DISEÑO HIDRÁULICO DE AGUAS SERVIDAS Y AGUAS LLUVIAS PARA LA URBANIZACIÓN EL OASIS EN LA VEREDA HATOVIEJO MUNICIPIO DE AQUITANIA DEPARTAMENTO DE BOYACÁ
LENIN VICENTE ZAMORA VILLABON
FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2014 1
DISEÑO HIDRÁULICO DE AGUAS SERVIDAS Y AGUAS LLUVIAS PARA LA URBANIZACIÓN EL OASIS EN LA VEREDA HATOVIEJO MUNICIPIO DE AQUITANIA DEPARTAMENTO DE BOYACÁ
LENIN VICENTE ZAMORA VILLABON
TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
DIRECTOR IVAN ARTURO JARA INGENIERO CIVIL
FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL BOGOTÁ D.C. 2014 2
NOTA DE ACEPTACIÓN
___________________________________ ___________________________________
___________________________________ Ing. IVAN ARTURO JARA Director del Trabajo de Grado
___________________________________ Ing. Jurado
___________________________________ Ing. Jurado
BOGOTÁ D.C. 2014
3
DEDICATORIA
A MIS PADRES, HERMANOS Y FAMILIARES QUIENES ME HAN ACOMPAÑADO EN LA REALIZACIÓN Y CULMINACIÓN DE ESTA META COMO PROFESIONAL.
4
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus Agradecimientos a:
Al ingeniero IVAN ARTURO JARA director de proyecto y al ingeniero RAUL PATARROYO jurado calificador del trabajo de grado, por su valioso apoyo y colaboración incondicional, orientándome con sus conocimientos y constante motivación para el desarrollo de este proyecto. Al alcalde de Aquitania señor CARLOS AGUIRRE y su equipo de trabajo en la oficina de planeación por su colaboración y permitirme hacer parte del municipio al consentir aportar un proyecto de grado para el mejoramiento de nivel de vida de los habitantes de Aquitania la urbanización del Oasis y la preservación del medio ambiente.
5
CONTENIDO
RESUMEN.....................................................................................................................................11 SUMMARY ...................................................................................................................................13 1
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................15
2
GENERALIDADES...............................................................................................................17
2.1
LOCALIZACIÓN DE AQUITANIA ....................................................................................... 17
2.2
FLORA Y FAUNA ................................................................................................................ 19
2.3
ECONOMÍA.......................................................................................................................... 19
2.4
LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO ..................................................................................... 20
2.5
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ....................................................................................... 20
3
GEOLOGÍA Y TOPOGRAFÍA.............................................................................................21
3.1
GEOLOGÍA. LOCAL ............................................................................................................ 21
3.2
AMENAZA SÍSMICA............................................................................................................ 22
3.3
RECARGA DE ACUÍFEROS ............................................................................................... 23
3.4
TOPOGRAFÍA ..................................................................................................................... 23
4 4.1
HIDROLOGÍA DE LA MIROCUENCA ..............................................................................25 INFORMACIÓN HIDROLÓGICA DESARROLLADA PARA LA ZONA .............................. 25
6
4.2
COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA .................................................................................... 26
4.2.1
Tiempo De Concentración: ............................................................................................... 27
4.2.2
Período De Retorno:......................................................................................................... 28
4.2.3
La Intensidad: ................................................................................................................... 29
4.2.4
Determinación de la ecuación y ajuste de la IDF: ............................................................ 30
4.2.5
Factor de reducción de la lluvia puntual: .......................................................................... 32
4.2.6
Método del Soil Conservation Service: ............................................................................. 32
4.3
VEGETACIÓN ZONA EN ESTUDIO .................................................................................... 35
4.4
JUSTIFICACIÓN DE FORMULAS EMPLEADAS ............................................................... 35
4.5
ANÁLISIS DE CAUDALES .................................................................................................. 35
4.6
ANÁLISIS DE RIESGOS ..................................................................................................... 36
4.7
MORFOMETRÍA DE CUENCAS HIDROGRÁFICAS........................................................... 37
5
CALCULO DE CAUDAL DE DISEÑO SANITARIO DEL OASIS ...................................38
5.1
CARACTERÍSTICAS ALCANTARILLADO URBANIZACIÓN EL OASIS ........................... 38
5.2
PARÁMETROS DE DISEÑO ............................................................................................... 40
5.2.1
Diámetro Interno Real Mínimo .......................................................................................... 40
5.2.2
Velocidad Mínima ............................................................................................................. 40
5.2.3
Fuerza Tractiva................................................................................................................. 40
5.2.4
Velocidad Máxima ............................................................................................................ 41
5.2.5
Profundidad ...................................................................................................................... 41
5.3
CALCULO DE CAUDAL DE DISEÑO DE LA URBANIZACIÓN EL OASIS ....................... 42
5.3.1
Definición del nivel de complejidad:.................................................................................. 42
5.3.2
Dotación por facturación:.................................................................................................. 45
5.3.3
Pérdidas: .......................................................................................................................... 46
5.3.4
Proyección de la demanda: .............................................................................................. 46
5.3.5
Determinación de caudales de aguas residuales: ............................................................ 47
5.3.6
Estimación de los caudales de diseño:............................................................................. 48
7
6
ANÁLISIS DE RED EXISTENTE CON LA NUEVA CARGA HIDRÁULICA ................54
6.1
PERÍODO DE RETORNO .................................................................................................... 55
6.2
DIAGNÓSTICO DEL SISTEMA EXISTENTE ...................................................................... 56
6.2.1
Sistema de alcantarillado redes sanitarias: ...................................................................... 56
6.2.2
Parámetros particulares de diseño: .................................................................................. 56
6.2.3
Diámetros y velocidades de colectores: ........................................................................... 57
6.2.4
Profundidades de colectores: ........................................................................................... 57
6.2.5
Profundidad hidráulica máxima: ....................................................................................... 57
6.2.6
Modelación hidráulica: ...................................................................................................... 57
6.2.7
Características y diagnóstico: ........................................................................................... 58
6.2.8
Condiciones de funcionamiento: ...................................................................................... 58
6.2.9
Alternativas: ...................................................................................................................... 59
6.2.10
7
Resultado del análisis de la red existente: ................................................................... 60
DISEÑOS HIDRÁULICOS DEL COLECTOR ...................................................................62 7.1.1
7.2 7.2.1 7.3 7.3.1 7.4
Resultados de la simulación hidráulica:............................................................................ 64 DISEÑO SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS – CUNETAS .................... 65 Áreas tributarias: .............................................................................................................. 66 CÁLCULO HIDRÁULICO SISTEMA DE ALCANTARILLADO PLUVIAL ........................... 66 Cálculo hidráulico: ............................................................................................................ 66 DISEÑO DE DESARENADOR ............................................................................................. 70
Fuente: Autor ............................................................................................................................... 70 7.5
ESTUDIO HIDRÁULICO RÍO TOBAL SITIO CRUCE COLECTOR FINAL ......................... 72
7.5.1
Cálculo del caudal de diseño: ........................................................................................... 73
7.5.2
Software hec hms: ............................................................................................................ 75
7.5.3
Régimen fluvial: ................................................................................................................ 76
7.5.4
Hidráulica de obras mayores: ........................................................................................... 76
7.5.5
Análisis hidráulico: ............................................................................................................ 77
7.5.6
Descripción del modelo hec-ras: ...................................................................................... 77
7.5.7
Criterios de solución empleados por hec-ras: .................................................................. 80
8
7.5.8
Geometría del cauce: ....................................................................................................... 81
7.5.9
Modelo hidráulico río Tobal: ............................................................................................. 82
7.5.10
Parámetros del modelo: ............................................................................................... 83
7.5.11
Secciones transversales: .............................................................................................. 84
7.5.12
Perfil longitudinal: ......................................................................................................... 84
7.5.13
Tabla de resultados: ..................................................................................................... 85
7.5.14
Secciones de cruce del cauce: ..................................................................................... 86
8
DISEÑOS COMPLEMENTARIOS .....................................................................................87
8.1
DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA ............................................................................... 87
8.2
PARÁMETROS DE DISEÑO ............................................................................................... 88
8.2.1
Software de diseño estructural: ........................................................................................ 88
8.3
CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS ................................................................................ 88
8.4
CARACTERÍSTICAS SÍSMICAS ......................................................................................... 89
8.5
CARACTERÍSTICAS DE VIENTO ....................................................................................... 90
8.6
MATERIALES ...................................................................................................................... 90
8.7
CÁLCULO DE CARGAS ..................................................................................................... 91
8.7.1
Carga muerta (D):............................................................................................................. 91
8.7.2
Cargas de contingencia (CL): ........................................................................................... 92
8.7.3
Cargas del producto (pl) y carga de prueba (PT): ............................................................ 93
8.7.4
Fuerzas de fricción (FF): .................................................................................................. 94
8.7.5
Cargas de viento (WX, WZ): ............................................................................................. 95
8.7.6
Fuerzas sísmicas (EX, EZ): .............................................................................................. 96
8.8
NONBUILDINGSTRUCTURES SIMILAR TOBUILDINGS: ................................................. 96
8.9
COMBINACIONES DE CARGA .......................................................................................... 98
8.9.1 8.10
Combinaciones de carga diseño estructural por resistencia última: ................................. 99 ANÁLISIS ESTRUCTURAL ............................................................................................... 100
9
8.10.1
Análisis realizado:....................................................................................................... 100
8.10.2
Límites de derivas: ..................................................................................................... 100
8.10.3
Deflexiones: ................................................................................................................ 100
8.11
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE ACERO .......................................................................... 101
8.11.1
Diseño estructural de vigas y columnas: .................................................................... 101
8.11.2
Diseño de conexiones: ............................................................................................... 101
8.11.3
Diseño de la fundación: .............................................................................................. 103
9
REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LA ZONA................................................................... 104
10
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................................. 107
11
BIBLIOGRAFÍA E INFOGRAFÍA ............................................................................... 109
APÉNDICES............................................................................................................................... 111 LISTATA DE FIGURAS ................................................................................................................. 111 LISTA DE FOTOGRAFÍAS ............................................................................................................ 111 LISTA DE TABLAS ....................................................................................................................... 111 LISTA DE GRAFICAS ................................................................................................................... 112 LISTA DE ILUSTRACIONES ......................................................................................................... 113 LISTA DE ECUACIONES .............................................................................................................. 113
ANEXOS ..................................................................................................................................... 114
10
RESUMEN
Aquitania se un municipio de Boyacá (Colombia) que debido a sus agricultura y atractivos turísticos se encuentra en constante expansión demográfica, lo cual requiere de obras y estudios que permitan un desarrollo sano de la zona, que incluya a los nuevos habitantes del municipio en su entorno de agricultura y naturaleza logrando que estos interactúen en el medio ambiente
sin generar
mayores alteraciones. En la actualidad podemos encuentran urbanizaciones que debido a la expansión desaforado no se incluyeron en el actual POT y por consiguiente en ninguno de los proyectos de desarrollo del municipio. El Oasis es una de esas urbanizaciones jóvenes en el municipio de Aquitania, que no fuel contemplada en el POT ni plan maestro de alcantarillado y en la actualidad está vertiendo sus aguas residuales en el rio Tabal, alterando de esta manera el entorno paisajístico y ambiental. El presente proyecto de grado “DISEÑO HIDRAULICO DE AGUAS SERVIDAS Y AGUAS LLUVIAS PARA LA URBANIZACION EL OASIS EN LA VEREDA HATOVIEJO MUNICIPIO DE AQUITANIA
DEPARTAMENTO DE BOYACA”
estuvo enfocado en dar un manejo adecuado a las aguas provenientes de la urbanización el Oasis,
dividiéndolas para disponer las aguas residuales en el
actual sistema de alcantarillad y las aguas de escorrentías en el rio Tobal. Para disponer las aguas servidas de la urbanización el Oasis en el sistema de alcantarillado existente se requirió reevaluar parámetros de diámetros, caudales, pendientes, velocidades y capacidad de tracción
del actual sistema de
alcantarillado, incorporando en él la nueva carga, producto del caudal de diseño inicial más el caudal nuevo proveniente de La urbanización el Oasis. En el análisis se encontró la necesidad de sustituir algunos tramos de alcantarillado por 11
diámetros superiores para poder cumplir con los nuevos caudales. De igual manera para garantizar la eficacia del sistema se recomienda al Municipio realizar mantenimientos de limpieza al actual sistema así como aumentar las pendientes de algunos tramos o sustituir la tubería de estos por tubería PVC para aumentar la velocidad y capacidad de tracción. Durante el diseño del manejo de las aguas provenientes de la urbanización el Oasis se requirió de obras complementarias como el diseño de un puente que cruzara el rio Tobal, esta estructura se diseñó cumpliendo todos las normas colombianas e internacionales para el diseño de oleoductos. Las aguas provenientes de escorrentías se manejó en un sistema independiente con cunetas que dirige la escorrentía a un desarenado, para finalmente servirlas en el rio Tobal, el objetivo de este diseño separado fue el de proteger la cuenca del rio para no disminuir su caudal y garantizar que aguas abajo siga ciento una fuente confiable para los agricultores de la zona.
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SUMMARY
Aquitania’s Town is in Boyacá (Colombia), that for its agriculture and tourist attractive is in constant demographic expansion, which requires works and studies that allow a healthy development of the zone, This must include all people and the new inhabitants of Aquitania’s Town in its environment of agriculture and nature achieving that these interact without generating bigger alterations. At the present time we can find urbanizations that owing to the rampant expansion were not included in the current POT (Land Use Plan), and therefore in neither of the projects of development of the Aquitania’s Town. El Oasis is the one of those young urbanizations in the Aquitania’s Town, that was not contemplated in the POT (Land Use Plan), neither in the masterful plan of sewerage system and at the present time it is spilling his residual waters in the Tobal River, altering in this way the environmet lanscape and the nature The present degree’s project “HYDRAULIC DESIGN OF WATERS SERVED AND WATERS RAINS FOR THE URBANIZATION EL OASIS IN ATOVIEJO’S PATH IN AQUITANIA’S TOWN, BOYACA DEPARTMENT” was focused in giving to a handling suitable to originating waters of the El Oasis urbanization, dividing them, to have residual waters in the present system sewerage and waters of run-offs in Tobal River. In order to dispose waters served of the El Oasis urbanization in the existing sewerage system was required to reappraise parameters of diameters, volumes, slopes, speeds and capacity of traction of the present sewerage system, incorporating in it the new load, product of the volume of initial design plus the originating new volume of the El Oasis Urbanization. In the analysis was the 13
necessity to replace some sections of sewerage system by superior diameters to be able to fulfill the new volumes. Of equal way to guarantee the effectiveness of the system it is recommended to Aquitania’s Town to make maintenances of cleaning to the present system to if like increasing slopes of some sections or replace the pipe of these by pipe PVC and so to increase to the speed and traction capacity. During the design of the handling of originating waters of the El Oasis Urbanization was required of complementary works like the design of a bridge that cross a Tobal River, this structure was designed being fulfilled all the Colombian and international norms for the pipe lines design. The waters from run-off is handled on a separate system with drain that directs run-off to a sand removal, finally to serve them in the Tobal River, the target of this design was to separately protect the river basin to not decrease its flow downstream and ensure that it remains a reliable source for farmers in this area.
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1 INTRODUCCIÓN
El presente proyecto consistió en dar un manejo adecuado a las aguas residuales y de escorrentías provenientes de la urbanización el Oasis Ubicada en Aquitania (Boyacá). El Oasis es una urbanización que se formó a las afueras del municipio por la necesidad de expansión a la que está enfrentado Aquitania, es de anotar que el Oasis no estuvo contemplada dentro del Plan de Ordenamiento Territorio ni en ningunos de los proyectos de desarrollo planificado de municipio. En la actualidad las aguas residuales y aguas de escorrentías de la urbanización se está vertiendo en el rio Tobal, alterando de esta manera el entorno paisajístico, ambiental y poniendo en riesgo la salud de los habitantes ubicados aguas abajo ya que con estas aguas se limpia la papa que se cultiva en la zona Dentro de las actividades y estudios adelantados para el desarrollo del presente proyecto fue necesaria la toma de información y el análisis de la
geología,
topografía e hidrología de la zona con el fin de determinar sus características, luego de identificar las propiedades de la zona se procedió a calcular el caudal de diseño de la urbanización el Oasis para sumarlo al caudal de diseño de alcantarillado del municipio de Aquitania y así determinar el comportamiento del alcantarillado existente con la nueva carga hidráulica. Una vez analizado el alcantarillado existente y recomendado los cambios que se deben realizar para que funcionen con la nueva carga, se realizó el diseño del colector de aguas sanitarias, el diseño de manejo de aguas de escorrentías mediante cunetas y un desarenado y el de obras complementarios que consisten en el diseño de un estructura para cruzar el colector de las aguas residuales sobre el rio el Tobal.
15
Durante la ejecución de este proyecto se contó con la colaboración del doctor CARLOS AGUIRRE, quien es el alcalde del municipio de Aquitania y puso a nuestra entera disposición los funcionarios y departamento de la Alcandía Municipal y Oficina de Planeación Municipal de Aquitania. También se contó con la colaboración del INSTITUTO DE HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES IDEAM, el Ingeniero IVAN ARTURO JARA director de proyecto y el Ingeniero RAUL PATARROYO jurado calificador quienes aportaron su trayectoria y conocimientos para poder concluir el presente proyecto.
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2 GENERALIDADES
2.1
LOCALIZACIÓN DE AQUITANIA
El Municipio de Aquitania se localiza en el Departamento de Boyacá, a 106 km al sur de Tunja, capital del departamento, y a 32 km de la ciudad de Sogamoso que parte en el Km 12.1 Vía principal que comunica el centro del país - Bogotá – con el Departamento de Casanare sector Crucero - Municipio de Aquitania. Ver Figura 1: Localización Municipio De Aquitania En El Departamento De Boyacá. Aquitania es una de las tres poblaciones que se encuentra bordeando el Lago de Tota, de la cual un 72% de su superficie está dentro del área de su municipio. El municipio limita por el norte con Sogamoso, Cuítiva y Mongua, por el oriente con Labranzagrande, Pajarito, Recetor y Chámeza,
por el sur con Zetaquira, San
Eduardoy Páez y por el occidente Cuítiva, Tota, Zetaquira y San Eduardo. Se encuentra ubicado a 30 km de Sogamoso. Ver Figura 2: Localización de Aquitania Geográficamente se encuentra en la región Andina, hace parte junto con 12 municipios a la denominada Región del Sugamuxi de la cordillera oriental. se encuentra dentro de las coordenadas geográficas aproximadas 72° 47´ - 72° 39´ longitud W; 5° 25´ - 5° 41´ de latitud norte y entre coordenadas planas del IGAC, N 1´091-000 – 1´120.000, E 1´149.000 – 1´160.000 con origen en Bogotá. Plancha 192 escala 1:100.000.
17
Figura 1: Localizaci贸n Municipio De Aquitania En El Departamento De Boyac谩
Fuente: Autor Figura 2: Localizaci贸n de Aquitania
Fuente: www.maps.google.com
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2.2
FLORA Y FAUNA
El municipio de Aquitania cuenta con diversidad de plantas nativas como el frailejon, el Arrayán, el Mortiño la Curuba y Pega-Pega, especies exóticos como cerezo, pino, eucalipto, aliso la fauna esta representadas por varias especies de aves, peces pez graso (extinto) especies introducidas como la Trucha Arcoíris y animales nocturnos.
2.3
ECONOMÍA
En el sector pecuario se explota la ganadería de tipo extensivo en el territorio localizado en zonas de páramo y en terrenos de las veredas Maravilla, Mombita y Sisvaca, ubicadas en clima frío y medio; generalmente se trata de ganado bovinode raza criolla. En la Vereda de Toquilla se tiene ganado con doble propósito, de leche y carne. La laguna de Tota permite el cultivo y explotación piscícola en jaulas flotantes con fines comerciales e industriales. La pesca de la trucha arcoíris también es una actividad importante en la región. En minería existe explotación incipiente de carbón cerca del sitio El Crucero, pero no es promisoria dado la proximidad al páramo andino con el daño potencial que podría causarle al mismo. También existen formaciones de arena que también se localiza sobre ecosistemas de páramo por lo tanto no es viable su explotación. Como actividades secundarias en el municipio se compone de industria incipiente en repostería automotriz y ornamentación, agroindustria también incipiente para el procesamiento de cebolla, papa y lácteos. Por último el sector artesanal con la producción de lana de oveja, esteras de junco, lazos y enjalmas para animales. El turismo es otro importante sector económico del municipio, ya que cuenta con una amplia gana de centros deportivos y hoteles en la rivera del Lago de Tota, que recibe turistas principalmente desde el centro del país. Su cercanía con Playa Blanca lo convierte en un punto de partida en la ruta, de la cual sólo dista 12 kilómetros
19
2.4
LOCALIZACIÓN DEL PROYECTO
El proyecto se desarrollara en la urbanización EL OASIS
ubicada dentro del
perímetro urbano del Municipio de Aquitania en la parte oriental, a 600 ml a partir del parque central, se localizada en las
coordenadas planas del IGAC N
1.102.250 – 1.102.500, E 1.132.800 – 1.132.900 con origen Bogotá plancha 192 Escala 1:100.000. Según Esquema de Ordenamiento Territorial (EOT) (mapa N° 34) acuerdo N° 005 del 2004 el uso recomendado del suelo urbano se clasifica como zona de vivienda de interés social (ZVIS). 2.5
DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
La urbanización EL OASIS es un proyecto creado para familias de bajos recursos diseñado por la empresa de consultoría CODICON LTDA en el año 2002 cuyos propietarios son la asociación de vivienda “EL OASIS”. Dentro del Esquema de Ordenamiento Territorio (EOT), según el acuerdo N° 005 del 2004 en el uso recomendado del suelo urbano se clasifica como zona de vivienda de interés social (ZVIS) y se localiza dentro del perímetro urbano del Municipio. El diseño donde aparece el proyecto urbanístico según plano 192-I-C-4 suministrado por la oficina de planeación del municipio de Aquitania se conforma por un numero de seis (6) Manzanas distribuidas dentro del predio con un Área total construida de 5.610 m2, dentro de las Manzanas se distribuyen ochenta y ocho (88) lotes, con un área de 66.0 m2 L= 11 ml * A= 6.0 ml y diseño de vivienda unifamiliar plano Construsocial Abril del 2001 información suministrada por la Alcaldía de Aquitania. En La urbanización EL Oasis se planea la construcción de vivienda de dos pisos en ladrillo y con un tipo de construcción vanguardista. Según cuadro de Áreas este
proyecto suma en total de su
distribución 12.633.49 m2.
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3 GEOLOGÍA Y TOPOGRAFÍA
3.1
GEOLOGÍA. LOCAL
(…) “El sector estudiado y zonas cercanas se encuentran recubiertos por depósitos subrecientes, y recientes de origen aluvial, generados como respuesta al levantamiento de la Cordillera Oriental,
corresponde a depósitos de origen
fluviotorrencial. Los depósitos subrecientes han sido disectados, transportados y depositados nuevamente por las redes de drenaje que han dado lugar a los depósitos aluviales recientes
correspondientes
a aquellas
desopilaciones
Holocenicas (últimos 10.000 mil años) resultado de la acumulación por remoción en masa o de la acumulación residual por degradación insitu de la roca, acumulación por flujos torrenciales de las quebradas y los ríos. Estratigráficamente el sector está recubierto por espesos depósitos aluviales de edad subreciente y reciente, que reposan en forma discordante sobre rocas sedimentarias afectadas por plegamiento, los depósitos están integrados por niveles de gravas y arenas, intercaladas e interdigitadas con niveles de arcillas y limos. En la cartografía geológica realizada se identificaron dos unidades geológicas que corresponden al Cuaternario de Terraza (Qt), y dos depósitos aluviales recientes (Qr) y (Qc) La unidad Cuaternario de aluvión (Qal), se encuentra afectada por un sistema de fallas Cuitiva – Aquitania y la falla Aquitania, está integrada por una secuencia espesa de gravas medias a gruesas en matriz areno arcillosa, con intercalaciones de arena, limo y arcilla; los cantos de las gravas presentan forma redondeada y
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provienen de rocas sedimentarias y metamórficas, especialmente areniscas, su edad se ha estimado como Plioceno-Pleistoceno (Ingeominas, 1995). El depósito aluvial reciente (Qr), está integrado por una secuencia de arenas, intercaladas con niveles de gravas finas a medias y arcilla; estos depósitos están relacionados con la actividad reciente de las corrientes presentes que corresponden a los ríos Machito y Tobal, además de sus tributarios.
Estos
depósitos han retrabajado los depósitos aluviales subrecientes. El deposito (Qc), está integrado por gravas cantos y bloques sub angulosos con matiz areno limosa Estructuralmente el sector evaluado, forma parte de un relleno sedimentario conformado por los ríos que descienden de lo alto de la
Cordillera, como
respuesta al proceso orogénico que dio origen al paisaje actual
3.2
AMENAZA SÍSMICA
Debido a que la Red Sismológica Nacional del INGEOMINAS no tiene estaciones cerca del municipio de Aquitania, la información existente sobre la actividad sísmica es escasa. Sin embargo, se puede afirmar que la causa de los temblores y terremotos en el Departamento de Boyacá obedece al sistema de fallas del pie de monte llanero, que cruzan cierta parte de su territorio, en dirección NE. Estas fallas son de tipo inverso, lo que podría estar generando actualmente grandes presiones internas por lo que se pueden considerar como potencialmente activas, redundando en amenaza alta por temblores de tierra, mucho más cuanto que Aquitania se encuentra ubicado, según el Mapa de Zonas de Riesgo Sísmico en Colombia, en Alto Riesgo.
22
3.3
RECARGA DE ACUÍFEROS
De acuerdo con la caracterización hidrogeológica cualitativa de Aquitania, los principales acuíferos están constituidos por depósitos no consolidados, y por las rocas de las Formaciones Socha Inferior, Ermitaño, Churuvita, Une y Areniscas de Las Juntas. El agua en las formaciones geológicas se mueve siguiendo el control estructural desde las zonas de recarga en dirección del buzamiento, atendiendo a la porosidad primaria y/o secundaria, hasta ciertos puntos en donde la topografía corta la napa, convirtiéndose en un sitio de baja presión, especialmente hacia las entradas de los valles, transformándose entonces en manantiales o nacimientos de agua, que muchas veces alimentan a los cauces superficiales de la red hidrográfica municipal.” (…) (Esquema de ordenamiento territorial del municipio)
3.4
TOPOGRAFÍA
Las actividades adelantadas en este capítulo estuvieron orientadas a realizar un levantamiento topográfico en el municipio de Aquitania en la urbanización El Oasis, que consistió en la toma de información de altimetría y planimetría y toma de detalles y todo lo que esté en el área del proyecto con el fin de complementar el plano suministrado por el municipio. El levantamiento topográfico consistió en la toma de información trigonométrica y toma de información en planta de sardinales, paramentos y otros detalles existentes en el área levantada, trabajo realizado mediante el sistema de radiación simple. Como no se ubican placas del IGAC cerca del lugar de las obras se amarro la topografía tomando como referencia los paramentos del lote N° 1 manzana D, ver PLANO PLANTA DE PROYECTO URBANÍSTICO, suministrados por la oficina de planeación de Aquitania. Una vez terminada esta actividad empezamos a ubicar los deltas y auxiliares que nos sirven de apoyo al levantamiento y toma de secciones transversales de la urbanización, se realiza la debida toma de cotas de
23
los detalles son obtenidas por medio de nivelación trigonométrica con la ayuda de Estación total y prisma; para esta labor se tuvo especial cuidado con la toma de las alturas instrumentales y las de los bastones de los prismas de acuerdo a su variación según el estado del detalle en la superficie levantada. Por otro lado, todas las
actividades se realizaron con el
apoyo de personal idóneo
(1)
topógrafo (1) cadenero1 (1) cadenero2. Una vez importados los datos de la estación al PC se procesa la información topográfica por medio del software TOPCON Link y TRANSIT, se procede a generar la nube de puntos y en el software Eagle Point se generó el modelo digital de terreno y las curvas de nivel; igualmente, por medio de Auto CAD se dibujó la planimetría y detalles de la zona levantada. y carteras topográficas en el Anexo 1 del presente proyecto
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4 HIDROLOGÍA DE LA MIROCUENCA
Este capítulo consiste en la recopilación de información hidrológica de la zona, con el fin de presentar el análisis de intensidades de lluvia. Para una frecuencia o periodo de retorno fijado, para determinar los valores de intensidad media máxima de lluvia que se puede esperar en función de la duración de la tormenta, esta información se sustrajo del plan maestro de alcantarillado suministrado por el municipio de Aquitania
e información recopilada en el INSTITUTO DE
HIDROLOGIA, METEOROLOGIA Y ESTUDIOS AMBIENTALES IDEAM.
4.1
INFORMACIÓN HIDROLÓGICA DESARROLLADA PARA LA ZONA
Para la determinación de los caudales provenientes de la escorrentía superficial y con el fin de desarrollar los diseños del sistema de recolección de aguas lluvias de la Urbanización El Oasis y el cálculo del caudal de diseño para el Río Tobal con el fin de diseñar el cruce elevado de la tubería del colector de aguas sanitarias de la Urbanización, se analizan distintos métodos bastante utilizados en el medio colombiano. Existen varios métodos de estimación de caudales máximos probables en una cuenca, de los cuales se han escogido los siguientes: Para cuencas en las cuales no se tiene instrumentación (no se han instalado estaciones de aforo), se utilizan métodos teóricos basados en ecuaciones obtenidas del análisis hidrológico de diferentes hoyas hidrográficas, como por ejemplo el método racional, el cual es utilizado para cuencas pequeñas, con áreas inferiores a 1 Km2 y el método desarrollado por el SoilConservationService S.C.S., el cual se utiliza en cuencas con áreas mayores a 1 Km2.Estos métodos requieren 25
información propia de las cuencas, como la pendiente, longitud del cauce principal, área aferente de la cuenca, tipo de suelo y la vegetación de la cuenca. De igual manera pasa para el drenaje urbano, en donde se deben conocer las áreas aferentes, longitud y pendiente de la cuneta o sistema de transporte, tipo de acabado de pisos, etc.
El método que se describe en este numeral, es usado para cuencas menores de 1 Km2; estima el caudal máximo como el producto de la Intensidad de precipitación, por un coeficiente de escorrentía y por el área de la cuenca.
4.2
COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA
El coeficiente de escorrentía “C”, es la relación del total del agua precipitada en una cuenca con el volumen real de la escorrentía después de descontar las pérdidas por almacenamiento, retención e infiltración. Este coeficiente depende del uso y tipo de suelo, de la cobertura vegetal y de la condición de humedad antecedente. Para el cálculo de este coeficiente, se utilizó la siguiente expresión empírica (Dirección General de Carreteras de España. Témez José R. Cálculo hidrometeorológico de Caudales Máximos en Pequeñas Cuencas Naturales. Madrid, 1978): C
(Pd Po) * ( Pd 23Po) (Pd 11Po)2
Siendo:
C: Coeficiente de escorrentía.
Po: Parámetro que depende del uso y tipo del suelo, de la cobertura vegetal de la cuenca y de la humedad antecedente.
Pd: Precipitación máxima en 24 horas para los períodos de retorno considerados.
26
Po se determinó a partir del número de escurrimiento (CN), aplicando la siguiente expresión:
P0
5080 50.8 * CN CN
Se determina el número de escurrimiento CN entre valores de 70 y 80, correspondientes a un grupo de uso C relacionado con margas arcillosas y arenosas poco profundas, suelos con bajo contenido orgánico y suelos con altos contenidos de arcilla. Se utilizará para cálculos un número de curva igual a 70. Con base en estos resultados, las lluvias máximas en 24 horas calculadas para cada estación y la aplicación de la metodología mostrada anteriormente, se obtiene el valor del coeficiente de escorrentía para la zona en estudio, calculado para periodo de retorno de 15 años.
Vías pavimentadas
C = 0.75
Zonas verdes y parques
C = 0.45
4.2.1 Tiempo De Concentración: Para utilizar el método racional, se requiere calcular el tiempo de concentración. Se debe suponer entonces, que el caudal máximo generado por una determinada intensidad del aguacero de diseño sobre un área de drenaje específica, es producido por el referido aguacero, el cual se prolonga durante un período de tiempo igual al tiempo de concentración del flujo en el punto bajo consideración. Técnicamente, se define este último como el tiempo de concentración “Tc”, el cual es el tiempo requerido para que la escorrentía superficial llegue al punto bajo consideración desde la parte más apartada del área de drenaje. En este tipo de estudios se define como Tc mínimo recomendado 15 minutos, definido también como tiempo de concentración mínimo por el título D del Reglamento Técnico de Agua y Saneamiento, RAS 2000. Para el tiempo de concentración, Tc, se han analizado las siguientes fórmulas:
27
Fórmula de Témez
En donde:
Tc: Tiempo de concentración en horas, está definido como el tiempo que gasta una gota de agua para llegar desde el punto más alejado de la cuenca hasta el sitio donde se quiere calcular el caudal.
L: Longitud del cauce desde el sitio más alejado de la cuenca hasta el sitio de interés (km).
S: Pendiente ponderada correspondiente a la cuenca de estudio (m/m).
Fórmula de Kirpich Tc = 3.9780 x L0.77 x S-0.385 En donde: Tc: Tiempo de concentración de la hoya hidrográfica, en min.
L: Longitud del cauce principal, en km.
S: Pendiente total del cauce principal, igual a la caída total entre la longitud del cauce principal, en m/m.
De acuerdo con las investigaciones realizadas en distintos diseños hidrológicos en el territorio colombiano y específicamente en el departamento de Boyaca y municipios vecinos, el método de Kirpich es de amplio y extendido uso en nuestro medio, y produce valores de caudal para los diferentes periodos de retorno, congruentes, de tal forma que es apropiado para utilizar en los cálculos de caudales máximos.
4.2.2 Período De Retorno: Es el tiempo promedio medido en años, que transcurriría para que la magnitud de un evento sea igualada o excedida. En el caso de lluvias, el período de retorno es definido como el promedio de años entre los cuales ocurre una lluvia de una magnitud específica. Una definición similar puede ser aplicada a caudales máximos o crecientes.
28
Para el diseño de las redes de recolección de aguas lluvias del área correspondiente a la Urbanización El Oasis, se tiene en cuenta lo mencionado en el RAS 2000 en el numeral 4.3.4 del Título D, se utilizará entonces un periodo de retorno para el diseño de las redes de recolección de aguas lluvias de 5 años.
4.2.3 La Intensidad: De la lluvia se define como la precipitación que cae uniformemente sobre una cuenca para una duración y frecuencia (período de retorno) dadas. Para cuencas pequeñas, la duración se considera igual al tiempo de concentración que es el tiempo que tarda una partícula de agua en llegar desde la parte más alta de la cuenca, hasta la salida de la misma. Este parámetro varía con la ubicación y topografía, así como con la duración y la frecuencia de la lluvia, esta es la razón por la cual se deben desarrollar curvas de Intensidad – Duración – Frecuencia IDF para obtener la intensidad adecuada para utilizar en el diseño mediante el uso de las expresiones del método racional, los valores de la curva IDF se encuentran en la Grafica 1 Curva IDF – Estación Potrerito. Grafica 1 Curva IDF – Estación Potrerito
Fuente: Plan Maestro de Alcantarillado municipio de Aquitania, Dpto. Boyacá.
29
Las curvas IDF seleccionadas para el cálculo de los caudales de las cuencas de la zona, son las desarrolladas por el Estudio hidrológico del Plan Maestro de Alcantarillado usando la información de la estación de potrerito, cuyos valores aparecen en la Tabla 1: Valores de IDF – Estación Potrerito, la cual se presenta a continuación: Tabla 1: Valores de IDF – Estación Potrerito
Tr Años
Intensidad (mm/hr) 5
10
20
30
45
60
90
120
150
180
min
min
min
min
min
min
min
min
min
min
2
34.4 30.5
26.7
22.2
17.9
15.3
11.5
9.5
8.0
6.8
5
48.6 44.1
38.0
31.1
24.7
21.0
16.4
13.6
11.4
9.7
10
58.0 53.1
45.5
37.0
29.3
24.7
19.6
16.3
13.6
11.6
20
67.8 62.4
53.2
43.1
33.9
28.6
23.0
19.2
15.9
13.6
50
78.8 72.8
61.9
50.0
39.3
33.0
26.7
22.3
18.5
15.9
100
87.5 81.2
68.8
55.5
43.5
36.5
29.7
24.9
20.6
17.7
Fuente: Plan Maestro de Alcantarillado municipio de Aquitania, Dpto. Boyacá.
4.2.4 Determinación de la ecuación y ajuste de la IDF: El resultado final obtenido se desarrolla a través de una forma analítica, propuesta por Aparicio (1997), dicho autor plantea la alternativa muy empleada en la actualidad de obtener una ecuación que genere las curvas IDF, mediante un modelo de regresión lineal de modo de extrapolar la ecuación generada a zonas que carezcan de registros pluviográficos y que se encuentren relativamente cerca; por lo que, se procede a analizar el comportamiento de las variables involucradas en el estudio, relacionando simultáneamente las tres variables en una familia de curvas para lo cual se utiliza la ecuación: m
I
kTr dn
30
Dónde: k, m y n son constantes de regresión lineal múltiple, Tr es el periodo de retorno en años, d es la duración en minutos, e I la intensidad de precipitación en mm/hr. Luego, aplicando los logaritmos a la ecuación propuesta se llega a la forma de un modelo de regresión lineal múltiple el cual se expresa en la siguiente ecuación:
Donde: y = log I
ao = log k
X1 = log Tr
a1 = m
X2 = log d
a2 = -n
Una vez calculados los coeficientes ao, a1 y a2 se obtiene los valores de los valores k, m y n, obteniendo la siguiente ecuación cuya representación gráfica se puede ver en la Grafica 2 Curva IDF – Estación Potrerito, que se presenta a continuación (tomado de plan maestro alcantarillado) Grafica 2 Curva IDF – Estación Potrerito
Fuente: Plan Maestro de Alcantarillado municipio de Aquitania, Dpto. Boyacá.
I
86.238Tr d 0.468
0.232
31
4.2.5 Factor de reducción de la lluvia puntual: En general, la precipitación para una duración determinada (o, en otras palabras, la intensidad promedio) decrece desde el centro de las tormentas, a medida que la distancia se incrementa a partir de este punto. La precipitación máxima es representativa del centro de las tormentas, por lo cual la precipitación promedio en la totalidad del área de drenaje deberá ser menor, dependiendo del tamaño y forma de la cuenca, de las tormentas históricas registradas, y de la localización del centro de precipitación máxima, por lo anterior se emplean formulas con factor de reducción que van en función del área de drenaje los factores de reducción son los que se describen en laTabla 2 Factor de Reducción que se presenta a continuación. Tabla 2 Factor de Reducción
Áreas de Drenaje (Ha)
Factor de Reducción
50
-
100
0.99
100
-
200
0.95
200
-
400
0.93
400
-
800
0.9
800
-
1600
0.88
Fuente: Plan Maestro de Alcantarillado municipio de Aquitania, Dpto. Boyacá
4.2.6 Método del Soil Conservation Service: El método que se describirá, es utilizado para calcular los caudales máximos en cuencas mayores a 1 km2. Será utilizado para la cuenca del Río Tobal, ya que el área aferente en el sitio de cruce del colector de la red sanitaria proyectado es de 18.6 Km2.
32
Este método se basa en la siguiente relación fundamental:
Q F S Pe Donde:
F: Infiltración real.
S: Infiltración potencial.
Q: Escorrentía real.
Pe: Escorrentía potencial o exceso de precipitación.
Esta relación tiene validez a partir del momento en que se inicia la escorrentía. Toda la precipitación ocurrida antes del comienzo de la escorrentía se considera como pérdida (intercepción, no contribuye al flujo superficial). Las pérdidas iniciales de la precipitación se denominan abstracciones iniciales (Ia), las cuales se calculan con la siguiente relación empírica:
Ia 0.2S Pe = P - Ia
y,
F = Pe - Q Sustituyendo en la relación inicial y despejando el valor de Q se obtiene la expresión: Q
(P 0.2S)2 P 0,8S
El S.C.S. posterior al análisis de gran cantidad de hidrogramas de cuencas, encontró un procedimiento para calcular el valor de S con base en un parámetro llamado Número de Curva (CN), mediante la siguiente expresión: S
25400 254 CN
En donde S esta expresado en milímetros. El valor de CN para cada condición de humedad antecedente es particular de cada cuenca y se obtiene con base en el tipo de suelo y la condición hidrológica,
33
que es un indicador de la cobertura vegetal y de la capacidad de infiltración del suelo. En el presente estudio, se definió que la condición de humedad antecedente del suelo es intermedia en el área aferente de la cuenca del Río Tobal, por lo tanto, se clasifica en condición II, el suelo no se encuentra ni saturado ni seco. Adicionalmente, en el numeral siguiente se presenta el tipo de vegetación presente en la zona, analizada en la cartografía de cobertura vegetal desarrollada por CORMAGDALENA; estos mapas de cobertura corresponden a la metodología CorineLandCover, desarrollada para la cuenca del Río Magdalena y Cauca y permite describir con mayor exactitud, que tipo de vegetación se encuentra en la zona en análisis. Lo anterior, permitirá determinar qué número de curva (CN) se puede utilizar para el cálculo del caudal por el método del S.C.S. Según las características del tipo de suelo de la zona, se tomó suelos tipo B. La cobertura vegetal permanece constante a lo largo de la cuenca, por lo tanto para estimar la escorrentía máxima se aplica el hidrograma unitario sintético propuesto por el SCS, cuya forma está definida por las siguientes ecuaciones: qP
0,2083 * A * E TP
TP
D TL 2
TL 0.6 * TC Donde:
Qp: Caudal pico unitario, en m3/s por cada milímetro de escorrentía.
A: Área de drenaje, en km2.
Tp: Tiempo al pico, en horas.
D: Duración de la lluvia efectiva o duración del hidrógrama unitario, en horas.
34
TL: Tiempo de retardo de la cuenca, en horas.
TC: Tiempo de concentración de la cuenca, en horas, utilizando la expresión de Témez o Kirpich según sea el caso.
4.3
tb: Tiempo base del hidrograma unitario.
E: Escurrimiento unitario, en este estudio E = 1 mm.
VEGETACIÓN ZONA EN ESTUDIO
La vegetación para la cuenca del Río Tobal corresponde a cultivos transitorios, pastos limpios
y enrastrojados,
espacios naturales,
bosque plantado
y
generalmente vegetación de páramo y subpáramo.
4.4
JUSTIFICACIÓN DE FORMULAS EMPLEADAS
Debido al tamaño y forma de la cuenca del Río Tobal y teniendo en cuenta que el único parámetro realmente medible en éstos es el área de drenaje, se empleó el Método del U.S. S.C.S, que tiene en cuenta las abstracciones iniciales de las cuencas y sin llegar a subestimarlas, genera valores de caudal mucho más acordes con los observados en la corriente en épocas de avenidas, los cuales se pueden inferir por medio de las marcas de niveles de creciente encontradas en la zona del proyecto.
4.5
ANÁLISIS DE CAUDALES
Para el paso mediante viaducto del colector final de la Urbanización El Oasis, se utilizará el criterio utilizado para dimensionar obras de drenaje en vías, es decir, los caudales que deben ser manejados por las obras de drenaje, que dependen del periodo de retorno para el cual se diseñaran.
35
Se define el tipo de obra y su importancia, encontrando que para este paso elevado, se aplica el criterio que puede ser analizado como una estructura tipo puente y se obtiene entonces, que el periodo de retorno adoptado para el caudal de diseño es de 100 años, de acuerdo con la Tabla 3.Periodo de retorno para diseño de Obrasextraída del Manual de Drenajes del INVIAS: Tabla 3.Periodo de retorno para diseño de Obras
Tipo de obra
Periodo de retorno (años)
Puentes Pontones
100 50
Box Coulvert
25
Alcantarillas Cunetas
25 10
Fuente: Manual de drenajes del INVIAS
Para los cuales se calcularon los siguientes 4.6
ANÁLISIS DE RIESGOS
Para el diseño de estructuras se debe tener en cuenta los riesgos que puede presentar una obra si falla debido a que la magnitud correspondiente al periodo de retorno es excedida durante la vida útil de la estructura de paso transversal. Dicho riesgo hidrológico natural, puede ser calculado utilizando la ecuación que se muestra a continuación: R 1 1 P X X T
n
En donde:
R: Probabilidad de Riesgo hidrológico para que un evento ocurra en n años.
P(X≥XT)=1/T.
T: periodo de retorno en años.
Para el paso elevado del colector de aguas sanitarias de la Urbanización El Oasis, con un periodo de retorno de 100 años, se tendrá el siguiente nivel de riesgo, tal y
36
como se muestra en la Tabla 4 Niveles de probabilidad de un evento en función del periodo de retorno Tabla 4 Niveles de probabilidad de un evento en función del periodo de retorno
T (años)
R (Probabilidad) 2
100.00%
5
99.62%
10
92.82%
20
72.26%
25
63.96%
50
39.65%
100
22.22%
Fuente: Manual de drenajes del INVIAS
4.7
MORFOMETRÍA DE CUENCAS HIDROGRÁFICAS
El sector en estudio, tiene cartografía propia del Esquema de Ordenamiento Territorial en escala 1:50.000, la cual se utiliza para calcular los parámetros físicos de la cuenca. La delimitación de la cuenca del Río Tobal se presenta en el Plano 1. El área tributaria se mide en Autocad 2011, la longitud del cauce se mide digitalmente y la pendiente ponderada del cauce principal se calcula de acuerdo con la expresión propuesta por Taylor y Schwarz.
s
LT Li n i 1 Si
2
Donde:
LT= Longitud total del cauce principal.
Li= Longitud en que se subdivide el cauce total.
Si= Pendiente de cada uno de los tramos en que se subdivide la longitud del cauce
37
5 CALCULO DE CAUDAL DE DISEÑO SANITARIO DEL OASIS
5.1
CARACTERÍSTICAS ALCANTARILLADO URBANIZACIÓN EL OASIS
El objetivo del diseño presentado en el presente informe, es el de incluir la zona de expansión o Urbanización El Oasis dentro del sistema de alcantarillado del municipio. Actualmente la problemática principal es la de verter las aguas sin ningún tratamiento al Río Tobal, lo cual genera problemas sanitarios en la zona, al igual que reduce el índice de utilización de las aguas del Río en actividades como riego, agricultura, ganadería, entre otras. De acuerdo con lo mencionado anteriormente, se realizó el análisis de la información recopilada, como es el Plan Maestro de Alcantarillado y el Esquema de Ordenamiento Territorial desarrollados para la cabecera del municipio. En el Plan Maestro de Alcantarillado se realizó la optimización del sistema de alcantarillado existente, el cual actúa como sistema combinado, con la finalidad de aumentar la cobertura y calidad de los servicios, como también satisfacer los requerimientos actuales y futuros determinados por las proyecciones demográficas y su distribución espacial. El Plan Maestro, en concordancia con el programa de ejecución de los estudios, desarrollo los dimensionamientos de las opciones técnicas para el mejoramiento de los diferentes componentes de los sistemas de alcantarillado. Durante su fase final, fueron elaborados los diseños definitivos de las obras de optimización para el refuerzo de los colectores del alcantarillado sanitario que no presentan capacidad actual para la evacuación de las aguas servidas y los diseños de las obras de
38
ampliación y optimización del sistema de alcantarillado pluvial. El esquema de obras planteado en el Plan Maestro de Alcantarillado, está encaminado a subsanar las deficiencias existentes, mediante el uso al máximo de la infraestructura existente, esperando un bajo costo en cuanto a inversión, operación y mantenimiento e inversiones que no requieran de equipos sofisticados, acordes con el desarrollo tecnológico de la región. El Plan Maestro también, analizó la posibilidad de separar los sistemas de aguas lluvias y sanitarias, sin embargo, el sistema de alcantarillado existente y que consiste en un sistema combinado se mantiene casi en su total integridad, cambiando solo en los vertimientos de aguas residuales sin tratamiento que se presentan actualmente en el interceptor occidental, la separación de caudales mediante aliviaderos colocados en puntos estratégicos, entre otros. Dentro de este Plan Maestro no se incluyó la zona correspondiente a la Urbanización El Oasis, por lo cual es necesario evaluar el aporte del caudal sanitario, al sistema proyectado de alcantarillado. Teniendo en cuenta lo mencionado, en el presente informe se realiza el diseño del colector final hasta el pozo 12 o pozo de unión con el sistema proyectado de alcantarillado (sitio definido para conectar as aguas servidas de la urbanización de El Oasis), y adicionalmente se realiza la verificación de los tramos de alcantarillado afectados por este nuevo aporte, con el fin de verificar la capacidad hidráulica de las características de las tuberías proyectadas por el Plan Maestro hasta su llegada a la Planta de Tratamiento de Agua Residual (PTAR) del municipio de Aquitania, o que nuevas características deben
cumplir estos tramos para funcionar con suficiencia
hidráulica. Adicionalmente, el presente informe tratará el diseño requerido para la evacuación de las aguas lluvias de la Urbanización El Oasis, actuando como un sistema independiente y teniendo en cuenta las características de la zona a drenar. Es importante mencionar que estas aguas lluvias que sean captadas, serán
39
dispuestas al Río Tobal; se incluirán desarenadores u obras de tratamiento primario para eliminar residuos sólidos arrastrados por las aguas, grasas, etc.
5.2
PARÁMETROS DE DISEÑO
5.2.1 Diámetro Interno Real Mínimo El diámetro interno real mínimo permitido en redes de sistemas de recolección y evacuación de aguas residuales tipo alcantarillado sanitario convencional es 200 mm (8 plg) con el fin de evitar obstrucciones de los conductos por objetos relativamente grandes introducidos al sistema. Sin embargo, para sistemas simplificados o niveles de complejidad del sistema bajo, éste puede reducirse a 150 mm (6 plg), requiriéndose una justificación detallada por parte del diseñador. Cuando se pretende evacuar las aguas residuales de 10 viviendas en adelante, es recomendable utilizar como diámetro mínimo 200 mm (8 plg).
5.2.2 Velocidad Mínima Si las aguas residuales fluyen por un periodo largo a bajas velocidades, los sólidos transportados pueden depositarse dentro de los colectores. En consecuencia, se debe disponer regularmente de una velocidad suficiente para lavar los sólidos depositados durante periodos de caudal bajo. Para lograr esto, se establece la velocidad mínima como criterio de diseño. La velocidad mínima real permitida en el colector es 0,45 m/s.
5.2.3 Fuerza Tractiva Para las condiciones iníciales de operación de cada tramo, debe verificarse el comportamiento autolimpiante del flujo, para lo cual es necesario utilizar el criterio de fuerza tractiva o esfuerzo cortante medio. Por lo tanto, debe establecerse que el valor de la fuerza tractiva sea mayor o igual a 1,5 N/m2 (0,15 Kg/m2) para el caudal máximo. La fuerza tractiva está dada por la expresión:
RS
40
Donde: 
đ?œ?= Peso especĂfico del agua (kg/m3).

R= Radio hidrĂĄulico (m).

S= Pendiente del conducto (m/m).
En aquellos casos en los cuales, por las condiciones topogrĂĄficas presentes, no sea posible alcanzar la velocidad mĂnima, debe verificarse que el esfuerzo cortante sea mayor que 1,2 N/m2 (0,12 Kg/m2).
5.2.4 Velocidad MĂĄxima En general, se recomienda que la velocidad mĂĄxima real no sobrepase 5 m/s. Los valores mayores se justificarĂĄn teniendo como referencia los manuales tĂŠcnicos de los proveedores.
5.2.5 Profundidad 5.2.5.1 Profundidad MĂnima A La Cota Clave: Los colectores de redes de recolecciĂłn y evacuaciĂłn de aguas residuales deben estar a una profundidad adecuada para permitir el drenaje por gravedad de las descargas domiciliarias, aceptando una pendiente mĂnima de ĂŠstas de 2%. AdemĂĄs, el cubrimiento mĂnimo del colector debe evitar la ruptura de ĂŠste, ocasionada por cargas vivas que pueda experimentar. Los valores mĂnimos permisibles de cubrimiento de los colectores se definen en la Tabla 5: Profundidad mĂnima de colectores Tabla 5: Profundidad mĂnima de colectores
Servidumbre
Profundidad a la clave del colector (m)
VĂas peatonales o zonas
0,75
verdes VĂas vehiculares
1,20
Fuente: Manual INVIAS
41
Para casos especiales como localidades con evidentes problemas de drenaje los valores anteriores pueden reducirse haciendo las previsiones estructurales y geotécnicas correspondientes. Las conexiones domiciliarias y los colectores de aguas residuales deben localizarse por debajo de las tuberías de acueducto. 5.2.5.2 Profundidad máxima a la cota clave: En general la máxima profundidad de los colectores es del orden de 5 m, aunque puede ser mayor siempre y cuando se garanticen los requerimientos geotécnicos de las cimentaciones y estructurales de los materiales y colectores, durante y después de su construcción.
5.3
CALCULO DE CAUDAL DE DISEÑO DE LA URBANIZACIÓN EL OASIS
5.3.1 Definición del nivel de complejidad: El nivel de complejidad de un sistema es la herramienta propuesta por el Reglamento Técnico del sector de Agua Potable y Saneamiento Básico – RAS para la asignación de los parámetros con que deben ser planeados y diseñados los sistemas de acueducto y alcantarillado. El nivel de complejidad se obtiene a partir de la población proyectada al período de diseño y teniendo en cuenta la capacidad económica de los usuarios del sistema en análisis. La asignación del nivel de complejidad es una de las primeras actividades que se realiza para el estudio de diseño del sistema de acueducto y alcantarillado de acuerdo con la Tabla 6: Asignación del nivel de complejidad, estipulado por el RAS en el numeral A.3.1, y se presenta a continuación:
42
Tabla 6: Asignación del nivel de complejidad
Nivel complejidad
de Población
en
la
zona Capacidad
urbana (1) Habitantes
económica de los usuarios (2)
Bajo
<2.500
Baja
Medio
2.501 a 12.500
Baja
Medio - Alto
12.501 a 60.000
Media
Alto
>60.000
Alta
Fuente: manual de diseño RAS 2000
El nivel de complejidad del sistema de acueducto y alcantarillado se definió como medio, de acuerdo con la interpolación realizada teniendo en cuenta la estratificación socioeconómica de los usuarios y la población proyectada. Dentro de los Estudios Básicos, las tendencias del desarrollo físico del casco urbano de Aquitania, en los próximos veinte (20) años, corresponden a la continuación de movimientos que permitan densificar las zonas potencialmente urbanizables hasta alcanzar la población de saturación Atendiendo simplemente a la disponibilidad territorial en el área de desarrollo inmediata y dentro de los límites del perímetro urbano definido en el EOT, resultan aproximadamente 96 hectáreas de terrenos urbanizables. Al considerar en esta forma resulta una población posible adicional sobre zonas ya urbanizadas y una máxima razonable sobre zonas por urbanizar, los que sumadas a la población actual, permite obtener la máxima población de saturación calculada con los métodos aritmético, geométrico y declinante arrojando un resultado de 14.400 habitantes en todo el territorio urbano del EOT, cuyos cálculos están descritos en la Tabla 7: Comparación métodos de Proyección de población, Grafica 3: Comparación métodos de proyección de la población y Grafica 4: Curva método declinante de población censal y proyectada.
43
Tabla 7: Comparación métodos de Proyección de población
Fuente: Plan Maestro de Alcantarillado municipio de Aquitania, Dpto. Boyacá
Grafica 3: Comparación métodos de proyección de la población
Fuente: Plan Maestro de Alcantarillado municipio de Aquitania, Dpto. Boyacá
44
Grafica 4: Curva método declinante de población censal y proyectada
Fuente: Plan Maestro de Alcantarillado municipio de Aquitania, Dpto. Boyacá
5.3.2 Dotación por facturación: Para determinar las dotaciones, se partió de los registros de consumos del periodo comprendido entre Enero 2008 a Febrero de 2009, suministrados por la oficina de servicios públicos del municipio de Aquitania. Las lecturas a los micromedidores se realizan con periodicidad mensual. De acuerdo a estos registros se encontró que la dotación neta residencial es de 160 litros por habitante y por día, incluyendo el consumo agregado, valor que es adoptado para efectos de las proyecciones de demanda de agua. En el municipio de Aquitania no se cuenta con registros horarios ni diarios de caudales consumidos por la población, así que se utilizarán los coeficientes de variación de la demanda indicados en el RAS. Para el nivel medio de complejidad el coeficiente de demanda máxima diaria es de 1.30 y el de demanda máxima horaria es 1.60.
45
5.3.3 Pérdidas: Debido a que el municipio que no tiene registro sobre las pérdidas de agua en el sistema de acueducto, se asume el porcentaje de pérdidas técnicas admisible según el RAS-2000 el cual depende del nivel de complejidad del sistema, como se establece en la Tabla 8: Porcentajes máximos admisibles de pérdidas técnicas, del que se adopta un porcentaje del 30%; sin embargo para lograr este grado de pérdidas el municipio deberá efectuar un programa agresivo de control, ya que debido a la gran cantidad de cultivos de cebolla que existen en la zona de influencia de la infraestructura de acueducto, esta es constantemente objeto de conexiones clandestinas para fines de regadío de cultivos. Tabla 8: Porcentajes máximos admisibles de pérdidas técnicas
Nivel de complejidad del sistema
Porcentajes máximos admisibles de pérdidas técnicas para el cálculo de la dotación bruta
Bajo
40 %
Medio
30 %
Medio alto
25 %
Alto
20 %
Fuente: Reglamento de Agua y Saneamiento RAS
5.3.4 Proyección de la demanda: A partir de los parámetros anteriormente indicados, para la población proyectada en el presente informe, se calcula la proyección de la demanda año por año, cuyos resultados se consignan en la Tabla 9: Proyección de demanda.
46
Tabla 9: Proyección de demanda
Fuente: Autor
5.3.5 Determinación de caudales de aguas residuales: Con respecto a la determinación de los caudales de aguas residuales que generará la urbanización “EL OASIS” del Municipio de Aquitania se tuvieron en cuenta los parámetros anteriormente indicados, para la población proyectada y para la demanda de agua potable, así como también los parámetros que se 47
relacionan en la Tabla 10: Parámetros determinación de caudal, que se presenta a continuación. Tabla 10: Parámetros determinación de caudal
Parámetro de diseño Consumo medio de agua:
unidad
valor
l/s-ha
0.042
%
80
seco:
l/s-ha
0.20
Caudal de conexiones erradas:
l/s-ha
0.20
Coeficiente de retorno: Infiltración
máxima
tiempo
F = (18 + P0.5)/(4 + Coeficiente de mayoración F:
Harmon
P0.5)
Coeficiente de rugosidad: n de Manning
0,013 concreto
Velocidad real mínima: Esfuerzo tractivo real mínimo: Tiempo mínima:
de
m/s
0.45
kg/m2
0.15
min.
15.00
concentración
Fuente: Autor
5.3.6 Estimación de los caudales de diseño: A continuación se calculan las unidades de diseño de acuerdo a las. Plantas arquitectónicas, primero y segundo piso de acuerdo a su distribución se determinó que para el lavamanos, que es uno de los aparatos más pequeños podía descargar normalmente 28.5 litros de agua por minuto se tomó como base del sistema unitario y se le llamo unidad de descarga. Con el fin de calcular el volumen de descarga de la urbanización “EL OASIS” damos a continuación la Tabla 11: Calculo unidades de descarga. Tomado del libro de Rafael Pérez Carmona Agua, desagües y gas para edificaciones en la Tabla N° 5.2.
48
Tabla 11: Calculo unidades de descarga. CALCULO UNIDADES DE DESCARGA APARATO
CANTIDAD
UNIDADES
UND.TOTAL
Sanitario
3
3,00
9
Ducha
3
2,00
6
Lavamanos
3
1,00
3
Lavaplatos
1
2,00
2
lavadora
1
3,00
3
Lavadero
1
1,00
1
TOTAL UNIDADES POR VIVIENDA
24
Fuente: libro de Rafael PĂŠrez Carmona Agua, desagĂźes y gas para edificaciones
Con el fin de calcular el volumen de descarga de la urbanizaciĂłn â&#x20AC;&#x153;EL OASISâ&#x20AC;? damos a continuaciĂłn la Tabla 13: CĂĄlculo caudal de urbanizaciĂłn â&#x20AC;&#x153;EL OASISâ&#x20AC;?. Tomado del libro de Rafael PĂŠrez Carmona Agua, desagĂźes y gas para edificaciones en la Tabla N° 1.3
coeficientes de simultaneidad para
urbanizaciones N = NĂşmero de viviendas K2= Coeficiente K2 = (20+4N)/12(N+1). Tabla 12: Coeficiente de simultaneidad CALCULO COEFICIENTE DE SUMULTANEIDAD K2 K2 =(20+4đ?&#x2018; )/12(đ?&#x2018; +1) K2 UNIDADES DE DISEĂ&#x2018;O 8,36
N
NĂşmero de viviendas 0,35
ASUMIDAS
10
Para colectores el nĂşmero mĂnimo Nota: de unidades para diseĂąo es de 10, Fuente: libro de Rafael PĂŠrez Carmona Agua, desagĂźes y gas para edificaciones
Para realizar el cĂĄlculo del volumen de descarga de la urbanizaciĂłn â&#x20AC;&#x153;EL OASISâ&#x20AC;? damos a continuaciĂłn la Tabla N°8 tomado del libro de Rafael PĂŠrez Carmona Agua, desagĂźes y gas para edificaciones en la Tabla N° 5.3
Caudales para
fluxĂłmetros del cual tomamos como 900 unidades de descarga para el diseĂąo puesto que nuestro calculo nos arroja 880 unidades despuĂŠs de ser afectadas por el coeficiente de simultaneidad para urbanizaciones.
49
Tabla 13: Cálculo caudal de urbanización “EL OASIS”.
Calculo colector "EL OASIS" N° Viviendas servidas Und/casa 88 10,00
Total Unidades 900,00
Caudal Máximas l/s Unidades Diámetro 12,3 1400 8"
Caudal a tubo lleno l/s 27,07
Fuente: Autor
A continuación se calculan los caudales de retorno de aguas residuales de acuerdo con su origen: Caudal medio doméstico, caudal de infiltración, caudal por conexiones herradas, caudal máximo horario, tomado del libro de Rafael Pérez Carmona Agua, desagües y gas para edificaciones en la Tabla N° 5.8. El cálculo se realizó para tubería PVC con la fórmula de manning donde n = 0.009 para tubería de 8 pulgadas trabajando a menos del 75% del tubo lleno que es lo recomendado por el autor y se relacionan en la Tabla 14: Calculo de caudal de la urbanización El Oasis y Tabla 15: Calculo caudal de diseño. Tabla 14: Calculo de caudal de la urbanización El Oasis
Fuente: Autor
50
Tabla 15: Calculo caudal de diseño CAUDAL DE DISEÑO Contribuciones de aguas residuales0 Domésticas (QD)
Actual proyectado
Unidad consumo medio diario por habitante
C
160
160
D
11,9
99,25
densidad de población hab/ha
Arb
2,1
96,3
área residencial bruta ha
P
25
9558
Poblacion
R
0,8
0,8
coeficiente de retorno
0,04
14,16
aporte domestico L/s
Qd
L/hab.d
Industriales (QI ) Nivel de complejidad del sistema
bajo
Contribución industrial (L/s× ha ind)
0,4
Actual proyectado
Unidad
ha. Industriales
0
0
ha.
Ql
0
0
aporte Industrial L/s
Comerciales (QC) Nivel de complejidad del sistema
Cualquiera
Contribución comercial (L/s× ha com)
0,3
Actual proyectado
Unidad
ha.comercial
0
0
ha.
QC
0
0
aporte Comercial L/s
Institucionales (QIN)
51
CAUDAL DE DISEÑO Estudiantes
Q
80
estudiantes
(est. 0
l/s
residentes)
0,01
l/s
total
0,01
l/s
externos) Q
(est.
Aporte institucional Nivel de complejidad del sistema
Cualquiera
Contribución institucional (L/s× ha ins)
0,3
Actual proyectado ha.institucional QIN
4,62 0
Unidad
211,87
ha.
0
Aporte institucional L/s
Caudal medio diario de aguas residuales (QMD). QMD = QD + QI +QC+ QIN Actual Proyectado QMD
0,04
14,16
Unidad Caudal medio diario L /s
Conexiones erradas (QCE) Actual Proyectado QCE
0,42
19,26
Unidad Caudal conexiones erradas L /s
Infiltración (QINF) Nivel de complejidad del sistema
bajo
Contribución infiltracion media (L/s× ha)
0,02 Actual proyectado
ha.construidas
2,1
96,3
Unidad ha.
52
CAUDAL DE DISEÑO QINF
0,04
1,93
Caudal de infiltracion L/s
Caudal máximo horario (QMH) QMH = F * QMDf
Actual proyectado F
Unidades
1,4
1,4
QMD
0,04
14,16
Caudal medio diario L /s
QMH
0,06
19,82
Caudal maximo horario L /s
Caudal de diseño QDT= QMH + QINF + QCEF
Actual proyectado
Unidad
QMH
0,06
19,82
Caudal maximo horario L /s
QINF
0,04
1,93
Caudal de infiltracion L/s
QCE
0,42
19,26
Caudal conexiones erradas L /s
QDT
0,1
21,75
Caudal de Diseno L /s
Fuente: Autor
El caudal de diseño calculado para el colector final de la Urbanización El Oasis es el siguiente: Q = 21.75 L/s
53
6 ANÁLISIS DE RED EXISTENTE CON LA NUEVA CARGA HIDRÁULICA
Para el análisis de las redes de alcantarillado posteriores al pozo No. 12, se utiliza la información base con la cual se desarrollaron los cálculos hidráulicos en el Plan Maestro
de
Alcantarillado,
adicionando
el
caudal
sanitario
calculado
correspondiente a la urbanización El Oasis; estos tramos de análisis (tramo 12 – 12 A, 12 A – 12 B, 12 B – 34, 34 – 32, 32 – 32 A, 32 A – 60 y 60 – 1 S) se calculan teniendo en cuenta un sistema de recolección de redes sanitarias y no un sistema combinado. De acuerdo con lo anterior, en la Tabla 16: caudales De Diseño Vs Caudales De Diseño Final se presenta la información concerniente a los caudales de diseño de cada uno de los tramos que serán objeto de verificación de capacidad hidráulica y en caso que el diámetro y/o pendiente proyectada por el Plan Maestro no sean suficientes para transportar el fluido con las condiciones óptimas para flujo uniforme o a superficie libre cumpliendo con las consideraciones de diseño dadas en el RAS 2000 y sus decretos reglamentarios, se recomendará la sustitución o renovación del tramo, ya sea modificando el diámetro por uno mayor, o aumentando la pendiente hasta donde sea posible. Tabla 16: caudales De Diseño Vs Caudales De Diseño Final
Pozo DE 12 12A 12B 34
A 12A 12B 34 32
Caudal Diseño [L/s] 11.36 11.69 12.25 13.86
Caudal Diseño El Oasis [L/s] 21.75
Caudal de Diseño Final
Longitud
[L/s] 33.11 33.44 34.00 35.61
[m] 78.26 87.05 86.55 25.22
54
32 32A 60 1S
32A 60 1S 2S
21.44 46.84 46.84 47.27
43.19 68.59 68.59 69.02
135.44 99.26 5.13 120.16
Fuente: auditoria
Ya que el Plan Maestro de Alcantarillado de la cabecera del municipio de Aquitania plantea utilizar la infraestructura existente al máximo, el análisis de capacidad hidráulica para los tramos indicados anteriormente, se realizará utilizando los diámetros proyectados por el Plan Maestro y en caso que no cumplan con las verificaciones hidráulicas (como son velocidades mínimas, esfuerzos cortantes mínimos, relaciones de Caudal y alturas conformes a lo mencionan las normas RAS 2000 y sus decretos reglamentarios), se proyectara el diámetro mayor más cercano con el cual se presente suficiencia en la capacidad hidráulica.
6.1
PERÍODO DE RETORNO
El período de retorno es el tiempo promedio medido en años, que transcurriría para que la magnitud de un evento sea igualada o excedida. En el caso de redes sanitarias, se tiene en cuenta el Nivel de Complejidad del sistema El Oasis (NC Bajo) y por lo tanto, los colectores tendrán un periodo de retorno de 15 años, de acuerdo con lo mencionado en la tabla D2.1 del Título D del Reglamento de Agua y Saneamiento RAS 2000. Una definición similar puede ser aplicada a caudales máximos o crecientes.
55
6.2
DIAGNÓSTICO DEL SISTEMA EXISTENTE
6.2.1 Sistema de alcantarillado redes sanitarias: Este numeral trata el diagnóstico realizado a la infraestructura existente y a los tramos del sistema de drenajes de aguas sanitarias proyectados por el consultor del Plan Maestro de Alcantarillado. A continuación se presentan en la Tabla 17: Sistema convencional Vs simplificado los aspectos considerados para evaluar el funcionamiento hidráulico de las redes de alcantarillado sanitario del municipio de Aquitania, posterior a la adición del caudal correspondiente a las aguas sanitarias de la Urbanización El Oasis y su modificación (si es el caso o si requiere), para mejorar las nuevas condiciones de transporte y drenaje, optimizando la capacidad hidráulica de los tramos afectados. 6.2.2 Parámetros particulares de diseño: Para el planteamiento de los parámetros particulares aplicables al diseño, se analizó la normatividad vigente para sistemas de alcantarillado convencional y simplificado; los criterios particulares para estos tipos de sistemas son: Tabla 17: Sistema convencional Vs simplificado CRITERIO Velocidad Mínima (m/s) Fuerza Tractiva Mínima (kg/m2) Profundidad Mínima (m) Diámetro Mínimo (") Elemento de Inspección
TIPO DE SISTEMA CONVENCIONAL SIMPLIFICADO 0.45 0.40 0.12 0.10 0.75 0.45 8 6 Pozos diámetro mínimo: 1.20 m Cajas de menores dimensiones
Fuente: Reglamento de Aguas y Saneamiento RAS
De acuerdo con los anteriores parámetros, se Diagnosticó sistema de recolección de aguas sanitarias existente dichos cálculos están en el ANEXO 1 (cuadro 1 DIAGNOSTICO), donde se presenta la verificación de los tramos afectados por el caudal adicional sanitario correspondiente a la nueva Urbanización. Teniendo en cuenta los siguientes aspectos:
56
6.2.3 Diámetros y velocidades de colectores: El diámetro interno real mínimo utilizado fue el existente de 200 mm (8 pulgadas) para los primeros tramos. Como criterio de diagnóstico la velocidad mínima real permitida fue de 0.45 m/s; en aquellos casos en que por las condiciones topográficas no es posible alcanzar la velocidad mínima, se verificó que el esfuerzo cortante sea mayor de 1,2 N/m2 (0,12 kg/m2). La velocidad máxima real en los colectores no debe exceder 5.0 m/s. 6.2.4 Profundidades de colectores: Se verificó que las profundidades mínimas a clave fueran de 0,75 m para vías peatonales o zonas verdes y de 1,20 m para vías vehiculares, como lo establece la tabla D.3.11 del RAS 2000. En general, la máxima profundidad de instalación de los colectores con relación a la rasante definitiva no debe exceder 5.0 m. 6.2.5 Profundidad hidráulica máxima: Se revisó el valor máximo permisible de la profundidad hidráulica para el caudal de diseño, el cual debe estar comprendido entre el 70% y el 85% del diámetro interno del colector. 6.2.6 Modelación hidráulica: La generación y el uso extendido de los modelos hidráulicos se han convertido en una labor primordial para la realización de múltiples actividades relacionadas con el diseño, planeación, operación o mantenimiento de los sistemas de alcantarillado, debido a que a través de estos es posible conocer la respuesta del prototipo frente a cualquier condición de funcionamiento. Para la realización de las modelaciones de las redes de alcantarillado del presente estudio, se elaboró una hoja de cálculo basada en la teoría de flujo uniforme y permanente.
57
La modelación hidráulica es una tarea dinámica en el tiempo, lo que significa que los archivos pueden actualizarse de forma periódica a partir de nueva información que se genera simultáneamente con la construcción de obras. 6.2.7 Características y diagnóstico: A continuación se presenta el diagnóstico general del funcionamiento hidráulico de las redes de alcantarillado actuales del casco urbano del municipio de Aquitania Departamento
de Boyacá,
afectadas por la adición del
nuevo
caudal
correspondiente al aporte sanitario de la Urbanización El Oasis. Este diagnóstico dio como resultado que la red afectada, evaluando los diámetros actuales no tiene la capacidad hidráulica suficiente en los tramos 12 – 12 A y 12B – 34, por lo cual requiere modificar el diámetro por el siguiente mayor comercial. Adicionalmente, el tramo 12 B – 34 presenta una relación de alturas mayor al valor sugerido por el RAS 2000 (d/D ≤ 85%) y el tramo 60 – 1S se encuentra dentro del rango de flujo crítico (Número de Froude mayor a 0.90 y menos a 1.10), por lo cual será un flujo inestable y debe ser modificado. 6.2.8 Condiciones de funcionamiento: Se partió primero del hecho que el alcantarillado actual funciona como alcantarillado sanitario y, se utilizó la información recopilada y diseñada por el Plan Maestro de Alcantarillado, como caudal de diseño de cada tramo, cotas bateas y rasantes, diámetros, longitud de tramos, material utilizado para el cálculo, etc. Cabe destacar que el Plan Maestro realizó el diseño de un sistema de recolección de aguas lluvias, por lo cual puede definirse que el sistema trabajará únicamente con caudales correspondientes a aguas sanitarias. Por esta razón se procedió a modelar el sistema actual bajo este único escenario, empleando para ello hojas de cálculo bajo el supuesto de flujo uniforme y empleando para ello la ecuación de Manning.
58
Para la modelación del sistema se partió de la base topográfica levantada para el municipio así como el catastro de redes de alcantarillado elaborado para el desarrollo del Plan Maestro, en el cual se detectaron los pozos de inspección, diámetros y materiales de las tuberías de alcantarillado, la ubicación y dirección de flujo de los colectores principales y afluentes del sistema. Con la información anteriormente definida se procedió a alimentar las hojas de cálculo del Modelo y a determinar los demás parámetros hidráulicos requeridos para cada tramo en estudio bajo los lineamientos y recomendaciones del RAS 2000 y sus decretos reglamentarios. 6.2.9 Alternativas: Las acciones que se resumen seguidamente representan la única alternativa identificada y disponible para el sistema de alcantarillado, se orientan a establecer un plan para mejorar el sistema existente, de igual manera a esbozar las medidas para corregir las deficiencias detectadas y procurar la máxima utilización de la infraestructura existente en buen estado dentro del horizonte de planeación. Como consecuencia del estudio presentado se proponen las obras y acciones sintetizadas descritas en la Tabla 18: Necesidad de obras o acciones para el sistema de alcantarillado. Tabla 18: Necesidad de obras o acciones para el sistema de alcantarillado Tabla 18: Necesidad de obras o acciones para el sistema de alcantarillado
COMPONENTE
ESTADO
CAPACIDAD PARA PERIODO DE DISEÑO
Red de Recolección
Bueno
Suficiente
como
Sanitario Necesidad de Obras y Acciones OPTIMIZACIÓN
59
•
Limpieza a estructuras de conexión (pozos).
•
Mantenimiento y limpieza periódica de estructuras de conexión y conductos.
•
Utilizar el alcantarillado existente únicamente como sanitario, optimizándolo de acuerdo con el caudal adicional de la Urbanización El Oasis.
Fuete: Autor
6.2.10 Resultado del análisis de la red existente: Los resultados encontrados muestran que algunas de las redes existentes disponen de suficiente capacidad hidráulica para transportar los caudales sanitarios producidos, más el aporte del área de expansión (Urb. El Oasis), exceptuando algunos tramos de tuberías donde la capacidad hidráulica dada por el diámetro de 8” era ineficiente y en otros casos el flujo es cercano a régimen crítico. Estos tramos verificados y su diseño se presentan el ANEXO 2 (CUADRO 2) y se resumen en la Tabla 19: Tramos modificados, proyectan modificación de 200 m de tubería existente de 8” a 10” en PVC sanitario y 270 m de colector nuevo. Para las redes existentes afectadas por el nuevo caudal, tramos 12 – 12 A, 12 A – 12 B, 12 B – 34 y 34 – 32, tendrán un diámetro proyectado de 10”, la longitud total a modificar será de 200 m, las pendientes medias del colector estarán entre 0.40% y 5.00%, cumpliendo con velocidad mínima mayor a 0.45 m/s y velocidad máxima menor a 5.00 m/s, fuerza tractiva mayor al mínimo sugerido por el RAS 2000 de 0.15 Kg/m2, relación de caudales en todos los casos menor a la unidad lo cual permite ver que el diámetro es suficiente hidráulicamente y que el sistema trabajara bajo flujo uniforme en regímenes subcrítico y supercrítico fuera del rango de inestabilidad del flujo (Número de Froude mayor a 0.90 y menor a 1.10), adicionalmente una relación de alturas menor al 85% en todos los tramos. Las pendientes y los trazados de los tramos a modificar, siguen las características de
60
los tramos actuales, por lo tanto no se requiere modificar tramos posteriores a los colectores analizados, como tampoco excesivos volúmenes de excavación para la implantación de las nuevas tuberías. En la siguiente tabla se presenta un resumen de las principales características de los tramos que deberán construirse durante la optimización del sistema de alcantarillado debido a la adición del nuevo caudal correspondiente al área de expansión de la Urbanización El Oasis. Dadas las características del terreno sobre las que se desarrollarán las obras, todos los tramos se construirán en PVC. Este material además de ser liviano, de fácil transporte e instalación, ofrece las condiciones hidráulicas más favorables para terrenos en los que no se cuenta con pendientes altas. Tabla 19: Tramos modificados Pozo
L
P
Øtub
[m]
[%]
["]
[m/s] [kg/m²]
12A 78.26 0.470
10
0.927 0.347 0.778
0.66
0.72 3031.15 3030.79 1.86
12A 12B 87.05 1.339
10
1.259 0.870 0.466
0.52
1.11 3030.79 3029.62 1.81
12B
34
86.55 0.416
10
0.909 0.312 0.850
0.69
0.69 3029.62 3029.26 1.34
34
32
25.22 5.063
10
1.966 2.688 0.255
0.39
2.00 3029.26 3027.98 2.11
32A 135.44 1.434
20
1.225 0.994 0.092
0.23
1.14 3028.19 3026.25 1.56
DE 12
32
A
Vr
FTractiva
Q/Qø Ynormal/D NF
Cota Batea Super
Infer
H Pozo [m]
32ª
60
99.26 1.439
14
1.504 1.225 0.376
0.47
1.18 3026.09 3024.67 1.55
60
1S
5.13
1.294
16
1.400 1.134 0.277
0.40
1.10 3024.67 3024.60 1.57
1S
2S 120.16 0.367
16
0.945 0.395 0.524
0.55
0.64 3024.60 3024.16 2.57
Fuente: Autor
Los cuadros que se muestran en amarillo corresponden a los tramos a modificar.
61
7 DISEÑOS HIDRÁULICOS DEL COLECTOR
El municipio de Aquitania cuenta con un área de expansión correspondiente a la Urbanización El Oasis, este se conectará al sistema existente de recolección de aguas sanitarias; el sistema se diseña para su funcionamiento por gravedad, dando una cobertura del 100% para la zona de expansión (Urbanización El Oasis). El diseño de este colector final, tiene en cuenta la recolección total de las aguas sanitarias o residuales de la urbanización y la conexión en el pozo no. 12. A partir de este pozo, como se analizó en el numeral anterior, se requiere la modificación de diámetros en aproximadamente 200 m, como también la reconstrucción de pozos de inspección; esto obedece a la inclusión del caudal aportado por la Urbanización El Oasis. El chequeo hidráulico se realiza como conducción a flujo libre por gravedad. El procedimiento de cálculo se basará en suponer que el flujo es uniforme en el conducto y como tal el análisis se hará utilizado la fórmula de Manning. V = (1/n) x R2/3 x S1/2 En donde:
V:
Velocidad media en m/s.
n:
Coeficiente de rugosidad de Manning.
R:
Radio hidráulico en metros.
S:
Pendiente de la línea de energía en m/m.
El flujo libre y uniforme en los colectores deberá ser estable, para lo cual el Número de Froude será menor de 0,90 o mayor de 1,10
62
En donde:
F:
Número de Froude, adimensional.
V:
Velocidad media del flujo en m/s.
g:
Aceleración de la gravedad = 9,806 m/s2.
D:
Profundidad hidráulica, igual al área del agua, medida normalmente a
la dirección del flujo, dividida por el ancho de la superficie libre tomada en metros. Para el control del flujo en la unión de colectores, en los pozos de caída y en los cambios de dirección, deberá determinarse previamente si el régimen es subcrítico (NF menor de 0,90) o supercrítico (NF mayor de 1,10). Teniendo en cuenta lo anterior, a continuación se presentan los diseños del colector final de aguas residuales de la urbanización en Oasis El comportamiento hidráulico frente a diferentes condiciones de operación se analizó por medio de la modelación de las redes existentes y del colector final, utilizando hojas de cálculo desarrolladas en el software Microsoft Excel. Para la modelación se supone flujo uniforme y se empleó la ecuación de Manning. Los valores de velocidades, Número de Froude y fuerza tractiva para el caudal de diseño se observan en el ANEXO 2 (CUADRO 2) y se resumen en la Tabla 20: Tramos a construir de modelación hidráulica del colector proyectado. Tabla 20: Tramos a construir Pozo DE
L A
P
Øtub
Vr
FTractiva
Q/Qø Ynormal/D
NF
Cota Batea
H Pozo
[m]
[%]
["]
[m/s] [kg/m²]
UEO-P01 UEO-P02
61.30
0.685
10
0.867
0.432
0.423
0.50
0.78 3043.04 3042.62
0.26
UEO-P02 UEO-P03
94.17
6.371
10
1.822
2.652
0.139
0.29
2.16 3039.74 3033.74
3.46
UEO-P03
113.74 2.274
10
1.277
1.165
0.232
0.37
1.33 3033.74 3031.15
2.80
12
Super
Infer
[m]
Fuente: Autor
63
De acuerdo con lo anterior, el colector final de la zona de expansión, tramos UEOP01 - UEO-P02, UEO-P02 - UEO-P03 y UEO-P03 – 12 (pozo existente), tendrá un diámetro proyectado de 10”, la longitud total del colector final hasta el pozo existente No. 12 será de 270 m, las pendientes medias del colector estarán entre 0.50% y 6.50%, cumpliendo con velocidades mínimas mayores a 0.45 m/s, fuerza tractiva mayor al mínimo sugerido por el RAS 2000 de 0.15 Kg/m2, relación de caudales en todos los casos menor a la unidad lo cual permite ver que el diámetro es suficiente hidráulicamente y que el sistema trabajara bajo flujo uniforme en regímenes subcrítico y supercrítico fuera del rango de inestabilidad del flujo (Número de Froude mayor a 0.90 y menor a 1.10), adicionalmente una relación de alturas menor al 85% en todos los tramos. Los recubrimientos mínimos están acordes con los requerimientos del RAS 2000, en zonas de vía peatonal, mayores a 0.75 m hasta la cota clave de la tubería.
7.1.1 Resultados de la simulación hidráulica: Los nuevos tramos se diseñaron teniendo en cuenta todos los requerimientos de la normatividad nacional vigente, como es el caso de capacidad hidráulica, profundidades máximas, recubrimientos mínimos, velocidades y esfuerzo cortante. Como se puede apreciar en la tabla de modelación hidráulica que se presenta en los cuadros anexos, por intermedio de los elementos que conforman el sistema optimizado será posible atender los requerimientos de recolección y transporte de aguas residuales del municipio de Aquitania y las áreas de expansión previstas, a continuación se presenta la Ilustración 1: Trazado redes a construir para optimización sistema de alcantarillado sanitario municipio de Aquitania
64
Ilustración 1: Trazado redes a construir para alcantarillado sanitario municipio de Aquitania
optimización
sistema
de
Fuente: Autor
7.2
DISEÑO SISTEMA DE RECOLECCIÓN DE AGUAS LLUVIAS – CUNETAS
El diseño consistió en calcular un sistema de recolección de aguas de escorrentías provenientes de la urbanización el Oasis y de la escorrentía superficial a lo largo del talud superior de la vía Pipiral – Villavicencio Ruta 40, las cuales para el desarrollo de este capítulo le llamamos
zona en afirmado y zona verde
respectivamente. El cálculo de caudales se realizó mediante la fórmula racional restando a este un factor de evapotranspiración, el coeficiente de escorrentía se estima como 0.34 correspondiente a vías en afirmado y 0.37 para zonas verdes con pendientes de 2 a 7%, la intensidad de lluvia corresponde a un tiempo de concentración de 15 minutos (Tc mínimo recomendado para este tipo de estudios) y periodo de retorno de 10 años de la curva IDF del tramo en estudio. Para el análisis hidráulico de las cunetas, se adoptó como criterio el que su capacidad fuese suficiente para evacuar los caudales captados de la escorrentía superficial y fijando como parámetro las velocidad máxima para evitar erosión y mínima para evitar sedimentación en las cunetas. El cálculo de capacidad hidráulica de las cunetas se realizó teniendo en cuenta la ecuación de Chezy para flujo uniformemente libre.
65
7.2.1 Áreas tributarias: Con base en los planos de la urbanización El Oasis, se estableció el área aferente al colector abarca la totalidad del área de la Urbanización que tiene una extensión de 14600m2, más el área del talud superior de la vía Pipiral – Villavicencio Ruta 40 que tiene una extensión 13500 m2. Las áreas tributarias se delimitaron en AutoCAD, en donde fueron medidas y expresadas en hectáreas; en ellos se dibujó el corredor de los colectores, el tamaño del área aportarte. 7.3
CÁLCULO HIDRÁULICO SISTEMA DE ALCANTARILLADO PLUVIAL
La meta propuesta para el manejo de las escorrentías provenientes de las aguas lluvias consiste en primer lugar en obtener una red con la capacidad suficiente para lograr la evacuación de las aguas lluvias de la zona urbana y del talud superior de la vía Pipiral – Villavicencio Ruta 40. 7.3.1 Cálculo hidráulico: Las cunetas se diseñan como conductos a flujo libre por gravedad. El procedimiento de cálculo se fundamenta en suponer que el flujo es uniforme en el conducto y el análisis se hará utilizado la fórmula de Chezy, teniendo en cuenta los parámetros de diseño cara cunetas en concreto que se relacionan a continuación:
Velocidad máxima para evitar erosión 1.5 m/s
Melosidad mínima para evitar sedimentación 0.0227 m/s
La estimación del caudal de diseño se hará utilizando el Método Racional empleado para cuencas menores a un kilómetro cuadrado, restando de este caudal la evapotranspiración de la zona, las fórmulas empleadas para este cálculo se describen a continuación:
66
Q = (C x I x A) – (ETo x A) En donde:
Q:
Descarga estimada en un sitio determinado, en litros por segundo.
C:
Coeficiente de escorrentía, expresado por un número a dimensional.
I:
Intensidad de la lluvia, en litros por segundo por hectárea, para una
duración igual al tiempo de concentración de la hoya y para el período de retorno determinado.
A:
ETo: evapotranspiración
Área de drenaje en hectáreas.
ETo = 0.0135 (t med + 17.78) Rs En donde:
t med: temperatura media, ºC
Rs:
radiación solar incidente Rs = Ro x KT x (tmax – tmin)0.5
En donde:
Rs:
radiación solar incidente
Ro:
radiación solar extraterrestre (tabulada) las tablas que relacionan la
radiación solar se encuentran en m2/día, para pasar a mm/día se debe multiplicar por 0.408, para Aquitania se toma Ro = 33.9m2/d, por estar en 5° 25´ - 5° 41´ de latitud norte.
KT:
es un coeficiente empírico que se calcula a partir de datos de presión
atmosférica, se recomienda KT = 0.162 para regiones al interior y KT = 0.19 para regiones costeras.
tmax: temperatura máxima diaria
tmin: temperatura mínima diaria
Los cálculos realizados para la zona en afirmado y zona verde se realizaron en el software Microsoft Excel, estos cálculos se pueden observar en la Tabla 22:
67
Comportamiento hidráulico de las cunetas diseñadas y en el (Anexo 3) del presente informe y en el CD de ANEXOS Para el análisis hidráulico de las cunetas, se adoptó como criterio el que su capacidad fuese suficiente para evacuar los caudales captados de la escorrentía superficial. El cálculo hidráulico del flujo (lámina llena sin borde libre) se hace teniendo en cuenta la ecuación de Chezy para la sección definida, estas se definen en la Tabla 21: Ecuaciones de comportamiento hidráulico Tabla 21: Ecuaciones de comportamiento hidráulico
Q = (A x (R ^2/3) x (S^1/2))/n v=C (R x S)^1/2 C = 1.48 x (R^1/2)/n Fuete: Autor
Donde:
Q = Caudal (m3/s)
A = Área para la cuneta propuesta (m2)
S = Pendiente (m/m)
n = Rugosidad, 0.013 para el concreto
C = coeficiente de rugosidad
El comportamiento hidráulico frente a diferentes dimensiones de las cunetas se analizó por medio de la modelación de las cunetas utilizando hojas de cálculo desarrolladas en el software Microsoft Excel, mediante el cual se obtuvo el comportamiento hidráulico, descrito en la Tabla 22: Comportamiento hidráulico de las cunetas diseñadas, la modelación completa se puede observar en el anexo 3 del presente informe Tabla 22: Comportamiento hidráulico de las cunetas diseñadas
CUNETA 1 ZONA EN AFIRMADO LONGITUD
161,7
Pendiente Cubierta (%)
C
I (mm/h)
0,06
0,3400
49,30
A (km2)
Qmax (m3/s)
0,0146 0,06774
Q capacidad del canal(m3/s)
Capacidad de la cuneta (m3)
v (velocidad media)
0,078
4,851
1,4650
68
CUNETA 2 ZONA VERDE LONGITUD
Pendiente Cubierta (%)
C
I (mm/h)
0,04
0,3700
49,30
228,24
A (km2)
Qmax (m3/s)
0,0135 0,06804
Q capacidad del canal(m3/s) 0,069
v (velocidad media) 6,847
1,2998
Fuente: Autor
En la Tabla 22: Comportamiento hidráulico de las cunetas diseñadas se puede observar que las dos cunetas diseñadas tienen suficiente capacidad hidráulica para conducir los caudales de las zonas de estudio, conservando los parámetros de velocidad máxima y mínima descritos anteriormente, de igual manera se puede notar que la capacidad volumétrica es suficiente para recolectar las aguas de escorrentía calculadas en las cuencas (zona de afirmado y zona verde) Por facilidad constructiva se adopta un tipo de sección propuesta de 0.15m de ancho interno y 0.20m de altura como área efectiva de la cuneta, más 0.10m para la tapa, dando así una profundidad total de cuneta de 0.30m interno, con una inclinación de muros vertical como se muestra en la Figura 3: Cuneta propuesta para recolección aguas lluviasFigura 3: Cuneta propuesta para recolección aguas lluvias, el espesor de placa de 0.10 m, en concreto reforzado; la resistencia del
concreto a utilizar debe ser de f’c=21 MPa o 3000 psi. Estas dimensiones y el tipo de cuneta propuesto, responden al reducido espacio disponible en las calles de la urbanización. Figura 3: Cuneta propuesta para recolección aguas lluvias
Fuente: autor
69
7.4
DISEÑO DE DESARENADOR
Antes de disponer las aguas recogidas en por las cunetas en el rio Tobal, deben paras por un desarenador con el fin de no generar sedimentación en el rio, en la Tabla 23: Parámetros de diseño de desarenador se describen los criterios con los cuales se diseñaron el desarenador. Tabla 23: Parámetros de diseño de desarenador
PARAMETRO
VALOR
UNIDAD
Caudal total =
0,136
Número de módulos =
2,000
Caudal de diseño =
0,068
Densidad relativa de la arena =
2,200
Diámetro de la partícula =
0,200
mm
Temperatura del agua =
20,000
°C
Gravedad =
9,806
m/s2
Viscosidad cinemática =
1,01E-06
m3/s m3/s
m2/s
Rugosidad del concreto =
0,100
mm
Ancho del canal de entrada =
3,000
m
Ángulo de entrada canal-transición =
0,524
rad
Fuente: Autor
Una vez determinados los parámetros de diseño se procede a calcular la velocidad de sedimentación de acuerdo al tamaño de la partícula, en la Figura 4: Ecuación a emplear de acuerdo al tamaño de la partícula.
70
Figura 4: Ecuación a emplear de acuerdo al tamaño de la partícula
Fuente:http://www.miliarium.com/prontuario/MedioAmbiente/Aguas/VelocidadSedimentaci on.htm
Mediante la fórmula de Allen se determina que V = 0.0227 m/s. Para el cálculo del desarenador empleamos las siguientes formulas: Número de Reynolds:
Coeficiente de Arrastre:
La velocidad de sedimentación en la zona de transición será:
71
Las dimensiones del desarenador se presentan en la Tabla 24: Dimensiones del desarenadorTabla 24: Dimensiones del desarenador, los caculos realizados se puede
apreciar en el anexo 4 consignado en el CD ANEXOS (CANCULO DEL DESARENADOR) Tabla 24: Dimensiones del desarenador DIMENSIONES DEL DESARENADOR PARAMETRO
MEDIDA
UNIDAD
Longitud =
4,00
m
Ancho =
2,15
m
Profundidad =
2,00
m
BL =
0,30
m
Profundidad entrada =
2,60
m
Fuente: Autor
7.5
ESTUDIO HIDRÁULICO RÍO TOBAL SITIO CRUCE COLECTOR FINAL
El Rio Tobal nace en el Alto de Santa Bárbara en la zona rural del municipio de Aquitania, departamento de Boyacá, en la cota 3800 msnm y desemboca en la laguna de Tota en una cota aproximada de 3050 msnm; antes de su entrega a la laguna de Tota, sobre la margen izquierda del río se localiza el casco urbano del municipio de Aquitania. La longitud total aproximada del cauce principal del Río Tobal es de 8.10 Km, hasta el sitio de cruce del colector final de aguas residuales de la Urbanización El Oasis es de 5.24 Km. Se requiere realizar el análisis hidráulico del cauce del río, con el fin de proyectar una estructura de paso elevado para la tubería o colector final de aguas residuales de El Oasis. La altura mínima que debe tener esta estructura o puente, será analizada teniendo en cuenta las consideraciones básicas dadas en el Manual de Drenajes del Instituto Nacional de Vías INVIAS, por tanto la parte inferior del puente o estructura de paso elevado, deberá cumplir con un gálibo mínimo de 2.00 m sobre el nivel de aguas máximas extraordinarias (lámina de agua para un caudal de diseño con periodo de retorno de 100 años), permitiendo de esta forma que elementos de gran tamaño arrastrados por la corriente en épocas de invierno, 72
puedan pasar bajo la estructura y no generen riesgos que puedan afectar la estabilidad de la estructura. En este numeral se realiza el análisis hidráulico de la corriente y se analizan los resultados obtenidos con el fin de proyectar una altura suficiente para el cruce elevado del colector final, sin que se ponga en riesgo la estructura.
7.5.1 Cálculo del caudal de diseño: Se realizó el cálculo del caudal de diseño para un periodo de retorno de 100 años mediante el uso del método del Soil Conservation Service de los Estados Unidos, ya que el área aferente de la cuenca es mucho mayor a 1 km2 (18.60 Km2). Para el desarrollo de los cálculos hidrológicos se utilizó el software HEC HMS, desarrollado por el US Army Corps of Engineers, el cual se describe en el numeral siguiente. Se obtiene entonces, un caudal de 20.10 m3/s para un periodo de retorno de 100 años, un tiempo de concentración de 30.90 min y un volumen de 124.500 m3. Fue utilizado un Número de Curva de 79, que esquematiza las condiciones de drenaje del suelo existente en toda la cuenca aferente de acuerdo con la vegetación nativa de la zona (la vegetación para la cuenca del Río Tobal corresponde a cultivos transitorios, pastos limpios y enrastrojados, espacios naturales, bosque plantado y generalmente vegetación de páramo y subpáramo). A continuación se presentan los resultados obtenidos de la simulación hidrológica del software HEC HMS, en la Ilustración 2: Caudal Pico obtenido por el método del SoilConservationService, en el que se puede apreciar los parámetros de entrada, la Ilustración 3 Generación de Hietograma Vs. Hidrógrama de creciente de diseño y la Ilustración 4: Datos hidrológicos principales para 100 años cuenca Río Tobal, donde se obtienen los resultados de la simulación.
73
Ilustración 2: Caudal Pico obtenido por el método del SoilConservationService
Fuente: Autor Ilustración 3 Generación de Hietograma Vs. Hidrógrama de creciente de diseño
Fuente: Autor
74
Ilustración 4: Datos hidrológicos principales para 100 años cuenca Río Tobal
Fuente: Autor
7.5.2 Software hec hms: El sistema de modelación hidrológica (HMS) fue diseñado para simular los procesos de precipitación – escorrentía en sistemas de cuencas dendríticas. Este software fue desarrollado con el fin de aplicar en un amplio radio geográfico teniendo como objetivo principal resolver y calcular variables hidrológicas complejas. Incluye dentro de sus características, análisis de cuencas para suministro de agua y de inundaciones, como también análisis de escorrentía en áreas naturales y urbanas pequeñas. Cualquier masa o flujo de energía puede ser representado por el programa con un modelo matemático; éstos modelos incluidos en el programa pueden ser adecuados en diferentes ambientes y bajo diferentes condiciones, siempre y cuando se realice la elección correcta del modelo a usar, teniendo en cuenta el conocimiento del área de drenaje, los objetivos del estudio hidrológico y la experiencia del consultor.
75
7.5.3 Régimen fluvial: El río Tobal es una corriente relativamente joven, puede clasificarse como en etapa torrencial final y moderada, ya que presenta un gran dinamismo en búsqueda de la estabilidad de su cauce, evidenciando movimientos verticales y horizontales en su cauce, dificultando su aprovechamiento fluvial. De acuerdo con lo anterior, deberán plantearse obras de protección en la zona del cruce del colector final de aguas residuales, con el fin de proteger la cimentación de tipo superficial contemplada en los hombros de la corriente, frente a la acción erosiva de la corriente. Se busca que las obras de protección planteadas en obra, aunque serán un agente perturbador de la condición hidráulica del Río Tobal, no generen efectos abruptos aguas arriba o aguas abajo. 7.5.4 Hidráulica de obras mayores: Los cálculos hidráulicos se enfocan a determinar la altura de la lámina de agua alcanzada en la creciente de diseño y la velocidad del flujo. La cota del nivel del agua máximo esperado será utilizada para determinar la cota de implantación de la estructura metálica de soporte del colector de aguas residuales que atraviesa el Río Tobal. Se adelantaron levantamientos topográficos de las secciones transversales del cauce, aguas arriba y aguas abajo del sitio de afectación, obteniendo una longitud para análisis cercana a los 200 m. Con base en tal información se determinó la pendiente longitudinal del cauce y el coeficiente de rugosidad se estimó con base en los materiales que componen el cauce de la corriente, tanto para la solera como para las bancas del Río Tobal. Para analizar el comportamiento del flujo, se empleó el modelo HEC-RAS 4.1.0, para el cual se describen a continuación los aspectos teóricos más relevantes.
76
7.5.5 Análisis hidráulico: Los análisis hidráulicos efectuados permitieron, para un período de retorno de 100 años, determinar a lo largo del tramo los parámetros como nivel, profundidad, velocidad, esfuerzo cortante, radio hidráulico, pendiente de la línea de energía, y número de Froude, entre otros. Para tal efecto, se calcularon los perfiles hidráulicos de la corriente en el tramo en análisis, utilizando el modelo HEC-RAS. 7.5.6 Descripción del modelo hec-ras: El modelo HEC-RAS es un modelo desarrollado por el U.S. Army Corps of Engineers (USACE) HydrologicEngineering Center (HEC). Permite el cálculo de los perfiles hidráulicos para flujo permanente gradualmente variado en el tramo de un río tanto en régimen subcrítico como supercrítico ó mixto. El procedimiento computacional se basa en la solución de la ecuación de energía, en el que las pérdidas de energía se calculan mediante la ecuación de Manning, y las pérdidas por expansión y contracción se evalúan afectando el cambio en cabezas de velocidad por el coeficiente correspondiente. El modelo permite considerar el efecto de obstrucciones del flujo de estructuras como puentes, alcantarillas o vertederos. Como se describe en el manual de hidráulica del modelo (HEC-RAS Hydraulic Reference Manual), los perfiles hidráulicos se calculan de una sección transversal a la siguiente, aplicando el método de los pasos estándar. En el manual de hidráulica del modelo (HEC-RAS Hydraulic Reference Manual), se presenta una descripción detallada de las ecuaciones y procedimientos utilizados por el modelo en el cálculo de los perfiles hidráulicos y de los diferentes parámetros hidráulicos de interés para la modelación. El programa HEC-RAS es considerado en la actualidad como el modelo más ampliamente usado en la determinación de perfiles de flujo en canales naturales o construidos. El procedimiento básico de cálculo que emplea, está sustentado en la
77
soluciĂłn de la ecuaciĂłn de energĂa unidimensional, y evalĂşa la perdida de energĂa debida a la fricciĂłn por medio de la ecuaciĂłn de Manning. Lo expresado en esta secciĂłn se basa en el manual de referencia hidrĂĄulica del programa HEC-RAS. El modelo permite entre otros, obtener el perfil de las lĂĄminas de agua en un tramo y secciones transversales de un rĂo o canal, correspondientes a diferentes caudales para condiciones de flujo, subcrĂtico, crĂtico o supercrĂtico, asĂ como conocer la distribuciĂłn de las velocidades de cada secciĂłn. Este modelo simula la hidrĂĄulica del flujo para canales de cualquier tipo de secciĂłn transversal bajo condiciones de flujo gradualmente variado, opera de acuerdo con la siguiente expresiĂłn: EcuaciĂłn 1: EcuaciĂłn de energĂa 2
2
V V Y2 ď&#x20AC;Ť Z 2 ď&#x20AC;Ť ď Ą 2 ď&#x192;&#x2014; 2 ď&#x20AC;˝ Y1 ď&#x20AC;Ť Z1 ď&#x20AC;Ť ď Ą1 ď&#x192;&#x2014; 1 ď&#x20AC;Ť He 2g 2g Fuente: Reglamento de Aguas y Saneamiento
Donde: ď&#x201A;ˇ
Y1, Y2 = Profundidades del agua, aguas abajo (1) y aguas arriba (2) del tramo considerado, este tĂŠrmino denominado cabeza de presiĂłn, en m.
ď&#x201A;ˇ
Z1, Z2 = Nivel del fondo de canal aguas abajo (1) y aguas arriba (2) del tramo considerado, este tĂŠrmino cabeza de posiciĂłn, en m.
ď&#x201A;ˇ
V²/2g = Cabeza de velocidad aguas abajo (1) y aguas arriba (2) del tramo considerado, este tÊrmino cabeza de velocidad, en m.
ď&#x201A;ˇ
đ?&#x203A;ź = Coeficiente de velocidad.
ď&#x201A;ˇ
He = PĂŠrdidas de energĂa en el tramo; se dividen en pĂŠrdidas por fricciĂłn (hf) y pĂŠrdidas localizadas (hl), en m.
El modelo puede expresar las pĂŠrdidas por fricciĂłn (hf) en un tramo de longitud (L) para flujo gradualmente variado por medio de la ecuaciĂłn de Manning segĂşn la expresiĂłn:
78
Ecuación 2: Ecuación de pérdidas de energía
Sf
hf L
Fuente: Reglamento de Aguas y Saneamiento Ecuación 3: Ecuación de Manning para pérdidas por fricción
S f1 S f 2 L h f 2 Fuente: Reglamento de Aguas y Saneamiento
El programa de simulación hidráulica “HEC-RAS” toma por defecto la ecuación: Ecuación 4: Ecuación tomada por defecto en HEC-RAS para el cálculo de pérdidas de energía
Q Q2 S f 1 K1 K 2
2
Fuente: Reglamento de Aguas y Saneamiento
Donde: Sf1 + Sf2 corresponden a los valores de pendiente de la línea de energía aguas arriba (2) y aguas abajo (1) del tramo de longitud L considerado. Estos valores el modelo los expresa por medio de la ecuación de Manning para flujo uniforme en cada sección del tramo según la siguiente expresión: Ecuación 5: Ecuación de Manning para flujo uniforme
2 V Sf 4 3 R Fuente: Reglamento de Aguas y Saneamiento
79
Donde:
η= Coeficiente de rugosidad de Manning.
v = Velocidad promedio del agua en la sección, en m/s.
R= Radio hidráulico, en m;
P = Perímetro mojado, en m.
R = A/P;
A = Área hidráulica, en m².
Las pérdidas localizadas por contracción o expansión se expresan mediante la siguiente forma: Ecuación 6: Ecuación de pérdidas localizadas 2
2
V V hL C 2 1 2g 2g Fuente: Reglamento de Aguas y Saneamiento
Donde:
C = Coeficiente de pérdidas por contracción o expansión, adimensional.
V = La velocidad promedio del agua, aguas arriba (2) y aguas abajo (1).
El coeficiente de pérdidas localizadas por contracción gradual y expansión gradual de la corriente de agua se tomaron iguales a 0.10 y 0.30.
7.5.7 Criterios de solución empleados por hec-ras: Dentro de los criterios empleados por el HEC–RAS para la obtención de perfiles de flujo, es conveniente destacar los siguientes: •
Por defecto, HEC–RAS realiza veinte (20) iteraciones y tiene una tolerancia para el cálculo del perfil hidráulico predefinida de 0.003 m.
•
Dado el caso de no encontrar una solución adecuada compara la altura crítica con el resultado de menor error de las iteraciones.
•
Si concuerda con el régimen (subcrítico o supercrítico) del problema y su error es menor a 0.10 m, el programa arroja como solución este valor, pero produce una advertencia.
80
•
En caso de que lo anterior no se cumpla, el HEC – RAS arrojará como solución la altura crítica en esa sección, advirtiendo que lo hizo.
Como se puede observar, en los dos últimos casos la solución no es la correcta, ya que HEC–RAS está programado para terminar los cálculos de la modelación, por lo que siempre el modelador debe revisar las advertencias (Warning y Error Messages) que el software arroja y aplicar el criterio y conocimiento hidráulico del especialista, para cerciorarse que las soluciones son realmente las adecuadas.
7.5.8 Geometría del cauce: Para generar la geometría del modelo hidráulico, se tomaron las secciones transversales levantadas por la topografía en el modelo de elevaciones desarrollado, la información geométrica y topográfica fue cargada al programa ARCGIS 9.3 y allí se efectuó la definición de cauce, bancas, zonas de acumulación de flujo, entre otras en la Ilustración 5: Geometría ARC GIS 9.3 Río Tobal se puede apreciar la geometría analizada en ARC GIS 9.3 Ilustración 5: Geometría ARC GIS 9.3 Río Tobal
Fuente: Autor
81
7.5.9 Modelo hidráulico río Tobal: El modelo hidráulico del Río Tobal está conformado por 13 secciones transversales que se pueden observar en la Ilustración 6Secciones HEC-RAS para Río Tobal, con una separación aproximada entre ellas de 20 m.; la zona afectada se encuentra en la sección 5 (station 153,41 m). La longitud total del río modelado es de 200 m. Se empleó el caudal para periodo de retorno de 100 años de 20,1 m3/s. Ilustración 6Secciones HEC-RAS para Río Tobal
Fuente: Autor
82
7.5.10 Parámetros del modelo: Las secciones transversales del Río Tobal corresponden a la topografía levantada, tal y como se muestra en la figura anterior. Adicionalmente, se interpoló entre las secciones definidas, secciones intermedias para obtener resultados más precisos en la modelación. La distancia entre secciones, corresponde a la distancia por las bancas y el cauce principal, en donde:
LBD = longitud entre secciones por la margen izquierda del canal.
CBD = longitud entre secciones por el eje del canal.
RBD = longitud entre secciones por la margen derecha del canal.
Los parámetros utilizados para la modelación fueron los siguientes: Coeficiente de rugosidad de Manning – Se tomó un coeficiente de rugosidad de Manning de 0.025 para las bancas y 0.030 en el cauce del Río Tobal. Pendiente longitudinal de 0.134 m/m, calculada de acuerdo con las curvas de nivel, el modelo de terreno desarrollado en ARC GIS 9.3 y los niveles de agua. Coeficientes de expansión y contracción – 0.1 y 0.3 respectivamente (por defecto, son los utilizados por el programa de HEC-RAS). Se realizó la modelación teniendo en cuenta flujo uniforme, por lo cual se introdujo la información geométrica, tal como la pendiente para realizar la simulación. De acuerdo con lo anterior, el nivel de aguas máximas extremas para un caudal con período de retorno de 100 años será de 3040.62 msnm. Para el cruce del colecto final, las cotas mínimas de la viga inferior de la estructura de paso elevado será de 3042.62 msnm, como se puede ver en la Ilustración 7: Coeficientes de rugosidad de una sección típica
83
Ilustración 7: Coeficientes de rugosidad de una sección típica
Fuente: Autor
7.5.11 Secciones transversales: Para cada una de las secciones transversales del modelo de simulación hidráulica, se muestra la altura de la lámina de agua, la altura crítica y la altura de la línea de energía; todo esto para el caudal de diseño con el cual se desarrolló la modelación, estas secciones transversales se pueden hallar en el CD de anexos. 7.5.12 Perfil longitudinal: La sección o perfil longitudinal, muestra a partir de la sección más aguas arriba y la más aguas abajo, como es el perfil del cauce; allí se puede apreciar la altura de la lámina de agua, la altura crítica y la altura de la línea de energía para el caudal modelado de manera gráfica. Ver Ilustración 8: Perfil longitudinal de lámina de agua para Tr 100 años
84
Ilustración 8: Perfil longitudinal de lámina de agua para Tr 100 años
Fuente: Autor
7.5.13 Tabla de resultados: Los resultados de la modelación hidráulica se muestran en las tablas 1 y 2 incluidas en el CD de ANESOS, en las cuales las diferentes columnas que la conforman, se describen a continuación:
Reach: Nombre del tramo o ramal.
RiverSta: Número de la sección transversal, la sección primera corresponde a la de aguas arriba.
Profile: Nombre del perfil de flujo. Corresponde al nombre del caudal modelado o al nombre del período de retorno.
Q Total: Caudal de la modelación (m³/s.)
W.S. Elev: Cota de lámina de agua expresada en msnm.
Min Ch El: Cota del punto más bajo del terreno de la sección transversal en msnm.
Crit W.S.: Cota de la altura crítica en msnm.
85
E.G. Elev: Cota de la altura de la línea de energía en msnm.
E.G. Slope: Pendiente de la línea de energía en m/m.
VelChnl: Velocidad media en la sección transversal en m/s.
FlowArea: Área del flujo expresada en m².
Top Width: Ancho de la superficie libre en metros.
Froude # Chl: Número de Froude.
7.5.14 Secciones de cruce del cauce: En la Ilustración 9 Sección de cruce Río Tobal se presenta la sección modelada en el sitio de cruce del Colector de aguas residuales. Se presenta la sección transversal para la zona afectada del río con la lámina de agua para el periodo de retorno de 100 años. Como se puede ver, la lámina de agua está en la cota 3040.62 msnm y la cota inferior del puente de paso elevado del colector es la cota 3042.62 msnm. Ilustración 9 Sección de cruce Río Tobal
Fuente: Autor
86
8 DISEÑOS COMPLEMENTARIOS
8.1
DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA
El puente de tuberías descrito gráficamente en Figura 5: Estructura proyectada, corresponde a una estructura de 25 metros de largo y 1.00 metro de ancho, el cual atraviesa el Río Tobal en inmediaciones del casco urbano del municipio de Aquitania, departamento de Boyacá. Figura 5: Estructura proyectada
Fuente: Autor
El puente de tuberías tendrá que soportar un nivel de tubería (2 líneas de 10” cumpliendo con las normas para construcción de oleoductos y 1 línea de 4”) y tendrá la geometría descrita en la Figura 6 Estructura proyectada.
87
Figura 6 Estructura proyectada
Fuente: Autor
La estructura metálica del paso elevado estará conformada por un sistema de resistencia sísmica en sentido transversal compuesto por tres pórticos resistentes a momentos (PRM), mientras que en el sentido longitudinal, se le colocarán dos Pórticos Cerchas No dúctiles (Celosía). Con respecto a las conexiones de la estructura, sólo las conexiones del PRM corresponderán a conexiones a momento, las demás conexiones serán a cortante, a excepción de las conexiones de los arriostramientos, las cuales se diseñarán para carga axial. La conexión en la placa base será a momento en el sentido del PRM. 8.2
PARÁMETROS DE DISEÑO
8.2.1 Software de diseño estructural: El software de análisis usado para el análisis y diseño de la estructura del rack de tuberías correspondió al programa STAAD.PRO. La fundación se diseñó con hojas de cálculo de Microsoft Excel. 8.3
CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS
Según el estudio de suelos las recomendaciones específicas son subjetivas y por lo tanto, se asumirá una capacidad portante muy baja garantizando que las fundaciones no superen la capacidad de resistencia del suelo, como también se
88
asumirá una profundidad de cimentación para las zapatas tanto en los hombros del cauce como en el lecho. A continuación se hace un resumen de las principales características geotécnicas de la zona: •
Perfil de suelo NSR-10 (Tabla A.2.4): D.
•
Profundidad Mínima de cimentación hombros cauce: 1.00 m.
•
Profundidad Mínima de cimentación lecho río: 2.00 m.
De acuerdo con lo anterior, y en vista que la información geotécnica no es específica para la fundación superficial del puente de tuberías, se requiere que el contratista
de
la
obra
mediante
un
ingeniero
geotecnista,
realice
las
recomendaciones geotécnicas para la fundación del puente de tuberías y realice las modificaciones o el ajuste al diseño del concreto, de acuerdo con las condiciones reales encontradas en la zona de cimentación, garantizando la estabilidad de la estructura y del suelo de cimentación.
8.4
CARACTERÍSTICAS SÍSMICAS
De acuerdo con el Reglamento Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes (NSR-10), la estructura está localizada en una zona de amenaza sísmica Alta (Aquitania, dpto. de Boyacá), y los parámetros para diseño sísmico son los siguientes: •
Coeficiente de aceleración pico efectiva (Tabla A.2.3-2):
Aa=0,25
•
Coeficiente de velocidad pico efectiva (Tabla A.2.3-2):
Av=0,30
•
Coef. Aceleración Periodos cortos (Tabla A.2.4-3):
Fa=1,30
•
Coef. Velocidad Periodos cortos (Tabla A.2.4-4):
Fv=1,80
•
Coeficiente de importancia (Grupo de Uso III):
•
Aceleración espectral Sa = 2.5 x Aa x Fa x I:
I=1,25 Sa=1,02g
89
8.5
CARACTERÍSTICAS DE VIENTO
De acuerdo con el código Colombiano de Construcciones Sismo Resistentes (NSR-10), el proyecto está localizado en la región 3 (Boyacá) según el mapa eólico de Colombia (Figura B.6.4-1). Las características del viento para emplear el procedimiento analítico (B.6.5), son las siguientes: •
Velocidad Básica de viento:
V= 28 m/s (100.0 km/h)
(De acuerdo a B.6 de NSR-10, se tomó la velocidad de viento correspondiente a la de las combinaciones de carga de esfuerzos admisibles. Para las combinaciones de carga con esfuerzos últimos, se trabajó con la velocidad de viento de los estados admisibles, pero se incrementaron los factores de carga para resistencia última por un factor de 1.6, con respecto a los factores de carga que se explican en B.2.4.2 de NSR-10). •
Categoría de exposición:
C
•
Grupo de uso (Ed. Indispensables):
III
•
Factor de importancia de viento:
Iw = 1.15
•
Factor de direccionalidad de viento:
Kd = Tabla B.6.5-4/NSR-10.
•
Factor de Efecto Ráfaga:
G=0.85 (Torres en Celosía) ó
de acuerdo a B.6.5.8/NSR-10. • 8.6
Coeficiente fuerza para estructuras:
Cf = Figura B.6.5-18/NSR-10.
MATERIALES
Se usaron características de los materiales de acuerdo con los requisitos mínimos prescritos en la NSR-10, de tal manera que se garantiza su satisfactorio comportamiento en cuanto a resistencia y durabilidad. •
Pernos de Anclaje a Concreto:
ASTM F1554 – Grado 36 ó Equivalente.
•
Concreto:
f’c = 21 MPa = 210 kg/cm² = 3000 psi.
•
Concreto de limpieza:
f’c = 10.5 MPa = 105 kg/cm² = 1500 psi.
•
Barras de acero corrugado:
fy = 420 MPa = 60000 psi.
•
Malla Electrosoldada:
Grado 50 = fy= 490 MPa = 70000 psi.
90
•
Acero estructural:
ASTM A-36, con fy = 250 MPa para
perfiles estructurales de alma llena y platinas. •
Tornillos para conexiones:
ASTM A – 325 y A – 490.
•
Electrodo de Soldadura:
70 ksi.
8.7
CÁLCULO DE CARGAS
Para el análisis y diseño de la fundación y estructura metálica del soporte, las solicitaciones de diseño de dichos elementos son extraídas de las acciones arrojadas por las líneas de tubería que soporta la estructura. Ya que no se conocen las cargas asociadas a la operación de las líneas, se deberán contemplar cargas mínimas (para cargar el modelo estructural de la estructura y posteriormente para diseñar la fundación), las cuales incluyen casos de carga que no están contemplados en el reglamento NSR-10, pero que son de uso normal para cargar estructuras como racks o soportes de tuberías.
Para este caso en particular, para el cargue del modelo estructural se realizará con las cargas mínimas recomendadas por literatura internacional. Dichas solicitaciones se cargarán en el modelo estructural de acuerdo con los casos de carga que se explican a continuación. Para ver cálculos detallados ver ANEXO 1consignado en la carpeta “Mc estructural del CD ANEXOS. Las cargas principales son descritas a continuación:
8.7.1 Carga muerta (D): La carga muerta deberá incluir los pesos de los tubos, válvulas y accesorios, platinas y perfiles de acero estructural, etc. Toda la tubería se deberá considerar vacía de la carga del producto (PL) cuando se calcula la carga muerta. Para determinar el peso, multiplicar el volumen de cada parte de la estructura por el peso específico del material.
91
De acuerdo con lo anterior, la carga muerta para tubería en Acero al Carbón Schedule Standard de 4” es de 16.06 Kg/m y para tubería de diámetro 10” es de 60.24 Kg/m. de acuerdo con lo anterior en el anexo 1 consignado en la carpeta “Mc estructural del CD ANEXOS se presentan las cargas muertas calculadas para el puente de tubería, la acción y distribución de la carga se puede ver en la Figura 7 Carga Muerta en pórtico típico de la estructura del puente de tubería Figura 7 Carga Muerta en pórtico típico de la estructura del puente de tubería
Fuente: Autor
8.7.2 Cargas de contingencia (CL): Estas cargas aplican para racks de tubería, se consideran como cargas muertas y en general corresponden a: En las vigas transversales: Una carga horizontal se aplicará en la mitad del vano de la viga, para tener en cuenta el frenado axial en el arreglo de tubos (usualmente 2 kips -9.06 kN-). Ver Figura 8: Cargas de Contingencia vertical en puente de tubería
92
Figura 8: Cargas de Contingencia vertical en puente de tubería
Fuente: Autor
8.7.3 Cargas del producto (pl) y carga de prueba (PT): Las cargas del producto deberán ser definidas como las cargas de gravedad impuestas por el líquido durante la operación o el peso del tubo lleno de agua (prueba hidrostática). Ver Figura 9: Carga de Producto en pórtico típico de la estructura del puente de tubería.
93
Figura 9: Carga de Producto en pórtico típico de la estructura del puente de tubería
Fuente: Autor
8.7.4 Fuerzas de fricción (FF): Estas cargas aplican para racks de tubería. Las fuerzas de fricción corresponden a las fuerzas generadas por el movimiento del tubo, el cual transmite una fuerza horizontal en el soporte. La fuerza de fricción longitudinal resultante, sin embargo, deberá ser tomada como la más grande entre las siguientes: •
10% del peso de operación total de todas las líneas tributarias al soporte.
•
30% del peso de operación total de aquellas líneas tributarias al soporte, las
cuales se expandan y contraigan simultáneamente. El 10% del peso de tubería total deberá ser tomado como un estimado de fuerzas de fricción longitudinales (FF) aplicadas solo a las vigas de soporte locales. Sin embargo, una fuerza de fricción estimada igual al 5% del peso total de la tubería deberá ser acumulada y llevada a columnas, pórticos arriostrados, y fundaciones. Las cargas de fricción de la tubería no serán combinadas con viento o sismo para el diseño de las columnas, pórticos arriostrados, y fundaciones. Cuando haya cargas altas debidas a viento o sismo, la vibración y deflexión de los soportes
94
probablemente aliviaran las fuerzas de fricción. Ver Figura 10: Carga de Fricción en la estructura del puente de tubería. Figura 10: Carga de Fricción en la estructura del puente de tubería
Fuente: Autor
8.7.5 Cargas de viento (WX, WZ): Las fuerzas de viento en las estructuras son calculadas usando los parámetros de viento definidos previamente y las definiciones dadas en NSR-10. Por lo general tienen que diferenciarse dos tipos de carga de viento. El primer tipo corresponde a la carga con la cual se carga el modelo estructural, que es aquel que se denomina como Sistema Principal a Resistencia a Fuerzas de Viento (SPRFV), para lo cual se calcula la presión dinámica del viento y posteriormente se determinan los coeficientes de fuerza para el caso de estructuras abiertas. En el segundo caso, se analizan las presiones y succiones que se presentan en las correas de una cubierta y que corresponde al caso de los revestimientos; caso que no se considera para estas estructuras al ser catalogadas como edificios abiertos. En el anexo 1 se presenta el cálculo respectivo.
95
8.7.6 Fuerzas sísmicas (EX, EZ): Las fuerzas sísmicas en la estructura son calculadas usando el “Espectro de Respuesta Elástico”, deducido de acuerdo a los parámetros sísmicos (definidos previamente) y a las definiciones dadas por NSR-10. Se asume que todas las cargas muertas y de equipos están presentes al momento de la generación sísmica, por lo que producen fuerzas de inercia durante el movimiento sísmico. La norma ASCE explica para el caso de las estructuras que no son edificios, lo siguiente:
8.8
NONBUILDINGSTRUCTURES SIMILAR TOBUILDINGS:
Una estructura que no es un edificio, pero es similar a un edificio, es una estructura que es diseñada y construida de manera similar a los edificios y que responderá a un movimiento sísmico de una forma similar a un edificio. Estas estructuras son como: racks, equipos soportados en pórticos, etc; los cuales tienen sistemas de resistencia sísmica similar a los sistemas de resistencia a fuerzas laterales utilizados en edificios, tales como pórticos arriostrados, pórticos resistentes a momentos o sistemas de muros a cortante. Una estructura flexible es típicamente definida como aquella que tiene un periodo de vibración natural de (T) de seis segundos o más, el cual es equivalente a una frecuencia de casi 17 Hz o menos. Ejemplos de estructuras como edificios pueden ser las siguientes: •
Pórticos
Resistentes
a
momento
(PRM)
ó
Pórticos
Arriostrados
Concéntricamente (PAC) que soportan intercambiadores y equipos horizontales. Tales estructuras pueden llegar a ser de cuatro o cinco niveles de altura. •
Racks con sistemas de Resistencia Sísmica que son PRMs (usualmente en
la dirección transversal para proveer acceso al rack) y PACs (usualmente en la dirección longitudinal). •
Calderas rectangulares.”
96
Así mismo, la magnitud de la fuerza sísmica es calculada de acuerdo al Método de la Fuerza Horizontal Equivalente (Capítulo A.4 de NSR-10), el cual indica que se deben multiplicar las aceleraciones espectrales (Sa) con las masas de la estructura a analizar. Las fuerzas sísmicas en la estructura son calculadas usando el “Espectro de Respuesta Elástico”, deducido de acuerdo a los parámetros sísmicos (Sección 5.3) y a las definiciones dadas por NSR-10. Se asume que todas las cargas muertas y de equipos están presentes al momento de la generación sísmica, por lo que producen fuerzas de inercia durante el movimiento sísmico. A continuación se realiza el cálculo de la fuerza horizontal equivalente para el rack de tuberías. Ver Figura 11: Fuerzas Sísmicas Sin Reducir Causadas por sismo en X (pórtico típico) y Figura 12: Fuerzas Sísmicas Sin Reducir Causadas por sismo en Z. Figura 11: Fuerzas Sísmicas Sin Reducir Causadas por sismo en X (pórtico típico)
Fuente: Autor
97
Figura 12: Fuerzas Sísmicas Sin Reducir Causadas por sismo en Z
Fuente: Autor
8.9
COMBINACIONES DE CARGA
Los casos de carga son los siguientes
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )
DL PL CL WX+ WZ+ WXWZEX EZ FX FZ TL PT FF AF FDX FDZ FPLX FPLZ FPTX FPTZ
Carga Muerta Cargas de Producto Cargas de Contingencia Viento X (Positivo) Viento Z (Positivo) Viento X (Negativo) Viento Z (Negativo) Fuerza Sísmica Reducida en X Fuerza Sísmica Reducida en Z Fuerza Sísmica No-Reducida en X Fuerza Sísmica No-Reducida en Z Carga de Temperatura Carga de Prueba Fuerzas de Fricción Fuerza de Anclaje Cargas Muertas Ficticias en X Cargas Muertas Ficticias en Z Cargas de Producto Ficticias en X Cargas de Producto Ficticias en Z Cargas de Prueba Ficticias en X Cargas de Prueba Ficticias en Z
98
8.9.1 Combinaciones de carga diseño estructural por resistencia última: Estas combinaciones de carga deben ser consideradas en el diseño de acero de la estructura y el diseño de la fundación. Para estas combinaciones de carga, se deben dividir las cargas sísmicas por el Coeficiente de Capacidad de disipación de Energía (R), debido a que el espectro se encuentra en estado de resistencia última. Así mismo, a pesar de que la NSR-10 no hace obligatorio el diseño de fundaciones con efectos ortogonales, estos se incluyen por seguridad. CASO I: ERECCIÓN CASO I: ERECCIÓN 91 ) 1.40 DL 91 ) 1.40 DL 92 ) 1.40 DL 92 ) 1.40 DL 93 ) 1.20 DL 93 ) 1.20 DL 94 ) 1.20 DL 94 ) 1.20 DL 95 ) 1.20 DL 95 ) 1.20 DL 96 ) 1.20 DL 96 ) 1.20 DL 97 ) 1.20 DL 97 ) 1.20 DL 98 ) 1.20 DL 98 ) 1.20 DL 99 ) 1.20 DL 99 ) 1.20 DL 100 ) 1.20 DL 100 ) 1.20 DL 101 ) 1.20 DL 101 ) 1.20 DL 102 ) 1.20 DL 102 ) 1.20 DL 103 ) 1.20 DL 103 ) 1.20 DL 104 ) 1.20 DL 104 ) 1.20 DL 105 ) 0.90 DL 105 ) 0.90 DL 106 ) 0.90 DL 106 ) 0.90 DL 107 ) 0.90 DL 107 ) 0.90 DL 108 ) 0.90 DL 108 ) 0.90 DL 109 ) 0.90 DL 109 ) 0.90 DL 110 ) 0.90 DL 110 ) 0.90 DL 111 ) 0.90 DL 111 ) 0.90 DL 112 ) 0.90 DL 112 ) 0.90 DL
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
1.40 1.40 1.40 1.40 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90
CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + -
1.60 1.60 1.60 1.60 1.60 1.60 1.60 1.60 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30
WX+ WX+ WXWXWZ+ WZ+ WZWZEX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
CASO II: OPERACIÓN 113 ) 1.40 DL + 114 ) 1.40 DL + 115 ) 1.20 DL + 116 ) 1.20 DL + 117 ) 1.20 DL + 118 ) 1.20 DL + 119 ) 1.20 DL + 120 ) 1.20 DL + 121 ) 1.20 DL + 122 ) 1.20 DL + 123 ) 1.20 DL + 124 ) 1.20 DL + 125 ) 1.20 DL + 126 ) 1.20 DL + 127 ) 0.90 DL + 128 ) 0.90 DL + 129 ) 0.90 DL + 130 ) 0.90 DL + 131 ) 0.90 DL + 132 ) 0.90 DL + 133 ) 0.90 DL + 134 ) 0.90 DL +
1.40 1.40 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90
CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL CL
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
1.40 1.40 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90
PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL
CASO III: PRUEBA 135 ) 1.40 DL 136 ) 1.40 DL 137 ) 1.20 DL 138 ) 1.20 DL 139 ) 1.20 DL 140 ) 1.20 DL
1.40 1.40 1.20 1.20 1.20 1.20
CL CL CL CL CL CL
+ + + + + +
1.40 1.40 1.20 1.20 1.20 1.20
PT PT PT PT PT PT
+ + + + + +
+ + + +
+ + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20
1.60 1.60 1.60 1.60
0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 0.30 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF AF
WX+ WXWZ+ WZ-
1.4 1.4 1.4 1.4
FDX FDX FDZ FDZ
EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ + + + + + + + + + + + + + + -
1.20 1.20 1.60 1.60 1.60 1.60 1.00 1.00 1.00 1.00 0.30 0.30 0.30 0.30 1.00 1.00 1.00 1.00 0.30 0.30 0.30 0.30
TF TF WX+ WXWZ+ WZEX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX EX
+ +
1.20 FF 1.20 FF
+ +
+ + + + + + + +
0.30 0.30 0.30 0.30 1.00 1.00 1.00 1.00 0.30 0.30 0.30 0.30 1.00 1.00 1.00 1.00
+ +
1.40 FDX + 1.40 FDY +
1.40 FDX 1.40 FDZ
+ +
1.40 FPLX 1.40 FPLZ
EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ
1.40 FPTX 1.40 FPTZ
99
126 127 128 129 130 131 132 133 134
) ) ) ) ) ) ) ) )
1.20 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90
DL DL DL DL DL DL DL DL DL
CASO III: PRUEBA 135 ) 1.40 DL 136 ) 1.40 DL 137 ) 1.20 DL 138 ) 1.20 DL 139 ) 1.20 DL 140 ) 1.20 DL
+ + + + + + + + +
1.20 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90
CL CL CL CL CL CL CL CL CL
+ + + + + + + + +
1.20 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90 0.90
PL PL PL PL PL PL PL PL PL
+ + + + + +
1.40 1.40 1.20 1.20 1.20 1.20
CL CL CL CL CL CL
+ + + + + +
1.40 1.40 1.20 1.20 1.20 1.20
PT PT PT PT PT PT
+ + + + + + + + +
+ + + +
1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20
1.60 1.60 1.60 1.60
AF AF AF AF AF AF AF AF AF
+ + + + -
0.30 1.00 1.00 1.00 1.00 0.30 0.30 0.30 0.30
EX EX EX EX EX EX EX EX EX
+ + + + +
1.00 0.30 0.30 0.30 0.30 1.00 1.00 1.00 1.00
EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ EZ
+ +
1.40 FDX + 1.40 FDY +
1.40 FPTX 1.40 FPTZ
WX+ WXWZ+ WZ-
8.10 ANÁLISIS ESTRUCTURAL 8.10.1 Análisis realizado: El procedimiento de análisis estructural utilizado en la estructura, fue el método de la fuerza horizontal equivalente, cuyas características están descritas en la sección A.4 de NSR-10. 8.10.2 Límites de derivas: De acuerdo a los criterios de diseño, los límites de deriva para viento permitidos para estructuras ocupadas no deben exceder H/100; donde H es la altura de piso. Los límites de deriva sísmicos permitidos están en concordancia con el capítulo A.6 de NSR-10, donde está indicado que las estructuras tienen que satisfacer un límite de deriva sísmico del 1% de la altura de piso. Los límites son: •
Para Cargas de Viento:
•
Para Cargas Sísmicas:
De acuerdo con los límites de deriva permitidos para cargas de viento y sismo, los máximos desplazamientos verticales y horizontales para cada tipo de estructura pueden ser consultados en el CD de ANEXOS.
8.10.3 Deflexiones: Las deflexiones en el diseño de elementos de acero estructural no deben exceder los valores que se mencionan a continuación y los cuales fueron verificados en los archivos de salida para los resultados de desplazamientos: •
Viguetas y vigas
L/ 250
•
Vigas de Piso sin equipo
L/ 300
100
•
Vigas para puente de tuberías
L/ 300
•
Vigas de piso soportando equipo
L/ 450
•
Viga en voladizo
L/ 400
•
Vigas de monorriel y grúa (vertical)
L/ 800
•
Vigas de monorriel y grúa (horizontal)
L/ 400
Los desplazamientos para la viga crítica son mostrados en el ANEXO 1. 8.11 DISEÑO DE ESTRUCTURA DE ACERO El diseño de acero de los elementos de las estructuras tales como vigas y columnas es realizado usando la condición más crítica de acuerdo a las combinaciones de carga indicadas en el capítulo 7 de este documento.
8.11.1 Diseño estructural de vigas y columnas: Las solicitaciones de las vigas y columnas fueron obtenidas de las combinaciones de carga explicadas en la sección 7 de este documento. El diseño de acero de estos elementos fue realizado en el programa STAAD.PRO, de acuerdo al código AISC-LRFD. Los resultados de estos diseños son mostrados en el anexo 1. consignado en la carpeta “Mc estructural del CD ANEXOS. 8.11.2 Diseño de conexiones: El diseño de las conexiones en puente de tubería, se resume en cuatro tipologías básicas: Conexión a momento, conexión a cortante, conexión a carga axial y conexión a momento de la placa base de la fundación. Se tendrá como premisa básica que los tornillos a unir sean de un diámetro mínimo de 5/8” y los pernos de anclaje sean de tipo J. El diseño de las conexiones se realiza bajo los siguientes criterios de diseño: •
Las conexiones se pueden diseñar para la máxima capacidad de fuerzas que puedan transferir los elementos a su conexión. Este criterio es útil sobre todo
101
para conexiones a momento, ya que avalan un comportamiento de que la conexión sea más fuerte que el elemento a conectar, garantizando que nunca falle la conexión. •
En el caso de conexiones a cortante, se puede realizar el diseño de la conexión considerando la máxima fuerza que transmite el elemento a conectar producto de las combinaciones de carga de un análisis estructural detallado. Para el propósito del diseño, se considera que el 50% de la capacidad a cortante de la viga es suficiente y adecuado para el diseño de la conexión.
•
El diseño de las placa base de las columnas se realizará con la metodología propuesta por la AISC en su documento: “Steel Design Guide #1: Base Plate and Anchor RodDesign”. Este documento contempla el diseño de la placa base para la máxima solicitación producto del análisis estructural, por lo que no es necesario el diseño por capacidad.
Las uniones de los arriostramientos, las cuales se comportan a carga axial, de acuerdo con los criterios de diseño del proyecto, deben resistir las siguientes acciones: •
Arriostramientos verticales en forma de X ó K: diseñar las conexiones para el 50% de la capacidad resistente a tracción del elemento (excepto en barras traccionadas).
•
Arriostramientos horizontales en forma de X ó K: diseñar las conexiones para el 50% de la capacidad resistente a tracción del elemento (excepto en barras traccionadas).
El diseño detallado de las conexiones se explicará en el ANEXO 1, en el cual se mostrarán las conexiones típicas de la estructura.
102
8.11.3 Diseño de la fundación: La fundación fue diseñada de acuerdo a los requerimientos geotécnicos mencionados en el estudio de suelos. El tipo de fundación adoptada para esta estructura correspondió a zapatas combinadas, las cuales son las encargadas de soportar el momento sísmico y que a su vez son las que garantizan la condición de empotramiento que se supone en el modelo
103
9 REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LA ZONA
En este capítulo se encuentra un registro fotográfico de la urbanización en Oasis, en particular se realizó el registro en la zona donde se evidencia la problemática relacionada y desarrollada en el presente proyecto. Las fotografías son tomadas desde los puntos 107, 108, 109 y 110. En la Fotografía 1: urbanización el oasis, tomada desde el punto 107, se puede ver la vía principal de la urbanización el Oasis. Fotografía 1: urbanización el oasis
Fuente: Autor
104
En la Fotografía 2: disposición actual de aguas residuales y Fotografía 3: descarga de aguas residuales en el rio Tobal tomada desde el punto 108 y 109
respectivamente, se puede ver la canal abierto en la que se dispone las aguas residuales de la urbanización el Oasis, que finalmente son vertidas en el rio Tobal. Fotografía 2: disposición actual de aguas residuales
Fuente: Autor Fotografía 3: descarga de aguas residuales en el rio Tobal
Fuente: Consultoría
105
En la FotografĂa 4: rio Tobal aguas abajo usadas para lavar papa, tomada desde el punto 110, se puede ver el rio Tobal aguas abajo donde el agua del rio es usada para lavar papa y cebolla proveniente de cultivos de la zona
FotografĂa 4: rio Tobal aguas abajo usadas para lavar papa
Fuente: consultorĂa
106
10 CONCLUSIONES y RECOMENDACIONES
A lo largo del presente estudio se identificó la necesidad de construir algunos tramos nuevos y reponer parte de los existentes, para poder servir las aguas residuales de la urbanización en el pozo Nº 12 y que el sistema de alcantarillado funcione correctamente.
Es necesario conservar la cuenca del rio Tobal
así mismo garantizar que el
hombre puede subsistir en armonía con el medio ambiente, por tal motivo se diseñó un sistema de alcantarillado que manejara las aguas residuales separadas de las aguas de escorrentías con la finalidad de servir las aguas de la cuenca en el rio sin afectar su caudal para que pueda seguir siendo fuente confiable aguas abajo.
Con base en el diagnóstico de las redes de alcantarillado con que cuenta actualmente el municipio de Aquitania se recomienda lo siguiente:
Se recomienda realizar jornadas de mantenimiento y limpieza periódicas de los pozos de inspección para evitar procesos de colmatación de los mismos así como trabajos de recuperación de pozos y tramos de alcantarillado que puedan presentar mal estado durante su vida útil. Se requiere entonces modificar los diámetros y se recomienda que este sea de 10” en PVC Sanitaria para los tramos 12 – 12 A, 12 A – 12 B, 12 B – 34 y 34 – 32.
107
Se requiere modificar las cotas de los tramos para cumplir con todos los parámetros hidráulicos requeridos para un flujo uniforme con régimen subcrítico o supercrítico o de no ser posible cambiar las pendientes se recomienda cambiar el alcantarillado de los tramos afectados por tubería de PVC Lo anterior se presenta en el Rediseño tramos existentes afectados por Urbanización El Oasis y Diseño Colector Final Urbanización El Oasis.
Se recomienda tubería en acero para el cruce del rio ya que está presenta poco coeficiente de fugacidad, lo cual aumenta la velocidad del flujo y la capacidad de tracción en el tramo.
Durante las evaluaciones y simulaciones hidráulicas de los elementos que conforman las redes de alcantarillado sanitario se encontraron valores de esfuerzo cortante y velocidad relativamente bajos. Debido a estos hechos es importante que se coordinen planes de inspección, limpieza y mantenimiento constante del sistema.
Para garantizar un correcto funcionamiento del sistema de alcantarillado actual sanitario junto con las optimizaciones propuestas, se requiere garantizar la desconexión total de los sumideros y conexiones erradas de aguas lluvias, independizando totalmente el sistema, y garantizando que las aguas lluvias serán conducidas única y exclusivamente por el sistema de alcantarillado pluvial que actualmente se proyecta en el Plan Maestro de la población.
108
11 BIBLIOGRAFÍA E INFOGRAFÍA
Reglamento de Construcción Sismo Resistente Colombiano, NSR – 10.
ASCE 7-05 and -10, MinimumDesignLoadsforBuildings and OtherStructures - American Society of Civil Engineers, (ASCE).
American
Institute
of
Steel
Construction
AISC
360-05,
Construction
AISC
341-05,
SpecificationforStructural Steel Buildings.
American
Institute
of
Steel
SeismicProvisionsforStructural Steel Buildings.
Steel Design Guide 7 - Industrial BuildingsRoofsto Anchor Rods - American Institute of Steel Construction, (AISC).
ASCE - “Windloads and anchor boltdesignforpetrochemicalfacilities” 1997. American Society of Civil Engineers.
ASCE
-
“GuidelineforSeismicEvaluation
and
Design
of
PetrochemicalFacilities”.
AISC/ANSI 360-05 - “Manual of Steel Construction”
“Manual of Steel Construction” - “StructuralWeldingCode – Steel”.
Reglamento técnico de aguas y saneamiento.
Planos Urbanización “ELOASIS” contiene: Levantamiento Topográfico, planta del proyecto urbanístico, planta y perfiles de alcantarillado existente, cuadro de Áreas y curvas de nivel.
Esquema de Ordenamiento Territorial (EOT) Aquitania Boyacá. Contiene: Cartografía, documento resumen y documento técnico del municipio de Aquitania.
Plan maestro de Acueducto y alcantarillad, Municipio de Aquitania, contrato 001 del 2008. Contiene: Diagnostico y diseño al alcantarillado del Municipio.
109
Optimización plantas de tratamiento de aguas residuales Municipio de Aquitania, convenio N° 026 corporación autónoma regional de Boyacá CORPOBOYACA Noviembre del 2007.
110
APÉNDICES LISTATA DE FIGURAS FIGURA 1: LOCALIZACIÓN MUNICIPIO DE AQUITANIA EN EL DEPARTAMENTO DE BOYACÁ ................................................................................................................................................. 18 FIGURA 2: LOCALIZACIÓN DE AQUITANIA .................................................................................. 18 FIGURA 3: CUNETA PROPUESTA PARA RECOLECCIÓN AGUAS LLUVIAS .............................. 69 FIGURA 4: ECUACIÓN A EMPLEAR DE ACUERDO AL TAMAÑO DE LA PARTÍCULA................ 71 FIGURA 5: ESTRUCTURA PROYECTADA ..................................................................................... 87 FIGURA 6 ESTRUCTURA PROYECTADA...................................................................................... 88 FIGURA 7 CARGA MUERTA EN PÓRTICO TÍPICO DE LA ESTRUCTURA DEL PUENTE DE TUBERÍA .................................................................................................................................. 92 FIGURA 8: CARGAS DE CONTINGENCIA VERTICAL EN PUENTE DE TUBERÍA ....................... 93 FIGURA 9: CARGA DE PRODUCTO EN PÓRTICO TÍPICO DE LA ESTRUCTURA DEL PUENTE DE TUBERÍA ............................................................................................................................ 94 FIGURA 10: CARGA DE FRICCIÓN EN LA ESTRUCTURA DEL PUENTE DE TUBERÍA ............. 95 FIGURA 11: FUERZAS SÍSMICAS SIN REDUCIR CAUSADAS POR SISMO EN X (PÓRTICO TÍPICO) .................................................................................................................................... 97 FIGURA 12: FUERZAS SÍSMICAS SIN REDUCIR CAUSADAS POR SISMO EN Z ....................... 98
LISTA DE FOTOGRAFÍAS FOTOGRAFÍA 1: URBANIZACIÓN EL OASIS ............................................................................... 104 FOTOGRAFÍA 2: DISPOSICIÓN ACTUAL DE AGUAS RESIDUALES ......................................... 105 FOTOGRAFÍA 3: DESCARGA DE AGUAS RESIDUALES EN EL RIO TOBAL ............................ 105 FOTOGRAFÍA 4: RIO TOBAL AGUAS ABAJO USADAS PARA LAVAR PAPA ............................ 106
LISTA DE TABLAS TABLA 1: VALORES DE IDF – ESTACIÓN POTRERITO ............................................................... 30 TABLA 2 FACTOR DE REDUCCIÓN .............................................................................................. 32
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TABLA 3.PERIODO DE RETORNO PARA DISEÑO DE OBRAS .................................................... 36 TABLA 4 NIVELES DE PROBABILIDAD DE UN EVENTO EN FUNCIÓN DEL PERIODO DE RETORNO ............................................................................................................................... 37 TABLA 5: PROFUNDIDAD MÍNIMA DE COLECTORES ................................................................. 41 TABLA 6: ASIGNACIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD ............................................................... 43 TABLA 7: COMPARACIÓN MÉTODOS DE PROYECCIÓN DE POBLACIÓN ................................ 44 TABLA 8: PORCENTAJES MÁXIMOS ADMISIBLES DE PÉRDIDAS TÉCNICAS .......................... 46 TABLA 9: PROYECCIÓN DE DEMANDA ........................................................................................ 47 TABLA 10: PARÁMETROS DETERMINACIÓN DE CAUDAL ......................................................... 48 TABLA 11: CALCULO UNIDADES DE DESCARGA. ...................................................................... 49 TABLA 12: COEFICIENTE DE SIMULTANEIDAD ........................................................................... 49 TABLA 13: CÁLCULO CAUDAL DE URBANIZACIÓN “EL OASIS”. ................................................ 50 TABLA 14: CALCULO DE CAUDAL DE LA URBANIZACIÓN EL OASIS ........................................ 50 TABLA 15: CALCULO CAUDAL DE DISEÑO .................................................................................. 51 TABLA 16: CAUDALES DE DISEÑO VS CAUDALES DE DISEÑO FINAL ..................................... 54 TABLA 17: SISTEMA CONVENCIONAL VS SIMPLIFICADO.......................................................... 56 TABLA 18: NECESIDAD DE OBRAS O ACCIONES PARA EL SISTEMA DE ALCANTARILLADO 59 TABLA 19: TRAMOS MODIFICADOS ............................................................................................. 61 TABLA 20: TRAMOS A CONSTRUIR .............................................................................................. 63 TABLA 21: ECUACIONES DE COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO ............................................... 68 TABLA 22: COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO DE LAS CUNETAS DISEÑADAS ........................ 68 TABLA 23: PARÁMETROS DE DISEÑO DE DESARENADOR ....................................................... 70 TABLA 24: DIMENSIONES DEL DESARENADOR ......................................................................... 72
LISTA DE GRAFICAS GRAFICA 1 CURVA IDF – ESTACIÓN POTRERITO ...................................................................... 29 GRAFICA 2 CURVA IDF – ESTACIÓN POTRERITO ..................................................................... 31 GRAFICA 3: COMPARACIÓN MÉTODOS DE PROYECCIÓN DE LA POBLACIÓN ...................... 44 GRAFICA 4: CURVA MÉTODO DECLINANTE DE POBLACIÓN CENSAL Y PROYECTADA ....... 45
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LISTA DE ILUSTRACIONES ILUSTRACIÓN 1: TRAZADO REDES A CONSTRUIR PARA OPTIMIZACIÓN SISTEMA DE ALCANTARILLADO SANITARIO MUNICIPIO DE AQUITANIA ............................................... 65 ILUSTRACIÓN
2:
CAUDAL
PICO
OBTENIDO
POR
EL
MÉTODO
DEL
SOILCONSERVATIONSERVICE ............................................................................................. 74 ILUSTRACIÓN 3 GENERACIÓN DE HIETOGRAMA VS. HIDRÓGRAMA DE CRECIENTE DE DISEÑO ................................................................................................................................... 74 ILUSTRACIÓN 4: DATOS HIDROLÓGICOS PRINCIPALES PARA 100 AÑOS CUENCA RÍO TOBAL ..................................................................................................................................... 75 ILUSTRACIÓN 5: GEOMETRÍA ARC GIS 9.3 RÍO TOBAL ............................................................. 81 ILUSTRACIÓN 6SECCIONES HEC-RAS PARA RÍO TOBAL ......................................................... 82 ILUSTRACIÓN 7: COEFICIENTES DE RUGOSIDAD DE UNA SECCIÓN TÍPICA ......................... 84 ILUSTRACIÓN 8: PERFIL LONGITUDINAL DE LÁMINA DE AGUA PARA TR 100 AÑOS ............ 85 ILUSTRACIÓN 9 SECCIÓN DE CRUCE RÍO TOBAL ..................................................................... 86
LISTA DE ECUACIONES ECUACIÓN 1: ECUACIÓN DE ENERGÍA ....................................................................................... 78 ECUACIÓN 2: ECUACIÓN DE PÉRDIDAS DE ENERGÍA .............................................................. 79 ECUACIÓN 3: ECUACIÓN DE MANNING PARA PÉRDIDAS POR FRICCIÓN .............................. 79 ECUACIÓN 4: ECUACIÓN TOMADA POR DEFECTO EN HEC-RAS PARA EL CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE ENERGÍA ........................................................................................................ 79 ECUACIÓN 5: ECUACIÓN DE MANNING PARA FLUJO UNIFORME............................................ 79 ECUACIÓN 6: ECUACIÓN DE PÉRDIDAS LOCALIZADAS............................................................ 80
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ANEXOS
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