DISEO DE ALCANTARILLADO PLUVIAL URBANIZACION LA FLORIDA PAMPLONA NORTE DE SANTANDER

ELKIN ALFONSO GUTIERREZ HUGO TORRES SANCHEZ WILLIAM PATARROYO OSCAR JULIAN SUAREZ ALDER RIVERA ROMERO

LUIS FERNEL VIRACACHA ING CIVIL

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL 2012

INTRODUCCION En la mayora de las ciudades se tiene la necesidad de evacuar las aguas de lluvia para evitar que se inunden las viviendas, los comercios, las industrias y otras reas de inters. Por otra parte, la construccin de edificios, casas, calles estacionamientos y otros modifican el entorno natural en que habita el hombre y tiene como algunas de sus tantas consecuencias, la creacin de superficies poco permeables (que favorece a la presencia de una mayor cantidad de agua sobre el terreno) y la eliminacin de los cauces naturales (que reduce la capacidad de desalojo de las aguas pluviales y residuales).As, la urbanizacin incrementa los volmenes de agua de lluvia que escurren superficialmente, debido a la impermeabilidad de las superficies de concreto y pavimento. P o r e l l o , l a s c o n d u c c i o n e s a r t i f i c i a l e s p a r a e v a c u a r e l a g u a s o n d i s e a d a s c o n m a y o r capacidad que la que tienen las corrientes naturales existentes y es a partir de esto que se utilizan los sistemas de alcantarillados pluviales. Una red de alcantarillado pluvial es un sistema de tuberas, sumideros e instalaciones complementarias que permite el rpido desalojo de las aguas lluvias para evitar posibles molestias e incluso daos materiales y humanos debidos a su acumulacin o escurrimiento superficial. Su importancia radica especficamente en zonas con altas precipitaciones y superficies poco permeables. En el presente informe se relaciona de forma especfica los criterios de diseo del alcantarillado pluvial de la urbanizacin LA FLORIDA Pamplona, basados en la normatividad y reglamentos vigentes del pas (RAS 2000) y buscando de esta manera el mejoramiento de los servicios de saneamiento bsico y el aumento en la calidad de vida de las personas.

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Disear el sistema de alcantarilladlo pluvial de la urbanizacin LA FLORIDA en el municipio de Pamplona, teniendo en cuenta cada uno de los parmetros de diseo vistos en clase y los requerimientos establecidos en titulo D de la Norma RAS 2000 con el fin de brindar un sistema que cumpla con las necesidades de la poblacin. OBJETIVOS ESPECIFICOS Permitir una rpida evacuacin del agua pluvial de las vas pblicas y as evitar la invasin a las propiedades. Disminuir al mximo los daos que las aguas lluvias pueden ocasionar a la ciudadana y las edificaciones en el entorno urbano. Garantizar el normal desenvolvimiento de la vida diaria en la urbanizacin, permitiendo as un apropiado trfico de personas y vehculos durante la ocurrencia de las lluvias.

DISEO DEL ALCANTARILLADO PLUVIAL

1. DESCRIPCION Y MARCO TEORICO Un alcantarillado de aguas lluvias est conformado por un conjunto de colectores y canales que se hacen necesarios para evacuar la escorrenta superficial producida por la lluvia. El diseo del alcantarillado pluvial se realizar en el departamento de Norte de Santander, en el Municipio de Pamplona en la parte media del Barrio LA FLORIDA se encuentra a una altura de 2600 metros sobre el nivel del mar. Sus suelos son propicios para el cultivo y ganadera; as mismo posee prados y bosques. Caudal de Diseo. Para superficies menores de 1300 Ha se recomienda utilizar el mtodo racional, debido a su simplicidad. Q= CIA Donde: Q= C= I= A= caudal superficial (L/s) coeficiente de escorrenta (adimensional) Intensidad promedio de la lluvia (L/s*Ha) rea de drenaje (Ha)

rea de Drenaje. El rea de drenaje dentro de la ciudad se determina trazando diagonales o bisectrices por las manzanas y planimetrando las respectivas reas aferentes a cada colector, teniendo en cuenta el sistema de drenaje natural segn la topografa de la regin. Intensidad de la Lluvia. Para obtener el valor de intensidad de la lluvia en la aplicacin del mtodo racional es necesario definir la frecuencia de diseo de la lluvia y su duracin; esto se obtiene analizando la informacin pluviogrfica a nivel local o regional. Nivel de complejidad del sistema. Dependiendo del nivel de complejidad del sistema, las autoridades locales deben definir el grado de proteccin, esto es, mnimo, aceptable o recomendado. En cualquier caso este grado de proteccin, o periodo de retorno debe ser igual o mayor al presentado en la tabla D.4.3. Sin embargo, en casos especiales en los cuales exista el peligro de vidas humanas, las autoridades locales pueden incrementar el grado de proteccin. Para nuestro diseo el nivel de complejidad del sistema es alto.

 Frecuencia de la Lluvia. Para efectos de este diseo se tomar una frecuencia recomendada de 3 aos segn la tabla 16.1 del libro gua sabiendo que las tuberas iniciales tienen un rea de drenaje menor a 2 ha, y que tenemos un nivel de complejidad alto. Tiempo de Concentracin. De acuerdo a la Norma RAS2000 en el Titulo D, capitulo D.4 y artculo D: 4.3.7 el tiempo de concentracin mnimo en pozos inciales es de 10 min y mximo de 20 min y el tiempo inicial mnimo es de 5 minutos.

Para la determinacin del tiempo de concentracin inicial de la zona, se pueden emplear diversos mtodos, los cuales se han deducido de manera emprica. La formulacin de la FAA establece: 0.707(1,1 C)L2 S2
1 1

Ti = Donde: Ti = C= L= S=

Tiempo de concentracin inicial (min). Coeficiente de escorrenta (adimensional). Distancia del recorrido (m). Pendiente media del terreno.

La ecuacin de Kerby: Ti = 1,44( ( )

1 ) S2 En donde los trminos de la ecuacin se han definido anteriormente y el coeficiente de retardo, se establece en la siguiente tabla.

Ecuacin del SCS:

= 60 V
=
1 2

En donde la velocidad superficial, Vs, puede estimarse como:

Y la constante de velocidad superficial, a, se define en la siguiente tabla:

Tiempo de recorrido, Tt El tiempo de recorrido en un colector se puede calcular como:

L 60

Dado que Tt debe corresponder a la velocidad real del flujo en el colector, el tiempo de concentracin puede determinarse mediante un proceso iterativo, tal como se describe a continuacin: 1. Suponer un valor de la velocidad real en el colector. 2. Calcular Tt. 3. Calcular Te. 4. Obtener Tc.

5. Obtener i para este valor de Tc y el periodo de retorno adoptado. 6. Estimar Q con el mtodo racional. 7. Con este valor de Q, estimar Tt real; si el valor de Tt estimado en el paso 2 difiere en ms de 10% por defecto o exceso con respecto al valor calculado en el paso 7, es necesario volver a repetir el proceso. El tiempo de concentracin mnimo en pozos iniciales es 10 minutos y mximo 20 minutos. El tiempo de entrada mnimo es 5 minutos. Si dos o ms colectores confluyen a la misma estructura de conexin, debe considerarse como tiempo de concentracin en ese punto el mayor de los tiempos de concentracin de los respectivos colectores. Coeficiente de escorrenta. El coeficiente de escorrenta, C, es funcin del tipo de suelo, del grado de permeabilidad de la zona, de la pendiente del terreno y otros factores que determinan la fraccin de la precipitacin que se convierte en escorrenta. En su determinacin deben considerarse las prdidas por infiltracin en el suelo y otros efectos retardadores de la escorrenta. De igual manera, debe incluir consideraciones sobre el desarrollo urbano, los planes de ordenamiento territorial y las disposiciones legales locales sobre uso del suelo. El valor del coeficiente C debe ser estimado tanto para la situacin inicial como la futura, al final del periodo de diseo Para reas de drenaje que incluyan sub reas con coeficientes de escorrenta diferentes, el valor de C representativo del rea debe calcularse como el promedio ponderado con las respectivas reas .

Para nuestro diseo vamos a tomar dos coeficientes de escorrenta de: Desarrollos residencial, con casas rodeadas de jardines o multifamiliares apreciablemente separados = 0,45 Residencial, con casas contiguas, predominio de zonas duras = 0,75. Velocidad Mnima. De acuerdo a la Norma RAS2000 se establece una velocidad mnima real de 0.75 m/s para el caudal de diseo.

 Velocidad mxima. Los valores mximos permisibles para la velocidad media en los colectores dependen del material, en funcin de su sensibilidad a la abrasin. Los valores adoptados deben estar plenamente justificados por el diseador en trminos de la resistencia a la abrasin del material, de las caractersticas abrasivas de las aguas lluvias, de la turbulencia del flujo y de los empotramientos de los colectores. Valores tpicos de velocidad mxima permisible para algunos materiales se presentan en la tabla D.4.8.

Esfuerzo cortante. En cada tramo debe verificarse el comportamiento auto limpiante del flujo, para lo cual es necesario utilizar el criterio de esfuerzo cortante medio. Se establece, por lo tanto, que el valor del esfuerzo cortante medio sea mayor o igual a 3,0 N/m2 (0,3 Kg/m2) para el caudal de diseo, y mayor o igual a 1,5 N/m2 (0,15 Kg/m2) para el 10% de la capacidad a tubo lleno.

Dimetro Mnimo. En las redes de recoleccin y evacuacin de aguas lluvias y principalmente en los primeros tramos la seccin circular es la ms usual para los colectores. El dimetro nominal mnimo permitido en redes de sistemas de recoleccin y evacuacin de aguas lluvias es 250 mm. Sin embargo, en casos especiales, en particular para niveles de complejidad del sistema bajo y medio, y con plena justificacin por parte del diseador, puede reducirse en los tramos iniciales a 200 mm. Pendiente mnima. El valor de la pendiente mnima del colector debe ser aquel que permita tener condiciones de auto limpieza, de acuerdo con los criterios del literal D.4.3.10. Pendiente mxima, El valor de la pendiente mxima admisible es aquella para la cual se tenga una velocidad mxima real, segn el literal D.4.3.11. D.4.3.14 Profundidad hidrulica mxima. La profundidad hidrulica mxima en colectores de aguas lluvias puede ser la correspondiente a flujo lleno. D.4.3.15 Profundidad mnima a la cota clave. La profundidad mnima a la cota clave de los colectores de aguas lluvias deben seguir los mismos criterios del literal D.3.2.12. Las conexiones domiciliarias y los colectores de aguas lluvias deben localizarse por debajo de las tuberas de acueducto. Los colectores de aguas

lluvias deben localizarse a una profundidad que no interfiera con las conexiones domiciliarias de aguas residuales al sistema de recoleccin evacuacin de aguas residuales. En general deben considerarse las interferencias con otras redes. D.4.3.16 Profundidad mxima a la cota clave. La mxima profundidad de los colectores de aguas lluvias debe seguir los mismos parmetros del litera D.3.2.13.l

PASOS PARA EL CLCULO DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTIA COMPUESTO PARA CADA COLECTOR. 1. Tabla de Datos Iniciales por Tramo. Para los clculos de los datos iniciales se tuvo en cuenta el siguiente procedimiento: rea parcial (hectreas). Corresponde al rea de drenaje aguas arriba del colector. Tenemos en cuenta el rea que se encuentra en la parte alta de la montaa donde sus aguas vierten al colector de dicho tramo. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2: rea parcial en hectreas = 1.64 (ha). Coeficiente de escorrenta parcial. Es el coeficiente ponderado del rea definida anteriormente. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2: C par= 0, 45 Incremento de rea de drenaje (ha). Corresponde al rea aferente de cada colector. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2: A(ha)= 2,22 ha. Coeficiente de escorrenta del rea de drenaje: Corresponde al coeficiente de escorrenta del rea aferente a cada colector. Basndonos en la tabla de los coeficientes de escorrentas tpicos tomamos dos valores para nuestro diseo, uno para zona residencial igual a 0,75 y el otro valor para ladera con vegetacin igual a 0,3. rea total (ha). Es el rea total de drenaje del colector, calculada como la suma del rea aferente y el rea de drenaje aguas arriba. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2: rea total = 1,64 + 0,581 = 2,22 ha. Coeficiente de escorrenta promedio. Calculado como el coeficiente de escorrenta ponderado del rea aferente y el rea drenada aguas arriba.

2. Tabla de Clculos de Empate por Tramo Los clculos de empate se realizaron teniendo en cuenta la siguiente metodologa:

Los datos de las tres primeras columnas son valores de la tabla anterior del calculo de coeficiente de escorrenta compuesto para cada colector. Tiempo de concentracin inicial. Para hallar este tiempo inicial utilizamos la ecuacin de kerby. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2: = 1,44 (
0,467

) 0,5

= 1,44 ( Donde:

182,478 0,7 0,467 0,1860,5

= 20,538 min.

Ti= tiempo de concentracin inicial (min). L= longitud del rea aferente (m): Es la distancia desde el punto ms lejano del rea de drenaje hasta el colector del tramo. m= Coeficiente de retardo de la ecuacin de kerby, este coeficiente depende del tipo de superficie, para nuestro caso adoptamos un valor de 3,0 para pasto. S = pendiente del terreno. Tiempo de concentracin total (min). Tiempo de concentracin del rea de drenaje aguas arriba del colector. Para los tramos iniciales, corresponde al tiempo de concentracin inicial mas el tiempo delo recorrido del colector. Para ls dems tramos, es igual al mximo valor entre la suma de los tiempos de concentracin aguas arriba del colector concurrentes al pozo y su correspondiente tiempo de recorrido en el colector. El tiempo de concentracin total (inicial mas recorrido en el colector) mnimo es de 10 minutos y el mximo de 20 minutos. Error en la adopcin de tiempos de recorrido. Es la diferencia porcentual entre el tiempo del recorrido asumido y calculado. Para el tiempo supuesto en el colector asumimos una velocidad para cada tramo, para el tramo 1-2 le velocidad asumida es d 4,1 m/sg, calculando estos tiempos la diferencia no debe ser mayor del 10%. En caso de ser mayor, la columna del tiempo supuesto vuelve y se calcula nuevamente con la ltima velocidad obtenida. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2:

* 100

0,1030;0,0976 0,1030

* 100 =5,24

Frecuencia. La frecuencia de diseo, se tiene en cuenta el nivel de complejidad, como es alto la frecuencia es recomendado, el rea de drenaje es menor a 2 hectreas, entonces para zona residencial la frecuencia seria de 3 aos para todo el sistema. F= 3 aos

Intensidad de la lluvia diseo (mm/h). es la intensidad de la precipitacin , en este caso, aplicamos la siguiente ecuacin Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2:

I (mm/h)= (

404,58 :

0, 55

)0. 0

I (mm/h)= (10,9626 : 0,1030)0.

404,58 ( 3)0, 55

=112, 5570.

Intensidad de diseo (L/s*ha). Es la intensidad anterior multiplicada por el factor de conversin d unidades de 2,78. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2: I (L/s*ha)= 112,5570 x 2,78 = 312,9

Caudal de diseo (L/s). caudal de la escorrenta superficial, definida segn el mtodo racional. Como ejemplo se realiza el procedimiento para el tramo 1-2:

Q= CIA
Q = 0,44 x 312,9 x 0,3456 = 47,58 L/s

OBSERVACION. Para r los datos de salida se sigue el mismo procedimiento que para el de entrada por lo que solo se realizar el procedimiento para los datos de entrada. Cota Clave Inicio Tramo Cota Clave Final Tramo. Se muestra la cota clave respetando la profundidad mnima que debe ser de 1.2 m con respecto a la rasante de la calzada. Se asume una cota de referencia de 2000 msnm, tal como se estipula en el plano topogrfico anexado. Cota Clave Inicio Tramo= 2204.5 msnm Cota Clave Final Tramo= 2199.75 msnm

ENTRADA Caudal de Entrada. Corresponde al caudal de diseo de cada tramo. Ejemplo Tramo 1-2 Q= 0,04758 3 /sg. Pendiente de Entrada. Hace referencia a la pendiente de entrada. Se calcula aplicando la siguiente frmula: Se = Ejemplo Tramo 1-2 Se = 2204.5 2200 100 = 17,75 25.3474 Cota clave inicio tramo Cota clave final tramo 100 Distancia de pozo a pozo

Dimetro de Entrada. Muestra el dimetro de la tubera de entrada del sistema en cada tramo. Se calcula aplicando la siguiente frmula: El proyecto de alcantarillado sanitario se desea construir con tubera de PVC, el cual tiene un Coeficiente de rugosidad n=0.009 nQ S
3 8

De = 1.548 (

1 ) 2

) = 0.1168 = 4,5981" 1 0,1775 2 En nuestro caso para regirnos a lo estipulado en el RAS 2000, debemos disear el alcantarillado sanitario con un dimetro mnimo de 10 para un alcantarillado simplificado el cual cuenta con una poblacin pequea.

De = 1.548 (

0.009 0.0476

3 8

Caudal a Tubo Lleno. Es la capacidad mxima de la tubera, calculada para la seccin de flujo mxima (con el dimetro interno real). Se calcula aplicando la siguiente frmula:

Q 0 = 0.312 (

De

3 8

S n

1 2

Se sigue tomando como ejemplo el tramo 1-2 0.254

Q 0 = 0.312 (

0.1775 0.009

1 2

) = 0.3780

Relacin Q/Qo. Hace referencia al cociente obtenido de la relacin entre el caudal de diseo y el caudal a tubo lleno.

Tramo 1-2, Q/Qo= (0.04758m3/s)/ (0.3780m3/s)=0.13

Relaciones Hidrulicas. Son valores que se obtienen teniendo en cuenta el valor de la relacin entre el caudal de diseo y el caudal a tubo lleno, tomados de la tabla 8.2 del libro Elementos de Diseo para Acueductos y Alcantarillado Tramo 1-2.

d = 0.280 D R = 0.650 R0 H = 0.197 D

= 0,580

Parmetros reales. Muestra los valores obtenidos a partir de las tablas de relaciones hidrulicas. Tramo 1-2. Velocidad a tubo lleno para conductos circulares a partir de la ecuacin de continuidad. Q0 0 = D2 4
0

0.3780 = 7,459/ 0.2542 4

= 0.580 7,459 = 4,3262 ms H = 0.197 0,254 = 0,05m d = 0.280 0.254 = 0,071 m

Nmero de Froude: Se determina teniendo en cuenta las siguientes condiciones: NF 0.9 Rgimen de flujo subcrtico NF 1.1 Rgimen de flujo supercrtico NF =

gH

Para el tramo 1-2. NF = 4,3236 (9.81 0.05) = 6,17

En nuestro diseo el rgimen de flujo es supercrtico debido a que el nmero de Froude es mayor que 1.

CALCULO DE CAIDA EN EL POZO Se toma como ejemplo el diseo del Pozo 2 Debido a que en todos los tramos se obtiene un tipo de flujo supercrtico la cada en el pozo se calcula aplicando la siguiente frmula para entrada no sumergida:

0.319
.5

0.62 0.62

0,3190.1662 0.254 .5

1,630.62 Como el valor nos dio mayor de o, 62 entonces la cada en el pozo es sumergida. Cabe anotar que no para todos los pozos la cada es sumergida. Figura (Hw/Ds). Muestra el valor de la relacin obtenido mediante la figura 14.40 del libro Elementos de Diseo para Sistemas de Acueducto y Alcantarillado. El cual para un valor de
0.319
.5

=# se obtiene que Hw/Ds

Para cuando la cada es sumergida el Hw/Ds se aplica la siguiente formula.

=k(0,70+1.91(Q/Ds2 x (g x Ds)0,5)2)
Hw =

3,3077

Dp: Dimetro del pozo, el dimetro minino establecido por el RAS 2000 es de 1.2 m Ds: Dimetro de salida= 0,254 m

Relacin Dp/Ds: Es el cociente de la relacin entre el dimetro del pozo y el dimetro de salida. Dp/Ds= 1.2/0.254= 4,72

K: Coeficiente el cual se toma de acuerdo a la relacin anterior y de acuerdo a la tabla 14. 6 del libro Elementos de Diseo para Sistemas de Acueducto y Alcantarillado. K=1.2

Cada en el pozo. Este valor hace referencia al Hw y se obtiene mediante la frmula: en este caso necesita cmara de cada por que Hw >0,75 m. Hw = k Relacion Hw D D

Hw = 1.2 3.3077 0.254 = 1,008

COTAS TRAMO SALIDA Se toma como ejemplo el diseo del Pozo 2 Cota Clave Tramo Salida Inicio. Muestra la cota clave a la salida del tramo. Esta dada por la ecuacin: = Cota clave final tramo (Dimetro d) caida en el pozo + Dimetro = [2204,5 (0.254 0.1994) (1,01 + 0.254] = 2203,14 m Cota Clave Tramo Salida Final. Muestra la cota clave a la salida del tramo y al final. Esta dada por la ecuacin: = Cota clave inicio (Distancia entre tramos S ) = 2203,14 (20.7 0.0484) = 2202.18

CONCLUSIONES

Para el diseo del alcantarillado pluvial se analizaron los respectivos datos obtenidos en los clculos realizados con el fin de brindar un sistema que satisfaga las necesidades de la poblacin. La construccin de un sistema de alcantarillado es necesario en la medida que alivia los problemas generados por la presencia de aguas lluvias en las poblaciones urbanas. Este alcantarillado se dise teniendo en cuenta los requerimientos mininos establecidos por el RAS 2000 para el diseo de alcantarillado pluvial. De tal forma que se garantiza un buen funcionamiento durante su periodo de diseo. A determinacin de las curvas Intensidad-Frecuencia-Duracin es un paso sumamente importante en el diseo de un sistema de alcantarillado pluvial ya que a partir de ellas se obtiene la ecuacin de la intensidad correspondiente al lugar de estudio. N o s e p u e d e u s a r u n a m i s m a e c u a c i n d e i n t e n s i d a d p a r a d o s l u g a r e s totalmente diferente, ya que la precipitacin es diferente y por tanto las condiciones son distintas, lo que vendra a variar considerablemente los resultados del diseo, porque este se hara para condiciones irreales aunque para facilidad de nuestro trabajo se utilizaron unas curvas de otra zona. Uno de los principales factores que se deben tener en cuenta en la construccin de sistemas de alcantarillados pluviales es la participacin ciudadana debido a que estos son los directamente afectados en los problemas que puedan presentarse con el funcionamiento del sistema. Adems cabe resaltar que el control y regulacin de las aguas y sus usos debe tener participacin social mayoritaria. Para el diseo del sistema se tuvo en cuenta los caudales de las reas aferentes, la poblacin servida, periodo de retorno, el clima donde se desarrolla el sistema y los aportes por infiltracin y diseo.

BIBLIOGRAFIA Reglamento Tcnico para el sector de Agua Potable y Saneamiento Bsico RAS. Diseo de acueductos y alcantarillados (Lpez Cualla).