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Manual diseno de red cloacal
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    Manual diseno de red cloacal Manual diseno de red cloacal Document Transcript

    • PENDIENTES MINIMAS EN REDES CLOACALESCRITERIOS DE CALCULO HIDRAULICO:METODOS TRADICIONAL Y DEL ESFUERZO TRACTRIZAlejandro Potel JunotRolando Augusto Silva NigriMoreno 490 6º piso (1091) Buenos AiresTEL/FAX 331-2666/2688/2691E-mail: hytsa@interprov.comPalabras ClavesRedes cloacalesEsfuerzo tractrizPendientes mínimas
    • 1RESUMENEn el trabajo que sigue se analizan criterios de adopción de pendientes mínimas en elcálculo de redes cloacales, comparando el método tradicional con el de esfuerzo tractriz.Ello se lleva a cabo mediante el desarrollo de un ejemplo de cálculo considerando unterreno de baja pendiente y comparando las tapadas en la cañería y los diámetrosresultantes.Se concluye que las redes calculadas por el método del esfuerzo tractriz siempre arrojanpendientes mínimas que son mayores a las calculadas a través del método tradicional,cualquiera sea el diámetro, salvo, para un caso muy particular de escurrimiento que escuando la relación tirante líquido al diámetro de la cañería (H/D) es mayor o igual a 0,50 alinicio del período de diseño.
    • 2INTRODUCCIONEl presente trabajo analiza criterios de adopción de pendientes mínimas en el cálculo de redes cloacales,comparando el método tradicional con el de esfuerzo tractriz. Se analizan las diferencias existentes entrelos métodos a través de un ejemplo práctico de cálculo en un terreno de baja pendiente comparando lastapadas en la cañería y los diámetros resultantes.Con la comparación de métodos se pretende determinar las ventajas y desventajas de los mismos, yestablecer para distintas configuraciones prácticas posibles de colectoras y colectores la conveniencia dela utilización de alguno de ellos.DEFINICION DE LOS CAUDALES DE DISEÑO DE LAS REDES CLOACALESAntes de comenzar con el tratamiento del tema específico motivo del presente trabajo, es convenientedefinir los caudales para el dimensionamiento de las colectoras y colectores cloacales.En el método tradicional las cañerías se calculan para el caudal máximo horario, mientras que en el deesfuerzo tractriz interviene además del anterior, el denominado caudal mínimo de autolimpieza.Se define al caudal mínimo de autolimpieza como el caudal máximo horario del día de menor consumo enel año inicial de funcionamiento de las instalaciones.Las figuras N°1 a Nº 4 representan la variabilidad de los caudales en el tiempo, en donde cada uno tiene elsiguiente significado:Caudal mínimo horario (QA)Es el menor caudal instantáneo en el día de menor vuelco cloacal a lo largo de todo un período anual deestudio. Si se analiza en el año inicial el día de menor vuelco cloacal, será el mínimo caudal instantáneodurante todo el período de diseño de las instalaciones denominándose QA0.En las figuras N° 1 y Nº 2 se representan dos curvas; la primera para un período cualquiera y la segundapara el día de menor vuelco cloacal en el año inicial de funcionamiento de las instalaciones. En las mismasse observa gráficamente el significado del caudal mínimo horario.Este caudal no es utilizado por ninguno de los dos métodos de cálculo del presente trabajo.Caudal mínimo diario (QB)Es el menor caudal promedio diario de un período anual de estudio. Para el primer año de funcionamientode las instalaciones se denominará (QB0) y será el mínimo caudal diario promedio durante todo el períodode diseño de las instalaciones.En las figuras N° 1 y Nº 2 se representan dos curvas; la primera para un período cualquiera y la segundapara el día de menor vuelco cloacal en el año inicial de funcionamiento de las instalaciones. En lasmismas, se observa el significado gráfico del caudal mínimo diario.Caudal medio diario (QC)Se define como el caudal promedio diario a lo largo de un período anual de estudio. Si el caudal mediodiario está referido al año inicial de las instalaciones se lo denomina QC0. Para el año “n” al final del períodode diseño, el caudal medio diario es expresado como QCn.En la figura N° 3 se representa distribución anual de caudales. En ella se observa el significado gráfico deQc.Caudal máximo diario (QD)
    • 3Figura 1,2,3 y 4
    • 4Es el caudal promedio del día de mayor vuelco cloacal al sistema a lo largo de un período anual cualquiera.Si se refiere al año inicial su expresión será QD0 y si es al final del período de diseño, suponiendo que elmismo se extienda a “n” años, se lo denominará QDn.En la figura Nº 4 se representa la curva correspondiente al día de mayor vuelco cloacal de un períodocualquiera. En la misma se observa el significado gráfico de QD.Caudal máximo horario (QE)Es el caudal máximo instantáneo del día de mayor vuelco cloacal al sistema para un período anualcualquiera. Si ese caudal es referido al último período de diseño de las instalaciones y suponiendo que elmismo sea de “n” años, se denominará QEn. Este caudal es de suma importancia para el dimensionamientohidráulico de las cañerías.En la figura Nº 4 se observa la representación gráfica de QE.Caudal mínimo de Autolimpieza (QL0)Es el caudal máximo horario del día de menor vuelco cloacal. Con este caudal se determina la pendientemínima de autolimpieza en el método de cálculo de redes a través del esfuerzo tractriz.En la figura N° 2, se representa gráficamente a QL0.En el dimensionamiento de redes a través del esfuerzo tractriz, el caudal mínimo de autolimpieza garantizael arrastre hidráulico de partículas por lo menos una vez por día, en el año inicial de funcionamiento de lasredes para una tensión tractriz (Ft) igual a 0,10 Kg/m2.Coeficientes mínimos y máximosLos caudales se encuentran vinculados a través de los coeficientes mínimos y máximos que a continuaciónse definen:β1 = QC / QB = Coeficiente mínimo diarioβ2 = QB / QA = Coeficiente mínimo horarioβ = β1 * β2 = QC / QA = Coeficiente mínimo totalα1 = QD/QC = Coeficiente máximo diarioα2= QE/QD = Coeficiente máximo horarioα = α1 * α2 = QE/QC = Coeficiente máximo totalCon las vinculaciones planteadas es posible determinar los distintos caudales de diseño de las redescolectoras. Falta únicamente relacionar el caudal de autolimpieza con estos coeficientes. La expresiónutilizada es:QL0 = β1 * α2 * QC0 = α2 * QB0 = caudal mínimo de autolimpieza.
    • 5CALCULO DE LA TENSION TRACTIVA NECESARIA SEGÚN LA TEORIA DE CAMP SHIELDSEn el cálculo de redes colectoras cloacales por el método de Esfuerzo Tractriz, se considera que con unaFt = 0,10 Kg/m2, las cañerías tendrán un buen arrastre hidráulico del material sedimentable. Se analizaráen el presente capítulo, el tamaño y tipo de partícula a remover con ese esfuerzo tractriz de diseño.Se analizan las fuerzas intervinientes que actúan sobre las partículas depositadas en el fondo de lascañerías de acuerdo a la teoría de Camp – Shields para conductos funcionando a pelo libre. La mismasostiene que para remover partículas, es necesario que la fuerza de arrastre del líquido en movimiento,venza a la resistente (Fuerza de rozamiento) generada por el peso del sedimento.La fuerza motora o tensión tractriz es definida con la siguiente relación:Tt = t * R * i (Tt = tensión tractriz; t = peso específico del líquido residual; R = radio hidráulico; i =pendiente de fondo de la conducción).La relación que define a la tensión resistente será:Tr = K * (ts-t)*d (Tr = tensión resistente al movimiento; K = constante que depende del tipo de sedimento;ts = peso específico del sedimento; t = peso específico del líquido residual; d = diámetro de la partículadel sedimento).Para determinar el diámetro de la partícula a ser removida, se iguala la tensión tractriz a la tensiónresistente, situación que se origina cuando comienza a movimiento de la misma, es decir para Tt = Tr.El diámetro de la partícula a ser removida para una tensión tractriz determinada será:d = Tt / K * (ts - t)En los cuadros Nº 1 y Nº 2 se calcula la tensión tractiva necesaria para producir el arrastre hidráulico desedimentos de distintos diámetros y que responden a características diferentes. Primero se analiza uno deltipo granular inorgánico (K = 0,04) y después otro cohesivo orgánico (K = 0,80). Ambos valores de K seadoptaron de las las Normas de Estudio, Criterio de Diseño y Presentación de Proyectos para localidadesde 30.000 habitantes, del ex COFAPyS. En los dos casos se consideran sedimentos con ts = 2650 kg/m3ylíquido residual con t = 1000 kg/m3.En el primer caso vemos que la tensión tractriz de 0,10 kg/m2arrastra una partícula de 1,5 mm dediámetro, mientras que en el segundo una de 0,075 mm. Se concluye que a igual diámetro, la tensiónnecesaria para arrastrar un sedimento cohesivo, es muy superior que para una partícula discreta.De todos modos, el sedimento cohesivo no es el mas abundante en redes cloacales (Oliveira MachadoNetto - Tsutiya), por lo tanto, el estudio se puede dirigir hacia el efecto que tiene la tensión tractriz sobrepartículas inorgánicas discretas.Peso UFrFigura Nº 5
    • 6Cuadro Nº 1 Cuadro Nº 2Sedimento de tipo granular Sedimento de tipo cohesivoDiámetro dela partículaTensióntractriznecesariaDiámetro dela partículaTensión tractriznecesariamm kg/m2mm kg/m20.50 0.03 0.01 0.011.00 0.07 0.05 0.071.50 0.10 0.08 0.112.00 0.13 1.00 1.322.50 0.17 1.50 1.983.00 0.20 2.00 2.64METODO TRADICIONAL PARA EL CALCULO DE REDES CLOACALES (EX OSN)Caudal de diseñoLas redes colectoras y colectores serán dimensionadas para un correcto funcionamiento hidráulico a pelolibre, para el caudal máximo horario del último año “n “del período de diseño (QEn).La capacidad máxima de conducción es establecida a través de la utilización de la difundida fórmula deManning. Para determinar la máxima capacidad de conducción de cada tramo de la red de colectoras serecurre a las siguientes relaciones:Q = v * A = caudal máximo de conducciónv = i(1/2)* Rh(2/3)/ n = velocidad de conducción según Manningi = pendiente de la cañeríaRh = A / X = Radio hidráulicon = coeficiente de ManningEl método establece que la máxima capacidad de conducción a pelo libre sea fijada para el caño trabajandoa sección llena. Por lo tanto:A = π * D2/ 4 = área transversal de la cañería a sección llenaX = π * D = perímetro mojado para sección llenaRh = D/4 = radio hidráulico para sección llenaQmáx = i(1/2)* (D/4)(2/3)/ n * π * D2/ 4 = Capacidad máxima de conducciónQmáx = k * i(1/2)* D(8/3)= Capacidad máxima conducción para sección llenak = 0,311685468 / n = constante que depende del materialDiámetro de la cañeríaPara dimensionar el tramo en estudio se recurre a la relación siguiente obtenida de la expresión del Qmáxobtenida en el punto anterior:Dc = (QEn/(k * i(1/2))(3/8)= diámetro interno de cálculo de la cañería
    • 7Una vez establecido el diámetro interno de cálculo de la conducción se adoptará el diámetro comercialmayor más cercano.Pendiente mínima del tramoLa pendiente mínima del tramo debe ser capaz de verificar una velocidad mínima de escurrimiento en lacañería de 0,60 m/s funcionando a sección llena o semillena.Utilizando la fórmula de Manning se obtiene:v = i(1/2)*(Rh)(2/3)/ n = velocidad en la conducciónPara cañería a sección llena o semillena el radio hidráulico es el mismo, como se demuestra acontinuación:Rhll = π * D2/ 4 / (π * D) = D / 4 = radio hidráulico para sección llenaRhsll = (π * D2/ 4) / 2 / (π * D / 2) = D / 4 = radio hidráulico para sección semillenaSe concluye que la velocidad en la conducción será la misma cuando H/D = 0,50 o H/D = 1. (relacióntirante líquido en la cañería / diámetro de la conducción).Por lo tanto la pendiente mínima del tramo será:imin = (vmin * n / (D /4)(2/3))2= (0,60 * n / (D / 4)(2/3))2= pendiente mínima para v = 0,60 m/svmin = 0,60 m/s = velocidad mínima de arrastreSe establece que una vez definido el material de la cañería, la pendiente mínima será función únicamentedel diámetro de la conducción.El método determina que para cañería de hormigón de 150 mm de diámetro y n = 0,013 (coeficiente deManning), la velocidad mínima en la cañería puede ser de 0,45 m/s, fijando una pendiente mínima del 3,00‰ (por mil) compatible con las variables anteriores.Para cañerías plásticas se ha utilizado el mismo criterio con pendientes mínimas del 3,00 ‰ (por mil) para160 mm de diámetro siguiendo un criterio conservador.Para una cañería plástica con n = 0,011 y una pendiente i = 3,00 ‰, la velocidad mínima será de vmin = 0,56m/s, lo que mejora el funcionamiento hidráulico con respecto a las cañerías de Hormigón.Velocidad máxima en la conducciónSe establece una velocidad máxima de 3,00 m/s para cañería a sección llena o semillena. Este criterioconservador, es porque las redes originariamente eran de Hormigón y se trataba de evitar la erosión en lascañerías por el arrastre de partículas.La velocidad en la conducción será establecida con la expresión:v = i(1/2)* Rh(2/3)/ n = velocidad en la conducción ≤ 3,00 m/s
    • 8METODO DEL ESFUERZO TRACTRIZCaudales de DiseñoLas redes colectoras y colectores serán dimensionadas para el correcto funcionamiento hidráulico a pelolibre de las cañerías para el caudal máximo horario del último año “n “del período de diseño (QEn)Para la determinación de la pendiente mínima de autolimpieza se utiliza el caudal mínimo del mismonombre, que es el máximo horario del día de menor vuelco cloacal.QL0 = β1 * α2 * QC0 = α2 * QB0 = Caudal mínimo de autolimpiezaDiámetro de la cañeríaEl diámetro interno de la cañería puede ser determinado de la misma manera que en el método tradicionalde cálculo. En este trabajo se adopta un criterio conservativo de dimensionamiento para una situaciónmáxima que no supere la relación H/D = 0,90, es decir:D = (QE20 * n / (i(1/2)* 0.3325))(3/8)= Diámetro de cálculo para un H/D = 0,90Una vez establecido el diámetro interno de cálculo de la conducción, se adoptará el diámetro comercialmayor más cercano.Este criterio es aplicado para que exista siempre posibilidad de ventilación en la cañería con unfuncionamiento correcto a pelo libre.Pendiente mínima de autolimpiezaLa pendiente mínima de autolimpieza se establece para un esfuerzo tractriz Ft = 0,10 Kg/m2, cuyaexpresión general es:imin = c * QLO-0,46= pendiente mínima para una Ft = 0,10 Kg/m2c = coeficiente en función del material y el FtPara Ft = 0,10 Kg/m2y n = 0,011 (cañerías Plásticas) el coeficiente tendrá el valor c = 0,000234.Para redes colectoras cloacales se asume un caudal de autolimpieza en los extremos de las mismas de2,00 L/s, que representa una pendiente mínima de autolimpieza del 4 ‰ para cañerías plásticas (n =0,011).Velocidad máxima en las conduccionesPara determinar la velocidad máxima en las conducciones se procede a considerar dos criteriossimultáneamente:Criterio de máxima velocidad erosivaSe adopta una vmáx = 4,00 m/s siguiendo un criterio conservativo. En otros países se admiten velocidadessuperiores hasta 5,00 m/s y aún mayores.Criterio de máxima velocidad de BoussisneqEste criterio considera que a partir de una determinada velocidad, el líquido comienza a incorporar aire quese traduce en un aumento de volumen que disminuye la capacidad de la cañería, produciendo trastornos decirculación hidráulica en la misma.
    • 9umáx = B * (g * Rh)(1/2)= velocidad máxima de BoussisneqB = 6 = coeficiente de BoussisneqLa velocidad máxima se calculará para cañería llena o semillena para simplificar el cálculo, dado que apartir de la mitad de la sección comienza a ser importante su influencia. En tramos de redes donde existaeste tipo de problema y quiera hacerse una verificación más exhaustiva, puede determinarse en formaexacta conociendo la relación H/D y calculando la velocidad máxima con la ecuación anterior.En el presente trabajo la velocidad máxima admisible es obtenida mediante la simplificación enunciadaanteriormente, es decir que:Rh = D / 4 = radio hidráulico para sección llena o semillenaPara distintos rangos de diámetros se tendrán distintas velocidades máximas de Boussisneq. Para lascañerías de 100 mm y 150 mm de diámetro, predominará el criterio de vmáx de Boussisneq y para cañeríasmayores a 150 mm el criterio de vmáx = 4,00 m/s de velocidad erosiva.En caso que la velocidad máxima erosiva sea fijada en 5,00 m/s, predominará criterio de Boussisneq hastadiámetro 250 mm y después el de velocidad erosiva.EJEMPLOS PRACTICOS DE CALCULOSe desea comparar con un ejemplo práctico, la variación en el resultado obtenido de acuerdo al método decálculo utilizado.Se ha supuesto un colector cloacal perteneciente a una ciudad “XXX” con una baja pendiente topográfica, demanera tal que la pendiente del tramo se ajuste a la mínima establecida de acuerdo al método aplicado.Se analiza un tramo del colector perteneciente a una cuenca teórica denominada RS7, que da origen alnombre de las bocas de registros y al colector representados en las figuras N° 6 y Nº 7.Se ha establecido como horizonte de diseño a un período de 20 años.En ambos casos, para el cálculo de los caudales en cada tramo, se utiliza el método de gasto métrico queestablece una repartición de caudal proporcional a la longitud de cada tramo. Del producto de la longitud decada tramo por el gasto métrico, se obtiene el caudal propio de cada tramo, que sumado al que ingresa deltramo anterior, establece el caudal acumulado de cálculo con el que se dimensionan las cañerías.Para la repartición del caudal mínimo de autolimpieza a lo largo del colector RS7, se utiliza el mismométodo descripto anteriormente para el QE20.Con los resultados obtenidos de la comparación entre los cuadros N° 3 y Nº 4 se establecerán lasdiferencias existentes entre ambos métodos.Método Tradicional (Ex OSN)En el Cuadro N° 3 se presenta una planilla de cálculo basada en las hipótesis planteadas en el métodotradicional.En el recuadro superior del Cuadro N° 3, se presentan los caudales medios y máximos horarios para lacuenca analizada. Cada uno de estos parámetros tienen el siguiente significado:
    • 10QC20CUENCA = caudal medio diario de la cuenca RS7α = α1 * α2 = 1,82 = coeficiente máximo totalα1 = 1,30 = coeficiente máximo diario de la ciudad “XXX”α2 = 1,40 = coeficiente máximo horario cuenca RS7.QE20CUENCA = α * QC20CUENCA = caudal máximo horario del Colector RS7.Gm = QE20CUENCA / Lt = gasto métrico del colector RS7Lt = longitud total del tramo del colector RS7QC20 INGRESANTE DE LA CUENCA = Caudal medio diario ingresante por el extremo del colector RS7QE20 INGR.CUENCA = α * QC20 ING.CUENCA = Caudal máximo horario ingresante por el extremo delcolector RS7.QE20SALIENTE = QE20ING. + QE20CUENCA = caudal máximo horario saliente del colectordenominado RS7.El caudal máximo horario saliente del tramo del colector RS7, deberá ser igual al último valor de la columna(8) de la planilla del cuadro N° 3, para verificar que no existan errores de cálculo.Además de lo indicado anteriormente, que forma parte del encabezamiento de la planilla de cálculo, en otrorecuadro separado se menciona al coeficiente “n” de Manning y a la constante “k” dependiente del material.Cuadro Nº 3ARGAPA012-Pomerot.xls
    • 11Figura Nº 6Figura Nº 7El coeficiente de Manning dependerá del material utilizado, en este ejemplo se ha adoptado n = 0,011 paracañerías plásticas. El coeficiente k, desarrollado anteriormente, es función del coeficiente de Manning.En las columnas del Cuadro N° 3 se desarrolla el cálculo del colector RS7 y la figura N° 6 se grafican losresultados obtenidos.Método del esfuerzo tractrizEn el Cuadro N° 4 se presenta una planilla de cálculo basada en las hipótesis planteadas en el método delesfuerzo tractriz.En el recuadro superior del Cuadro N° 4, se presentan los caudales medios, mínimo de autolimpieza ymáximos horarios para la cuenca RS7.El significado del recuadro superior es similar al del ejemplo anterior, aunque se agrega otro más referido alcaudal de autolimpieza. Los parámetros de este último se detallan a continuación:QC0 CUENCA = Caudal medio diario inicial de la Cuenca RS7α2 = 1,40 = coeficiente máximo horario año inicial de la cuenca RS7β1 = 0,80 = coeficiente mínimo diario cuenca RS7
    • 12QL0 CUENCA = α2 * β1 * QC0 CUENCA = caudal de autolimpieza del colector RS7Gm = QL0 CUENCA / Lt = Gasto métrico del colector RS7 para caudal de autolimpiezaQC0 INGRESANTE CUENCA = Caudal medio inicial ingresante al colector RS7QL0 INGRESANTE CUENCA = Caudal de autolimpieza ingresante al colector RS7QL0 SALIENTE CUENCA = Caudal de autolimpieza saliente del colector RS7El caudal máximo horario saliente del tramo del colector analizado deberá ser igual al último valor de lacolumna (8) del Cuadro N° 4 para verificar la no existencia de errores de cálculo.El coeficiente de Manning dependerá del material utilizado; en este ejemplo se ha adoptado n = 0,011 paracañerías plásticas. El coeficiente “c” es función del Esfuerzo Tractriz Ft y del coeficiente de Manning.En este caso para Ft = 0,10 Kg/m2y n = 0,011, c = 0,000234. (extraído de las Normas de Estudio, Criteriode Diseño y Presentación de Proyectos para localidades de 30.000 habitantes, del ex COFAPyS).El caudal de autolimpieza total del colector RS7, debe coincidir con el caudal acumulado de autolimpiezade la última fila de la columna (10), para verificar que no existan errores de cálculo.En las columnas del Cuadro N° 4 se desarrolla el cálculo del colector RS7 y la figura N° 4 se grafican losresultados obtenidos.VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS METODOSDe acuerdo a lo analizado anteriormente, se procede a definir las ventajas y desventajas de cada uno de losmétodos analizados.Ventajas del Método Tradicional- Cálculo sencillo porque las pendientes mínimas, una vez definido el material de la conducción,dependen únicamente del diámetro y no del caudal.Cuadro Nº 4
    • 13Desventajas del Método Tradicional- Considera únicamente para el diseño el caudal máximo horario final sin establecer una situacióninicial de las instalaciones, lo que puede producir sedimentabilidad en las cañerías por malaadopción de pendientes mínimas.- En las cañerías de 150 mm de diámetro, se establece una pendiente mínima que no verifica lascondiciones de arrastre hidráulico para sección llena o semillena (velocidad de 0,60 m/s).- Se pueden producir sobredimensionamientos en las cañerías al tomar pendientes mínimas que sonfunción únicamente del material y del diámetro de las mismas y no del caudal.- Como las pendientes mínimas de las cañerías se establecen para sección llena o semillena, nointerviene la relación H/D de la conducción para establecer de que manera funcionarán las mismas.Es decir que puede haber tramos que no alcancen nunca el valor H/D = 0,50, porque el proyectistaadoptó pendientes mínimas que son función únicamente del diámetro y del material de las cañeríasy no del caudal circulante por las mismas.Ventajas del Método del Esfuerzo Tractriz- Mayor garantía de autolimpieza en las cañerías por cumplir con un esfuerzo tractriz de 0,10 Kg/m2para las condiciones iniciales de funcionamiento, especialmente en los primeros tramos decolectoras cloacales que se asume una pendiente mínima del 4‰.- Como consecuencia de lo anterior, existirá menor cantidad de obstrucciones en las redes.Desventajas del Método del Esfuerzo Tractriz- Mayor dificultad de cálculo porque la pendiente mínima de autolimpieza depende del caudal mínimode la conducción que debe ser calculado para cada tramo.- En zonas de bajas pendientes, se deben hacer mayores excavaciones.- En los tramos iniciales la pendiente mínima es del 4 ‰ mayor al 3 ‰ del método tradicional quepara zonas de bajas pendientes representa 0,10 m más cada 100 m de colectoras.COMPARACION DE METODOS A PARTIR DEL EJEMPLO DE CALCULO ESTABLECIDO EN LOSCUADROS N° 3 y N° 4Los cuadros N° 3 (método tradicional de cálculo) y N° 4 (método de esfuerzo tractriz) fueron establecidoscon el criterio de dimensionar tramos para pendientes mínimas, suponiendo una localidad con bajaspendientes topográficas.En los mismos observamos la mayor profundización de las cañerías en el método de esfuerzo tractriz. Sedesprende que el mismo es más conservador garantizando menores problemas de sedimentabilidad encañerías.En localidades con elevadas pendientes topográficas, el dimensionamiento de las cañerías estaráestablecido más que por las pendientes mínimas de los métodos anteriores, por las propias pendientesnaturales del terreno.En estos casos, en tramos donde sea necesario aplicar una pendiente igual a la mínima, es conveniente ladeducida a partir del esfuerzo tractriz, porque las mayores excavaciones en algunos tramos permitengarantizar un buen funcionamiento hidráulico de las cañerías.
    • 14Para el proyecto de redes es conveniente adoptar pendientes superiores a las mínimas para mantener eldiámetro de los colectores dentro de rangos razonables de diseño. En estos casos es necesario compararcostos de excavación frente a los costos por incremento en el diámetro de las cañerías.COMPARACION DE METODOS PARA IGUALES CONDICIONES DE ESCURRIMIENTO INICIALES (H/D= 0,50)Los métodos no pueden ser evaluados igualitariamente ya que parten de criterios diferentes. En el métodotradicional interviene únicamente el caudal máximo horario y las cañerías son dimensionadas a partir delmismo, en cambio en el método de Esfuerzo Tractriz interviene además del caudal máximo horario, elmínimo de autolimpieza. Es decir que este último considera el funcionamiento a través de todo el períodode diseño de la cañería.Para poder comparar los métodos igualitariamente se debe considerar un caudal de autolimpieza que hagatrabajar la cañería con una relación H/D = 0,50 para velocidades de 0,60 m/s, de acuerdo a lo establecidoen el método tradicional.Para comparar ambos métodos con iguales condiciones de funcionamiento hidráulico iniciales, sedesarrolla el Cuadro N° 5. Las columnas del mismo fueron establecidas de la siguiente manera:Columna 1: Diámetro de la cañeríaEs el diámetro interno de la cañería. Se han adoptado diámetros que comercialmente no se producen a losfines de completar el cuadro.Columna 2: Pendiente mínima para sección llena o semillena.Es la que surge a partir de una vmin = 0,60 m/s para la cañería trabajando a sección llena o semillena.Para cañería de 150 mm de diámetro se adopta una imin = 3 ‰Columna 3: Caudal máximo conducciónCon la pendiente mínima se calcula la máxima capacidad de conducción a sección llena de la cañería.Columna 4: Caudal a media secciónEs el caudal que se establece para una relación H/D = 0,50Columna 5: Caudal de autolimpiezaSe iguala el caudal de autolimpieza, al caudal a media sección para evaluar en las mismas condiciones queel método tradicional, la pendiente mínima que podrá tener el tramo.Columna 6: Pendiente mínima de AutolimpiezaSe establece la pendiente mínima en función de la columna (5) para cañerías plásticas.En el gráfico de la figura N° 8 se observa que para igualdad de condiciones entre métodos, es decir que elQL0 sea determinado a partir de la semisección de la cañería, el método tradicional necesitaría mayorespendientes hasta un diámetro 300 mm, luego del cual, sería menos exigente que el método de Esfuerzotractriz.Esta condición puede cumplirse en redes cuyos caudales circulantes sean bastante estables a lo largo delperíodo de diseño de las instalaciones, como por ejemplo un barrio de viviendas con red interna propia,cambio de redes existentes en núcleos consolidados, redes nuevas en núcleos poblacionales consolidadoscon políticas explosivas de conexiones etc.
    • 15Lo que queda claro es que en el método tradicional para diámetros mayores a 300 mm y para H/D = 0,50no se cumple el criterio de autolimpieza para un Ft = 0,10 Kg/m2.Cuadro Nº 5
    • 16Figura Nº 8PENDIENTES MINIMAS PARA h/D = 0,50n=0,0110,00,51,01,52,02,53,03,5150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000Diámetro (mm)Pendiente‰Método TradicionalEsfuerzo TractrizVERIFICACION DE CAÑERIAS A LA CORROSION POR INDICE DE POMEROYPara evaluar la posibilidad de formación del sulfuro de hidrógeno en las redes colectoras cloacales, existendiversos modelos. Uno de los más utilizados es el del índice de Pomeroy, cuya relación es la siguiente:3 * DBO5 XIp = ----------------- * ------- * 1,069(T - 20º)i1/2* Q1/3BsIp = Indice de PomeroyDBO5 = media de las seis horas consecutivas con máxima DBO5 a 20ºC (mg/L)T = temperatura media del líquido en los tres meses mas cálidos (ºC)X = Perímetro mojado de la cañería (m)Bs = ancho de la superficie líquida en la cañería (m)i = pendiente de la cañería (m/m)Q = caudal circulante por el tramo (L/s)De acuerdo a este índice, es posible evaluar la posibilidad de generación de sulfuro de hidrógeno en lascañerías de acuerdo a los siguientes rangos de valores según Oliveira Machado Netto - Tsutiya: Escasa: Ip≤ 5.000; Moderada: 5.000 < Ip ≤ 10000; y Frecuente: Ip > 10.000.En el cuadro N° 6 se verifican las cañerías a la corrosión para el método de esfuerzo tractriz del cuadro N°4. En la misma se ha colocado el diámetro de la cañería, pendiente del tramo, caudal de autolimpieza,temperatura del líquido y concentración orgánica expresada como DBO5.Determinada la relación tirante líquido / diámetro de la cañería, el perímetro mojado y el ancho líquido parael caudal QL0, se calcula en índice de Pomeroy para cada tramo.Se establece para cañería de Hormigón un Ip ≤ 7.500 y para conductos de Asbesto Cemento un Ip ≤ 23.000En este caso no podrán utilizarse cañerías de Hormigón sin protección dado que el Ip > 7.500.En el cuadro N° 7 se verifica la corrosión de cañerías para las pendientes mínimas surgidas del cuadro N° 3del método tradicional, adicionando el caudal de autolimpieza como condición inicial de funcionamiento.Si bien en este caso el índice de Pomeroy verificaría también para cañerías de Asbesto cemento, existirámayor producción de sulfuro de hidrógeno (SH2 ) debido a la presencia de menores pendientes en lostramos.
    • 17En caso de cañerías de hormigón protegidas contra la corrosión, aumenta notablemente el riesgo dedeterioro en las mismas como consecuencia de una mayor producción de SH2.
    • Cuadro N° 6VERIFICACION DEL RIESGO DE CORROSION DE LA CAÑERIA EN BASE AL INDICE DE POMEROYPARA EL METODO DE ESFUERZO TRACTRIZDIAMETRO COEF. PENDIENTE CAUDAL CARACTERISTICASAg.arriba Agua abajo INTERNO RUGOS. CAÑERIA DE TEMP. DBO5 HIDRAULICAS INDICECONDUCTO AUTOL. LIQUIDO h/D X Bs POMEROY(mm) (m/m) (L/s) (° C) (mg/L) (m/m) (m) (m)(1) (2) (3) (4) (5) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13)RS7-1 RS7-2 240 0.011 0.0036 2.65 25 250 0.18 0.21 0.18 14,381RS7-2 RS7-3 240 0.011 0.0034 2.98 25 250 0.19 0.22 0.19 14,346RS7-3 RS7-4 240 0.011 0.0032 3.31 25 250 0.20 0.22 0.19 14,396RS7-4 RS7-5 240 0.011 0.0031 3.63 25 250 0.22 0.23 0.20 14,420RS7-5 RS7-6 240 0.011 0.0030 3.94 25 250 0.23 0.24 0.20 14,385RS7-6 RS7-7 240 0.011 0.0029 4.26 25 250 0.24 0.25 0.20 14,377RS7-7 RS7-8 303 0.011 0.0028 4.58 25 250 0.18 0.27 0.23 13,588RS7-8 RS7-9 303 0.011 0.0027 4.89 25 250 0.19 0.27 0.24 13,648RS7-9 RS7-10 303 0.011 0.0026 5.19 25 250 0.20 0.28 0.24 13,747RS7-10 RS7-11 303 0.011 0.0026 5.53 25 250 0.21 0.29 0.25 13,571RS7-11 RS7-12 303 0.011 0.0025 5.90 25 250 0.22 0.30 0.25 13,658RS7-12 RS7-13 303 0.011 0.0024 6.28 25 250 0.22 0.30 0.25 13,652RS7-13 RS7-14 303 0.011 0.0024 6.60 25 250 0.23 0.30 0.26 13,542RS7-14 RS5-0 303 0.011 0.0023 6.97 25 250 0.24 0.31 0.26 13,701Cuadro N° 7VERIFICACION DEL RIESGO DE CORROSION DE LA CAÑERIA EN BASE AL INDICE DE POMEROYPARA EL METODO TRADICIONALDIAMETRO COEF. PENDIENTE CAUDAL CARACTERISTICASAg.arriba Agua abajo INTERNO RUGOS. CAÑERIA DE TEMP. DBO5 HIDRAULICAS INDICECONDUCTO AUTOL. LIQUIDO h/D X Bs POMEROY(mm) (m/m) (L/s) (° C) (mg/L) (m/m) (m) (m)(1) (2) (3) (4) (5) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13)RS7-1 RS7-2 240 0.011 0.0019 2.65 25 250 0.21 0.23 0.20 20,559RS7-2 RS7-3 303 0.011 0.0014 2.98 25 250 0.18 0.27 0.23 22,500RS7-3 RS7-4 303 0.011 0.0014 3.31 25 250 0.19 0.27 0.24 21,902RS7-4 RS7-5 303 0.011 0.0014 3.63 25 250 0.20 0.28 0.24 21,413RS7-5 RS7-6 303 0.011 0.0014 3.94 25 250 0.20 0.28 0.24 20,836RS7-6 RS7-7 303 0.011 0.0014 4.26 25 250 0.21 0.29 0.25 20,469RS7-7 RS7-8 303 0.011 0.0014 4.58 25 250 0.22 0.30 0.25 20,148RS7-8 RS7-9 303 0.011 0.0014 4.89 25 250 0.23 0.30 0.26 19,881RS7-9 RS7-10 341 0.011 0.0012 5.19 25 250 0.21 0.32 0.28 20,751RS7-10 RS7-11 341 0.011 0.0012 5.53 25 250 0.22 0.33 0.28 20,488RS7-11 RS7-12 341 0.011 0.0012 5.90 25 250 0.22 0.33 0.28 20,050RS7-12 RS7-13 384 0.011 0.0010 6.28 25 250 0.20 0.36 0.31 20,906RS7-13 RS7-14 384 0.011 0.0010 6.60 25 250 0.21 0.37 0.31 20,733RS7-14 RS5-0 384 0.011 0.0010 6.97 25 250 0.21 0.37 0.31 20,360BOCA DE REGISTROBOCA DE REGISTRO
    • 18CONCLUSIONESLas redes calculadas por el método del esfuerzo tractriz siempre arrojan pendientes mínimas que sonmayores a las calculadas a través del método tradicional, cualquiera sea el diámetro, salvo, para un casomuy particular de escurrimiento que es cuando h/D ≥ 0,50 al inicio del período de diseño.Cuando se efectúan comparaciones entre métodos, se debe considerar que cada criterio de cálculo partede premisas totalmente diferentes. El método de esfuerzo tractriz asegura una mejor autolimpiezahidráulica en las cañerías por cumplir con una tensión tractiva de 0,10 Kg/m2para las condiciones inicialesde funcionamiento. En cambio, el método tradicional considera únicamente para el diseño hidráulico elcaudal máximo horario final sin establecer una situación inicial de las instalaciones, lo que puede producirsedimentabilidad en la cañería por bajas pendientes en los tramos.Si se acepta que la fuerza tractiva es la causante del arrastre de partículas en una tubería cloacal, lautilización del método de esfuerzo tractriz, sería un criterio racional porque establece en forma directa lascondiciones para obtener una fuerza tractiva mínima en el escurrimiento desde el principio de la vida útil delsistema. En cambio, el criterio basado en la velocidad es un enfoque indirecto, ya que el esfuerzo tractrizno es función exclusiva de la velocidad de escurrimiento.En el método tradicional se pueden producir sobredimensionamientos en las conducciones en zonas debajas pendientes topográficas, al adoptar pendientes mínimas que son función únicamente del material ydel diámetro de las mismas y no del caudal circulante por el tramo. Esto no sucede en el método deesfuerzo tractriz en donde la pendiente mínima es función del caudal mínimo de autolimpieza y no deldiámetro de la conducción.En zonas de elevadas pendientes topográficas las pendientes mínimas en las cañerías es convenientefijarlas a través del método de esfuerzo tractriz, debido a que si se produce una mayor profundización enalgunos tramos, ésta puede ser recuperada posteriormente. Además, en los colectores se adoptan muchasveces pendientes mayores a las mínimas para evitar incrementar innecesariamente el diámetro de lasconducciones.