencia entre los tramos de entrada y de salidaa la cmara.

A manera de ejemplo se determinar el dimetrointerno de la Cmara C165, Figura 6-2.

El dimetro interno de la cmara se calcula mediantela siguiente ecuacin:

( )2/=Cos

DD sp Ecuacin 6 - 13

donde,D

p= Dimetro interno real de la estructura de

conexin (m).D

s= Dimetro externo real de la tubera de salida (m).

= ngulo de interseccin entre los tramos (Grados).


Nmero deFroude

Rgimen defujo

TA7 0.69 7.280 54.94 2.68 Supercrtico

TA8 0.67 7.643 60.28 2.87 Supercrtico

TA9 0.68 7.862 63.47 2.94 SupercrticoTA10 0.67 7.963 65.06 2.99 Supercrtico

TA11 0.69 7.719 61.19 2.84 Supercrtico

TA12 0.67 8.015 65.81 3.01 Supercrtico

TA13 0.68 8.091 66.95 3.03 Supercrtico

TA14 0.75 5.954 37.00 1.91 Supercrtico

TA15 0.72 6.202 39.98 2.06 Supercrtico

TA16 0.71 6.299 41.24 2.12 Supercrtico

TA17 0.77 2.671 8.53 0.69 Subcrtico

TA18 0.36 3.394 35.29 4.20 SupercrticoTA19.1 0.46 4.896 28.32 1.86 Supercrtico

TA19.2 0.51 4.248 21.33 1.51 Supercrtico

TA20 0.19 6.834 64.96 11.31 Supercrtico

TA21 0.48 7.955 80.64 7.80 Supercrtico

TA22 0.14 3.287 38.20 6.81 Supercrtico

6.2 DISEO DE CMARAS

Todas las consideraciones de diseo que se deben

tener en cuenta para el diseo de estructurasde conexin y complementarias en sistemas dealcantarillados se encuentran establecidas en elCaptulo 8 de las Normas de Diseo de Redes deAlcantarillado de EPM.

El tipo de empalme o conexin que debe hacerseentre dos tramos depende del rgimen de fujopresente. Cuando existe la presencia de dos o mstramos de llegada a las cmaras de conexin esnecesario establecer aquel que se comporta como

el hidrulicamente dominante en el diseo de laestructura, segn el Numeral 8.3.6.1 de la normateniendo en cuenta alguno de los siguientes trescriterios:

- Conducto con menor ngulo de defexin- Conducto con mayor altura de velocidad- Conducto con mayor valor resultante al multiplicar

el caudal por la velocidad


51/72


51

Figura 62: Vista en planta de la Cmara C165.

Al incorporar los valores de la cmara C165 en laEcuacin 6-13 se obtiene el siguiente dimetrointerno de la cmara:

( )m

Cos

mDp 703.1

"21'0345

203.1=

= Ecuacin 6 - 14

Los dimetros comercialmente usados son: 1.20 m,1.50 m y 2.00 m, razn por la cual el valor del dime-tro obtenido al desarrollar la Ecuacin 6-14 se deberedondear a un dimetro estndar, por lo tanto eldimetro de la cmara C165 ser de 2.0 metros.

Tabla 6 7 Inormacin necesaria para el clculo de empalme de la cmara C165A

Tramo IDS

(%)D

(m)Q

(m3/s)Yn(m)

V(m/s) Froude Rgimen Defexin

Entrada TA9 0.12 1.203 2.10 0.96 2.16 0.69 Subcrtico4

Salida TA10 0.10 1.203 2.25 1.02 2.19 0.64 Subcrtico

El empate por lnea de energa establece la siguiente suposicin:

mp

m

hEEH

gvyE

gvyE

hEE

+=

+=+=

+=

12

2

222

2

111

21

2;

2 Ecuacin 6 - 15

donde,H

p= Cada de ondo en la estructura de conexin y/o inspeccin (m).

v1

= Velocidad en el tramo de entrada (m/s).

6.2.2 DISEO DE CMARAS DE UNINSUBCRTICA

El Numeral 8.3.6.2 de la norma, indica lascondiciones para calcular las uniones entre tramos

que operan bajo rgimen subcrtico. En este casopuede aplicarse un empalme por lnea de energay las prdidas menores pueden calcularse concualquiera de los tres mtodos permitidos en lanorma:

Estndar AASHTO HEC 22

Para el empleo de estos tres mtodos se debe tenerun rgimen subcrtico en los tramos de entrada y desalida de la cmara a disear. En la red de Prado existesolamente un tramo con lujo subcrtico (TA17)por lo tanto no se podra realizar el diseo de unacmara de unin subcrtica. A manera de ejemplose utilizarn datos hipotticos para ilustrar este tipode clculo con la cmara C165A, cuya inormacinde entrada se muestra en la Tabla 6-7:


52/72


52

E1

= Energa especca en el tramo de entrada (m).E

2= Energa especca en el tramo de salida (m).

hm

= Prdidas menores en la estructura de conexiny/o inspeccin (m).

v2

= Velocidad en el tramo de salida (m/s).

y1

= Proundidad el fujo en de el tramo de entrada (m).

y2

= Proundidad el fujo en el tramo de salida (m).

Figura 63 Criterio de empate de lnea de energa en una cmara

Para la cmara C165A el componente de prdidas menores hm

, se determina a partir de la metodologaestndar. En este caso el dimetro de entrada es igual al dimetro de salida en los tramos y la defexin esde 4, por lo tanto se cumplen las recomendaciones del Numeral 8.3.6.2 de la norma en lo que correspondeal mtodo mencionado.

El coeciente Km es obtenido de la Tabla 8-2 de la norma donde se presenta un coeciente de prdidaspara cmaras con un tramo de entrada sin cauela. Este coeciente vara desde 0.5 para defexin de 0hasta 0.8 para defexin de 90; utilizando interpolacin se encuentra el coeciente de prdida para 4correspondiente a un valor de 0.513.

Tabla 82 de la norma: Coefcientes de prdidas menores Mtodo Estndar

Descripcin de la cmara Coeciente de prdida Km

Tramo nico de entrada, sin cauela, = 0 0.5

1 tramo de entrada, sin cauela = 90 0.8

2 tramos entrantes, ngulo entre ellos mayor que90

0.9

3 o ms tramos entrantes 1.0

donde, = ngulo de defexin entre el tramo de entrada y el tramo de salida de la cmara (grados).

El clculo de la prdida menor se eecta multiplicando la altura de velocidad del tramo de salida por elcoeciente de prdida obtenido de la siguiente manera:


53/72


53

=

g

vKh mm

2

2

2

Ecuacin 6 - 16

donde,

hm = Prdidas menores en la cmara de inspecciny/o conexin (m).

El paso siguiente dentro del diseo de la cmara subcrtica es determinar la cada de ondo de laestructura:

2 1p m

H E E h= + Ecuacin 6 - 18

m

g

vyE 198.1

81.92

)16.2(96.0

2

22

111 =

+=+= Ecuacin 6 - 19

mg

vyE 264.1

81.92

)19.2(02.1

2

22

222 =

+=+= Ecuacin 6 - 20

mmmmHp 191.0125.0198.1264.1 =+= Ecuacin 6 - 21

Por lo tanto en la cmara C165A se debe dejar una

cada de 0.19 metros.6.2.3 DISEO DE CMARAS DE UNIN

SUPERCRTICAS

Para el diseo de cmaras de unin con rgimende fujo supercrtico en las tuberas de entrada ysalida se debe estimar el valor de la mxima cadaque se puede colocar en la cmara. Dejando unacada inerior a la establecida y cumpliendo conunas relaciones de proundidad en las tuberasde entrada a la cmara de inspeccin se pueden

evitar problemas de fujo transicional y prdida decapacidad estructural.

En las cmaras de inspeccin con rgimende lujo supercrtico se pueden presentar tresconiguraciones dependiendo del nmero detramos que entran a la cmara y de los ngulos dedefexin de los mismos.

Km

= Coeciente de prdidas menores (adimensional).V

2= Velocidad en el conducto de salida (m/s).

Reemplazando en la Ecuacin 6-16 se obtiene:

mhm 125.081.92

19.2

513.0

2

=

= Ecuacin 6 - 17

La primera coniguracin corresponde a la que

tiene una sola entrada con un ngulo de defexinmenor a 10 grados (Conguracin de fujo directo),la segunda coniguracin corresponde a la quetiene una sola entrada pero el ngulo de defexines mayor de 10 grados (Conguracin de cambio dedireccin) y la tercera conguracin corresponde ala que tiene ms de una entrada (Conguracin deunin). En la Figura 6-4 se presenta el esquema deuna cmara supercrtica con conguracin de fujodirecto.

Para ilustrar el ejemplo de diseo de cmaras deunin en condiciones supercrticas se analizar unacmara que tenga conguracin de fujo directo.Para este caso se utilizar la Cmara C68 cuyosdatos de entrada requeridos por la metodologase encuentran en la Tabla 6-8, los cuales han sidotomados de los resultados del diseo bajo fujouniorme.


54/72


54

Figura 64 Esquema de cada de ondo en cmaras supercrticas de ujo directo

Tabla 68 Inormacin necesaria para el clculo de empalme de la cmara C165A

Cmara Tramo de entrada Tramo de salidaDimetro de

salida (m)y/d de entrada

C68 T23 T24 0.747 0.58

Inicialmente se debe determinar el actor de capacidad de la cmara (Fc). De acuerdo con la metodologade Hager y Gisonni4 Fc se calcula mediante la siguiente expresin:

( ) 75.0/7.0/3.176.14

7.0/2


55/72


55

Figura 65: Cmara de cada con tubera externa.

disea para separar las aguas combinadas y entregarel caudal de aguas residuales al colector Oriental y elcaudal de aguas lluvias al ro Medelln. El diseo serealiza segn el Numeral 8.6.7 de la norma.

El diseo del aliviadero consiste en determinar lascotas en las que debe instalarse el tramo de entrada(aguas combinadas) y los tramos de salida (aguasresiduales y lluvias), para que bajo las condicionesde operacin se distribuyan los caudales estimadosen el diseo.

El Tramo TA18 que descarga al interceptor Oriental,tiene un dimetro interno de 300 mm y debe

descargar un caudal de aguas residuales de 80 L/s (*).Para este caso el diseador debe utilizar la Ecuacin6-25, ya que corresponde a la expresin manejadapara dimensionar oricios.

0.5(2 )dQ C A gH = Ecuacin 6 - 25

donde,

Q= Caudal de descarga a travs del oricio (m3/s).CA

= Coeciente de descarga (-).A = rea de la seccin transversal interna de la

tubera (m2).H = Proundidad de lmina de agua por encima del

oricio (m).g = Aceleracin de la gravedad (m/s2).

*(Este caudal corresponde al obtenido al correr el modelohidrulico).

6.2.4 DISEO DE CMARA DE CADA

Como se

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