pag. 3.31

3. CÁLCULO HIDRÁULICO

Diámetro Codo Codo Codo Codo T ó ExtremoNominal 90° 45° 221/2° 111/4° Ciego ó Codo(DN) (KN) (KN) (KN) (KN) 60° (KN)

200 5 3 1 1 4250 8 4 2 1 6300 12 6 3 2 8350 16 8 4 2 11400 20 11 6 3 14500 31 17 9 4 22600 42 23 12 6 30700 57 31 16 8 40800 75 40 21 10 53900 95 51 26 13 67

1000 117 63 32 16 831100 134 73 37 19 951200 168 91 46 23 1191400 230 124 63 32 1631500 250 135 69 35 1761600 298 161 82 41 2111800 377 204 104 52 2662000 465 252 128 65 3292200 563 305 155 78 3982400 640 346 176 89 452

Fig. 3.70- Empuje Aproximado en los Accesorios (Por cada 1 bar de presión)

Para empujes verticales que actúan hacia abajo, la presiónportante de seguridad de los distintos suelos puede tomarsecomo dos veces la de los empujes horizontales.

En terreno muy blando, debieran tomarse medidasalternativas para transmitir los empujes, como pilotes otirantes o sustitución del suelo pobre por un material más

estable. Para un codo vertical que induzca un empuje haciaarriba, el bloque de hormigón debiera tener masa suficientepara contrarrestar el empuje.

Para empujes horizontales, los valores seguros de presiónportante para suelos en zanjas, cuando el recubrimientosobre la tubería es 750 mm o superior, se presentan en laFig. 3.71.

Presión Portante Material de Seguridad (kPa)

Turba, arena movediza, 0ceniza, estiercol, etc

Arcilla Blanda 50

Arcilla media, greda arenosa 100

Arena y grava 150Arcilla dura

Arena y grava cimentadas con arcilla 200 Roca 240

Fig. 3.71- Cargas Portantes de Seguridad

ANCLAJE DE VÁLVULAS

Las válvulas en línea, bajo condiciones de presión, necesitananclaje para resistir el empuje desarrollado cuando se cierra laválvula.

Esto puede conseguirse usando un conector de válvula yanillo de empuje que puede recibirse en un muro de anclajede hormigón emplazado en un suelo nativo no perturbado,fuera de la zanja. Ver Fig. 3.73. Al determinar el área portantedel muro de empuje puede usarse la cifra de empuje para unaTe o extremo ciego.

Fig. 3.72- Instalación en Obra

pag. 3.32

500 500

4. Anclaje de una Te

5. Anclaje de válvula

Junta mecánica ode desmontaje

Arqueta en hormigónarmado que incorpora unmuro

Conector de válvula conaleta

3. Anclaje de Reductor (Vista en Planta)

Los bloques son de hormigón in situ

1. Codo en Plano horizontal

2. Codo en Plano Vertical

Juntas de Tracción

Otro método alternativo para restringir el movimiento del tuboresultante del empuje hidrostático es el uso de Juntas deTracción de tubo. Con este sistema, la fuerza de empuje setransmite longitudinalmente a lo largo del tubo y es transferida alsuelo por la fricción de éste a lo largo del tubo o mediante unmuro de empuje colocado en una posición conveniente.

Bloque de Empuje. Ejemplo Desarrollado

Calcular el área portante de un bloque de empuje para un codo de 90°DN 800 en una arteria a presión en la que el empuje actúahorizontalmente.

Clase de tubo PN10Máxima presión de trabajo 9,6 barPresión de los ensayos de campo 12,5 barTipo de suelo Arena grava

a. Dado que la presión de los ensayos de campo es mayor que lapresión de trabajo, para el diseño se usa la pre-sión de 12,5 bar.

b. El empuje desarrollado en el codo, según la Fig. 3.70 es: 75 x 12,5 =937 kN

c. La presión portante de seguridad para arena y grava es 150 kPa.d. Área portante necesaria para el bloque de empuje: 937 / 150 = 6,2

m2

e. Dimensiones sugeridas para el área portante: 1,5 m de profundidad x4,1 m de largo

Fig. 3.73- Configuraciones típicas de los bloques del empuje

pag. 3.33

3. CÁLCULO HIDRÁULICO

ACCESORIOS Y JUNTAS PARA TUBERIAS A PRESIÓN

Los sistemas de tuberías a presión de poliéster centrifugadoURALITA® incorporarán usualmente codos, tés, conos dereducción, derivaciones, y piezas enlace con bridasfabricadas con una variedad de materiales, incluyendo el PRV.

La Sección sobre Datos de Productos da detalles de losaccesorios estándar en PRV y acero. Ciertos accesorios,sobre todo en los tamaños grandes, se fabrican sólo contrapedido.

VENTOSAS Y VÁLVULAS ANTI-VACÍO

El aire ha de ser expulsado de una tubería a presión durantela operación de llenado, y debe permitírsele entrar durante elvaciado.

Debido a que la mayoría de las aguas están saturadas de aire,que tiende a salir de la solución cuando se reduce la presióndel agua, el aire tenderá a acumularse en los puntos altos delsistema de tuberías bajo las condiciones normales deexplotacíon. Al agruparse el aire tiene el efecto de reducir eldiámetro efectivo del tubo y aumentar la pérdida de carga. Encondiciones extremas, el flujo puede interrumpirse. Lascondiciones inestables de flujo pueden también producirgolpes de ariete de gran magnitud.

Una ventosa automática se compone de una bola que flotaen una cámara con un orificio conectado a la atmósfera en laparte superior y a la tubería en la base. Cuando la cámaraestá llena de agua, la bola sella el orificio, pero cuando el airede la tubería entra en la cámara o la presión cae por debajode la atmosférica, la bola cae. Permanece abierta hasta queel agua vuelve a llenar la cámara y el aire haya sido purgadode la tubería. Cuando la altura piezométrica está próxima alpunto superior de una tubería, un simple punto de ventilaciónque suba por encima de la línea piezométrica puede usarsecomo una ventosa.

Las ventosas manuales pueden bastar para arterias a bajaspresiones o durante un período de prueba para determinar siestá justificado el coste de una válvula automática. En arteriasreticuladas con muchos servicios y bocas de incendios, amenudo no se necesitan válvulas de aire ya que al aire esexpelido de la arteria durante la operación normal.

LOCALIZACIÓN DE LAS VENTOSAS

El aire (y otros gases) separados de la solución por cambiosde temperatura, movimientos, etc., se acumularán en todoslos puntos elevados de la tubería. Por ello, en tuberías apresión, los cambios de elevación deben realizarse haciendoun tendido uniforme respecto de la línea piezométrica, demodo que se conozcan las posibles localizaciones de lasbolsas de aire.

En todos los puntos elevados de la tubería se necesitanventosas para permitir que los gases escapen gradualmente,de modo que se evite cualquier reducción de la capacidad deflujo o golpes de ariete innecesarios. Estos puntos elevadosse localizan mejor por referencia al gradiente hidráulico quepor referencia a datos horizon-tales.

En general, el diámetro del orificio mayor debe ser por lomenos 0,1 del diámetro del tubo. El caudal de aire a través deun orificio es aproximadamente 40 veces el de agua bajo lamisma diferencia de presión.

Las siguientes son condiciones típicas en que pueden sernecesarias ventosas:

1. Cuando un tramo de la tubería tiene un recorrido horizontallargo o corre paralelo a la línea piezométrica.

Se necesitan ventosas dobles al final de un tramo yventosas sencillas cada 500 - 1000 metros del recorrido.

2. Cuando la tubería alcanza cotas superiores al gradientehidráulico de explotación pero inferiores al nivel superior(del abastecimiento) el aire puede ser expulsado en esepunto instalando una válvula de compuerta deaccionamiento manual (no una ventosa) que esté abiertacuando la válvula de nivel (salida) en la parte inferior estecerrada. Esta operación debiera efectuarse a intervalosregulares. Cuando la tubería alcanza cotas superiores alnivel superior del abastecimiento, se producirá unsifonamiento y habrá que adoptar medidas especialespara expulsar el aire, tales como una bomba de vacío. Serecomienda que siempre que sea posible se eviterebasar cotas superiores a la del abastecimiento.

3. Cuando se producen cambios de cota abruptos, tanto enpendientes ascendentes como en descendentes, debierabastar una ventosa con un orificio pequeño.

4. En subidas largas, se necesitan ventosa cada 500 - 1000metros de recorrido.

5. En bajadas largas, se necesitan ventosa dobles a intervalosde 500 - 1000 metros del recorrido.

6. En el lado de aguas abajo de válvulas de sección enarterias radiales, o cuando el flujo puede producirse enambos sentidos.

a+b+c+d a+b+ca+b

d

ac

H

HCb

a

Altura manométrica en cierre de bomba

Ventosas cerradas

Bomba

Presión con flujo total

Depósito

Fig. 3.74- Parada completa del Flujo debida a Bolsas de Aire

pag. 3.34

En tuberías de gran diámetro (p. ej.: DN 600 o superiores),cuando el caudal es significativamente inferior a la ciframáxima de proyecto, el tubo puede estar solo parcialmentelleno u operar en un modo de “flujo en canal”.

Se producirán resaltos hidráulicos en algunos tramos de latubería y cuando la porción aguas abajo de un salto llenecompletamente la tubería, el aire puede acumularse másadelante aguas abajo. Este aire debe ser evacuado mediantechimeneas colocadas convenientemente. Estas puedenadoptar la forma de una serie de derivacionesinterconectadas que permiten al aire retornar al espacio deaire aguas arriba del resalto.

Las ventosas pequeñas se instalan normalmente mediantecollarines de toma. Las grandes lo hacen mediante tes consalida embridada.

Cuando se requieran ventosas en lugares principales eimportantes, es buena práctica poner una válvula de cierreentre la ventosa y el tubo. Alternativamente una ventosa conválvula de control, puede ser usada. Esto permite llevar unmantenimiento sin drenar la conducción. La válvula de cierrehay que asegurar, que salvo en el mantenimiento, estesiempre abierta.

SELECCIÓN DEL DIÁMETRO Y CLASE DEL TUBO DE GRAVEDAD

SELECCIÓN DEL TUBO

Cuando una tubería fluye llena, en condiciones de gravedad,el método para determinar el tamaño del tubo es similar alusado para tuberías a presión. La rasante de la tubería da lapérdida de carga admisible, pero debiera prestarse especialatención al efecto de pérdida en las entradas y salidas enestructuras como registros, las cuales pueden sersignificativas.

Flujos en Saneamientos

El diseño de conducción de saneamientos de flujo porgravedad es más comple jo, debido a las grandesvar iac iones de caudal que hay que acomodar s indesbordamientos en los períodos punta, atascamientos enmomentos de bajo caudal.

Los procedimientos de diseño pueden variar de una ciudad aotra y deben observarse las normas nacionales para sistemasde aguas pluviales y aguas fecales. Típicamente, en unasituación en que las aguas pluviales no se llevan a la tubería desaneamiento, es normal proyectar un caudal medio estimadopara tiempo seco por habitante (Qad o población equivalente“EP”) servido, de 0,003 litros/seg. por EP. El caudal punta entiempo seco se calcula entonces como sigue:

Qpd = r x Qad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (44)

Donde “r” es una función del tipo y distribución de lapoblación que varía de 4 para alcantarillas reticuladas a 1,7para grandes colectores.

El caudal de proyecto “Qf” para un tubo de saneamiento quefluye llena se calcula con:

Qf = F x Qpd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (45)

Pérdida de carga debida a la presencia de bolsas de airecaliente(2)

Presión con flujo total (1)Chimenea

Bolsas de aire

Aire

Presión con aire y sin Chimenea (2)

Fig. 3.75- Situación de las bolsas de aire en las pendientesdescendentes

Fig. 3.76- Ventosas

DN 1”

DN 2”

DN 2”

pag. 3.35

3. CÁLCULO HIDRÁULICO

donde “F” es un factor para considerar las aguas pluviales quevaría entre 4 y 2 según la densidad de población y el grado dereticulación del sistema, tendiendo a ser superior en áreasrurales, e inferior en áreas muy desarrolladas y bien drenadas.

Si se producen descargas en tubería de saneamiento degravedad con un caudal “Qr”, el caudal total de proyecto es:

Qf = F x Qpd + Qr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (46)

Resistencia al Flujo

El valor de “Qf” puede usarse entonces para establecer eltamaño y pendiente del tubo de saneamiento. Como lastuberías de saneamiento son propensas a la acumulación defangos e incrustaciones, el valor de la Rugosidad deColebrook White “K” que se toma generalmente es un valormuy superior al de proyectos para “agua limpia”. Por ejemploK=0.1 mm. para tubería de saneamiento de PRVCentrifugado URALITA®, mientras que 0.010 mm. se aplicapara tubería sin acumulación de fangos.

Puede usarse alternativamente la Ecuación de Manning:

Q = (A.R2/3 Ι1/2 x 103) / n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (47)

Q = [4000 . π . (d/4)8/3 Ι1/2]/n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (48)

DondeQ = caudal (litros/seg)A = sección transversal del flujo (m2)R = radio hidráulicod = diámetro interno (m)Ι = pendiente o gradiente hidráulico (m/m)n = rugosidad de Manning

Nota: 1. Utilice el diámetro interno real.2. La “n” de Manning para HOBAS es = 0,008 para

agua limpia, para alcantarillas, use “n” = 0,010.

Flujo Autolimpiante

Hubo una época en que la práctica usual era comprobar lastuberías de saneamiento en cuanto a su autolimpieza,asegurando que el caudal punta diar io causaba unavelocidad crítica mínima equivalente a 0,6 m/seg. cuando eltubo fluía lleno. Esto se aplicaba a alcantarillas de todos losdiámetros. Más recientemente, el trabajo experimental hamostrado que la velocidad crítica necesaria para evitar quese depositen part ículas de arena en los tubos crececonsiderablemente con el diámetro. El uso de la teoría de latensión cortante de contorno mínima, es el actual enfoque dediseño adoptado por las pr incipales autor idades enalcantarillado.

En un tubo de alcantarillado, las partículas pueden posarse enel fondo hasta la altura correspondiente al ángulo de reposo(θ) de las particulas, esto es:

y/D = 1/2 (1 - Cos θ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (49)

Dondey = altura sobre el fondo (m)D = diámetro interno (m)

Si θ = 35° que se considera un ángulo de reposo razonablepara sólidos en aguas fecales, entonces, y/D = 0,1.

En consecuencia, como podía esperarse, el área en que sepueden acumular sedimentos en un tubo de saneamientoestá limi-tada a la región relativamente plana del fondo.

A partir de trabajos con flujos en canales abiertos, puedesuponerse que la tensión cortante de contorno media “τ” (Pa)viene dada por:

τ = ρ g s R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (50)

Dondeρ = densidad del agua (kg/m3)g = aceleración de la gravedad (m2/seg)R = radio hidráulico medio (m)s = gradiente hidráulico (m/m)

Para un tubo de saneamiento circular está ecuación puedere-escribirse:

τ° = ρ g s (R / Rf) (D/4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (51)

ya que el radio hidráulico medio de un tubo que fluye lleno esRf = D/4

Se acepta generalmente que el tubo será autolimpiantesimpre que τ ≥ 1,5 pascales. Como el caudal punta en secoQpd puede no darse cada día, se adopta un “Qmp másprobable” inferior donde:

Qmp = 0,75 Qpd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (52)

La ratio Qmp/Qf se usa entonces para determinar el valoradecuado de R/Rf a partir de las ecuaciones siguientes:

R / Rf = 1 - (sen 2θ)/2θ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (53)

Q / Qf = θ/π (R/Rf)5/3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (54)

donde 2θ es el ángulo en el centro abarcado por la superficiedel líquido (Ver Fig. 3.77 y 3.78)

Entonces

Smin = (4 x τ°) / [ρ g D (R/Rf)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (55)y para τ° = 1,5 PaSmin = (0,612 x 10-3) / [D (R/Rf)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (56)

D

y

θ

Fig. 3.77- Ángulo de reposo

pag. 3.36

Ejemplo Desarrollado

Se necesita un colector para un caudal total de proyecto Qfde 700 litros/seg. y un Qmp de 150 litros/seg. La pendientedisponible es aproximadamente el 0,2%.

Pruebe con un tubo de saneamiento DN 800 SN 5000 para elcual D = 0,790 metros.

Q = 4000 π x 0,790 8/3x 0,0021/2 = 743 litros/seg.0,01 4

Para Q = 700 litros/seg.

S = (700/743)2 x 0,002 = 0,0018 que será suficiente para Qf

Qmp / Qf = 150 / 700 = 0,214

De la Fig. 3.29 le correspondiente R/Rf y de la ecuación:

Smin = (0,612 x 10-3) / (0,790 x 0,713) = 0,0011 o 0,11%.

Por tanto, el tubo de saneamiento es autolimpiante para elgradiente disponible.

Selección de rigidez del Tubo

Habiendo determinado la pendiente de la tubería y lasprofundidades de las zanjas, debe pasarse a comprobar larigidez del tubo. Debiendo realizar el estudio mecánico deltubo enterrado (Principio del presente capítulo).

SISTEMA DE REGISTROS

El sistema HOBAS de registros brinda la respuesta completaa los problemas actuales de los sistemas de saneamiento. Elregistro consta de un revestimiento de poliéster reforzado confibra de vidrio carenado para adaptarse al perfil del colectorprincipal a través del registro, de acometidas y del suelo delregistro. El revestimiento está completamente apoyado enuna base de hormigón que soporta también los manguitospara conectar los tubos de entrada y salida.

La configuración de los tubos de entrada y salida, junto conlas posiciones internas del colector pueden adaptarse acualquier situación.

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

00,1 0,2 0,3 0,4 0,5

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Qmp Qf

y D

Qmp Qf

R Rf

R Rf

Ejemplo

Fig. 3.78- Gráfico de elementos Hidráulicos para tuberías de saneamiento (Para uso en cálculos de autolimpieza)

( ) ( )

pag. 3.37

3. CÁLCULO HIDRÁULICO

Las conexiones de los tubos, que son totalmente estancas,pueden hacerse para adaptarse a cualquier tubo normalmenteempleado para saneamiento. Las inclinaciones y ángulos delos drenajes pueden hacerse como se solicite y cada lado delcolector principal pueden acomodarse hasta dos tomas.

La base reforzada en fibra de vidrio incorpora también un selloen el cual se puede insertar un tubo de poliester para obtenerun pozo de registro que no admite corrosión.

El conjunto de pozo de registro se completa con una tapa dehormigón que puede administrarse recubierto interiormente conpoliester reforzado. Si se requiere, también se puede montarescaleras de mano dentro del pozo de registro. El sistema depozo de registro HOBAS se puede suministrar como unmontaje completo a la obra (véase fig. 3.80) o comocomponentes prefabricados (véase fig. 3.79) que puedenmontarse en la zanja- El montaje “in situ” es en particularconveniente, cuando no se conoce bien la altura final del pozo,esto permite que el tubo de PRV Centrifugado URALITA® estásiendo usado como pozo de registro procediendo a ajustarse yadaptándose así a la altura final requerida.

Conexiones a Estructuras

Cuando se conectan los tubos a estructuras rígidas (comoregistros o estaciones de bombeo) deben tomarse precau-ciones por los asientos diferenciales que pueden tener lugarentre la tubería y la estructura. Esto debe hacerse usando untubo corto de conexión como ilustra la Fig. 3.82.

Opcionalmente puede usarse un revestimiento de goma obitumen alrededor del tubo que se encastra en el hormigón,dehecho se considera una buena práctica de construcción.

Diámetro Longitud (L) del Tubo Nominal de balanceo

DN 150 - 300 0,5 - 0,7DN 400 - 600 0,75 - 1,00DN 700 - 1000 1,00 - 1,25DN 1200 - 2400 1,50

Fig. 3.79- Conjunto Prefabricado de pozo de registro

Fig. 3.80- Conjunto de pozo de registro prefabricado

Fig. 3.81- Pozo de registro construido “in situ” A. Marco de la tapa

de hormigón

B. Cono de hormigónrevestido interiormente de poliester

C. Anillo de sellado EPDM

D. Pozo de registro en tubo HOBAS

E. Revestimiento depoliéster reforzado

F. Sello del pozo deregistro en EPDM

G. Base prefabricada

A. Marco de la tapa de hormigón

B. Anillo de unión

C. Bloque de conversión

D. Anillo de sellado en EPDM

E. Pozo del registro en tuboURALITA®

F. Bloque de hormigón vertido “in situ” en torno al tubo desaneamiento y al tubo del pozo

G. Vista superior del conjunto deregistro

A. Marco de la tapa en hormigón

B. Anillo de unión

C. Bloque de conversión

D. Anillo de sellado EPDM

E. Pozo de registro entubo HOBAS

F. Revestimiento de poliésterreforzado en los canales del suelo del registro

G. Manguito para acoplar al tubo desaneamiento de entrada al pozo

H. Base de hormigón

I. Brida de base de hormigón armado para resistir el empuje ascendente

L

C

DA

B

400mm

600mm

Fig. 3.82- Conexión a pozos de registro de manpostería

A. Tubo de balances (rótula)

B. Lecho material granular

C. Brida con revestimiento de epoxi y arena

D. Tubo de conexión

Fig. 3.84- Soluciones prefabricadas en PRV

Fig. 3.83- Piezas en PRV

pag. 3.38