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TESIS DE MAESTRÍA

DISEÑO DE CÁMARAS DE CAÍDA EN SISTEMAS DE ALCANTARILLADO

BASADOS EN MATERIALES PLÁSTICOS

Claudia Johana Palacios Cruz

Asesor: Juan G. Saldarriaga Valderrama

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

MAESTRÍA EN INGENIERÍA CIVIL

BOGOTÁ D.C.

2019

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mis padres quienes siempre me han apoyado con su amor y

cuidados durante todas las etapas de mi vida.

A mis hermanos, por su apoyo incondicional y su compañía durante el

desarrollo de este proyecto.

Y a mi asesor, Juan Saldarriaga por sus aportes con su conocimiento pertinente

para fortalecer aún más este proyecto.

Universidad de los Andes Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados – CIACUA Diseño de cámaras de caída en sistemas de alcantarillado basados en materiales plásticos

Claudia Johana Palacios Cruz Tesis II i

TABLA DE CONTENIDO

1 Introducción ................................................................................................................................ 7

2 Objetivos ..................................................................................................................................... 8

2.1 Objetivo general .................................................................................................................. 8

2.2 Objetivos específicos ........................................................................................................... 8

3 Diseño tradicional de cámaras de caída ...................................................................................... 9

3.1 Definición y características generales ................................................................................. 9

3.2 Tipos de cámara ................................................................................................................ 10

3.2.1 Cámara con estructura escalonada ........................................................................... 10

3.2.2 Cámara con tubería bajante ...................................................................................... 12

3.2.3 Cámara con vórtice ................................................................................................... 15

3.2.4 Cámara de caída libre ................................................................................................ 16

3.3 Funcionamiento hidráulico y restricciones ....................................................................... 17

3.3.1 Comportamiento hidráulico en cámaras de caída libre ............................................ 18

3.3.2 Comportamiento hidráulico en cámaras con bajante............................................... 24

3.3.3 Comportamiento del flujo en cámaras de vórtice .................................................... 29

3.3.4 Disipación de energía ................................................................................................ 34

3.3.5 Aireación de la cámara .............................................................................................. 36

3.4 Diseño de cámaras de caída en alcantarillados ................................................................ 37

3.4.1 Reglamento técnico para el sector de agua potable y saneamiento básico (RAS) ... 38

3.4.2 Normas técnicas de servicio de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá

(EAAB) 40

3.4.3 Normas de diseño de sistemas de alcantarillado de EPM ........................................ 42

3.4.4 Normas técnicas internacionales .............................................................................. 45

3.4.5 Diseño según pérdidas de energía ............................................................................ 49

4 Análisis al diseño actual de las cámaras de caída ..................................................................... 52

4.1 Diseño con modelación en CFD y modelos físicos ............................................................ 52


Claudia Johana Palacios Cruz Tesis II ii

4.2 Discusión al diseño actual de cámaras de caída en Colombia .......................................... 59

4.2.1 Materiales utilizados en construcción....................................................................... 61

4.2.2 Instalación de cámaras de caída ............................................................................... 61

5 Diseño de cámaras de caída plásticas ....................................................................................... 64

5.1 Materiales plásticos utilizados en cámaras ....................................................................... 66

5.2 Cámaras utilizadas para sistemas de drenaje en montaña ............................................... 66

5.3 Clasificación de cámaras de caída plásticas ...................................................................... 70

6 Conclusiones y recomendaciones ............................................................................................. 72

7 Bibliografía ................................................................................................................................ 74


Claudia Johana Palacios Cruz Tesis II iii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 3.1 Cámara de caída típica de American Society of Civil Engineers (1970) ............................................. 9

Figura 3.2 Cámara de caída propuesta por SIA en 1980................................................................................... 10

Figura 3.3 Esquema flujo saltante .................................................................................................................... 11

Figura 3.4 Esquema flujo rasante ..................................................................................................................... 11

Figura 3.5 Cámara de caída con estructura escalonada (Norma de construcción EPM) .................................. 12

Figura 3.6 Partes que componen cámara de caída con bajante (Diseño propuesto por EPM) ........................ 13

Figura 3.7 Cámaras de caída con tubería de bajante (EAAB) ........................................................................... 13

Figura 3.8 Cámara de caída con tubería bajante (Washington Suburban Sanitary Comission) ....................... 14

Figura 3.9 Cámara de caída estándar del sistema de alcantarillado de la ciudad de Nueva York .................... 14

Figura 3.10 Esquema cámara de caída tipo vórtice (Hager, 2010) ................................................................... 15

Figura 3.11 Fotografía del vórtice formado en montaje (Crispino, Dorthe, Fuchsmann, Gisonni, & Pfister,

2016) ........................................................................................................................................................ 16

Figura 3.12 Esquema de cámara de caída libre con muro reductor de flujo (Granata, Marinis, & Gargano,

2014) ........................................................................................................................................................ 17

Figura 3.13 Esquema de geometría del chorro ................................................................................................ 20

Figura 3.14 Fotografías tomadas de las dos cámaras estudiadas en el trabajo de Granata et al .................... 22

Figura 3.15. Esquema de comportamiento de flujos para el régimen R2 (Zheng, Li, Zhao, & An, 2017) ......... 23

Figura 3.16 Comportamiento de flujo para el régimen R3, (a) R3a y (b) R3b (Granata, et al, 2011) ............... 23

Figura 3.17 Represa a la salida de la tubería saliente a la cámara (Tchobanoglous, 1985) ............................. 25

Figura 3.18 Resultados para la conexión en forma de T con estrangulamiento del flujo disminuyendo el

diámetro saliente a la cámara (Q alto =4,20 L/s; Q medio =3,0 L/s; Q Bajo =1,08 L/s) (Barreto &

Cardona, 2014) ........................................................................................................................................ 26

Figura 3.19 Resultados para la conexión en forma de Y sin estrangulamiento del flujo (Q alto =4,20 L/s; Q

medio =3,0 L/s; Q Bajo =1,08 L/s) (Barreto & Cardona, 2014) ................................................................ 26

Figura 3.20 Observación de los regímenes de flujo en una bajante (Ding & Zhu, 2018) ................................. 28

Figura 3.21 Geometría de cámara de caída tipo vórtice, (a) sub-crítico y (b) supercrítico, (Hager, 2010) ...... 30

Figura 3.22 Onda estacionaría a través de la estructura de entrada hacia el vórtice, (Hager, 2010) .............. 32

Figura 3.23 Fotografía de modelo estructura de salida, (Hager, 2010) ............................................................ 33

Figura 3.24 Esquema de cámara de caída con alturas de energía ................................................................... 34


Claudia Johana Palacios Cruz Tesis II iv

Figura 3.25 Cámara de caída con pantalla de disipación (Colombia, Ministerio de Vivienda, Ciudad y

Territorio, 2012) ...................................................................................................................................... 39

Figura 3.26 Cámaras de caída para alturas superiores 7 m (a) Cámara de vórtice (b) Cámara escalonada (c)

Cámara con bandejas alternantes (Colombia, Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio, 2012) ........ 39

Figura 3.27 Cámaras tipo sifón con tubería externa (izquierda) y tubería interna (derecha). ......................... 39

Figura 3.28 Coeficientes típicos de pérdidas en uniones de colectores (EAAB, 2006) ..................................... 42

Figura 3.29 Cámaras de caída con bajante externa (EPM, 2013) ..................................................................... 43

Figura 3.30 Cámara de caída tipo B para tubería de 12 pulgadas o menos (WSSC, 2008) ............................... 46

Figura 3.31 Cámara de caída propuesta (Deparment of Environmental Protection, 2009) ............................. 47

Figura 3.32 Cámaras de caída tradicionales en Irán (Kian Sanat Pasargaad, 2018) ......................................... 48

Figura 3.33 Cámaras de caída con tuberías de cerámica (Clay Pipe Development Association, 2001) ........... 48

Figura 3.34 Variaciones en las cámaras de caía evaluadas en el laboratorio (Shinji , y otros, 2012) ............... 49

Figura 4.1 Esquema de montaje de dos cámaras de caída rectangulares (Camino Zapata, 2011) .................. 53

Figura 4.2 Fotografía cámara de caída en construcción (Camino Zapata, 2011) ............................................. 53

Figura 4.3 Regímenes de flujo en la modelación para las dos cámaras de caída rectangulares (Camino Zapata,

2011) ........................................................................................................................................................ 54

Figura 4.4 Resultados de modelación en CFD y modelo físico de cámaras de caída rectangulares por régimen

de flujo (Camino Zapata, 2011) ............................................................................................................... 54

Figura 4.5 Placa de disipación a modelar (INGETEC, 2015) .............................................................................. 56

Figura 4.6 Ángulo de rotación de la placa de disipación con respecto al eje de la cámara (INGETEC, 2015) .. 56

Figura 4.7 Cuatro de tipos de cámaras modeladas en OpenFOAM (Tokelove & Sigma Consultants Ltd, 2013)

................................................................................................................................................................. 57

Figura 4.8 Resultado modelación para la cámara tipo 4 (Tokelove & Sigma Consultants Ltd, 2013) .............. 58

Figura 4.9 Configuración de cámaras de caída en sistemas montañosos ........................................................ 60

Figura 4.10 Proceso de instalación para una cámara (JDP, 2014) .................................................................... 63

Figura 5.1 Diseño de cámara de caída plástica propuesta por Wavin .............................................................. 64

Figura 5.2 Instalación de cámara de caída tipo bajante en Luton, UK ............................................................ 65

Figura 5.3 Instalación de cámara de caída plástica (Kian Sanat Pasargaad, 2018) ........................................... 65

Figura 5.4 Esquema de cámaras de caída convencionales en sistemas montañosos versus cámaras de

compensación de energía (Australasia Moulding Limited, 2018) ........................................................... 67

Figura 5.5 Esquemas de conducción de flujos dentro de la cámara de compensación de energía (Australasia

Moulding Limited, 2018) ......................................................................................................................... 68


Claudia Johana Palacios Cruz Tesis II v

Figura 5.6 Esquema de dimensiones para la cámara de compensación (Australasia Moulding Limited, 2018)

................................................................................................................................................................. 68

Figura 5.7 Cámara de compensación de energía a pedir de los diseñadores (Australasia Moulding Limited,

2018) ........................................................................................................................................................ 69

Figura 5.8 Cámara de compensación de energía con dos saldas (Australasia Moulding Limited, 2018) ......... 69

Figura 5.9 Instalación de cámara de compensación de energía (Australasia Moulding Limited, 2018) .......... 70

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 3.1 Altura de taponamiento vs Q* (Ding & Zhu, 2018) ........................................................................ 29

Gráfica 3.2 Eficiencia versus el número de impacto (I) para la cámara de diámetro de 1.0m ......................... 35

Gráfica 3.3 Relación lineal para la determinación de la existencia del fenómeno de ahogamiento ............... 36

Gráfica 3.4 Coeficiente K .................................................................................................................................. 44

Gráfica 4.1 Resultados de caudal unitario vs pérdidas de energía (Camino Zapata, 2011) ............................. 55

Gráfica 4.2 Pérdidas de energía conforme aumenta la altura de caída para los cuatro tipos de cámara

(Tokelove & Sigma Consultants Ltd, 2013) .............................................................................................. 58

ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 3.1 Cálculo de caudal nominal .......................................................................................................... 18

Ecuación 3.2 Cálculo de la relación de llenado con Ecuación 3.1 ..................................................................... 18

Ecuación 3.3 Cálculo de profundidad de flujo normal con relación de llenado de Ecuación 3.2 ..................... 18

Ecuación 3.4 Cálculo de profundidad crítica de flujo ....................................................................................... 19

Ecuación 3.5 Cálculo del número de Froude .................................................................................................... 19

Ecuación 3.6 Cálculo de profundidad última .................................................................................................... 20

Ecuación 3.7 Relación de profundidad final y el número de Froude aguas arriba ........................................... 20

Ecuación 3.8 Relación entre relación de llenado del ducto de entrada y relación de llenado de salida .......... 21

Ecuación 3.9 Relación entre la profundidad aguas arriba y profundidad de flujo crítica aguas abajo............. 21


Claudia Johana Palacios Cruz Tesis II vi

Ecuación 3.10 Número de impacto .................................................................................................................. 24

Ecuación 3.11 Relación entre caudal entrante 𝑸𝒘 y el diámetro de la bajante 𝑫𝒔 ....................................... 28

Ecuación 3.12 Diseño geometría tipo vórtice para flujos sub-críticos ............................................................. 30

Ecuación 3.13 Diseño geometría tipo vórtice para flujos supercríticos ........................................................... 31

Ecuación 3.14 Cálculo de la altura máxima de la ola máxima estacionaria (Figura 3.22) ................................ 32

Ecuación 3.15 Cálculo de ángulo máximo para la profundidad máxima (Figura 3.22) ..................................... 32

Ecuación 3.16 Eficiencia ................................................................................................................................... 35

Ecuación 3.17 Altura de energía aguas arriba .................................................................................................. 35

Ecuación 3.18 Altura de energía aguas abajo ................................................................................................... 35

Ecuación 3.19 Altura de la piscina para R1 y R2 ............................................................................................... 37

Ecuación 3.20 Relación entre caudal y diámetro ............................................................................................. 37

Ecuación 3.21 Altura de la piscina para R3 ....................................................................................................... 37

Ecuación 3.22 Ecuación que describe la hidráulica en la cámara de caída para flujo supercrítico .................. 41

Ecuación 3.23 Ecuación que describe la hidráulica en la cámara de caída para flujo sub-crítico .................... 41

Ecuación 3.24 Cálculo de pérdidas de energía por mezcla de flujo o cambio de dirección ............................. 41

Ecuación 3.25 Cálculo de la profundidad esperada para condición en la entrada sumergida ......................... 44

Ecuación 3.26 Cálculo de la profundidad esperada para condición en la entrada no sumergida .................... 44

Ecuación 3.27 Cálculo de la energía específica ................................................................................................ 45

Ecuación 3.28 Cálculo del coeficiente de pérdidas para tubería de salida ....................................................... 50

Ecuación 3.29 Cálculo del coeficiente de pérdidas para tubería lateral........................................................... 50


Claudia Johana Palacios Cruz Tesis II 7

1 INTRODUCCIÓN

Las cámaras de caída son estructuras usadas en los sistemas de alcantarillado o sistemas de drenaje

urbano, puestas en terrenos pendiente, para disminuir las pendientes de las tuberías, proveer

disipación de energía y prevenir sobrepasar las velocidades máximas (Yiyi. et al, 2017).

En este documento se trazarán los lineamientos de diseño de las cámaras de caída tradicionales que

se están utilizando en los sistemas de alcantarillado actuales. Tales como las características

generales que definen una cámara de caída, el funcionamiento hidráulico al interior de la cámara,

los tipos de cámaras de caída que se encuentran en el mercado y en los alcantarillados actuales, por

último, los procesos de instalación dependiendo del tipo de cámara requerida.

Usualmente las cámaras de caída son construidas en materiales, como concreto y mampostería, y

por ello se requiere una instalación insitu, que acarrea procesos de cerramiento de áreas o de

elementos del sistema como válvulas para el caso de un sistema existente. Si por el contrario es un

sistema nuevo, lleva demoras en los tiempos de construcción por el fraguado del concreto entre

otros factores.

Estas y otras razones hacen complejo la utilización y el diseño de las cámaras de caída en los sistemas

de alcantarillado. Así pues, se desarrolló una discusión acerca de las mejoras que se deberían hacer

al diseño actual de cámaras de caída y cómo la utilización de cámaras en materiales plásticos tendría

mejoras tanto en la instalación como en el mismo funcionamiento hidráulico.

Por lo tanto, en este estudio se enfatizará en entender las funciones y requerimientos de una cámara

de caída en los sistemas de alcantarillado actuales, además de observar a los grandes distribuidores

de elementos plásticos, empresas de alcantarillado a nivel nacional e internacional e investigadores

y conocedores del tema, para lograr mostrar nuevas tecnologías y avances en las investigaciones

para el diseño de cámaras de caída en materiales plásticos para sistemas de alcantarillado.



2 OBJETIVOS

2.1 Objetivo general

Mostrar el funcionamiento y el objetivo de las cámaras de caída en los sistemas de alcantarillado

actuales, discutiendo acerca de los materiales utilizados, los procesos de instalación tradicionales,

plantear aspectos a mejorar en cómo se diseñan las cámaras de caída vigentes. Para luego,

establecer alternativas de cámaras de caída en materiales plásticos y clasificarlas por su

funcionamiento de acuerdo con sus restricciones de diseño.

2.2 Objetivos específicos

• Explicar el funcionamiento de las cámaras de caída en los sistemas de alcantarillado.

• Mostrar sus diferentes usos dentro del sistema como: disipador de energía, conector del

sistema y elemento de inspección.

• Exponer el proceso de instalación de una cámara de caída actualmente y discutir sobre las

facilidades o dificultades que conlleva esto.

• Clasificar las cámaras de caída en materiales plásticos dependiendo del tipo de flujo,

pendientes y velocidades que se tenga en el sistema.

• Establecer la posibilidad de utilizar simulación en CFD, para el estudio del comportamiento

hidráulico y diseño de prototipos de cámaras de caída en materiales plásticos, y su

calibración mediante un modelo físico.



3 DISEÑO TRADICIONAL DE CÁMARAS DE CAÍDA

3.1 Definición y características generales

Las cámaras de caída son estructuras usadas en los sistemas de alcantarillado donde la tubería no

puede seguir la pendiente del terreno, debido a que el flujo superaría las velocidades máximas. Por

lo tanto, se hace necesario la existencia de una estructura que una las tuberías entrantes y salientes

cuya diferencia entre cotas batea supere los 70 cm (EPM, 2017).

La mayoría de las cámaras de caída tienen una estructura tubular para facilitar la conexión de las

tuberías en el sistema. En ocasiones pueden tener una tubería entrante y una saliente, sin embargo,

el número de tuberías puede variar dependiendo de las necesidades del sistema y del diseñador.

En el interior de la estructura tubular (cámara) se pueden encontrar varias estructuras de disipación

dependiendo de las condiciones del sistema, dadas principalmente por el caudal entrante y la altura

de la cámara. Debido a la transformación de energías que se da al interior de la cámara, pasando de

energía cinética a potencial, ocasionando que el flujo tenga mucha más velocidad, más fuerza de

erosión y aireación (Barreto & Cardona, 2014). Por ello, para no ocasionar daños en las tuberías

aguas abajo, la cámara de caída debería tener una estructura de disipación de energía para poder

entregar flujos controlados.

En la mayoría de los casos las cámaras de caída tienen la misma configuración, sin embargo, debido

a la falta de espacio en las ciudades, se han implementado otros usos para las cámaras de caída,

como lo son servir de cámara de inspección y mantenimiento (ver

Figura 3.1), además de proveer ventilación al sistema.

Figura 3.1 Cámara de caída típica de American Society of Civil Engineers (1970)



En otras configuraciones, que se encuentran en la literatura, se tiene en cuenta la variación de

caudales para clima seco y lluvioso, entendiendo que el flujo de aproximación podrá ser tanto

supercrítico como sub-crítico; y así mismo la hidráulica de la cámara varía. Como se muestra en la

Figura 3.2, se plantea un muro de choque para las condiciones de flujo representados con los

números 4 y 7, esto para garantizar condiciones de higiene y evitar malos olores en la cámara (Hager,

2010).

Figura 3.2 Cámara de caída propuesta por SIA en 1980

Los materiales más usados para la construcción de cámaras de caída son el concreto y la

mampostería, no obstante, cuando se trata de una adaptación de un pozo existente, se trata de

hacer en materiales plásticos como polietileno (PE) y cloruro de vinilo (PVC).

3.2 Tipos de cámara

Las cámaras de caída existen de diferentes tipos dependiendo de la estructura de disipación interna

o la diferente configuración geométrica. En la literatura se encuentran de varios tipos, los cuales por

su complejidad han sido probados en laboratorio, y se presentan a continuación:

3.2.1 Cámara con estructura escalonada

Este tipo de cámara consiste en transportar el flujo desde el conducto de entrada hasta la

escalonada, la cual de escalón en escalón por medio de una sucesión de caídas disipa la energía al

hacer que el flujo transite y pase de flujo supercrítico a sub-crítico a través de pequeñas caídas

consecutivas. El comportamiento hidráulico de estas estructuras varía dependiendo del caudal

transitado y la pendiente de la estructura, entre menor sea el caudal y la pendiente el flujo se



comporta como "saltante" pasando de escalón en escalón, por el contrario, se comporta como flujo

"rasante" o "casi uniforme".

Los comportamientos del flujo han sido estudiados y caracterizados por modelos de laboratorio en

tres subtipos para estructuras escalonadas. Según estos estudios, el flujo se puede comportar como

saltante, rasante o de transición. El flujo saltante transita la estructura escalonada cayendo en forma

de chorro produciendo un resalto hidráulico en cada escalón, usualmente este tipo de flujo se

produce con caudales bajos o pendientes bajas que resultan en estructuras más costosas por el

espacio utilizado (Figura 3.3). El flujo rasante se desarrolla como una capa de flujo uniforme sobre

las esquinas de los escalones, mientras que en la parte interna se presentan remolinos donde circula

el aire y se presenta la disipación de energía (Figura 3.4). Por último, el flujo de transición se describe

como la combinación de los subtipos anteriores, cuando el flujo cae en chorro, pero aun así se

genera flujos circulantes en el interior del escalón.

Figura 3.3 Esquema flujo saltante

Figura 3.4 Esquema flujo rasante



En la norma técnica de servicio de la Empresa de Alcantarillado y Acueducto de Bogotá (EAAB), este

tipo de estructura es utilizada cuando el diámetro de la tubería entrante es mayor o igual a 0,9 m

(36") (Figura 3.5). Esto se debe a que los caudales transportados por estas tuberías son mayores a 1

m3/s, los cuales a grandes velocidades podrían ocasionar problemas de erosión o presurización del

sistema.

Figura 3.5 Cámara de caída con estructura escalonada (Norma de construcción EPM)

3.2.2 Cámara con tubería bajante

Es una de las cámaras más comunes de los sistemas de drenaje, y consiste en la adaptación de una

cámara de inspección cuyas tuberías entrantes tienen diferencia de nivel, con lo cual se suplanta

esta diferencia por medio de una tubería o bajante la cual es la encargada de dividir el flujo entrante

y tratar que la mayoría de éste entre por la tubería bajante y no al barril de la cámara.

Algunas veces puede ser adaptación de una cámara de inspección existente, sin embargo, también

se construyen cámaras de caída nuevas con bajante. Por ello cada empresa o institución a cargo de

la normativa para el sistema de drenaje urbano, tiene en sus documentos técnicos los

requerimientos y alternativas de cámaras de caída.

Los diseños propuestos para cámaras de caída con bajante varían por la configuración de sus partes.

En la Figura 3.6, se presentan las partes que componen una cámara de caída con bajante. En primer

lugar, la tubería entrante la cual conecta con la tubería bajante mediante una estructura de

conexión, que varía dependiendo del diseño. Adicionalmente cuenta con la tubería de salida la cual

puede ser una o varias; y una entrada al pozo por el cual se realizan limpiezas y mantenimientos

dependiendo de la forma y sus dimensiones, el mantenimiento se hace mediante un operario o u

equipo especializado.



Figura 3.6 Partes que componen cámara de caída con bajante (Diseño propuesto por EPM)

Por ejemplo, la entrada al pozo puede ser recta o cónica (Figura 3.7), la localización del tubo bajante,

ya sea dentro o fuera del pozo (Figura 3.1), hace variar el empalme entre el tubo entrante y la

bajante, debido a que puede ser con una conexión en "T" de 90°, o en "Y" de 45°.

Figura 3.7 Cámaras de caída con tubería de bajante (EAAB)

Tubería

entrante

Tubería

bajante

Tubería

de salida

Entrada

del pozo

Estructura

de conexión



Adicionalmente, la configuración aguas abajo de la bajante y la cámara también puede variar según

el diseño, se puede presentar con un codo de 90°, un semicodo (Figura 3.8) u otro tipo de estructura

que permita el desarrollo del flujo hacia dentro de la cámara lo más uniforme posible (Figura 3.9).

Figura 3.8 Cámara de caída con tubería bajante (Washington Suburban Sanitary Comission)

Figura 3.9 Cámara de caída estándar del sistema de alcantarillado de la ciudad de Nueva York



Dependiendo de las diferentes configuraciones anteriormente mencionadas, el comportamiento

hidráulico de la cámara cambia. Sin embargo, según los estudios realizados en los modelos de

laboratorio se podría concluir que el diseño de la bajante con sus conexiones depende de las

condiciones aguas arriba de la cámara, es decir las proporcionadas por la tubería entrante, como lo

son: el caudal, la pendiente y el número de Froude.

Como es sabido, para la gran mayoría de los sistemas de drenaje de las ciudades actuales los

materiales utilizados en las tuberías son plásticos, causando que los flujos obtenidos sean

supercríticos con altas velocidades. Esto dificulta la entrada del flujo a la bajante cuando no tiene

una entrada curva, la cual debería tener un radio igual al diámetro de la tubería entrante

(Rajaratman, Mainali, & Hsung, 1997).

3.2.3 Cámara con vórtice

La cámara de caída con estructura tipo vórtice se compone por tres partes, estructura de entrada,

pozo vertical y estructura de salida (Figura 3.10). La estructura de entrada es la encargada de

orientar el flujo hacia el vórtice localizado en el pozo vertical, además de acelerar el flujo hasta ser

supercrítico, para forzarlo a adherirse a las paredes, y así dejar en el centro un nucleo de aireación

como se ve en la Figura 3.11.

Figura 3.10 Esquema cámara de caída tipo vórtice (Hager, 2010)

Estructura

de entrada

Pozo

vertical

Estructura

de salida



Figura 3.11 Fotografía del vórtice formado en montaje (Crispino, Dorthe, Fuchsmann, Gisonni, & Pfister, 2016)

La estructura de vórtice es la encargada de conducir el flujo en forma de espiral por el pozo vertical,

causando disipación de la energía debido a la desaceleración del flujo por la fricción con las paredes

de la estructura y el comportamiento radial inducido. Finalmente, el flujo es conducido por el pozo

vertical hacia la estructura de salida con menos velocidad causando menos erosión al ducto de

salida.

Esta cámara tipo vórtice es utilizada mayormente en caídas altas, aproximadamente 5 m (Crispino,

.et al, 2016) por ser un efectivo disipador de energía y generar condiciones adecuadas a la salida de

la cámara. Además, de no requerir grandes dimensiones espaciales por lo cual la hace una estructura

económica, también es una estructura que representa menos riesgo de cavitación o de ahogo del

flujo debido a la buena aireación en su funcionamiento.

3.2.4 Cámara de caída libre

Este tipo de estructura de caída es la más simple implementada en los sistemas de drenaje, se

compone por dos ductos, de entrada y salida, los cuales se conectan por una cámara donde el flujo

cae en forma de chorro sobre una piscina de disipación o sobre el fondo de la misma cámara.

En los estudios realizados se concluye que es un buen disipador de energía cuando se tiene en el

fondo un colchón de agua donde el chorro cae y genera un resalto hidráulico. No obstante, por

tratarse de una estructura en el sistema de aguas residuales no se aconseja tener agua apozada por

requisitos de sanitarios.

Por esto, se han propuesto otras estructuras de disipación y de protección dentro de las cámaras de

caída libre, que logre cumplir la misma función de la piscina. Como se ve en la Figura 3.12 se coloca



un muro donde choca el chorro, que posteriormente hace caer el flujo hacia el fondo de la cámara,

transportando un flujo más uniforme hacia el ducto de salida.

En el diseño de este muro se debe tener en cuenta las condiciones aguas arriba como el caudal y la

velocidad de flujo entrante, pues para que esta estructura funcione su localización debe ser exacta

para que el flujo entrante choque en la mayoría de los casos contra el muro. Para asegurar esta

circunstancia y conociendo la variación de caudales para el sistema de drenaje, se podría colocar un

control en la tubería de entrada.

Figura 3.12 Esquema de cámara de caída libre con muro reductor de flujo (Granata, Marinis, & Gargano, 2014)

3.3 Funcionamiento hidráulico y restricciones

Como se mencionó anteriormente las cámaras de caída son necesarias para suplir la diferencia de

nivel entre dos tuberías que no siguen la pendiente del terreno y se quiere evitar velocidades altas.

Son estructuras obligatorias cuando la diferencia de nivel es superior a 0.75 m según el título D

(Colombia, Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio, 2012), y por ello se hacen muy comunes en

las redes de alcantarillado actuales.

La mayoría de las investigaciones relacionadas con el funcionamiento hidráulico están direccionadas

hacia la disipación de energía, aludiendo que, si la cámara de caída cuenta con una disipación de

energía pobre, la energía cinética de la tubería de salida será mucho mayor que la registrada en la

tubería de entrada (Granata, .et al, 2011). Por esto, el diseño de la cámara consiste en ocasionar



que el flujo aguas abajo tenga menor velocidad y energía, y así evitar daños en el sistema de

alcantarillado.

Así pues, si las pérdidas de energía son significativas, la profundidad de flujo aguas abajo deberá ser

mayor que la de aguas arriba, causando represamiento en el flujo a la salida de la cámara. Un

adecuado diseño de la cámara debería tomar en cuenta dos aspectos: el primero, una significante

reducción de la energía cinética y segundo, óptimas condiciones del comportamiento del flujo sobre

todo con el que se puede represar a la salida de la cámara. En otras palabras, el comportamiento

hidráulico de las cámaras de caída depende de las características del acercamiento del flujo, la

geometría de la cámara, el comportamiento del agua a la salida (Granata, .et al, 2011) y las

condiciones de aire requerido (Zheng, Li, Zhao, & An, 2017).

3.3.1 Comportamiento hidráulico en cámaras de caída libre

El dimensionamiento hidráulico de una cámara de caída libre debería tener en cuenta la variación

de caudales tanto para climas secos como de lluvia. Por esto, se debe conocer las condiciones

hidráulicas tanto del flujo de aproximación, la geometría del chorro, la altura de caída y la salida de

la cámara (Hager, 2010); para envolver todas las condiciones de flujo impuestas para la cámara de

caída.

3.3.1.1 Flujo de aproximación

El flujo de aproximación se debe caracterizar por la pendiente de la tubería, la rugosidad del material

(coeficiente de Manning) y el diámetro (Hager, 2010). Con estas características directas de la tubería

y el caudal seco y húmedo, se debe obtener las condiciones del flujo aguas arriba de la cámara; y así

dimensionar las estructuras dentro de la cámara.

Las condiciones de flujo de aproximación se describen mediante la altura uniforme, la altura crítica

del agua y el número de Froude que se calculan con las siguientes ecuaciones:

• Para hallar la altura de flujo normal:

𝑞𝑁 = 𝑛𝑄/(𝑆𝑜𝑜1/2𝐷𝑜

8/3)

Ecuación 3.1 Cálculo de caudal nominal

𝑦𝑁 = 0.9261[1 − (1 − 3.11𝑞𝑁)1/2]1/2

Ecuación 3.2 Cálculo de la relación de llenado con Ecuación 3.1

𝑦𝑁 = ℎ𝑁𝑜/𝐷𝑜

Ecuación 3.3 Cálculo de profundidad de flujo normal con relación de llenado de Ecuación 3.2



• Para hallar la altura crítica de flujo:

ℎ𝑐𝑜 = [𝑄/(𝑔𝐷𝑜)1/2]1/2

Ecuación 3.4 Cálculo de profundidad crítica de flujo

Por último, la para hallar el número de Froude:

𝐹𝑜 = 𝑄/(𝑔𝐷𝑜ℎ𝑜4)

1/2

Ecuación 3.5 Cálculo del número de Froude

Dónde:

𝑛: Coeficiente de rugosidad de Manning.

𝑄: Caudal de diseño, se debe hacer el cálculo para caudal tiempo seco y húmedo (𝑚3/𝑠)

𝑆𝑜𝑜: Pendiente de la tubería aguas arriba

𝐷𝑜: Diámetro tubería (m)

𝑦𝑁: Relación de llenado

ℎ𝑁𝑜: Altura de flujo normal (m)

ℎ𝑐𝑜: Altura crítica de flujo (m)

𝐹𝑜: Número de Froude

El flujo de aproximación se asume como uniforme en las anteriores ecuaciones, para garantizar estas

condiciones se recomienda que la distancia mínima aguas arriba de la cámara debería ser de 20𝐷𝑜

(Hager, 2010).

3.3.1.2 Geometría del chorro

En la geometría del chorro está la lógica de ubicar estratégicamente las estructuras de choque de

chorro dentro la cámara de caída, para lograr disipar la mayor parte de energía y lograr flujos

controlados aguas abajo de la cámara.

La trayectoria del chorro al salir a la cámara de caída, la mayoría de las veces sigue una curva casi

circular que se describe por las siguientes ecuaciones, cuando se tiene una tubería parcialmente

llena, donde “x” describe el eje horizontal y “z” el eje vertical.

𝑋 = (𝑥

ℎ𝑜) 𝐹𝑜

−0.8



𝑍 = 𝑧/ℎ𝑜

No obstante, la curva que describe la trayectoria de los chorros cuya relación de llenado es menor

a 0.9 y el número de Froude de flujo de aproximación está entre 0.8 y 8 (0.8 < 𝐹𝑜 < 8), es la

siguiente:

𝑍 = −1

3𝑋 −

1

4𝑋2

La altura ℎ𝑒, llamada “profundidad final” (Figura 3.13) es la altura de flujo localizada en la sección

(𝑥 = 0) y se puede hallar mediante la siguiente ecuación:

𝑄

(𝑔𝐷5)1/2= 1.54(ℎ𝑒/𝐷)1.84

Ecuación 3.6 Cálculo de profundidad última

Figura 3.13 Esquema de geometría del chorro

Para hallar el espesor de flujo "𝑡" (Figura 3.13) varía con la relación 𝑇 = 𝑡/ℎ𝑒 y esta a su vez varía

con la ecuación 𝑇 = 1 + 0.06𝑋.

Por último, la relación de la profundidad final 𝑌𝑒 = ℎ𝑒 ℎ𝑜⁄ varía esencialmente por el número de

Froude aguas arriba 𝐹𝑜 como se muestra en la Ecuación 3.7. Así pues, para número de Froude críticos

(𝐹𝑜 = 1) la relación 𝑌𝑒 = 0.763, por lo cual para valores de 𝑌𝑒 cercanos a 1, causaría números de

Froude altos (Hager, 2010), produciendo flujos supercríticos.

𝑌𝑒 = (2𝐹𝑜

2

1 + 2𝐹𝑜2)

2/3

Ecuación 3.7 Relación de profundidad final y el número de Froude aguas arriba



3.3.1.3 Condiciones a la salida de la cámara

El conducto de salida debe ser lo suficientemente ancho para evitar problemas de abrasión y

depósitos de sedimentos a la entrada del conducto. Adicionalmente, de generar flujo a superficie

libre y uniforme aguas abajo del sistema (Hager, 2010).

Entonces el diseño hidráulico del ducto de salida depende de la lámina de agua producida aguas

abajo, o como se refieren en la literatura como la altura de flujo última “ℎ𝑢”. También expresada

como la relación de llenado a la salida de la cámara 𝑦𝑢 = ℎ𝑢/𝐷𝑢. Esta relación de llenado aguas

abajo se relaciona con la relación de llenado aguas arriba de la cámara así:

𝑦𝑜5/2 (1 −

1

4𝑦𝑜) = 2.5𝑦𝑢

5/2

Ecuación 3.8 Relación entre relación de llenado del ducto de entrada y relación de llenado de salida

Así pues, la profundidad crítica a la salida de la cámara varía a la raíz cuadra del caudal y a la raíz

cuarta del diámetro, tal como se muestra en la siguiente formula [𝑄/(𝑔𝐷𝑢5)

1/2]

1/2

= ℎ𝑐𝑢. Y se

obtiene relación entre la profundidad de aguas arriba y la profundidad crítica a la salida de la

cámara:

ℎ𝑜 = 5/3 ℎ𝑐𝑢

Ecuación 3.9 Relación entre la profundidad aguas arriba y profundidad de flujo crítica aguas abajo

De esto se concluye que con un determinado caudal se tiene una relación de llenado aguas arriba

“𝑦𝑜”, con el cual se puede predecir el comportamiento del ducto aguas abajo mediante la relación

de llenado “𝑦𝑢” (Hager, 2010).

3.3.1.4 Clasificación del chorro en modelos hidráulicos

Las cámaras de caída son estructuras complejas en su hidráulica y por ello se ha requerido de

modelos en laboratorio para poder describir su comportamiento mediante ecuaciones. Como se

sabe las cámaras de caída en su mayoría tienen sección circular, por lo tanto, se observó el estudio

hecho por Granata et al en el 2011 y de Zheng .et al en el 2017.

El experimento de Granata evaluó la hidráulica de dos cámaras de caída circulares en condiciones

de flujo crítico, además de reclasificar los flujos en los regímenes presentados por Chanson en el

2004. Como último, compararon las pérdidas de energía a través de la cámara de caída junto con la

altura de energía residual, el ahogamiento a la salida de la cámara y las corrientes de flujo aireado

dirigidos hacia aguas abajo.

El experimento llevado a cabo consistió en el montaje de dos modelos ubicados en el laboratorio de

Ingeniería del agua de la Universidad Cassino en Italia. El primer modelo cuenta con una cámara de



diámetro de 1 m, con alturas de caída de 0.5, 1.0 1.5 y 2.0 m con caudales desde 3 hasta 80 L/s (Ver

fotografía lado izquierdo de la Figura 3.14). El segundo modelo tiene una cámara de caída de

diámetro de 0.48 m con altura de caída de 1.0, 1.2 y 1.5 m y para caudales de 1.5 L/s hasta 60 L/s

(Ver fotografía lado derecho de la Figura 3.14). Cabe resaltar, que estos modelos consisten en una

cámara de caída libre con piscina de disipación en el fondo.

Figura 3.14 Fotografías tomadas de las dos cámaras estudiadas en el trabajo de Granata et al

En este experimento se llevaron a cabo aproximadamente 2000 tomas de mediciones, las cuales

fueron tomadas con sensores localizados aguas arriba y abajo de las tuberías de entrada y salida,

donde el flujo se puede clasificar como uniforme y sin turbulencia para tomar las profundidades de

flujo. Mientras que, la profundidad de la piscina de disipación se tomó con un piezómetro ubicado

en el fondo de la cámara.

En este estudio se pudo constatar la clasificación por regímenes para el cloque del flujo con la

estructura hecha por Chanson en el 2004. Según él, los parámetros de flujo ocurren en la cámara

dependiendo de los comportamientos hidrodinámicos de aproximación, los flujos restantes, la

geometría de la cámara y el impacto del chorro dentro de la cámara. Esto es descrito por tres

patrones de flujo para flujos sub-críticos, R1, R2 y R3 para cámaras de caída con forma rectangular.

En el estudio hecho por Granata et al se extienden estos regímenes para flujos supercríticos y

estructuras circular para R2 y R3 así:

• El régimen R1 ocurre con caudales pequeños cuando el chorro impacta en el eje de la

piscina.



• El régimen R2 incluye todos los chorros que impactan en la zona de salida de la cámara. En

el R2a ocurre cuando el flujo impacta la zona entre el fondo y la salida de la cámara,

ocasionando que el flujo se distribuya una porción hacia la tubería de aguas abajo y el resto

hacia la piscina, así formando una circulación del flujo aguas arriba de la zona de impacto

del flujo. Por otro lado, el régimen R2b se caracteriza porque el impacto del chorro se da

directamente en la tubería de aguas abajo causando ondas, menos pérdidas de energía y

altas velocidades residuales. Por último, el régimen R2c ocurre cuando el chorro impacta en

la pared de la cámara causando que la mayoría del flujo entre a la tubería de aguas abajo;

se caracteriza por tener altas velocidades y ser un flujo aireado, mientras que el fondo de la

piscina se muestra menos afectado por la tener menos turbulencia que el régimen R2a.

Figura 3.15. Esquema de comportamiento de flujos para el régimen R2 (Zheng, Li, Zhao, & An, 2017)

• El régimen R3 ocurre cuando el chorro de caída impacta en la pared contraria de la cámara

y se subdivide en dos regímenes. El R3a genera una napa de agua la cual impacta en la pared

de la cámara convirtiéndose en una cortina compacta que cubre la salida de la cámara. Y el

R3b caracterizado por caudales y números de Froude altos, se esparce radialmente por la

pared de la cámara formando espirales y gran turbulencia.

Figura 3.16 Comportamiento de flujo para el régimen R3, (a) R3a y (b) R3b (Granata, et al, 2011)



La clasificación del chorro en estos regímenes se describe por el número de impacto, el cual se

obtiene por el comportamiento del flujo entrante y la geometría de la cámara. El número de impacto

describe el radio de curvatura del chorro respecto a la localización del eje horizontal y el diámetro

de la cámara. Con el experimento hecho se pudo observar que este parámetro se encuentra en 0.6

para los regímenes R1 y R2, en 0.95 para R2 y R3a, y en 1.5 para los flujos que estén entre R3a y

R3b.

𝐼 = (2 𝑠

𝑔)

0.5

.𝑉0

𝐷𝑀

Ecuación 3.10 Número de impacto

Donde s es la altura de caída, g la gravedad, V0 la velocidad de flujo de aproximación y DM el

diámetro de la cámara.

Las características geométricas de la cámara junto con el caudal introducido condicionan la

ubicación del choque del chorro y por lo tanto el régimen del flujo, estos a su vez condicionan el

comportamiento y la eficiencia en la disipación de energía de la cámara (Granata, et al 2011).

Como conclusión del estudio se observó que un mal comportamiento hidráulico resulta de una mala

aireación, que conlleva en una piscina de disipación muy profunda o ahogamiento a la salida de la

cámara. Además, se puede destacar que la geometría de la cámara expresada en variables como: el

diámetro de la cámara, la altura de caída y la altura de la piscina, afectan la disipación de la energía

(Granata, et al, 2011), factor importante en el comportamiento hidráulico.

3.3.2 Comportamiento hidráulico en cámaras con bajante

El comportamiento del flujo en una cámara de caída con bajante no es muy diferente al expuesto

en el numeral 3.3.1. Siempre se resume en la forma del chorro y en los lugares donde choque. No

obstante, como para este tipo de cámara se tienen varias configuraciones se deben analizar por

separado cada componente.

3.3.2.1 Conexión del tubo bajante en forma de T o Y

En las cámaras de caída con bajante, específicamente cuando la bajante está fuera del pozo, el flujo

de la tubería entrante se divide en dos secciones, una que entra a la cámara y la otra que se conduce

por la bajante. Esta división de flujo debe hacerse con elementos de conexión en forma de "T", en

"Y" o con una caja de concreto cuando el accesorio no se encuentra para el diámetro específico que

se esté usando ( (EPM, 2017)) (Figura 3.6).

Esta configuración se encuentra en la mayoría de los sistemas de drenaje estudiados y se convierte

en una alternativa atractiva tanto para diseñadores como para constructores. Debido a que se



garantiza espacio suficiente en el pozo para la inspección y se conduce el flujo aguas abajo hasta el

tubo saliente.

El comportamiento hidráulico de este tipo de estructuras ha sido estudiado en montajes de

laboratorio, donde se pudo constatar que para variados caudales y dependiendo de las condiciones

aguas arriba, se pueden producir flujos supercríticos como sub-críticos. Para la cámara cuya

conexión sea en forma de "T", los flujos supercríticos pasarán de largo hasta la cámara, lo cual

produciría una condición peligrosa al aumentar el nivel de flujo en el pozo sumergiendo la salida de

la bajante (Barreto & Cardona, 2014).

Para evitar esta condición en los diseños de cámaras con conexión en forma de "T" para flujos

supercríticos se estrecha la salida a la cámara, colocando un muro de concreto como vertedero

como se muestra con los rectángulos rojos en la Figura 3.17 o se pone un diámetro más pequeño al

de la tubería entrante (Figura 3.18).

Como se ve en la Figura 3.18, donde se evaluó para tres caudales y 4 pendientes diferentes, el

cambio de diámetro de la tubería saliente a la cámara por uno menor obliga al flujo a entrar en su

gran mayoría por la tubería bajante. Si se observa la fotografía para el caudal bajo y una pendiente

del 15% existe un represamiento al lado derecho donde se encuentra la cámara, mostrando que el

flujo se comporta la forma de remolino, devolviéndose para posteriormente conducirse a la bajante.

Figura 3.17 Represa a la salida de la tubería saliente a la cámara (Tchobanoglous, 1985)



Figura 3.18 Resultados para la conexión en forma de T con estrangulamiento del flujo disminuyendo el diámetro saliente a la cámara (Q alto =4,20 L/s; Q medio =3,0 L/s; Q Bajo =1,08 L/s) (Barreto & Cardona, 2014)

Figura 3.19 Resultados para la conexión en forma de Y sin estrangulamiento del flujo (Q alto =4,20 L/s; Q medio =3,0 L/s; Q Bajo =1,08 L/s) (Barreto & Cardona, 2014)



Mientras que para la conexión de forma de "Y" existe una mayor probabilidad dependiendo de la

pendiente y la velocidad de flujo, que los flujos supercríticos entren a la bajante. Como se muestra

en la Figura 3.19 la mayoría del flujo se conduce hacía la bajante para cada una de las condiciones

de flujo aguas arriba.

Con esto se puede concluir que para el diseño de la conexión entre la tubería entrante y la bajante

debería ser una conexión curva que garantice la entrada del flujo a la bajante, y sólo ciertos flujos

salgan por la cámara para evitar daños dentro del pozo.

3.3.2.2 Comportamiento de la bajante

La bajante, siendo la tubería puesta verticalmente en la mayoría de los casos para este tipo de

cámara, se convierte en el disipador de energía y el receptor del flujo entrante a la cámara. Por esto,

una buena hidráulica de este componente causaría una buena entrega del flujo hacia la tubería

saliente y por consiguiente al sistema de drenaje aguas abajo.

Para el estudio realizado por Ding & Zhu en el 2018, existen tres régimes de flujo presentados en

una bajante dependiendo de las condiciones iniciales y de su relación con el diámetro de la bajante:

flujo libre, flujo con tapón (Water Plug) y flujo presurizado (choked).

El régimen de flujo libre se da cuando el chorro ocupa parcialmente la sección transversal de la

tubería bajante y existe flujo de aire durante todo el recorrido de la caída, existiendo presión

atmosférica. El régimen de flujo con tapón se forma en el fondo de la bajante bloqueando el flujo

de aire y causando presiones negativas. Por último, el flujo presurizado se presenta cuando el flujo

aumenta en la bajante sumergiendo la tubería entrante y la bajante opera a flujo lleno (Ding & Zhu,

2018).

Estos tres regímenes también se observan en la Figura 3.20 por la columna de aire vista de color

blanco, la cual indica el flujo de aire presenta en la bajante. Para el caudal de 4 L/s se ven pequeños

rastros de color blanco por todo el tubo, demostrando la aireación presente en el régimen de flujo

libre. Mientras que, para los caudales de 9 L/s y 12 L/s se observa una columna blanca en el fondo

de la bajante, indicando el tapón y las oscilaciones del flujo. Finalmente, para los caudales de 13 L/s

y 15 L/s no se observa ningún rastro de color blanco indicando el flujo presurizado sin flujo de aire

y la tubería funcionando a tubo lleno.

La capacidad de la bajante y los regímenes son controlados por el caudal de entrada y el diámetro

de la bajante, para relacionar estos dos factores se utilizó la relación adimensional Q*, la cual se

calcula con la Ecuación 3.11. Así como se muestra en la Gráfica 3.3 para las alturas de caída H = 1,0;

1,75 y 2,50 m, el flujo con tapón se desarrolla cuando Q* = 0,29; 0,26 y 0,18 respectivamente, por

lo cual se concluye que entre más alta sea la caída se formará más pronto el taponamiento en el

fondo de la bajante (Ding & Zhu, 2018).



𝑄∗ =𝑄𝑤

(𝑔𝐷𝑠5)

1/2

Ecuación 3.11 Relación entre caudal entrante 𝑸𝒘 y el diámetro de la bajante 𝑫𝒔

Figura 3.20 Observación de los regímenes de flujo en una bajante (Ding & Zhu, 2018)

Por último, con los resultados de los ensayos se pudo obtener que el régimen de flujo con tapón

ocurre cuando 𝑄∗ = 0,24 ± 0,06, mientras que el flujo presurizado se da cuando 𝑄∗ = 0,48 ±

0,04. Con estos resultados y la Gráfica 3.3 se puede concluir que para evitar el flujo presurizado y

que éste cause daños en la tubería bajante, se debería tener caudales menores a 9 L/s y la altura de

la bajante no debería sobrepasar 2 m.



Gráfica 3.1 Altura de taponamiento vs Q* (Ding & Zhu, 2018)

3.3.3 Comportamiento del flujo en cámaras de vórtice

Las cámaras de caída tipo vórtice son conocidas por la gran capacidad de disipación de energía que

tienen, debido al favorable efecto causado por la traslación del flujo en forma helicoidal a través de

la caída. Además, del patrón de flujo anular conformado por agua y aire, donde el agua se traslada

por las paredes y el aire en el centro, con presión atmosférica (Hager, 2010).

Las cámaras de caída tipo vórtice son utilizadas en los sistemas de alcantarillado en las ciudades

topográficamente empinadas para conectar conductos con grandes diferencias de nivel. Como se

mencionó anteriormente son recomendadas para alturas de caída y caudales altos debido a su

disipación de energía eficiente. Como en el caso de la ciudad de Cossona y, localizada en Suiza, en

la cual se encuentra varias de estas estructuras en su sistema de alcantarillado con alturas hasta de

48 m, 1,5 m de diámetro y 3,0 m3/s (Crispino, el at, 2016).

El dimensionamiento de la caída tipo vórtice abarca tres componentes: la estructura de entrada o

de aproximación, estructura de caída y la estructura de salida. Para tener el diseño adecuado se

deben considerar estos tres componentes, debido a que cambios en la geometría de estos podría

variar el comportamiento hidráulico de la cámara.

3.3.3.1 Estructura de entrada

• Geometría estructura de entrada

El propósito de la estructura de aproximación consiste en encausar el flujo linear que entra a la

cámara y convertirlo en flujo tangencial. Para el dimensionamiento de este conducto, se asume

como un canal rectangular con ancho 𝑏, pendiente 𝑆𝑜 y coeficiente de rugosidad de Manning 𝑛

(Hager, 2010).



En la Figura 3.21 se muestra “𝐷𝑠” como el diámetro de vórtice, “𝑎” como la distancia entre el centro

de la cámara de caída y el muro de entrada, "𝑐" como el espesor mínimo del espiral de entrada, "𝑒"

la excentricidad, "∆𝑅" el radio de la estructura de entrada en la caída y "𝑠" el ancho mínimo de la

pared (Hager, 2010).

Figura 3.21 Geometría de cámara de caída tipo vórtice, (a) sub-crítico y (b) supercrítico, (Hager, 2010)

La geometría de la estructura de vórtice para los flujos sub-críticos se describe por las siguientes

ecuaciones (Hager, 2010):

𝑎 = 𝑅 + ∆𝑅 +1

2𝑏 + 𝑐 + 𝑠

𝑒 =1

7(𝑏 + 𝑠)

𝑅4 = 𝑅 + ∆𝑅 + 𝑐 + 𝑒

𝑅3 = 𝑅4 + 𝑒

𝑅2 = 𝑅4 + 3𝑒

𝑅1 = 𝑅4 + 5𝑒

Ecuación 3.12 Diseño geometría tipo vórtice para flujos sub-críticos



Como comprobación de las dimensiones, se debe tener que: 0.8 < 𝐷𝑠/𝑎 < 1 y ∆𝑅 > 𝐷𝑠/6. El

espesor de la estructura lo determina el diseño estructural.

Por otro lado, la geometría para flujos supercríticos está dada por (Hager, 2010), ver Figura 3.21:

𝑅 = 1/2 𝐷𝑠

𝑅1 = (𝑎 + 𝑅 + 𝑠 + 𝑑)/2 𝑒1 = 𝑎 − 𝑅1

𝑅2 = (2𝑅 + 𝑠 + 𝑑)/2 𝑒2 = 𝑅 + 𝑠 + 𝑑 − 𝑅2

𝑅3 = (𝑎 + 𝑅 + 𝑠 − 𝑏)/2 𝑒3 = 𝑎 − 𝑏 − 𝑅3

𝑅4 = (𝑅 + 𝑠) 𝑠1 = 𝑎 − 𝑏 − 𝑅

Ecuación 3.13 Diseño geometría tipo vórtice para flujos supercríticos

La comprobación del diseño debería satisfacer lo siguiente:

(𝑅 + 𝑠 + 𝑑) ≤ 𝑎 ≤ (3𝑅 + 𝑠)

0.8𝑅 ≤ 𝑏 ≤ 2𝑅

0.8𝑅 ≤ 𝑑 ≤ 2𝑅

La pendiente del fondo del canal 𝑆𝑜𝑜 debe estar entre los valores de 10% a 20%, mientras que la

pendiente del fondo de la corriente 𝑆𝑜𝑒 deberá ser mayor o igual a la pendiente del canal 𝑆𝑜𝑒 ≤

30%.

• Diseño de estructura de entrada:

El diseño de la estructura de entrada para flujos sub-críticos el caudal máximo para el cual se diseña

la estructura está dada por:

𝑄𝑀 = 4𝑅3(5𝑔/𝑏)1/2

Mientras que para flujos supercríticos el caudal máximo depende del diámetro de la caída 𝐷𝑠:

𝑄𝑀 = [𝑔(𝐷𝑠/1.25)5]1/2

Por otro lado, se debe prevenir los muros de la estructura de entrada para la primera ola

estacionaria que se produce por el cambio de pendiente en el fondo, el cambio de pendiente entre

𝑆𝑜𝑜 y 𝑆𝑜𝑒 (Figura 3.22). Este fenómeno se describe mediante la Ecuación 3.14 para los dos tipos de

flujo.



ℎ𝑀

𝑅1= [

212𝑄

(𝑔𝑏ℎ𝑂𝑅13)

12

−1

2𝑆𝑜𝑒] (1.1 + 0.15𝐹𝑜)

Ecuación 3.14 Cálculo de la altura máxima de la ola máxima estacionaria (Figura 3.22)

𝛼𝑀/𝐹𝑜 = 75°(ℎ𝑜/𝑅1)1/2

Ecuación 3.15 Cálculo de ángulo máximo para la profundidad máxima (Figura 3.22)

Donde:

𝑅1: Radio de la primera elipse, del diseño geométrico.

ℎ𝑜: Profundidad de flujo aguas arriba.

𝐹𝑜 = 𝑉𝑜/(𝑔ℎ𝑜)1/2: Número de Froude aguas arriba.

Figura 3.22 Onda estacionaría a través de la estructura de entrada hacia el vórtice, (Hager, 2010)

3.3.3.2 Estructura de caída

En el ducto de caída se encuentra el vórtice que conduce el flujo hacia la estructura de salida,

mediante flujo radial cuyo centro está lleno de aire el cual se mantiene con presión atmosférica,

evitando presiones negativas que causen dañen en la cámara.

El dimensionamiento de la estructura de caída está dado por la altura de la caída y la cantidad de

aire liberado dentro de la estructura, lo cual se traduce en la turbulencia que se tenga. Por lo tanto,

se deben hallar los siguientes parámetros:

𝑧∗ =(1/𝑛)6/5

2𝑔(

𝑄

𝜋𝐷𝑠)

4/5



𝑉∗ = (1/𝑛)3/5 (𝑄

𝜋𝐷𝑠)

2/5

La velocidad máxima está dada por:

(𝑉/𝑉∗)2 = 𝑡𝑎𝑛ℎ(𝑧/𝑧∗)

La altura de caída 𝐿𝑠 de ser menor al límite dado por 𝑧𝐿 = 3𝑧∗ (Hager, 2010).

3.3.3.3 Estructura de salida

El propósito esta estructura es transformar la energía remanente de los anteriores procesos antes

de entregar al ducto de salida, además de controlar la turbulencia y la aireación provocada por la

estructura de vórtice como se ve en la Figura 3.23.

Figura 3.23 Fotografía de modelo estructura de salida, (Hager, 2010)

Las dimensiones mínimas para el funcionamiento en la estructura de salida sea el adecuado, son

tomadas experimentalmente (Hager, 2010) y se muestran a continuación:

𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 = 4�̃�

𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 = (1 − 1.2)�̃�

𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 = 2�̃�

Donde, �̃� es el valor mayor entre el diámetro del vórtice 𝐷𝑠 y el diámetro del ducto de salida 𝐷𝑢.



3.3.4 Disipación de energía

La energía de disipación en las cámaras de caída depende de los patrones de flujo, los regímenes

del flujo a la salida y la operación aguas abajo de la cámara. Estos factores pueden estar agrupados

en cuatros categorías, (a) la condiciones de entrada reflejadas en la relación de llenado y el número

de Froude en la tubería de aguas arriba, (b) las condiciones a la salida, tanto el flujo a superficie

libre, presurizado (condiciones de ahogamiento) y restringido, (c) condiciones geométricas de la

cámara y las tuberías de entrada y salida y (d) el suministro de aire (Zheng, Li, Zhao, & An, 2017).

La disipación de energía es causada por incremento de la turbulencia y esparcimiento del chorro.

Para los regímenes de las cámaras de caída a flujo libre, se da en el régimen R1 por la pérdida de

energía producida por el impacto del chorro en la piscina generando gradientes de velocidad. Por

otro lado, en el R3 se da por la fricción generada por el choque del flujo en la pared de la cámara

formando flujo en forma de espray y espiral (Granata, et al, 2011).

Figura 3.24 Esquema de cámara de caída con alturas de energía

Las pérdidas de energía relativa (eficiencia) están dadas por la ecuación (Ecuación 3.16) la cual toma

las alturas de aguas arriba y aguas abajo dadas por las ecuaciones (Ecuación 3.17 y Ecuación 3.18).

El régimen R1 se caracteriza por las altas pérdidas de energía debido a que el flujo de entrada se

describe como un flujo crítico, cuyo número de Froude es cercano a 1, y las eficiencias están

alrededor del 90%. No obstante, la eficiencia va disminuyendo a medida que el número de impacto

(I) aumenta, esto se ve reflejado en R2 cuyas eficiencias son bajas comparadas con R1 y R3, debido

sustancialmente al impacto del chorro y a la geometría de la cámara (Figura 3.24), tal como se

muestra en la Gráfica 3.3.



ƞ =𝐻0 − 𝐻𝑑

𝐻0

Ecuación 3.16 Eficiencia

𝐻0 = 𝑠 + ℎ0 +𝑉0

2

2𝑔

Ecuación 3.17 Altura de energía aguas arriba

𝐻𝑑 = ℎ𝑑 +𝑉𝑑

2

2𝑔

Ecuación 3.18 Altura de energía aguas abajo

Gráfica 3.2 Eficiencia versus el número de impacto (I) para la cámara de diámetro de 1.0m

Con los estudios realizados se pudo constatar que el diámetro de la cámara limita su eficiencia,

debido a los resultados obtenidos. Esto es ocasionado por los regímenes de flujo ya que

dependiendo del lugar del choque del flujo se tendrá una mayor o menor disipación (Granata, et al,

2011), al ser la cámara más estrecha, la mayoría de los flujos entrantes estarán en R2 y R3.

Por otro lado, en la Gráfica 3.2 se puede observar que la altura de caída "s" condiciona la altura de

energía disponible en la transformación de la energía cinética a potencial. Por esto mismo, cuando



la altura de caída es menor, se obtienen menos energía disipada puesto que la zona de altos

gradientes de velocidad está confinada y no se alcanza a transformar la energía.

3.3.5 Aireación de la cámara

El estudio del fenómeno de ahogamiento es importante, debido a que el desarrollo de la hidráulica

de la cámara de caída se ve fuertemente influenciado por el suministro de aire. Si el aire inducido y

transportado a la tubería de aguas abajo no es suministrado por la atmosfera, se presentarán

presiones negativas en la cámara, induciendo un aumento en la altura de la piscina; creando mayor

posibilidad de presentar el fenómeno de ahogamiento (Granata, de Marinis, Gargano, & Hager,

2011).

El flujo "ahogado" se define como la transición entre el flujo a superficie libre al flujo presurizado.

Este fenómeno se estudió con modelos hidráulicos en el 2002 por De Martino, cuyos resultados

indican que se ve afectado por el número de Froude y la relación de llenado de la entrada. Además

con los resultados obtenidos en el laboratorio se demostró que el parámetro ѱ = 𝑦𝑜[𝐹𝑜𝑐ℎ −

(ℎ𝑝/𝐷𝑜𝑢𝑡)]donde 𝐹𝑜𝑐ℎ se refiere al número de Froude en la entrada del ahogamiento, puede ser

comparado con una relación lineal hecha con los datos experimentales (ѱ𝑐ℎ = −5.9𝑦𝑜 + 3.5), con

la cual se pudo observar que si ѱ > 𝑘ѱch no se presenta el fenómeno de “ahogamiento”, así como

lo muestra la Gráfica 3.3.

Gráfica 3.3 Relación lineal para la determinación de la existencia del fenómeno de ahogamiento

Adicionalmente, si se tienen en cuenta los flujos entrantes al sistema después de una tormenta

registrados en la actualidad, la altura de la piscina no será suficiente (Granata, de Marinis, Gargano,

& Hager, 2011). Por lo cual, el flujo entrante estaría sumergido en cualquier caso y la cámara no



trabajará bajo condiciones de aireación total. Por ello, se hace necesario en el diseño, el cálculo de

la altura de la piscina de disipación.

Con las mediciones hechas por Granata se pudo constatar que, para el régimen R1 la altura de la

piscina es indiferente, mientras que para los regímenes R2 y R3 cada vez la altura aumenta conforme

aumenta el número de impacto (I). Así, se pudo evidenciar que la profundidad de flujo entrante y la

forma del chorro son relevantes en la altura de la piscina para R1 y R2, (Ecuación 3.19); mientras

que para R3 ocasionado cuando hp/Dout > 1.3, la altura de la piscina depende de la relación

DM/Dout y se debe calcular con la ecuación (Ecuación 3.21), cuya suposición es el comportamiento

a la salida de la cámara tal como un orificio.

ℎ𝑝

𝐷𝑜𝑢𝑡= 0.3 + (1 +

𝑠

𝐷𝑀)

𝑄∗2

𝑦01.4

Ecuación 3.19 Altura de la piscina para R1 y R2

𝑄∗ =𝑄

(𝑔𝐷𝑜𝑢𝑡5)

0.5

Ecuación 3.20 Relación entre caudal y diámetro

ℎ𝑝

𝐷𝑜𝑢𝑡= 0.6 + (7.3 +

𝐷𝑀

𝐷𝑜𝑢𝑡) 𝑄∗2

Ecuación 3.21 Altura de la piscina para R3

Como conclusión, la aireación es tan importante en la cámara de caída como lo es la disipación de

energía. Es causante de la buena hidráulica existente en la estructura al igual de evitar cavitaciones

o daños al sistema. Por esto, en el diseño de las cámaras de caía deberían tomarse en cuenta las

condiciones geométricas e hidráulicas necesarias para la presencia del flujo de aire durante el

funcionamiento de la estructura.

3.4 Diseño de cámaras de caída en alcantarillados

En la actualidad, no existe un complejo procedimiento para el dimensionamiento o para el diseño

de estas estructuras. Como se ha podido evidenciar en los capítulos anteriores, la hidráulica detrás

es compleja y muchas veces debe ser comprobada por montajes en laboratorio para así conocer con

certeza, si el funcionamiento de la estructura propuesta es seguro para ser utilizada.

El diseño de alcantarillados es complejo, sin embargo, debido al tránsito de flujo, calculando el perfil

de flujo dentro de todo el sistema se pueden detectar las alturas de caída mayores a 0,7 m donde

según la reglamentación colombiana debe colocarse una cámara de caída.



Como tal para el diseño hidráulico de una cámara de caída en un sistema de alcantarillado se

necesitan los caudales y propiedades de cada una de las tuberías entrantes como pendiente,

diámetro y material. Las propiedades hidráulicas de la tubería de salida pueden darse por el diseño

de la cámara misma, no obstante, sí se debe tener claro las cotas para cada una de las tuberías de

la cámara, tanto las de entrada como las de salida.

Debido a la complejidad hidráulica de estas estructuras y a los graves daños que ocasionaría el fallo

de éstas, los diseñadores recurren a la normativa recurrente en el lugar donde esté el proyecto para

proponer el diseño de las cámaras de caída. Por esta razón, los mecanismos de control del sistema

de drenaje urbano de cada ciudad o estado tienen en sus documentos técnicos tipos de cámara

estándar que restringen el diseño de estas estructuras a lo del conocimiento común y a lo aprobado

por estos.

3.4.1 Reglamento técnico para el sector de agua potable y saneamiento básico (RAS)

En el caso colombiano, se tiene el " Reglamento técnico para el sector de agua potable y

saneamiento básico" (RAS) que restringe y avala el tipo de cámara a utilizar cuando se tiene una

diferencia de cotas entre las tuberías de entrada y la de salida. Además, sugiere restricciones acerca

de la geometría de la cámara y de las tuberías por cuestiones de mantenimiento y limpieza del

sistema.

Es decir, en este reglamento se hacen consideraciones en cuanto al diseño de cámara de caída a

seguir por el diseñador, tales como:

• Si la velocidad en los tramos entrantes supera las permitidas por los materiales utilizados

en la cámara, se debe considerar el diseño de pantallas de disipación de energía (Figura

3.25) teniendo cuidado en el diseño de éstas para garantizar la inspección y el

mantenimiento. Por esto se debe garantizar que la cámara tenga por lo menos 2 m en

sentido longitudinal.

• Si la altura de la cámara es superior a 7 m se debe proponer un tipo de estructura especial

como cámaras de caída de vórtice, escalonada o con bandejas (Figura 3.26).

• Las cámaras para utilizar son de tipo sifón (bajante) las cuales pueden ser con tubería

externa o interna (Figura 3.27). En el caso de la cámara con tubería externa, la tubería

bajante debe ser con las mismas características y calidad de los materiales utilizados para el

resto del sistema, el diámetro debe ser igual al del ducto de entrada de mayor diámetro y

nunca menor que 200 mm. Por otro lado, la cámara con tubería interna, la cual debe

preferirse sobre la de tubería externa, debe tener el diámetro igual a la tubería entrante,

además la boca de salida de la tubería bajante debe estar dirigida hacia la cañuela de la

cámara y no debe tener un ángulo mayor a 15 grados con respecto a la tubería de salida

(Colombia, Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio, 2012).



• Adicionalmente, se pide especial cuidado en el diseño estructural de la cámara para poder

sostener el cuidado de sus partes y que la hidráulica no se vea afectada.

Figura 3.25 Cámara de caída con pantalla de disipación (Colombia, Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio, 2012)

Figura 3.26 Cámaras de caída para alturas superiores 7 m (a) Cámara de vórtice (b) Cámara escalonada (c) Cámara con bandejas alternantes (Colombia, Ministerio de Vivienda, Ciudad y Territorio, 2012)

Figura 3.27 Cámaras tipo sifón con tubería externa (izquierda) y tubería interna (derecha).



3.4.2 Normas técnicas de servicio de la Empresa de Acueducto y Alcantarillado de

Bogotá (EAAB)

En cuanto a la normativa en la ciudad de Bogotá, para el diseño de cámaras de caída se debe remitir

a la norma NS-029 en los documentos técnicos de la EAAB, la cual se refiere a los requisitos,

restricciones y sugerencias sobre el diseño de los pozos de inspección, tales como materiales y

requisitos mínimos de diseño.

En esta norma se refieren a los materiales de los pozos tales como mampostería, concreto y acero,

y plásticos como el polietileno (PE) y el policloruro de vinilo (PVC). Además, se refiere a los

componentes de seguridad tales como el diseño de la tapa, la cual debe cumplir ciertos requisitos

dependiendo de la locación del pozo, es decir, si está en una vía con alto tráfico pesado se deberá

considerar mayor refuerzo en el diseño de esta tapa.

También se pre-dimensionan otros componentes como los muros de la cámara, el cilindro o cono

dependiendo de su geometría y material, la escalera de acceso, entre otros.

Por otro lado, se dan requerimientos básicos para las cámaras de caída y sus componentes. Por

ejemplo, los requisitos para el diseño de la bajante dentro de las cámara serán: tener una diferencia

de nivel superior a 0,75 m, el material a utilizar puede ser concreto, gres o PVC, incluido el codo de

90°, embebida en concreto de 21 MPa (EAAB, 2006), el diámetro de tubo bajante deberá ser del

mismo diámetro que el tubo de entrada con diámetros hasta de 400 mm (16"), para diámetros

superiores a 900 mm (36") el tubo bajante deberá ser de 400 mm (16"), el diámetro mínimo es de

200 mm (8"), por último si la tubería de salida tiene un diámetro superior al 900 mm (36") se deberá

colocar una estructura escalonada entre el tubo y la cámara.

Adicionalmente, para las conexiones de tuberías a pozos plásticos debe tenerse especial cuidado en

la perforación del elevador y utilizarse un adaptador, que debe tener en cuenta los movimientos

diferenciales entre la tubería y la estructura y sus esfuerzos.

Si la tubería es rígida, este adaptador será una banda de espuma de poliuretano de un espesor de

15 mm y un ancho igual al espesor del muro menos 20 mm, de tal manera que quede un centímetro

a cada extremo para aplicar el material sellante plástico. Además, si la tubería sobresale a la cámara

esta longitud no deberá sobrepasar los 0,50 m.

Por el contrario, si la tubería es flexible la conexión al pozo deberá ser mecánica con una unión de

acuerdo con las especificaciones del fabricante; la unión deberá estar instalada al pozo y la tubería

se acopla a la unión para garantizar estanqueidad de la conexión.

Por último, si la cámara es plástica, la conexión de tuberías deberá hacerse por parte de un

hidrosello de caucho y se lubricará con soluciones jabonosas que no lo deterioren.



3.4.2.1 Análisis hidráulico de pozos

El diseño hidráulico de la cámara de caída se da por medio del cálculo de las pérdidas de energía.

Como es sabido en los sistemas de alcantarillado con ductos cerrados a flujo libre, un cambio de

dirección o la construcción de un pozo producen pérdida de energía (EAAB, 2006).

Si la unión se da entre colectores mediante cámara de caída se deberá aceptar la pérdida de la

energía cinética del flujo en su totalidad, y por lo tanto, el comportamiento se asemeja a una masa

de agua estacionaria que para salir del pozo debe pasar por el orificio formado por el colector de

salida" (EAAB, 2006).

En el diseño de la cámara se deberá clasificar el flujo en supercrítico o sub-crítico, los cuales se dan

cuando la lámina de agua para flujo normal es menor a la lámina de agua para flujo crítico, y cuando

la lámina de agua para flujo normal es mayor a la lámina de agua para flujo crítico, respectivamente.

Con esta clasificación se dispondrá a calcular las pérdidas de energía con las siguientes ecuaciones.

𝐻𝑤 = 𝑦𝑐 +𝑣𝑐

2

2𝑔+ ℎ𝐿𝑂

Ecuación 3.22 Ecuación que describe la hidráulica en la cámara de caída para flujo supercrítico

𝐻𝑤 = 𝑦𝑛 +𝑣𝑛

2

2𝑔+ ℎ𝐿𝑂

Ecuación 3.23 Ecuación que describe la hidráulica en la cámara de caída para flujo sub-crítico

Dónde:

𝐻𝑤: Lámina de agua en el pozo medida desde la cota de batea del colector de salida al inicio del

pozo (m).

𝑦𝑐: Lámina de agua para flujo crítico del colector de salida (m).

𝑦𝑛: Lámina de agua para flujo uniforme del colector de salida (m).

𝑣𝑐: Velocidad para flujo crítico del colector de salida (m/s).

𝑣𝑛: Velocidad para flujo normal del colector de salida (m/s)

ℎ𝐿𝑂: Pérdidas de energía localizadas en el pozo (m) (Ecuación 3.24).

ℎ𝐿𝑂 = 𝑘𝑣2

2 𝑔

Ecuación 3.24 Cálculo de pérdidas de energía por mezcla de flujo o cambio de dirección



Dónde:

𝑘: Coeficiente de pérdidas en uniones, ver Figura 3.28

𝑣: Velocidad de flujo en la unión (m/s).

Figura 3.28 Coeficientes típicos de pérdidas en uniones de colectores (EAAB, 2006)

3.4.3 Normas de diseño de sistemas de alcantarillado de EPM

Las Empresas Públicas de Medellín (EPM) regulan las obras de alcantarillado en la ciudad de

Medellín, Colombia. En las normas técnicas proponen cámaras de caída tipo bajante

convencionales, con tubería interna o externa. No obstante, sugieren para los proyectos en

construcción, consolidados como nuevos, proponer cámaras de caída con bajante externa ya que

para proyectos existentes es más complicado la construcción (EPM, 2013).

Se recomienda que el material de las tuberías y accesorios sea el mismo, además de tener las

mismas dimensiones tanto la tubería de entrada como la bajante, para evitar estrangulación del

flujo. Adicionalmente se recomienda que el ángulo de la bajante debe estar a 45° de la horizontal, y

el diseño de un vertedero a la salida de la tubería de entrada, que garantice la entrada del flujo a la

bajante (Figura 3.29). Por último, la pendiente de la cañuela del fondo debe tener la misma

pendiente de la tubería de salida.



Figura 3.29 Cámaras de caída con bajante externa (EPM, 2013)

Por otro lado, para los ductos cuyo diámetro sea superior a los 900 mm se sugiere proponer

estructuras de mayor tamaño, como lo son las estructuras con escalones de disipación y estructura

con tabiques verticales.

3.4.3.1 Diseño de cámaras de caída bajo flujo supercrítico

El diseño de las cámaras de caída bajo flujos supercríticos se sugiere para caudales máximas de

5 𝑚3/𝑠 , y se basa en la suposición de la pérdida total de la energía cinética durante la caída,

convirtiéndose en energía potencial, causando que el ducto de la salida de comporte como conducto

cerrado con control a la entrada.

Para el cálculo de la altura de la cámara suficiente para poder vender la resistencia del control, se

deben hacer dos suposiciones para el conducto cerrado con control a la entrada, debido a que puede

funcionar como sumergido o no sumergido.

• Conducto cerrado con control a la entrada sumergido

La primera condición debe ser:

𝑄𝑜

𝐷𝑠2(𝑔𝐷𝑠)0.5

> 0.62

Dónde:

𝑄𝑜: Caudal de salida en la estructura de caída (𝑚3/𝑠).

𝐷𝑠: Diámetro interno de la tubería de salida (𝑚).

Entonces, para este caso la altura de caída se calcula así:

Vertedero



𝐻𝑤 = 𝐾𝐷𝑠 (0.7 + 1.91(𝐷𝑠2(𝑔𝐷𝑠)0.5)

2)

Ecuación 3.25 Cálculo de la profundidad esperada para condición en la entrada sumergida

Dónde:

𝐻𝑤: Profundidad esperada de agua en la cámara (𝑚).

𝐷𝑠: Diámetro interno de la tubería de salida (𝑚).

𝐾: Coeficiente que depende de la relación entre el diámetro de la estructura (𝐷𝑝) y el diámetro de

la tubería de salida (Gráfica 3.4)

Gráfica 3.4 Coeficiente K

• Conducto cerrado con control a la entrada no sumergido

La condición para entrada no sumergida es:

𝑄𝑜


≤ 0.62

La altura de la cámara requerida para la cámara con condición no sumergida es:

𝐻𝑤 = 𝐾𝐷𝑠 (𝐸𝑐

𝐷𝑠+

𝐻𝑒

𝐷𝑠)

Ecuación 3.26 Cálculo de la profundidad esperada para condición en la entrada no sumergida

Dónde:

𝐻𝑒: Incremento de altura debido a las pérdidas de energía

𝐻𝑒 = 0.589𝐷𝑠 (𝑄𝑜


)

2.67

𝐸𝑐: Energía específica para la condición de flujo crítico (Ecuación 3.27).



𝑄

√𝑔=

√2

32

(𝜃𝑐 − sen(𝜃𝑐))1.5

(𝑠𝑒𝑛𝜃𝑐

2 )0.5 𝐷𝑠

0.5 → 𝜃𝑐

𝑌𝑐 =𝐷𝑠

2(1 − (𝑐𝑜𝑠𝜃𝑐/2))

𝐴𝑐 =𝐷𝑠

8(𝜃𝑐 − 𝑠𝑒𝑛(𝜃𝑐))

𝑣𝑐 =𝑄

𝐴𝑐

𝐸𝑐 = 𝑌𝑐 +𝑣𝑐

2

2𝑔

Ecuación 3.27 Cálculo de la energía específica

Dónde:

𝑄: Caudal de diseño (𝑚3/𝑠).

𝜃𝑐: Ángulo subtendido entre el centro de la sección trasversal y los puntos de contacto entre la

superficie libre y la circunferencia de la tubería (𝑟𝑎𝑑).

𝑌𝑐: Profundidad de flujo en condiciones de flujo crítico (𝑚).

𝐴𝑐: Área mojada transversal bajo flujo crítico (𝑚).

𝑣𝑐: Velocidad bajo condiciones de flujo crítico (𝑚/𝑠).

𝐸𝑐: Energía crítica específica (𝑚).

3.4.4 Normas técnicas internacionales

Viendo el contexto internacional se tienen normas técnicas parecidas en cuanto al diseño de

cámaras de caída en sistemas de aguas residuales o drenajes urbanos. Adicionalmente, se proponen

cámaras de caída con bajante tal cual en el contexto colombiano. A continuación, se exponen ciertos

casos de normas técnicas internacionales.

3.4.4.1 Guías de diseño de sistemas de aguas residuales por WSSC

Washington Suburban Sanitary Commission (WSSC) es la encargada de regular el servicio de agua

potable y el sistema de alcantarillado para el estado de Maryland en los Estados Unidos. Dentro de

sus archivos técnicos cuenta con una guía de diseño para el sistema de alcantarillado, donde refieren

varios tipos de cámara de caída propuestos y algunas referencias técnicas sobre el diseño de éstos.



Las configuraciones propuestas en la guía de diseño son para cámara topo bajante y varían el tipo

de conexión entre la tubería entrante y la bajante. Además, se hace la aclaración que son para

diámetros de tubería hasta 8 pulgadas, incluso 12 pulgadas como máximo.

Los materiales para las tuberías y los accesorios deben ser los mismos durante toda la configuración

de la conexión tubería entrante y bajante, incluidos los accesorios. Por otro lado, si el sistema es

existente, se debe tener claridad del material que se tenga y hacer la conexión con el mismo material

existente, sin embargo, si esto no es posible se recomienda proponer dos cámaras, una para el

cambio de material y la otra como cámara de caída (WSSC, 2008).

Una de las cámaras de caída propuesta por la guía de diseño, es el tipo B (Figura 3.30), se permite

para diámetros entre 3 a 12 pulgadas, esta variación de diámetros depende de la pendiente de la

tubería de entrada. Es decir, para pendientes del 5% o menos, el diámetro permitido es máximo 12

pulgadas (0.3 m); mientras que para pendientes empinadas entre el 15% y el 20%, el máximo

diámetro permitido para esta configuración es de 5 pulgadas (0.13 m).

Figura 3.30 Cámara de caída tipo B para tubería de 12 pulgadas o menos (WSSC, 2008)

Como consideraciones importantes de diseño mencionan, que se debe tener en cuenta la diferencia

de costos de construcción de una cámara de caída versus tener la tubería directa, incluyendo costos

de excavación y de mantenimiento y limpieza de la cámara. Adicionalmente, se debe tener clara la

localización de la cámara en cuanto al espacio que utiliza, y las vecindades con otras redes.

Por último, proponen la protección de las tuberías y cámaras en concreto, del ácido sulfúrico que se

genera en los sistemas de alcantarillado cuando se tienen sistemas de bombeo o descargas a

presión.



3.4.4.2 Cámaras de caída tradicionales propuestas en otras ciudades

Como se mencionó anteriormente, cada ciudad, estado y región cuenta con una guía de diseño de

sistemas de alcantarillado, donde restringen y proponen alternativas de cámaras de caída,

conocidas como tradicionales, debido a los materiales que se usan como el concreto y por ser tipo

bajante como se mencionaba en el anterior numeral.

Para la ciudad de Nueva York en Estados Unidos, se presenta un manual de diseño estándar para los

sistemas de aguas residuales, donde se encuentran los esquemas estandarizados para todas las

estructuras de conexión e inspección necesarias para el sistema. En cuanto a las estructuras de caída

se presentan algunos esquemas como el de la Figura 3.31, donde se muestran consideraciones

estructurales principalmente, no obstante, en la tabla de diámetros para la tubería entrante y

bajante se puede observar el control impuesto por el muro lateral y la tubería bajante.

Figura 3.31 Cámara de caída propuesta (Deparment of Environmental Protection, 2009)

Por otro lado, para las ciudades de Irán, se proponen cámaras de caída cuando se tiene una

diferencia de nivel desde 0.6 m hasta 3 m. La configuración propuesta como se ve en la Figura 3.32,

es tubería entrante y bajante conectándose por medio de accesorios como codos. Por último, se

Muro lateral



recomienda que la conexión entre tubería entrante y bajante sea mínima con un ángulo de 45°, en

el caso de no proponer cámara como se muestra en el lado derecho de la Figura 3.32.

Figura 3.32 Cámaras de caída tradicionales en Irán (Kian Sanat Pasargaad, 2018)

Adicionalmente, en el Reino Unido la normativa exige que las cámaras de caída sean construidas en

mampostería, PVC o concentro prefabricado. Las cámaras de concreto prefabricado recomiendan

diámetro del cámara mínimo de 1 m para mantenimiento; mientras que para las cámaras de PVC el

diámetro mínimo recomendado es de 0.45 m, debido a que tienen la facilidad de realizar el

mantenimiento por medio de aparatos de limpieza especializados, y no por un operario.

Por último, Clay Pipe Development Association (CPDA), una asociación que regula las estructuras de

cerámica como tuberías en el Reino Unido, propone las siguientes dos configuraciones con una

altura de caída indicada (Figura 3.33).

Figura 3.33 Cámaras de caída con tuberías de cerámica (Clay Pipe Development Association, 2001)



3.4.5 Diseño según pérdidas de energía

Las cámaras de caída como estructuras de disipación de energía son las causantes de la pérdida de

la mayor cantidad de energía del sistema, no obstante, cuando el diseño no tiene en cuenta las

pérdidas y sobre todo las profundidades de flujos en la cámara y a sus alrededores, pueden causar

daños en el sistema o incluso ser promotor de inundaciones.

Por eso, se realizaron modelos en laboratorio donde se analizaron cuatro tipos de cámaras con

diferentes configuraciones de tuberías entrantes y salientes, variando alturas de caída o direcciones

(Figura 3.34); con el fin de conocer con certeza el cálculo de las pérdidas de energía para los sistemas

de alcantarillado de algunas ciudades de Japón y así mitigar las inundaciones.

Figura 3.34 Variaciones en las cámaras de caía evaluadas en el laboratorio (Shinji , y otros, 2012)

Cabe resaltar que, para este estudio, se tienen dos tuberías de entrada, una como principal y otra

como lateral, y una tubería de salida. Como se muestra en la Figura 3.34, los cuatro tipos evaluados

desde el tipo A hasta el D, tienen variaciones en la altura de las tuberías entrantes nombradas como

𝑆𝑢 y 𝑆𝑙, exceptuando el tipo B.

Se entiende que una cámara por servir como conexión entre tuberías tiene un coeficiente por

pérdida de energía llamado "𝑘", y en el diseño de sistemas de alcantarillado se tiene en cuenta este

coeficiente para calcular el nivel de agua aguas abajo de la cámara. No obstante, en este caso se va

a destacar el cálculo de este coeficiente teniendo en cuenta el factor de corrección por la caída que

genera la diferencia entre las tuberías entrantes y la saliente.

Por la toma de datos en el laboratorio se realizaron curvas experimentales para cada tipo de

configuración evaluada, trazando curvas de tendencia para poder obtener ecuaciones que describan

el comportamiento de cada tipo y poder descifrar las ecuaciones para hallar el coeficiente de

pérdidas menores.



Así pues, se obtiene que el coeficiente de pérdidas de energía para la tubería de salida y la tubería

lateral, depende de condiciones hidráulicas y geométricas, como: el número de Reynolds, la relación

del caudal de entrada y de salida, la relación entre el diámetro de la cámara y el diámetro de la

tubería de salida, la relación entre los diámetros de la tubería de entrada y salida, la relación de

llenado de la tubería de salida, la relación entre la altura de caída y el diámetro de la tubería de

salida, y por último, el ángulo horizontal de la conexión entre las tubería de entrada y salida.

Así pues, se obtiene las siguientes ecuaciones para el cálculo de las pérdidas menores de las cámaras

(Ecuación 3.28 y Ecuación 3.29), incluyendo el efecto de la altura de caída entre las tuberías de

entrada y las de salida. Por lo tanto, conocer la profundidad de altura disponible menos las pérdidas

y obtener el dimensionamiento de la altura total de la cámara de caída.

𝐾𝑒𝑢 = 𝐾𝑜𝐶𝑑𝐶𝑄𝐶𝑝𝐶𝐵 + 𝐶𝑢𝑑 + 𝐶𝑙𝑑 + 𝐶𝑆𝑢

Ecuación 3.28 Cálculo del coeficiente de pérdidas para tubería de salida

𝐾𝑒𝑙 = 𝐾𝑜𝐶𝑑𝐶𝑄𝐶𝑝𝐶𝐵 + 𝐶𝑢𝑑 + 𝐶𝑙𝑑 + 𝐶𝑆𝑢 + 𝐶𝑆𝑙

Ecuación 3.29 Cálculo del coeficiente de pérdidas para tubería lateral

Dónde:

𝐾𝑜 = 0.09 (𝑏

𝐷𝑑) (1 − 𝑠𝑒𝑛𝜃) + 1.3 (

𝑏

𝐷𝑑)

0.5

𝑠𝑒𝑛𝜃

𝐶𝑑 = 1, 𝑦/𝐷𝑑 ≥ 3.2

𝐶𝑝 = 1

𝐶𝐵 = 0.95

𝐶𝑄 = (1 − 2𝑠𝑒𝑛𝜃) (1 −𝑄

𝑖

𝑄𝑑

)

0.75

+ 1 → 𝑝𝑎𝑟𝑎 0.5 ≤𝑄

𝑖

𝑄𝑑

≤ 1

𝐶𝑄 = −0.3872 𝑠𝑒𝑛 𝜃 (2.2525 −𝑄

𝑖

𝑄𝑑

)

2

+ 1.5946 → 𝑝𝑎𝑟𝑎 0 ≤𝑄

𝑖

𝑄𝑑

< 0.5

𝐶𝑢𝑑 = 0.34 {(𝐷𝑑

𝐷𝑢

)4

− 1} (1 −𝑄

𝑖

𝑄𝑑

)

1

→ 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 = 180°

𝐶𝑢𝑑 = −0.75 {(𝐷𝑑

𝐷𝑢

)4

− 1} (1 −𝑄

𝑖

𝑄𝑑

)

3

→ 𝑝𝑎𝑟𝑎 90° ≤ 𝜃 < 180°



𝐶𝑙𝑑 = 0.34 {(𝐷𝑑

𝐷𝑙

)4

− 1}

0.5

(𝑄

𝑙

𝑄𝑑

)

0.75

→ 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝜃 = 180°

𝐶𝑙𝑑 = {(𝐷𝑑

𝐷𝑙

)4

− 1} (𝑄

𝑙

𝑄𝑑

)

2

→ 𝑝𝑎𝑟𝑎 90° ≤ 𝜃 < 180°

𝐶𝑆𝑢 = 1.3 (𝑆𝑢 + 𝐷𝑢 − 𝐷𝑑

𝐷𝑢 − 0.2) (

𝐷𝑑

𝐷𝑢

)3

(1 −𝑄

𝑙

𝑄𝑑

)

3

→ 𝑝𝑎𝑟𝑎 0.2 ≤𝑆𝑢 + 𝐷𝑢 − 𝐷𝑑

𝐷𝑢

𝑦 𝑆𝑢

𝐷𝑑

≤ 1.2

𝐶𝑆𝑢 = 1.3 (0.2𝐷𝑑 + 𝐷𝑢

𝐷𝑢 − 0.2) (

𝐷𝑑

𝐷𝑢

)3

(1 −𝑄

𝑙

𝑄𝑑

)

3

→ 𝑝𝑎𝑟𝑎 0.2 ≤𝑆𝑢 + 𝐷𝑢 − 𝐷𝑑

𝐷𝑢

𝑦 𝑆𝑢

𝐷𝑑

> 1.2

𝐶𝑆𝑙 = 0.35 (𝑆𝑙 + 𝐷𝑙 − 𝐷𝑑

𝐷𝑙) (

𝐷𝑑

𝐷𝑙

)3

(𝑄

𝑙

𝑄𝑑

)

3

→ 𝑝𝑎𝑟𝑎 0 ≤𝑆𝑙 + 𝐷𝑙 − 𝐷𝑑

𝐷𝑙 𝑦

𝑆𝑙

𝐷𝑑

≤ 1

𝐶𝑆𝑙 = 0.35 (𝐷𝑑

𝐷𝑙

)3

(𝑄

𝑙

𝑄𝑑

)

3

→ 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑆𝑙

𝐷𝑑

> 1



4 ANÁLISIS AL DISEÑO ACTUAL DE LAS CÁMARAS DE CAÍDA

Al hacer la revisión bibliográfica de cámaras de caída se encuentra mucha información sobre el

comportamiento hidráulico de estas estructuras, sin embargo, se estudian las estructuras típicas

conocidas como tradicionales en diferentes campos ya sea en laboratorios o en programas de

computador.

Esto trae que haya demasiado conocimiento sobre las estructuras utilizadas como cámaras de caída,

que para la normatividad de las diferentes ciudades se les es fácil confiar en los diseños

tradicionales, ya que se han comprobado en varios escenarios.

Como se evidencia en los anteriores capítulos de este documento, los estudios y las

implementaciones en los alcantarillados actuales respecto a cámaras de caída se dirigen

principalmente a cámaras de caída tipo bajante y sólo en casos específicos donde las tuberías de

entrada y salida tengan magnitudes mayores se proponen cámaras especiales con estructuras de

disipación como escalones.

Por esto mismo, el diseño actual de las cámaras de caída en los sistemas de drenaje urbano se

resume en el cumplimiento de las normativas y en un diseño meramente estructural, por los

materiales utilizados propuestos en los reglamentos de las ciudades. Esto para poder proteger las

estructuras del sistema de drenaje urbano y evitar el daño en las estructuras adyacentes a la cámara.

4.1 Diseño con modelación en CFD y modelos físicos

Una alternativa para el diseño de cámaras de caída es la realización de modelos en CFD, que en la

mayoría de los casos son calibrados por modelos físicos, para ajustar los cálculos hidráulicos lo que

más se pueda a la realidad, y así realizar ajustes en el diseño mucho más rápido y económico.

Tal como el caso de estudio de la modelación de dos cámaras de caída con geometría rectangular

conectada por un muro actuando como vertedero (Figura 4.1), la cual cumpliría la función de

conectar el sistema de drenaje en Edmonton al río North Saskatchewan.

Cabe resaltar que, por ser una estructura de gran tamaño, complejidad e importancia en el sistema,

de igual forma se estaba considerando hacer la conexión mediante ductos enterrados como túneles,

no obstante, éstas son infraestructuras más costosas debido a la gran excavación que se tendría que

hacer, y por ello, se consideró la idea de cámaras de caída.

Así pues, se realizaron los modelos a escala 1:3.95 en laboratorio, con tubería de diámetro de 0.75

m, pendiente de 5.5% y caudal de 1.8 m3/s, con cámaras de caída de altura de 1.4 m. Además de las

modelaciones en OpenFOAM para verificar las condiciones del flujo en la estructura y verificar que

la disipación de energía fuera óptima para no producir problemas de socavación en la descarga.



Figura 4.1 Esquema de montaje de dos cámaras de caída rectangulares (Camino Zapata, 2011)

Como resultados, se pudo constatar la viabilidad de la estructura y pudo ser construida (Figura 4.2),

además de obtener los regímenes propuestos en la literatura por Chanson y Granata (Figura 4.3).

Por ende, concluir que la eficiencia de la cámara depende del régimen del flujo y del lugar donde

choque el chorro, es decir, para primer régimen se obtiene una eficiencia del 86%, mientras que

para el régimen 3 tal solo el 45% (Figura 4.4).

Figura 4.2 Fotografía cámara de caída en construcción (Camino Zapata, 2011)



Figura 4.3 Regímenes de flujo en la modelación para las dos cámaras de caída rectangulares (Camino Zapata, 2011)

Figura 4.4 Resultados de modelación en CFD y modelo físico de cámaras de caída rectangulares por régimen de flujo (Camino Zapata, 2011)



Otras de las conclusiones importantes obtenidas por la toma de datos en el laboratorio son que, con

un número de Froude constante, las pérdidas disminuyen conforme se aumenta el caudal (Gráfica

4.1). Por ende, se explicaría que para los caudales altos, para los cuales la mayoría de flujos son

supercríticos, las pérdidas por la cámara de caída serán menores y por lo tanto la profundidad de

flujo en la cámara aumentará cada vez más, obteniendo comportamientos como el del numeral (d)

de la Figura 4.3, causando que el condicionamiento hidráulico lo gobiernen las condiciones aguas

abajo.

Gráfica 4.1 Resultados de caudal unitario vs pérdidas de energía (Camino Zapata, 2011)

Las modelaciones en CFD se encargan de dar primeras impresiones respecto al comportamiento

hidráulico de una estructura compleja, que produce toma de decisiones más rápida, sin realizar un

modelo físico en laboratorio, el cual causa retrasos en cronogramas y mucho más costosos.

Esto se puede observar en la prueba de la localización de una placa de disipación para un pozo en

el interceptor del Río Medellín. Este pozo en su diseño contemplaba una estructura tipo vórtice

dentro del pozo, cuya estructura guas arriba del vórtice sería una placa en forma de L, cuya función

era la de encausar los flujos hacia el vórtice (Figura 4.5).

Después de múltiples modelaciones se pudo concluir que una localización de la placa cercana al sitio

de disparo del chorro reduce los requerimientos de blindaje; mientras que si se localiza demasiado

cerca reduce la descarga y se ahogaría el chorro dejando sin funcionamiento la placa.

Adicionalmente se obtuvo que, el ángulo de rotación de la placa con respecto al eje de la cámara

debe ser de 15° para reducir requerimientos de blindaje sin tener que menos capacidad en la

estructura (Figura 4.6).



Figura 4.5 Placa de disipación a modelar (INGETEC, 2015)

Figura 4.6 Ángulo de rotación de la placa de disipación con respecto al eje de la cámara (INGETEC, 2015)

Oro caso de estudio, donde se realizó modelación en CFD para realizar una evaluación hidráulica

rápida a bajo costo, sin tener que construir modelos en laboratorio (Tokelove & Sigma Consultants

Ltd, 2013), se realizó en Nueva Zelanda. En este se tenía como objetivo conocer las pérdidas de

energía conforme variaba la altura de caída para cuatro tipos de cámara, cuyas propiedades

geométricas varían.

La modelación se realizó en OpenFOAM, con tubería de entrada y salida cuadradas de 0.2 m X 0.2

m. Las cámaras se modelaron con altura de 3 m, en el caso de la cámara circular se tenía in diámetro

de 1.5 m, y para la cámara rectangular una sección de 1.5 m X 1.5m. Las velocidades promedio

permisibles durante la modelación fueron de 3 m/s.

Placa de

disipación



1. Cámara de caída con bajante exterior 2. Cámara caída cuadrada

3. Cámara de caída con desviación de

giro en la entrada 4. Cámara de caída con desviación de

giro en la entrada y la salida

Figura 4.7 Cuatro de tipos de cámaras modeladas en OpenFOAM (Tokelove & Sigma Consultants Ltd, 2013)

En las modelaciones se notó para la cámara 3 debido a las condiciones impuestas al desviar el chorro

a la salida que se generan remolinos en el centro de la cámara cuando se obtienen velocidades

mayores a los 4.8 m/s. Mientras que para la cámara 4, a causa de que la condición del desvío de las

líneas de flujo se impuso aguas arriba y abajo, se produce mayor turbulencia dentro de la cámara

obligando al flujo a realizar movimientos circulares dentro de la cámara.

La turbulencia creada dentro de la cámara ocasiona que el flujo entre a la tubería de salida mucho

más uniforme como se muestra en la Figura 4.8.



Figura 4.8 Resultado modelación para la cámara tipo 4 (Tokelove & Sigma Consultants Ltd, 2013)

Como resultados obtenidos durante las modelaciones, se pudo concluir que para la cámara número

1, se tienen las mayores pérdidas de energía debido a la fricción que se genera con las paredes de

la tubería bajante y los accesorios en forma de ángulo, no obstante, se genera mucha turbulencia

en el fondo de la cámara, debido a la piscina generada por el ahogo del flujo en la tubería de salida.

Gráfica 4.2 Pérdidas de energía conforme aumenta la altura de caída para los cuatro tipos de cámara (Tokelove & Sigma Consultants Ltd, 2013)



En las diferentes modelaciones que se han realizado y se han contrastado los resultados obtenidos

con los resultados de un modelo físico, en ocasiones se notan grandes diferencias en otra no. No

obstante, estas diferencias dependen mucho de la cantidad de datos que se tengan acerca del

sistema a modelar y el tamaño de la malla usada, la cual se define con los objetivos trazados para la

modelación, es decir, mientras más precisión se quiera se tendrá una malla más reducida.

Estas diferencias también suceden por el software que se utilice, pues existen unos cuyas

capacidades matemáticas sean más fuertes por los métodos de programación, y esto también se

debe ver en la escogencia de uno y de otro, dependiendo del propósito, de lo que se quiera calcular

o modelar.

Por ejemplo, el software StormCad tiene cuatro métodos para calcular las pérdidas de energía

debido a accesorios como una cámara; estos métodos son: HEC-22, Estándar, Genérico y ASSHTO

(AMEC, 2009). Dependiendo de la información que se tenga y de lo que se quiera lograr, el

modelador podrá escoger, no obstante, los resultados pueden variar entre uno y otro. Además de

variar con los modelos físicos.

Es por esto, que los modelos en CFD, aunque parecen ser la alternativa más económica en cuanto a

factores de tomas de decisiones en las primeras instancias de proyectos. Para diseños detallados de

estructuras complejas, en este caso cámaras de caída poco convencionales, se deben realizar

modelos físicos que ayuden a calibrar el modelo y tener mayor certeza de los resultados obtenidos.

Claro está, una vez calibrado el modelo de acuerdo con el propósito de los diseñadores, ese modelo

puede servir para diversas situaciones o proyectos.

4.2 Discusión al diseño actual de cámaras de caída en Colombia

Como se ha podido constatar en los anteriores numerales, el diseño de las cámaras de caída se

resume al diseño estructural para cámaras de gran tamaño, y para diámetro menores a 0.9 m, el

diseño hidráulico se reduce a la obtención de los diámetros de los colectores y a la altura de la

cámara, para luego apropiarse de una estructura estandarizada en la normativa.

Esto resulta de las restricciones de la normativa, que son asimiladas por los diseñadores para no

complicarse con una justificación y conseguir una aprobación rápida de los proyectos a realizar. En

el caso colombiano, las entidades encargadas de regular el sistema de alcantarillado son las mismas

que aprueban o desaprueban los diseños realizados por consultores a los que encargan

ampliaciones o modificaciones al sistema.

Por esto, el diseño se vuelve un consenso entre las dos partes, las empresas encargadas y los

consultores, tratando de encontrar la alternativa más viable y más práctica, pero no siempre la

mejor para el proyecto a realizar.



Es así como, la mayoría de las cámaras de caída propuestas en las normas técnicas son tipo bajante,

debido a que son fáciles de construir en caso de un sistema existente, además de poder aprovechar

un pozo de inspección como cámara de caída. No obstante, no se tiene claro en cuanto al diseño

hidráulico de si la tubería bajante tiene las condiciones necesarias para disipar la energía y no tener

daños aguas abajo de la cámara o en la misma cámara.

En el caso colombiano, la mayoría de las tuberías puestas en los sistemas alcantarillado son en PVC,

lo cual causa que la mayoría de los flujos sean supercríticos. Por esto, en periodos de lluvia, cuando

se presentan los caudales pico del sistema, los flujos tendrán velocidades muy altas que serán

difíciles de manejar para una cámara de caída tipo bajante, y que inevitablemente cruzarán de largo

hasta chocar con la pared opuesta de la cámara, dañando la estructura de la cámara y posiblemente

en la tubería de aguas abajo flujos presurizados.

Esta situación se complica aún más para los territorios del país donde se tenga terreno montañoso

o pendiente, ya que se es inevitable colocar una cámara de caída. Pues al tener mayor cantidad de

cámaras en el sistema ocasiona que una sea el control de la otra (Figura 4.9), por lo tanto, al colapsar

una, tendrá repercusiones a la siguiente.

Figura 4.9 Configuración de cámaras de caída en sistemas montañosos



Así pues, el diseño de cámaras de caída en el caso colombiano se puede concluir que es empírico,

debido a que no se tienen en cuenta condiciones del comportamiento hidráulico, como caudales,

números de Froude, y demás.

4.2.1 Materiales utilizados en construcción

Como se mencionó en el numeral 3.4, los materiales propuestos para cámaras de caída son el

concreto y la mampostería. Estos materiales son los más utilizados en las cámaras, debido a que son

los propuestos en los diseños estandarizados por las normas técnicas, ya que al ser tan resistentes

a la abrasión y a los esfuerzos propinados por el choque del chorro o al movimiento de tierras,

parecen ser lo más atractivos en cuanto a resistencia y estabilidad.

Además de ser más asequibles a los sitios de proyecto, debido a que son los materiales más

utilizados en una obra civil, y propinan la posibilidad de ser construidos en el sitio, sin necesidad de

coordinar con un fabricante en el caso de materiales prefabricados.

Por la resistencia, facilidad en el transporte y mejora de tiempos de construcción, hasta hace unos

pocos años, se empezaron a implementar las cámaras de caída con concreto prefabricado en forma

de aros, los cuales se acoplan uno encima del otro hasta la altura de cámara requerida. No obstante,

en muchos lugares del país que se encuentran apartados, no es tan fácil encontrar estos tipos de

estructuras y se vuelve a lo convencional.

En cuanto a los pozos de inspección, se ha investigado un poco más haciendo más comercial y común

encontrar materiales plásticos en el diseño de estas estructuras, no obstante, en el campo de las

cámaras de caída el uso de materiales plásticos es menos concurrente, siendo los materiales

tradicionales como el concreto, el acero y la mampostería los más comunes en estas estructuras.

4.2.2 Instalación de cámaras de caída

Para la instalación de una cámara de caída en concreto convencional, se requiere de una cierta

cantidad de procesos que implican tiempo y dinero. Como primera instancia se debe excavar la zanja

necesaria para el tamaño de la cámara más las formaletas donde se verterá el concreto.

Como estas cámaras están propensas a sufrir desgaste por los esfuerzos provocados, dentro de la

cámara por el transporte del agua, y fuera de ella por los esfuerzos debidos al movimiento de tierras

y/o nivel freático existente, se proponen en concreto reforzado. Por lo cual, en la excavación se

debe tener en cuenta, además de lo mencionado, la distancia mínima requerida para que un

operario pueda ingresar y colocar el esqueleto de acero y las formaletas.

Con esto realizado, se puede verter la mezcla de concreto dentro de las formaletas, y una vez se

termine esta actividad, se debe esperar el tiempo de fraguado necesario para poder retirar las

formaletas. Por último, la construcción de la cámara habrá terminado después del tiempo de curado



necesario que varía de acuerdo de la mezcla de concreto utilizada, para lograr la resistencia

requerida.

Como se ve es un proceso arduo y que puede tardar al menos un mes en la construcción de una

cámara de caída, cabe resaltar que este proceso también se realizaba para los posos de inspección,

y por ende, ya que son más comunes en los sistemas de drenaje, se dejó de hacer para adoptar el

concreto prefabricado.

No obstante, en tiempos de instalación frente a otros materiales como el plástico, el concreto

prefabricado sigue estando por debajo. A continuación, se presentarán imágenes del proceso de

instalación de una cámara en concreto prefabricado versus en material plástico.

Zanja de excavación

Instalación de base para la cámara

Instalación de elevador de la cámara



Tiempos de instalación y costos

Figura 4.10 Proceso de instalación para una cámara (JDP, 2014)

Como conclusión, se obtiene que para la instalación de una cámara de plástico se gastan 3.25 horas

y £ 1268 (5219046.17 COP); mientras que para la cámara en concreto prefabricado se gastan 8 horas

y £ 2200 (9055127.42 COP).



5 DISEÑO DE CÁMARAS DE CAÍDA PLÁSTICAS

En el mercado y normas técnicas para sistemas de alcantarillado se encuentra poco acerca del

diseño de cámaras de caída y en pocos casos se recomienda el plástico como material para una

cámara de caída.

Debido a la mejora en los tiempos de construcción, al auge mundial por ser amigables con el medio

ambiente y el cuidado de los recursos hídricos; el mercado de cámaras de inspección o pozos

plásticos tiene cada vez más cabida en los proyectos de alcantarillados actuales.

Cabe resaltar que, como tal no se tiene un producto bajo el nombre "cámara de caída” a base de

materiales plásticos. No obstante compañías como Wavin, tienen en sus manuales para usuario la

posibilidad de adaptar partes de pozos de unión como los elevadores, para construir cámaras de

caída como se evidencia en la Figura 5.1.

Figura 5.1 Diseño de cámara de caída plástica propuesta por Wavin

Adicionalmente, se pudo constatar que en sistemas de drenaje actuales también se están

implementando este tipo de estructuras, como es el caso de la ciudad de Luton en el Reino Unido,

donde se realizó propuso una cámara tipo bajante para la conexión de dos colectores, hecha por la

empresa constructora TDF Builders (Figura 5.2).



Figura 5.2 Instalación de cámara de caída tipo bajante en Luton, UK

Otros casos de adaptaciones son los encontrados por en Irán propuestas por el fabricante Kian Sanat

Pasargaad, así como se muestra en las siguientes imágenes.

Figura 5.3 Instalación de cámara de caída plástica (Kian Sanat Pasargaad, 2018)

Sin embargo, no se encuentra una memoria técnica de diseño hidráulico detrás de las cámaras de

caída presentadas desde la Figura 5.1 hasta la Figura 5.3. Las mayores preocupaciones de las normas

internacionales en cuanto a pozos plásticos están en la cimentación de la cámara y de las tuberías

puestas en el exterior. Tales como la acomodación de los rellenos alrededor de la cámara para evitar

asentamientos y daños a la estructura.



5.1 Materiales plásticos utilizados en cámaras

Los materiales utilizados para la construcción de cámaras o pozos más comunes en el mercado son,

el poliéster (PE), la fibra de vidrio, el polietileno de alta densidad (HDPE) y el policloruro de vinilo

(PVC).

Estos materiales han demostrado ser de alta resistencia y durabilidad frente a factores como ácidos

y esfuerzos de contacto, en los sistemas de drenaje urbano y aguas residuales en las ciudades donde

se han puesto, tanto su aplicabilidad en tuberías como en pozos.

Además de facilitar la instalación y el transporte debido a ser más livianos comparados con los

demás materiales del mercado.

En cuanto a los pozos de conexión, los cuales son los más populares en el mercado de plásticos, se

ha registrado mejoras en la hidráulica del sistema, debido a la poca rugosidad que tienen estos

materiales, produciendo que se tengan menos pérdidas de energía por accesorios. Esto también se

debe al diseño de las cañuelas dentro de la base del pozo, pues por medio de ensayos en laboratorio

se pudo adoptar la forma en “U” como la geometría óptima que causa menos pérdidas.

Otra ventaja de estos materiales se denota en la habilidad de moldearse y formar figuras

geométricas más curvas con mayor facilidad, lo cual causa que los flujos transiten por el sistema sin

apozarse con mayor naturalidad. Por ejemplo, el caso mencionado anteriormente de, las cañuelas

que conectan las tuberías de entrada y salida dentro de la cámara con forma de “U”.

5.2 Cámaras utilizadas para sistemas de drenaje en montaña

Las cámaras de caída son más comunes en los sistemas de drenaje en ciudades o poblaciones donde

la pendiente del terreno natural es alta, es decir, en zonas montañosas. Esto debido a que las

tuberías no pueden tener la misma pendiente a la del terreno, ya que el flujo tendría velocidades

más altas que las permitidas. Por ende, se generan diferencias de nivel entre una y otra tubería la

cual es compensada por una cámara de caída (Figura 5.4).

La turbulencia generada por los altos caudales de los flujos en los sistemas de alcantarillado, libera

con mayor rapidez ácidos como el sulfúrico, el cual daña las estructuras en concreto con mayor

facilidad, por lo tanto, se ve en el plástico una alternativa de ventaja en términos de durabilidad.

Así pues, con esta necesidad del mercado, el fabricante de elementos plásticos “Australasia

Moulding Ltd”, el cual basa su negocio en la construcción y distribución de elementos plásticos para

sistemas de agua potable y aguas residuales para Nueva Zelanda y algunos países de Europa, en

especial cámaras o pozos, diseña una cámara de compensación de energía para sistemas

montañosos o de alta pendiente.



En la Figura 5.4 se muestra la diferencia de utilizar cámaras de caída convencionales tipo bajante

como las analizadas en los capítulos anteriores, versus el uso de las cámaras de compensación de

energía propuestas por el fabricante Australasia Moulding Ltd.

A primera vista se denota un costo menor en materiales debido a la cantidad de elementos

requeridos, mientras que para el primer caso se utilizan cinco cámaras convencionales, en el

segundo caso se utilizan solo dos, para lograr conectar los dos puntos a cotas diferentes.

Figura 5.4 Esquema de cámaras de caída convencionales en sistemas montañosos versus cámaras de compensación de energía (Australasia Moulding Limited, 2018)

Estas cámaras de compensación de energía se fabrican en PVC, y consisten en disipar energía

mediante vórtices dentro de la cámara, producidos por la localización lateral de la tubería de

entrada que, impulsa el flujo hacia la pared contraria que, a su vez por la circunferencia de la

estructura, obliga al flujo a tomar un tránsito circular hasta encontrar la tubería de salida. Así como

se muestra en la Figura 5.5.

La hidráulica de esta cámara se basa en la teoría aplicada para cámara tipo vórtice, que usualmente

su aplicabilidad era para caudales y alturas de caída muy altas. Así como se pudo constatar en los

numerales 3.2.3 y 3.3.3, la disipación de energía producida por los vórtices es la más alta de las

demás estructuras. Por esto, este fabricante notó ventajas en la facilidad de construcción de este

tipo de estructuras en materiales plásticos, contrario a la dificultad de realizar este tipo de

geometrías en concreto.



Figura 5.5 Esquemas de conducción de flujos dentro de la cámara de compensación de energía (Australasia Moulding Limited, 2018)

A pesar de que en el catálogo de productos se exponen dimensiones pequeñas, pues la estructura

más grande presentada cuenta con altura de 1 m y diámetro de 1 m (Figura 5.6).

Figura 5.6 Esquema de dimensiones para la cámara de compensación (Australasia Moulding Limited, 2018)



El fabricante también cuenta con estructuras de mayor tamaño como la presentada en la Figura 5.7,

además de contar con diferentes variaciones en el diseño (Figura 5.8), que prefabrican al pedido de

los diseñadores.

Figura 5.7 Cámara de compensación de energía a pedir de los diseñadores (Australasia Moulding Limited, 2018)

Figura 5.8 Cámara de compensación de energía con dos saldas (Australasia Moulding Limited, 2018)



Figura 5.9 Instalación de cámara de compensación de energía (Australasia Moulding Limited, 2018)

5.3 Clasificación de cámaras de caída plásticas

Durante el desarrollo de este proyecto, se pudo constatar que, aunque el diseño hidráulico de las

cámaras de caída más utilizadas en los sistemas de alcantarillado actuales no es robusto como

tendría que ser. Sí existe un diseño hidráulico detrás de los diferentes tipos de cámaras respaldados

por cálculos matemáticos, o por modelaciones en software o en laboratorio.

Estos diseños llevan a comprobar que la hidráulica de las cámaras de caída depende principalmente

de las condiciones hidráulicas y geométricas aguas arriba y aguas abajo de la cámara, además de la

misma geometría de la estructura. Por esto, se puede concluir que el material utilizado no tendrá

mayor importancia en la hidráulica de la cámara como tal.

Si bien es sabido, la rugosidad del concreto es mucho mayor que la del plástico causando flujos con

menor velocidad. No obstante, la hidráulica de la cámara no tiene variaciones suficientes por el

cambio de material, más allá de las propiedades adquiridas por cada uno como la ductilidad,

durabilidad y resistencia.

Por esto, las condiciones hidráulicas satisfactorias para cada tipo de cámara dependiendo de los

flujos recibidos serán iguales para las estructuras en materiales plásticos o en concreto. Así pues, a

continuación, se presentan las condiciones hidráulicas favorables para cada tipo de cámara.

Dónde 𝑄 es el caudal de diseño y 𝐻 es la altura de caída para el dimensionamiento de la estructura.



Tipo de cámara de caída Condiciones hidráulicas

Cámara con estructura escalonada 𝑄 ≥ 1 𝑚3/𝑠 𝑦 5 < 𝐻 < 10𝑚 Cámara con bajante 𝑄 ≤ 0.009 𝑚3/𝑠 𝑦 𝐻 ≅ 2𝑚 Cámara tipo vórtice 𝑄 > 3 𝑚3/𝑠 𝑦 1 < 𝐻 < 20𝑚

Cámara de caída libre 𝑄 < 1 𝑚3/𝑠 𝑦 𝐻 < 1 𝑚

Las anteriores condiciones hidráulicas se toman de la recopilación de las experiencias encontradas

en la literatura, de casos modelados o existentes, para cada tipo de cámara expuesto en este

documento. Sin embargo, se debería encarrilar la investigación en realizar modelaciones para

diferentes tipos de cámara variando geometrías y flujos entrantes, para lograr construir un cuadro

de referencia más detallado y dar una idea a los diseñadores acerca de qué estructura es más

conveniente dependiendo de las condiciones iniciales.

Cabe resaltar, en cuanto al diseño de cámaras de caída en materiales plásticos, que con estos

materiales se tiene mayor durabilidad y ductilidad, por lo tanto, las geometrías de las cámaras

propuestas con estos materiales pueden tener grandes variaciones a las convencionales. Con lo cual,

se tendrían que hacer mayores estudios para comprobar la eficiencia de la nueva geometría

propuesta, tales como modelos físicos y computacionales.

Como conclusión se puede resaltar que, aunque no se tenga un diseño hidráulico como tal, o los

fabricantes de productos plásticos no tengan un producto llamado cámara de caída. Las condiciones

actuales del aprovechamiento de los recursos naturales y la necesidad de construcción rápida como

respuesta al crecimiento acelerado de las ciudades; están causando que se hagan adecuaciones o

adaptaciones de cámaras de caída en materiales plásticos. Dando pie a que se estudie mucho más

a fondo la hidráulica y el diseño de estas estructuras hechas de materiales plásticas, teniendo en

cuenta las altas velocidades obtenidas en los sistemas actuales.



6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

En el desarrollo de este proyecto se pueden concluir varios aspectos con respecto al diseño de las

cámaras de caída, y en particular al diseño para los alcantarillados existentes con estructuras hechas

de materiales plásticos.

• La mayoría de las cámaras de caída utilizadas en los alcantarillados actuales, no tienen

diseño hidráulico que demuestre la pérdida de energía de la cámara, o un diseño que

respalde la cantidad de energía disipada para no causar daños aguas abajo de la estructura.

• Los alcantarillados actuales cuentan en su gran mayoría con cámaras de caída tipo bajante,

hechas en materiales plásticos, concreto o mampostería, no obstante, no se cuenta con el

estudio hidráulico suficiente que describa el comportamiento del flujo en la bajante. Por

otro lado, en las normas técnicas sí se incluye el estudio estructural y geotécnico sobre los

esfuerzos generados a la estructura por fuerzas producidas por movimiento de tierras o el

impacto del chorro.

• Las condiciones hidráulicas de la cámara son dependientes de las condiciones aguas arriba

y abajo de la cámara, así como la geometría de la cámara. Pues estos aspectos controlan el

comportamiento del flujo a la entrada, durante el recorrido en la cámara y fuera de ella.

• Los aspectos para tener en cuenta para el diseño de las cámaras de caída en materiales

plásticos son: conocer las condiciones hidráulicas agua arriba de la cámara tales como

velocidades y número de Froude, altura de caída, condiciones aguas abajo tales como

dimensiones del tubo de salida o estructura de salida.

• El diseño de cámaras de caída debe ir acompañado de modelos de laboratorio y modelación

en CFD para obtener el diseño geométrico adecuado. Generando así, nuevas alternativas en

cámaras de caída y con menores costos en la etapa de diseño.

• Las cámaras de caída tipo vórtice son conocidas por la buena disipación de energía, poca

erosión en sus estructuras y buena aireación del flujo.

• Los materiales más usados para la fabricación de cámaras de caída son el concreto

prefabricado, la mampostería y el plástico.

• Los materiales plásticos utilizados para el diseño de cámaras de caída son fibra de vidrio,

polipropileno de alta densidad, policloruro de vinilo y el polietileno.

• El uso de cámaras de caída con materiales plásticos ha garantizado tiempos menores de

instalación y mayor seguridad en el sistema debido a que se tiene mayor control a los



efectos de erosión y malos olores en las estructuras. No obstante, son pocas las industrias

de plásticos que tienen un diseño pertinente y adecuado para estas cámaras; ya que la gran

mayoría se apropian de los elementos de la cámara de inspección, tales como el elevador,

realizan roturas en los laterales y conectan las tuberías. Por lo tanto, dejan al flujo salir libre

hacia dentro de la cámara o en su defecto se proponen un tubo bajante dentro o fuera de

la cámara.

• Se propone para el diseño de cámaras de caída en materiales plásticos una modelación a

escala en laboratorio probando diferentes geometrías para posteriormente calibrar un

modelo en CFD y obtener curvas de diseño para los ingenieros diseñadores donde se

muestre qué geometría es funcional para las condiciones de caudal y altura de caída que se

tenga en cada caso.



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