Sistema de Alcantarillado 111

SISTEMA DE ALCANTARILLADOCONCEPTOS BASICOS PARA LA SELECCIÓN

DEL TIPO DE TUBERIA A UTILIZAR EN SISTEMAS DE ALCANTARILLADO

DURABILIDAD DE LAS TUBERIAS DE CONCRETO – PRIMEROS

ALCANTARILLADOS CONSTRUIDOS

•1840: Hamburgo (Alemania)•1857: Brooklin (New York)•1876: Boston y Massachusetts•1869: Chelsea (Massachusetts)•1868: Saint Louis – MissouriEdades entre 140 a 170 años, la mayoría de dichas conducciones aun funcionan.

APARICION DEL PVC

•1931: Desarrollo industria petrolera (PVC)Alrededor del año 1950 se inicia la aplicación en la fabricación de tuberías de PVC, inicialmente para sistemas de acueducto años posteriores (aproximadamente 25 años) para alcantarillado. No se conocen estudios sobre concepto de durabilidad de las mismas.

SINTESIS DE VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE CADA TIPO DE TUBERIA, ASIGNADAS POR SUS RESPECTIVOS

DEFENSORES

TUBOS FLEXIBLES•Liviano - mayor facilidad de manejo en campo•Agilidad – Mas rápido de instalar.•Menor costo de transporte.•Mayor longitud – cubre más área – tramos largos•Mayor capacidad hidráulica se requieren tuberías de menor diámetro.???

TUBOS DE CONCRETO•Mas pesados, mayores costos de transporte e instalación. V,D (CONDICIONES DEE PRESENCIA AGUA NO FLOTAN.•Mas durables. V•Mayor resistencia, pueden asumir mayores solicitaciones de carga (85%) sin problemas en procesos de compactación.V•Más económicas. V 1•Más variedad de diámetros, oferta de diámetros mayores. V


DEFENSORES

TUBOS FLEXIBLES•Mas durabilidad mayor vida útil???•Mas flexibles se adaptan fácilmente a la topografía del terreno.???•Variedad de acoples y accesorios•No pueden quedar expuestas a la luz del sol

TUBOS DE CONCRETO•Costos de operación y mantenimiento menores. V•Menos exigentes en supervisión y pruebas de instalación. V•Por su mayor peso garantiza mantenimiento de su alineamiento vertical y horizontal en el proceso de lleno y compactación y además evita flotabilidad. V AGREGAR PVC


DEFENSORES

TUBOS FLEXIBLES1.Los líquidos fluyen de mejor forma.???2.Sistema suelo – tubería: Solo puede asumir el 15% de la capacidad estructural.3.Durabilidad teórica: No tiene historia

TUBOS DE CONCRETO•Vida útil: 100 años (Menor costo de inversión). V•No la afectan la presencia de altas temperaturas ambientales. V•No son inflamables, pocos riesgos ambientales. V ADICIONAR PVC.

ASPECTOS TECNICOS QUE CLARIFICAN VENTAJAS Y DESVENTAJAS

I. CAPACIDAD HIDRAULICAA) APLICACIÓN DE LA ECUACION DE MANNING

Q = (1/n)AR(2/3)S(1/2)

Donde:Q: Caudal en m3/segN: Coeficiente de rugosidad de ManningA: Área hidráulica (m2)R: Radio hidráulico (m)S: Pendiente (m/m)


I. CAPACIDAD HIDRAULICAA) COEFICIENTE DE RUGOSIDAD “n”B.1) VALORES “RECOMEDADOS POR LOS FABRICANTES”

PVC = 0.009 1/n=111.11DIF=34.19

CONCRETO = 0.013 1/n=76.92

CONCLUSION: El PVC tiene una capacidad hidráulica superior de 44.44% por lo tanto para las mismas condiciones de caudal y pendiente una conducción en PVC será de diámetro menor que el que se requiere si es tubería de concreto.


I. CAPACIDAD HIDRAULICAA) COEFICIENTE DE RUGOSIDAD “n”B.2) VALORES OBTENIDOS EN LABORATORIO- Agua limpia- Alineamiento perfecto- Condiciones de flujo controladas (Laminar o turbulento en

superficie hidráulicamente lisa), etc.PVC = 0.009 1/n=111.11

DIF=11.11CONCRETO = 0.010 1/n=100.00

CONCLUSION: El PVC tiene una capacidad hidráulica superior de 11.11%.


I. CAPACIDAD HIDRAULICAA) COEFICIENTE DE RUGOSIDAD “n”B.2) ASPECTOS TECNICOS RESPECTO A LOS VALORES DE “n” El valor de n=0.013 asignado a las tuberías de concreto, se

definió hace mas de 100 años, para conducciones (Canales) vaciados en sitio y tecnologías primarias del concreto.

Valores de rugosidad absoluta (K)

PVC K = 0.000006 mCONCRETO K = 0.00012 mConsistencia con las pruebas de laboratorio

K

CON EL FLUIDO


I. CAPACIDAD HIDRAULICAA) COEFICIENTE DE RUGOSIDAD “n”El valor de n=0.009 para PVC se asigno para tuberías de pared maciza,

con superficie interna lisa.

Actualmente se fabrican tuberías de pared estructural que por lo general presentan multiplicidad de ondulaciones y resaltos en la superficie en contacto con el fluido que obligadamente disturbios en el flujo. (RAS 2000, literal D2.3.3, coeficientes de rugosidad, literal h)

Conclusión: El valor de “n” para las nuevas tuberías de PVC es superior a 0.009.


PVC pared estructurada, tipo perfilada, pared externa corrugada

PVC pared estructurada, tipo perfil abierto.

PVC pared estructurada, tipo perfil cerrado, unión mecánica con caucho.


Concreto

Fibra de vidrio GRP


I. INCREMENTO DEL VALOR DE “n” PARA LAS CONDICIONES REALES DE OPERACIÓN DE UNA CONDUCCION:

- Factores incidentes1. Erosión en paredes por sólidos abrasivos2. Formación de biopeliculas3. Deflexiones verticales y horizontales4. Acumulación de sedimentos en la batea5. Contenido de detritos y sólidos en el flujo6. Perturbaciones por llegadas laterales (Domiciliarias)7. Cambios bruscos de dirección (Cámaras de inspección)8. Presencia de infiltraciones y exfiltraciones


MEDICIONES DE CAMPO DEL VALOR REAL DE “n” (U. de Alberta, ciudad de Edmont Canada)

Tuberías flexibles

Tuberías concreto

8 0,018 0,01810 0,019 0,01612 0,018 0,018

Coeficiente "n" de ManningDiámetro (Pulgada)


•La asociación Americana de Ingenieros Civiles Recomienda:n = 0.011 a 0.014 para tubos en concreton = 0.010 a 0.013 para tubos en PVC

•En España: “n” igual para todos los tipos de tuberían = 0.012 para alcantarillado aguas lluviasn = 0.013 para alcantarillado aguas residuales

•RAS 2000 D.2.3.3 Coeficientes de Rugosidad… Se deben usar coeficientes de rugosidad que representen adecuadamente el efecto friccional para las condiciones de servicio durante la vida útil del conducto.


1. Material2. Forma y tamaño3. Profundidad4. Tipo de uniones5. Uniones/ml6. Desalinemiento Horizontal

1. Desalineamiento vertical2. Depósitos en batea3. Entrada de flujos laterales4. Penetración de raíces5. Formación de biopelicula6. Deformación

FACTORES A TENER EN CUENTA

“n” entre 0.009 y 0.013 para todas las tuberías lisas: Plástico, Fibra de vidrio, concreto, Gres, Hierro Dúctil, Hierro Fundido, …


I. CAPACIDAD HIDRAULICAA) CONFUSION DEL DIAMETRO NOMINAL DE LA CONDUCCION

CON EL DIAMETRO INTERNO (DIAMETRO DE CALCULO)

Las tuberías flexibles para los parámetros menores (Los mas utilizados) (< 20”) su diámetro nominal es mayor que el diámetro interno, lo que puede inducir a errores de diseño a profesionales inexpertos.

INTERNO NOM^2 INT^2 DIFERENCIA ERRORPULG (mm) (mm) (mm2) (mm2) (mm2) (%)

8 200 182 40000 33124 6876 20,7610 250 227 62500 51529 10971 21,2912 315 284 99225 80656 18569 23,0216 400 362 160000 131044 28956 22,1018 450 407 202500 165649 36851 22,2520 500 452 250000 204304 45696 22,37

DIAMETRONOMINAL

TUBERIA PVC


RESUMEN:1.Si usamos el valor de “n” recomendado por los fabricantes, muy probablemente se esta subdimensionando la capacidad hidráulica de la conducción hasta en un 50%.2.El valor de “n” = 0.013 usado para el calculo de conducciones con tubería de concreto cubre en buena parte los impactos adversos de las condiciones reales de operación.3.Se puede incurrir en un error de subdimensionamiento de hasta un 22% en caso de confundir el diámetro nominal con el diámetro interno en el diseño de una conducción con tubería flexible.


A) FORMULA DE COLEBROOK – WHITE PARA EL DISEÑO HIDRAULICO DE CONDUCCIONES A FLUJO LIBRE (Ecuación recomendada para diseñar)

Donde:V: Velocidad media del fluido (m/seg)g: Aceleración de la gravedad (m/seg2)R: Radio hidráulico (m)S: Pendiente de la conducción (m/m)K: Rugosidad absoluta del material de la conducción (m)μ: Viscosidad cinemática del fluido (m2/seg)


La formula de Manning asigna todas las pérdidas a la fricción: Fluido-paredes, esto se corrige en parte aplicando el “n” variable.Colebrook-white: Contemplan que además de las perdidas por fricción fluido-paredes , la mayor parte de las perdidas se deben al rozamiento intrínseco del fluido

CONCLUSION: Como con el uso el valor de K se iguala para todos los tipos de tubería, las perdidas serán las mismas.


I. CAPACIDAD ESTUCTURALSISTEMA ESTRUCTURAL SUELO – TUBERIA

PVC: Tubería asume el 15% de la capacidad estructural, deformándose hasta un estado plástico (Creep) perdida progresiva de rigidez.

Concreto: Tubería asume el 85% de la capacidad estructural.


ESQUEMA ADECUADO PARA INSTALACION DE UNA TUBERIA FLEXIBLE

Frontera: Pared excavación N – LlenoRigidez PVC: Clase 8 (8 Kg/cm2)

Clase 4 (4 Kg/cm2)

TUBO

H V

ARIA

BLE

DIA

M.

EXTE

R. +

15c

m

0.15

GRADO DE COMPACTACION PARA DENSIDAD MINIMA DE

1920 Kg/ m3


RESUMENPara lograr una estabilidad estructural adecuada

una tubería de PVC requiere de estudios geotécnicos específicos y de un lleno estructural con especificaciones especiales (ρmin=1920 Kg/m3) lo que implica mayores costos.


I. RESISTENCIA FISICO – QUIMICA- Abrasión- Proceso de expansión y contracción- Ataque químico: Sulfatos y ácidosPVC Buen comportamiento a ataque físico – químico

(Importante mayores velocidades admisibles)


ACCIÓN DE LOS ÁCIDOS SULFÚRICO Y SULFHÍDRICO SOBRE LAS TUBERÍAS DE CONCRETO

Acido sulfúrico y sulfhídrico se forman por condensación de gases en la cara interna no mojada de la clave.

CONDICIONES:a) V<0.3 m/seg (RAS 2000 Vmin = 0.45 m/seg)b) Tramos muy largos entre cámarasc) Temperaturas altas sostenidas


Tubería de concreto reemplazada por necesidad de mayor capacidad en la que no se observa desgaste aparente a pesar de haber tenido 31 años de funcionamiento


• COMPATIBILIDAD AMBIENTAL: La tubería de concreto ofrece mejores características frente al impacto ambiental.

I. CRITERIOS DE RENOVACION DE UNA TUBERIA DE CONCRETO

- Durabilidad: 100 años- Incidencia en el modelo

tarifario


I. ANALISIS DE COSTOS DE SUMINISTRO E INSTALACION

CONCLUSIONES GENERALES

1. Para diseño de alcantarillados, teniendo en cuenta el comportamiento hidráulico para las condiciones de instalación y operación a largo plazo, recomiendo utilizar para todo tipo de tuberías un n=0.013 a como mínimo.


2. Para el calculo de conducciones a flujo libre se debe diseñar con la formula colebrook-white, ya que incluyen la desagregación de las perdidas, esto es, por una parte las debidas a la interacción del fluido con las paredes del tubo y por otra las debidas a la interacción de las moléculas del fluido en el proceso de su movimiento. Formula utilizada en los países Europeos, y establecida en las actuales normas de diseño de Acuavalle y EEPPM.


3. Dentro de los materiales de tuberías consideradas hidráulicamente lisas tenemos: gres, concreto, fibra de vidrio, hierro fundido, plásticas (PVC, PEAD), entre otras.

4. Las tuberías rígidas como el concreto entre otras responden hasta el 85% de las solicitaciones de carga para las condiciones de instalación y operación, mientras que las tuberías del tipo flexible solo peden asumir el 15% de dichas cargas. Por lo tanto, la resistencia faltante la debe obtener con cimentaciones y llenos con especificaciones especiales para que se pueda cumplir el concepto de efecto de arco, asumido para la transferencias de cargas.


5. La definición del tipo de cimentación que exige las características del sistema estructural: suelo de la zanja-tipo de tubería debe corresponder a un diseño geotécnico específico, que garantice ei cumplimiento de los parámetros sobre la estabilidad estructural que demande el tipo de la tubería a utilizar.

6. Es conocido que los materiales con que se fabrican las tuberías flexibles ofrecen buen comportamiento al ataque físico químico de las aguas residuales o del terreno.


7. Los fabricantes de las tuberías de concreto se deben someter a las condiciones de la resolución 1166 del 2006 expedido por el ministerio del medio ambiente que regula la durabilidad del concreto que se usa, así mismo la resistencia al ataque de sulfuros que se encuentren en las aguas residuales o en el terreno de instalación. Lo que garantiza que las tuberías fabricadas en plantas industriales que cumplan la normatividad existente son resistentes a eventuales ataques químicos.


8. La mayor vulnerabilidad del concreto resulta de la acción de los ácidos sulfhídrico y sulfúrico que se puede formar debido a la condensación, sobre el área no cubierta por el agua, de los gases desprendidos por la digestión anaeróbica de sedimentos de las aguas residuales que circulan a velocidades muy bajas(menor de 0.3m/seg.), los cuales reaccionan con los componentes alcalinos del cemento o de los agregados; No obstante se requiere la conjugación simultanea de condiciones excepcionales como:

A-muy bajas velocidades del flujo todo el tiempo (por debajo de 0.3m/seg.

B-tramos muy largos entre cámaras de colector

C-muy altas temperaturas la mayor parte del tiempo.


9. Es de notar que dichas condiciones difícilmente se cumplen en nuestra zona e igualmente el ras 2000 define 0.45 m/seg. La velocidad mínima de un alcantarillado sanitario.

La durabilidad de las tuberías de concreto ha evidenciado más de 100 años en muchos alcantarillados vigentes en el mundo.

La durabilidad de las tuberías flexibles por ahora es teórica por que es un producto relativamente nuevo en el mercado.

En sus cálculos hidráulicos el diseñador debe tomar siempre el diámetro interno real de la conducción, en ningún caso el diámetro nominal.


10. Para las tuberías flexibles se requiere tener un riguroso control en todas las variables del proceso de instalación, debido a los requerimientos de resistencia estructural para impedir posibles desalineamientos

11. Para los diferentes tipos de tuberías se debe tener un adecuado control en cada una de las fases de instalación, requiriéndose mas rigurosidad en las tuberías flexibles, ya que su estabilidad estructural depende en un alto grado de las especificaciones de los materiales y seguimiento estricto de los procedimientos de ejecución.

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