icg-swc2010-01

Modelación y Diseño de Redes de Alcantarillado Sanitario SewerCAD – SewerGEMS Sanitary v8i

Ing. Carlos Vidal ValenzuelaCLASE 01

INSTITUTO DE LA CONSTRUCCION Y GERENCIA - ICGEmail: [email protected] / Web: www.construccion.org

Modelación y Diseño de Redes de Modelación y Diseño de Redes de Alcantarillado SanitarioAlcantarillado Sanitario

S CADS CAD //S GEMSS GEMS S itS it V8iV8i B tlB tlSewerCADSewerCAD //SewerGEMSSewerGEMS SanitarySanitary V8i V8i -- BentleyBentley

Expositor: Ing. Carlos Vidal Valenzuela

CLASE 1

Contenido de Curso• Repaso

• Teoría hidráulica

• Sistemas de Alcantarillado Sanitario

• Sistemas a gravedad

• Representaciones de flujo

• Perdidas en las tuberías

• Consideraciones especiales

• Tuberías de presión y estaciones de bombeo

• Simulaciones en periodo extendido

• Conexiones externas con otros programas




Colectores secundariosInterceptores, Bombeo y otros

RED DE RECOLECCION

Sistema de Recolección y Disposición Final

Agua Residual Tratada

Reuso del Agua Residual Tratadapara: Agricultura Piscicultura etc

Disposición FinalRío, Lago, Laguna, Mar u otros cuerpos de aguaPLANTA DE TRATAMIENTO

DE AGUA RESIDUALESAgua Residual Cruda

Emisor

Emisor

Cá d B b d

Línea de Impulsión

Area de Drenaje 1Parte Alta

para: Agricultura, Piscicultura, etc.

RECOLECCION DISPOSICION FINAL

Cámara de Bombeo de DesagueArea de Drenaje 2

Parte Baja

La cámara de bombeo de desagüe




Sistemas de Alcantarillado Sanitario

Función Primaria:Función Primaria:

Drenaje de aguas servidas para propósitos de tratamiento y deshecho

Componentes primarios:

• Tuberías a gravedad CONDUITTuberías a gravedad

• Tuberías a presión

• Cámaras y estructuras de registro

• Estaciones de bombeo

PRESSURE PIPE

MANHOLE

Componentes primarios:p p

• Tuberías a gravedad


• Cámaras y estructuras de registro

OUTLET OUTFALLOUTLET ------------- OUTFALL

• Estaciones de bombeo




TIPOS DE REDES DE ALCANTARILLADO

SISTEMA UNITARIO SISTEMA SEPARADO

Colectores queRecolección aguas Recolección de aguas

Colectores que recolectan aguas

negras y aguas de lluvias, en forma

conjunta

negras de lluvias

Realiza un análisis netamente hidrológico.

Modela canaletas, canales, alcantarillas, estructuras de

registro, laguna de ponderación.Programa que hace análisis ponderación. g q

de redes agua




• No diseña• Solo se puede hacer

• Si diseña• Solo se puede hacer

análisis dinámico. análisis estático.

Redes de AlcantarilladoCOMPONENTES

A) Tuberías a gravedad.

Redes Primarias Ø >= 350 mm, redes secundarias Ø = 200, 250 y 300 mm

Colectores, Interceptores y Emisores

B) Tuberías a presión.

Líneas de impulsión, sifones invertidos, Líneas de conducción de agua negra pre tratadaconducción de agua negra pre tratada

C) Cámaras y estructuras de registro.

Buzones de inspección, cambio de dirección

D) Cámaras de Bombeo de Desagües. (Cámara húmeda y cámara seca)




Elementos del sistemaGravedad Presión

• Tuberías

• Cámaras de registro

• Estructuras de unión

• Cámara húmeda


• Uniones de presión

DISEÑO




Redes de AlcantarilladoCOMPONENTES

Sistemas de gravedad diseñados para trabajar parcialmente llenos:

Minimizan el riesgo de flujo saliente.

Las aguas residuales están en un estado aeróbico.

Las cámaras de registro permiten el acceso para mantenimiento.

El cociente: tirante/diámetro, se utiliza para el diseño

Se diseñan para fluir entre ½ y ¾ llenas.

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

M d l d M d l d O ió

La red es representada como conexiones y nodos.

Una conexión tiene nodo en cada extremo

Nodos (Nodes): buzones, cámaras húmedas y uniones a presión

Conexiones (Links): Tubería a gravedad y tuberías a presión

Modelos de Planeamiento y Diseño

Modelos de Operación

Conexiones (Links): Tubería a gravedad y tuberías a presión

Nodo NodoTubería

Bombas son conexiones, pero se comportan como nodosen los modelos de simulación.




Elementos del ModeloElevación cubiertaRim Elevation

G d El ti

Rim Elevation

Elevación terrenoGround Elevation

Cota batea (llegada)Cota corona (salida)

Cota de fondo

Invert Elevation

Crown ElevationSump Elevation

Aguas Arriba UP STREAM

Aguas Abajo DOWN STREAM

COTA DE TERRENO COTA DE TERRENO (GROUND ELEVATION)(GROUND ELEVATION) Recubrimiento( )( )

UPSTREAM CROWN ELEVATION

DOWNSTREAM CROWN ELEVATION

COTA FONDO COTA FONDO SUMP ELEVATION SUMP ELEVATION

UPSTREAM INVERT ELEVATION

DOWNSTREAM INVERT ELEVATION




Aplicaciones del análisis y simulación de redes:Conocer el comportamiento de los sistemas de recolección.

Diseño de nuevos sistemas.

Evaluación de la capacidad de conducción de la red existente.

Uso eficiente y/o reforzamiento de las redes existentes.

El planeamiento contingente. Solución de las redes para diferentes

escenarios y alternativas.

El diseño de una red de Alcantarillado, consiste en estimar las dimensiones

del conducto, teniendo presente, restricciones (Velocidad, pendiente,

cociente y/D, cobertura, etc.) y económicas.

ANÁLISIS DE FLUJO EN ESTADO ESTÁTICO - ANÁLISIS ESTÁTICO

En este tipo de análisis de flujo permanente se conoce los diámetros detodos los tramos de la red y las descargas en los buzones y se busca lastodos los tramos de la red y las descargas en los buzones, y se busca lascaracterísticas hidráulicas del sistema en un momento determinado. ElDiseño de la red se realiza en Estado Estático.

ANÁLISIS DE FLUJO DE PERIODOS EXTENDIDOS -ANÁLISIS DINÁMICO - SIMULACIÓN CONTINUA -

ÓSIMULACIÓN EN EL TIEMPO.

En una red de alcantarillado la descarga varía durante el día, y con ellolos caudales en los colectores, en la cámara húmeda y la operación de labomba y se busca las características hidráulicas de la red para diferentesinstantes del día (Ejemplo cada hora).




Plataforma SewerCAD

1. STAND ALONE2. FOR AUTOCAD3. FOR ARCGIS4. FOR MICROSTATION

HAESTAD METHODS

2004




SewerCAD Stand Alone

SewerCAD for AutoCAD

SewerCAD for MicroStation

SewerGEMS (Arc GIS)

GENERACIÓN DE PERFILES Y REPORTES




Repaso de Hidráulica

Tipos de Flujo

Flujo en canales abiertos

• Flujo con superficie expuesta a la atmósfera

Presión o flujo en la tubería

- FLOW MASTER- CULVET MASTER

Presión o flujo en la tubería

• Flujo en una conducción cerrada a presión




Clasificaciones de FlujoFlujo estático

Propiedades no varían con el tiempo en un puntoPropiedades no varían con el tiempo en un punto

Flujo inestable

Propiedades varían en el tiempo en un punto

Uniforme

Propiedades del flujo no varían en el espacio

No-uniforme

Propiedades del flujo varían en el espacio

Continuidad en canales abiertos

Ecuación de continuidad (Flujo estable)Ecuación de continuidad (Flujo estable)

Q = V x A,

Donde:

Q = caudal

V = velocidad promedio

A = área




Conservación de masaConservación de masa

Q in – Q out = Δ Velocidad almacenamiento

Conservación de momentum

Segunda ley de Newton

El cambio de momentun de un cuerpo es igual a la suma de las fuerzas externas actuando sobre el mismo.




Conservación de momentum

Para el flujo en la dirección x:

γ

Para el flujo en la dirección x:

Fuerzas aplicadas:

Presión

Gravedad (peso)

Fuerzas de fricción a través del fluido / limites del canal

Conservación de Energía

Energía típicamente expresada como cargaP2 / γ

hfV2/2g

P1 / γexpresada como carga

3 formas de energía:

Q

DATUM

Z1

D

Z2

3 formas de energía:

Energía Potencial (z)

Energía de Presión (P / γ )

Energía Cinética (v2 /2g)




γ

GRADIENTE HIDRÁULICO (HGL)

Ecuación de Bernoulli

E í P t i l ( )Energía Potencial (z)

Energía de Presión (P / γ )

Energía Cinética (v2 /2g)

2 21 1 2 2

1 2 fP v P vz z hY 2g Y 2g+ + = + + +




Ecuación de Bernoulli para canales abiertos

Presión d

v12 / 2g

v 2 / 2g expresada en términos de

profundidad de flujo (y)

y1

z1

y2

z2

Q

v22 / 2g

DATUM

Líneas de energíaP2 / γ

hfV2/2g

P1 / γ

Línea de energía

Q

DATUM

Z1

D

Z2

EGL = y + z + v2

2g Línea de Gradiente Hidráulico

HGL = y + z




Pérdidas de carga por fricciónfricción

Perdidas por fricción ocurren por la conversión de energía mecánica en

energía térmica, disipada por laenergía térmica, disipada por la paredes de las tuberías

Ecuaciones de pérdidas de carga por fricción

• Darcy – Weisbachhf = f L v2

D 2g

• ManningQ k A R 2/3 S 1/2Q = k A R 2/3 S 1/2

n

k = 1.0 (SI) o 1.49 (US)




Ecuación de ManningMuy usada en flujo uniforme en canales abiertos

Q = 1 A R 2/3 S 1/2Q 1 A R S n

Donde:

CIACUA= Centro de Investigación de Acueductos y Alcantarillados

Q es el caudalR es el radio hidráulicoS es la pendiente de fondo del canaln es el coeficiente de rugosidad

Estimando el factor de rugosidad de Manning

• Rugosidad de superficieg p• Vegetación• Irregularidad del canal• Alineación del canal• Obstrucciones• Tamaño y forma del canal• Plataforma y descarga• Enarenado y socavamiento




Coeficientes de rugosidad

Los valores de rugosidad se encuentran en textos de mecánica demecánica de fluidos

Pérdidas Menores

Causadas por aceleración, desaceleración,p , ,cambio en la dirección, cambio en áreatransversal de flujo, etc.

hM = KM v2

2g

KM = coeficiente de pérdida de carga menor




Coeficientes de pérdida menor

Rango de valores entre 0 5 a 1 0Rango de valores entre 0.5 a 1.0

Métodos de cálculo pérdidas en estructuras

• Absoluto (definido por el usuario)

• Estándar

• Genérico

• HEC-22 Energía

• AASHTO

Energía EspecificaEnergía total en un

2punto con respecto al fondo del canal

E = y + v2

2gy

E

Q = cte




Número de FroudeParámetro adimensional utilizado para clasificarParámetro adimensional utilizado para clasificarflujo en canales abiertos. Utilizado paradeterminar la profundidad crítica.

Para canales rectangulares:

F = v

(gy)1/2

Profundidad Crítica

Y ocurre donde la energía específica es mínimaYc ocurre donde la energía específica es mínimay el número de Froude es igual a 1

Para canales rectangulares:

Yc = ( q2)1/3( q )

g

Donde: q = Q / w




Energía Especifica

y

y F = 1

F < 1

EQ = cte

Emin

ycF = 1

F > 1

Clasificación de flujo

• F < 1 flujo subcrítico

• F = 1 flujo crítico

• F > 1 flujo supercrítico

“El flujo subcrítico es profundo y se muevej p ydespacio, y el flujo supercrítico es superficialy se desplaza rápido”




Flujo Uniforme• No acelerado. No hay un desbalance enNo acelerado. No hay un desbalance en

fuerzas aplicadas

• El flujo uniforme requiere un canal prismático,con una sección transversal, rugosidad ypendiente longitudinal constantes.

• Cuando el flujo es uniforme, las líneas decorriente son paralelas y la distribución depresión es hidrostática.

Profundidad Normal

Es la profundidad de flujo uniforme SeEs la profundidad de flujo uniforme. Sedetermina usando la ecuación de Manning.

Las profundidades Normal y Crítica se utilizanpara clasificar flujos y canales.

• yn > yc Subcríticoy y

• yc > yn Supercrítico




Flujo No Uniforme

V i f did d l l d l tVaria en profundidad a lo largo del tramo.

y(x)

QQ

Mayoría de flujos son no uniformes

• Los canales generalmente no son prismáticos...g pEstructuras de registroCambios de secciónDiámetro variableDirección de flujo

• Influencia de un controlNivel elevado de descargaDescenso nivel de agua en un rebosadero




Control

Clasificación de CanalesLos canales se clasifican con una letra y un

ú d di d d l i i t f tnúmero dependiendo de los siguientes factores...

1. Tipos de pendiente

(M) Suaves, si yn > yc

(S) Abruptas, si yn < yc

(C) Criticas, si yn = yc

(H) Horizontales

(A) Adversas




2. Zonas donde y(x) pueden ocurrir

Clasificación de Canales

Zona 1

Zona 2 yn

y(x) > yn

yn > y(x) > yc

yc > y(x)

Zona 3 ycyc y(x)

Perfiles de Canales Suaves




Perfiles de Canales Abruptos

Perfiles de Canales Críticos




Perfiles de Canales Horizontales

Análisis del perfil del FlujoSe utiliza para pdeterminar la línea de gradiente hidráulico

Los cálculos incluyen resolver las ecuaciones de

y1

z1

y2

z2

y(x)

Q

ecuaciones de energía en puntos diferentes a lo largo del perfil

z1 z2DATUM

Δx




Métodos de Solución• Método Directo (utilizado por SewerCAD)

Solución explicita de la ecuación de energíaSolución explicita de la ecuación de energía

Resuelve x basados en valores de yespecificados

• Método Estándar

Solución numérica iterativa de la ecuación deenergía

Implica resolver y para valores de xespecificados.

CONCLUSIÓN

L ál l l i lLos cálculos manuales o semi-manuales sondifíciles y consumen gran cantidad de tiempo.

La modelación hace que la ingeniería puedaser mas detallada, ágil y que la gestión de lossistemas sea mas fácil y eficientesistemas sea mas fácil y eficiente.

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