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PROYECTO HIDRAULICA DISEÑO DE UNA RED DE DRENAJE PLUVIAL SOFWARE EPA-SWMM

PRESENTADO A: ANDRÉS ALMEYDA

PRESENTADO POR: ANDRES ALEJANDRO SANTANDER (2145020) ALEXANDER GARCIA ROA (2130257) JULIO CESAR DIAZ (2142783)

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL

BUCARAMANGA/SANTANDER 2019

INTRODUCCIÓN La ingeniería hidráulica es un área muy importante de la ingeniería civil, ya que ésta se enfoca en obras relacionadas con el agua, ya sea para la potabilización de esta, la irrigación, la construcción de alcantarillados, presas, canales, diques, entre otros, o para la obtención de energía hidráulica. En el presente proyecto se tiene como fin el diseño de una red de drenaje pluvial del sector Los Pinos, en el área metropolitana de Bucaramanga, teniendo la capacidad de transportar caudales de forma controlada a partir de la normatividad expuesta en el titulo D de la RAS 2000 mediante el software EPA SWMM. Se establecieron los respectivos puntos de drenaje de las aguas lluvias con base en el tiempo de retorno del sector de enfoque del proyecto, donde calculamos las dimensiones óptimas para un excelente proyecto, dado que un diseño inadecuado genera un impacto en poblaciones aledañas al generar posibles inundaciones, lo cual genera daños materiales tanto en la comunidad como en el patrimonio público y privado.

OBJETIVO GENERAL  Diseñar un sistema de alcantarillado pluvial mediante el software EPA SWMM capaz de evacuar las aguas producto de escorrentía superficial en el barrio San Alonso del área metropolitana de Bucaramanga, partiendo de las normas de diseño establecidas en el titulo D de la RAS 2000.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Elaborar un modelo de la red de alcantarillado mediante el software EPA SWMM con el fin de obtener los resultados adecuados y poderlos comparar con los parámetros definidos por el RAS 2010, teniendo en cuenta la tormenta de diseño y características del terreno.  Consultar información básica del lugar de estudio como su población, topografía, Redes existentes, hidrología etc.  Determinar la tormenta de diseño, modelo de infiltración y lluvia de escorrentía considerando los parámetros hidrológicos de la zona de estudio.  Establecer las características de la tubería la cual vamos a utilizar, como su material, diámetro entre otros.

DESCRIPCIÓN GENERAL Y CARACTERÍSTICAS DE LA ZONA DE ESTUDIO

Imagen 1. Mapa del área metropolitana de Bucaramanga.

Bucaramanga, es un municipio colombiano, capital del departamento de Santander. Está ubicada al nororiente del país sobre la Cordillera Oriental, rama de la Cordillera de los Andes, a orillas del Río de Oro. Bucaramanga cuenta con 528.575 habitantes y junto con Floridablanca, Girón y Piedecuesta conforman el área metropolitana con un total de 1.141.694 habitantes, siendo la quinta aglomeración urbana más poblada del país. Bucaramanga, capital del departamento de Santander limita por el Norte con el municipio de Rionegro; por el Oriente con los municipios de Matanza, Charta y Tona; por el Sur con el municipio de Floridablanca y; por el Occidente con el municipio de Girón. Los ríos principales son: El Río de Oro y el Suratá y las quebradas: La flora, Tona, La Iglesia, Quebrada Seca, Cacique, El Horno, San Isidro, Las Navas, La Rosita, Bucaramanga. La ciudad se divide en 17 comunas, cada una de las cuales incluye barrios, asentamientos, urbanizaciones y otros sectores con población flotante. Las comunas del área urbana comprenden 1.341 manzanas y existen alrededor de 200 barrios. La zona rural está compuesta por tres corregimientos que a su vez se dividen en 25 veredas. Los ríos principales de Bucaramanga son el río de Oro y río Suratá, y las quebradas de La Flora, Tona, La Iglesia, Quebrada Seca, Cacique, El Horno, San Isidro, Las Navas, La Rosita y Bucaramanga. Su Posición Geografica Bucaramanga se encuentra en una terraza inclinada de la Cordillera Oriental a los 7 08' de latitud norte con respecto al Meridiano de Bogotá y 73° 08' de longitud al Oeste de Greenwich El área municipal es de 165 kilómetros cuadrados, su altura sobre el nivel del mar es de 959m y sus pisos térmicos se distribuyen en: cálido 55 kilómetros cuadrados: medio 100 kilómetros cuadrados y frío 10 kilómetros cuadrados. Su temperatura media es 23°C y su precipitación media anual es de 1.041 mm.

TORMENTA DE DISEÑO Se entiende por tormenta al conjunto de lluvias que obedecen a una misma perturbación meteorológica y de características bien definidas. De acuerdo con esta definición una tormenta puede durar desde unos pocos minutos hasta varias horas y aún días; pueden abarcar extensiones de terrenos muy variables, desde pequeñas zonas hasta vastas regiones. Tablas 1. Pendiente de la cuenca

Pendiente de la cuenca Sc 0.0513 %

5.13

CÁLCULO DE LA PENDIENTE MEDIA

Imagen 2. Sector seleccionado del municipio de Bucaramanga para el diseño de la red de alcantarillado

El sector de análisis cuenta, localizada en la cra 30 con calle 10, Cra. 27 calle 14 del barrio San Alonso en el municipio de Bucaramanga, Santander.

La velocidad de escurrimiento de las corrientes de agua en una cuenca hidrográfica depende de la pendiente de los canales fluviales. En cuanto mayor valor tome la pendiente, mayor será la velocidad del flujo y, por lo tanto, se convierte en un factor característico del tiempo de respuesta de la cuenca ante determinada precipitación. Este cálculo fue realizado con ayuda del software AutoCAD.

HIDROLOGIA El análisis hidrológico del presente proyecto se realizó con los respectivos datos suministrados de la estación UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER, la cual se encuentra ubicada en la carrera 27 con calle 9.

SELECCIÓN DEL PERIODO DE RETORNO Para la selección del período de retorno con el que llevaríamos a cabo el análisis estadístico e hidrológico del proyecto realizado, se tuvo en cuenta la tabla D.4.1 “Periodos de retorno recomendados según el grado de protección del sistema”, la cual se encuentra en el titulo D de la RAS 2000. Teniendo en cuenta que el área de estudio es mayor a 10 Ha, se decidió trabajar con el tiempo recomendado en años, el cual para este caso es

Imagen 3. Cuenca de estudio

CÁLCULO DE LA LONGITUD DEL CAUCE PRINCIPAL EL cálculo de la longitud del cauce principal de la cuenca es la distancia medida desde el punto más alejado del cauce hasta la salida de la cuenca. Este cálculo fue realizado con ayuda del software AutoCAD.

Longitud del cauce L [m] 394

10. Tabla 2. Longitud del cauce

COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA

IMPERMEABILIDAD

O

El coeficiente de impermeabilidad o escorrentía es la relación entre la parte de la precipitación que circula superficialmente y la precipitación total, entendiendo que la parte superficial es menor que la precipitación total al descontar la evaporación, evapotranspiración, almacenamiento alternativamente, el diseñador puede utilizar los coeficientes de impermeabilidad mostrados en la Tabla D.4.7. del título D de la RAS 2000.

 C: Coeficiente de impermeabilidad.  L: Longitud máxima superficial [m].  S: Pendiente promedio entre el punto más alejado y el punto de entrada a la red [m/m].

TIEMPO DE RECORRIDO El tiempo de recorrido es el período que le toma al agua lluvia recorrer el sistema de tuberías que conforman la red de alcantarillados, desde el punto de entrada hasta el punto de salida de la cuenca.

El tiempo de recorrido se calculará con la siguiente fórmula estipulada en el RAS-2000.

 L= Longitud de la tubería o tramo de red [m].  v= Velocidad media del flujo [m/s].  s= Pendiente promedio entre el punto más alejado y el punto de entrada a la red [m/m]. Como podemos observar, la ecuación depende de la velocidad real del flujo en el tramo, la cual desconocemos, por tal motivo, se tomarán como referencia los valores mínimos y máximos de velocidades permitidos por la RAS 2000, los cuales para este caso serán 0.75 m/s y 10m/s respectivamente para el PVC.

TIEMPO DE CONCENTRACIÓN Para determinar el tiempo de concentración se utilizará la metodología presentada en el RAS-2000 título D. Dado que el sistema de drenado tendrá tres líneas diferentes se escogerá la que proporcione mayor tiempo de concentración. 𝑻𝒄 = 𝑻𝒆 + 𝑻𝒕 Donde:  Tc=es el tiempo de concentración [min]  Te=es el tiempo de entrada [min]  Tt=el tiempo de recorrido [min].

El mayor valor de velocidad es el que produce las condiciones críticas de tiempo de concentración y por ende de intensidad de precipitación. Teniendo en cuenta lo anterior, se procede a determinar el tiempo de concentración teniendo en cuenta solo los valores que ofrecieron el mayor valor. El tiempo de entrada se estimó con los siguientes parámetros:

C L [m] S Te [min]

0.75 394 0.0513 21.69

Tabla 3. Tiempo de entrada

TIEMPO DE ENTRADA El tiempo de entrada se puede calcular de varias maneras, por criterio propio el tiempo de concentración se calculará con la fórmula de Ecuación de la Administración Federal de Aviación (del inglés Federal Aviation Administration) de los Estados Unidos estipulada en el RAS2000 título D.

El tiempo de recorrido se estimó con los siguientes parámetros:

V [m/s] L [m] Tt [min]

10 282.42 0.66

Tabla 4. Tiempo de recorrido

Finalmente se determinó el tiempo de concentración: Donde:  Te: Tiempo de entrada [min].

Tc [min]

22.35

Tabla 5. Tiempo de concentración

CURVA IDF - TR 10 AÑOS INTENSIDAD [mm/h]

DETERMINACIÓN DEL HIETOGRAMA Y SERIES DE TIEMPO (UTILIZANDO EL MÉTODO DE BLOQUES ALTERNOS) El método de bloques alternos es una forma simple para desarrollar un hietograma de diseño utilizando una curva IDF. El hietograma especifica la lámina de precipitación que ocurre en n intervalos de tiempo sucesivos de duración Dt sobre una duración total Td. Una vez definido el tiempo de retorno y debido a que el tiempo de concentración es bajo, es necesario considerar intervalos de corta duración, en este caso de 5 minutos en el lapso de 1 hora es decir es el estudio de 12 bloques.

150 140 130

Tr (años)

INTENSIDAD ( mm/h )

100 50 25 10 5 3

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

360

Tabla 6. Tr=10

IDEAM

Relaciones Intensidad - Duración - Frecuencia

DURACION Minutos

Estaci¢n : 2319504 N£mero de a¤os analizado : 29 PERIODO DE RETORNO, años 5 10 25

15 30 60 120 360

3

97.0 71.0 47.3 28.7 11.1

107.0 78.9 53.7 33.1 12.9

119.6 88.7 61.7 38.6 15.2

135.5 101.2 71.8 45.5 18.1

80 60

y = 783.73x-0.649 R² = 0.9794

40

100

200

300

Tiempo Intensidad P [mm] Delta P (min) (mm/h) 5 275.762 22.980 22.980 10 175.860 29.310 6.330 15 135.171 33.793 4.483 20 112.150 37.383 3.590 25 97.029 40.429 3.046 30 86.201 43.101 2.672 35 77.995 45.497 2.396 40 71.520 47.680 2.183 45 66.257 49.693 2.013 50 61.878 51.565 1.872 55 58.166 53.319 1.754 60 54.973 54.973 1.654 Tabla 7. Calculos hidrológicos

tiempo 0-5 5-10 10-15 15-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-45 45-50 50-55 55-60

precipitacion (mm) 1.193 1.874 2.185 3.880 7.521 23.003 8.327 6.336 3.049 2.015 1.756 0.560 Tabla 8. Datos gráfica hietograma

50

147.3 110.5 79.3 50.6 20.2

100

159.1 119.7 86.8 55.7 22.3

400

DURACIÓN [min]

160

90

100

0

170

100

120

0

CURVAS DE INTENSIDAD-DURACION-FRECUENCIA ESTACION UNIV. IND. SANTANDER (SANTANDER) COD: 2319504

110

140

20

Se realizó el ajuste por medio de una regresión de tipo potencial y así se obtuvo una ecuación que representa la intensidad en función del tiempo en un periodo de retorno de 10 años.

120

160

Precipitación [mm] 1.754 2.013 2.396 3.046 4.483 22.980 6.330 3.590 2.672 2.183 1.872 1.654

CAUDAL DE DISEÑO UTILIZANDO EL MÉTODO RACIONAL. Este método se utiliza en el sistema de recolección y evacuación de aguas lluvias. Se utiliza cuando el área a evaluar es menor que 80 Ha. El método racional calcula el caudal pico de aguas lluvias utilizando la intensidad media del evento de precipitación con una duración igual al tiempo de concentración del área de drenaje y un coeficiente de impermeabilidad.

de números de curva para suelos con condiciones promedio de humedad para zonas urbanas” en la que determinaremos los números de curva CN que mejor se ajusten a las condiciones locales.

𝑄 = 2.78 ∗ 𝐶 ∗ 𝑖 ∗ 𝐴 Donde, Q= Caudal pico de aguas lluvias [L/s]. C= Coeficiente de impermeabilidad para cada área tributaria [Adimensional]. i= Intensidad de precipitación utilizando el tiempo de concentración. [mm/h]. A= Área tributaria de drenaje [Ha]. 𝑖 = 783.73 ∗ 12.92−0.649 = 148.921

𝑚𝑚 ℎ

𝑄 = 2.78 ∗ 0.75 ∗ 148.921 ∗ 10.7 = 3322.362

𝐿 𝑠

MODELO DE INFILTRACIÓN PROPUESTO POR EL SCS Utilizando el método SCS propuesto por la RAS 2000 determinamos la precipitación efectiva producida por un evento de lluvia, para esto, asignamos un numero de curva CN característico de cada tipo de suelo en la cuenca. En el titulo D de la RAS 2000 podemos encontrar la tabla D.4.4 “Grupos hidrológicos del suelo para el método de infiltración del Soil Conservation Service” en el que podemos observar el grupo hidrológico del suelo y el tipo de textura de este, para nuestro caso, el grupo hidrológico con el que continuaremos nuestro estudio es el D, ya que es el que encontramos en Bucaramanga.

Tipo de cobertura Espacios abiertos Calles y carreteras Área impermeable

Área [Ha]

CN

1.128

84

2.111

93

7.461

98

Tabla 9. Numero de curva CN

DESCRIPCIÓN REALIZADO

DEL

PROCEDIMIENTO

Inicialmente realizamos una búsqueda del barrio Los Pinos en Google Earth para obtener una imagen del sector, seguido a esto, importamos nuestra imagen en AutoCAD mediante Cad-Earth donde pudimos calcular áreas, pendientes y anchos de las cuencas. Para hacer el diseño de la red de drenaje pluvial utilizamos el software EPA SWMM, al cual exportamos las áreas delimitadas anteriormente para crear cada una de las subcuencas.

Después de definir el grupo hidrológico del suelo de nuestro proyecto, nos dirigimos a la tabla D.4.5 “Valores

Se creó una serie temporal con los datos obtenidos en los cálculos hidrológicos realizados anteriormente, realizamos el hietograma para un periodo de retorno de 10 años, con un formato de lluvia en precipitación, un tiempo de lluvia de 60 minutos como se determinó con anterioridad e indicamos el nombre de la serie correspondiente a los valores del hietograma.

Imagen 6. SubCuencas EPA SWMM

Imagen 4. Tabla hietograma EPA SWMM

El método de infiltración que utilizamos fue el SCS, el cual requiere de la curva número CN la cual ya fue especificada anteriormente guiados de la tabla D.4.5 del título D de la RAS 2000. Ingresamos al programa el valor de la curva número CN para cada subcuenca y el programa lo calcula automáticamente.

Imagen 7. Infiltración EPA SWMM

DISEÑO DE LAS TUBERÍAS Imagen 5. Gráfica hietograma EPA SWMM

Seguido a esto localizamos los nodos de descarga y consigo los respectivos conductos de circulación de flujo, teniendo en cuenta el sentido u orientación del punto salida que fue ubicado con el desnivel presente en las curvas de nivel del terreno. Según lo indicado se crearon 46 subcuentas, las cuales eran editadas con el área, pendiente, nodo de descarga y el método de infiltración.

Para el diseño de las tuberías, se decidió escoger una tubería circular ya que es la más eficiente por su forma hidrodinámica y por no ofrecer resistencia al paso de fluidos, además, al realizar variaciones en la pendiente se logra obtener una mayor velocidad de circulación de corrientes. Para los cálculos de área, perímetro, caudal y radio hidráulico se utilizaron las ecuaciones de Manning mostradas a continuación: 𝐴 2 1 𝑄 = 𝑅 3 𝑆02 𝑛 𝜃

𝑇 = 𝑑 sin 2 𝑃=

𝑑𝜃 2

𝑑2 (𝜃 − sin 𝜃) 𝐴= 8 𝜃 = 2 sin−1 (1 − 𝑅=

𝐴 𝑃

2𝑦 ) 𝑑

𝐷𝑚 =

𝐴 𝑇

𝐹𝑟 =

𝑉 √𝑔 𝐷𝑚

𝜏 = 𝑔 𝑅 𝑆0 Dónde:            

𝐴: Área mojada. 𝑆0 ∶ Pendiente. 𝑛: coeficiente de Manning. 𝑄: Caudal, P: Perímetro mojado. 𝜃∶ Ángulo de llenado. 𝑦: nivel del agua. 𝑅: radio hidráulico. 𝑇: Ancho superficial. 𝑃: perímetro mojado 𝐹𝑟: numero de Froude. 𝑑: diámetro del canal. 𝐷𝑚: Profundidad hidráulica promedio.

Para obtener el valor del coeficiente de Manning, observamos en la tabla D.6.2 “Valores del coeficiente de rugosidad de Maning para varios materiales” del título D de la RAS 2000, en la que obtuvimos un valor entre 0.010 y 0.015 para conductos cerrados y material de PVC. Imagen 9. Caudales EPA SWMM

Calculo tipo: Para iniciar se supuso un

𝑦 𝑑

= 0.85, 𝑛 = 0.015

𝜃 = 2 sin−1 (1 − 2 ∗ 0.85) = 4.6924 𝑟𝑎𝑑 Suponiendo un diámetro de 500 mm 500 2 (4.6924 − sin 4.6924) 𝐴=( ) ∗ = 0.17788 𝑚2 1000 8 𝑃=

Para iniciar el diseño del canal usamos los caudales que pasan por cada uno de los conductos, los cuales obtenemos del software EPA SWMM.

𝑄=

4.6924 ∗ 500 = 1.17310 𝑚 2 ∗ 1000

𝑅=

0.17788 = 0.15163 𝑚 1.17310

𝑆0 =

998 − 997.5 𝑚 = 0.005 100 𝑚

2 1 0.17788 𝑚3 ∗ 0.151633 ∗ 0.0052 = 0.238439 0.015 𝑠

El caudal que pasa por este conducto es 0.53498

𝑚3 𝑠

con

el objetivo de diseñar de forma eficiente, se busca igualar el caudal obtenido con la fórmula de Manning al caudal que pasa por el conducto; para facilitar el cálculo se realizó una hoja de cálculo e el software Excel, se usó un 𝑦 buscar objetivo para cambiar la relación y hallar el 𝑑

diámetro más eficiente. Los resultados obtenidos se observan en la Tabla de resultados adjunta.

Según la resolución 0330 del 2017 en el ARTÍCULO 152. Requisitos de diseño de canales de aguas lluvias  Los canales deben diseñarse para que funcionen como un sistema a gravedad, utilizando las fórmulas de flujo gradualmente variado y/o modelos de flujo no permanente, evitando el flujo crítico.  Si la sección del canal es cerrada, debe cumplirse la condición de flujo a superficie libre, de tal manera que la profundidad del flujo no exceda el 85% de la altura de conducto. Una vez hecho el diseño, se montan los diámetros comerciales al software, se corre y se verifica que no ocurra inundación en los nodos de la red. Dado caso en el que ocurra inundación, se aumenta el diámetro de la tubería del conducto que sale del nodo inundado y se verifica que el caudal no sobrepase el caudal máximo de diseño.

Imagen 8. Verificación de inundación en los nodos EPA SWMM

PORTAFOLIO DE PRODUCTOS NOVAFORT TUBERÍAS

Imagen 10. Diámetros comerciales PAVCO.

CONCLUSIONES  Se diseñó una red de drenaje pluvial para la zona de Los Pinos ubicada cerca de la estación hidrológica de la Universidad Industrial de Santander, para esto se usó el conocimiento adquirido en hidrología e hidráulica para obtener un diseño adecuado que cumpliera con los requerimientos de escorrentía de la zona de estudio.  Se siguió la normativa presentada en el Titulo D de la norma RAS2000 y la resolución 0330 de 2017 para el diseño de tuberías.  Se adquirieron los conocimientos necesarios del software EPA SWMM para realizar de forma efectiva el análisis y diseño de este proyecto junto con su optimización.

Perfil lámina de agua

Tabla 10. Resultados