Diseño de cámaras de quiebre en alcantarillados de alta pendiente

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(1)Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. DISEÑO DE CÁM ARAS DE QUIEBRE EN ALCANTARILLADOS DE ALTA PENDIENTE. Héctor Leonardo Álvarez R.. Tesis de grado para Acceder al título de M agíster en Ingeniería Civil. Asesor: Juan G. Saldarriaga Valderrama. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA, DEPARTAM ENTO DE INGENIERIA CIVIL Y AM BIENTAL BOGOTA 2007. 1.

(2) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. Dedicado a mi familia y a M ary quienes con su apoyo lo hicieron posible. 2.

(3) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. TABLA D E CONTENIDO Pág.. INTRODUCCION..................................................................................................................6 1.. M ETODOLOGIA ...........................................................................................................7. 2.. MARCO TEORICO........................................................................................................9 2.1.. Estados de flujo........................................................................................................9. 2.2.. Regímenes de flujo.................................................................................................12. 2.3.. Energía ...................................................................................................................14. 2.4.. Flujo Uniforme.......................................................................................................18. 2.5.. Flujo No Uniforme.................................................................................................19. 2.6.. Fuerzas de arrastre y esfuerzo cortante..................................................................19. 2.7.. Diseño de alcantarillados urbanos..........................................................................20. 2.8.. Problemas en las redes de alcantarillado...............................................................27. 2.9.. Definición de Alta pendiente .................................................................................29. 2.10. 3.. 4.. Estructuras complementarias..............................................................................35. CÁM ARAS DE QUIEBRE...........................................................................................36 3.1.. Definición y utilidades de las cámaras de quiebre .................................................36. 3.2.. Tipos de cámaras de quiebre .................................................................................38. 3.3.. Parámetros de diseño .............................................................................................40. 3.4.. Criterios de selección de una cámara de quiebre ...................................................41. NORM ATIVIDAD VIGENTE.....................................................................................43. 3.

(4) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. 5.. 6.. 7.. 8.. MIC 2008-I-002. CÁM ARAS DE QUIEBRE DE CAIDA LIBRE..........................................................46 5.1.. Descripción ............................................................................................................46. 5.2.. Análisis Hidráulico ................................................................................................46. 5.3.. Diseño ....................................................................................................................49. 5.4.. Construcción ..........................................................................................................53. 5.5.. Rango de operación................................................................................................54. CÁM ARAS DE QUIEBRE TIPO VÓRTICE..............................................................56 6.1.. Descripción ............................................................................................................56. 6.2.. Análisis Hidráulico ................................................................................................57. 6.3.. Diseño ....................................................................................................................58. 6.4.. Construcción ..........................................................................................................65. 6.5.. Rango de operación................................................................................................66. CÁM ARAS DE QUIEBRE ESCALONADAS M ODULADAS..................................68 7.1.. Descripción ............................................................................................................68. 7.2.. Análisis Hidráulico ................................................................................................69. 7.3.. Diseño ....................................................................................................................71. 7.4.. Construcción ..........................................................................................................77. 7.5.. Rango de operación................................................................................................78. CÁM ARAS DE QUIEBRE TIPO LABERINTO.........................................................79 8.1.. Descripción ............................................................................................................79. 8.2.. Análisis hidráulico .................................................................................................80. 4.

(5) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. 9.. MIC 2008-I-002. 8.3.. Diseño ....................................................................................................................83. 8.4.. Construcción ..........................................................................................................86. 8.5.. Rango de Operación...............................................................................................87. ANALISIS COM PARATIVO ......................................................................................88 9.1.. Factores hidráulicos ...............................................................................................88. 9.2.. Relación costo constructivo contra eficiencia........................................................90. 9.3.. Información disponible ..........................................................................................92. CONCLUSIONES................................................................................................................93 BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................96 VARIABLES ........................................................................................................................99 INDICE DE GRÁFICOS....................................................................................................101. 5.

(6) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. INTRODUCCION. Los sistemas de alcantarillado están compuestos por redes de tuberías y estructuras complementarias; la función de dichas estructuras es mejorar las condiciones de operación al interior en el sistema. Cuando un sistema de alcantarillado se construye en una zona de alta pendiente, los tramos tuberías se diseñan con pendientes menores a la del terreno; en consecuencia, el final de un tramo tiene una diferencia de altura con el inicio del tramo siguiente; cuando esta diferencia es mayor a 0.50 m (RAS 2000), es necesario construir una estructura especial para minimizar los daños en la red; estas estructuras se denominan cámaras de quiebre o caída. En muchos lugares del mundo, con topografías de alta pendiente se han construido cámaras de este tipo desde tiempos romanos Chanson (2000);. no obstante no existe una. sistematización de esta información M erlein et all (2002). En Alemania se ha adelantado trabajo con este respecto, no obstante no hay un equivalente en español. En Latinoamérica y particularmente en Colombia son muchas las ciudades que cuentan con alcantarillados de alta pendiente, por lo tanto es necesario conocer la información disponible sobre este tema. El diseño de estas estructuras, requiere conocimientos acerca de los fenómenos físicos que ocurren en su los canales y tuberías Chanson (2002), conceptos del diseño de sistemas de alcantarillado Tchobanoglous (1994), observaciones acerca del comportamiento del flujo en estas cámaras Rajaratnam (1997), análisis hidráulicos Chanson (2000). Este estudio, pretende sistematizar información referente a cuatro tipos de estructuras, cámaras de caída libre Chanson (2002), cámaras tipo vórtice Zhao et al (2006) M otzetValentin (2002), cámaras escalonadas gradas alternantes Kleinschroth. Chanson (2002) González (2007) y cámaras de. (1998). Luego de ello pretende realizar un análisis. comparativo, teniendo en cuenta factores hidráulicos, económicos, constructivos, de acuerdo a la información disponible, para evaluar que tipo de estructura es más apropiada para condiciones dadas.. 6.

(7) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. 1. METODOLOGIA. El presente trabajo, contiene una recopilación de metodologías de diseño, recomendaciones constructivas y observaciones referentes a cámaras de quiebre en alcantarillados de alta pendiente. Se realizó un proceso en diferentes etapas: hidráulica básica y definiciones técnicas; generalidades de cámaras de quiebre y análisis de sistemas de alcantarillados similares; normas vigentes de alcantarillado; descripción y diseño de las cámaras de quiebre documentadas; y por último, análisis comparativo de las estructuras de disipación.. Hidráulica básica y definiciones técnicas: Fue necesario recopilar de la literatura conceptos hidráulicos y definiciones, para unificar los conceptos aplicables al diseño de cámaras de caída. Esta información corresponde a hidráulica general e hidráulica de alcantarillados y sistemas de drenaje.. Generalidades de Cámaras de quiebre y sistemas de alcantarillado similares: En nuestro país, la literatura referente al diseño, construcción y operación de alcantarillados de alta pendiente es muy limitada. Por este motivo, fue necesario buscar metodologías, publicaciones y referencias en otros países, en particular en aquellos que tienen ciudades localizadas en zonas montañosas. Tal es el caso de países localizados en la cordillera de los Andes, como Ecuador, Perú, Bolivia y Chile; Europa alpina, tal como Italia, Alemania y Suiza, entre otros; Norte América, en la zona de las Rocallosas en Estados Unidos y Canadá.. Descripción y diseño de las cámaras de quiebre documentadas: Se encontró que existen diversas publicaciones, metodologías de diseño y tipos de cámaras de quiebre para alcantarillado en distintos países. Por lo tanto, se tomaron las estructuras más documentadas, para realizar un trabajo más detallado sobre ellas. Se realizó una. 7.

(8) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. descripción del método de diseño de cada tipo de cámara, y las recomendaciones técnicas respectivas.. Análisis comparativo de estructuras de disipación: Luego de recopilar y clasificar la información sobre las metodologías de diseño de cámaras de caída, se realizó un análisis comparando las ventajas y desventajas de los tipos de cámara documentados, teniendo en cuenta constructivos. 8. parámetros económicos, técnicos y.

(9) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. 2. MARCO TEORICO. En este capítulo, se describen algunos conceptos y parámetros de la hidráulica de redes de alcantarillado, que en capítulos posteriores serán empleados para explicar el diseño y funcionamiento de las cámaras de quiebre.. 2.1. Estados de flujo En la hidráulica de canales abiertos y en particular en el diseño y operación de sistemas de alcantarillado, dos efectos dominan el comportamiento hidráulico. Estos efectos son debidos a fuerzas gravitacionales y fuerzas viscosas; la acción de otras fuerzas no es representativa en condiciones normales. Según Ven Te Chow (1998), debido al efecto de viscosidad “el flujo puede ser laminar, turbulento o transicional, según el efecto del a viscosidad en relación con la inercia”.. Flujo Laminar: en este flujo la acción de las fuerzas viscosas en mayor que el de las fuerzas inerciales, las partículas tienen trayectorias suaves, con líneas de flujo paralelas. El fluido se mueve asemejando capas o laminas.. Flujo Turbulento: la acción de las fuerzas inerciales es mayor que las fuerzas viscosas, la trayectoria de las partículas no es uniforme. Las partículas de flujo se mueven en trayectorias erráticas, pero en conjunto tienen la tendencia a moverse en la dirección del flujo.. Flujo Transicional: es el estado de flujo que ocurre entre el flujo laminar y el turbulento, en este caso el flujo tiene algunos comportamientos laminares y otros turbulentos.. 9.

(10) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. La representación más usada para relacionar las fuerzas viscosas con las inerciales es el número de Reynolds, que se expresa de la siguiente manera:. Re =. VLρ. (2-1). µ. donde:. ρ. Densidad del fluido. µ. Viscosidad Dinámica del fluido. V. Velocidad media del flujo. L. Longitud característica. La densidad y la viscosidad dinámica del fluido, dependen del fluido que transporte la tubería y de condiciones externas como temperatura o presión; La velocidad media se obtiene de la ecuación de la conservación de la masa: Q = V × Aw. (2-2). donde: Q. Caudal transportado por el sistema. Aw. Área mojada. V. Velocidad media del flujo. La longitud característica varía dependiendo del flujo y de la sección, en el caso de flujos a tubo lleno se emplea el diámetro del tubo, en canales abiertos se emplea el radio hidráulico o la profundidad hidráulica del canal.. 10.

(11) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. Radio Hidráulico R=. Aw Pw. (2-3). Aw Bw. (2-4). donde: R. Radio Hidráulico. Aw. Área M ojada. Pw. Perímetro mojado. Profundidad hidráulica Dw = donde: Dw. Profundidad Hidráulica. Aw. Área M ojada. Bw. Ancho de superficial. Para tuberías circulares:. Bw. δ. yw. D. Gráfico 2-1 Relaciones geométricas para un tubo redondo. 11.

(12) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. Aw =. MIC 2008-I-002. (δ − Senδ )D 2. 8 ⎛δ ⎞ B w = D ⋅ Sen⎜ ⎟ ⎝ 2⎠. δ. Angulo de lámina de agua. D. Diámetro del Tubo. El flujo cambia de laminar a turbulento a medida que aumenta el número de Reynolds. No obstante, no hay números exactos del número de Reynolds para determinar los límites entre cada estado, dado que el valor varía dependiendo de la geometría de la sección del tubo o canal; sin embargo, en la literatura se han definido los siguientes valores típicos para cada estado:. Flujo laminar. Re<2000. Flujo de transición. 2000<Re<5000. Flujo Turbulento. Re>5000. 2.2. Regímenes de flujo Al igual que en el caso de las fuerzas viscosas, para las fuerzas gravitacionales la representación empleada para relacionarlas con las fuerzas inerciales, es el número de Froude, que se expresa de la siguiente manera:. Número de Froude. Fr =. V A g w Bw. (2-5). 12.

(13) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. donde: Fr. Número de Froude. V. Velocidad M edia. g. gravedad. Aw. Área M ojada. Bw. Ancho superficial de la lámina de agua. Cuando el número de Froude es mayor que uno el flujo es supercrítico; cuando el número de Froude es menor que uno el flujo es subcrítico; cuando el número de Froude es igual a la unidad el flujo es crítico.. En los flujos subcríticos, las fuerzas inerciales son mayores que las gravitacionales, la velocidad media de la sección es menor que las ondas gravitacionales; la información del flujo se propaga desde aguas abajo hacia aguas arriba, por lo tanto el flujo se controla desde aguas abajo. El flujo es poco turbulento y no tiene mucho potencial de transporte.. En los flujos supercríticos, las fuerzas inerciales son menores que las gravitacionales, la velocidad media de la sección es mayor que las ondas gravitacionales; la información se propaga desde aguas arriba hacia aguas abajo, por lo tanto el flujo se controla desde aguas arriba. El flujo es muy turbulento y tiene gran capacidad de transporte y socavación.. Pueden ocurrir cuatro regímenes de flujo en un canal abierto, al combinarse los efectos de las fuerzas inerciales y las fuerzas viscosas, estos regímenes son:. Sub-crítico – Laminar: el número de Reynolds es menor a 2000 y el número de Froude es menor a 1.. 13.

(14) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. Supercrítico – Laminar: el número de Reynolds es menor a 2000 y el número de Froude es mayor a 1.. Supercrítico – Turbulento: el número de Reynolds es mayor a 5000 y el número de Froude es mayor a 1.. Sub-crítico – Turbulento: el número de Reynolds es mayor a 5000 y el número de Froude es menor a 1.. Los regímenes en estado laminar, ocurren cuando se tienen profundidades muy pequeñas. Según Ven Te Chow (1998) esto no es frecuente en los canales abiertos; no obstante, los sistemas de alcantarillado operan con caudales pequeños que implican flujos laminares, solo en algunos momentos en el día el caudal produce otros regímenes. Esto ocurre principalmente en los sistemas de alcantarillado pluvial; no obstante, los diseños se realizan para condiciones de operación extremas, en las cuales el flujo de la tubería es turbulento.. 2.3. Energía La energía en los canales abiertos y en las tuberías de alcantarillado, se representa mediante la ecuación de Bernoulli. Suponiendo que las pérdidas por fricción son despreciables, la ecuación de Bernoulli para dos secciones de una canal se representa con la ecuación (2-6); dicha ecuación, representa la energía por unidad de peso en un canal cualquiera.. V12 V 22 z1 + y w1 + α 1 = z2 + y w2 + α 2 = Cte 2g 2g. (2-6) Bernoulli. donde: ywi. Profundidad de la sección i. zi. Elevación en metros con respecto a un Datum de la sección i. 14.

(15) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. Vi. Velocidad M edia de la Sección i. αι. Coeficiente de Coriolis de la sección i. g. Gravedad. MIC 2008-I-002. El coeficiente de Coriolis, es una corrección que se hace sobre los cálculos hidráulicos de energía, cuando la pendiente longitudinal del canal es mayor que cero. El coeficiente de Coriolis se calcula con la expresión 2-7.. ∫ ρV α= A. 3. dA. ρV 3 A. A. Área de la sección. dA. Diferencial de área de la sección. V. Velocidad de la sección. ρ. Densidad del fluido. (2-7). Energía Específica Chow define la energía específica de la sección de un canal abierto como: “…La energía por libra de agua en cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo de 1 éste…” . Esto corresponde a la energía por unidad de peso (ecuación 2-8), representada por. una columna de agua equivalente y se analiza como una función de la profundidad del flujo del canal o tubería.. E = y w cosθ + α. 1. Ven Te Chow. Hidráulica de canales abiertos, página 41. 15. V2 (2-8) 2g.

(16) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. donde: yw. Profundidad de la sección perpendicular al fondo. θ. Pendiente longitudinal del canal. V. Velocidad M edia. α. Coeficiente de Coriolis. g. Gravedad. La expresión para la energía específica se puede reemplazar en función del caudal y la profundidad hidráulica; de esto se obtiene una función cúbica para la energía, que depende de la profundidad del a sección. Esto se observa claramente al resolver la expresión 2-8 para canales rectangulares, obteniendo la expresión 2-9.. E = y w cosθ + α E = y w cosθ + α. V2 2g Q2. 2 gAw2. Q2 (2-9) E = y w cosθ + α 2 gB w2 y w2 donde: yw. Profundidad de la sección perpendicular al fondo. Bw. Ancho del canal. Aw. Área mojada del canal. θ. Pendiente longitudinal del canal. Q. Caudal. α. Coeficiente de Coriolis. g. Gravedad. 16.

(17) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. De la expresión 2-9, se obtienen tres soluciones para la profundidad hidráulica; dos de las cuales corresponden a las profundidades secuentes; dichas profundidades corresponden a la profundidad del canal cuando el flujo es subcrítico y cuando es supercrítico. Cuando el flujo es subcrítico la energía potencial es mayor que la energía cinética y la velocidad es baja, por lo tanto la energía por unidad de peso (columna de agua), se parece mucho a la profundidad del flujo; cuando el flujo es supercrítico la energía cinética es mayor que la potencial, en consecuencia la profundidad del flujo es pequeña y la velocidad es alta.. Cuando el flujo es crítico, es decir cuando el número de Froude es igual a 1, la profundidad hidráulica crítica se puede calcular despejando la expresión (2-5). En el caso de un canal rectangular se obtiene la expresión (2-10).. Partiendo del número de Froude expresión (2-5) Fr =. Vc g. g. g. Aw Bw. Aw = Vc Bw. yc Bw = Vc 2 Bw. donde: yc. Profundidad crítica. Vc. velocidad crítica. Reemplazando en la expresión para energía específica (2-8) y suponiendo que la pendiente es despreciable, se obtiene la expresión:. 17.

(18) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. Ec = yc +. Ec =. gy c 2g. 3 y (2-10) 2 c. Siguiendo un proceso similar, se obtiene la siguiente expresión para la profundidad crítica: yc = 3. Q2 gB w2. (2-11). 2.4. Flujo Uniforme El flujo uniforme o flujo de equilibrio, ocurre cuando las fuerzas gravitacionales e inerciales que impulsan el flujo, se contrarrestan con las fuerzas de fricción que le oponen resistencia. Este balance de fuerzas se representa mediante la siguiente expresión:. τ 0 Pw ∆s = ρ gAw ∆s ⋅ senθ donde:. τ0. esfuerzo cortante en la pared. Pw. Perímetro mojado. Aw. Área mojada. ∆s. longitud del volumen de control. ρ. Densidad del agua. θ. Pendiente longitudinal del canal. El flujo uniforme se caracteriza por su profundidad constante y velocidad media constante.. 18.

(19) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. 2.5. Flujo No Uniforme Según Chanson (2002), la variación constante de la sección, la velocidad, la pendiente y la profundidad en los canales reales impide el desarrollo de un flujo uniforme. En los sistemas de alcantarillado, se busca que estas características se mantengan constantes, para poder controlar los fenómenos al interior de las tuberías; no obstante los cambios de pendiente del terreno, obligan al diseñador en las pendientes de diseño de los tubos, que en algunos casos son pendientes supercríticas.. Estas variaciones, conducen a fenómenos al interior de la tubería como el embalsamiento o resaltos hidráulicos, que no son deseables en la operación de las mismas. Estos fenómenos se pueden amortiguar, con la construcción de estructuras complementarias a las redes de alcantarillado.. 2.6. Fuerzas de arrastre y esfuerzo cortante Las redes de alcantarillado, tienen agua con condiciones muy especiales. Las aguas que van a los sistemas de drenaje, transportan materiales diversos. En el caso de los alcantarillados sanitarios, el transporte es generalmente de materia orgánica y algunos sólidos suspendidos; en los alcantarillados pluviales, el agua transporta partículas que arrastra la escorrentía superficial.. Según Chanson (2002), la capacidad de transporte del agua, depende de la velocidad del fluido; cuando la velocidad es alta, el fluido tiene gran capacidad de transportar materiales; cuando la velocidad es baja, se disminuye la capacidad de transporte y los materiales suspendidos en el flujo se depositan en la tubería. Además de la capacidad de transporte, el fluido ejerce un esfuerzo cortante en la pared de la tubería que es proporcional a la velocidad, este esfuerzo se representa mediante la ecuación (2-12).. 19.

(20) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. τ0 =. MIC 2008-I-002. (2-12). f ρV 2 8. La depositación de materiales en la tubería es un problema, dado que disminuye la capacidad hidráulica del ducto y puede llegar a obstruirlo; por este motivo, se requiere que el fluido tenga cierta velocidad mínima y garantice un cortante mínimo. Sin embargo, el caudal de la tubería varía durante el día, desde caudales muy pequeños hasta valores pico; para evitar la obstrucción de la tubería se debe garantizar que el caudal pico diario, sea capaz de transportar los materiales depositados en el tubo.. 2.7. Diseño de alcantarillados urbanos Un sistema de alcantarillado es un conjunto de canales, tuberías y estructuras complementarias, conectados entre sí, cuya función es recolectar y evacuar las aguas residuales y pluviales de un sector determinado, para conducirlas a un emisario final. Cada sistema de alcantarillado está limitado en el espacio, es decir, se determina su frontera al limitar la geografía de los usuarios que hacen vertimientos. Los sistemas de alcantarillado deben tener ciertas condiciones hidráulicas, para minimizar los costos de construcción, operación, mantenimiento y reparación; esta reducción de los costos es proporcional a la reducción de los problemas hidráulicos, sobre los cuales se ampliará más adelante.. Los sistemas de alcantarillado, se pueden representar por modelos matemáticos de caja gris. Es decir, se conocen los fenómenos físicos que ocurren en su interior, los procesos mecánicos, los dinámicos y los químicos; no obstante, la información acerca de las variables de entrada al sistema, es difícil de determinar con exactitud; por lo tanto se diseña a partir de fenómenos extremos y se supone que las condiciones de operación serán menos agresivas.. 20.

(21) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. Se identifican claramente las variables de entrada como caudales y cargas de sólidos suspendidos en función del tiempo. Las variables de salida como caudales sólidos y líquidos; también se identifican variables de estado como velocidades de flujo, calidad de agua, números de Froude, entre otros.. El proceso de diseño tiene algunos pasos básicos para estructurarse. En primer lugar la obtención de información de campo como topografía, calidad de agua, localización de los usuarios y los emisarios finales; en segundo lugar, determinación del caudal de diseño, que se deriva de con proyecciones poblaciones y proyecciones hidrológicas; por otra parte la escogencia de los materiales, asociado con los costos y la disponibilidad en el sector del proyecto; finalmente el diseño hidráulico de los tubos y estructuras complementarias, que implica la escogencia de ecuaciones de diseño y evaluaciones hidráulicas.. 2.7.1. información de campo La recolección de información de campo, es el punto de partida para el diseño de sistemas de alcantarillado. Esta actividad, permite obtener información acerca de la topografía del sector donde se desarrollará el proyecto de alcantarillado; se debe determinar los vertimientos de aguas residuales para alcantarillado sanitario o las áreas de drenaje para alcantarillados pluviales; a partir de la información topográfica se determinan las pendientes del terreno y las posibles localizaciones de los colectores; es necesario evaluar cual será el punto o puntos de entrega de las aguas residuales.. 2.7.2. Determinación del caudal de diseño Existen diversas maneras para determinar el caudal de diseño para una tubería de alcantarillado, dependiendo de si es pluvial o sanitario. En el diseño de alcantarillados pluviales, es necesario conocer la hidrología de la zona en que se desarrollará el proyecto de alcantarillado; esta información combinada con la topografía y la fisiografía del proyecto, permite estimar el caudal que debe transportar el sistema de alcantarillado. En el. 21.

(22) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. libro de Hidrología aplicada de Ven Te Chow (2000), se encuentra el método racional, que hoy en día es el procedimiento más común para el cálculo de caudales de diseño 2.. Para alcantarillados sanitarios, el caudal de diseño está condicionado por las características de la población, que hace vertimiento en cada colector; estas características son: consumo por habitante, densidad de habitantes por unidad de área; también es necesario considerar en el diseño condiciones topográficas, requerimientos hidráulicos y de operación. En título D del Reglamento Técnico de Sector de Agua potable y Saneamiento Básico RAS 2000 y 3 en otros textos como el de Ingeniería Sanitaria de Tchobanoglous , se plantean métodos. para estimar el caudal de diseño, partiendo de proyecciones poblacionales a largo plazo.. 2.7.3. Escogencia de los materiales Los materiales empleados en el diseño y construcción de sistemas de alcantarillado, están definidos por la oferta del mercado. En Colombia, los tubos disponibles en el mercado están hechos de materiales como: Acero, concreto simple, concreto armado, hierro fundido, hierro dúctil, asbesto cemento, arcilla vitrificada, PVC, polietileno y tratamientos con fibra de vidrio; las estructuras complementarias, están construidas principalmente en concreto armado y ladrillo; la escogencia del material depende del diseñador y corresponde al más apropiado para la operación del sistema.. En el título D del RAS 2000 se encuentra la reglamentación de los materiales y diámetros disponibles para tuberías de alcantarillado.. 2. Ven Te Chow, en el texto Hidrología Aplicada, Capítulo 15 páginas 507 a 554; método racional, análisis de crecientes de diseño y planicies de inundación. 3 George Tchobanoglous, en el texto Ingenierí a Sanitaria, Redes de alcant arillado y bombeo de aguas residuales capítulo 3, paginas 64 a 107.. 22.

(23) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. 2.7.4. Diseño de la tubería Para diseñar una tubería de alcantarillado existen cinco variables: Caudal de diseño, rugosidad del material, diámetro, pendiente de fricción y profundidad hidráulica del flujo. El caudal de diseño, está determinado al iniciar el proceso y es una variable de entrada al diseño hidráulico; el número de materiales disponibles en el mercado está limitado, por lo tanto los valores de rugosidad también lo son; el diámetro de una tubería de alcantarillado, está limitado por los valores disponibles en el mercado; como pendiente de fricción, generalmente se usa la del terreno; en casos extremos, la pendiente se determina para algunas condiciones de operación; la profundidad hidráulica es el valor que más cambia al diseñar, debido a que un material determinado, con un diámetro y una pendiente definidas, pueden movilizar muchos caudales distintos, con profundidades variadas.. Se exigen ciertas condiciones a la tubería que definen el diseño, velocidad mínima, velocidad máxima, cortante mínimo, cortante máximo, profundidad hidráulica máxima, régimen de flujo, entre otras. En muchos casos no es posible cumplir algunas de estas condiciones, en particular cuando la topografía es adversa.. El cálculo de diámetro apropiado se hace a través de un proceso iterativo, en el cual se tienen como variables de entrada el caudal de diseño (Q), y la pendiente de fricción (S); Se escoge el material que será usado. Luego se prueban sucesivamente diámetros comerciales, evaluando si el diseño cumple con los requerimientos hidráulicos; el menor diámetro que cumpla con las condiciones obligatorias será el diámetro escogido.. En muchos casos luego de escoger el diámetro, se ajusta la pendiente longitudinal de la tubería, para optimizar el uso de la tubería.. 23.

(24) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. 2.7.5. Velocidad en la tubería Aunque el Caudal en una tubería de alcantarillado, varía con el tiempo y con el espacio, los diseños se realizan asumiendo que el caudal de diseño es constante en el tiempo, y que el flujo es uniforme; por lo tanto, las redes de alcantarillado se diseñan empleando ecuaciones para flujo uniforme. Las ecuaciones más comunes de flujo uniforme son las de GaucklerM anning (ecuación 2-1) y la desarrollada por el ingeniero francés Chézy (ecuación 2-2); estas ecuaciones de origen empírico, han sido empleadas en el diseño de ingeniería por largo tiempo, con resultados aceptables.. V=. 1 23 12 R S n. 2-13 Ecuación de Gauckler-Manning. donde: V. Velocidad media. n. Coeficiente de M anning. R. Radio Hidráulico. S. Pendiente de Fricción. La ecuación de Gauckler-M anning emplea un coeficiente empírico de fricción, que ha sido evaluado para una gran variedad de materiales. En muchos textos, como el de Hidráulica 4 de canales abiertos de Ven te Chow , se pueden encontrar tablas que contienen el valor del. coeficiente n, para muchos materiales. El coeficiente de fricción de M anning tiene dimensiones, por lo tanto debe ajustarse dependiendo del sistema de unidades en el que sea empleado.. 4. Ven Te Chow, Hidráulica de canales abiertos, Tabla 5-6. Paginas 108 a 111.. 24.

(25) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. La ecuación de Chézy también es de origen empírico, y emplea otro coeficiente dimensional de fricción. Ambas ecuaciones son funciones del radio hidráulico, la pendiente de fricción y un coeficiente de fricción. V = C R ⋅S 2-14. Ecuación de Chézy donde: C. Coeficiente de Chézy. R. Radio Hidráulico. S. Pendiente de Fricción. Existe otra función para la velocidad uniforme en una tubería de alcantarillado, que se deriva del análisis físico. Partiendo de las ecuaciones de Darcy-Weisbach (Ecuación 2-15) y de Colebrook-White (Ecuación 2-16). hf = f. L V2 4R 2g. 2-15. Ecuación de Darcy-Weisbach. donde: hf. Pérdidas por fricción. f. coeficiente de fricción. L. Longitud del a tubería. R. Radio hidráulico. V. Velocidad media. g. gravedad. 25.

(26) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. ⎛ k 2,51 = − 2Log10 ⎜ s + ⎜ f ⎝ 14,8R Re f. 1. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. MIC 2008-I-002. 2-16. Ecuación de Colebrook-White. donde: f. coeficiente de fricción. R. Radio Hidráulico. Re. número de Reynolds. ks. Rugosidad del material. La ecuación de Colebrook-White, sirve para calcular el factor de fricción en tuberías. El cálculo del factor de fricción, requiere conocer el número de Reynolds (Ecuación 2-1).. Re =. 4VR. Ecuación 2-17. Número de Reynolds. υ. donde: V. Velocidad media. R. Radio Hidráulico. ν. Viscosidad Cinemática. En las ecuaciones empíricas de M anning y Chézy, la pendiente de fricción es un dato del problema. En el caso de las ecuaciones físicamente basadas la pendiente de fricción es equivalente a la siguiente expresión: S =. hf L. 2-18. Pendiente de Fricción. donde:. 26.

(27) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. hf. Pérdida por fricción. S. Pendiente fricción. L. Longitud del tubo. Despejando el factor de fricción de la ecuación (2-15), se obtiene que:. f = hf. 2-19. D 2g LV2. Al reemplazar la expresión para el factor de fricción y el número de Reynolds en la ecuación (2-16), se obtiene la siguiente expresión: ⎛ ⎜ k 2,51 1 = −2 Log10 ⎜ s + ⎜ 14,8R 4VR 4R 2 g 4R 2g ⎜⎜ hf hf 2 2 υ L V L V ⎝. ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟⎟ ⎠. 2-20. Simplificando la ecuación (2-20), se obtiene una expresión físicamente basada para calcular la velocidad de flujo uniforme en una tubería (ecuación 2-21).. ⎛ k 2,51υ V = −2 8 gRS ⋅ Log10 ⎜ s + ⎜ 14,8R 4 R 8 gRS ⎝. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. 2-21. 2.8. Problemas en las redes de alcantarillado Como se ha descrito, una red de alcantarillado es un sistema multivariado, que involucra fuerzas inerciales, gravitacionales, viscosas y de tensión superficial; estas fuerzas producen. 27.

(28) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. fenómenos de transporte de sólidos y gases. Cuando hay condiciones extremas de una o más variables se presentan los siguientes problemas:. Colmatación: cuando la capacidad de transporte del flujo es menor que la cantidad de sólidos suspendidos en el, los sólidos se precipitan y sedimentan al fondo del tubo. Cuando esta situación persiste, la sección hidráulica del tubo se reduce hasta obstruirlo; este problema se debe a bajas velocidades del flujo o altas cargas de sólidos suspendidos.. Erosión por cortantes en la pared: Cuando la velocidad del flujo aumenta, el esfuerzo cortante aumenta simultáneamente, el material del que están hechas las tuberías, puede tolerar solo ciertos valores máximos de cortante, antes de erosionarse; estos esfuerzos ocurren generalmente cuando el flujo es supercrítico.. Funcionamiento a presión: Las normas de diseño para tuberías de alcantarillado, indican que la tubería debe funcionar a flujo libre. Sin embargo, ocurren eventos extremos en los cuales el caudal máximo sobrepasa el caudal de diseño. En otros casos el cambio de una pendiente supercrítica a una subcrítica, genera resaltos hidráulicos al interior de los tubos que pueden presurizar la tubería. El funcionamiento a presión modifica la hidráulica con la cual ha sido diseñada la tubería, presentando represamientos al interior de la red de alcantarillado.. Erosión por Cavitación: Cuando la pendiente del tubo es muy alta, se presenta una diferencia en la parte inferior del flujo; en este caso las burbujas de aire en el flujo implotan, disparando un microchorro sobre la pared de la tubería. Este fenómeno se denomina cavitación.. Las normas de diseño presentan recomendaciones prácticas que minimizan el efecto de estos problemas, por ejemplo indicaciones de velocidades mínimas del flujo, velocidades. 28.

(29) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. máximas, número de Froude máximo, cortantes máximos, pendientes máximas. No obstante, hay casos en los cuales no es posible cumplir con estas especificaciones, en particular cuando la topografía es adversa.. 2.9.. Definición de Alta pendiente. La pendiente alta condiciona en muchas formas la hidráulica de una tubería y los cálculos matemáticos, varía las velocidades al interior de los tubos de un sistema de drenaje y afecta los fenómenos de arrastre, cortante en la pared y erosión, entre otros.. La pendiente del fondo del canal, tiene influencia en la distribución de presiones del fluido, ésto es importante dado que es habitual simplificar este efecto; en general las pendientes de los canales y tuberías no exceden un ángulo de 6° o su equivalente 10% de pendiente. Por lo tanto, es necesario prestar atención a los canales o tuberías con pendientes superiores a este valor; este efecto se soluciona corrigiendo el término de profundidad; es decir, se debe 2 corregir la profundidad hidráulica por un factor igual a cos θ, donde θ es el ángulo del. fondo del canal o tubería con respecto a la horizontal. En consecuencia, los canales con pendientes longitudinales superiores a este valor, se denominan de alta pendientes; no obstante, este concepto es afectado por las características particulares de cada sistema.. En general la definición de alta pendiente, está asociada con la ocurrencia de flujo crítico. Esta condición, se obtiene partiendo de la ecuación de Darcy hasta llegar a la expresión (222), como se observa a continuación:. hf = f. L V2 4R 2g. (2-22). 29.

(30) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. Pendiente de Fricción: hf =S L Entonces: S= f. 2. V 8 gRc. Cuando la pendiente es crítica: S = Sc = f. (2-23). Vc2 8 gRc. El flujo crítico en muchos casos ocurre con pendientes menores al 10%. En consecuencia, para definir si un alcantarillado tiene una alta pendiente longitudinal, es necesario evaluar sus condiciones hidráulicas. . Para un canal rectangular la pendiente crítica se calcula con la siguiente expresión: ⎛ Q2 Q 2 ⎜ Bw + 2 ⋅ 3 ⎜ gB w2 ⎝ Sc = f 3 2 ⎞ ⎛ Q ⎟ 8 g⎜ Bw 3 2 ⎟ ⎜ gB w ⎠ ⎝. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. (2-24). En este caso el factor de fricción se expresa como:. 30.

(31) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. ⎛ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ks 1 = − 2Log10 ⎜ ⎜ ⎡ f Q2 ⎜ ⎢ Bw 3 gB w2 ⎜ ⎢ 14 , 8 ⎜ ⎢ 2 ⎜ ⎢ B + 2⋅ 3 Q ⎜ ⎢⎣ w gB w2 ⎝. ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ 2 ⎞ ⎛ Q ⎟⎟ 2,51υ ⎜ B w + 2 ⋅ 3 2 ⎜ gBw ⎟⎠ ⎟ ⎝ ⎟ + ⎟ ⎤ 4Q f ⎟ ⎥ ⎟ ⎥ ⎟ ⎥ ⎟ ⎥ ⎟ ⎥⎦ ⎠. (2-25). Para una tubería circular que no funciona a presión las expresiones correspondientes son:. Sc = f. ⎛ δ D⎞ Q2 ⎜ c ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎛ (δ c − Senδ c )D 2 ⎞ ⎟⎟ 8 g⎜⎜ 8 ⎠ ⎝. (2-26). 3. ⎛ ⎜ ⎜ ks 1 = − 2Log10 ⎜ f ⎜ 3,7 D⎛⎜ 1 − senδ c ⎜ ⎜ δc ⎝ ⎝. ⎛ (δ − Senδ c )D 2 ⎞ ⎞ ⎟⎟ ⎟ 2,51υ ⎜⎜ c 8 ⎝ ⎠⎟ + ⎟ senδ c ⎞ ⎞ ⎛ QD⎜⎜ 1 − ⎟⎟ ⎟⎟ f ⎟ ⎟ δc ⎠ ⎠ ⎝ ⎠. (2-27). donde el ángulo delta crítico corresponde a la expresión: 64Q 2 (δ c − senδ c )3 = 5 δc gD. (2-28). Cuando la topografía de la zona en la que se desarrolla un proyecto de alcantarillado, es mucho mayor que la pendiente crítica, es necesario diseñar la tubería con una pendiente. 31.

(32) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. menor a la del terreno. En estos casos, la parte inicial de cada tramo se encuentra enterrada a profundidad y el tramo final es superficial; para conectar dos tramos es necesario construir una estructura complementaria.. Las condiciones de ciertos sistemas de alcantarillado pueden llevar a definirlos como alcantarillados de alta pendiente. Cuando existe la posibilidad de que ocurran daños derivados de las altas velocidades o de fenómenos de impacto, también el sistema se cataloga como de alta pendiente.. Gráfico 2-2. Acometidas domiciliarias vereda El Vino, municipio de la vega Cundinamarca 2005. En el gráfico 2-2, se observa un sistema de alcantarillado en el cual las acometidas domiciliarias, tienen una importante diferencia de altura con respecto al colector, es este caso ocurren fenómenos de impacto.. 32.

(33) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. Gráfico 2-3 Colector de alcantarillado sanitario. vereda El Vino, municipio de La Vega Cundinamarca 2005. En el gráfico 2-3, se observa un colector de alcantarillado en el cual la pendiente del terreno es mayor que la del colector; no obstante, ambas pendientes son mayores al 100% por lo tanto el flujo transportado por el colector es supercrítico y gradualmente variado.. En Colombia y en general en Latinoamérica hay muchas ciudades construidas en zonas montañosas; algunos ejemplos son las ciudades de Bucaramanga y M anizales en Colombia, y las capitales de Ecuador y Bolivia (gráfico 2-4), entre muchas. En las ciudades con topografía compleja es necesario construir alcantarillados con requerimientos especiales de pendiente; en muchos casos estas pendientes sobrepasan el 10%, tienen flujos supercríticos y altas velocidades, por lo tanto son alcantarillados de alta pendiente.. 33.

(34) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. Bucaram anga(Sant ander). Manizales (Caldas). Santa Bárbara (Antioquia). Quito (Ecuador). La Paz (Bolivia) Gráfico 2-4. Algunas ciudades con topografía alta Pendiente en Colombia y América latina. http//maps.yahoo.com (2007). 34.

(35) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. 2.10.. MIC 2008-I-002. Estructuras complementarias. Según Tchobanoglous (1994), Los sistemas de alcantarillado están compuestos por dos elementos; las tuberías o canales y las estructuras complementarias. La función de las tuberías o canales, es transportar el fluido de un punto a otro; las estructuras complementarias tienen múltiples funciones, todas relacionadas con la correcta operación del sistema.. La operación de un sistema de alcantarillado involucra variaciones en el flujo, transporte de sólidos, tránsito de crecientes, captación de caudales, entrega de caudales, entre otros. Estas condiciones son variables y hacen necesario construir estructuras acordes con cada necesidad específica; por ejemplo el transporte y depositación de sedimentos, requiere estructuras para hacer inspección y mantenimiento periódico. Estas estructuras son los pozos de inspección; la captación de caudales, requiere estructuras según el tipo de alcantarillado; en los alcantarillados sanitarios las estructuras de captación son las conexiones domiciliarias; en los alcantarillados pluviales son los imbornales y sumideros. Las estructuras complementarias más comunes son: Pozos de inspección, sumideros, imbornales, estructuras de entrega, sifones invertidos, estructuras de alivio y desviación, conexiones domiciliarias, entre otras.. En el caso de sistemas de alcantarillado de alta pendiente, es necesario construir estructuras que permitan mitigar los efectos de la turbulencia, la cavitación, los flujos inestables y el esfuerzo de corte entre tramos de tubería. Estas estructuras de disipación de energía, dependen del caudal, de la hidráulica del sistema, del espacio disponible para su construcción; cuando el espacio es reducido y las estructura de disipación de energía es cerrada, se denomina cámara de quiebre.. 35.

(36) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. 3. CÁMARAS DE QUIEBRE 3.1. Definición y utilidades de las cámaras de quiebre En el capítulo 2 se mencionó que el diseño de una red de alcantarillado es un problema multivariado, que se complica cuando la pendiente del terreno es mayor que la pendiente crítica del flujo. Se mencionó también que cuando esto ocurre, es necesario construir una estructura complementaria con la función de mitigar la turbulencia, la cavitación, los flujos inestables y el esfuerzo de corte entre tramos de tubería; esta estructura además debe conectar tramos de tubería con pendientes obligadas, menores a la del terreno, donde la parte inicial de cada tramo se encuentra enterrada a profundidad y el tramo final es casi superficial. Estas estructuras se denominan cámaras de quiebre; en el gráfico 3-1 se observa una cámara de quiebre típica.. Acceso a la cama ra. Repr esa e n ladr illo. Dti Conducto de e ntr ada. DP HP. Conducto de salida. Dt o. CAMARA DE QUIEBRE O CAIDA. Gráfico 3-1. Cámara de Quiebre para un sistema de alcantarillado. 36.

(37) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. Las cámaras de quiebre como estructuras complementarias, son tan antiguas como los sistemas de alcantarillado mismos. Chanson (2000), documentó las estructuras de disipación de energía empleadas en los acueductos romanos; entre otras estructuras, los romanos construyeron piscinas de amortiguación, estructuras escalonadas y pozos de caída libre.. Según Tchobanoglous(1994), una cámara de quiebre es un tipo particular de pozo de inspección en el cual, la diferencia de altura entre el tubo de entrada y el tubo de salida es de salida es mayor a 0.5m. En el título D del RAS 2000, la diferencia de altura indicada para que un pozo de inspección, sea denominado cámara de caída o quiebre es de 0.75 m, donde la salida de la cámara debe tener un ángulo menor de 15°, con respecto a la dirección del flujo principal; en el fondo del pozo debe existir una piscina de agua; además se indica que solo es obligatoria su construcción en colectores de diámetros mayores a 300 mm o 24”; el caso de entradas mayores a 900 mm se recomienda la construcción de una entrada escalonada. En las normas de las Empresas Públicas de M edellín desarrolladas por la Universidad de los Andes, se habla de las estructuras de disipación de energía, como estructuras que tienen la función de reducir la energía del flujo en la tubería, para transformar flujos supercríticos en subcríticos.. Partiendo de estos conceptos se puede definir una cámara de quiebre como una estructura complementaria a los sistemas de alcantarillado, que se construye cuando la pendiente del terreno es mayor que la pendiente crítica del flujo, que conecta dos o más conductos, entre las cuales hay una diferencia importante de elevación, con la función de mitigar los efectos de la turbulencia, la cavitación, los flujos inestables y los esfuerzos de corte al interior de las tuberías del sistema.. Al interior de las cámaras de quiebre ocurre un fenómeno de transformación de energía potencial en cinética, debido a los cambios de altura que ocurren en su interior; esta energía. 37.

(38) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. transferida al flujo aumenta la velocidad y los fenómenos que se derivan de ella. Por este motivo, la función principal de las cámaras de quiebre es disipar la energía cinética incorporada, reduciendo de esta manera los daños en las tuberías y estructuras del sistema de alcantarillado.. En la literatura internacional existen diversos estudios referentes a este tipo de estructuras; las más documentadas son disipadores de energía incorporados a alcantarillas y canales. El U.S. Departmen of Transportation, a través del National Highway Institute NHI, publica periódicamente un texto de diseño hidráulico de dis ipadores de energía para canales y alcantarillas; este texto es muy completo y contiene metodologías detalladas para el diseño de piscinas con y sin bloques de impacto, cámaras y alcantarillas con macro-rugosidades, estructuras de resalto hidráulico. Estas estructuras generalmente son de gran tamaño, por lo tanto son costosas y difíciles de incorporar en un sistema de alcantarillado urbano, en particular si este ya está construido; son más apropiadas para estructuras a campo abierto, cruces de túneles o puentes y emisarios finales de alcantarillado.. Según M erlein et al (2002), se han realizado diversos estudios, referentes a las cámaras de quiebre para sistemas de alcantarillado urbano; no obstante, este conocimiento no ha sido agrupado por completo.. 3.2. Tipos de cámaras de quiebre Las cámaras de quiebre se denominan a través de distintos criterios, como mecanismos de disipación de energía, tamaño o forma. Las normas colombianas, describen tres tipos de cámaras de quiebre: cámaras simples como la del gráfico 3-1; cámaras de quiebre escalonadas gráfico 3-2a, y cámaras de disipador interno gráfico 3-2e. No obstante, se han probado otros tipos de cámaras que están documentados en la literatura, como es el caso de cámaras de vorticidad 3-2b, cámaras de quiebre de gradas alternantes 3-2c, cámaras de caída libre 3-2d. Estas cámaras, se comentaran en detalle en los capítulos posteriores.. 38.

(39) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. d. Cámara de pozo con piscina. b. Cámara de Quiebre tipo vórtice. a. Cámara de Quiebre Escalonada. c. Cámara de quiebre de gradas alternantes. e. Cámaras de caída con rápida interna Gráfico 3-2. Tipos de cámaras de caída. 39.

(40) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. De acuerdo con la topografía, la hidráulica del sistema de alcantarillado, la disponibilidad de espacio, los recursos técnicos y económicos, se debe escoger el tipo de cámara más apropiado.. 3.3. Parámetros de diseño Para el diseño de una cámara de quiebre es necesario tener en cuenta factores hidráulicos, parámetros geométricos y parámetros de operación.. 3.3.1. Parámetros Hidráulicos: Par diseñar cualquier estructura hidráulica, es necesario conocer el caudal de diseño Q, las condiciones del flujo aguas arriba, es decir determinar si el flujo es subcrítico o supercrítico; los fenómenos al interior de la estructura como mecanismos de disipación de energía y fuerzas actuantes; finalmente, las profundidades normales tanto aguas arriba como aguas abajo de la estructura. En muchos casos el caudal no es conocido, por lo tanto es necesario partir de un proceso de calibración para obtener este valor. M erlein et al (2002), proponen partir de la ecuación de velocidad (2-21), para obtener el caudal. ⎛ k 2,51υ Q = −2 Aw 8 gRS ⋅ Log10 ⎜ s + ⎜ 14,8R 4 R 8 gRS ⎝. ⎞ ⎟ 3-1 ⎟ ⎠. 3.3.2. Parámetros geométricos: En el diseño de cámaras de quiebre es necesario tener en cuenta algunos parámetros geométricos como geometría del conducto de entrada, geometría del conducto de salida y. 40.

(41) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. altura entre las bateas de los dos conductos. Esta última es indispensable, dado que determina la cantidad de energía potencial que se transforma en cinética, por ende la energía a disipar.. 3.3.3. Parámetros de operación: Desde el punto de vista de operación, las cámaras de quiebre deben cumplir con las mismas condiciones que una estructura complementaria normal. Entre otras condiciones las cámaras de quiebre deben ser accesibles, deben tener un acceso amplio y suficiente para que un operario pueda inspeccionarla, hacer mantenimiento y las reparaciones necesarias; para flujos comunes, debe evacuar los sedimentos que se depositen en su interior; su diseño debe minimizar los daños que pueda sufrir por su propia operación.. 3.4. Criterios de selección de una cámara de quiebre Luego de tener la información suficiente para determinar que se debe construir una cámara de quiebre, es necesario determinar cuál es el tipo de cámara más apropiado para un sistema de alcantarillado determinado. Para facilitar este proceso es necesario tener en cuenta los siguientes factores:. 3.4.1.. Factores hidráulicos. Altura máxima: cada tipo de estructura tiene un límite en cuanto a la diferencia de altura entre las bateas de la tubería de entrada y de salida, no obstante este límite oscila entre 8 m para cámaras de caída libre y 200 m para cámaras de vórtice.. Caudal máximo: dependiendo del tipo de cámara, el caudal que puede transitar por la 3 estructura a partir de 0.030 m /s.. 41.

(42) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. Flujo de entrada: se refiere al régimen del caudal que ingresa a una cámara de quiebre; el flujo puede ser subcrítico o supercrítico. No obstante es necesario saber qué tipo de flujo es para escoger apropiadamente las condiciones de diseño.. 3.4.2. Factores Económicos Costo de construcción: Corresponde al costo de materiales, equipos e infraestructura que es necesario para edificar la estructura.. Costo de área intervenida: Este factor corresponde a la cantidad de área que se requiere para construir la cámara de quiebre; esta área es proporcional a intervención sobre infraestructura vial, reparaciones en espacio público, o área que es necesario comprar para construir la estructura.. Diseños complementarios: Cuando la estructura requiere de estudios estructurales o hidráulicos adicionales para completar el diseño.. 3.4.3. Factores constructivos Se refiere a la complejidad de construcción, asociada con la calificación requerida en el personal empleado, los equipos necesarios para desarrollar la obra y la precisión que requiere su ejecución.. 3.4.4. Información disponible Al tomar la decisión de cual tipo de estructura hidráulica escoger para un fin determinado, se debe tener en cuenta la información disponible acerca de técnicas de diseño, modelos documentados, memorias de operación, experiencias previas, entre otros.. 42.

(43) MIC 2008-I-002. Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. 4. NORMATIVIDAD VIGENTE. En Colombia el diseño de sistemas de alcantarillado, está normalizado mediante el Reglamento Técnico de Sector de A gua potable y Saneamiento Básico RA S 2000, en su título D. Sin embargo no contiene recomendaciones de diseño importantes con respecto a cámaras de quiebre. Cada empresa de acueducto y. alcantarillado. local tiene. recomendaciones técnicas para el diseño de sistemas de alcantarillado en su jurisdicción. El reglamento de diseño de alcantarillado de las Empresas Públicas de M edellín EEPP desarrollado por la Universidad de los Andes, contiene un aparte para el diseño de cámaras de quiebre, contiene recomendaciones de diseño para dos tipo de cámaras de quiebre.. A nivel internacional las normas relativas a este tema son pocas. En Estados unidos y Canadá, hay normas vigentes para el diseño de estructuras en canales y alcantarillas; sin embargo, en cuanto a las cámaras de quiebre para sistemas de alcantarillado Urbano, solo hay documentación para cámaras de vórtice.. Quizás el reglamento más completo, con respecto al diseño y construcción de estructuras complementarias de alcantarillado, es el reglamento alemán ATV-Arbeitsblatt. Esta norma abarca gran variedad de estructuras hidráulicas para alcantarillado.. La norma de diseño de cámaras de quiebre, debe ser compatible con las normas para el diseño de tuberías. En el RAS 2000, se referencian las siguientes normas para el diseño de tuberías de alcantarillado, en las cuales se hace referencia a los materiales, diámetros y especificaciones generales de diseño: Especificaciones y Normas Técnicas Para Tuberías Norma EEPP. (2007). Universidad de los Andes (Adaptada del Título D del RAS 2000) MATERIAL ICONTEC INTERNAC IONAL Concreto Reforzado NTC 401 ANSI/ASTM C 76. 43.

(44) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MATERIAL. Concreto Simple Asbesto-Cemento. Arcilla Vitrificada (Gres). ICONTEC NTC 1328 NTC 3789 NTC 1259. INTERNAC IONAL ANSI/ASTM C 361 ANSI/ASTM C 443 ANSI/ASTM C 506 ANSI/ASTM C 507 ANSI/ASTM C 655 ANSI/ASTM C 877 ANSI/ASTM C 14. NTC 1022 NTC 1328 NTC 44 NTC 239 NTC 268 NTC 384 NTC 487 NTC 511 NTC 3526 NTC 4089. Hierro fundido. NTC 3359. Resina termoestable reforzada con fibra de vidrio. NTC 3870 NTC 2836 NTC 3875 NTC 3876 NTC 3877 NTC 3878 NTC 3918. Hierro dúctil. NTC 2346 NTC 2587 NTC 2629 NTC 3359. MIC 2008-I-002. ASTM C 428 ASTM C 644C ISO R 881. ASTM C 12 ANSI/ASTM C 700 ASTM C 425 ANSI/ASTM C 301 ASTM A 74-72 ANSI A 21.6 (AWWA C 106) ASTM C 644 ASTM D 3262 ASTM D 3681 ASTM D 2996 ANSI/ASTM D 2997 ASTM D 2310 ASTM D 3754 ASTM D 2412 ASTM D 2924 ASTM D 3839 ASTM D 4161 ASTM D 5365 ISO 2531 ISO 4633 ISO 5208 ISO 5210 ISO 5752 serie 14 ISO 5752 ISO 7005-2 ISO 7259 ANSI A 21.4 (AWWA C 104) ANSI A 21.5 (AWWA C 105). 44.

(45) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MATERIAL. ICONTEC. Acero. NTC 2091. Polietileno. NTC 1747 NTC 3409 NTC 3410 NTC 3664 NTC 3694. INTERNAC IONAL ANSI/AWWA C 110 ANSI A 21.5 (AWWA C 115) ASTM A 746 ASTM A 475 ASTM A 760 ASTM A 762 AASHTO M-36 AASHTO M-245 ASTM D 2239, ASTM D 3035, ASTM D 3261. Polietileno de Alta Densidad. Polibutileno. Policloruro de Vinilo. MIC 2008-I-002. NTC 1087 NTC 1341 NTC 1748 NTC 2534 NTC 2697 NTC 3640 NTC 3721 NTC 3722 NTC 4764 (PARTES 1 y2) NTC 369 NTC 2795 NTC 3358 NTC 5070. M ortero plástico reforzado (RPM ). ASTM D 1248 ASTM D 2412 ASTM D 3035 ASTM F 714 ASTM F 894 ASTM F 809 ASTM D 2581 AWWA C902 ANSI/ASTM D 2564 ANSI/ASTM D 2680 ANSI/ASTM D 3033 ANSI/ASTM D 3034 ANSI/ASTM D 3212 ANSI/ASTM F 477 ASTM F 545 ASTM F 679 ASTM F 949 ASTM F 794. ANSI/ASTM D 3262 ASTM D 3754. 45.

(46) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. 5. CÁMARAS DE QUIEBRE D E CAÍDA LIBRE 5.1. Descripción La cámara de quiebre de caída libre es el diseño más simple para este tipo de estructuras; conecta un conducto de entrada con un conducto de salida, a través de una cámara simple, en la cual ocurren los fenómenos de disipación de energía. Esta estructura, es empleada para flujos subcríticos y supercríticos, cuando la altura entre los conductos se encuentra entre 0.8 m y 8 m. Ducto de Entrada. Ducto de Sal ida. Gráfico 5-1. Cámara de quiebre de caída libre. Las cámaras de quiebre de caída libre, son estructuras empleadas desde tiempos romanos y han sido empleadas en múltiples sistemas de alcantarillado. No obstante, los modelos físicos y matemáticos para analizar estas estructuras son muy recientes.. 5.2. Análisis Hidráulico Según Chanson (2004), el flujo en una cámara de caída libre se puede clasificar en tres tipos distintos, dependiendo del cojín de agua que se encuentre en la cámara (gráfico 5-2). El primer tipo de flujo, ocurre cuando el chorro que proviene del ducto de entrada golpea la. 46.

(47) Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados - CIACUA Diseño de Cámaras de Quiebre en Alcantarillados de Alta Pendiente. MIC 2008-I-002. lámina de agua formada en el fondo, generando un resalto al interior de la cámara; el segundo tipo de flujo, ocurre cuando el chorro de agua golpea la unión entre el ducto de salida y la cámara, en este caso el resalto hidráulico ocurre en el ducto de salida; el tercer tipo de flujo ocurre cuando el chorro golpea la pared opuesta de la cámara, en este caso el cojín de agua puede ser más alto que el ducto de salida y este último funciona a presión.. Gráfico 5-2. Patrones de flujo para una cámara rectangular. Chanson (2004). Cuando se diseña una cámara, en la cual el flujo del conducto de entrada es subcrítico y la profundidad no es muy grande, el flujo es del primer tipo. Bajo este supuesto se diseñan las cámaras de este tipo.. Según Rajaratnam (1997), la entrada de las cámara de quiebre debe ser una curva (gráfico 5-2), esto con la finalidad de aumentar la capacidad de transporte, restringir o impedir la formación de una vena contracta en la entrada y reducir el impacto en las paredes de la estructura. La formación de una vena contracta en la entrada, aumenta la demanda de aire en el pozo, por lo tanto no es recomendable que la tubería de entrada funcione a presión;. 47.