manual ingenieria tigre-ads_cap 3 hidraulica (1)

Manual de Ingeniera Tigre-ADS HIDRULICA 3-1

TIGRE-ADS, Diciembre 2010

3-0 HIDRULICA

TABLA DE CONTENIDOS

3-1 Consideraciones Hidrulicas ..........................................................3-2

3-2 Valores n de Manning de Diseo..................................................3-2

3-3 Curvas de Descarga .........................................................................3-3

3-4 El Mtodo de Conduccin ................................................................3-6

3-5 Velocidad Mnima.............................................................................3-11

3-6 Velocidad Mxima............................................................................3-11

3-7 Presiones Constantes.....................................................................3-12

3-8 Alcantarillas de Camino..................................................................3-13

3-9 Ejemplos ..........................................................................................3-14

3-10 Referencias......................................................................................3-16

Figuras

3-1 Tasas de Descarga para Tuberas Corrugadas de Interior Liso TIGRE-ADS...3-5

3-2 Tasas de Descarga para Tuberas de Pared Simple TIGRE-ADS .....3-6

Tablas

3-1 Valores de Diseo n de Manning para Productos TIGRE-ADS........3-8 3-2a Factores de Conduccin (Unidades Estndar) ..................................3-9 3-2b Factores de Conduccin (Unidades Mtricas) ................................3-10 3-3 Coeficientes de Prdida de Carga en la Entrada......................... 3-14

El COMPRADOR/USUARIO ES RESPONSABLE DEL NIVEL DE SERVICIO DEL PRODUCTO EN CUALQUIER APLICACIN DADA. EL VENDEDOR NO ES RESPONSABLE POR LESIONES O DAOS RESULTANTES DE UNA INSTALACIN INCORRECTA, EL NO CUMPLIMIENTO DE LAS PRESENTES DIRECTRICES PARA LA INSTALACIN DEL PRODUCTO, O SU USO FUERA DE LAS RECOMENDACIONES ESTABLECIDAS EN EL PRESENTE DOCUMENTO.



3-1 CONSIDERACIONES HIDRAULICAS

La ecuacin de Manning es la forma ms reconocida para determinar la capacidad de flujo conduccin de una tubera en aplicaciones de conduccin flujo gravitacional. Es as comoComo tal, proporciona la base de la consideracin del diseo hidrulico para la tubera corrugada de el polietileno corrugado de alta densidad (o HDPE, por su sigla en ingls) y la tubera de polipropileno (PP).

Una vez definidas la capacidad requerida y la pendiente de diseo del proyecto, Llas curvas de descarga permiten eldimensionar calibrado de la tubera por medio del uso de grficasgrficos, una vez que se haya establecido el diseo de los requisitos de capacidad y e inclinacin. Cada producto tendr asociada su propia curva de descarga con base en su valor n de Manning. Esta seccin proporciona capacidades de flujo segn los valores n de diseo recomendados para los productos Tigre-ADS. Algunos factores como curvas, conexiones a cmaras, escombros y sedimentos, entre otros, tienen como resultado prdidas hidrulicas que afectarn la capacidad de flujo real y debieran ser consideradas al momento de seleccionar la tubera.

Al reducir todos los coeficientes y constantes en la ecuacin de Manning a un solo factor, llamado Factor de Conduccin (K), se puede utilizar otra alternativa de mtodo para la determinacin del tamao de las tuberas. Sabiendo el valor n de Manning para diferentes materiales de tuberas, el uso de tablas de factores de conduccin permitir al diseador comparar fcilmente diversas opciones de productos. El uso de este mtodo frecuentemente resulta en ms de una clase y tamao de tuberas que pueden ser factibles para un mismo proyecto, permitiendo al diseador comparar opciones y determinar la mejor solucin segn anlisis costo-beneficio.

En la seleccin final de una tubera debiera incluirse tambin una revisin de las velocidades de conduccin. Velocidades mayores ayudan a que los sedimentos en las aguas pluviales u otros no se mantengan en el fondo de la tubera. Menor sedimentacin implica adems reduccin en la frecuencia del mantenimiento, permitiendo que la funcin hidrulica de la tubera se mantenga a lo largo de su vida til. No obstante, estas velocidades igualmente deben estar dentro de los lmites mximos aceptables para cada tubera y su sistema asociado.

3-2 VALORES n DE MANNING DE DISEO Dentro de la industria de tuberas, existe un amplio rango de valores para el coeficiente de rugosidad n de Manning para diversos tipos de tubos. Cuando se disea cualquier sistema con flujo gravitacional, es importante considerar varios aspectos antes de seleccionar un valor n para un material de tubera especfico.



1. Los valores n de Manning para cualquier material de tubera dependern de la altura del flujo en una tubera parcialmente llena y de la velocidad del flujo en condicin de tubo lleno. Los valores n de Manning comnmente se proporcionan para condiciones de flujo a tubo lleno, pero esto no debiese asumirse a menos que se seale especficamente. Para la mayora de los clculos, se asume que n es una constante; sin embargo, queda a criterio del diseador el usar un valor constante o variable para n.

2. Las alcantarillas, drenajes pluviales y drenajes sanitarios estn expuestos a la presencia de basuras y sedimentos en su interior, los cuales afectan negativamente la capacidad de conduccin. Cuando esto ocurre, es recomendable ajustar el valor n de diseo de acuerdo a estas condiciones. La textura de la pared interna del tubo, su geometra, la separacin de las uniones y el tipo de material de la tubera tambin pueden facilitar o no la presencia de basuras y sedimentos, dependiendo de la facilidad de estas partculas de adherirse a la superficie de la tubera o quedar atrapada en otras obstrucciones internas.

Pruebas realizadas en el Laboratorio de Investigacin del Agua de la Universidad Estatal de Utah (Utah State University Water Research Laboratory), entregan valores n de Manning mnimos menores a 0,010 para una tubera corrugada de HDPE con pared interna lisa. Con el fin de adaptarse a las condiciones reales de terreno e incorporando un factor seguridad, Tigre-ADS recomienda usar un valor n de Manning entre 0.010 y 0.012, para productos corrugados de polietileno de alta densidad con pared interior lisa. En general, es una prctica comn en ingeniera incluir un factor seguridad del 20% al 30% a los valores Manning determinados en pruebas de laboratorio Esto implicara utilizar un n de Manning de 0.012 como valor de diseo paras tuberas corrugadas de interior liso Tigre-ADS. La Tabla 3-1 muestra valores n de Manning recomendados para diferentes productos de tuberas Tigre-ADS.

3-3 CURVAS DE DESCARGA La relacin matemtica entre los trminos incluidos en la frmula de Manning a menudo se muestra por medio de Curvas de Descarga. Las curvas de descarga son un mtodo para seleccionar un tamao de tubera adecuado, una vez que se han determinado la capacidad requerida y la pendiente.

Las curvas de descarga para los productos de tuberas corrugadas de polietileno de alta densidad Tigre-ADS bajo condiciones estables de flujo gravitacional se muestran en las Figuras 3-1 a la 3-2.



Figura 3-1 Tasas de Descarga para Tuberas Corrugadas de Interior Liso Tigre-ADS (N-12, N-12 ST y N-12

WT).

Nota: - Basado en los valores n de Manning de diseo sealados en la Tabla 3-1, segn dimetro

correspondiente. - La tubera puede no estar disponible en todos los dimetros mostrados. - Las lneas slidas indican los dimetros de la tubera. Las lneas punteadas indican la velocidad promedio aproximada.

1cfs = 0.02832 m3/s 1ft/s = 0.30480 m/s 1% = 0.01 ft/ft

0 .10

1 .00

10 .00

100 .00

1000 .000.01%

0.10%

1.00%

10.00%

S lo p e o f p ip e in fe e t p e r 1 00 ft (%slo p e )

Flo

w c

apac

ity

(cfs

)

300 .00

400 .00

500 .00

200 .00

20 .0 0

3 .0 0

2 .00

50 .0 0

40 .0 0

30 .0 0

0 .50

0 .40

0 .30

0 .20

5 .0 0

4 .0 0

8 fps (2 .4m /s )

40 f p s ( 12 .2m/s )

35 f p s ( 10 .7m/s )

31 f p s ( 9 .4m/s )

27 fps (8 .2m /s )

25 fps (7 .6m /s )

23 fps (7 .0m /s )

21 fps (6 .4m /s )

19 fps (5 .8m /s )

17 fps (5 .2m /s )

15 fps (4 .6m /s )

13 fps (4 .0m /s )

10 fps (3 .0m /s )

9 fps (2 .7m /s )

0.02%

0.03%

0.05%

0.04%

0.20%

0.30%

0.50%

0.40%

2.00%

3.00%

5.00%

4.00%

6 (15

0mm)

8 (20

0mm)

10 (250m

m)

12 (30

0mm)

15 (37

5mm)

18 (45

0mm)

24 (60

0mm)

30 (75

0mm)

36 (90

0mm)

42 (1050

mm)48

(1200m

m)

60 (1500

mm)

54 (1350

mm)

1fps (0.3m/s)

2fps (0.6m/s)

3fps (0.9m/s)

4fps (1.2m/s)

5fps (1.5m/s)

6fps (1.8m/s)

7fps (2.1m/s)

4 (10

0mm)

0 .10

1 .00

10 .00

100 .00

1000 .000.01%

0.10%

1.00%

10.00%

S lo p e o f p ip e in fe e t p e r 1 00 ft (%slo p e )

Flo

w c

apac

ity

(cfs

)

300 .00

400 .00

500 .00

200 .00

20 .0 0

3 .0 0

2 .00

50 .0 0

40 .0 0

30 .0 0

0 .50

0 .40

0 .30

0 .20

5 .0 0

4 .0 0

8 fps (2 .4m /s )

40 f p s ( 12 .2m/s )

35 f p s ( 10 .7m/s )

31 f p s ( 9 .4m/s )

27 fps (8 .2m /s )

25 fps (7 .6m /s )

23 fps (7 .0m /s )

21 fps (6 .4m /s )

19 fps (5 .8m /s )

17 fps (5 .2m /s )

15 fps (4 .6m /s )

13 fps (4 .0m /s )

10 fps (3 .0m /s )

9 fps (2 .7m /s )

0.02%

0.03%

0.05%

0.04%

0.20%

0.30%

0.50%

0.40%

2.00%

3.00%

5.00%

4.00%

6 (15

0mm)

8 (20

0mm)

10 (250m

m)

12 (30

0mm)

15 (37

5mm)

18 (45

0mm)

24 (60

0mm)

30 (75

0mm)

36 (90

0mm)

42 (1050

mm)48

(1200m

m)

60 (1500

mm)

54 (1350

mm)

1fps (0.3m/s)

2fps (0.6m/s)

3fps (0.9m/s)

4fps (1.2m/s)

5fps (1.5m/s)

6fps (1.8m/s)

7fps (2.1m/s)

4 (10

0mm)



Figura 3-2 Tasas de Descarga para Tuberas de Pared Simple Tigre-ADS (SW, Heavy Duty)

Nota: - Basado en los valores n de Manning de diseo sealados en la Tabla 3-1, segn dimetro

correspondiente. - La tubera puede no estar disponible en todos los dimetros mostrados. - Las lneas slidas indican los dimetros de la tubera. Las lneas punteadas indican la velocidad promedio aproximada.

1cfs = 0.02832 m3/s 1ft/s = 0.30480 m/s 1% = 0.01 ft/ft

3(75m

m)

0 .10

1 .00

10 .00

100 .000.01%

0.10%

1.00%

10.00%

S lop e o f p ip e in fe e t p e r 1 0 0 ft (%s lope )

Flo

w c

ap

ac

ity

(c

fs)

20 .0 0

3 .00

2 .00

50 .0 0

40 .0 0

30 .0 0

0 .50

0 .40

0 .30

0 .20

5 .00

4 .00

8 f p s ( 2 .4m/s )

1 0 f ps (3 .0m/s )

9 f p s ( 2 .7m/s )

7 f p s ( 2 .1m/s )

5 f p s ( 1 .5m/s )

6 f p s ( 1 .8m/s )

0.02

%

0.03%

0.04

%

0.05%

0.20%

0.30%

0.40%

0.50%

2.00%

3.00%

4.00%

5.00%

6(150mm)

8(200mm)

10 (250m

m)12

(300m

m)

15 (375m

m)18

(450m

m)

24 (600m

m)

4(100mm)

1fps (0

.3m/s)

2fps (0

.6m/s)

3fps (0

.9m/s)

4fps (1

.2m/s)



3-4 EL MTODO DE CONDUCCIN

El Mtodo de Conduccin (Conveyance Method, en ingls) es una forma prctica para seleccionar varias opciones de tuberas que satisfagan los requerimientos de capacidad de flujo de un proyecto. Los factores de conduccin se basan en una versin muy simplificada de la ecuacin de Manning mostrada en la Ecuacin 3-1 y 3-1(a). El anlisis, los ejemplos de problemas y las secciones siguientes asumen que el flujo en la tubera es a tubo lleno. Este supuesto permite un anlisis simplificado pero an as preciso de las condiciones dadas. Cada proyecto debe ser evaluado caso a caso para determinar el mejor y ms representativo mtodo de diseo.

Ecuacin 3-1

Donde:

Q = capacidad de la tubera, (ft3/s, pies cbicos por segundo) n = n de Manning A = rea de la seccin transversal de flujo del tubo (ft2, pies

cuadrados) R = radio hidrulico (ft, pies):

P = Permetro mojado (ft, pies); (Circunferencia interna de la

tubera, o () (dimetro interno) para condiciones de flujo a tubo lleno)

S = pendiente del tubo (ft/ft) O, en unidades mtricas:

Ecuacin 3-1(a)

Donde:

Q = capacidad de la tubera, (m3/s) n = n de Manning A = rea de la seccin transversal de flujo del tubo (m2) R = radio hidrulico (m): P = Permetro mojado (m); (Circunferencia interna de la tubera,

o () (dimetro interno) para condiciones de flujo a tubo lleno)

n

)S)(R)(A)(486.1(Q

2/13/2

=



S = pendiente del tubo (m/m)

Para una instalacin especfica con flujo a tubo lleno, los parmetros n, A y R se pueden definir fcilmente como constantes. La capacidad de transporte o factor de conduccin de la tubera puede ser definida como se muestra en la Ecuacin 3-2 o 3-2(a).

Ecuacin 3-2

O, en unidades mtricas:

Ecuacin 3-2(a)

Por sustitucin, la frmula de Manning puede reducirse a la siguiente ecuacin:

Ecuacin 3-3

La Ecuacin 3-3 puede tambin escribirse como se muestra en la Ecuacin 3-4.

Ecuacin 3-4

La sustitucin directa de las condiciones de diseo en la Ecuacin 3-4 determinar el factor de conduccin mnimo admisible. La Tabla 3-2a o la 3-2b se usan entonces como referencia para seleccionar la tubera tomando un factor de conduccin al menos igual o mayor al calculado. Las Tablas 3-2a y 3-2b requieren conocer valor n de Manning. Estas tablas pueden ser usadas tambin para cualquier material si se conoce su n de Manning especfico. El n de Manning es un valor crtico en el concepto de conduccin. Para tuberas de un mismo dimetro e inclinacin, el parmetro n de Manning ser el nico factor que afectar el factor conduccin y, por lo tanto, la capacidad del tubo. Cuando se comparan condiciones idnticas, el factor de conduccin tiene una relacin directa con la capacidad del tubo. Es decir, si la inclinacin se mantiene constante, triplicar el factor de conduccin triplicar la capacidad; dividir en dos el factor de conduccin reducir la capacidad a la mitad. Algunos ejemplos de problemas que involucran factores de conduccin son presentados ms adelante.



Tabla 3-1 Valores de Diseo n de Manning para productos Tigre-ADS

Valores n de Manning de Diseo para Tubera corrugada de HDPE Tigre-ADS * Producto Dimetro Diseo de n de Manning

N-12, N-12 ST IB, N-12 WT IB

100 a 1500 mm (4 - 60)

n = 0,012

Pared Simple, (SW) **

450 a 600 mm(18 - 24) 300 a 375 mm(12 - 15)

250 mm (10) 200 mm (8)

75 a 150 mm (3 - 6)

n = 0,020 n = 0,018 n = 0,017 n = 0,016 n = 0,015

Ecuaciones de Conduccin: k = Q/(s^0,5) Q = k s^0,5 * Corrugated Polyethylene Pipe Association (2000), Hydraulic Considerations for Corrugated Polyethylene Pipe (Asociacin de Tuberas de Polietileno Corrugado, Consideraciones hidrulicas para tuberas de polietileno corrugado). ** En Chile, los dimetros disponibles para tubera SW son (4 y 6). Consulte a su proveedor local para otros dimetros.

Manual de Ingeniera TIGRE-ADS HIDRULICA 3-9


Tabla 3-2a Factores de Conduccin (Unidades Estndar)

Factores de Conduccin para Tubera Circular con Flujo a Tubo Lleno

Valores "n" de Manning Dia.

(pulg) Area (ft2)

0.009

0.010

0.011

0.012

0.013

0.014

0.015

0.016

0.017

0.018

0.019

0.020

0.021

0.022

0.023

0.024

0.025

3 0.05 1.3 1.1 1.0 1.0 0.9 0.8 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.6 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 4 0.09 2.7 2.5 2.2 2.1 1.9 1.8 1.6 1.5 1.5 1.4 1.3 1.2 1.2 1.1 1.1 1.0 1.0 6 0.20 8.1 7.3 6.6 6.1 5.6 5.2 4.9 4.6 4.3 4.1 3.8 3.6 3.5 3.3 3.2 3.0 2.9 8 0.35 17.5 15.7 14.3 13.1 12.1 11.2 10.5 9.8 9.2 8.7 8.3 7.9 7.5 7.1 6.8 6.5 6.3 10 0.55 31.6 28.5 25.9 23.7 21.9 20.3 19.0 17.8 16.8 15.8 15.0 14.2 13.6 12.9 12.4 11.9 11.4 12 0.79 51.5 46.3 42.1 38.6 35.6 33.1 30.9 28.9 27.2 25.7 24.4 23.2 22.1 21.1 20.1 19.3 18.5 15 1.23 93.3 84.0 76.3 70.0 64.6 60.0 56.0 52.5 49.4 46.7 44.2 42.0 40.0 38.2 36.5 35.0 33.6 18 1.77 151.7 136.6 124.1 113.8 105.0 97.5 91.0 85.3 80.3 75.9 71.9 68.3 65.0 62.1 59.4 56.9 54.6 21 2.41 228.9 206.0 187.3 171.6 158.4 147.1 137.3 128.7 121.2 114.4 108.4 103.0 98.1 93.6 89.6 85.8 82.4 24 3.14 326.8 294.1 267.3 245.1 226.2 210.1 196.1 183.8 173.0 163.4 154.8 147.0 140.0 133.7 127.9 122.5 117.6 27 3.98 447.3 402.6 366.0 335.5 309.7 287.6 268.4 251.6 236.8 223.7 211.9 201.3 191.7 183.0 175.0 167.8 161.0 30 4.91 592.5 533.2 484.7 444.3 410.2 380.9 355.5 333.3 313.7 296.2 280.6 266.6 253.9 242.4 231.8 222.2 213.3 33 5.94 763.9 687.5 625.0 572.9 528.9 491.1 458.3 429.7 404.4 382.0 361.9 343.8 327.4 312.5 298.9 286.5 275.0 36 7.07 963.4 867.1 788.2 722.6 667.0 619.3 578.0 541.9 510.0 481.7 456.4 433.5 412.9 394.1 377.0 361.3 346.8 42 9.62 1453.2 1307.9 1189.0 1089.9 1006.1 934.2 871.9 817.5 769.4 726.6 688.4 654.0 622.8 594.5 568.7 545.0 523.2 45 11.04 1746.8 1572.1 1429.2 1310.1 1209.3 1122.9 1048.1 982.6 924.8 873.4 827.4 786.1 748.6 714.6 683.5 655.0 628.8 48 12.57 2074.8 1867.4 1697.6 1556.1 1436.4 1333.8 1244.9 1167.1 1098.4 1037.4 982.8 933.7 889.2 848.8 811.9 778.1 746.9 54 15.90 2840.5 2556.4 2324.0 2130.4 1966.5 1826.0 1704.3 1597.8 1503.8 1420.2 1345.5 1278.2 1217.4 1162.0 1111.5 1065.2 1022.6 60 19.63 3762.0 3385.8 3078.0 2821.5 2604.4 2418.4 2257.2 2116.1 1991.6 1881.0 1782.0 1692.9 1612.3 1539.0 1472.1 1410.7 1354.3 72 28.27 6117.3 5505.6 5005.1 4588.0 4235.1 3932.6 3670.4 3441.0 3238.6 3058.7 2897.7 2752.8 2621.7 2502.5 2393.7 2294.0 2202.2



Tabla 3-2b Factores de Conduccin (Unidades Mtricas)

Factores de Conduccin para Tubera Circular con Flujo a Tubo Lleno

Valores "n" de Manning

Dia. (mm)

Area (m2)

0.009

0.010

0.011

0.012

0.013

0.014

0.015

0.016

0.017

0.018

0.019

0.020

0.021

0.022

0.023

0.024

0.025

75 0.004 0.03 0.03 0.03 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 100 0.008 0.07 0.07 0.06 0.06 0.05 0.05 0.04 0.04 0.04 0.04 0.04 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 150 0.018 0.22 0.20 0.18 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.12 0.11 0.10 0.10 0.09 0.09 0.09 0.08 0.08 200 0.031 0.47 0.43 0.39 0.36 0.33 0.30 0.28 0.27 0.25 0.24 0.22 0.21 0.20 0.19 0.19 0.18 0.17 250 0.049 0.86 0.77 0.70 0.64 0.59 0.55 0.52 0.48 0.45 0.43 0.41 0.39 0.37 0.35 0.34 0.32 0.31 300 0.071 1.40 1.26 1.14 1.05 0.97 0.90 0.84 0.79 0.74 0.70 0.66 0.63 0.60 0.57 0.55 0.52 0.50 375 0.110 2.53 2.28 2.07 1.90 1.75 1.63 1.52 1.42 1.34 1.27 1.20 1.14 1.09 1.04 0.99 0.95 0.91 450 0.159 4.12 3.71 3.37 3.09 2.85 2.65 2.47 2.32 2.18 2.06 1.95 1.85 1.76 1.68 1.61 1.54 1.48 525 0.216 6.21 5.59 5.08 4.66 4.30 3.99 3.73 3.49 3.29 3.11 2.94 2.80 2.66 2.54 2.43 2.33 2.24 600 0.283 8.87 7.98 7.26 6.65 6.14 5.70 5.32 4.99 4.70 4.43 4.20 3.99 3.80 3.63 3.47 3.33 3.19 675 0.358 12.14 10.93 9.93 9.11 8.41 7.80 7.28 6.83 6.43 6.07 5.75 5.46 5.20 4.97 4.75 4.55 4.37 750 0.442 16.08 14.47 13.16 12.06 11.13 10.34 9.65 9.04 8.51 8.04 7.62 7.24 6.89 6.58 6.29 6.03 5.79 825 0.535 20.73 18.66 16.96 15.55 14.35 13.33 12.44 11.66 10.98 10.37 9.82 9.33 8.89 8.48 8.11 7.77 7.46 900 0.636 26.15 23.53 21.39 19.61 18.10 16.81 15.69 14.71 13.84 13.07 12.39 11.77 11.21 10.70 10.23 9.81 9.41 1050 0.866 39.44 35.50 32.27 29.58 27.31 25.36 23.67 22.19 20.88 19.72 18.68 17.75 16.90 16.14 15.43 14.79 14.20 1125 0.994 47.41 42.67 38.79 35.56 32.82 30.48 28.45 26.67 25.10 23.70 22.46 21.33 20.32 19.39 18.55 17.78 17.07 1200 1.131 56.31 50.68 46.07 42.23 38.99 36.20 33.79 31.68 29.81 28.16 26.67 25.34 24.13 23.04 22.04 21.12 20.27 1350 1.431 77.09 69.38 63.08 57.82 53.37 49.56 46.26 43.36 40.81 38.55 36.52 34.69 33.04 31.54 30.17 28.91 27.75 1500 1.767 102.10 91.89 83.54 76.58 70.69 65.64 61.26 57.43 54.05 51.05 48.36 45.95 43.76 41.77 39.95 38.29 36.76 1800 2.545 166.04 149.43 135.85 124.53 114.95 106.74 99.62 93.62 87.90 83.02 78.65 74.72 71.16 67.92 64.97 62.26 59.77



3-5 VELOCIDAD MNIMA La presencia de sedimentos puede reducir la capacidad de una tubera a lo largo del tiempo. En algunos proyectos, la tubera incluso puede llegar a quedar inutilizable hasta que el sistema vuelva a ser limpiado, lo cual implica trabajos de alto costo y que pueden tomar bastante tiempo. La sedimentacin es de especial consideracin en drenajes pluviales y similares, donde elementos ms grandes y ms pesados pueden estar presentes. Todo lo anterior hace importante tomar medidas preventivas al respecto durante el diseo.

Para minimizar potenciales problemas, el flujo debe mantenerse a una velocidad mnima o de auto-limpieza. La velocidad de auto-limpieza comnmente aceptada para alcantarillas pluviales y sanitarias es de 0.9 m/s (3 fps). Para cada diseo debiese realizarse un chequeo final con el fin de comparar la velocidad esperada con la velocidad de auto-limpieza. La velocidad en tuberas con flujo a tubo lleno puede ser aproximada con la Ecuacin 3-5.

V = Q/A Ecuacin 3-5

El potencial de sedimentacin se determina segn el peso especfico y dimetro de las partculas, sus propiedades cohesivas y la rugosidad interior de la tubera. En instalaciones particulares donde la presencia de sedimentos es un problema conocido y predecible, es recomendable realizar un anlisis de los suelos antes de hacer el diseo final del proyecto.

Nota: Mayor informacin sobre las complejidades y variables asociadas en la determinacin de la velocidad de auto-limpieza para un tipo y tamao de tubera especfico, puede encontrarse en la publicacin ASCE No. 60 Gravity Sanitary Sewer Design and Construction (Construccin y diseo de drenajes sanitarios gravitacionales).

3-6 VELOCIDAD MXIMA Un flujo a altas velocidades tambin puede generar problemas si no se considera debidamente. Normalmente, por alta velocidad se entiende 3,7 m/s aprox., pero puede variar dependiendo de las condiciones especficas del proyecto.

La mejor forma para lidiar con las altas velocidades es buscar formas de minimizarla, como por ejemplo, reduciendo la pendiente de la tubera. Si esto no es factible, simplemente se debe controlar la velocidad de la mejor manera posible.



Altas velocidades, especialmente con escurrimientos abrasivos, pueden provocar problemas de durabilidad. Con el tiempo, la parte inferior de la tubera puede desgastarse prematuramente. En este sentido, los termoplsticos resisten mejor que muchos otros materiales de tuberas los efectos de estas condiciones desfavorables. Para mayor informacin sobre los efectos de la abrasin en varios tipos de materiales de tuberas, consultar la seccin Durabilidad (Seccin 4) de este Manual.

Se requiere poner atencin especial a las condiciones generadas en la salida de la tubera. Las altas velocidades de escurrimiento pueden erosionar el rea o canal donde desemboca el flujo. En estos casos, se recomienda considerar en esas zonas mtodos de manejo de la erosin.

Otro aspecto importante a tener en cuenta en aplicaciones a alta velocidad es el manejo del momentum del flujo. Los cambios en la direccin del escurrimiento generan grandes fuerzas ejercidas sobre las paredes de las tuberas que pueden causar el movimiento de stas, especialmente cuando son de gran dimetro, la velocidad es alta y el suelo nativo tiene baja capacidad de soporte. La colocacin de machones de concreto en las zonas de cambio de direccin, dimensionados segn las condiciones particulares de terreno, permite controlar los efectos de estas fuerzas de empuje.

Considerar sistemas de anclaje tambin puede ser necesario cuando la velocidad es alta o cuando la pendiente de instalacin de la tubera es importante. Los anclajes evitan que la tubera se deslice pendiente abajo mientras est siendo instalada, y despus, a causa de la energa del flujo. Esto es especialmente importante si el suelo nativo est sujeto a movimiento o es inestable. Tigre-ADS no provee ni disea sistemas de anclaje, sin embargo puede proporcionar informacin adicional en este tema. Para mayor informacin sobre aplicaciones en grandes pendientes, refirase a Instalaciones en Pendientes Pronunciadas, en la Seccin 5 de Instalacin de este Manual.

3-7 PRESIONES CONSTANTES Los productos en tubera corrugada Tigre-ADS estn desarrollados nicamente para aplicaciones de flujo gravitacional, a presin atmosfrica. Nuestros productos no se recomiendan para presiones constantes o flujos de presin intermitente, incluyendo proyectos con carga hidrulica constante y aplicaciones de bombeo. Para recibir asistencia en la seleccin de productos adecuados para una aplicacin particular, contactar a un representante del rea tcnica de Tigre-ADS.

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3-8 ALCANTARILLAS DE CAMINO Las alcantarillas son cortas en comparacin a un sistema de alcantarillado pluvial o sanitario y se clasifican segn cul de los extremos (entrada o salida) controla su capacidad de descarga.

Las pruebas de laboratorio y observaciones de terreno indican dos condiciones principales de control de flujo para una alcantarilla: (1) control de entrada y (2) control de salida. Si bien las condiciones de control de entrada o de salida por lo general no existen en los sistemas de drenaje pluvial o sanitario, cuando un sistema sea controlado por las condiciones de entrada o salida, la prdida de carga hidrulica debido a la entrada o salida debe tomarse en cuenta, y por esta razn, la frmula de Manning no es el nico mtodo de dimensionamiento y seleccin de tuberas.

Mientras la teora de la conservacin de la energa afectar directamente el diseo de una alcantarilla, ninguna frmula o procedimiento ha sido desarrollado para disear todas las alcantarillas, debido a las numerosas variables implicadas. El diseo de alcantarillas, por lo tanto, es frecuentemente un proceso emprico, de ensayo y error.

Una de las variables tpicamente utilizadas en el diseo de alcantarillas es el Coeficiente de Prdida de Carga en la Entrada (Ke). Estos coeficientes Ke dependen en gran medida del tamao y la forma de la interfaz entre el material de la alcantarilla y el fluido. Por ejemplo, una alcantarilla con extremos de corte recto y aristas vivas resultar en un coeficiente de prdida mayor que una alcantarilla con un borde biselado o redondeado.

En ausencia de ensayos y datos para tubos corrugados de polietileno de alta densidad, y de acuerdo a lo recomendado por la bibliografa internacional, es posible estimar los coeficientes de prdida de carga en la entrada para los tubos Tigre-ADS, homologndolos a una tubera de metal corrugado con perfil y estructura similar. La Tabla 3-3 proporciona Coeficientes de Prdida de Carga en la Entrada (Ke) basados en la informacin disponible para materiales tpicos de tuberas y tipos de terminacin o bordes. En ltima instancia, es el ingeniero de diseo quien deber determinar el valor ms adecuado para el Coeficiente de Prdida de Carga en la Entrada para una aplicacin particular.



Tabla 3-3 Coeficientes de Prdida de Carga en la Entrada(*, **) (Control de salida, flujo parcial o a tubo lleno)

Tipo de Estructura y Diseo de la Terminacin del Extremo Ke

Tubera Concreto*

Prolongado fuera del terrapln, extremo corte recto 0,5 Corte recto con muro de cabecera 0,5 Chaflanado para ajustarse a la pendiente del relleno 0,7 Bordes biselados, biseles de 33,7 0,2

Tubera Metal Corrugado*, Polietileno Tigre-ADS**

Prolongado fuera del terrapln, sin muro de cabecera 0,9 Corte recto con muro de cabecera 0,5 Chaflanado para ajustarse a la pendiente del relleno (talud) 0,7 Seccin terminal prefabricada para ajustarse a la pendiente del talud 0,5 Bordes biselados (bisel de 33,7 o 45) 0,2 Con muro de cabecera perpendicular al eje del tubo con o sin muros de ala y aristas biseladas.

0,2***

*) Informacin obtenida del Departamento de Transporte de la Administracin Federal de Carreteras de Estados Unidos: Diagramas Hidrulicos para la Seleccin de Alcantarillas para Carreteras5

**) Se estima que las tuberas Tigre-ADS tienen coeficientes similares a aquellos determinados para tuberas de metal corrugado.

***) Valor asignado para Metal Corrugado en el Manual de Carreteras del Ministerio de Obras Pblicas de Chile

3-9 EJEMPLOS Los siguientes ejemplos de problemas muestran el uso de los factores de conduccin en el dimensionamiento de tuberas, chequeos bsicos de velocidad y opciones de diseos. Ejemplo 1 Dado: Las condiciones de terreno requieren una capacidad de las tuberas de 2 pies cbicos por segundo (2 ft3/s) y una pendiente del 0,5%. Encontrar: El tuboTigre-ADS que proporcione la solucin hidrulica ptima. Solucin: Es necesario utilizar la Ecuacin 3-4 para determinar el factor de conduccin necesario para las condiciones dadas. Antes de sustituir los valores en la ecuacin, en primer lugar se debe convertir la inclinacin en un valor con unidades de pies/pie, de la siguiente manera: 0,5% = 0,005 ft/ft



Luego, sustituir los valores directamente en la ecuacin 3-4.

Consulte la Tabla 3-2a para seleccionar el producto de tubera adecuado, con un coeficiente de conduccin mnimo de 28.3, segn el valor n de Manning correspondiente. Las soluciones ms prcticas son las siguientes: Tubera corrugada de interior liso (N-12), 12 pulgadas k = 38,6 Tubera de pared simple (SW), 15 pulgadas k = 38,2 La solucin ptima sera la tubera con el factor de conduccin ms cercano al calculado. Tanto la tubera de doble pared, corrugada exterior e interior liso, de 12 pulgadas, como la de pared simple de 15 pulgadas casi igual porque sus factores de conduccin se acercan mucho al requerido. La seleccin final del tipo y tamao de la tubera se analiza en el Ejemplo 2.

Ejemplo 2 Sustituyendo los datos de las soluciones tentativas seleccionadas en el Ejemplo 1, en la frmula de velocidad (Ecuacin 3-5), el flujo en la tubera de 12 pulgadas (corrugada exterior e interior liso) alcanzar una velocidad de 3,5 pies por segundo (ft/s) y la tubera de pared simple de 15 pulgadas, una velocidad de 2,2 pies por segundo (ft/s). Por lo tanto, se debe seleccionar la tubera de 12 pulgadas con el fin de lograr la velocidad mnima de auto-limpieza.

Ejemplo 3 Dado: Las condiciones de terreno requieren una capacidad de la tubera de 2 pies cbicos por segundo (2 ft3/s) y una pendiente del 0,5%. Encontrar: El tubo Tigre-ADS que proporcione la solucin hidrulica ptima. Solucin: Es necesario utilizar las Figuras 3-1 y 3-2 para determinar las tuberas disponibles. 0,5% = 0,005 ft/ft



Consulte la Figura 3-1 para seleccionar el dimetro de la tubera corrugada de interior liso (Tubera Tigre-ADS N-12). La interseccin de las lneas de 0,5% y 2 pies cbicos por segundo (2 ft3/s) est por encima de 10", pero por debajo de 12". Por lo tanto, las tuberas de 12 pulgadas N-12 (doble pared, corrugadas de interior liso) son aceptables. Consulte la Figura 3-2 para seleccionar el dimetro de una tubera corrugada pared simple (SW). La interseccin de las lneas de 0,5% y 2 pies cbicos por segundo (2 ft3/s) est por encima de 12", pero por debajo de 15". Por lo tanto, las tuberas de 15" pared simple pueden ser utilizadas. La solucin ptima sera la tubera con la capacidad de flujo por lo menos tan grande como la requerida. La tubera de 12 pulgadas (corrugada, de interior suave) y la de 15 funcionarn casi de la misma manera, porque sus capacidades de flujo son mayores que la requerida. La seleccin final del tipo y tamao de la tubera se realiza en el Ejemplo 4. Ejemplo 4 Sustituyendo en las figuras 3-1 y 3-2 la informacin de las soluciones tentativas seleccionadas, la tubera de 12 pulgadas (doble pared, corrugada de interior liso) y la tubera de 15 pulgadas de pared simple producirn velocidades de aproximadamente 3,6 y 2,8 pies por segundo (ft/s) respectivamente. Por lo tanto, se debe seleccionar la tubera de 12 pulgadas para contar con una velocidad mnima de auto-limpieza.

3-10 REFERENCIAS 1Federal Highway Administration, Hydraulic Design of Highway Culverts (HDS 5), 2nd Edition , 2001, Pg. 33.

2 Federal Highway Administration, Design Charts for Open-Channel Flow (HDS 3), August 1961, Chapter 5. 3 Clyde, Calvin G., Manning Friction Coefficient Testing of 4-, 10-, 12- and 15-inch Corrugated Plastic Pipe. Utah Water Research Laboratory, Report No. 36, May 1980.

4 Lingedburg, Michael P.E. Civil Engineer Reference Manual. Belmont, CA: Professional Publications, Inc.

5 Federal Highway Administration, Design Charts of Highway Culverts (HDS 5), 2nd Edition, 2001, Pg. 223.

manual ingenieria tigre-ads_cap 3 hidraulica (1)

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