REPÚBLICA DEL ECUADOR

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA COMUNIDAD EDUCATIVA AL SERVICIO DEL PUEBLO

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA CIVIL, ARQUITECTURA Y DISEÑO FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

Rediseño del Sistema de Alcantarillado Combinado perteneciente al Sector Santa Maria, La Libertad y San Martin, de la Parroquia Sayausi, Cantón Cuenca, Provincia del Azuay.

Trabajo de Investigación previo a la obtención del Título de Ingeniero Civil

DIRECTOR: Ing. Luis Mario Barzallo. AUTOR:

Joaquín Esteban Espinoza Barzallo. CUENCA- ECUADOR 2013

DEDICATORIA:

Este trabajo de investigación se lo dedico a Dios y a mis padres Jaime y Anita, mis hermanos Jimmy, Juan y José quienes han sido un pilar fundamental para lograr una meta más en mi vida.

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AGRADECIMIENTO:

Agradezco al Ing. Luis Mario Barzallo quien ha sido

una

gran

ayuda

para

mi

durante

la

elaboración de este trabajo, con sus conocimientos ha hecho posible que éste rinda frutos, también a mis profesores y compañeros que durante tantos años han sido de gran ayuda para mi.

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ÍNDICE Dedicatoria……………......................................................................................................2 Agradecimiento……………..................................................................................3 Índice………………............................................................................................................5 Introducción……………..................................................................................................10

CAPÍTULO I REDES DE ALCANTARILLADO 1. Objeto……………..…………………............................................................................12 2. Alcance……………....…………………........................................................................12 3. Definiciones……………....………………………………………………………………..12 3.1 Componentes de un sistema de alcantarillado……………….................................12 3.1.1Tuberías……………………………………………………………………….................15 3.1.2 Atarjea.………...………………..............................................................................17 3.1.3 Descarga domiciliaria…...………….......................................................................17 3.1.4 Colector ………………...………………………………….........................................18 3.1.5.Sumideros …………………..................................................................................18 3.1.6. Pozos de Visita ..................................................................................................19 3.1.6.1.Pozos construidos en sitio …………………………...................................................19 3.1.6.2. Tipos de Pozos de Visita.……………………..………........................................21 4. Clasificación………………………………………………………………………………...21 4.1 Clasificación Sistemas de alcantarillado…………...................................................21 5. Normativa ETAPA………………………..………………………………………………...23 6. Bases de Diseño……………………………………...…………………………………....23 6.1. Periodo de Diseño………...……………..................................................................23 6.2.Población……………………..……………................................................................24 6.3.Áreas de Aportación……………………….…………….............................................25

CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO Y LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO 1. Levantamiento Topográfico…………….………...…………………………………...26 1.1 Introducción y Definición….…………………………..……................................26 1.2 Levantamientos Topográficos y Nivelación..........................................................27 1.2.1 Levantamiento Topográfico………………..........................................................27 1.2.2 Planimetría….………………………………….....................................................27 1.1.4 Altimetría…….……………................................................................................28 2 Tipos de Levantamiento de Manera General…...…................................................28 Topográficos …………………………………………........................................................28 Geodésicos……...………….................................................................................28 De Ingeniería …...……………...............................................................................29 Levantamiento longitudinal o de vías de comunicación………...………..................29 Levantamientos catastrales y urbanos……………….............................................29 Levantamientos aéreos o fotogramétricos………………….…..…........................30 3. Errores .................................................................................................................30 4.Clasificación de los Errores…………….……….........................................................31 Errores más comunes………………………….……………………..…..................31 Error por temperatura…….......................................................................................31 Error por longitud incorrecta………...………………………..…...........................32 Error por falta de horizontalidad……..……………………………...........................32 Error por catenaria………………….………………………….……..…..................32 5. Instrumentos …………….......................................................................................32 5.1 Teodolito…………………….…………………...........................................................32 5.2 Estación Total……..............................................................................................33 5.3 GPS………………………………………..................................................................34

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CAPÍTULO III DISEÑO DE LA RED 1.Periodo de diseño………………...…………………………..………………………………...36 2.Población a servir…………………………………………………………………………..…36 3.Calculo de Caudales……………………………………………...…………………………..37 3.1.Caudal domiciliar sanitario……………………. ........................................................37 3.1.1Factor de retorno………………………………………..............................................37 3.1.2 Factor de flujo instantáneo ………………………………...............................................37 3.1.3 Factor de caudal medio……………………………………. .....................................38 4. Caudal de Diseño…………………………………………........................................39 4.1. Caudal de aguas lluvias……………………………… ............................................39 4.2 Caudal Pluvial ......................................................................................................40 5. Velocidad de Diseño……………………………………...........................................42 6. Velocidades máximas y mínimas de diseño..……...…….…..……………………43 6.1 Velocidad y Caudal a sección llena …………………………………...........................43 6.2 Velocidad mínima de diseño (v) …………………………………………….................45 6.3 Velocidad máxima de diseño (v)………………………................................................45 6.4 Tirante o profundidad de flujo………………………………. .....................................46

7. Pendientes máximas y mínimas…..………...….…..……………………………….…47 7.1Cotas Invert…………………………………….………… ............................................48

8. Diámetros de tuberías………..…….……………….………………………………….….48 9. Pozos de Visita……….………………..……….…..…………………………………….48

CAPÍTULO IV CALCULO DEL ALCANTARILLADO COMBINADO 1. Datos generales…………................................................................................ 50 1.1Superficie………...……...…......................................................................................50 1.2 Clima..........................……………………………………….........................................50 1.3 Ubicación geográfica……………..………………………………………………………..50

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2. Datos poblacionales................................................................................................... 51 3. Diseño de la red……………………............................................................................. 51 4. Diseño hidráulico….................................................................................................... 52 4.1 Velocidad a sección llena……………..……………...................................................52 4.2 Caudal a sección llena…………………...……………………………………………………………....52 4.3 Relaciones hidráulicas…………….………………………. .......................................52 4.4 Tabla de rediseño de la red de alcantarillado combinado…………….…………...53 5 Análisis de precios y presupuesto............................................................................ 65 5.1 Análisis de precios unitarios…...…………….……...................................................65 5.1.1 Generalidades...………………………………………………………………………………………....65 5.1.2 Costo de una obra…………………………..……………. .......................................65 5.1.3 Precio de una obra…………………………..…………………………….…………..65 5.1.4 Características de los costos.…………………………….………………………………………....65 5.1.5 Precios unitarios...…………………..……………………. .......................................65 5.1.5.1 Factores de dependencia…………………………………...………….…………..66 5.1.5.2 Factores de consistencia...……………………………………………....................66 5.1.5.3. Costo directo…………………………..………..…………...………….…………..66 5.1.5.4 Costo indirecto…………………………………...…………...………….…...……..66 5.1.5.5 Imprevistos………………………….…………......……………………...................67 5.1.6 Presupuesto………………………………………..…………...………….…………..67 5.1.6.1 Presupuesto de mano de obra……………………………..………….…………..68 5.1.6.2 Presupuesto de gasto de fabricación………………………………......................68 5.1.6.3 Presupuesto de costo de producción…...................................……….………..68 5.1.6.4 Tabla salarial de la Contraloría General del Estado…………………………….68 6. Comparación de costos con la red en tubería de Hormigón Simple... …………………..71 6.1 Análisis de precios unitarios red de PVC……..…………………..……….………….71 6.2 Comparación de presupuestos…………...……………………………….....................71

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Conclusiones …............................................................................................................….77 Recomendaciones ...................................................................................................……..77 Bibliografía .....................................................................................................................78 Anexos ......................................................................................................................... 79

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INTRODUCCIÓN

Ante la necesidad de analizar y conocer las ventajas de costos y en la construcción misma de alcantarillados combinados, propongo una alternativa al diseño actual de la red de tuberías construidas en Hormigón de los barrios Santa María, La Libertad y San Martin, siendo esta red de 4.6 Kilómetros. Presento en este estudio el rediseño de la red con tuberías de PVC, la misma que funcionará a gravedad y posibilitara la conducción apropiada de las aguas residuales y pluviales de cada vivienda. Esta red de alcantarillado conecta a 358 viviendas del sector y a su vez beneficia a 1790 habitantes de la zona. La parroquia de Sayausi, es una zona de interés habitacional que está en pleno desarrollo y necesita de servicios básicos de calidad para el bienestar de sus habitantes. El trabajo de investigación está conformado por cuatro capítulos, los mismos que son:

-

Capítulo 1: Estudios Preliminares.

-

Capítulo 2: Redes de Alcantarillado.

-

Capítulo 3: Diseño de la red.

-

Capítulo 4: Cálculo del Alcantarillado Sanitario. 10

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CAPÍTULO I REDES DE ALCANTARILLADO.

1. Objeto. Esta investigación será de utilidad en la vida profesional como elemento de guía y consulta para el Rediseño de Alcantarillados Combinados. 2. Alcance. Este trabajo de investigación está enfocado en el rediseño de un Sistema de Alcantarillado Combinado, es decir tanto para aguas lluvias y aguas residuales. 3. Definiciones. 3.1 Componentes de un sistema de alcantarillado. Los sistemas básicamente están compuestos por los siguientes elementos: a) Alcantarillas o colectores. b) Pozos de registro o de inspección. c) Cajas de registro. d) Derivaciones (de acuerdo a las zonas a emplazarse).

A continuación se detallan cada uno de ellos:

a) Alcantarillas o Colectores: Son conductos generalmente cerrados, los cuales conforman la red y evacuan las aguas negras, vertiendo su contenido a algún sistema de depuración o tratamiento de las mismas, o hacia un cuerpo receptor.

Al hablar de alcantarillas generalmente nos referimos a las tuberías. Las alcantarillas de acuerdo a su importancia se pueden clasificar de la siguiente manera: -Alcantarilla o colector domiciliar.

-Alcantarilla o colector secundario. -Alcantarilla o colector principal.

b) Pozos de Registro o Inspección: Denominados en nuestro medio como pozos de visita, estos elementos se colocan en puntos convenientes de la alcantarilla, donde se tengan cambio de dirección, cambios de diámetro, etc.

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Su importancia se debe a que permiten el control de las conducciones, el análisis de las aguas residuales (inspección), reparación y limpiezas. Cuando las alcantarillas son grandes, de 1.5 m o más, puede entrarse directamente a ellas, por lo que se emplean pocos pozos de registro (Figura 2). c) Cajas de Registro: Son estructuras que conectan a las tuberías que evacuan las aguas negras del interior de las edificaciones y los colectores secundarios a laterales de la red. (Figura1)

Figura 2. Detalle pozos de visita de aguas negras.

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Figura 1. Detalle de caja de registro para aguas negras. Hidráulicamente, un sistema de alcantarillado sanitario se diseña con los siguientes objetivos: 1. Minimizar el mantenimiento. 2. Procurar auto limpieza. 3. Lograr alternativas más económicas.

Para cumplir con el auto limpieza, se debe cumplir la condición auto limpiante: la cual es aquella condición en el diseño de tuberías de aguas residuales que permite autolimpiar la tubería, no dejando sedimentar los desechos en el fondo de la tubería. Parámetros a tomar en cuenta para lograr auto limpieza: a. Velocidad. b. Pendiente.

VELOCIDADES Y PENDIENTES MAXIMAS Y MINIMAS. Los colectores de aguas residuales deben diseñarse para velocidades mínimas de auto limpieza y que en la práctica se adopta una velocidad de 0.60 m/seg considerando el funcionamiento del tubo a sección llena y a tubo parcialmente lleno puede bajar a 0.35 m/seg. Las velocidades máximas son admitidas de 4.5 a 5.0 m/seg en secciones llenas, pero aún se investiga para aprobar que éstas velocidades realmente no producen erosión. La velocidad mínima a sección llena para el diseño de alcantarillas y colectores de un sistema pluvial será de 0.75 m/seg.

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Pendientes máximas y mínimas recomendables. Las pendientes máximas y mínimas están en relación directa con las velocidades máximas y mínima para tubos funcionando a sección parcialmente llena. Para colectores que arrastran gran cantidad de aporte se puede llegar a 0.5 - 5 por mil. La pendiente mínima estará determinada por la velocidad mínima a sección llena que es 0.75 m/seg. Las pendientes máximas son las correspondientes a las velocidades máximas.

Tuberías. La tubería de alcantarillado se compone de tubos y conexiones acoplados mediante un sistema de unión elastomérico, el cual permite la conducción de las aguas residuales. En la selección del material de la tubería de alcantarillado, intervienen diversas características tales como resistencia mecánica, resistencia estructural del material, durabilidad, capacidad de conducción, características de los suelos y agua, economía, facilidad de manejo, colocación e instalación, flexibilidad en su diseño y facilidad de mantenimiento y reparación. Las tuberías para alcantarillado sanitario se fabrican de diversos materiales, tales como:

Acero.

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Concreto

simple

(CS)

y

concreto

reforzado

(CR).

Concreto reforzado con revestimiento interior (CRRI).

Poliéster reforzado con fibra de vidrio (PRFV).

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Poli

(cloruro

de

vinilo)

(PVC)

(pared

sólida

y

estructurada).

Fibrocemento (FC).

Atarjea. Es la tubería que recoge las aguas residuales de las descargas domiciliarias para entregarlas al colector por medio de un pozo.

Descarga domiciliaria. La descarga domiciliaria o albañal, es una tubería que permite el desalojo de las aguas residuales de las edificaciones a las atarjeas de la red urbana o municipal. La descarga se inicia en un registro principal localizado en el interior del predio, provisto de una tapa de cierre hermético que impide la salida de malos olores. La profundidad mínima de la zanja se recomienda que tenga un colchón de 0.90m, sobre el lomo del tubo de la atarjea, en lugares con tráfico vehicular, o 0.60 m sobre el lomo cuando no exista tráfico.

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La domiciliaria se conecta al sistema de alcantarillado con una pendiente del 2 ó 1% como mínimo, y con un ángulo de 45°. Las piezas necesarias según el tipo de material de la descarga, deben garantizar que la conexión del albañal a la atarjea sea hermética. Dependiendo del tipo de material de la atarjea o colector, se debe seleccionar de preferencia el mismo material en la tubería de la domiciliaria y el de las piezas especiales, así como el correspondiente procedimiento de conexión. Además, hay que considerar que en algunos casos el diámetro del albañal es muy pequeño en comparación con el de la atarjea, por lo que no es recomendable que se lleve a cabo la unión directa con un diámetro mucho mayor, sino que es necesario prever una atarjea “madrina”, la cual servirá para ir interceptando los albañales hasta que el diámetro de dicha tubería sea adecuado para unirse a la atarjea de la red municipal; si las dimensiones de las tuberías por unir no permiten el uso de las conexiones existentes, será necesario hacer uso de un pozo de visita. El diámetro de la domiciliaria en la mayoría de los casos es de 200mm cuando se realizan con tubería de hormigón simple y de 160mm cuando se realiza con tubería de pvc, siendo éste el mínimo recomendable en la localidad, sin embargo, ésta dimensión puede variar en función de las disposiciones del diseño sanitario.

Colector. Se denomina colector o alcantarilla colectora al tramo del alcantarillado público que conecta diversos ramales de una alcantarilla. Se construye bajo tierra, a menudo al medio de las calles importantes, de manera que cada una de las viviendas de esa vía puedan conectarse para la evacuación apropiada de las aguas residuales.

Sumideros. Los sumideros son las estructuras encargadas de recoger el agua lluvia que fluye por las cunetas de las vías con el mínimo de interferencia para el tráfico vehicular y peatonal, evitando se introduzca al colector material de arrastre, estas se colocan en los puntos más bajos del alcantarillado proyectado.

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Pozos de visita. Los pozos de visita son estructuras construidas sobre las tuberías, a cuyo interior se tiene acceso por la superficie de la calle. Su forma es cilíndrica en la parte inferior y troncocónica en la parte superior, son suficientemente amplias para darle paso a un hombre y permitirle maniobrar en su interior (el piso es una plataforma con canales que prolongan los conductos y encauzan sus corrientes). Una escalera de peldaños de fierro fundido empotrados en las paredes del pozo permite el descenso y ascenso al personal encargado de la operación y mantenimiento de los sistemas de alcantarillado sanitario y pluvial. El acceso a la superficie se protege con un brocal de fierro fundido o de concreto y con una tapa perforada, éstas pueden ser cónicas o rectas, también de fierro fundido o de concreto, permitiendo el acceso a su interior y la salida de gases. A profundidades de 1.50m o menores los pozos de visita tienen forma de botella y a mayores de 1.50m se construye en la parte cilíndrica con el diámetro interior necesario de acuerdo con los diámetros de las tuberías que a él concurran y la parte troncocónica con paredes inclinadas a 60° que rematará con otra cilíndrica de 0.60m de diámetro interior y 0.25m de altura aproximada la cual recibirá al brocal y su tapa. Los pozos de visita pueden ser por el procedimiento de construcción en el sitio de construcción o prefabricados, su elección depende de un análisis económico y en el caso de alcantarillado sanitario se debe asegurar la hermeticidad de la estructura y de la conexión de la tubería.

Pozos construidos en sitio. Comúnmente el pozo construido en sitio puede ser de concreto reforzado o mampostería de piedra. Se usan frecuentemente los tabiques y los bloques de concreto, porque las formas necesarias para la construcción a base de concreto, aumentan el costo de la construcción. Las paredes del registro deben tener, por lo menos, un espesor de 0.20m. Puede necesitarse un espesor mayor en suelos inestables en registros profundos o para evitar la humedad. Cuando se use tabique, se recomienda que el espesor mínimo sea de 0.28m. Estos se deben aplanar y pulir

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interiormente con mortero (cemento-arena en relación 1 a 3), el espesor del aplanado debe tener como mínimo 0.01m. Para evitar la entrada de aguas freáticas o pluviales, el aplanado se realiza exteriormente, únicamente en los pozos de visita del alcantarillado sanitario. Se deben aplanar las dos caras del pozo con mortero mezclado con impermeabilizante. Las paredes de concreto pueden construirse con menor espesor que las de tabique, pero debe ser reforzado con varillas de acero. La cimentación del pozo puede ser de mampostería o de concreto; en terrenos suaves se hará de concreto armado aun cuando la chimenea sea de tabique. Para formar la media caña se coloca el tubo en el fondo del pozo después se construye el pozo. Cuando se ha terminado el trabajo, se corta la mitad superior del tubo dejando un canal liso y abierto a través del pozo. El piso del pozo se construye con inclinación hacia el centro y de tal modo que las aguas escurran al canal de forma semicircular o en U, de mayor capacidad que las atarjeas tributarias. Las paredes del canal deben tener altura suficiente para evitar que el agua rebose sobre el piso inclinado. Esto exige que las paredes laterales de la media caña se eleven casi hasta la altura de la clave de la atarjea. En algunas atarjeas el tirante del canal de escurrimiento a través del registro se hace que sea igual al diámetro total de la atarjea. El piso debe tener una pendiente de 0.1 a 0.083 (desnivel de 0.01m en sentido vertical por 0.10 a 0.12m en sentido horizontal) hacia la atarjea. En los pozos donde concurran dos o más conductos, al mismo nivel aproximadamente, las medias cañas del fondo deben colocarse a la misma altura o cota las claves de los tubos o los extremos de las tuberías de menor diámetro, cuando los más grandes estén funcionando a toda su capacidad. En el caso del diseño de la atarjea, sea de bayoneta, la distancia máxima entre las dos medias cañas dentro

del

pozo

será

de

0.50m.

En caso de colectores o subcolectores con tuberías de más de 1.20m de diámetro el pozo de visita debe centrarse en la intersección de las tuberías y tener una cimentación especial. Para tuberías de mayor diámetro, las paredes del pozo o caja se construyen en prolongación de las paredes del conducto. Son características importantes de estos diseños, el tamaño del acceso y el espacio de trabajo, así como la resistencia de la estructura. Se debe evitar

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hacer entradas en los registros menores de 50cm de diámetro, siendo común entradas de 60cm. Un hombre debe pasar a través de cualquier entrada que permita el paso de sus caderas, siempre que pueda doblar las rodillas y volver los hombros inmediatamente después de haber pasado por el orificio de entrada. Por tal razón, se recomienda el ensanchamiento de los pozos de visita por debajo de la estructura.

3.1.6.2. Tipos de Pozos de Visita. a) Pozos comunes. Los pozos de visita comunes tienen un diámetro interior de 1,00m, se utilizan para unir tuberías de hasta 0,76m de diámetro y permiten una deflexión máxima en la tubería de 90 grados. Todos los pozos comunes deben asentarse sobre una plantilla de material base compactada a 95% proctor con espesor mínimo de 10cm. En terrenos suaves esta plantilla se construye de concreto armado. b) Pozos especiales. Este tipo de pozos son de forma similar a los pozos de visita comunes, excepto que la base es de diámetro mayor para albergar tuberías incidentes mayores a 0.76m de diámetro, estos pozos se pueden reducir una vez pasando la parte superior de los tubos incidentes para terminar como los pozos comunes.

4. Clasificación. 4.1. Clasificación Sistemas de alcantarillado. Los sistemas de alcantarillado pueden ser de dos tipos: convencionales o no convencionales. Los sistemas de alcantarillado sanitario han sido ampliamente utilizados, estudiados y estandarizados. Son sistemas con tuberías de grandes diámetros que permiten una gran flexibilidad en la operación del sistema, debida en muchos casos a la incertidumbre en los parámetros que definen el caudal

(densidad

poblacional

y

su

estimación

futura,

mantenimiento

inadecuado o nulo). Los sistemas de alcantarillado no convencionales surgen como una respuesta de saneamiento básico de poblaciones de bajos recursos económicos, son sistemas poco flexibles, que requieren de mayor definición y control en los

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parámetros de diseño, en especial del caudal, mantenimiento intensivo y, en gran medida, de la cultura en la comunidad que acepte y controle el sistema dentro de las limitaciones que éstos pueden tener. Los sistemas convencionales de alcantarillado se clasifican en: Alcantarillado separado: es aquel en el cual se independiza la evacuación de aguas residuales y lluvia. a) Alcantarillado sanitario: sistema diseñado para recolectar exclusivamente las aguas residuales domésticas e industriales. b) Alcantarillado pluvial: sistema de evacuación de la escorrentía superficial producida por la precipitación. Alcantarillado combinado: conduce simultáneamente las aguas residuales, domesticas e industriales, y las aguas de lluvia. 2. Los sistemas de alcantarillado no convencionales se clasifican según el tipo de tecnología aplicada y en general se limita a la evacuación de las aguas residuales. a) Alcantarillado simplificado: un sistema de alcantarillado sanitario simplificado se diseña con los mismos lineamientos de un alcantarillado convencional, pero teniendo en cuenta la posibilidad de reducir diámetros y disminuir distancias entre pozos al disponer de mejores equipos de mantenimiento. b) Alcantarillado condominiales: Son los alcantarillados que recogen las aguas residuales de un pequeño grupo de viviendas, menor a una hectárea, y las conduce a un sistema de alcantarillado convencional. c)

Alcantarillado

sin

arrastre

de

sólidos.

Conocidos

también

como

alcantarillados a presión, son sistemas en los cuales se eliminan los sólidos de los efluentes de la vivienda por medio de un tanque interceptor. El agua es transportada luego a una planta de tratamiento o sistema de alcantarillado convencional a través de tuberías de diámetro de energía uniforme y que, por tanto, pueden trabajar a presión en algunas secciones. El tipo de alcantarillado que se use depende de las características de tamaño, topografía y condiciones económicas del proyecto. Por ejemplo, en algunas localidades pequeñas, con determinadas condiciones topográficas, se podría pensar en un sistema de alcantarillado sanitario inicial, dejando correr las

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aguas de lluvia por las calles, lo que permite aplazar la construcción de un sistema de alcantarillado pluvial hasta que sea una necesidad. Unir las aguas residuales con las aguas de lluvia, alcantarillado combinado, es una solución económica inicial desde el punto de vista de la recolección, pero no lo será tanto cuando se piense en la solución global de saneamiento que incluye la planta de tratamiento de aguas residuales, por la variación de los caudales, lo que genera perjuicios en el sistema de tratamiento de aguas. Por tanto hasta donde sea posible se recomienda la separación de los sistemas de alcantarillado de aguas residuales y pluviales. Un sistema de alcantarillado por vacío consiste en un sistema de tuberías herméticas que trabajan con una presión negativa, vacío, que conducen las aguas de desecho a una estación de vacío, de donde son conducidas a un colector que las llevara a una planta de tratamiento o a un vertedero.

5. Normativa ETAPA EP (Empresa de Telecomunicaciones, Alcantarillado y Agua Potable de Cuenca). En el rediseño del sistema de alcantarillado combinado seguiremos las normativas que establece ETAPA EP en cuanto a diámetros de tuberías, velocidades de circulación de fluidos y pendientes, las mismas que serán detalladas en los parámetros de diseño.

6. Bases de Diseño. 6.1 Periodo de Diseño. Las obras de alcantarillado sanitario se realizan con una proyección con capacidad para funcionar de manera eficiente durante un plazo que se determina de acuerdo al crecimiento apreciado de la población, junto con la vida útil de los elementos usados dentro del proyecto. El periodo de diseño es el número de años durante los cuales una obra o estructura determinada ha de prestar sus servicios de manera satisfactoria para el cual fue diseñada, sin necesidad de ampliaciones, ni adecuaciones; es decir, el tiempo para el cual la obra trabaje al 100% de su capacidad y eficiencia. Para poder elegir un periodo de diseño adecuado se debe tomar en cuenta factores como:

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• Vida útil de las estructuras y equipo tomando en cuenta obsolescencia, desgaste y daños. • Facilidad o dificultad para realizar ampliaciones y planeación de nuevas etapas de construcción dentro del proyecto. • Crecimiento poblacional. Si la tasa de crecimiento es baja o promedio los periodos de diseño pueden ser máximos; caso contrario, los periodos de diseño pueden ser pequeños. • Cambios en el desarrollo social y económico de la población. • Características de financiamiento: nacional o extranjero, Público o privado. • Costos de mantenimiento en general. • Topografía del área de construcción. • Comportamiento hidráulico de las obras cuando éstas no estén funcionando a su plena capacidad.

Las normas nacionales recomiendan, que para obras como estaciones de bombeo, ramales laterales y secundarios de la red, plantas de tratamiento, que son de fácil ampliación se consideren periodos de diseño que comprenden entre 20 y 25 años. En el caso de obras grandes o de mayor envergadura tales como: colectores principales, descargas submarinas, el periodo de diseño puede llegar hasta 50 años, pero nunca menores a 20 años. Para determinar un periodo de diseño es trascendental tomar en cuenta el gasto que implica la inversión frente al beneficio que representa para la población a la cual se quiere servir. 6.2 Población. La determinación del número de habitantes, para los cuales se debe diseñar el sistema de alcantarillado, es un parámetro básico en el cálculo y diseño del proyecto. El alcance del proyecto depende de la cantidad de la población la cual será beneficiada y de su distribución dentro del área de interés. La base para cualquier tipo de proyección de población son los censos, que definen el análisis de crecimiento demográfico.

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6.3 Áreas de Aportación Sanitaria. Las áreas de aportación sanitaria son la división en varias superficies del área original del sector. Estas áreas determinan la distribución de los caudales sanitarios en cada tramo de la red de alcantarillado. Las áreas de aportación sanitaria deben ser calculadas a partir del levantamiento topográfico del terreno en donde se realizará el proyecto. Con la topografía y la densidad poblacional se puede determinar los caudales sanitarios en cada tramo de la red de alcantarillado.

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CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO Y LEVANTAMIENTO TOPOGRÁFICO 1. Levantamiento topográfico. 1.1 Introducción y definición. Es importante subrayar el origen etimológico del término topografía para, de esta manera, poder entender mejor su significado. En este caso, aquel se encuentra en el griego donde descubrimos que se determina que esté formado dicho concepto por la unión de tres partes claramente diferenciadas: topos que puede traducirse como “lugar o territorio”, el verbo grafo que es sinónimo de “escribir o pintar” y el sufijo que es equivalente a “cualidad”. Se conoce con el nombre de topografía a la disciplina o técnica que se encarga de describir de manera detallada la superficie de un determinado terreno. Esta rama, según se cuenta, hace foco en el estudio de todos los principios y procesos

que brindan la posibilidad de trasladar

a un gráfico

las

particularidades de la superficie, ya sean naturales o artificiales. Los topógrafos utilizan para su tarea sistemas bidimensionales sobre los ejes X e Y, mientras que la altura constituye la tercera dimensión. La elevación del terreno, de todas maneras, se ve reflejada en los mapas topográficos por medio de líneas que se unen con un plano de referencia, conocidas con el nombre de curvas de nivel. Dichos mapas se caracterizan, por tanto, no sólo porque representan lo que es el relieve de la superficie determinada a una escala definida claramente, sino también por el hecho de que tienen la ventaja de representar una zona muy amplia de un territorio como puede ser una provincia o incluso una región. Una circunstancia, esta última que es la que ejerce como principal diferencia respecto a lo que son los llamados planos topográficos que hacen referencia a una extensión menor de territorio. Entre las señas de identidad de ellos destacan que se suelen dividir en lo que son cuadrículas equivalentes a un kilómetro real del citado territorio, y que cuentan con las llamadas leyendas. Unos elementos estos últimos gracias a los cuales cualquier persona que tenga delante uno de estos planos podrá entender a la perfección lo que en él se representa. Y es que aquellos determinan qué símbolos identifican a lo que son los ríos, los árboles, los edificios, las carreteras o incluso los puentes.

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De la misma forma hay que subrayar que estos documentos es habitual que se utilicen en lo que son el desarrollo de actividades al aire libre. Cabe resaltar que la topografía posee un gran valor para ciencias como la agronomía, la arquitectura, la geografía y la ingeniería. La aplicación de conceptos geométricos para lograr describir la realidad física resulta muy importante en la actividad agrícola o en la construcción de edificios, por ejemplo. La actividad topográfica posee una doble dimensión: es necesario visitar el lugar en cuestión para analizarlo con los instrumentos apropiados, mientras que en una etapa siguiente se requiere del traslado de los datos recogidos a un gabinete o laboratorio para su interpretación y el desarrollo de mapas.

1.2 Levantamientos Topográficos y nivelación. 1.2.1 Levantamiento Topográfico. Se denomina levantamiento al conjunto de operaciones necesarias para representar levantamiento

topográficamente debe

hacerse

un

terreno.

con

ocasiones en que, por la índole del

Aunque

precisiones

ya

en

general,

todo

establecidas.

Hay

trabajo, puede aligerarse éste aun

cuando lleguen a cometerse errores sensibles en el plano, e incluso, a veces, basta un ligero bosquejo, con rápidas medidas, constituyendo un croquis. De aquí la clasificación de levantamientos regulares e irregulares; en los primeros se

utilizan instrumentos, más o menos precisos, que con

fundamento científico permiten obtener una representación del terreno de exactitud variable; pero, de tal naturaleza, que se compute siempre como de igual precisión en cualquier punto de la zona levantada. La exactitud de los levantamientos regulares depende desde luego, de la habilidad del operador, pero es debida principalmente a la precisión de los instrumentos empleados.

1.2.2 Planimetría. Puede entenderse a la planimetría como la parte de la topografía dedicada al estudio de los procedimientos y los métodos que se ponen en marcha para lograr representar a escala los detalles de un terreno sobre una superficie

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plana. Lo que hace la planimetría es prescindir del relieve y la altitud para lograr una representación en dirección horizontal. Se puede diferenciar la planimetría de la altimetría o hipsometría, que es la rama de la topografía que nuclea a los procedimientos y metodologías que se llevan a cabo para representar la altura de cada punto respecto a un plano que se toma como referencia. La altimetría, de esta manera, permite representar el relieve

de

un

terreno.

1.2.3 Altimetría. Realiza la medición de las diferencias de nivel o de elevación entre los diferentes puntos del terreno, las cuales representan las distancias verticales medidas a partir de un plano horizontal de referencia. La determinación de las alturas o distancias verticales también se puede hacer a partir de las mediciones de las pendientes o grado de inclinación del terreno y de la distancia inclinada entre cada dos puntos. Como resultado se obtiene el esquema vertical.

2. Tipos de levantamientos de manera general Topográficos Estos producen mapas y planos de las características naturales y hechas por el hombre. No existe una diferencia clara entre mapa y plano, pero se acepta generalmente que en los planos, los detalles se grafican y dibujan a escala exacta, mientras que en los mapas muchos de los rasgos son representados por puntos o por contornos, los cuales dan menos detalles, pero más visión del área representada.

Geodésicos. Los levantamientos Geodésicos se distinguen por la técnica y el uso que se les da. En los levantamientos Geodésicos de grandes áreas de la superficie terrestre se debe tomar en cuenta la curvatura de la misma. La red de mediciones entre puntos de este mismo sistema, son necesarios para controlar todo el levantamiento y así determinar el lugar de grandes áreas, debiendo tomar estas medidas con la calidad más alta posible.

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De Ingeniería. Estos abarcan todos los trabajos topográficos requeridos antes, durante y después de cualquier trabajo de Ingeniería. Antes de comenzar cualquier trabajo se requiere un mapa topográfico a gran escala o plano que sirva como base al diseño. La posición propuesta de cualquier nuevo tipo de construcción debe marcarse en el terreno, en planta y elevación, operación conocida como replanteo y finalmente es por lo que se requiere hacer el levantamiento. Especialmente para el diseño y construcción de nuevas rutas, caminos, ferrocarriles, y en muchos aspectos de los levantamientos, siempre se requiere calcular áreas y volúmenes de movimiento de tierra, y los datos para trazar las curvas sobre el alineamiento de la ruta.

Levantamiento longitudinal o de vías de comunicación. Son los levantamientos que sirven para estudiar y construir vías de transporte o comunicaciones como carreteras, vías férreas, canales, líneas de transmisión, acueductos, etc.

Levantamientos catastrales y urbanos. Son los levantamientos que se hacen en ciudades, zonas urbanas y municipios para fijar linderos o estudiar las zonas urbanas con el objeto de tener el plano que servirá de base para la planeación, estudios y diseños de ensanches, ampliaciones, reformas y proyecto de vías urbanas y de los servicios públicos, (redes de acueducto, alcantarillado, teléfonos, electricidad, etc.). Un plano de población es un levantamiento donde se hacen las mediciones de las manzanas, redes viales, identificando claramente las áreas públicas (vías, parques, zonas de reserva, etc.) de las áreas privadas (edificaciones y solares), tomando la mayor cantidad de detalles tanto de la configuración horizontal como vertical del terreno. Este trabajo debe ser hecho con extrema precisión y se basa

en

puntos

de

posición conocida,

fijados

previamente

con

procedimientos geodésicos y que se toman como señales permanentes de referencia. Los levantamientos catastrales comprenden los trabajos necesarios para levantar planos de propiedades y definir los linderos y áreas de las fincas

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campestres, cultivos, edificaciones, así como toda clase de predios con espacios cubiertos y libres, con fines principalmente fiscales, especialmente para la determinación de avalúos y para el cobro de impuesto predial.

Levantamientos aéreos o fotogramétricos. Se hacen por fotogrametría, generalmente desde aviones y se usan como auxiliares muy valiosos de todas las otras clases de levantamientos. Se realizan por medio de fotografías aéreas tomadas con cámaras especiales ya sea desde un avión, o desde estaciones de la tierra.

3. Errores. Las principales fuentes de errores en una nivelación son frecuentemente incorrecciones de los instrumentos cuando éstos no son revisados y ajustados antes de iniciar los trabajos, o por descuido al momento de hacer un operador las nivelaciones. Salvo algún defecto de fabricación, lo anterior puede reducirse a cero, si se revisa antes el aparato y se tiene cuidado al hacer las observaciones de vigilar constantemente la burbuja del nivel tubular, de no recargarse golpear el trípode, verificar que la graduación de la mira vertical o estadal esté correcta y asegurarse de que en cada visual el estadal esté perfectamente vertical. Si en todos los tramos entre puntos de liga es posible colocar el aparato en el centro, prácticamente no hay problemas con la curvatura y refracción; pero si por necesidades ante la forma del relieve del terreno las visuales son irregulares o muy largas, habrá que hacer las respectivas correcciones. Deberá procurarse siempre enfocar perfectamente tanto los hilos de la retícula como el objetivo. La naturaleza también desempeña un papel importante, ya que el sol y el viento nos producen dilataciones diferenciales en las partes del nivel, así como en el estadal. La refracción es irregular debido al calentamiento por el sol y se produce una reverberación que dificulta las lecturas. En casos diremos es necesario utilizar una sombrilla especial para el instrumento y acortar las distancias entre el aparato y los estadales.

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Los cambios en la longitud del estadal por efecto y la temperatura no suelen ser muy grandes pero pueden reducirse, si se requiere mayor precisión, usando estadales graduados sobre una cinta de invar 65% acero y 35% níquel. Cuando hay viento o estás trabajando en un lugar donde hay obras y la maquinaria nos producen vibraciones que alteren el nivel, el estadal o ambas cosas, será necesario interrumpir los trabajos de nivelación hasta que el viento disminuya o las máquinas se detengan. Las equivocaciones personales pueden evitarse usando métodos y registros adecuados para hacer auto-comprobaciones.

4. Clasificación de los errores. Según las causas que lo producen estos se clasifican en: Naturales. Personales. Instrumentales.

Según las forman que lo producen en: Sistemáticos. Accidentales.

Los errores más comunes son: Error por temperatura: Los cambios de temperatura producen deformaciones en las longitudes de las cintas usadas en el campo. Por ejemplo la cinta de acero se normaliza generalmente a 20º centígrado es decir que su longitud nominal corresponde a esta temperatura. Si al realizar la medición la temperatura es mayor de 20º centígrados la cinta se dilata, en caso contrario si la temperatura es menor a 20º centígrados la cinta se contrae, lo que incurre en un error por temperatura y se calcula de la siguiente forma: Cx= 0.0000117 (T-To) L To= Es la temperatura de normalización de la cinta. T= Es la temperatura promedia al realizar la medición. L= Es la longitud nominal de la cinta.

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0.0000117= Es el coeficiente de dilatación térmica de la cinta de acero.

Error por longitud incorrecta: Algunas veces las cintas traen errores en su medida. Llamamos longitud nominal a la longitud ideal o la que dice el fabricante que tiene, así la longitud real será la comparada por un patrón la conexión, es decir la que en verdad tiene. La corrección por longitud errónea se obtiene mediante la siguiente fórmula: CL= L´- L L´= Es la longitud real de la cinta producida del contraste del patrón. L= Es la longitud nominal de la cinta. CL= Corrección de la longitud.

Error por falta de horizontalidad: Cuando el terreno es dependiente uniforme, se puede hacer la medición directamente sobre el terreno con menos error que en el banqueo partiendo de la medición en pendiente se calcula la distancia horizontal la corrección por falta de horizontalidad es: Ch= h²/ (2S) h= Es el desnivel entre los puntos externos de la cinta s= Es la distancia de la parte inclinada del terreno

Error por catenaria: Se da por la forma convexa que presenta la cinta suspendida entre dos apoyos debido principalmente al peso de la cinta y a la tensión aplicada al momento de realizar la medición estos aspectos hacen que se acorte la medida de la distancia horizontal entre las graduaciones de dos puntos de la cinta la corrección es: Cc= -W2L /24p2 W= Peso de la cinta en kilogramos. p= Es la tensión aplicada al realizar la medición en kilogramos.

5. Instrumentos. 5.1 Teodolito. Un teodolito o tránsito es un instrumento el cual está diseñado para realizar trabajos que son útiles para el ingeniero civil, tal es el caso de los levantamientos

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topográficos que posteriormente le servirán para diseñar proyectos, efectuar trazos, supervisar las obras que se están ejecutando o simplemente para conocer la superficie de un terreno. El diseño de los tránsitos o teodolitos tienen como objetivo una gran variedad

de

aplicaciones,

que

pueden

ser

la

medida

y

trazo

de

ángulos horizontales, direcciones, ángulos verticales y las diferentes elevaciones de los puntos de la tierra.

TEODOLITO DE LECTURA ELECTRÓNICA. Este tipo de teodolitos cuentan con un dispositivo electrónico que permite leer los ángulos horizontales y verticales en una pantalla (display) en forma digital, y también se caracterizan por su aproximación ya que existen de 1”,5” y 10” y algunos se identifican por el color y la marca. Ángulos horizontales, medición simple por repeticiones y por reiteraciones. Medición de ángulos por repeticiones. Por medio de un tránsito para ingeniero o teodolito de repetición puede acumularse mecánicamente un ángulo horizontal y la suma puede leerse con la misma precisión que el valor sencillo.

5.2 ESTACIÓN TOTAL. La estación total es uno de los aparatos topográficos de mayor difusión en la actualidad. Su potencia, flexibilidad, precisión, sencillez de manejo y posibilidades de conexión con ordenadores personales son los principales factores que han contribuido a su gran aceptación. Las estaciones totales han venido, desde hace ya varios años, a facilitar enormemente la toma de datos en campo, mediante procedimientos automáticos. Todo ello ha contribuido a una notable mejora en las condiciones de trabajo de la ingeniería civil, así como a un mayor rendimiento en los levantamientos y el replanteo posterior. A la hora de elegir una estación total debemos tener en cuenta nuestras necesidades actuales y futuras, así como la rentabilidad que vamos a obtener del aparato.

FUNCIONES BASICAS DE LA ESTACION TOTAL. En esencia, una estación total permite efectuar las mismas operaciones que se efectuaban antes con otros aparatos como los taquímetros o teodolitos. La

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gran diferencia es que ahora se aprovechan más las grandes posibilidades que nos brinda la microelectrónica. De esta manera la medida indirecta de distancias se convierte en un proceso sencillo en el que basta pulsar una tecla tras haber hecho puntería sobre un prisma situado en el punto de destino. Tampoco es necesario efectuar tediosos cálculos para determinar las coordenadas cartesianas de los puntos tomados en campo, sino que en forma automática, la estación nos proporciona dichas coordenadas. Para realizar todas estas operaciones, las estaciones totales disponen de programas informáticos incorporados en el propio aparato. Todas las funciones del mismo, así como la información calculada, son visibles a través de una pantalla digital y un teclado. Mediante una estación total podemos determinar la distancia horizontal o reducida, la distancia geométrica, el desnivel, la pendiente en %, los ángulos horizontales y verticales, así como las coordenadas cartesianas X, Y, Z del punto de destino, estas últimas basadas en las que tienen asignadas el aparato en el punto de estacionamiento. Para ello basta con estacionar el aparato en un punto cuyas coordenadas hayamos determinado previamente o sean conocidas de antemano, por pertenecer a un sistema de referencia ya establecido, y situar un prisma, en el punto que deseamos determinar, a continuación se hace puntería sobre el prisma, enfocándolo adecuadamente según la distancia a que nos encontremos del mismo y se pulsa la tecla correspondiente para iniciar la medición.

5.3 GPS. GPS (Global Positioning System) (Sistema de posicionamiento global): Es un sistema global de navegación por satélite que permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona o un vehículo con una precisión hasta de centímetros (si se utiliza GPS diferencial), aunque lo habitual son unos pocos metros de precisión. El sistema fue desarrollado, instalado y actualmente operado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos. El GPS funciona mediante una red de 24 satélites en órbita sobre el planeta tierra, a 20.200 km, con trayectorias sincronizadas para cubrir toda la superficie de la Tierra. Cuando se desea determinar la posición, el receptor que se utiliza para ello localiza automáticamente como mínimo tres satélites de la red, de los que recibe unas señales indicando la identificación y la hora del reloj de cada

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uno de ellos. Con base en estas señales, el aparato sincroniza el reloj del GPS y calcula el tiempo que tardan en llegar las señales al equipo, y de tal modo mide la distancia al satélite mediante triangulación la cual se basa en determinar la distancia de cada satélite respecto al punto de medición. Conocidas las distancias, se determina fácilmente la propia posición relativa respecto a los tres satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenada reales del punto de medición.

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CAPÍTULO III DISEÑO DE LA RED. 1. Período de diseño. Es el tiempo para el cual se estima que un sistema va a funcionar satisfactoriamente, el establecimiento del periodo de diseño de un proyecto depende de los siguientes factores: a) La vida útil de las estructuras o equipamientos teniéndose en cuenta su desgaste. b) La facilidad o dificultad de la ampliación de las obras existentes. c) Las tendencias de crecimiento de la población futura. d) El comportamiento de las obras durante los primeros años o sea cuando los caudales iniciales son inferiores a los caudales de diseño. El periodo de diseño es por definición el tiempo que transcurre desde la iniciación del servicio del sistema, hasta que por falta de capacidad o desuso, sobrepasan las condiciones establecidas en el proyecto. Para redes de distribución es conveniente poner un periodo de diseño que varía entre 25 y 30 años y para poblaciones pequeñas muy necesitadas, este periodo se puede tomar de 15 a 20 años. Las tuberías de PVC tienen una vida útil de 50 años según las especificaciones técnicas que los fabricantes proporcionan.

2. Población a servir. La población que será servida comprende los habitantes de los Barrios Santa María, La libertad y San Martín en la parroquia Sayausí. Para estimar la población de diseño se utilizará el método geométrico, Involucrando en forma directa a la población actual que tributará para el sistema de drenaje y la tasa de crecimiento del lugar. Pf = Po(1+r)n Donde: Pf = población futura. Po = población inicial. r = incremento poblacional, porcentual. n = período de diseño

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Según el código ecuatoriano para el diseño de la construcción de obras sanitarias nos da la siguiente tabla de tasas de crecimiento poblacional:

REGIÓN GEOGRÁFICA

r (%)

Sierra

1.0

Costa, Oriente y Galápagos

1.5

3. Cálculo de caudales. Está compuesto por la suma de los diferentes caudales que se integran a un mismo sistema. En este caso los caudales que se calcularán serán el sanitario y de aguas lluvias.

3.1 Caudal domiciliar sanitario. Es la aportación unitaria o específica de aguas servidas de uso doméstico introducidas a un sistema de alcantarillado, el cual es directamente proporcional a la dotación con que se provee a cada domicilio.

Qdom.= (Dotación * No. de hab. futuro * factor de retorno)/ 86,400

3.1.1 Factor de retorno. Este factor se determina teniendo en cuenta que del 100% de agua potable que ingresa a un domicilio, entre el 20% a 30% se utilizan en actividades en las cuales se consume, se evapora o se desvía a otros puntos y del restante 70% a 80% después de ser utilizado es desfogado al sistema de alcantarillado. En este caso aplicamos un factor de retorno de 80%.

3.1.2 Factor de flujo instantáneo. Es un factor que está en función del número de habitantes, localizados en el área de influencia; regula un valor máximo de las aportaciones por uso doméstico para las horas pico. Se expresa por medio de la fórmula de Hardmon, cuyo valor disminuye si la población aumenta, y aumenta si la población analizada disminuye.

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FH: (18 +√P)/(4+√P) 3.1.3 Factor de caudal medio. Este es un factor que regula la aportación de caudal en la tubería. Se considera que es el caudal que aporta cada habitante, más la suma de todos los caudales, que son: doméstico, de infiltración, por conexiones ilícitas, comercial e industrial, entre la población total. Este factor debe estar entre los rangos de 0.002 a 0.005. Si da un valor menor se tomará 0.002, y si fuera mayor se tomará 0.005, considerando siempre que este factor no esté demasiado distante de los rangos máximo y mínimo establecidos, ya que podría quedar sub diseñado o sobre diseñado el sistema, según fuera el caso.

Fqm = Q medio / No. de habitantes futuro.

Donde: Q medio = Q doméstico + Q infiltración + Q Conexiones ilícitas.

Caudal de Aguas de Infiltración. Las aguas de infiltración siempre están presentes en los sistemas de alcantarillado y dependen de varios factores como: cuidado en la construcción del sistema, tipo de suelo, altura del nivel freático, parte de los conductos pueden quedar sumergidos en el agua.

Qinf = 0.1 * A

Donde: Qinf = Caudal de aguas de infiltración [l/s] A = Área de proyecto [Ha]

Caudal de Aguas Ilícitas Consideradas aquellas contribuciones de aguas lluvias en el alcantarillado sanitario de carácter ilegal a través de conexiones clandestinas.

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Qi = 80 * PA Donde: Qi = Caudal de aguas ilícitas [l/día] PA = Población aportante [hab]

4. Caudal de Diseño. 4.1 Caudal de aguas servidas. COEFICIENTE DE SIMULTANEIDAD O MAYORACIÓN (M). El caudal medio de aguas servidas se utilizará siempre como parámetro para obtener el caudal máximo instantáneo, se lo afectará del coeficiente de simultaneidad "M" igual a:

M= 3.697 / Q 0.073325 Donde: M = Coeficiente de simultaneidad o mayoración. Condición: M = 4, cuando Q < 4 l/s Rango de límites = 1,5 ≥ M ≤ 4 Q = Caudal medio diario de aguas servidas en (l/s).

El caudal medio de las aguas residuales será igual al 70% de la dotación de agua potable. La dotación es de 170 + 40 (por fugas) = 210 l/h/d para el final del período de diseño. Se considerará este caudal afectado por el coeficiente de simultaneidad o mayoración (M). Debiendo, aplicar la fórmula:

Donde: Qmax = Caudal Máximo (l/s). PP = Población Proyectada. M = Coeficiente de Mayoración.

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0,1 A = Caudal de infiltración. A = Área en Hectáreas.

Puesto que el área de estudio no dispone de abastecimiento de agua potable, sino de agua entubada, el caudal medio de las aguas residuales, conforme se indicó anteriormente, será función de la dotación de agua potable real para el final del período de diseño.

4.2 Caudal pluvial. La aportación de aguas lluvias, para drenaje de hasta 200Ha, se determinará por el Método Racional cuya fórmula es:

Donde: Q = caudal en l/seg. C = coeficiente de escurrimiento. A = área de drenaje en hectáreas. I = intensidad de lluvia en mm/hora.

Intensidad de lluvia.

Donde: I = Intensidad de lluvia (mm/h). Ln = Logaritmo natural. T= tiempo (minutos) de concentración de la lluvia + tiempo de recorrido = (tc + tf = t). tc = tiempo de concentración, el inicial mínimo 12 minutos o el calculado con fórmula:

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Y para el Tiempo de Recorrido:

L = Li = Longitud del Colector (m). Vi = Velocidad en el colector (m/s).

Dicha ecuación está en función de las isolíneas de intensidad de precipitación, para un periodo de retorno de 10 años (TR 10 años), en función de la máxima precipitación en 24 horas.

ITR = Intensidad de lluvia en (mm/h), y en función del período de retorno TR= 10 años. t = Tiempo de concentración en (minutos).

IdTR = Factor que depende de las isolíneas, y éstas a su vez de la posición geográfica de las estaciones que se encuentran en todo el país.

Los períodos de retorno (T) que la hoja de cálculo considera para la determinación del caudal de aguas lluvias son de 10 años, y guardan concordancia con los valores adoptados para el diseño de redes principales.

Método Racional. Se aplica en cuencas de áreas con una superficie de aporte de hasta 200 Ha, para el Coeficiente de Escurrimiento (C); se recomiendan los valores siguientes: 0.70 Para centros urbanos con densidad de población cercana a la de saturación y con calles asfaltadas. 0.60 Para zonas residenciales de densidad, D ≥ 200 hab/Ha 0.55 Para zonas con viviendas unifamiliares, 150 < D < 200 0.50 Para zonas con viviendas unifamiliares, 100 < D < 150

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0.40 Para zonas con viviendas unifamiliares, D < 100 0.40 Para zonas Rurales con población

5. Velocidad de Diseño. Para el cálculo de la velocidad se empleará la fórmula de ManningStrickler, cuya expresión es:

Donde: V = velocidad (m/s) J = pendiente del conducto R = radio hidráulico (R=A/P) η = coeficiente de rugosidad El coeficiente de rugosidad η se seleccionará de la tabla 2.1

5.1 Criterios de Velocidad en los Conductos.

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V. mín. a tubo lleno 0,90 m/s

V. mín. de auto limpieza 0,50 m/s

(*)V. máxima de diseño en tuberías de hormigón 6,00 m/s

(*)V. máxima de diseño en canales y colectores, de hormigón armado, y tubos termoplásticos o PVC 9,00 m/s

(*) Para velocidades superiores a estas, se proyectarán y diseñarán estructuras hidráulicas de disipación de energía que permitan pasar de régimen supercrítico a régimen subcrítico a la salida de dichas estructuras.

Cálculos Hidráulicos de la Red. Las tuberías y colectores se diseñarán a tubo-sección parcialmente lleno, con el 80% como máxima capacidad a ser utilizada en el tramo y en condiciones de flujo a gravedad.

6. Velocidades máximas y mínimas de diseño. 6.1 Velocidad y Caudal a sección llena. La velocidad del flujo está determinada por la pendiente del terreno, el diámetro de la tubería y el tipo de tubería a utilizar sea esta de concreto o PVC. Consideraremos la velocidad de auto limpieza como aquella tal que pueda arrastrar la materia sólida característica de las aguas servidas para evitar la sedimentación de los mismos. La velocidad del flujo se determina mediante la fórmula de Manning y las relaciones hidráulicas de v/V, en donde (v) es la velocidad real del flujo y (V) es la velocidad del flujo a sección llena.

Se tiene que:

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V = [R^ (2/3) * S^ (1/2)] / n

Donde: V = velocidad de flujo a sección llena R = radio hidráulico (R = D / 4) D = diámetro de la tubería S = Pendiente n = coeficiente de rugosidad

La fórmula puede expresarse así:

V = {[(D / 4) ^ (2/3)] * [S^ (1/2)]} / n

Para caudal a sección llena (Q)

Q=V*A

Donde: Q = caudal a sección llena V = velocidad de flujo a sección llena A = área de la tubería

El flujo a sección llena se presenta en condiciones especiales. Se debe destacar que la condición normal de flujo en conductos circulares de alcantarillado, es a sección parcialmente llena, con una superficie de agua libre y en contacto con el aire; por lo que, en el diseño es necesario determinar el caudal, velocidad, tirante y radio hidráulico. Para el cálculo es necesario utilizar las propiedades hidráulicas de la sección circular que relacionan las características de flujo a sección llena y parcialmente llena. De los parámetros ecuatorianos tenemos que para los cálculos hidráulicos las tuberías se diseñaran a tubo parcialmente lleno, con el 80% de capacidad máxima de la sección del tramo. Se mantendrá siempre las condiciones de flujo a gravedad en los colectores o tuberías.

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6.2 Velocidad mínima de diseño (v). Es usual que cuando la tubería trabaja con caudales menores que el caudal de diseño, se presente sedimentación de los sólidos transportados en las aguas residuales. Con el objeto de lograr la re-suspensión del material sedimentado, se debe diseñar una tubería con características de auto limpieza definida según criterios de velocidad mínima. La velocidad real mínima recomendada para alcantarillados convencionales que transportan aguas residuales es de 0,45m/s, los alcantarillados sanitarios deben diseñarse con velocidades mayores a 0,4m/s. Según el código ecuatoriano para el diseño de la construcción de obras sanitarias la velocidad de las aguas residuales en los colectores, en cualquier año del período de diseño, no debe ser menor que 0,45m/s y que preferiblemente sea mayor a 0,6m/s, para impedir la acumulación de gas sulfhídrico en el líquido.

6.3 Velocidad máxima de diseño (v). Según los parámetros ecuatorianos tenemos que la velocidad máxima de diseño en tuberías de hormigón es de 6m/s limitación dada para reducir el daño por abrasión en los conductos debido al arrastre de materiales como la arena; si al realizar el diseño obtuviéramos velocidades mayores a la máxima se proyectará y diseñará estructuras hidráulicas de disipación de energía que permitan pasar de régimen supercrítico a régimen subcrítico a la salida de dichas estructuras. Para los dos tipos de materiales de tubería, hormigón o PVC, la velocidad máxima de diseño no debe sobrepasar los 5m/s para así evitar la abrasión de la tubería.

MATERIAL

VELOCIDAD MÁXIMA m/s

RUGOSIDAD

Hormigón simple Con uniones de mortero

4

0.013

Con uniones de neopreno Asbesto cemento Plástico

4.5 – 5

0.011

4.5

0.011

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6.4 Tirante o profundidad del flujo. El tirante o profundidad del flujo se determina mediante las relaciones hidráulicas, la relación d/D deberá ser mayor o igual al 10% del diámetro interior de la tubería, y menor o igual al 75% del mismo. Es decir: 0,10 =< d / D