Cap. I - Drenaje Pluvial Urbano

8/10/2019 Cap. I - Drenaje Pluvial Urbano

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CURSO:

INGENIERIA DE DRENAJE

DESARROLLO DEL CURSO:

Cap. I: Drenaje Pluvial Urbano

Cap. II: Drenaje Pluvial en Carreteras

Cap. III: Drenaje de Obras Hidrulicas

Cap. IV: Drenaje de Suelos de Cimentacin de Edificaciones

Cap. V: Empleo de Geosintticos

Cap. VI: Fallas del Drenaje

UNC Jan - Ing. Marco A. Aguirre Camacho


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1.1 DEFINICIONES

CAPITULO I:DRENAJE PLUVIAL URBANO

DRENZanja o tubera con que se efecta el drenaje.

DRENAJE

Retirar del terreno el exceso de agua no utilizable.

DRENAJE URBANODrenaje de poblados y ciudades siguiendo criterios urbansticos.

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DRENAJE URBANO MAYORSistema de drenaje pluvial que evacua caudales que se presentancon poca frecuencia (PR = 25 aos) y que adems de utilizar el

sistema de drenaje menor (alcantarillado pluvial), utiliza las pistasdelimitadas por los sardineles de las veredas, como canales deevacuacin.

DRENAJE URBANO MENOR

Sistema de alcantarillado pluvial que evacua caudales que sepresentan con una frecuencia de 2 a 10 aos (periodo de retorno).

ALCANTARILLA

Conducto subterrneo para conducir agua de lluvia, aguas servidaso una combinacin de ellas.

ALCANTARILLADO PLUVIALConjunto de alcantarillas que transportan aguas de lluvia.
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PERIODO DE RETORNOPeriodo de retorno de un evento con una magnitud dada es elintervalo de recurrencia promedio entre eventos que igualan o

exceden una magnitud especificada.

PRECIPITACINFenmeno atmosfrico que consiste en el aporte de agua a latierra en forma de lluvia, llovizna, nieve o granizo.

SUMIDEROEstructura destinada a la captacin delas aguas de lluvias, localizados

generalmente antes de las esquinas conel objeto de interceptar las aguas antesde la zona de trnsito de los peatones.Generalmente estn concentrados a losbuzones de inspeccin.
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COEFICIENTE DE ESCORRENTIA:Nmero que relaciona la cantidad de agua pluvial que va a la

alcantarilla o sistema de drenaje.

INTENSIDAD DE LLUVIA:Relacin entre la precipitacin pluvial y su duracin.

PERIODO DE DISEOPerodo de tiempo durante el cual el sistema de drenaje prestarun servicio eficiente.

PRECIPITACION EFECTIVAEs la precipitacin que no se retiene en la superficie terrestre y

tampoco se infiltra en el suelo.


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En un rea nodesarrollada eldrenaje escurre en

forma natural comoparte del ciclohidrolgico. Estesistema de drenajenatural no es

esttico pero estconstantementecambiando con elentorno y las

condiciones fsicas.

El desarrollo de un rea interfiere con la habilidad de la naturaleza paraacomodarse a tormentas severas sin causar dao significativo y el sistemade drenaje hecho por el hombre se hace necesario.


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Un sistema de drenaje puede ser clasificado de acuerdo a lassiguientes categoras.

A.- Sistemas de Drenaje UrbanoB.- Sistemas de Drenaje de Terrenos AgrcolasC.- Sistemas de Drenaje de Carreteras yD.- Sistemas de Drenaje de Aeropuertos,

El drenaje Urbano, tiene por objetivo el manejo racional del aguade lluvia en las ciudades, para evitar daos en las edificaciones y

obras pblicas (pistas, redes de agua, redes elctricas, etc.), ascomo la acumulacin del agua que pueda constituir focos decontaminacin y/o transmisin de enfermedades.


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1.2 DISEO DE SISTEMAS DE DRENAJE PLUVIAL URBANO

a) Problemtica de las ciudades

Cuando las pendientes son pronunciadas, las aguas de lluvia quecorren a travs de las calles, adquieren grandes velocidades y porlo tanto fuerzas de erosin, lo que combinado a la suavidad de la

capa superficial del suelo, provoca el deterioro de las calles.

Estas aguas al llegar a lugares planos provocan la acumulacin,produciendo inundaciones y estancamientos, los que a su vez

obstruyen el paso de peatones y vehculos.

Estos problemas, son los que se tienen que solucionar, contandopara ello con dos alternativas:



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b) Tipos de Sistemas a utilizar

b.1) Sistema superficial (cunetas)

El sistema superficial tiene la ventaja de un menor costo ymantenimiento fcil, puesto que cada vecino podra limpiar laparte que le corresponde.

La desventaja consiste en la dificultad y riesgo de accidente quecausa a los vecinos al cruzar la cuneta y la destruccin debanquetas y paredes al no haber mantenimiento, adems se

pueden obtener anchos de cunetas muy grandes, ya que el reaest dentro de las zonas con alto grado de precipitacin y estoobstaculizara el paso de las personas como el de vehculos.



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b.2) Alcantarillado

Esta alternativa ofrece el problema de un costo elevado, pero se

puede optar por disear este sistema, en combinacin con lapavimentacin de calles, cuando la entidad posea los suficientesrecursos.

Adems este sistema conduce las aguas pluviales hasta los puntosde desfogue dentro de tubera, en donde el agua no erosiona lascalles ni obstruye el paso de los peatones ni el de los vehculos.


Segn el RNE (Norma OS 060), el drenaje urbano de una ciudadest conformado por los sistemas de alcantarillado, los cuales seclasifican segn el tipo de agua que conduzcan; as tenemos:


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b.2.1) Sistema de Alcantarillado SanitarioEs el sistema de recoleccin diseado para llevar exclusivamente

aguas residuales domsticas e industriales.

b.2.2) Sistema de Alcantarillado PluvialEs el sistema de evacuacin de la escorrenta superficial producida

por las lluvias.

b.2.3) Sistema de Alcantarillado CombinadoEs el sistema de alcantarillado que conduce simultneamente lasaguas residuales (domsticas e industriales) y las aguas de las

lluvias.


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Oct 1999 Dec 200

Oct 2000 Feb 2002


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c) reas de Influencia

La localizacin topogrfica de la ciudad, nicamente tiene reas de

influencia en el sector norte, cuyas aguas escurren hastadepositarse en lugares de desfogue en la partes este y oeste.

En cuanto a los sectores este y oeste; la situacin es favorable,porque el agua cada en el pueblo, escurre con pendiente natural adesfogues de esta misma rea.

Las reas de influencia se calcularon en el plano de curvas de nivelde la regin, obteniendo los siguientes resultados.

reas de influencia hacia la parte norte: 1.43 Ha.

reas de influencia hacia la parte sur: 1.03 Ha.



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d) Puntos de desfogue

El caudal pluvial cuenta con dos puntos de desfogue, lo cualayudar a descargar el agua recolectada, antes de acumulargrandes caudales. Esto implica tener que usar menores seccionesde la cuneta o dimetros de tubera.

Los dos desfogues son ros que se encuentran ubicados en laszonas este y oeste del pueblo, siendo los nombres de estos rosRo Grande el de la zona este y Ro Chiquito el de la zona oeste.Ambos ros mantienen un caudal constante durante el verano,

pero este aumenta notablemente durante el invierno, por ello sedecidi usar ambos como desfogue.



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e) Determinacin del caudal pluvial

Para la determinacin del caudal pluvial se usa el Mtodo Racional,

recomendado para reas menores a 13 Km2, para reas mayores seusar la tcnica de hidrogramas unitarios.

La frmula general del mtodo racional es:

Q = CIA /360

Donde:

Q = Caudal en m3/seg.

C = Coeficiente de escorrenta (adimensional).I = Intensidad de lluvia en mm/hr.A = rea en hectreas.



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Curvas de Intensidad de Lluvia para una Estacin Meteorolgica



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e.1) Intensidad de lluvia

Intensidad de lluvia es el espesor de lmina de agua cada porunidad de tiempo; suponiendo que el agua permanece en el sitiodonde cay. Se mide en mm/hr.

La intensidad de lluvia con un periodo de retorno o unaprobabilidad de ocurrencia de 10 aos es:

Donde:

t = tiempo de concentracin.


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e.2) Tiempo de concentracin

Tiempo de concentracin es el tiempo que emplea el agua

superficial para descender desde el punto ms remoto de la cuencahasta la seccin en estudio.

El tiempo de concentracin en minutos de calcular de la siguientemanera:

- Para tramos iniciales, el tiempo de concentracin ser igual altiempo de entrada y se estimar en 12 minutos (el RNE recomiendacomo mnimo 10 minutos).

- En tramos consecutivos, el tiempo de concentracin se estimarcon la siguiente frmula:


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En la cual:

tn = tiempo de concentracin hasta el tramo considerado.

tn -1 = tiempo de concentracin hasta el tramo anterior.L = longitud del tramo anterior.Vn-1 = velocidad a seccin llena en el tramo anterior.

Cuando en un punto son concurrentes dos o ms ramales, tn-1 setomar igual al del ramal que tenga mayor tiempo deconcentracin.

e.3) rea tributaria

El rea tributaria de un tramo ser la suma de su rea ms lasreas tributarias de los tramos anteriores.


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e.4) Coeficiente de escorrenta

Es el porcentaje del agua total llovida tomada en consideracin,

puesto que no todo el volumen de precipitacin pluvial drena pormedio de la alcantarilla natural o artificial. Esto se debe a laevaporacin, infiltracin, detencin en oquedades del suelo, etc. Porlo que existir diferente coeficiente para cada tipo de terreno, elcual ser mayor cuando ms impermeable sea la superficie.

El coeficiente de escorrenta se calcular de la siguiente manera:

Siendo:c = coeficiente de escorrenta de cada una de las reas parciales.a = reas parciales.C = coeficiente de escorrenta promedio del rea drenada.


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En resumen:

Para nuestro ejemplo determinaremos los coeficientes deescorrenta promedio, para lo cual se las reas de diferentessuperficies:

- Calles sin revestimiento = 0.0144 Ha.

- Calles con revestimiento = 0.4480 Ha.- rea techada (considerando 150m2/casa) = 0.2000 Ha.- reas no cubiertas (patios, lotes baldos, etc.) = 1.8000 Ha.


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f) Diseo de cunetas

Las cunetas sirven para la evacuacin de las aguas pluviales encalzadas, veredas y las provenientes de las viviendas, hacia las zonabajas donde los sumideros captarn el agua para conducirla endireccin a las alcantarillas pluviales de la ciudad. Para el diseo setendr en cuenta las siguientes consideraciones:

f.1) Orientacin del FlujoEn el diseo de pistas se deber prever pendientes longitudinales(Sl) y transversales (St) a fin de facilitar la concentracin del aguaque incide sobre el pavimento hacia los extremos o bordes de la

calzada.


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Las pendientes aconsiderar son:- Pendiente Longitudinal

(Sl) > 0,5%.- Pendiente Transversal (St)de 2% a 4%.

Las cunetas construidas

para este fin podrn tenerlas siguientes seccionestransversales:

- Seccin Circular.- Seccin Triangular.- Seccin Trapezoidal.- Seccin Compuesta.- Seccin en V.


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f.2) Determinacin de lacapacidad de la cuneta

La capacidad de las cunetasdepende de su seccintransversal, pendiente yrugosidad del material conque se construyan.

Se presentan lascaractersticas de tres tiposde cuneta de seccin

triangular y las ecuacionesque gobiernan el caudalque por ellas discurre,utilizando la ecuacin de

Manning.


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El ancho mximo T de lasuperficie del agua sobre lapista ser:

- En vas principales de altotrnsito: Igual al ancho dela berma.

- En vas secundarias debajo trnsito: Igual a lamitad de la calzada.

Coeficiente de Rugosidad:

g) Evacuacin de las aguas transportadas por las cunetas(sumideros)Para evacuacin de las aguas de las cunetas deber preverseEntradas o Sumideros de acuerdo a la pendiente de las cunetas ycondiciones de flujo. A continuacin diferentes tipos de sumideros:


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Plano de Ingreso en el sumidero de solera


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g.1) Ubicacin de los Sumideros

La ubicacin de los sumideros depender del caudal, pendiente, laubicacin y geometra de enlaces e intersecciones, ancho de flujopermisible del sumidero, volumen de residuos slidos, accesovehicular y de peatones.

En general los sumideros deben ponerse en los puntos bajos. Suubicacin normal es en las esquinas de cruce de calles, pero al fin deentorpecer el trfico de las mismas, deben empezar retrazadas conrespecto a las alineaciones de las fachadas.

Cuando las manzanas tienen grandes dimensiones se colocarnsumideros intermedios.


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Cuando el flujo de la cuneta es pequeo y el trnsito de vehculos yde peatones es de poca consideracin, la corriente puedeconducirse a travs de la interseccin mediante una cuneta, hasta

un sumidero ubicado aguas abajo del cruce.

Por razones de economa se recomienda ubicar los sumideros en lacercana de alcantarillas y conductos de desage del sistema dedrenaje pluvial.

g.2) Espaciamiento de los Sumideros

Se determinar teniendo en cuenta los factores indicados para el

caso de la Ubicacin de los Sumideros.

Cuando las condiciones determinan la necesidad de una instalacinmltiple o serie de sumideros, el espaciamiento mnimo ser de 6m.


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g.3) Rejillas

Las rejillas pueden ser clasificadas bajo dos consideraciones:

1. Por el material del que estn hechas; pueden ser:a. de Fierro Fundidob. de Fierro Laminado (Platines de fierro)

2. Por su posicin en relacin con el sentido de desplazamientoprincipal de flujo; podrn ser:a. De rejilla horizontal.b. De rejilla vertical.c. De rejilla horizontal y vertical.

Las rejillas se adaptan a la geometra y pueden ser enmarcadas enfiguras: Rectangulares, Cuadradas y Circulares.


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R jill d fi f did id R jill d fi l i d


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Rejillas de fierro fundido para sumideros Rejillas de fierro laminado


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h) Colectores de aguas pluviales:h.1) Dimetro mnimo de tuberas

(*) En instalaciones ubicadas parcial o totalmente bajo la calzada se

aumentarn en dimetros a 0.50 m por lo menos.Los dimetros mximos de las tuberas estn limitados segn elmaterial con que se fabrican.

h.2) Seleccin del Tipo de TuberaSe tendrn en cuenta las consideraciones especificadas en lasNormas Tcnicas Peruanas NTP vigentes.Los materiales de las tuberas comnmente utilizadas enalcantarillados pluviales son:


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- Asbesto Cemento.- Concreto Armado Centrifugado.- Hierro Fundido Dctil.

- Concreto Pretensado Centrifugado.- Poly cloruro de vinilo) (PVC).- Concreto Armado vibrado con recubrimiento interior depolietileno PVC.-Polister reforzado con fibra de vidrio GRP.

- Arcilla Vitrificada

h.3) Diseo HidrulicoEn el diseo hidrulico de los colectores de agua de lluvia, se

podrn utilizar los criterios de diseo de conductos cerrados.

Para el clculo de los caudales se usar la frmula de Manning conlos coeficientes de rugosidad para cada tipo de material.


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El clculo de la capacidad, velocidad, dimetro y pendiente se haraplicando la frmula de Manning transformada al sistema mtricopara secciones circulares as:

En el cual:

V = Velocidad del flujo a seccin llena (m/s)D = Dimetro de la seccin circular (pulg.)S = Pendiente de la gradiente hidrulica (m/m)n = Coeficiente de rugosidad de Manning o Kuttern = 0.015 para tubos de 24 pulgadas y menores

n = 0.013 para tubos mayores de 24 pulgadas

Cada tramo se calcular con el caudal que tenga en sus extremosms bajos.


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)


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h.5) Velocidad mxima

La velocidad mxima en los colectores con cantidades no

significativas de sedimentos en suspensin es funcin del materialdel que estn hechas las tuberas y no deber exceder los valoresindicados en la tabla siguiente, a fin de evitar la erosin de lasparedes.


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h.6) Pendiente mnimaLas pendientes mnimas de diseo de acuerdo a los dimetros,sern aquellas que satisfagan la velocidad mnima de 0,90 m/sfluyendo a tubo lleno.

i) Registros

El dimetro mnimo de registros para colectores ser de 1,20 m. Si elconducto es de dimensiones suficientes para el desplazamientode un operario no ser necesario instalar un registro.

Los registros debern ubicarse fuera de la calzada, excepto cuandose instalen en caminos de servicio o en calles, en este caso seevitar ubicarlos en las intersecciones.

Los registros debern estar ubicados en:


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Los registros debern estar ubicados en:

- Convergencia de dos o ms drenes.- Puntos intermedios de tuberas muy largas.- En zonas donde se presente cambios de dimetro de los conductos.- En curvas o deflexiones de alineamiento (no es necesario colocarregistros en cada curva o deflexin).- En puntos donde se produce una brusca disminucin de la

pendiente.

Espaciamiento de registros:- Para tuberas de dimetro igual o mayor a 1,20m., o conductos de

seccin transversal equivalente, el espaciamiento de los registrosser de 200 a 350 m.

- Para dimetros menores de 1,20 m. el espaciamiento de losregistros ser de 100 a 200 m.


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- Con velocidades de autolimpieza y alineamiento desprovisto decurvas agudas, la distancia entre registros corresponder al rangomayor de los lmites mencionados en los prrafos anteriores.

EJEMPLO

CALCULO DE UN TRAMO DELSISTEMA DE DRENAJE PLUVIAL

Se diseara un tramo inicial, que va del PV8 al PV13


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PLANO DE DRENAJE PLUVIAL

Se diseara un tramo inicial, que va del PV8 al PV13


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Clculo del tramo 8-13

- Cota inicial (CI) =111.142 mt.

- Cota final (CF) = 111.101 mt.- Distancia horizontal (DH) = 87.60 mt.

Clculo de la pendiente del terreno

Clculo del rea tributaria

- rea tributaria = 0.041 Ha- rea tributaria acumulada = 0.220 Ha


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Tiempo de concentracin

- Tiempo de concentracin anterior = 13.21 min.

- Longitud del tramo anterior = 97.37 m.- Velocidad del tramo anterior = 0.82 m/seg.

Entonces, Tc = 15.06 min.

Intensidad de lluvia

I = 142.50 mm/hr.

Caudal de diseo

Q = CIA/360

Coeficiente de escorrenta = 0.38 (calculado anteriormente)Q = 0.03309 m3/seg (q) Q = 33.09 lts/seg


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Diseo hidrulico

Hacemos uso de las siguientes frmulas (ecuacin de Manning)

Donde:V= Velocidad media de desplazamiento (m/s)R= Radio medio hidrulico (m) = D/4S = Pendiente de la canalizacinn= Coeficiente de rugosidad de Manning.A= Seccin transversal de la canalizacin (m2)

Q= Caudal (m3/s)

Con los datos anteriores, y con n= 0.010 (tubera PVC), entonces setiene:


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D= 0.319 metros, el cual es menor al dimetro mnimo (D= 0.40metros), entonces adoptamos: D= 0.40 m.

Calculamos la velocidad: V= 1.04 m/seg OK (mayor de 0.90 m/s ymenor a 6.00 m/s)

Calculamos el nuevo caudal Q = 3.1416*V*D/4 = 0.13069 m/seg

Relaciones hidrulicas:

q/Q = 0.03309/0.13069 = 0.25, se cumple: q < Q ... OK.

Cap. I - Drenaje Pluvial Urbano

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