Proyecto Alvarez.pdf

DISEÑO DE RED DE DRENAJE CON EL PROGRAMA EPA - SWMM

Integrantes: DIEGO ALEXANDER GARCIA PINZON

2154044

DAVID STIVEN RODRIGUEZ GRANADOS 2155516 LIZETH KARINA VANEGAS ORTEGA

2155512

Docente: ING. ANDRÉS ALMEYDA ORTIZ

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER BUCARAMANGA SANTANDER 2018

INTRODUCCIÓN Un canal es una construcción realizada para el transporte de fluidos, específicamente para el transporte de agua. De él se especifican dos clases de canales; los canales cerrados, cuya función se base en el transporte de fluidos a presión, y los canales abiertos los cuales se encuentran a presión atmosférica, como las cunetas. Estos se dieron a conocer hace ya cientos de años, debido a la necesidad de transportar agua y evacuar la gran escorrentía que ocurría después de un largo periodo de tormenta, ocasionando inundaciones; afectando así, el entorno humano. En la actualidad debido a la implementación de normas viales, la infiltración se ha vuelto cada vez más tediosa debido a que el asfalto y el concreto produce que los suelos sean impermeables, ocasionando estancamiento de agua en las vías. Conforme a esto se diseñan canales que efectúen la evacuación del flujo de agua. El presente informe muestra la aplicación del diseño de canales abiertos para el drenaje de un volumen especifico de escorrentía durante un periodo de tiempo establecido por la norma, en una cuenca localizada sobre el Municipio de Bucaramanga en el Barrio Álvarez

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL



Diseñar una red de drenaje para una zona urbana, aplicando los conocimientos adquiridos en clase, teniendo los datos hidrológicos y basándose en las especificaciones de la resolución 330 del 2017

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

  

Determinar la sección de máxima eficiencia hidráulica para la red de drenaje a diseñar. Desarrollar el modelo del diseño en el programa EPA - SWMM, y realizar su respectivo análisis. Aplicar los conocimientos previos obtenidos en hidrología para determinar los datos hidrológicos necesarios en el proceso.

1. DESCRIPCION GENERAL DEL AREA DE ESTUDIO Para realizar este proyecto se tomó un sector urbanístico del Área metropolitana de Bucaramanga, ubicado en el barrio Álvarez entre carrera 33-48 y calles 32-34 como se muestra a continuación:

Figure 1 Imagen satelital Barrio Álvarez-Bucaramanga

Figure 2 Curvas de nivel Barrio Álvarez Bucaramanga Figure 3 Vista en 3D de barrio alvarez

Fuente: Elaboración propia Programa Revit 2. HIDROLOGIA Datos experimentales de la cuenca con ayuda de los software Google Earth Pro, Global Mapper v.18 ,Revit y Autocad 2017, se lograron obtener los siguientes datos:

DATO AREA Longitud axial Perimetro Pendiente Longitud del Rio

VALOR 0,16 161480,94 162,27 16,02

UNIDAD Km^2 M^2 Ha

0,7

Km

1,73 7,57

Km %

0,74

Km

Figure 4 Datos obtenidos del sector Figure 5 Propiedades de la cuenca 2.1 CAUDAL DE DISEÑO 2.1.1 Periodo de Retorno: De acuerdo a lo descrito en el decreto 330 del 2017, El período de retorno de diseño debe determinarse de acuerdo con la importancia de las áreas y con los daños, perjuicios o molestias que las inundaciones periódicas puedan ocasionar a los habitantes, el tráfico vehicular, el comercio, la industria, etc. La selección del período de retorno está asociada con las características de protección e importancia del área de estudio y, por lo tanto, el valor adoptado debe estar justificado de acuerdo con dicho criterio. En este caso como se trata de una zona dentro del Área Metropolitana de Bucaramanga se trabajará con un nivel de complejidad alto, es decir, un tiempo de concentración recomendado. Como lo especifica la siguiente tabla:

Figure 6 Periodo de Retorno según Titulo D 𝑇𝑟 = 10 𝑎ñ𝑜𝑠 2.1.2 Tiempo de Concentración: Según el decreto 330 del 2017 el tiempo de concentración, es el tiempo de recorrido de la escorrentía superficial desde el punto más alejado de la cuenca de drenaje hasta el punto de salida considerado. en alcantarillados es la suma del tiempo de entrada y de recorrido . Entendiéndose por tiempo de entrada al tiempo requerido para que la escorrentía llegue al sumidero y por tiempo de recorrido al tiempo que dura el recorrido del agua dentro del colector.

𝑇𝑐 = 𝑇𝑒 + 𝑇𝑡 Para determinar el tiempo de entrada se utilizará la siguiente ecuación 1

𝑇𝑒 =

0.707(1.1 − 𝐶)𝐿2 1

𝑆3

Donde : C = corresponde al coeficiente de escorrentía S = Pendiente promedio entre el punto más alejado y el punto de entrada a la red L = Longitud máxima de flujo de escorrentía superficial Te = Tiempo de entrada (min) El coeficiente de escorrentía se halla teniendo en cuenta la permeabilidad de la superficie del área a trabajar según la siguiente tabla extraída del Reglamento técnico del sector de agua potable y saneamiento básico.

Por ser un conjunto netamente residencial no se tienen espacios de zonas verdes, por lo tanto, el coeficiente de escorrentía C correspondería a “residencial, con casas contigua, predomino de zonas duras” y sería 0,75. Del plano AutoCAD se extrajeron los siguientes datos: Área = 161480.94 m2 L = 740 m S = 0,0757 Teniendo los datos necesarios se procede con el cálculo de tiempo de entrada 1

0.707(1.1 − 0.75) (7402 ) 𝑇𝑒 =

1

0.07573 𝑇𝑒 = 15,91 𝑚𝑖𝑛 Con el fin de determinar el tiempo de recorrido, al no tener la velocidad a la que fluye el agua dentro del colector, se tiene en cuenta que según el decreto 330 del 2017 el tiempo de concentración mínimo debe ser de 10 minutos, el cual a su vez debe contar con un tiempo de entrada mínimo de 5 minutos, entonces asumimos que el tiempo de recorrido mínimo es de 10 minutos. Asumimos 𝑇𝑟 = 10 𝑚𝑖𝑛

De esta manera obtenemos que el tiempo de concentración es: 𝑇𝑐 = 15,91 + 10 = 25,91 ≈ 26 𝑚𝑖𝑛 = 1 ℎ𝑜𝑟𝑎 Dado que el tiempo de concentración, vamos a tomar un tiempo de concentración de unas seis horas para analizarlo en bloques de 15 min. 𝑇𝑐 = 1 ℎ𝑜𝑟𝑎 2.1.3 Lluvia de Diseño: Para el diseño de las dimensiones de los canales de la red de drenaje pluvial de la zona de estudio, se requiere estimar la magnitud la lluvia de diseño correspondiente a la mayor tormenta probable para un periodo de retorno determinado en base a la normativa vigente (decreto 330 del 2017). Para la estimación de la magnitud de la tormenta de diseño, se van a utilizar datos de precipitación multianual máxima en 24 horas, los cuales se obtuvieron de la estación Club Campestre. Se utiliza la distribución de valores máximos de Gumbel con el fin de determinar la precipitación de diseño en milímetros, y se realiza un análisis descriptivo estadístico de la información hidrológica, de donde se obtiene la función de densidad de probabilidad.

Por último, se calculan los valores de diseño a emplear Precipitación de Diseño Tiempo de Retorno [Años] 10 Probabilidad de Ocurrencia 0.670632 Precipitación [mm] 79.7033593 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 (𝑖𝑛) =

79.7033593 = 3.1379𝑖𝑛 25.4𝑚𝑚

2.1.4 Caudal de Diseño: Teniendo en cuenta lo encontrado en el decreto 330 del 2017 en CN (número de curva) depende de tres aspectos: el grupo hidrológico del suelo, los antecedentes de humedad del suelo y el uso del mismo. A continuación, se presentan valores de número de curva para suelos con condiciones promedio de humedad para zonas urbanas.

Como previamente se mostró, se trabajó con una zona comercial y de negocios con un suelo tipo C que es el típico en Bucaramanga, con un área impermeable promedio del 85 %, por esta razón. CN= 94 Para realizar el cálculo del Caudal de Diseño, utilizamos el método de infiltración propuesto por el SCS. 𝑇𝑐 = 26 min → 𝑇𝑐 = 1 ℎ𝑟 Tiempo de rezago: 3 3 𝑇𝑅 = 5 ∗ 𝑇𝑐 = 5 ∗ 1 → 𝑇𝑅 = 0,6 Duración de la precipitación efectiva:

𝑇

𝑇 = 0.133 ∗ 𝑇𝑐 = 0.133 ℎ entonces tiempo pico está dado por 𝑇𝑃 = 2 + 𝑇𝑅 = 0.667 ℎ𝑟 Calculamos Caudal Pico, utilizando el área en millas cuadradas, h es la lluvia neta en pul y el Tp en horas y lo obtenemos en pies cúbicos por segundo por pulgada 𝑈𝑝 =

484 𝐴 ∗ ℎ 484 ∗ 0,06235 ∗ 0.1662 𝑓𝑡 3 𝑚3 = = 7.539 = 0,00841 𝑇𝑝 0.6665 𝑠 ∗ 𝑝𝑢𝑙𝑔 𝑠 ∗ 𝑚𝑚 Hallamos S para proceder y hallar la precipitación efectiva Pe 1000 1000 𝑆= − 10 = − 10 = 0,638 𝐶𝑁 94 (𝑝𝑡 − 0.2𝑆)2 (3,1379 − 0.2 ∗ 0,638)2 𝑃𝑒 = → 𝑃𝑒 = = 2,484 𝑝𝑢𝑙𝑔 (𝑝𝑡 + 0.8𝑆) (3,1379 + 0.8 ∗ 0,638) 𝑃𝑒 = 60,855 𝑚𝑚 𝑄 = Up ∗ Pe = 0,00841 * 60,855 = 0,5117

3 HIETOGRAMA: Para el diseño del hietograma se empleó el método de bloques alternos. Las curvas IDF que se emplearon fueron las suministradas por el profesor

Minutos

Intensidad [mm/h]

15

119,6

30

88,7

60

61,7

120

38,6

360

15,2

Para un tiempo de retorno de 10 años: Se encontró una línea de tendencia que mejor se ajustara a la curva, con su respectiva ecuación y así calcular la intensidad para cada intervalo de tiempo requerido:

y = 784,52 x-0.649 Se tomaron intervalos de tiempo de 15 minutos y se construyó la siguiente tabla apegados al método anteriormente mencionado: Tiempo [min] Intensidad [mm/h] Precipitación [mm] 15 135,31 33,83 30 86,29 43,14 45 66,32 49,74 60 55,03 55,03 75 47,61 59,51 90 42,30 63,44 105 38,27 66,97 120 35,09 70,19 135 32,51 73,15 150 30,36 75,90 165 28,54 78,49 180 26,97 80,92 195 25,61 83,23 210 24,41 85,42 225 23,34 87,51 240 22,38 89,52 255 21,52 91,44 270 20,73 93,30 285 20,02 95,08 300 19,36 96,81 315 18,76 98,48 330 18,20 100,10 345 17,68 101,68 360 17,20 103,21

ΔP [mm] 33,83 9,32 6,60 5,29 4,48 3,93 3,53 3,21 2,96 2,76 2,58 2,43 2,31 2,19 2,09 2,01 1,93 1,85 1,79 1,73 1,67 1,62 1,57 1,53

Donde: 𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑝𝑖𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 [ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠] ∗ 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 [𝑚𝑚⁄ℎ ]

Ordenando los datos de la forma que el método lo indica y se grafica el hietograma:

Tiempo [min] 0 15 15 30 30 45 45 60 60 75 75 90 90 105 105 120 120 135 135 150 150 165 165 180 180 195 195 210 210 225 225 240 240 255 255 270 270 285 285 300 300 315 315 330 330 345 345 360

4

Precipitación [mm] 1,62 1,73 1,85 2,01 2,19 2,43 2,76 3,21 3,93 5,29 9,32 33,83 6,60 4,48 3,53 2,96 2,58 2,31 2,09 1,93 1,79 1,67 1,57 1,53

MODELAMIENTO EN EPA SWMM 5 Se optó por un canal circular. Y se implementan las siguientes ecuaciones de máxima eficiencia, que junto con la ecuación de Manning sirven para encontrar la sección deseada: 𝑌/𝑑 = 0,85 𝑑2 ∗ (𝜃 − 𝑠𝑒𝑛(𝜃)) 𝐴= 8 2∗𝑦 𝜃 = 2 ∗ acos(1 − ) 𝑑 𝑑∗𝜃 𝐴 𝜃 𝑃 = 2 ; 𝑅 = 𝑃 ; 𝑇 = 𝑑 ∗ 𝑠𝑒𝑛(2 ) 2

1 1 𝐴 3 𝑄 = ∗ 𝐴 ∗ ( ) ∗ 𝑆2 𝑛 𝑃

So Qdis n

0,0757 0,5117 0,013

D Nom (in) 20,0

D (m) 0,4

m^3/s y/d 0,737

y(m) 0,295

Ꝋ(rad) 4,129

A(m^2) 0,099

P(M) 0,826

R(m) 0,120

Qmann 0,512

Se selecciona un diámetro inicial de los canales en sección circular con un diámetro comercial de 0,4 (m) Al modelarse en EPA SWMM se obtuvo el siguiente diseño insertando los siguientes valores:

Vmann 5

Donde se obtuvieron como diseño final el siguiente modelo de diseño del barrio Alvarez en EPA SWMM Corriendo el programa nos dio como resultado la hora critica de mayor caudal de escorrentía a las 3:15 horas con el cual se procederá a diseñar los conductos que se produce inundación

El número de nodos en el que se presentan inundaciones son 2 el cual se procede a diseñar los conductos causantes de estas inundaciones

El cual utilizamos el siguiente diámetro de sección circular comercial de 0,6 m de diámetro D Nom (in) 24

D (m) 0,595

y/d 0,85

y(m) 0,50575

Ꝋ(rad) A(m^2) P(M) R(m) Qmann 4,6924 0,251897 1,395985 0,180444 1,702378

Dando solución a las inundaciones presentes, y se realiza el siguiente diseño final

Se verificó en cada conducto de los 39 existentes que las velocidades estuvieran entre 0.75 m/s y 5 m/s, que no se presentaran problemas de inundación y que el caudal fuera evacuado en su totalidad, el cual los resultados son los siguientes

Vmann 7

Se comprueba si los nodos siguen inundándose, lo cual se afirma que el modelo cumple, y no se presenta ninguna inundación El resultado de los vertidos son los siguientes:

Se obtienen tres perfiles diferentes de las tres rutas de escorrentía más largas del proyecto:

5

CONCLUSIONES

 Fue necesario un completo estudio estadístico e hidrológico para garantizar que los datos a usar cumplían los requerimientos necesarios.  El diseño del sistema de drenaje se realizó en base a la resolución 330 del 2017, ya que este brindaba diferentes parámetros a tener en cuenta que sirvieron como guía para cada paso de la elaboración del sistema.  El programa EPASWMM demostró gran eficiencia a la hora de modelar un sistema de alcantarillado, este también permitió el estudio de las variables involucradas asegurándonos que cumplieran todos los parámetros.  La velocidad mínima tomada para realizar la respectiva verificación debe cumplirse para que el canal posea características auto-limpiantes que influyan en el transporte de sólidos que puedan depositarse en el fondo del canal. De la misma manera la velocidad máxima tiene en cuanta la resistencia a la abrasión del material con que esté revestido el canal, por lo cual las velocidades se deben encontrar entre 0,75 y 5 m/s según el decreto 330 del 2017

 El caudal de diseño es de 0,5117 m^3/s  Se manejaron secciones circulares para los conductos de escorrentía  Se utilizaron 37 conductos con diámetros comerciales de 20 pulgadas y 2 conductos con diámetros de 24 pulgadas  La hora critica de mayor caudal de escorrentía es a las 3:15 horas  La pendiente natural del terreno es de 7.57 %

6

BIBLIOGRAFIA

[1] Hietogramas, Disponible en: http://www.hidrojing.com/como-obtener-hietogramas-para-hechms-y-swmm/ [2] CHOW, Ven T., MAIDMENT, David and MAYS, Larry. “Applied Hydrology”: McGraw-Hill Publishing Company. New York. 1988.

[3] tutorial de EPA SWMM para cálculo https://www.youtube.com/watch?v=WI6yuJ46gGs

de

alcantarillado,

Disponible

en:

[4] NUEVA RESOLUCIÓN 0330 DE 2017 – REGLAMENTO TÉCNICO RAS, Disponible en: http://www.acodal.com/nueva-resolucion-ras/ [5] Resolución 330, Ministerio de vivienda, Ciudad y Territorio, 8 de Junio 2017