Diseño de Planta Elevadora de Aguas Servidas: Tesis de Ingeniería

Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias de la Ingeniería
Escuela de Ingeniería en Construcción
“INGENIERIA DE DETALLES DE UNA
PLANTA ELEVADORA DE AGUAS SERVIDAS
DE CAPACIDAD Q=11,5 L/s y H=6,0m.
DE BOMBAS SUMERGIBLES”
Tesis para optar al Título de:
Ingeniero Constructor
Profesor Patrocinante:
Sr. Carlos Vergara Muñoz.
Ingeniero Civil Mecánico
Magíster en Economía y Gestión Regional
Doctor en Economía Aplicada
ARIEL ARTURO DELGADO ROGEL
VALDIVIA - CHILE
2013
AGRADECIMIENTOS.
Me corresponde agradecer a cada una de las personas que con su
colaboración y apoyo hicieron posible mi tarea al confeccionar este documento, en
especial destaco el apoyo constante de mi familia y la contribución técnica brindada
por la señorita Soledad Guala, I.T.O. externo de Aguasdécima .S.A., con quién pude
acceder a obras en ejecución y aclarar dudas en terreno, a los señores Aliro Peña y
Ricardo Rosales, funcionarios de Aguasdécima S.A., que me transmitieron
experiencias de Aguasdécima S.A. con respecto a la construcción y funcionamiento
de obras de plantas elevadora de aguas servidas construidas en Valdivia, al profesor
José Soto, quien amablemente aclaró mis dudas con respecto a cómo lograr una
aproximación al diseño estructural y a mi profesor patrocinante el señor Carlos
Vergara.
RESUMEN.
Este documento presenta el proceso de cálculo para una pequeña planta
elevadora de aguas servidas, con una bomba en operación, más una de respaldo, y
la ingeniería de detalles de una planta tipo con una capacidad de 11,5 l/s y una altura
de elevación geométrica igual a 6 metros, usando bombas centrífugas sumergibles.
También se incluye el apoyo teórico, criterios para los cálculos hidráulicos
necesarios para su diseño, planos generales, detalles de las cámaras y sus
elementos interiores más importantes.
SUMMARY.
This document presents
the calculation process for a small plant of
wastewater lifting, with a pump in operation, and one more in standby, and the detail
engineering of a tipical plant with a capacity of 11.5 l / s and a lifting height geometric
equal to 6 meters using submersible centrifugal pumps.
It also includes the theoretical support, criteria for the hydraulic calculations
necessary for its design, general drawings, details of the cameras and its most
important interior elements.
INGENIERIA DE DETALLES DE UNA PLANTA ELEVADORA DE AGUAS
SERVIDAS DE CAPACIDAD Q=11,5 L/s y H=6,0 m. DE BOMBAS SUMERGIBLES
CAPÍTULO I:
GENERALIDADES.
1.1. Introducción………………………………………………………………………………1
1.2. Objetivos………………………………………………………………………………….2
1.3. Metodología……………………………………………………………………………...3
CAPÍTULO II:
ESTRUCTURA DE UNA PLANTA ELEVADORA DE AGUAS
SERVIDAS DE BOMBAS SUMERGIDAS (P.E.A.S.).
2.1. Introducción……………………………………………………………………….…….4
2.2. Cámara de Rejas…………………………………………………..............................4
2.3. Cámara Desarenadora…………………………………….. ………………………....5
2.4. Pozo de Bombeo y Bombas………………………………………………………......6
2.5. Sistemas de Control…………………………………………………………………....8
2.6. Cámara de Válvulas…………………………………………………………………....8
2.7. Tubería de Impulsión………………………………………………………………......9
CAPÍTULO III: CAPACIDAD DE LA BOMBA, DISEÑO DEL TUBO DE IMPULSION Y
VOLUMEN NETO DE RETENCION DEL POZO.
3.1. Introducción…………………………………….………………………………….......11
3.2. Caudal de Diseño de la P.E.A.S…………………………………………………….12
3.3. Altura Manométrica Total…………………………………………………………….13
3.4. Dimensionamiento Tubería de Impulsión………………………………………......15
3.5. Determinación del volumen útil del pozo…...………………………………….... 17
3.6. Determinación de las presiones máx. y sobrepresión por golpe de ariete……. 19
CAPÍTULO IV: DESARROLLO DE LA INGENIERIA DE DETALLES PARA UNA
PLANTA TIPO de Q=11,5 L/s y H=6.0 m.
4.1. ESTRUCTURA GENERAL DE LA PLANTA Y CONDICIONES DEL DISEÑO...22
4.1.1. Estructura general de la Planta………………………………………………...…..22
4.1.2. Profundidad del Colector……………………………………………………………23
4.1.3. Profundidad de la Tubería de Impulsión…………………………………………..24
4.1.4. Esquema general de la red interior………………………………………………..25
4.2. DISEÑO DE INGENIERIA BASICA…………………………..….……….………...26
4.2.1. Caudales……………………………………………..………………….………......26
4.2.2. Cotas y niveles preliminares de la P.E.A.S……….………………….……….....26
4.2.3. Selección del diámetro de la Tubería de Impulsión……………………………...28
4.2.4. Dimensionamiento del Pozo de Bombeo……………………………….………. 30
4.2.5. Selección de la Bomba……………………………………………..…….………. 32
4.2.6. Presiones en la Tubería de Impulsión…………………………………….……...38
4.3. INGENIERIA DE DETALLE………………………………………………….………42
4.3.1. Cámara de Rejas…………………………………………………………….……..49
4.3.2. Cámara Desarenadora…………………………………………………….……....61
4.3.3. Pozo de Aspiración o Pozo de Bombeo………………………………….….…..70
4.3.4. Cámara de Válvulas…………………………………………………………..……91
4.3.5. Ventilación de la P.E.A.S………………………………………………….….…...96
4.3.6. Tubería de Impulsión. ……………………………………………………..………97
4.3.7. Obras Eléctricas……………………………………………………………..……..98
CAPÍTULO V:
CONCLUSION………………………………………………….….….100
CAPÍTULO VI:
BIBLIOGRAFIA…………………………………………………........102
CAPÍTULO VII:
ANEXOS……………………………………………………….….…104
Anexo N°1: Valores del coeficiente de rugosidad…………………………………...104
Anexo N°2: Determinación de caudales………………………………………………105
Anexo N°3: Diseño canal de cámara de rejas………………………………………..108
Anexo N°4: Pérdidas de carga singulares……………………………………………113
Anexo N°6: Diseño estructura de la P.E.A.S…………………………………………120
Anexo N°7: Memorias de cálculo de la estructura de P.E.A.S……………………..124
1
CAPÍTULO I:
GENERALIDADES.
1.1. Introducción.
Toda actividad humana produce inevitablemente aguas residuales, por ello
surge la ingeniería de las aguas residuales, cuyo fin es la protección del medio
ambiente con arreglo a las posibilidades económicas e intereses sociales y políticos.1
Para su control y disposición final las aguas residuales deben ser
transportadas hacia las Plantas de Tratamientos de Aguas Servidas donde serán
purificadas, de acuerdo a las normas y leyes correspondientes, para luego ser
devueltas al medio ambiente. Su traslado se realiza por medio de la red de
alcantarillado de aguas servidas que posee cada localidad, éstas escurren
generalmente en forma gravitacional, sin embargo, existen obras especiales como
las “Plantas Elevadoras de Aguas Servidas”, cuya función es transportar las aguas
servidas por una tubería a presión, desde un punto que se ubica bajo la cota
necesaria para escurrir por gravedad, a otro que posee una cota mayor,
incorporándolas nuevamente al sistema.
En Valdivia existen Plantas Elevadoras medianas y pequeñas, que sirven a
una población específica, dado la topografía de la ciudad. Las Plantas pequeñas
construidas poseen cámaras de sección circular, conectadas entre sí con tuberías,
mientras que la que describe este documento es una Planta más compacta con
cámaras de sección rectangular y cuadrada, brindando una mayor superficie interior.
En los siguientes párrafos se diseñará una Planta Elevadora pequeña, a partir
de un caudal y una altura de elevación hipotética, se mostrará cuales son los
cuidados y criterios que se deben tener presente para el diseño de los principales
elementos y selección de los equipos de bombeo.
1
Tchobanoglous, G. (1998, p.9)
2
1.2. Objetivos.

Presentar el proceso de cálculo y desarrollar la Ingeniería de Detalles de una
Planta Elevadora de Aguas Servidas de capacidad Q=11,5 L/s y H=6,0 m. de
Bombas sumergibles, y de esta forma contribuir como una guía en la
confección de proyectos y ejecución de obras de este tipo.
3
1.3. Metodología.
La metodología de trabajo consistirá en reunir toda la bibliografía necesaria
que describe el tema planteado, esto es, reunir el apoyo teórico necesario para
describir en forma ordenada y resumida los parámetros principales que se estudian
al momento de diseñar una Planta Elevadora de Aguas Servidas, especialmente lo
relacionado al cálculo hidráulico. Finalmente realizar un aporte en lo que se refiere a
la ingeniería de detalles para una P.E.A.S. de la capacidad propuesta, adoptando las
soluciones que más acomodan en cuanto a diseño y construcción, confeccionando
láminas de aquellos puntos en los cuales los proyectos generalmente no son muy
extremados.
Para lograr este objetivo se procederá al análisis de proyectos, obras
ejecutadas, catálogos técnicos de proveedores de elementos que conforman la
Planta y entrevistas con Jefes de Obras, Constructores Civiles, Ingenieros Civiles e
Inspectores y Profesionales de la Empresa de Servicios Sanitarios presente en
Valdivia.
4
CAPITULO II:
ESTRUCTURA DE UNA PLANTA ELEVADORA DE AGUAS
SERVIDAS DE BOMBAS SUMERGIDAS (P.E.A.S.). 2
2.1. Introducción.
Una Estación de Bombeo o Planta Elevadora de Aguas Servidas es la
solución a la problemática que se presenta al tener que construir colectores de
grandes profundidades para satisfacer las necesidades de conectar tramos de
alcantarillados a la red global, esto se debe a que surgen problemas de tipo
topográfico principalmente, ya que el transporte de las aguas servidas se realiza de
preferencia por gravedad. El hecho de no utilizar una P.E.A.S. llevaría a la
construcción de sistemas de colectores muy profundos, grandes y costosos. 3
El modo de cómo llega el agua residual a la P.E.A.S. es por medio de un
colector interceptor, que conduce el agua residual desde un punto de intersección de
los tramos anteriores de la red de alcantarillado. La longitud total de alcantarillado,
con independencia del tamaño, depende de las características urbanas de la
población.4
La estructura de la Planta consta generalmente de 4 compartimientos que son:
una Cámara de Rejas, una Cámara Desarenadora, un Pozo de Bombeo y una
Cámara de Válvulas. Otro componente de la Planta es la tubería de impulsión que
conduce el agua hasta su disposición final.
2.2. Cámara de Rejas.
El primer obstáculo que deberá enfrentar el agua residual al entrar a la Planta
Elevadora es una Cámara de Rejas, la cual cumple el objetivo de impedir el paso de
sólidos en suspensión hacia el sistema de elevación, reteniendo todos aquellos
2
La información del presente capítulo ha sido obtenida principalmente de Tchobanoglous, G. (1998),
Tchobanoglous, G. (1995), de entrevistas con profesionales de AGUASDECIMA S.A. e inspecciones a
P.E.A.S. existentes.
3
Tchobanoglous, G. (1998, p.382), e Información suministrada por AGUASDECIMA S.A.
4
Información suministrada por AGUASDECIMA S.A.
5
sólidos que superen la separación de los dientes de dichas rejas y que puedan
causar la obstrucción de los equipos de bombeo.5
Ésta es una cámara de paso y no se produce acumulación parcial de agua en
su interior, el traslado del agua residual a través de ella es por medio de un canal
abierto, entonces actúa de forma similar a una cámara de inspección, el la cual las
aguas servidas circulan por acción de la gravedad y se proyecta de modo que se
impida la acumulación de arenas y demás materiales pesados, evitando también la
presencia de baches o imperfecciones al momento de su construcción.6
La reja va ubicada dentro del canal. El canal posee una pendiente
descendiente en la dirección que circula el agua, debe ser recto y perpendicular a la
reja, con la finalidad de conseguir una distribución uniforme de sólidos en el flujo y en
la reja.7
Como ésta es la cámara de ingreso a la estructura de la Planta, dentro de ella
se instala una válvula para evitar el ingreso de agua, en las ocasiones que fuese
necesario.
2.3. Cámara Desarenadora.
Un desarenador convencional es un tanque construido con el propósito de
sedimentar partículas en suspensión por acción de la gravedad, éstas unidades
mantienen una velocidad que proporciona suficiente tiempo como para que
sedimenten las partículas en el fondo de la cámara.
En la Planta Elevadora la Cámara Desarenadora se construye para separar
arenas, la grava, cenizas, y cualquier otro material pesado cuya velocidad de
sedimentación o peso específico sea considerablemente superior al de los sólidos
5
Tchobanoglous. G. (1995, Vol.2, p.507, p509).
Información suministrada por AGUASDECIMA S.A.
7
Tchobanoglous. G. (1995, Vol.2, p.510), e Información recopilada de proyectos de P.E.A.S.
construidas por AGUASDECIMA S.A.
6
6
putrescibles presentes en las aguas servidas8. Ésta estructura se utiliza para
proteger los elementos mecánicos de la abrasión y el excesivo desgaste, y la
reducción de depósitos pesados en el interior de las tuberías de conducción, es por
ello que se ubica antes de los equipos de elevación9.
El desarenador de la P.E.A.S. no elimina el 100% de las arenas, sino que
captura los sólidos decantables de mayor calibre solamente, su remoción del fondo
de la estructura se realiza generalmente mediante un camión con succión al vacío o
en forma manual. Para evitar que las arenas se acumulen en los vértices interiores
de la cámara se proyecta una bancada en todo su contorno inferior. 10
Como ésta es una cámara de acumulación, en forma parcial, y las aguas
servidas están en contacto directo con el interior de la cámara, consta con una
tubería de ventilación para la eliminación de los gases producto de la putrefacción.11
La Cámara Desarenadora, y las demás, deben cumplir con la condición de
estanqueidad para evitar la contaminación de la napa de agua del sector donde
funcionará la P.E.A.S.
2.4. Pozo de Bombeo y Bombas.
La Cámara de Aspiración o Pozo de Bombeo es necesario para el
almacenamiento del agua residual antes de su elevación. Esta estructura se instala
después de la Cámara de Rejas y Cámara Desarenadora, módulos encargados de
proteger las bombas.
El Pozo de Bombeo de la P.E.A.S. debe contar con dos bombas iguales como
mínimo, dependiendo de su capacidad y diseño, una de las bombas es de reserva y
evita que el sistema deje de funcionar si se producen daños en uno de los equipos.
8
Tchobanoglous. G. (1995, Vol.2, p.520).
Tchobanoglous. G. (1995, Vol.2, p.521).
10
Información suministrada por AGUASDECIMA S.A.
11
Información recopilada de proyectos de P.E.A.S. construidas por AGUASDECIMA S.A.
9
7
Para su accionamiento poseen un sistema de control el cual arrancará y detendrá las
bombas en forma alternativa dependiendo del nivel de agua en el Pozo.12
Se debe asegurar una disposición de los niveles de partida y parada de las
bombas de manera tal que el aire no penetre en la bomba, para esto la parte superior
de la voluta se debe encontrar por debajo del nivel mínimo del agua.13
Las bombas que se utilizan en los sistemas de elevación de aguas servidas
son del tipo centrífugas, pueden ser sumergibles o no, y son accionadas por motores
eléctricos. Una de las características que deben tener además, es la de ser aptas
para trabajar en entornos explosivos (EX) y tener capacidad de transportar agua con
presencia de sólidos de tamaños moderados.14
El volumen del pozo depende del caudal de entrada y las características de
las bombas, que condicionan el caudal de salida del pozo, se proyecta de manera tal
que se evite el potencial desarrollo de condiciones sépticas y producción de olores.
Junto con las bombas y un pequeño tramo de descarga, está también en el
interior del pozo de aspiración una pantalla deflectora o disipador de energía, que se
ubica justo frente al ingreso del agua residual, esta pantalla reduce la velocidad que
trae el agua y protege a las bombas del golpe hidráulico que produce el caudal de
agua que ingresa.15
Las características estructurales del pozo de bombas son similares a las
cámaras anteriores, es decir, también consta con una estructura rígida y estanca, los
elementos para su ingreso son una tapa y escaleras o escalines metálicos.
Como el pozo almacena el agua residual hasta alcanzar los niveles en que se
han proyectado la partida de las bombas, también debe poseer un escape para los
gases que se acumulan mientras el agua permanece en su interior.
12
Información suministrada por AGUASDECIMA S.A.
Tchobanoglous, G. (1998, p.422).
14
Información Suministrada por AGUASDECIMA S.A. y Catalágos técnicos FLYGT CHILE, 2005.
15
Información suministrada por AGUASDECIMA S.A.
13
8
2.5. Sistemas de Control.
Los sistemas de control que poseen las P.E.A.S. son automáticos y manuales,
los primeros se basan en el nivel de agua dentro del pozo de bombeo y son
generalmente flotadores, los controles manuales son adicionales para poder activar o
desactivar
los
mecanismos
cuando
ocurren
emergencias
o
se
realiza
mantenimiento.16
Para proteger los elementos que componen los sistemas de control, que no se
ubican el pozo de bombeo y no deben estar expuestos a la intemperie, se emplea
generalmente un tablero de control metálico. En algunas Plantas el tablero de control
suele ubicarse dentro de una caseta de mando, la cual es una edificación construida
para efectos de proteger los equipos eléctricos, que controlan y abastecen a las
bombas.17
2.6. Cámara de Válvulas.
La cámara de válvulas está situada adyacente al pozo de bombeo y alberga el
conjunto de tuberías de descarga de las bombas y su correspondientes válvulas.18
Dentro de este recinto las descargas de las bombas se unen para dar inicio a un
único conducto que es la tubería de impulsión de la P.E.A.S.
En esta cámara el agua residual no está en contacto con el ambiente interior
de la estructura, sino que pasa a través de ella por las tuberías y piezas especiales
que conforman la red interior de la Planta, a pesar de esto generalmente también se
proyectan con un escape para su ventilación.19
La profundidad de este compartimiento es menor que el de las cámaras
anteriores, y va de acuerdo a la profundidad a la cual se construirá la tubería de
impulsión de la Planta.
16
Tchobanoglous, G. (1998, p.403 y 404).
Información suministrada por AGUASDECIMA S.A.
18
Tchobanoglous, G. (1998, p.397).
19
Información suministrada por AGUASDECIMA S.A.
17
9
La cámara de válvulas hospeda dos tipos de válvulas que son las que se
utilizan comúnmente, de retención y de compuerta, ambas son instaladas en forma
horizontal para evitar el depósito de sólidos y la obturación de la descarga mientras
se encuentran cerradas. La primera impide el retorno del fluido al pozo de bombeo y
se acciona automáticamente con los cambios de presión permitiendo la circulación
en un solo sentido, y la segunda generalmente es de accionamiento manual y corta
todo flujo de agua al ser accionada.20
2.7. Tubería de Impulsión.
La tubería de impulsión es la que recibe el agua residual descargada por la
estación de bombeo y la transporta a presión hasta el punto de evacuación, el cual
puede ser un alcantarillado que funcione por gravedad o una estación depuradora.21
La longitud de la tubería de impulsión dependerá de las condiciones y ubicación que
presentan en terreno los puntos de recogida y entrega del sistema.
La conducción del agua por la tubería, al igual que el colector interceptor, es
bajo tierra con el fin de evitar cargas inadecuadas, choques, actos vandálicos e
incomodidad para la población en general. Esta tubería se instala a profundidades
menores que la de un colector común y a diferencia de éstos no posee cámaras de
inspección en su transcurso, por ser un conducto que trabaja a presión; sin embargo,
a la salida del conducto éste descarga a una cámara de inspección.22
Los materiales que se utilizan hoy en día en estas tuberías son de preferencia
sintéticos, como el PVC Hidráulico y el Polietileno de Alta Densidad (PEAD), siendo
este último el preferido. En los casos en que es necesario darle rigidez a la tubería
de impulsión se utilizan tuberías metálicas, como tubos de fierro fundido o de acero
20
Tchobanoglous, G. (1998, p.401).
Tchobanoglous, G. (1998, p.343)
22
López, R. (2002, p.188, p.280)
21
10
galvanizado, dichos casos corresponden principalmente a tuberías en voladizo y
expuestas a la intemperie.23
23
Información suministrada por AGUASDECIMA S.A.
11
CAPITULO III: CAPACIDAD DE LA BOMBA, DISEÑO DEL TUBO DE IMPULSION Y
VOLUMEN UTIL DE RETENCION DEL POZO.
3.1. Introducción.
La P.E.A.S. cumple el objetivo de transportar el agua residual de un punto de
cota más baja a otro de cota mayor. En una vista general los componentes de la
Planta que participan directamente en la elevación del agua son los equipos de
bombeo, el pozo de acumulación y la tubería de impulsión, principalmente.
Para la selección de los equipos de bombeo que se utilizan se deben conocer
los parámetros frente a los cuales van a operar, que esencialmente son: la capacidad
de impulsión en términos de caudal, la altura de energía total que la o las bombas
deben imprimir al flujo y el tipo de fluido a impulsar (en este caso aguas servidas
domiciliarias). La capacidad de la bomba es el volumen de líquido que puede
bombear por una unidad de tiempo y se expresa, generalmente, en litros por
segundo o metros cúbicos por segundo. La altura de energía total o altura total que
deben aportar las bombas es igual a la suma de las pérdidas de carga a través del
sistema, más la diferencia de cotas entre el nivel de descarga y el nivel de agua en el
pozo de bombeo.
En la estimación del volumen útil del pozo se deben tener presentes los
tiempos de detención mínimo y máximo de retención, además de los caudales
máximo y mínimo de aguas servidas que ingresan a la P.E.A.S.
El tubo de impulsión se dimensiona conforme al caudal máximo de aguas
servidas que se desea elevar, la velocidad mínima para arrastrar los sólidos que se
depositan en las tuberías, la velocidad máxima necesaria para evitar o absorber el
golpe de ariete y las características técnicas de las tuberías empleadas.
12
3.2. Caudal de Diseño de la P.E.A.S.
El valor del caudal de bombeo de aguas servidas para el diseño de la P.E.A.S.
corresponde al caudal punta del proyecto, también se deben tener presentes los
caudales medios inicial y de proyecto y el mínimo inicial. Los caudales medio, inicial
y de proyecto son importantes, ya que los equipos deben seleccionarse para
funcionar lo más eficientemente posible para los caudales medios. Los caudales
iniciales mínimos tienen importancia en el dimensionamiento de la tubería de
impulsión, ya que los sólidos que se depositen a bajas velocidades no deben
producir obturaciones.
El caudal de elevación de aguas servidas se obtiene por medio del estudio de
las características de la zona a la cual van a servir las obras y se basa,
principalmente en las siguientes cuantificaciones.24
1. Población Acumulada y Dotación.
2. Caudales medios de Aguas Servidas.
3. Caudal máximo Residencial.
4. Caudal máximo Especial.
5. Caudales de Infiltración y Aportaciones Incontroladas.
Concretamente, el caudal de elevación corresponde a la suma del caudal
máximo horario (aporte doméstico, industrial, comercial e institucional), caudal de
infiltración y conexiones erradas, aumentado en un porcentaje como resguardo. La
literatura consultada no da recomendaciones sobre este resguardo. La revisión de
memorias de cálculo de diversos proyectos de P.E.A.S. indica un resguardo entre 5%
a 10%.
Es con este caudal que se realiza la selección de la motobomba y el
dimensionamiento de la tubería de impulsión, debido a que en el momento en que las
24
Según Nch 1105 of 1999.
13
aguas servidas alcancen el nivel más alto proyectado, las instalaciones sean
capaces de transportar el volumen de agua eliminado por los habitantes, sin provocar
el colapso del sistema de alcantarillado.
3.3. Altura Manométrica Total.
Para la selección de la bomba se debe conocer la altura necesaria que debe
vencer, que es la altura manométrica total, la cual esta compuesta por la altura
geométrica de aspiración, la altura geométrica de elevación, las pérdidas por
rozamiento, la altura de velocidad y las pérdidas de carga singulares.
La altura geométrica total (Hgeom.) es la diferencia de cotas del líquido en los
niveles de la descarga y aspiración, está compuesta por la altura geométrica de
aspiración (hs) que es la diferencia de cotas existentes entre el nivel del líquido en la
aspiración y el eje del rodete de la bomba y la altura geométrica de elevación (hd)
que es la diferencia de cotas existentes entre el nivel del líquido en la descarga y el
eje del rodete.25 En las bombas sumergibles el nivel del líquido está por sobre el eje
del rodete, entonces se produce una pequeña altura geométrica de aspiración
positiva (aspiración en carga).
La pérdida por rozamiento corresponde a la fricción que produce el flujo del
agua a través de las tuberías. Estas pérdidas se pueden calcular mediante la fórmula
de Hazen-Williams, tanto para la tubería de aspiración (hfs) como la de impulsión
(hfd).
La Altura de velocidad corresponde a la energía cinética contenida en el
líquido bombeado en cualquier punto del sistema y viene dado por26:
Altura de velocidad (hv) = V2
2g
25
26
Tchobanoglous, G. (1998, p.300).
Tchobanoglous, G. (1998, p.301).
14
Donde:
V = velocidad del líquido, m/s.
g = aceleración de gravedad, m/s2
Esta velocidad debe ser tal que permita el arrastre de las arenas presentes en
el agua residual que no decantaron en la cámara desarenadora.
Las pérdidas de carga singulares (hm) son las que se producen en las piezas
especiales y válvulas, suelen estimarse como una fracción de la altura de velocidad
utilizando la siguiente expresión: 27
h m = K V2
2g
Donde:
hm = pérdida de carga singular, m.
K
= coeficiente de pérdida de carga.
V = velocidad del líquido, m/s.
g = aceleración de gravedad, m/s2
El coeficiente de pérdida de carga es un valor típico de cada una de las piezas
especiales, sus valores más comunes se incluyen en el Anexo Nº 1, “Pérdidas
Singulares”. En memorias de cálculo de proyectos de obras ejecutadas cuando las
pérdidas de carga singulares son poco importantes debido a la escasa presencia de
piezas especiales se ha utilizado como valor de cálculo de éste parámetro un
aumento de un 5% de la pérdida de carga por rozamiento en la tubería, lo cual queda
a criterio del proyectista.
La altura manométrica total es aquella contra la cual va a trabajar la bomba.
Su determinación se realiza teniendo en cuenta las alturas antes mencionadas.
27
Tchobanoglous, G. (1998, p.301).
15
Entonces la expresión para el cálculo de la altura manométrica total de una bomba
viene dada por: 28
Ht = Hgeom + hfs + ∑ hms + hfd + ∑ hmd + Vd2
2g
Donde:
Ht = altura manométrica total, m.
Hgeom = altura geométrica total, m.
hfs = pérdida de carga por rozamiento en la tubería de aspiración, m.
hms = pérdida de carga singulares en la tubería de aspiración, m.
hfd = pérdida de carga por rozamiento en la tubería de impulsión, m.
hmd = pérdida de carga singulares en la tubería de impulsión, m.
Vd = velocidad del líquido en el punto de descarga, m/s.
g = aceleración de gravedad, m/s2.
En la ecuación la altura de velocidad se considera que se pierde en la
descarga de la tubería de impulsión. En la práctica, esta pérdida de energía se toma
como equivalente a una pérdida en la salida y se incluye como pérdida localizada.
3.4. Dimensionamiento de la tubería de impulsión.
El dimensionamiento de la tubería de impulsión está relacionado con la
pérdida de carga por rozamiento, y todas las que dependen de la velocidad de
circulación, ya que ésta varía dependiendo del tamaño del diámetro.
La velocidad debe ser lo suficientemente alta para transportar los sólidos por
la tubería de impulsión, sin embargo, las velocidades elevadas crean mayores
pérdidas por fricción, aumentando la altura manométrica total de las bombas, y
además provocando la aparición del golpe de ariete. Estos aspectos suelen entrar en
conflicto entre sí. Lo más conveniente es elegir el tamaño más económico de la
28
Tchobanoglous, G. (1998, p.302).
16
tubería que consiga velocidades de flujo adecuadas y a continuación seleccionar las
bombas.
Una vez efectuado este dimensionamiento, puede resultar necesario emplear
un diámetro mayor para reducir las pérdidas por rozamiento, o aumentar y disminuir
la velocidad en el interior del tubo.
En estaciones de bombeo de tamaño medio o pequeño en las cuales el caudal
puede ser bombeado en forma intermitente las velocidades deseables en la tubería
de impulsión varían entre 1,1 m/s y 1,5 m/s, que es la máxima velocidad
recomendada para controlar el golpe de ariete29. Los criterios relativos a las
velocidades en las tuberías de impulsión han sido desarrollados basándose en que
los sólidos no se depositan cuando la velocidad de circulación es igual o mayor que
0,6 m/s., a velocidades inferiores, o cuando paran las bombas, los sólidos se
sedimentan, por lo que es preciso conseguir una velocidad igual o superior a 1,1 m/s
para arrastrarlos de nuevo30.
La velocidad en la tubería se puede determinar por la relación31:
V = _Q_
A
Donde:
V = velocidad del fluido, m/s.
A = área interior de la sección de tubería, m2.
Q = caudal, m3/s.
Las pérdidas por rozamiento en la tubería de impulsión deben ser razonables
y se pueden calcular por medio de la fórmula de Hazen-Williams32:
29
López, R. (2002, p.127)
Tchobanoglous, G. (1998, p.424)
31
Tchobanoglous, G. (1998, p.25)
32
Tchobanoglous, G. (1998, p.28)
30
17
Q = 0,278 C D 2,63 S 0,54
Donde:
D = diámetro interior tubería, m.
C = coeficiente de rugosidad (C decrece al aumentar la rugosidad).
Q = caudal, m3/s
S = Pendiente de la línea de carga, m/m.
Despejando “S”, y reemplazándola por hf / L, se obtiene:
hf =_10,7 Q1,85__
L
C1,85 D4,87
Donde:
hf = pérdida de carga por rozamiento, m.
L = largo de la tubería, m.
El valor del coeficiente C dependerá del tipo de material, los valores de C
empleados comúnmente se muestran en el Anexo 1, “Valores del Coeficiente de
Rugosidad”.
3.5. Determinación del volumen útil del pozo. 33
El volumen útil del pozo es el comprendido entre el nivel mínimo de agua en el
pozo que corresponde al nivel de parada del bombeo (no debe ser inferior al nivel
entregado por los fabricantes de la bomba), y el nivel máximo útil que da inicio al
bombeo. La determinación del volumen útil del pozo se realiza tomando en cuenta
las restricciones referidas al tiempo máximo de retención del agua en el pozo y el
33
Según Tablas del SERVIU, Valdivia.
18
tiempo mínimo de detención de las bombas para lograr su refrigeración, se deben
evitar ciclos de bombeo demasiado cortos para no dañar los motores de las bombas.
En general volumen útil lo condiciona el tiempo mínimo de detención, que
debe ser el recomendado por el fabricante de la bomba. Generalmente este tiempo
es de 5 minutos. Para caudal máximo de ingreso el volumen útil mínimo corresponde
a:
Vútil mín. =. Qmáx. x Td
Donde:
Vútil mín. = volumen útil mínimo del pozo.
Qmáx. = caudal máximo de aguas servidas.
Td = Tiempo de detención mínimo.
El volumen útil del pozo puede ser algo mayor al que el volumen útil mínimo,
pero esto implica que para condiciones de ingreso de caudal mínimo de aguas al
pozo, podrían haber problemas de septificación por excesivo tiempo de permanencia
de las aguas en el pozo.
Por lo tanto, la otra condición es que el volumen útil del pozo debe ser tal que
no supere los 30 minutos de retención34, cuando ingresa el caudal mínimo de aguas
servidas. De ésta forma el tiempo de retención máximo es:
TR.máx. = Vútil / Qmín. < 30 minutos.
Donde:
TRmáx. = tiempo de retención máximo.
Vútil = volumen útil del pozo.
Qmín. = caudal mínimo de ingreso.
34
Tchobanoglous, G. (1998, p.435)
19
3.6. Determinación de las presiones máximas y sobrepresión por golpe de
ariete.
Seleccionado el diámetro de la tubería de impulsión y la motobomba a
emplear se debe garantizar que las presiones máximas en el sistema sean menores
a las que puede soportar dicha tubería.
Cuando están en normal funcionando los equipos de elevación la presión
máxima en la tubería se produce inmediatamente después de la bomba y es igual a
la carga producida por la columna de agua existente en el pozo en el instante en que
se inicia el bombeo, más la energía suministrada por la bomba, es decir:
Pmáx = hinicio + Ebomba
Donde:
Pmáx = Presión máxima en el interior de la tubería.
hinicio = Presión aportada por la columna de fluido en el interior del pozo,
medida desde el eje del rodete de la bomba, hasta el nivel más alto de agua
en el pozo, que da inicio al bombeo.
Ebomba = Energía suministrada por la bomba al sistema, depende del modelo
de bomba que utilizaremos.
Un fenómeno que provoca grandes presiones es el llamado golpe de ariete,
término usado para describir un aumento momentáneo de presión de corta duración
al interior de las tuberías, éste fenómeno se genera por variaciones rápidas de
velocidad en la tubería de impulsión, dichas variaciones tienen origen en los
arranques de las bombas, en las paradas o fallos de suministro de energía y puede
20
generar cambios significativos de presión, éstas dos últimas son las condiciones más
severas de golpe de ariete.35
Al detenerse la bomba se activan automáticamente las válvulas de retención,
es decir, estamos en el caso de un cierre instantáneo.
La magnitud de la presión debida al golpe de ariete para un cambio
instantáneo de velocidad puede obtenerse por la siguiente expresión36:
hw = (a V) / g
Donde:
hw = Incremento de presión originada por el golpe de ariete, m.
a = Celeridad de la onda de presión, m/s.
V = Velocidad del fluido en la tubería, m/s.
g = Aceleración de gravedad, 9,8 m/s.
La celeridad de la onda de presión se puede calcular por la ecuación 37:
a=
1440_________
(1 + C1 ( Kd / Ee ))1/2
Donde:
C1 = Coef. según tipo de instalación, 1 – μ 2 para tuberías enterradas.
μ = Módulo de Poisson.
K = Módulo de masa del agua, estimado en 2070 MN/m 2.
d = Diámetro de la tubería.
E = Módulo de elasticidad de la tubería, MN/m2.
e = espesor de la pared de la tubería.
35
Tchobanoglous, G. (1998, p.432)
Tchobanoglous, G. (1998, p.435)
37
Tchobanoglous, G. (1998, p.434)
36
21
Luego de vaciar el volumen útil del pozo se detiene la bomba y se genera la
sobrepresión por golpe de ariete, en este momento la presión en la tubería se
acrecienta en una magnitud que podemos determinar por medio de las ecuaciones
anteriores (hw=Av/g), así la presión máxima en la tubería al momento de detenerse la
bomba es:
Pmáx (hw) = Pmáx + hw
Donde:
Pmáx (hw) = Presión máxima en la tubería, aumentada por efecto del
golpe de ariete.
Pmáx = Presión máxima en el interior de la tubería, en condiciones de
normal funcionamiento.
hw = Incremento de presión originada por el golpe de ariete.
También cuando se produce la obstrucción total de la tubería de impulsión se
pueden incrementar enormemente la presión, y el valor que adquiere es el que se
obtiene de la curva de operación para caudal cero (característica del modelo de
bomba).
Hay que recalcar que como requisito la tubería debe ser capaz de soportar 1,5
veces la presión máxima que se puede desarrollar en ella.
22
CAPITULO IV:
DESARROLLO DE LA INGENIERIA DE DETALLES PARA UNA
PLANTA DE Q=11,5 L/s y H=6,0 m. CON BOMBAS SUMERGIBLES.
4.1 ESTRUCTURA GENERAL DE LA PLANTA Y CONDICIONES DEL DISEÑO.
A continuación se presenta la aplicación de los criterios anteriores a un caso
específico, indicándose en cada caso la metodología y antecedentes utilizados.
4.1.1 Estructura general de la Planta.
La estructura de la Planta será de hormigón armado, para todas las cámaras
que la componen, este material posee las características requeridas de resistencia,
soportar la corrosión, durabilidad, estanqueidad y capacidad de ser moldeado a
necesidad de la forma de la estructura, entre otras. (Ver Fig. Nº 4.1 y Nº 4.2)
Se pretende que la Planta Tipo posea cámaras de sección cuadradas o
rectangulares, y sean adyacentes, es decir sea una Planta compacta, omitiendo la
posibilidad que utilice cámaras circulares independientes unidas por tuberías, que es
la opción a la que se ha recurrido en las Obras ejecutadas en Valdivia para Plantas
de capacidades parecidas a la Planta Tipo.
Las ventajas y razones que han llevado a la conclusión de utilizar este tipo de
estructura son:
a) Se necesita de un terreno más pequeño para emplazarla.
b) Para una P.E.A.S. compacta se reduce el riesgo de asentamientos
diferenciales,
c) El volumen total de excavación es menor, ya que la superficie que cubre la
Planta es menor.
d) Al ser una Planta compacta el volumen total de hormigón a utilizar es menor y
con ello también disminuye en un porcentaje la cantidad de enfierraduras.
23
e) Se observó en terreno que las Plantas de cámaras circulares presentan
problemas en el atravieso de muros para la red de tuberías interiores, para
realizar esta labor se utilizan piezas especiales llamadas pasamuros, las
cuales poseen una longitud normalmente de 50 cm., por la curvatura de las
cámaras ésta pieza queda estrechamente instalada, quedando las bridas casi
inmersas en el estuco, lo cual dificulta el ajuste de los pernos de la unión brida
que poseen.
f) Las cámaras circulares poseen una menor superficie interior que una cámara
cuadrada con un lado igual al diámetro de las primeras, sumado a esto la
curvatura de los muros obliga a emplazar las bombas más al centro de la
cámara, así el espacio interior queda notablemente reducido. Algo similar
sucede con la cámara de válvulas y es por ello que en algunas obras se han
proyectado cámaras cuadradas para este compartimiento o se ha cambiado
las cámaras circulares proyectadas por cámaras cuadradas que brindan
mayor comodidad.
g) A criterio de los profesionales consultados que se dedican a la construcción de
este tipo de obras la confección de moldajes es una partida que es más
compleja para las P.E.A.S. de cámaras circulares, a diferencia de las
cuadradas que poseen muros planos que es lo convencional. También es más
compleja la confección e instalación de las enfierraduras para los muros y
losas curvos.
4.1.2 Profundidad del Colector.
La entrada a la Planta de la tubería correspondiente al colector interceptor se
realiza a través de la cámara de rejas, se asumirá a una profundidad de 3 metros
medidos desde la losa de la cámara de rejas (nivel 0,00 metros) hasta el radier de
entrada, o sea la base del tubo (Ver Fig. Nº 4.1, p.24). Se ha optado por utilizar esta
24
profundidad ya que en las P.E.A.S. construidas en Valdivia la profundidad promedio
de ingreso de los colectores a estos elementos bordea el valor mencionado.
Figura Nº 4.1. Esquema de ingreso Colector Interceptor a la P.E.A.S.
4.1.3 Profundidad de la Tubería de Impulsión.
Por su parte, la tubería de impulsión va enterrada a una profundidad de 1,1
metros medidos desde el nivel de terreno natural hasta la clave del tubo, con la cual
se garantiza la protección de la tubería frente a eventuales cargas sobre el terreno 38.
En el caso de la Planta tipo a diseñar, esta tubería tiene una longitud de 200 metros y
descargará en una cámara de inspección.
La tubería de Impulsión será de Polietileno de Alta Densidad (PEAD), que es
el material más utilizado últimamente, por presentar buenas características en cuanto
a resistencia, flexibilidad, resistencia química, vida útil, resistencia a la abrasión, bajo
peso e instalación. Para la unión de los tubos se elige el sistema que presenta mayor
confiabilidad y resistencia, que es el de termofusión por soldadura a tope.
38
LOPEZ, R., (2002 p.127)
25
4.1.4 Esquema general de la red interior de la P.E.A.S.
En la red interior es necesario usar un material rígido, ya que en este caso las
tuberías no van enterradas. Por ser éste un sistema a presión, las uniones entre
piezas especiales serán del tipo brida, con ellas se aportar rigidez, y en caso de ser
necesario cambiar alguna, permite desmontar e instalar la pieza nueva en forma
cómoda, rápida y segura.
La red interior de tuberías y piezas especiales contará con los elementos
necesarios para realizar los cambios de dirección y adaptación, cada bomba llevará
una descarga compuesta por un codo patín, una ampliación, tubos de varios largos,
un codo de 90º, una válvula de retención, una junta desmontable autobloqueante y
una válvula de corte, para luego unirse al múltiple de descarga y salir de la
estructura. Dichos elementos serán de fierro fundido y hierro dúctil, éstos materiales
reúnen las mejores características, por su vida útil, variedad de presiones, resisten la
corrosión y pueden soportar la abrasión que se producirá por la presencia de arenas,
además de su disponibilidad en el mercado y costo. Su disposición es como se
muestra en las siguientes figuras:
Figura Nº 4.2. Esquema en Planta de la P.E.A.S.
26
Figura Nº 4.3. Esquema en Elevación de la P.E.A.S.
4.2 DISEÑO DE INGENIERIA BASICA.
4.2.1 Caudales.
Se requiere conocer los distintos caudales que tipifican la acción de proyectar;
dichos caudales son el caudal máximo, caudal medio y el caudal mínimo de aguas
servidas. Los valores considerados son39:
a) Caudal Medio de Aguas Servidas: Qmd.A.S.= 3,16 L/s.
b) Caudal Máximo de Aguas Servidas: Qmáx.A.S.= 11,5 L/s.
c) Caudal Mínimo de Aguas Servidas: Qmín.A.S.= 1,90 L/s.
4.2.2 Cotas y niveles preliminares de la P.E.A.S.
Las cotas que podemos definir en primera instancia son las de la Cámara de
Rejas y Cámara Desarenadora, ya que en ésta etapa todavía no se han
seleccionado los equipos de elevación, ni se ha determinado el volumen del pozo.
Las dimensiones interiores de las Cámara de Rejas y Desarenadora serán de 2
39
Calculados para condiciones propuestas en Anexo Nº2.
27
metros de ancho por 2 metros de largo, en su interior las cámaras llevarán un estuco
de aproximadamente 2 centímetros.
La cota de entrada a la Planta Elevadora es la que posee el colector
interceptor y corresponde a -3,0 metros en su radier de entrada (Ver figura N°4.4,
pág. 28)
Luego, en su interior, las aguas servidas avanzan a través del canal de la
Cámara de Rejas, éste canal posee una sección en forma de “U” y una pendiente de
2%40, la cual asegura el arrastre de las arenas que ingresan a la red de
alcantarillado.
La Cámara Desarenadora posee entonces una cota de ingreso de -3,04
metros y su salida e ingreso al Pozo de Bombas se ubica dos centímetros más bajo,
de este modo cuando no ingresa agua a la P.E.A.S. se mantiene el radier de la
Cámara de Rejas libre de agua y se contiene en los sectores diseñados para ello, así
el ingreso del agua al pozo es a través de un radier de cota -3,06 metros.
Otra característica de éste compartimiento es que posee un volumen de
acumulación para las arenas y otros sólidos que están presentes en las aguas
servidas y que se capturan aquí para proteger los equipos de bombeo. Dicho
volumen se mantiene en un valor casi similar en todos los proyectos consultados,
depende de la cantidad de arena que arrastren las aguas servidas, la cual varía
dependiendo de factores como la estación del año, la zona a la cual sirve y la
antigüedad de los colectores, por ejemplo. De esta forma, más que determinar un
volumen apropiado que pueda satisfacer todas las condiciones es adecuado
programar los períodos de limpieza de acuerdo, principalmente, a las estaciones del
año, siendo así, en estaciones lluviosas se realizará esta labor con mayor frecuencia
debido a la infiltración de caudales de aguas lluvia al sistema.
40
Calculada según Anexo N°3.
28
De acuerdo a la experiencia de AGUASDECIMA en Valdivia el volumen que
utilizaremos será de 1,5 m3 y sus sedimentos deberán ser retirados cada 3 meses
como mínimo.
En el interior del Pozo de Bombas los niveles de partida y parada de la bomba
dependerán del tamaño del volumen útil necesario, por lo que aún no los podemos
definir, por otra parte la cota a la cual debemos llegar con la tubería de impulsión es
una cámara de inspección con cota de radier de entrada igual a +1,63 metros. Las
cotas mencionadas anteriormente se grafican en la siguiente figura:
Figura N°4.4. Elevación y Cotas de la P.E.A.S.
4.2.3 Selección del diámetro de la Tubería de Impulsión.
La selección del diámetro debe ser conforme a la velocidad que se genere en
el interior de la tubería y el valor de la pérdida por rozamiento. Los datos que
debemos tener para comenzar el dimensionamiento son: el caudal máximo de aguas
servidas, el largo de la tubería y el material. De acuerdo al material se obtienen el
coeficiente de rugosidad y los diámetros comerciales disponibles.
29
Los valores de los datos necesarios para comenzar con los cálculos relativos
al dimensionamiento de la tubería de impulsión, de acuerdo a las condiciones del
diseño, son:
1) El caudal máximo de aguas servidas (Qmáx.A.S.) es de 0,0115 m3/s,
aplicando un resguardo de un 10%41 el caudal de diseño (Qdiseño) es igual
a 0,0127 m3/s.
2) Largo de la tubería (L) = 200 m.
3) Material a de las tuberías = PEAD.
4) Coeficiente de Rugosidad (C) = 150.
5) Presión Nominal, PN = 20 kg./cm2.
De un análisis preliminar se desprende que la máxima presión en la tubería de
impulsión no sobrepasará la presión nominal de una tubería PN 20 kg/cm2.
Para determinar cuál diámetro de tubería cumple con las condiciones de
velocidad se recomienda hacer una tabla con un rango de diámetros adecuados,
como la siguiente:
Tabla Nº 4.1. Dimensionamiento tubería de impulsión.
DN mm. Q m3/s.
110
125
140
160
180
200
0,0127
0,0127
0,0127
0,0127
0,0127
0,0127
L m.
e mm.
D mm.
V m/s.
12,3
14
15,7
17,9
20,1
22,4
85,4
97
108,6
124,2
139,8
155,2
2,21
1,71
1,37
1,04
0,82
0,67
200
200
200
200
200
200
Con:
V = _Q_
A
41
y
hf =_10,7 Q1,85_L
C1,85 D4,87
De acuerdo al punto 3.2. Caudal de Diseño de la P.E.A.S., Cáp. III.
hf
9,938
5,345
3,083
1,604
0,901
0,542
30
Donde:
Q = caudal de diseño, 0,0127 m3/s.
A = área interior de la sección de tubería.
L = longitud de la tubería de Impulsión, 200 metros.
DN = diámetro nominal de la tubería.
D = diámetro interior de la tubería.
C = Coeficiente de Rugosidad de la tubería, 150 para PEAD.
V = velocidad del fluido en el interior de la tubería.
e = espesor de la pared de la tubería.
hf = pérdida total por rozamiento en la tubería, para el largo utilizado.
La selección del diámetro es de acuerdo a la velocidad mínima para asegurar
el arrastre de los sedimentos y máxima para controlar el golpe de ariete. La velocidad
mínima para arrastre de las arenas es 1,1 m/s. La velocidad máxima en la tubería es
de 1,5 m/s, para evitar que sea demasiado grande la sobrepresión por golpe de
ariete.
Entonces, de la Tabla N°4.1 (p.29), el diámetro que cumple con estas
condiciones es el de 160 milímetros, cuya velocidad en el interior se estima
inicialmente en 1,04 m/s, pero como veremos en el análisis posterior a la selección
de la bomba si supera la velocidad mínima.
4.2.4 Dimensionamiento del Pozo de Bombeo.42
Considerando que el volumen útil del pozo con el caudal máximo de ingreso
debe asegurar un tiempo de detención de la bomba de 5 minutos, el cual
corresponde al tiempo de llenado del volumen útil (Volumen comprendido entre los
niveles de inicio y parada del bombeo), entonces, ya que el caudal máximo de
42
Según Tablas SERVIU, Valdivia.
31
ingreso de aguas servidas es de 11,5 L/s, el volumen útil del pozo debe ser de al
menos 3,45 m3 ( Vútil mín. = Qmáx. x Td).
Ahora, este volumen debe comprobarse también para el caso del caudal
mínimo, en el cual el tiempo entre partidas de la bomba no debe superar los 30
minutos, para evitar la septificación.
Con el volumen anterior y el caudal mínimo, que es de 1,90 L/s, se tiene que
el tiempo de retención máximo (TR.máx. = Vútil / Qmín.) en el pozo será de 30,26
minutos, muy cercano a los 30 minutos que se establece como máximo, por lo tanto
se mantiene dicho volumen.
De acuerdo a las condiciones de diseño el pozo tendrá una sección
rectangular interior de 2,0 x 2,2 m. para la obra gruesa y se utilizará un estuco interior
de 2 cm. de espesor en los muros, entonces la sección real interior libre del pozo es
de 1,96 x 2,16 metros. Así la diferencia de altura entre los niveles de inicio y parada
será de 81,5 cm., que aproximaremos a 81 cm.
Para dar solución al problema que se presenta en el caso fortuito en que el
sistema de elevación se vea sobrepasado por el caudal que ingresa a la Planta, se
utiliza un sistema de rebalse, que tiene la función de evacuar el exceso de agua que
ingresa a la instalación. Este sistema consiste en un colector que sale desde el Pozo
de Bombas con una cota superior a la que da inicio al bombeo e inferior a la cota de
entrada al pozo desde el desarenador, descarga en una zona específica evitando
que las aguas alcancen niveles tales que puedan ingresar y contaminar las
viviendas.
El volumen que comprende entre el nivel de inicio del bombeo y el nivel de
rebalse corresponde a un volumen de resguardo antes que el agua alcance el nivel
de rebalse y salga del pozo de bombeo por el Colector. De acuerdo a proyectos
revisados se utilizará un 50% del volumen útil, por lo tanto, el nivel de rebalse se
ubicará aproximadamente a 40 cm. sobre el nivel de inicio del bombeo.
32
Se mantendrá una diferencia de altura de 10 cm. entre el nivel de entrada del
agua al pozo y el nivel de rebalse.
Fig. Nº 4.5. Pozo de Bombas.
4.2.5 Selección de la Bomba.
Con el caudal de diseño y la altura manométrica máxima del sistema, que se
debe vencer, se selecciona la bomba.
Como ya tenemos el valor del caudal de diseño que es de 0,0127 m3/s, nos
queda calcular la altura manométrica total, la que se obtiene como se indica en el
Capítulo III. El detalle de las alturas que forman la altura manométrica total (Ht)
utilizando un diámetro de 160 mm. son:
1) Altura Geométrica Total (Hgeom):
Se debe determinar la altura geométrica máxima total del sistema la cual
ocurre cuando el agua alcanza su nivel más bajo en el Pozo, dicha altura
33
corresponde a la diferencia de cotas entre nivel más bajo, que corresponde al nivel
de parada del bombeo y el nivel a la descarga de la tubería de impulsión. Según las
condiciones del diseño la altura geométrica máxima (Hgeom. máx.) es de 6,0 metros.
Figura Nº 4.6. Niveles y alturas para diseño de la P.E.A.S.
2) Pérdida por Rozamiento (hf):
Como en este caso no existe tubería de aspiración, por utilizar bombas
sumergibles, se debe determinar la pérdida por rozamiento en la zona de descarga
de la bomba que se ubica dentro de la Planta y en la tubería de impulsión.
Para la tubería de impulsión el diámetro seleccionado es de 160 mm., de la
Tabla Nº 4.1 (p.29), para dicho diámetro, la pérdida de carga es de 1,604 m.c.a.
Además de la tubería de impulsión que es de polietileno de alta densidad
(PEAD), existe un pequeño tramo de la red interior, el cual será de Fierro fundido.
(Ver Fig. N°4.2, p.25 y Fig. N°4.3, p.26).
También se debe agregar la pérdida por rozamiento que se genera en este
tramo, que corresponde a 0,122 m., obtenida a través de la fórmula de HazenWilliams, utilizando piezas de fierro fundido con un diámetro nominal de 125 mm.,
cuyo diámetro interior corresponde al mismo valor y se asemeja al diámetro interior
34
de la tubería de PEAD PN-20 de 160 mm., la que posee un diámetro interior de 124,2
mm.
Recordando la fórmula de Hazen-Williams, la pérdida por rozamiento en el
tramo de fierro fundido de 0,122 m. de la red interior de le Planta la obtenemos con:
hf =_10,7 Q1,85_ L
C1,85 D4,87
Donde:
1) Caudal de diseño (Q) = 0,0127 m3/s.
2) Largo de la tubería (L) = 7,4 m.
3) Coeficiente de Rugosidad (C) = 100.
4) Diámetro Interior (D) = 125 mm.
5) hf. = Pérdida de carga por rozamiento.
El total de las pérdidas por rozamiento sumando la que se produce en la
tubería de PEAD y la del tramo de Fierro Fundido es de 1,726 metros.
3) Altura de Velocidad (hv):
La altura de velocidad que se obtiene es de 0,056 m. (hv=V2/2g), éste valor se
logra por la velocidad que se indica en la Tabla N ° 4.1 (p.29) para el diámetro de 160
mm., cuyo valor corresponde a 1,04 m/s y a una aceleración de gravedad de 9,8
m/s2.
4) Pérdidas Singulares (hm):
Ya que no hay tubería de aspiración, al igual que en la pérdidas por
rozamiento se analizan las pérdidas singulares ubicadas posteriores a bomba, de
acuerdo a la información suministrada por los proveedores de los modelos de
35
bombas consultados en el ΔH mostrado en la curva de la bomba están descontadas
las pérdidas de entrada.
Las piezas especiales presentes en la red se pueden observar en las Fig. N°
4.2 (p.25) y Fig. N°4.3 (p.26), el detalle de las pérdidas debido a singularidades
generado por cada pieza especial presente en la tubería de descarga se muestra en
la siguiente tabla:
Tabla Nº 4.2. Detalle de Pérdidas Singulares.43
Pieza
ampliación
codo 90º
vál-ret.
vál-corte.
reducción
descarga
Material Q (m3/s) D (mm)
Fe. Fdo. 0,0127
125
Fe. Fdo. 0,0127
125
Fe. Fdo. 0,0127
125
Fe. Fdo. 0,0127
125
PEAD
0,0127 160x140
Fe. Fdo. 0,0127
125
K
0,14
0,3
2,5
0,14
0,04
0,83
V (m/s) Cantidad
1,03
2
1,03
6
1,03
1
1,03
1
1,03
1
1,03
1
hm (m)
0,015
0,097
0,135
0,008
0,002
0,045
Se ha considerado que en la descarga se utilizará una pieza de fierro fundido
para empalmar la tubería de impulsión con la cámara de Inspección.
Con:
V = _Q_
A
y
hm = K V2
2g
Donde:
Q = caudal de diseño.
D = diámetro interior de la tubería.
A = área interior de la sección de tubería.
K
= coeficiente de pérdida de carga.
V = velocidad en el interior de la tubería.
43
Valores de K obtenidos de Anexo Nº5.
36
g = aceleración de gravedad.
hm = Pérdida de carga singulares.
La suma de las pérdidas debido a las singularidades nos arroja hm = 0,302 m.
Sumando los resultados de los detalles de la altura manométrica total se
obtiene como resultado Ht = 8,084 m., es con este valor que se debe elegir en
primera instancia el modelo de bomba que se necesita.
Se han elegido bombas sumergidas marca FLYGT modelo CP por el sistema
de instalación que poseen, el cual permite su fácil extracción del pozo para realizar
labores de mantención, la disponibilidad de modelos variados que satisfacen los
puntos de operación que requiere el sistema, la disponibilidad de servicio técnico en
gran parte del país, y la experiencia de AGUASDECIMA con estos modelos en
particular.
Con el caudal y la altura manométrica total se ha seleccionado la bomba
marca FLYGT modelo CP 3102,181 MT de 400V, de 50Hz y de 1435rpm. (Curva Nº
435) que satisface la altura requerida de 8,084 metros para el caudal de diseño de
12,7 L/s y además es apta para trabajar con aguas servidas.
La curva caudal v/s altura de ésta bomba se puede observar en la Figura
N°4.7 (p.37).
Ahora debemos determinar el punto de operación de la bomba para las
condiciones propuestas, esto se realiza graficando la Curva de la bomba y la Curva
correspondiente al sistema, la intersección de ambas será el punto de operación de
la bomba cuando Ht es máxima.
37
Fig. N°4.7. Punto de operación para la bomba FLYGT CP 3102,181 MT – curva 435,
para Hg máxima con un diámetro de Impulsión de 160 mm.
Fuente: FLYGT CHILE, (2005) y elaboración propia.
Luego para el punto de operación se debe obtener el caudal que eleva la
bomba y ratificar que la velocidad en la tubería para dicho caudal sea menor a la
máxima recomendada. Si la velocidad es superior se debe cambiar el diámetro por
otro mayor para disminuir su valor.
De la Figura Nº 4.7 se obtiene un caudal de operación de 0,0144 m3/s, y con él
una velocidad de 1,189 m/s (V=Q/A) para la tubería de 160 mm., la cual es suficiente
para arrastrar los sólidos que se depositan en la tubería, e inferior a la máxima
recomendada para controlar el golpe de ariete.
Hay que considerar que cuando se inicie el bombeo el nivel de agua dentro
del pozo es máximo y por lo tanto, la altura geométrica de elevación es mínima, así
entonces, se produce un aumento del caudal bombeado, para el cual se debe
ratificar que la velocidad sea también inferior a la máxima recomendada. Como la
38
altura máxima en el Pozo llega a 0,81 metros sobre el nivel de parada, la altura
geométrica mínima del sistema (Hg.mín.) es 5,19 m.
Fig. 4.8. Curvas de operación para la bomba FLYGT CP 3102,181 MT – curva 435,
para Hg mínima, con un diámetro de Impulsión de 160 mm.
Fuente: FLYGT CHILE, (2005) y elaboración propia.
La intersección de la curva del sistema para Ht.mín. y la curva de la bomba (Fig.
4.8.) nos arroja un caudal de operación de 0,0159 m3/s, y con ello una velocidad de
1,312 m/s en la tubería, la cual es menor a la máxima recomendada, lo que nos
indica que este diámetro es el adecuado para la Impulsión.
4.2.6 Presiones en la Tubería de Impulsión.
Una vez elegida la bomba, determinada la altura manométrica máxima y los
niveles de inicio del bombeo se debe ratificar que la presión de trabajo para la tubería
de impulsión sea la correcta.
39
La presión de trabajo máxima en la tubería, utilizando un diámetro de 160mm
para el tramo de PEAD y 125mm para el tramo de fierro fundido, se produce
posteriormente a la bomba, en la tubería de descarga (tramo de fierro fundido), y es
de 13,21 m.c.a., lo que equivale a 1,321 Kg/cm2, con:
Pmáx = hinicio + Ebomba
Donde:
Pmáx = Presión máxima en el interior de la tubería.
hinicio = 0,81 m.c.a., que corresponde a la columna de agua en el interior del
pozo al momento de comenzar el bombeo.
Ebomba = 12,4 m.c.a., energía suministrada por la bomba, obtenida de la curva
de operación de la Bomba Fig. N°4.7, p.37, cuando la altura geométrica es
máxima.
Ahora debemos analizar la sobrepresión generada por el golpe de ariete, dado
que tenemos dos tramos de tuberías con distinta materialidad analizaremos su efecto
para ambos casos. Primero para el tramo de tubería de PEAD la sobrepresión
generada por el golpe de ariete posee un valor de 65,381 m.c.a., que equivale
aproximadamente a 6,538 kg/cm2, obtenida con la siguiente ecuación44:
hw (máx.) = (a V) / g
Donde:
hw (máx.) = Presión máxima originada por el golpe de ariete, m.
a = Celeridad de la onda de presión, m/s.
44
Tchobanoglous, G. (1998, p.435)
40
V = Velocidad del fluido en la tubería, 1,312 m/s (ver p.38).
g = Aceleración de gravedad, 9,8 m/s.
La celeridad de la onda de presión es de 488,364 m/s, calculada con45:
a=
1440_________
(1 + C1 ( Kd / Ee ))1/2
Donde los parámetros y sus valores para la tubería de polietileno de alta
densidad de 160 milímetros de diámetro son:
C1 = Coef. según tipo de instalación, 1 – μ 2 para tuberías con
movimiento axial impedido, ejemplo tuberías enterradas.
μ = Módulo de Poisson, 0,5 para Polietileno de alta densidad (PEAD).
K = Módulo de masa del agua, estimado en 2070 MN/m 2.
d = Diámetro de la tubería, 124,2 milímetros.
E = Módulo de elasticidad de la tubería, 1400 MN/m 2.
e = espesor de la pared de la tubería, 17,9 milímetros.
Sumando la presión máxima en la tubería y la sobrepresión generada por el
golpe de ariete (Pmáx.total = Pmáx. + hw), obtenemos una presión máxima total en la
tubería de impulsión igual a 78,591 m.c.a, lo que equivale aproximadamente a 7,859
kg/cm2, con lo cual se confirma que la tubería de PEAD de PN 20 kg/cm2 elegida en
forma inicial es la correcta.
Ahora, analizando el tramo de tubería de fierro fundido de 125mm. de
diámetro en el interior de Planta obtenemos una sobrepresión por golpe de ariete de
45
Tchobanoglous, G. (1998, p.434)
41
170,923 m.c.a lo que corresponde aproximadamente a 17,092 kg/cm2, obtenida con
la fórmula de hw (máx) (pág.40) con:
a = Celeridad de la onda de presión de 1292,826, m/s.
V = Velocidad del fluido en la tubería igual a 1,295 m/s, obtenida con el caudal
de 0,0159 m3/s y diámetro interior de la tubería de Fierro Fundido de 125mm
(V=Q/A).
g = Aceleración de gravedad, 9,8 m/s.
La celerida de la onda “a” de 1292,826 m/s fue obtenida con los siguientes datos:
C1 = 0,91 con (1 – μ 2).
μ = Módulo de Poisson, 0,3 para fierro fundido.
K = Módulo de masa del agua, estimado en 2070 MN/m 2.
d = Diámetro de la tubería, 125 milímetros.
E = Módulo de elasticidad de la tubería de fe. Fdo., 103000 MN/m2.
e = espesor pared de la tubería, 9,5 milímetros.
Entonces, la presión máxima total incluida la sobrepresión generada por golpe
de ariete (Pmáx.total = Pmáx. + hw), en la tubería de fierro fundido de 125mm. es de
18,413 kg/cm2, así también se confirma que la tubería de PN 20 Kg/cm2 es la
adecuada.
Finalmente, analizando el sistema para caudal igual a cero L/s, como en el
caso de producirse una obstrucción total del flujo de agua en la entrada de la cámara
en la que descarga la tubería de impulsión, la presión generada por la bomba
seleccionada modelo CP 3102,181 MT curva Nº 435 es 12,43 metros46, equivalente a
46
De acuerdo nivel máximo del Pozo y planos del modelo de bomba CP 3102.181 MT, Anexo Nº5.
42
1,243 kg/cm2 (Ver Fig. N°4.7, p.37), lo que nos confirma que de ésta forma tampoco
tenemos inconvenientes con la tubería de PN 10 Kg./cm2.
En resumen la tubería de Impulsión es de PEAD PE100 de 140 milímetros de
diámetro y PN 16 Kg/cm2, la bomba que utilizará la Planta Tipo es el modelo CP
3102,181MT de 400V, 50Hz y 1435 rpm., de la curva Nº 435 con caudales de
operación máximos y mínimos de 15,9 L/s y 14,4 L/s, respectivamente (Ver p.38 y
p.39), el Pozo tendrá un volumen útil de 3,45 m3 con una diferencia entre niveles de
partida y parada máximo de 81 centímetros, pudiendo variar la sección en un
pequeño rango sin provocar una diferencia mayor entre niveles que la ya
mencionada.
4.3 INGENIERIA DE DETALLE.
La Planta está compuesta por una única estructura de hormigón armado que
se divide en 4 compartimientos, en sentido del flujo de agua el orden que poseen es
el siguiente: primero la Cámara de Rejas, luego la Cámara Desarenadora, a
continuación el Pozo de Bombeo y por último la Cámara de Válvulas. Toda la
estructura queda bajo tierra hasta el nivel de la losa superior, quedando expuesta
sólo esta última y las tapas.
Las Cámaras de Reja y Desarenadora serán de sección cuadrada de 2 metros
libres en su interior, para la obra gruesa. El Pozo de Bombeo y la Cámara de
Válvulas tendrán una sección rectangular de ancho interior 2m. y largo 2,2 m., ya que
poseen más elementos en su interior. Todos los compartimientos llevarán un estuco
interior de 2 centímetros de espesor con un mortero de 510 Kg. de cem./m3 que va
en toda la superficie de los muros.
Las enfierraduras de la Planta dependen de las cargas que soportarán los
elementos estructurales, las cuales son características del suelo y con ello de la
43
ubicación de la Planta. Para el diseño de losa superior y las vigas presentes a ese
nivel se consideró que las cargas que actuarán en estos elementos son el peso
propio y una sobrecarga que supone sólo el tránsito de personas (ver Anexo N°7,
M.1. Memoria de cálculo de losas de la P.E.A.S. p.124, y M.2. Memoria de cálculo de
viga bajo losa de P.E.A.S. p.129). En el diseño de los muros,y vigas interiores unidas
a los muros se consideró el efecto del empuje de tierra, el empuje producido por la
presencia de la napa de agua (con una profundidad de 50cm.), el empuje producto
de una sobrecarga en el nivel de terreno natural y la presión sísmica, de acuerdo a la
Nch.433 of 1996 (ver Anexo N°7, M.3. Memoria de cálculo de muros de P.E.A.S.
sometidos a empuje de tierra. p.134 y M.4. Memoria de cálculo de vigas interiores
unidas a muros de la P.E.A.S. p.139). En cuanto a la losa de fundación se utilizó para
su diseño el efecto del peso propio de la estructura, el actuar de las cargas debido a
los equipos de P.E.A.S. y el efecto de la sobrecarga por el tránsito de personas en
los niveles superiores (ver Anexo N°7, M.5. Memoria de cálculo losa de fundación de
la P.E.A.S. p.145). También se analizó la posibilidad de que la estructura flote, al
existir una napa freática a una profundidad de 50cm., considerando los pesos del
volumen de agua desplazado y la suma de los pesos de los elementos que
componen la P.E.A.S., más el peso del volumen de tierra que se ubica en los
sobreanchos de la losa de fundación (ver Anexo N°7, M.6. Memoria de cálculo
verificación de la flotabilidad, p.151).
Para complementar esta sección se puede revisar el Anexo Nº 6 y Anexos
N°7, Memorias de cálculo de la estructura de la P.E.A.S. donde se muestran las
consideraciones necesarias para obtener los valores de las cuantías de fierro de
acuerdo a las condiciones de diseño asumidas para la Planta Tipo.
La composición general de la Planta Elevadora Tipo se muestra a
continuación en los detalle de Planta (Detalle Nº 4.1 y 4.2) y Elevación (Detalles Nº
4.3 y 4.4), con cotas de acuerdo a la obra terminada, es decir, incluido el estuco
44
interior de 2 centímetros. Las elevaciones se mostrarán con mayor refinamiento en
los títulos dedicados a cada cámara de la Planta.
La Numeración de las piezas especiales que se utilizan en P.E.A.S. para los
Detalles que se mostrarán en este documento será la siguiente:
1. Válvula de Compuerta Mural con husillo manual modelo Cfvm-004-d, de
acero inoxidable marca ESTRUAGUA.
2. Motobomba Sumergible Marca FLYGT, Modelo CP 3102,181 MT.
3. Codo Patín Brida DN=100 mm. (Suministrado por el proveedor de la Bomba).
4. Reducción Fe. Fdo. Brida-Brida DN=125x100 mm.
5. Tubo Fe. Fdo. Brida-Brida DN=125 mm. L=100 cm.
6. Tubo Fe. Fdo. Brida-Brida DN=125 mm. L=90 cm.
7. Codo Fe. Fdo. Brida-Brida DN=125 mm. L=100 cm.
8. Tubo Pasamuro Fe. Fdo. Brida-Brida DN=125 mm. L=50 cm.
9. Válvula de Retención Tipo Bola de Hierro Dúctil DN=125 mm.
10. Tubo Fe. Fdo. Brida-Gibault DN=100 mm. L=60 cm.
11. Tubo Fe. Fdo. Brida-Brida DN=100 mm. L=40 cm.
12. Unión Desmontable Autobloqueante de Hierro Dúctil DN=125 mm.
13. Unión Desmontable Autobloqueante de Hierro Dúctil DN=100 mm.
14. Válvula de Compuerta Elastomérica de Hierro Dúctil DN=125 mm.
15. Válvula de Compuerta Elastomérica de Hierro Dúctil DN=100 mm.
16. Múltiple de Descarga Fe. Fdo. DN=125 mm.
17. Tubo Pasamuro Fe. Fdo. Brida-Brida DN=125 mm. L=60 cm.
18. Brida Tapón de Fierro Fundido DN=125 mm.
19. Stub-end con flange de Respaldo de PEAD DN=140x125 mm.
20. Reducción de PEAD DN= 140x160mm.
45
46
47
48
49
4.3.1. Cámara de rejas.
Para complementar los detalles de la estructura de hormigón armado
mencionada anteriormente se pueden señalar otros componentes no estructurales de
la Cámara de Rejas como la bancada, ésta forma un canal que conduce el agua
residual hacia la reja. Visto en un corte transversal, el canal posee un ancho de 40
centímetros y la forma de una “U”, luego se eleva hacia los muros con una pendiente
de 20% hasta llegar a ellos, la pendiente del canal en sentido del flujo de agua es de
2 %, la cual permite el arrastre de los sólidos.
50
La bancada es más alta en un costado del canal en comparación con el otro,
esto se debe a que la reja que se instala aquí está compuesta a su vez por dos tipos
de rejas, una inclinada que se ubica dentro del canal (Detalle Nº 4.14) y otra vertical
que se ubica en el costado de menor altura (Detalle Nº 4.15). Observando la bancada
hacia el sentido del escurrimiento de las aguas, es la mitad a la derecha la que posee
una altura mayor y por la izquierda entonces se ubica la reja lateral. El hormigón que
se requiere para la elaboración de la bancada es de grado H-15.
La utilización de la Reja Lateral permite que el sistema siga funcionando frente
a la posibilidad de obturarse el paso a través de la reja principal, y así se evita la
acumulación de agua dentro de la cámara.
51
En la entrada a la Planta, es decir, en la pared de ingreso de la Cámara de
Rejas se sitúa una válvula de compuerta mural (1), la que evita el ingreso del agua
residual a la Planta Elevadora cuando así se desea. La válvula es la Compuerta de
Fondo con Husillo Manual modelo Cfvm-004-d, de acero inoxidable marca
ESTRUAGUA, es plana y debe ser colocada sobre una superficie igual, va anclada al
muro de la cámara por medio de pernos de expansión de diámetro 3/8” y empotrada
en su parte inferior a la bancada, además posee un vástago alargable para ser
manipulada desde el exterior.
52
Como se puede ver en el detalle anterior la bancada de la Cámara de Rejas
es más ancha en el sector en que se ubica la Compuerta Mural, pero luego ésta
dimensión disminuye formando un embudo para llegar a los 40 cm. de ancho a la
altura en que se ubica la Reja Frontal. La Compuerta Mural es suministrada con otros
elementos como guías para mantener la rectitud del vástago (Detalle Nº 4.12) y una
placa de anclaje para su acople a la superficie (Detalle Nº4.11), donde se instala una
Caja Guarda Llave con picaporte marca TALMET modelo T-1991 (Detalle Nº 4.10)
para evitar que sea manipulada por alguien ajeno al recinto.
53
54
Los elementos mostrados en el detalle anterior, salvo la Caja Guarda Llave son
suministrados con la Compuerta Mural.
55
La salida del agua de la Cámara Rejas es a través de la perforación existente
en el muro que separa este compartimiento con la Cámara Desarenadora, la cual
posee la misma forma del canal y su cota de radier se sitúa 4 centímetros más bajo
que la cota de entrada del Colector Interceptor.
En este caso se recomienda dejar un vano rectangular de las dimensiones que
se muestran en Detalle Nº 4.13 al momento de hormigonar la estructura de obra
gruesa y luego hacer la terminación con un hormigón similar al de la bancada para
mantener la sección del canal de la cámara.
A través del muro el vano posee una pequeña pendiente hacia el sentido en
que debe circular el agua residual.
La Reja Frontal Inclinada es de fierro galvanizado y se confeccionan con
pletinas de 50x5 milímetros de 90 cm. de longitud, las que van soldadas a un perfil
“L” de 50x50x5 milímetros. de 40 centímetros de longitud, que es parte del marco de
la bandeja de estruje (Detalle Nº 4.14), por el otro extremo va empotrada en la
bancada de la cámara. Las pletinas conforman una reja con paso libre de 20
56
milímetros entre barras con una inclinación aproximada de 60º. En el extremo que va
empotrado al hormigón las pletinas posee fierros de 6 mm. de diámetro que actúan
como anclaje.
57
La Reja Lateral posee un espacio libre entre barras de 44 milímetros, esta reja
esta compuesta por fierros redondos lisos de 16 milímetros de diámetro, los que van
soldados a un perfil ángulo de 50x50x5 milímetros, el que a su vez va soldado a un
costado de la Bandeja de Estruje, el largo total de la reja lateral es de 65 centímetros.
La Reja Lateral también debe ser galvanizada y va anclada al hormigón de la
bancada, la profundidad del anclaje es de 8 centímetros. Como se ha mostrado en
los detalles esta reja no es inclinada como la reja frontal.
58
La bandeja de estruje es el elemento horizontal que se sitúa sobre las Rejas,
está compuesta por una plancha de acero de 6 milímetros con perforaciones de 5/8”
de diámetro (Detalle Nº 4.17). Esta placa está sujeta por un marco de acero
compuesto por perfiles de 50x50x5 milímetros, las dimensiones exteriores de este
marco son de 40 centímetros de ancho por 50 de largo. El marco de la bandeja
posee anclajes por la parte posterior, hacia el muro de la cámara y en el costado
contrario a la reja lateral. La plancha que sostiene este marco debe tener una holgura
de 5 milímetros con respecto al interior del marco, para evitar que se apriete al
sacarla, para levantar la plancha se dispone de dos asas que van unidas a ella
(Detalle Nº 4.18).
La función de la bandeja de estruje es actuar como elemento de acumulación
temporal de los sólidos que son depositados por el personal a cargo de la Planta,
también actúa como colador permitiendo extraer el agua presente en los sólidos
atrapados por la reja, hasta sacarlos del interior de la cámara.
59
El acceso a esta Cámara es a través de la Cámara Desarenadora por medio
de una escalera que desciende hasta un nivel intermedio sobre el nivel máximo del
agua en su interior, aquí se ubica una pequeña losa que posee dos barandas de
seguridad una hacia la Cámara de Rejas (Detalle Nº 4.19) y otra hacia la Cámara
Desarenadora.
Las barandas evitan las posibles caídas de los operarios hacia las zonas de
riesgos como las bombas o zonas que poseen niveles más bajos, para permitir el
paso a las zonas potencialmente peligrosas se dejan vanos que son cubiertos por
60
cadenas que van soldadas en uno de sus extremos a los ganchos que poseen las
barandas.
La baranda que pertenece a la cámara de rejas se muestra en el detalle
siguiente.
El anclaje de la baranda es un plancha de 10x10 cm. con cuatro pernos de
expansión sobre la losa interior de la Planta, para reforzar la baranda se emplea
también un anclaje superior que va sujeto al muro de la cámara.
61
4.3.2. Cámara Desarenadora.
Esta es la cámara más sencilla de la Planta, no posee gran variedad de
elementos adicionales a la estructura, sólo posee una bancada, baranda de
seguridad y elementos de acceso, como la tapa y escaleras.
62
La bancada de la Cámara Desarenadora está presente en todo el perímetro inferior
de la estructura, posee una pendiente de 150% hacia el centro de la cámara y una
altura de 50 centímetros, medidos desde el radier, al igual que la Cámara de Rejas el
hormigón es de grado H-15.
63
La entrada del agua a la Cámara Desarenadora es el mismo orificio que
atraviesa desde la Cámara de Rejas que se vio anteriormente (Detalle Nº4.13), pero
como esta cámara posee una profundidad mayor no está en contacto con la bancada
y se ubica a una distancia de 55.5 centímetros del radier de la Cámara
Desarenadora. La perforación por donde pasa el agua residual al pozo de bombeo es
similar a la de entrada de la Cámara Desarenadora, pero posee una cota menor, la
salida está ubicada dos centímetros más bajo que la entrada.
64
65
Los elementos de acceso de la Cámara Desarenadora son una tapa y dos
escaleras, una que llega al nivel de la losa interior de la Cámara y otra que llega
desde este nivel hasta el fondo de la cámara.
La tapa se ubica en la losa superior de la cámara (Detalle Nº 4.2), esta tapa es
circular clase 400 marca TALMET modelo T-400CAP, de fierro fundido,
antideslizante, articulada y con picaporte de seguridad. Además esta tapa posee
otras características como un sistema de bloqueo que impide el cierre involuntario,
una junta polimérica que impide el ingreso de agua, arenas y es fácil de instalar.
66
Para mantener el anillo de la Tapa en su lugar, brindar protección y evitar la
filtración de aguas lluvias se cubre con un hormigón H-15 como se muestra en los
detalles.
Las escaleras al igual que todos los elementos metálicos de la Planta que se
deben fabricar son galvanizadas. Las escaleras están compuestas por perfiles de
acero, poseen una separación entre peldaños de 30 centímetros y un ancho también
de 30 centímetros, sus largueros los componen barras planas de 50x5 milímetros,
van ancladas a los muros por medio de placas de acero de 5 milímetros y pernos de
expansión de 1/2” de diámetro y 4” de largo, llevando dos en cada placa.
Ambas escaleras son similares poseen una separación desde el peldaño
hasta el muro de 15 centímetros, distancia suficiente para dar comodidad y apoyar
correctamente el pie sobre ellas, se observo en terreno que la distancia normal de
separación era de 10 centímetros, lo cual según operadores de las Plantas
67
provocaba incomodidad e inseguridad al descender, razón por la cual se adoptó 15
centímetros.
68
La baranda de seguridad de la Cámara Desarenadora esta compuesta por dos
módulos, los cuales dejan un vano junto al muro opuesto a la entrada a la cámara,
aquí se ubica la segunda escalera que permite llegar hasta el radier.
Al igual que la baranda de la Cámara de Rejas posee cadenas en los vanos,
pero en este caso va soldada a un módulo y sujeta a un gancho anclado al muro de
la estructura (Detalle Nº 4.31).
Esta baranda posee sólo el primer módulo con anclaje superior el cual es
similar al de la Baranda de la Cámara de Rejas (Detalle Nº 4.21), el anclaje inferior
es una placa que va anclada lateralmente a la losa interior de la cámara por medio
de pernos de expansión de ½” (Detalle Nº 4.30).
69
70
4.3.3. Pozo de Aspiración o Pozo de Bombeo.
El pozo de Bombeo es el compartimiento más profundo de la Planta
Elevadora, en su interior tiene una losa igual a la que posee la Cámara
Desarenadora, también posee barandas de seguridad (Detalle Nº 4.50 y 4.52) y evita
el contacto con el agua acumulada en el interior (Detalle Nº 4.34). El pozo se conecta
interiormente con la Cámara Desarenadora, pero no posee acceso hacia ella desde
su interior.
El Pozo de Bombeo consta con distintos niveles de agua durante el
funcionamiento de la Planta, para desplegar las señales en los momentos en que se
han alcanzado dicho niveles se emplean flotadores los que deben ser dispuestos de
acuerdo a las cotas mencionadas en los detalles del Pozo de Bombeo. NP indica el
nivel de parada de las bombas, NI indica el momento de inicio de las bombas y NR
es el nivel de Rebalse.
El nivel de rebalse se dispone para un caso fortuito, es decir cualquier
situación no considerada en el diseño hidráulico, que lleve el caudal de entrada a
niveles muy superiores al de diseño de la P.E.A.S. El rebalse de la Planta puede ser
71
un colector cuyo radier de salida es la cota de rebalse y que envía el agua residual a
otro punto de la red de alcantarillados, si existe la factibilidad de hacerlo, o envía el
agua residual a una zona determinada como pantanos, lagos o ríos, por ejemplo,
hasta normalizar el sistema.
72
Este compartimiento posee una bancada que cumple la misma función que la
cámara desarenadora, pero en una escala menor, ya que sus dimensiones son
menores y la presencia de arena es muy baja en su interior, la bancada del pozo
tiene una altura de 20 centímetros y una pendiente de 100%, el hormigón de esta
bancada también es H-15.
73
74
Como se menciono anteriormente las bombas son unidades sumergibles
accionadas por un motor eléctrico, específicamente la bomba seleccionada es la CP
3102,181 MT. Las bombas dispone de una instalación semipermanente que permite
extraerla del pozo para realizar mantención, van montadas sobre un codo patín, para
su extracción desde el interior del pozo poseen tubos guías que van montados sobre
75
el codo patín y anclados a la losa superior del pozo (Detalle Nº 4.37), para llevarlas
hasta la superficie tienen cadenas que están amarradas al asa de la bomba (Detalle
Nº 4.32, 4.33 y 4.35).
Las bombas están separadas de acuerdo a la distancia entre los ejes de las
descargas de cada bomba, cuya medida es de 80 cm. (Detalle Nº 4.36 y 4.37).
Los cuidados generales que hay que tener al instalar las bombas son, elevar
siempre la bomba por el asa de elevación, no hacerlo nunca por el cable del motor o
la manguera, el extremo del cable no deberá sumergirse, deberá estar sobre el nivel
de inundación puesto que a través de ellos puede penetrar agua hasta la caja de
conexiones o el motor, el nivel mínimo de parada ha de ser el adecuado (de acuerdo
a la información suministrada por el proveedor) y las bombas nunca han de trabajar
en vacío.
76
77
Para mantener la cadena al alcance de los operadores se dispone de un
gancho de acero galvanizado que se adhiere a la losa de la cámara por medio de
pernos de expansión, de esta forma no es necesario ingresar al recinto del pozo para
extraer las bombas.
Desde el pozo de bombas salen las tuberías con el agua residual a presión
hasta la Cámara de Válvulas, para cruzar el muro que separa estos dos
compartimientos se emplea un pasamuro (8), el cual es una pieza que posee un
anclaje que queda dentro del muro otorgando rigidez al sistema. Las tuberías de
descarga de las bombas suben en forma vertical hasta el nivel de la Cámara de
Válvulas, estas tuberías se conforman por una reducción (4) que adapta el diámetro
del codo patín de la bomba (3) con el diámetro seleccionado para la impulsión,
también posee tubos (5 y 6) y un codo (7) que cambia la dirección a horizontal antes
del pasamuro (8), todas estas piezas son de fierro fundido y poseen uniones bridas.
Al igual que la tubería de impulsión la red interior de la Planta Elevadora debe
realizarse con piezas especiales con una presión de trabajo de 10 kg./cm2, al
momento de adquirir las piezas se debe solicitar también de acuerdo a que norma se
requieren las uniones bridas, además del tipo de material y tamaño.
78
La parte superior del pozo está compuesta por una losa de similares
características a las cámaras anteriores, pero en ella, además de la tapa para el
ingreso del personal, también se sitúan dos escotillas para la instalación y extracción
79
de las bombas que se utilizarán cuando se realice mantención o se cambie algún
equipo dañado.
La tapa para el ingreso de los operadores es similar a la que posee la Cámara
Desarenadora (Detalle Nº 4.26), su ubicación sobre la losa de la cámara se puede
ver en el Detalle Nº 4.2.
Para las bombas se optó por emplear tapas de sobreponer antes de tapas con
pomeles, por los antecedentes recogidos en terreno, en los cuales se observo que
las tapas con pomeles presentaban deterioro anticipado de este elemento debido a la
fuerza que provoca el peso de la tapa cuando está abierta. Para evitar que se deslice
a la tapa se le agregó un pequeño perfil ángulo en todo su borde y para levantarla se
disponen dos asas por cada extremo (Detalle Nº 4.45). Las tapas se instalan sobre
un anillo que posee un perfil ángulo que calza con las dimensiones de la tapa, el
anillo es de hormigón y se eleva sobre el nivel de la losa para evitar el ingreso de
aguas lluvias acumuladas en el terreno (Detalle Nº 4.42 y 4.43).
Como elemento de seguridad se dispone de placas perforadas para instalar
dos candados en extremos opuestos de las tapas (Detalle Nº 4.44).
80
81
82
En la perforación de entrada del agua al pozo se adhiere un componente extra
que es la pantalla deflectora, la cual es un elemento que cumple la función de restar
velocidad al agua residual que ingresa al pozo. La pantalla deflectora es un elemento
metálico y galvanizado, posee forma rectangular, para la Planta Tipo la pantalla
deflectora será como se indica en los siguientes detalles.
83
Esta pantalla deflectora se compone por dos elementos, la placa de acero con
los anclajes inferiores y el ángulo 65x65x5 mm. que realiza el anclaje superior, el
cual va anclado a la losa interior del pozo. Ambos componentes se unen por 3
pernos galvanizados de 3/8”, con este sistema en caso de deterioro de la pantalla,
ésta se puede cambiar más fácilmente.
84
Tal como los otros compartimientos, para el acceso al interior de la cámara se
implementa una escalera metálica de las mismas características. La escalera
mencionada nos permite acceder solo hasta un nivel intermedio, luego para llegar
hasta el radier del pozo, y con ello hasta las bombas, se emplea una segunda
escalera que va anclada a losa interior y al radier (Detalle Nº 4.49).
El corte H-H es similar al que posee el Detalle Nº 4.27 de la escalera de la
Cámara Desarenadora, al igual que las placas de anclaje (Detalle Nº 4.28).
85
86
Las dos barandas de seguridad del Pozo de Bombeo cumplen la función de
resguardar la seguridad de las personas que ingresan al interior, evitando su caída
hacia la Cámara Desarenadora y hacia la ubicación de las bombas, éstos elementos
van sujetos a la losa interior que da origen al segundo nivel. Ambas barandas de
seguridad están compuestas por dos módulos construidos con tubos de acero
galvanizados de 1 ¼ pulgadas, para sujetarse al hormigón los módulos poseen en
cada pie placas de acero con pernos de anclaje como se muestra en el Detalle Nº
4.30.
La baranda que se ubica hacia el sector de la Cámara Desarenadora no posee
separación, o sea se impide el paso hacia esta Cámara, los módulos son similares a
los de las cámaras anteriores, pero su anclaje de refuerzo en la parte superior es
diferente (Detalle Nº 4.53).
87
Los dos módulos que componen la baranda que se ubican hacia el pozo están
separados a una distancia de 56 centímetros, en medio de ellos se sitúan dos
cadenas que se enganchan en ambos módulos y van soldadas sólo a uno de ellos,
así las cadenas son removibles ya que por ahí se desciende a las bombas. El anclaje
a la losa que poseen estos módulos es similar al que poseen las barandas de la
Cámara Desarenadora (Detalle Nº 4.30) y su refuerzo de anclaje superior también
(Detalle Nº 4.21).
88
Fuera de la estructura y sobre la sección de losa correspondiente al Pozo de
bombas se ubica un pórtico metálico para extraer los equipos de bombeo, el cual va
anclado sobre muros laterales de la Planta, la altura de este pórtico es la suficiente
para no provocar accidentes a las personas que por ahí transitan, además no es muy
alto para colgar de él algún elemento que permita sacar las bombas de forma segura
haciendo un menor esfuerzo.
El pórtico va ubicado sobre las tapas dispuestas para extraer las bombas,
posee un colgador en forma de argolla que se desplaza de la ubicación de una
bomba a la otra. El pórtico en general está compuesto por una viga y dos pilares, que
van unidos por medio de pernos como se muestra en el Detalle Nº 4.55, para evitar
que la viga se deslice se adhiere al tubo un fierro de 6mm. de diámetro soldado en
cada extremo que actúa como tope. Toda la estructura debe ir cubierta con dos
manos de anticorrosivo y una mano de pintura de acabado.
El emplazamiento en la superficie de la Planta de este elemento se puede
observar en el Detalle Nº 4.2.
89
90
91
4.3.4. Cámara de Válvulas.
Como su nombre lo dice esta cámara guarda en su interior las válvulas del
sistema de elevación, pero además dentro de ella existen otros tipos de piezas que
cumplen funciones de adaptación, unión o cambios de dirección.
El ingreso del agua a esta cámara corresponde a las descargas provenientes
del Pozo de Bombeo, la salida del agua desde la cámara de válvulas se realiza a
través de una única tubería por un muro lateral de la cámara, que da inicio a la
llamada tubería de impulsión.
Para contrarrestar los esfuerzos producidos por el peso de las piezas
especiales y válvulas se emplea un machón de apoyo de hormigón grado H-15, el
cual se ubica bajo el Múltiple de Descarga (16), como se muestra en los detalles.
92
En general la red de piezas que conduce el agua residual dentro de la Cámara
de Válvulas está compuesta por los dos tramos provenientes de las bombas más una
tubería de retorno al pozo, como se muestra en el Detalle Nº 4.1: Planta General de
la P.E.A.S.
La tubería de retorno se ubica entre las tuberías de descarga individual de
cada bomba, este tramo solo posee una válvula de corte (15), la cual permanece
constantemente cerrada ya que se construye con la finalidad de evacuar la tubería
de impulsión sólo en caso de ser necesario.
93
Los tramos provenientes de las bombas poseen dos tipos de válvulas una de
retención del tipo bola (9), que impide el retorno del agua residual al Pozo de
Bombeo por este conducto, y una de corte (14) que se instala abierta, que al cerrarse
impide todo flujo de agua. Para cruzar los muros se emplean piezas llamadas
pasamuros (8 y 17), las cuales poseen anclajes que quedan atrapados en el
hormigón de los muros, aportando mayor rigidez al sistema.
Entre ambas válvulas se instala una junta de desmontaje
autobloqueante
(12), la cual posee la propiedad de ser instalada con distintos largos, de esta forma,
si es necesario cambiar una válvula defectuosa solo se debe desinstalar esta pieza,
facilitando así el trabajo.
Todos los tramos, de salida y el de retorno, se unen en la pieza llamada
múltiple de descarga (16) antes de salir de la cámara.
94
El múltiple de descarga es la única pieza que no se encuentra en forma
regular el mercado y se fabrica sólo a pedido, para ello se deben entregar a los
fabricantes las dimensiones que debe tener, como se muestra en el Detalle Nº 4.61.,
95
y como ya se ha mencionado anteriormente, no solo el múltiple de descarga, sino
que todas las piezas deben ser solicitadas con una especificación del liquido a
conducir, el material de las piezas, la presión de servicio (PN-10, para este caso),
dimensiones de diámetros, y tipo de conexiones, es decir, la norma según la cual se
desean las bridas, para la Planta Tipo se requiere que las bridas sean según la
norma chilena Nch 402.
En cuanto a los elementos de acceso no hay mucho que agregar, son
similares a los compartimientos anteriores, es decir una escalera de acero
galvanizada y una tapa circular idéntica a la que poseen las demás cámaras (Detalle
Nº 4.26), cuya ubicación se puede ver en el Detalle Nº 4.2. La escalera debe ser
como se muestra en el Detalle Nº 4.62, cuyos cortes y placas de anclaje son
similares a los Detalle Nº 4.27 y Nº 4.28.
96
4.3.5. Ventilación de la P.E.A.S.
La tubería de ventilación es de acero galvanizado de diámetro 4 pulgadas,
atraviesa el muro de las cámaras a una profundidad de 40 centímetros medidos
desde la superficie de la losa a la clave del tubo, y luego se une con las tubería
provenientes de las cámaras adyacentes para terminar en una única tubería vertical
junto a la estructura que entrega los gases al ambiente.
Como esta red generalmente se fabrica en terreno, al momento de soldar los
tubos y piezas galvanizadas se pierde la protección en las uniones, razón por la cual
una vez construida se deben cubrir con un tratamiento de galvanizado en frío o
proteger con dos capas de pintura anticorrosiva.
97
4.3.6. Tubería de impulsión.
Las características de esta tubería ya se han mencionado, es de PEAD PE100 de PN-10, DN 140mm y sus uniones serán de termofusión por soldadura a tope.
La tubería de impulsión posee un relleno con arena fina, que esta compuesto
por una cama de apoyo de espesor 10 centímetros, un relleno lateral de la tubería
que se realiza compactando manualmente con un pisón, un relleno en capas hasta
30 centímetros por sobre la clave del tubo, hecho con el mismo material, y finalmente
un relleno con material seleccionado proveniente de la excavación o material de
empréstito, si el anterior no es apropiado, hasta llegar al nivel del terreno natural.
98
La conexión de la tubería de Impulsión a la red de alcantarillados se puede
realizar mediante una Cámara de Inspección, la cual debe poseer un sistema de
disipación de energía, su unión a una Cámara Tipo B debe ser como el siguiente
detalle.
Las uniones de la tubería de Impulsión con las piezas de fierro fundido se
realizan por medio de una pieza especial de PEAD llamada Stub-end, la cual es una
especie de Terminal, al que se le instala un flange volante y así poder realizar la
unión con las piezas que poseen bridas.
4.3.7. Obras Eléctricas.
La instalación eléctrica debe ser trifásica de 400 V. 50 Hz.; Un esquema
general de la instalación eléctrica debe contar con los siguientes elementos: fusibles,
99
transformador, equipo de medida para tarifa, un tablero general de fuerza, un tablero
de distribución de fuerza y control, y se debe agregar también una malla de tierra.
Si el proyecto lo requiere también se puede agregar un grupo electrógeno, con
su respectivo tablero de controles y un tablero de transferencia del grupo
electrógeno, que haría funcionar a este equipo en caso de fallar la alimentación de la
red principal.
Se deben instalar además luminarias en cada una de las cámaras de la
P.E.A.S. y en la superficie para alumbrar el recinto donde se ubicará.
Generalmente el Proyecto Eléctrico se encarga a un profesional de esta área
que realiza un completo diseño, de acuerdo a los niveles del Pozo de Bombeo y
características de los equipos.
100
CAPITULO V: CONCLUSION.
La Planta Elevadora de Aguas Servidas (P.E.A.S.) mostrada en los detalles
logra reunir las mejores características constructivas, alcanza un bajo peso, que se
debe a menores volúmenes de hormigón y de armaduras en comparación con una
Planta similar con cámaras de la misma profundidad y de sección circular, la cual es
la opción más usada en las P.E.A.S. de capacidades similares a la Planta Tipo que
se han construido en Valdivia,
La sección cuadrada y rectangular de las Cámaras brinda una mayor
superficie interior, lo cual facilita el movimiento de los operadores en su interior, y es
de gran ayuda para el volumen neto de acumulación del pozo y para la distribución
de las piezas especiales en Cámara de Válvulas.
La Planta Tipo sólo puede ser aplicable a zonas en que la red de
alcantarillados está sobre la cota del radier de entrada de la P.E.A.S. y las
pendientes necesarias para el colector interceptor lo permiten. Si las profundidades
del colector interceptor son muy pequeñas se puede manejar la red utilizando
cámaras de salto para llegar al radier de entrada de la Planta.
Las dimensiones del colector interceptor no pueden sobrepasar los 350
milímetros de diámetro, ya que la compuerta mural de la P.E.A.S. Tipo no lo permite.
La misma constitución de la P.E.A.S. puede elevar a mayor altura pero menor
longitud y a mayor longitud, pero a una altura menor, para esto se debe estudiar
cada caso en particular. Por Ejemplo, esta misma Planta puede bombear el caudal
de aguas servidas (11,5 lt/s) a una altura geométrica de 5 metros con una longitud de
la Tubería de Impulsión de 300 metros, y con una altura de 7,3 metros puede
transportar el agua a una distancia de 100 metros, manteniendo para ambos casos
las velocidades necesarias en las tuberías.
101
Además la P.E.A.S. Tipo puede ser modificada para elevar un caudal mayor
de aguas servidas, para ello se debe ratificar que no se sobrepase el volumen que
puede acumular el pozo de bombeo, manteniendo una holgura hasta el nivel de
rebalse, también será necesario utilizar otro modelo de bomba, pero de la misma
marca, ya que las bombas FLYGT para cierto rango de curvas de operación poseen
dimensiones similares, así varios modelos se pueden acoplar al mismo codo patín.
También con un nuevo caudal se debe ratificar que las velocidades y las presiones
en la tubería de impulsión sean las correctas y que las bombas sean capaces de
vencer la altura manométrica total del sistema.
Una de las condiciones que afectó en forma significativa el diseño de la
P.E.A.S. fue la sobrepresión generada por efecto del golpe de ariete, ya que se
producen aumentos de presión importantes en el tramo de tubería de fierro fundido,
debido a su rigidez, y por ende un módulo de elasticidad mayor, alcanzando valores
de celeridad de la onda de propagación mucho más elevados, y así generando una
sobrepresión aproximadamente 2,5 veces mayor comparada con el análisis hecho en
la tubería de Polietileno de Alta Densidad.
102
CAPITULO VI:

BIBLIOGRAFIA.
Tchobanoglous, George.
Ingeniería de Aguas Residuales, Redes
de alcantarillado y bombeo. METCALF & EDDY, INC. 2 nd. Ed.
Madrid. McGraw-Hill. 1998.

Tchobanoglous,
George.
Ingeniería
de
Aguas
Residuales,
Tratamiento vertido y reutilización. METCALF & EDDY, INC. 3a. Ed.
Madrid. McGraw-Hill. 1995. vol. I.

LOPEZ, Cualla, Ricardo A. Diseño de Acueductos y Alcantarillados.
2 nd. Ed. Colombia. Editorial Escuela Colombiana de Ingeniería.
2002.

Comisión de Diseño Estructural en Hormigón Armado y Albañilerías
Perteneciente a la Corporación de Desarrollo Tecnológico de la
Cámara Chilena de la Construcción, Código de Diseño de Hormigón
Armado Basado en el ACI 318-2002.

GERDAU AZA, Manual de Cálculo de Hormigón Armado. 2 nd.
Edición. M Y M Servicios Gráficos. Chile. 2006.

AGUASDECIMA, Proyectos y Visitas a Obras Ejecutadas en
Valdivia.

FLYGT CHILE. [en línea]: Ver. Catálogo de Productos. 2005 [fecha
de
consulta:
7
de
noviembre
del
2006].
Disponible
en:
<http://www.flygtchile.cl/>.

TALMET S.A., Catálogo de Válvulas y Piezas Especiales para
Redes de Agua Potable, Industria y Minería. Nº 99.

Catálogos de Materiales: DURATEC, TALMET, ESTRUAGUA.

Normas Chilenas.
103

PIHAN, Canales, Karen P. Sistema de Recolección de Aguas
Servidas para el Sector Alto Guacamayo. Tesis (Ingeniero Civil en
Obras Civiles). Valdivia, Chile, Universidad Austral de Chile,
Facultad de Ingeniería, Instituto de Obras Civiles. 2005.
104
CAPITULO VII: ANEXOS.
Anexo Nº 1: Valores del coeficiente de Rugosidad.
Tipo de tubo
Tubos sumamente rectos y lisos.
C
140-150
Tubos muy lisos.
130
Acero nuevo.
110
Hierro fundido viejo.
100
Acero viejo.
95
Hierro viejo en mal estado.
Fuente: Tchobanoglous, G. (1998).
60-80
105
Anexo Nº 2: Determinación de Caudales.
Cuando las Plantas Elevadoras se emplazan en zonas urbanas existentes, la
determinación de los caudales máximos y mínimo de aguas servidas se puede
realizar de acuerdo al registro histórico de consumos que posee la empresa de
servicios de dicho sector o conforme a la norma chilena Nch 1105, para este caso se
utilizará la segunda opción.
Se asumirá que la P.E.A.S. funcionará para una urbanización existente que
corresponde a una zona netamente residencial y que no posee posibilidades de
crecimiento, así los caudales de inicio serán iguales a los caudales de proyecto. Los
datos base para la determinación de los caudales son:
1. Población Acumulada: 1684 Habitantes.
2. Dotación: 150 L/Hab./día.
3. Coeficiente de Recuperación: 0,9.
El caudal medio diario de aguas servidas que se obtiene con los datos de
diseño es de 2,63 L/s, que corresponde únicamente al aporte de tipo doméstico, y se
determina con la siguiente expresión:
QmdAS = P x D x R (L/s)
86400
Donde:
QmdAS =
caudal medio diario de aguas servidas (L/s).
P
=
población a servir.
R
=
coeficiente de recuperación.
D
=
dotación de consumo de agua potable (L/hab./día).
Como se trata de una zona residencial no hay aportes de caudales
provenientes del sector Industrial (RILES) o de caudales aportados por sectores
106
comerciales e instituciones, pero si existe aporte de caudales de infiltración y
aportaciones incontroladas.
Para obtener el valor del caudal de infiltración y aportaciones incontroladas se
empleará un aumento de un 20% del caudal máximo horario 47, que corresponde al
criterio utilizado generalmente en las memorias de cálculo de proyectos de P.E.A.S.
revisados.
El caudal máximo horario de aguas servidas para la población de 1684
habitantes se obtiene utilizando el coeficiente de Harmon48, cuyo valor es 3,643 y se
obtiene por:
M=1+
14______
½
4 + (P/1000)
Donde:
M
=
coeficiente de Harmon.
P
=
población servida. (1684 hab.)
Ahora, el caudal máximo horario se consigue de la siguiente forma:
QmáxhAS = M x QmdAS
Donde:
M
=
coeficiente de Harmon, (3,643).
QmáxhAS
=
caudal máximo horario de aguas servidas.
QmdAS
=
caudal medio diario de aguas servidas, (2,63 L/s).
De esta forma el caudal máximo de aguas servidas aportado por el sector
residencial corresponde a 9,58 L/s., sumando el caudal de infiltración y aportaciones
incontroladas (20%) el caudal máximo horario de aguas servidas con aporte de todos
los sectores es de 11,5 L/s, el cual será el caudal de diseño de la P.E.A.S.
47
48
López, R., (2002)
Según Nch 1105. of 1999.
107
El caudal mínimo de aguas servidas se consigue por medio del caudal medio
de aguas servidas (2,63 L/s con aporte doméstico únicamente y 3,16 L/s agregando
un 20% como aportes de infiltración y caudales incontrolados) y representa el 60%
de este último, más el aporte de caudales de infiltración y aportaciones
incontroladas49.
De esta manera el caudal mínimo aportado por el sector residencial posee un
valor de 1,58 L/s., en seguida hay que sumar el caudal de infiltración y aportaciones
incontroladas, que será un aumento en un 20% de forma similar al caso del caudal
máximo de aguas servidas, así el valor total que corresponde al caudal mínimo es de
1,90 L/s.
49
Según Nch 1105. Of 1999., Para colectores, interceptores y emisarios. (p.8).
108
Anexo Nº 3: Diseño Canal de Cámara de Rejas.
El canal será de sección en forma de U y con una terminación de hormigón
afinado, se analizará el canal para determinar la pendiente mínima necesaria para
lograr alcanzar una velocidad tal que permita el arrastre de las arenas, cuando se
transporta el caudal mínimo de aguas servidas.
Conocemos en éste caso los siguientes datos:
Qmín = 0,0019 m3/s., caudal mínimo de aguas servidas.
V = 0,6m/s, velocidad mínima para garantizar el arrastre de las arenas.50
n = 0,013, coeficiente de rugosidad para superficies de hormigón afinado.51
Figura N°7.1: Forma canal de la cámara de rejas.
El canal de la cámara de rejas se diseñará como un canal abierto, la expresión
que podemos utilizar para su diseño es la propuesta por Manning 52 que es la
siguiente:
50
Según apuntes de asignatura, Redes de Agua Potable y Alcantarillado. 2002.
Tchobanoglous, G. (1998, p.122)
51
Tchobanoglous, G. (1998, p.27)
52
Tchobanoglous, G. (1998, p.26,31)
109
V = _1_ R 2/3 S ½
n
(1)
Donde:
V = Velocidad del fluido, en m/s.
n = Coeficiente de Manning, (0,013 para superficies de mortero de hormigón)
R = Radio hidráulico (corresponde a la división de el área de sección mojada
en metros cuadrados y el perímetro de la sección mojada en metros).
S = pendiente de la línea de carga en m/m.
Para obtener la pendiente mínima “S” debemos conocer el radio hidráulico “R”,
que es la división entre la sección ocupada por el agua dentro del canal y el
perímetro de esta sección que está en contacto con el canal. El radio hidráulico lo
podemos obtener con la siguiente expresión53:
R = _As_
P
(2)
Donde:
R = Radio hidráulico.
As = Área de la sección mojada, en m2.
P = Perímetro mojado, corresponde al perímetro de la sección ocupada por el
agua transportada que está en contacto con las paredes del canal, en metros.
El área de la sección mojada la podemos calcular con la fórmula:
As = _Qmín_
V
Donde:
As = Área de la sección mojada, en m2.
53
Tchobanoglous, G. (1998, p.26)
(3)
110
Qmín = Caudal mínimo de aguas servidas, que es 0,0019 m3/s.
V = Velocidad del fluido, en éste caso 0,6 m/s.
Con los valores anteriores obtenemos una sección mojada de 0,00211 m 2,
ahora debemos conocer el perímetro mojado para calcular el radio hidráulico y
posteriormente la pendiente del canal.
El diámetro que utilizaremos para el canal será de 25 centímetros, con este
tamaño se puede realizar en forma cómoda la limpieza de las rejas del canal, ahora
para conocer si la altura del agua dentro del canal alcanza el valor de d/2,
comparamos el área del semicírculo con el área de la sección mojada 0,00211 m 2,
para visualizar si el nivel de agua está sobre o bajo d/2.
Para el diámetro de 25 centímetros el área del semicírculo es:
Asemicírculo = π * d2 = 0,02454 m2 > 0,00211 m2 (As)
8
Figura N°7.2: Esquema del canal para condiciones de caudal mínimo.
111
Por lo tanto el nivel de agua se ubica por debajo de d/2, entonces el perímetro
mojado para el canal, cuando el agua todavía no alcanza la mitad de la altura del
canal la podemos conseguir con:
P = _π * d2 * α_
4*360
(4)
Donde:
P = Perímetro mojado, en m.
d = Diámetro del canal, que será de 0,25 m.
α = Ángulo formado por el nivel de agua con respecto al centro de la sección
circular, en grados (Ver figura N°7.2.).
De los valores anteriores no conocemos el valor de α, si conocemos al área de
la sección mojada y el diámetro del canal, podemos calcularlo usando el área de la
sección mojada (As), lo que se grafica en la siguiente figura:
Figura N°7.3: Composición de área de la sección mojada.
As = A arco – A triangulo
As = π * d2 * α - d2 Cos(α/2) * Sen(α/2)
4*360
4
112
0,00211 = π * 0,252 * α - 0,252 Cos(α/2) * Sen(α/2)
1440
4
El valor de α que satisface ésta condición es α=79,57 grados, con este valor y
usando la expresión (4), se obtiene un perímetro mojado (P) igual a 0,174 metros.
Ahora usando la expresión (2) obtenemos:
R = _As_ = 0,00211 = 0,01212 m.
P
0,174
Finalmente, utilizando la formula de Manning (1):
V = _1_ R 2/3 S ½
n
(1)
0,6 = _1_ 0,01212 2/3 S ½
0,013
Obtenemos un valor de S=0,01267, que corresponde a S=1,27 %. Entonces la
pendiente mínima del canal debe ser de 1,27%, pero que aproximaremos a una
pendiente de 2 % para facilitar la construcción del canal de la cámara de rejas y
aumentar la velocidad, ya que en algún momento el canal estará obstruido
parcialmente por los elementos que queden atrapados en la reja. Con ésta pendiente
se alcanza una velocidad de 0,704 m/s. ligeramente superior a la mínima necesaria.
113
Anexo Nº 4: Pérdidas de Carga Singulares.54
54
Tchobanoglous, G. (1998).
114
115
116
117
118
119
Anexo Nº 5: Planos de la bomba seleccionada CP 3102.181 MT de 400 V, 50 Hz,
1435 r.p.m., curva 435.
Fuente: FLYGT CHILE, (2005)
120
Anexo Nº 6: Diseño Estructura de la P.E.A.S.
Disposición de Enfierraduras y Consideraciones Generales.
La disposición de enfierraduras se deberá entender como una aproximación
práctica, para las características de suelo ideales consideradas con las condiciones
del diseño.
Para comenzar el análisis de la estructura se necesitan conocer los siguientes
antecedentes55, que son básicos para realizar un prediseño:
a) Tipo de Suelo: El suelo a considerar será el suelo más común encontrado en
los sectores donde se ubican generalmente las P.E.A.S de la ciudad de
Valdivia, que corresponde a una arena limosa.
b) Densidad natural del suelo: su valor es igual a 1650 kg/m3.
c) Densidad del suelo saturado: su valor es igual a 1900 kg/m3.
d) Profundidad de la napa freática: se considerará una profundidad mínima de 50
centímetros para el caso más desfavorable.
Los resultados obtenidos del análisis de las cargas presentes y modelos de la
estructura (ver Anexo N°7: Memorias de cálculo de la estructura. p.124) nos indican
que los elementos se conformarán de la siguiente manera:
 La losa superior será de 15 centímetros de espesor con recubrimientos de 3
cm., un prediseño considerando que sólo transitarán personas sobre ella, es
decir con una sobrecarga de 250 kg/m 2 más el peso propio, arroja la
necesidad de enfierradura de diámetro 8 milímetros separado a 20 cm., en
doble malla (ver Detalle Nº 7.2, p.123).
55
a) y b) corresponden a datos promedio de proyectos de P.E.A.S. revisados.
121
 Las dimensiones de la losa de fundación dependen de las características del
terreno sobre el cual se monta la estructura, como la capacidad de carga
admisible del suelo y de las cargas que debe transmitir al suelo. La disposición
de la enfierradura es generalmente una doble malla. Para la Planta Tipo se
utilizarán losas de fundación de 30 centímetros de espesor con recubrimientos
de las armaduras de 5 cm. Poseerá un sobreancho de 60 centímetros, y las
armaduras serán de fierro A63-42H con una doble malla de fierro de 8
milímetros separados a 20 centímetros, como se indican en el Detalle 7.2,
p.123.
 La estructura de muros correspondiente a la obra gruesa de la Planta
Elevadora estará compuesta por muros de 20 centímetros de espesor, con un
recubrimiento de 3cm. Las armaduras son doble una malla de fierro de 10mm
de diámetro separados a 10 centímetros, para todos los muros, con fierro de
calidad A63-42H.
Las armaduras de los muros de la P.E.A.S. son como se indican en el Detalle
Nº 7.2 y Nº 7.1.
 Para las armaduras de las vigas sobre las cuales se apoyan los muros (Viga
M. 20x40) se dispondrá de 2 fierros de 8 milímetros de diámetro y estribos de
8 mm cada 20cm. Para la viga bajo la losa (Viga L 20x40.) de la P.E.A.S. se
dispondrá de dos fierros de 16 mm. de diámetro y estribos de 8mm. con 10cm.
de separación respectivamente (Detalle Nº 7.2.).
122
123
124
ANEXO N°7: Memoria de cálculo de la estructura de la P.E.A.S.
M.1. MEMORIA DE CÁLCULO DE LAS LOSAS DE LA PLANTA ELEVADORA.
Se analizará la losa del compartimiento de la P.E.A.S. que posee las mayores
dimensiones y representa el caso más desfavorable, de un análisis previo se ha
identificado que es la losa del pozo de bombeo.
Esquema general:
Como Lx / Ly = 1,09 < 2, la losa debe ser armada en dos direcciones.
125
Dimensiones de la losa N°3:
Ancho de la losa (Ly) = 2,2m.
Largo de la losa (Lx) = 2,4m.
Espesor (d) = 15cm.
Las cargas que actúan sobre la losa N°3 son:
a) Peso propio de la losa:
Pp (losa) = yhorm * d
Donde:
yhorm = 2400 kg/m3, peso específico del hormigón.
d = 15 cm., espesor de la losa.
Pp (losa) = 360 kg/m2., peso propio de la losa por metro cuadrado.
b) Sobrecarga por tránsito de personas en la viga:
SC = 250 kg/m2, sobrecarga por tránsito de personas.
Cálculo de momentos flectores:
Se determinarán los momentos flectores usando el método simplificado, ya
que se cumplen las condiciones de ser losas rectangulares continuas, poseen cargas
distribuidas uniformemente y el Lmenor / Lmayor es > 0,8 (L 2-3 / L 3-4 = 2,2 / 2,4 = 0,916).
Para determinar los momentos máximos de tramo en la losa se cargarán los
paños con:
q’ = Pp + ½ SC ; q’ = 485 kg/m2
q’’ = + ½ SC
; q’’ = +125 kg/m2
Para determinar los momentos máximos de apoyo en la losa se cargarán los
paños con:
q = Pp + SC
; q = 610 kg/m2
126
Entonces, los momentos máximos de tramo y apoyo en Losa N°3, usando la
tabla T.31, con Ly / Lx = 0,916 son:
Mmáx. Tramo = Mq’ + Mq’’
Mmáx. apoyo = (Mq1 + Mq2) / 2
Donde:
Mq’ = momento debido a la combinación de carga q’.
Mq’’= momento debido a la combinación de carga q’’.
Mq1 y Mq2 = momento de apoyo de la losa y la losa continua.
En general los momentos para Losa N°3, para las combinaciones de carga
propuestas se obtienen con:
M = C * q(comb) * Ly2
Donde:
M = momento de tramo o apoyo en las direcciones x e y.
C = coeficiente de la tabla T.31.
q(comb) = carga solicitante, de acuerdo a las combinaciones q’, q’’ y q.
Ly = largo de la losa N°3 en la dirección y.
Resultados de los momentos de tramo obtenidos utilizando la tabla T.31 con q’ son:
Solicitación
Mx
My
q'
(Kg/m2)
485
485
Coeficiente
(Tabla T.31)
0,0171
0,0205
Ly
(m)
2,20
2,20
Momento
(Kg-m / m)
40,14
48,12
Resultados de los momentos de tramo obtenidos utilizando la tabla T.31 con q’’ son:
Solicitación
Mx
My
q''
(Kg/m2)
125
125
Coeficiente
(Tabla T.31)
0,0171
0,0205
Ly
(m)
2,20
2,20
Momento
(Kg-m / m)
10,35
12,40
127
Resultados de los momentos de apoyo obtenidos utilizando la tabla T.31 con q son:
Solicitación
Mxe
Mye
q
(Kg/m2)
610
610
Coeficiente
(Tabla T.31)
-0,0531
-0,0554
Ly
(m)
2,20
2,20
Momento
(Kg-m / m)
-156,77
-163,56
Los momentos máximos de tramo son:
Mmáx. Tramo (x) = Mq’ + Mq’’ = 40,14 + 10,35 = 50,49 kg-m./m.
Mmáx. Tramo (y) = Mq’ + Mq’’ = 48,12 + 12,40 = 60,52 kg-m./m.
Momentos de apoyo:
Mmáx. apoyo (x) = (Mq1 + Mq2) / 2 = (-156,77 + -150,87) / 2 = -153,82 kg-m.
Mmáx. apoyo (y) = -163,56 kg-m.
Cálculo de armaduras:
Dimensiones de la sección de análisis:
b = 100 cm., ancho de análisis de la losa.
d = 15 cm., alto de la losa.
R sup = 3 cm., recubrimiento superior de la armadura.
R inf = 3 cm., recubrimiento inferior de la armadura.
Propiedades de los materiales:
σs = 4200 kg/cm2, tensión del acero.
σh = 250 kg/cm2, tensión del hormigón.
n = 15, coeficiente de equivalencia.
Propiedades geométricas de la sección:
hu = 12 cm.; altura útil de la sección, hu = h - Rinf.
m = 16,8 , relación de esfuerzos, m = σs / σh.
128
kx = 0,471 , profundidad relativa del eje neutro, kx = n / (n+m).
kz = 0,84 , brazo mecánico relativo, kz = 1- (kx / 3).
Determinación de armaduras:
Armadura a tracción (As), para momentos máximos de tramo.
As = M / (σs * kz * hu)
As = 0,12 cm2, para momento máximo de tramo en dirección x.
As = 0,14 cm2, para momento máximo de tramo en dirección y.
Armadura a tracción (As), para momentos máximos de apoyo:
As = M / (σs * kz * hu)
As = 0,36 cm2, para momento máximo de apoyo en la dirección x.
As = 0,39 cm2, para momento máximo de apoyo en la dirección y.
Para esta losa no es necesario utilizar armaduras a compresión ya que la
armadura para la condición de balance (As* = 16,85 cm2) es mayor a la armadura
necesaria para el estado de carga propuesto.
Se observa que la losa es traccionada en la fibra superior por el momento de
apoyo y en la parte inferior por el momento máximo de tramo, el momento de mayor
magnitud es el de apoyo en la dirección “y”, para el cual la armadura necesaria es
As=0,36 cm2, menor a la armadura mínima, por lo tanto, se utilizará una doble malla
de con fierros de 8 milímetros de diámetro separados a 20 cm., con la cual se
satisfacen todos los momentos solicitantes de la losa en las direcciones “x” e “y”, en
las fibras superior e inferior. Dado que la losa N°3 es la más desfavorable se dará la
misma solución a las losas adyacentes N°1, N°2 y N°4.
129
M.2. MEMORIA DE CÁLCULO VIGA L 20X40 BAJO LOSA DE LA P.E.A.S.
Se analizará la viga bajo la losa de la Planta Elevadora que se designa en el
Detalle N° 7.1 y Detalle N°7.2 como "VIGA L. 20x40", la cual se ubica en el eje 2
entre las Cámaras de Reja y Desarenadora, y en el eje 3, entre la Cámara
Desarenadora y el Pozo de Bombeo.
Esquema general:
Dimensiones de la viga:
Largo de la Viga (L) = 220 cm.
Ancho de la Viga (b) = 20 cm.
Altura de la viga (h) = 40 cm.
130
Las cargas que actúan sobre la viga son:
a) Peso propio por metro lineal de la Viga L 20x40cm:
Pp (losa) = yhorm * At * d
Donde:
yhorm = 2400 kg/m3, peso específico del hormigón.
At = 2,3 m., ancho tributario, ancho de la losa que es soportado por la viga.
d = 15 cm., espesor de la losa.
Pp (losa) = 828 kg/m., peso propio de la losa por metro lineal de viga.
b) Peso propio de la Viga por metro lineal:
Pp (viga) = yhorm. * h * b
Donde:
yhorm = 2400 kg/m3, peso específico del hormigón.
h = 40 cm., altura de la viga.
b = 20 cm., ancho de la viga.
Pp (viga) = 192 kg/m., peso propio de la viga por metro lineal.
c) Sobrecarga por tránsito de personas en la viga:
SC (viga) = SC * At
Donde:
At = 2,3 m., ancho tributario que es soportado por la viga.
SC = 250 kg/m2, sobrecarga por tránsito de personas.
SC (viga) = 575 kg/m2, total de sobrecarga por tránsito de personas en la viga.
Entonces, la carga total por metro lineal en Viga L 20x40 es:
q (viga) = Pp (losa) + Pp (viga) + SC (viga)
q (viga) = 1595 kg/m, carga total por metro lineal sobre la viga.
131
Determinación de los Momentos máximos:
El momento máximo de tramo (M máx. tramo), se produce en la mitad de la Viga, es
decir en L/2, y corresponde a:
M máx. tramo =
q * L2 / 24
M máx. tramo =
321,66 kg-m.
El momento de empotramiento (M emp.) para la viga empotrada es:
M emp. = q * L2 / 12
M emp. = 643,3 kg-m.
Donde:
q = carga que actúa sobre la viga, en kg.
L = largo de la viga, en m.
Cálculo de armaduras:
Dimensiones de la sección de análisis:
b = 20 cm., ancho de la viga.
h = 40 cm., alto de la viga.
R sup = 3 cm., recubrimiento superior de la armadura.
R inf = 3 cm., recubrimiento inferior de la armadura.
Propiedades de los materiales:
σs = 4200 kg/cm2, tensión del acero.
σh = 250 kg/cm2, tensión del hormigón.
n = 15, coeficiente de equivalencia.
Propiedades geométricas de la sección:
hu = 37 cm.; altura útil de la sección, hu = h - Rinf.
m = 16,8 , relación de esfuerzos, m = σs / σh.
132
kx = 0,472 , profundidad relativa del eje neutro, kx = n / (n+m).
kz = 0,843 , brazo mecánico relativo, kz = 1- (kx / 3).
Determinación de armaduras:
Armadura a tracción (As), para momento máximo de empotramiento en los extremos
A y B:
As = M / (σs * kz * hu)
As = 0,49 cm2, para momento máximo de empotramiento.
Armadura a tracción (As), para momento máximo de tramo:
As = M / (σs * kz * hu)
As = 0,25 cm2, para momento máximo de tramo.
Para esta viga no es necesario utilizar armaduras a compresión ya que la
armadura para la condición de balance (As* = 10,39 cm2) es mayor a la armadura
necesaria para el estado de carga propuesto.
La viga L 20x40 cm. es traccionada en la fibra superior por el momento de
empotramiento, y en la parte inferior por el momento máximo de tramo, por lo tanto,
para ambos casos se utilizarán 2 fierros de 8 milímetros de diámetro, cuya sección
satisface los momentos que actúan sobre la viga y estribos de 8mm separados a 20
centímetros.
133
M.3. MEMORIA DE CÁLCULO DE MUROS DE LA PLANTA ELEVADORA.
Se analizará el muro de la Planta que posee las mayores dimensiones, está
sometido a un empuje de tierra mayor y representa el caso más desfavorable, de un
análisis previo se ha identificado que es el muro del pozo de bombeo.
El muro está sometido al empuje del terreno y el agua de la napa, estas
cargas incrementan su valor a medida que la profundidad aumenta, para simplificar
al análisis se considerará que el muro estará sometido a una carga uniformemente
distribuida cuyo valor será el que se alcanza en la base del muro, haciendo de éste
un análisis más conservador y facilitando la obtención de los momentos solicitantes
mediante el uso de tablas.
Esquema general:
134
El esquema de cargas que actúan sobre el muro es el siguiente:
Como se mencionó anteriormente, siguiendo un criterio conservador y para
facilitar la forma de obtener los momentos solicitantes sobre el muro, se considerará
que las cargas son uniformemente distribuidas, con una magnitud igual a la máxima
presión en la base del muro, así entones el esquema de cargas quedaría de la
siguiente manera:
135
Conociendo que el muro del pozo de bombeo presenta las condiciones más
desfavorables y de acuerdo al supuesto anterior, considerando que el muro trabajará
como una losa con una carga uniformemente distribuida, el esquema a seguir para
obtener los momentos máximos usando Tablas será:
Como Ly / Lx = 1,98 < 2, la losa debe ser armada en dos direcciones.
Dimensiones del muro del pozo de bombeo:
Ancho (Lx) = 2,2m.
Alto del muro (Ly) = 4,76m.
Espesor (d) = 20cm.
136
Las cargas que actúan sobre el muro del pozo:
a) Empuje de tierra:
El empuje máximo se produce en la base del muro, es decir, cuando la
profundidad es mayor, en este caso Ly=4,76m.
E (suelo) = Ko * ysuelo * Ly
Donde:
Ko = 0,69, Coeficiente de empuje estatico de Rankine, Ko=1-SenØ.
Ø = 18°, angulo de fricción interna del suelo.
ysuelo = 1650 kg/m3, peso específico del suelo.
Ly = 4,76m., profundidad a nivel de la base del muro.
E (suelo) = 5419,3 kg/m2., carga debido al empuje de tierra en estado natural por
metro cuadrado en la base del muro.
b) Empuje debido a la napa de agua:
Para efectos de cálculo se considerará que la napa de agua llega hasta la
superficie del terreno.
E (agua) = Ko * yagua * Ly
Donde:
Ko = 0,69, Coeficiente de empuje estatico de Rankine, Ko=1-SenØ.
Ø = 18°, angulo de fricción interna del suelo.
ysuelo = 1000 kg/m3, peso específico del suelo.
Ly = 4,76m., profundidad a nivel de la base del muro.
E (suelo) = 3284,4 kg/m2., carga debido al empuje de agua en la base del muro.
c) Sobrecarga por tránsito de personas en la superficie del terreno:
La sobrecarga debido al tránsito de personas en la superficie del terreno que se
transmite al muro es:
137
E (SC) = Ko * SC
Donde:
Ko = 0,69, Coeficiente de empuje estático de Rankine, Ko=1-SenØ.
Ø = 18°, ángulo de fricción interna del suelo.
SC = 250 kg/m2, sobrecarga por tránsito de personas.
E (SC) = 172,5 kg/m2., carga debido a la sobrecarga en la base del muro.
Cálculo de momentos flectores:
Para facilitar el cálculo y obtener una aproximación se considerará que el muro
es una losa con una carga uniformemente distribuida cuyo valor es la máxima
presión que se produce en la base del muro, que ejercen el suelo, el agua y la
sobrecarga a nivel del terreno. De esta forma se obtiene una aproximación
conservadora el método simplificado para determinarán los momentos flectores
usando tablas, ya que se asumiría que son losas rectangulares continuas, que
poseen cargas distribuidas uniformemente y el Lmenor / Lmayor es > 0,8 (L 2-3 / L 3-4 = 2,2
/ 2,4 = 0,916).
Para determinar los momentos máximos de tramo en la losa se cargarán los
paños con:
q’ = E(suelo + agua) + ½ E(SC) ; q’ = 8789,9 kg/m2
q’’ = + ½ E(SC) ; q’’ = +86,25 kg/m2
Para determinar los momentos máximos de apoyo en la losa se cargarán los
paños con:
q = E(suelo + agua) + E(SC) ; q = 8876,2 kg/m2
Entonces, los momentos máximos de tramo y apoyo en Losa N°3, usando la
tabla T.31, con Lx / Ly = 0,504 son:
Mmáx. Tramo = Mq’ + Mq’’
Mmáx. apoyo = (Mq1 + Mq2) / 2
138
Donde:
Mq’ = momento debido a la combinación de carga q’.
Mq’’= momento debido a la combinación de carga q’’.
Mq1 y Mq2 = momento de apoyo del muro y el muro continuo.
En general los momentos para las combinaciones de carga propuestas se
obtienen con:
M = C * q(comb) * Lx2
Donde:
M = momento de tramo o apoyo en las direcciones x e y.
C = coeficiente de la tabla T.31.
q(comb) = carga solicitante, de acuerdo a las combinaciones q’, q’’ y q.
Lx = largo del muro en la dirección x.
Resultados de los momentos de tramo obtenidos utilizando la tabla T.31 con q’ son:
Solicitación
Mx
My
q'
(Kg/m2)
8789,9
8789,9
Coeficiente
(Tabla T.31)
0,0399
0,0053
Lx
(m)
2,40
2,40
Momento
(Kg-m / m)
2020,13
268,34
Resultados de los momentos de tramo obtenidos utilizando la tabla T.31 con q’’ son:
Solicitación
Mx
My
q''
(Kg/m2)
86,25
86,25
Coeficiente
(Tabla T.31)
0,0399
0,0053
Lx
(m)
2,40
2,40
Momento
(Kg-m / m)
19,82
2,63
Resultados de los momentos de apoyo obtenidos utilizando la tabla T.31 con q son:
Solicitación
Mxe
Mye
q
(Kg/m2)
8876,2
8876,2
Coeficiente
(Tabla T.31)
-0,0824
-0,056
Lx
(m)
2,40
2,40
Momento
(Kg-m / m)
-4212,86
-2863,11
139
Los momentos máximos de tramo son:
Mmáx. Tramo (x) = Mq’ + Mq’’ = 2020,13 + 19,82 = 2039,95 kg-m./m.
Mmáx. Tramo (y) = Mq’ + Mq’’ = 268,34 + 2,63 = 270,97 kg-m./m.
Momentos de apoyo:
Mmáx. apoyo (x) = (Mq1 + Mq2) / 2 = (-4212,86 + -2721,77) / 2 = 3467,3 kg-m.
Mmáx. apoyo (y) = -2863,11 kg-m.
Cálculo de armaduras:
Dimensiones de la sección de análisis:
b = 100 cm., ancho de análisis del muro.
d = 20 cm., alto de la losa.
R sup = 3 cm., recubrimiento superior de la armadura.
R inf = 3 cm., recubrimiento inferior de la armadura.
Propiedades de los materiales:
σs = 4200 kg/cm2, tensión del acero.
σh = 250 kg/cm2, tensión del hormigón.
n = 15, coeficiente de equivalencia.
Propiedades geométricas de la sección:
hu = 17 cm.; altura útil de la sección, hu = h - Rinf.
m = 16,8 , relación de esfuerzos, m = σs / σh.
kx = 0,471 , profundidad relativa del eje neutro, kx = n / (n+m).
kz = 0,84 , brazo mecánico relativo, kz = 1- (kx / 3).
140
Determinación de armaduras:
Armadura a tracción (As), para momentos máximos de tramo.
As = M / (σs * kz * hu)
As = 3,39 cm2, para momento máximo de tramo en dirección x.
As = 0,45 cm2, para momento máximo de tramo en dirección y.
Armadura a tracción (As), para momentos máximos de apoyo:
As = M / (σs * kz * hu)
As = 5,76 cm2, para momento máximo de apoyo en la dirección x.
As = 4,76 cm2, para momento máximo de apoyo en la dirección y.
Para este caso no es necesario utilizar armaduras a compresión ya que el
momento para la condición de balance (Mb = 14,36 Ton-m) es mayor a los
solicitantes para los estados de carga propuesto.
Viendo los resultados se ha decidido utilizar una doble malla con una
armadura exterior de fierro de 10mm de diámetro separado a 12 centímetros lo que
satisface las armaduras calculadas en las direcciones x e y. La armadura interior
será similar para simplificar la construcción.
141
M.4. MEMORIA DE CÁLCULO VIGA M 20X40 DE MUROS DE LA P.E.A.S.
Se analizará la viga del muro de la Planta Elevadora que se designa en el
Detalle N° 7.1 y Detalle N°7.2 como "VIGA M. 20x40", la cual se ubica en el eje 2
entre las Cámaras de Reja y Desarenadora, y en el eje 3, entre la Cámara
Desarenadora y el Pozo de Bombeo. Se hará el cálculo para la viga del eje 3 que
posee las condiciones más desfavorables y de acuerdo a ésta se dimensionarán
ambas.
Esquema de cargas:
142
Al igual que los muros de la planta, siguiendo un criterio conservador y para
facilitar la forma de obtener los momentos solicitantes sobre la Viga M 20x40, se
considerará que es una viga empotrada en ambos extremos, con cargas
uniformemente distribuidas, de una magnitud igual a la máxima presión en la base de
la Viga, es decir a una profundidad de 236 cm., así el esquema de cargas quedaría
de la siguiente manera:
Dimensiones de la viga:
Largo de la Viga (L) = 2,36 m.
Ancho de la Viga (b) = 20 cm.
Altura de la viga (h) = 40 cm.
143
Las cargas que actúan sobre la viga son:
Se considera para efectos de cálculo que la viga estará sometida a una carga
uniformemente distribuida igual a la máxima que se produce en la base de la viga, a
la profundidad de 2,52metros.
a)
Empuje de tierra:
El empuje máximo se produce en la base de la viga, es decir, cuando la
profundidad es mayor, en este caso h=2,52m.
E (suelo) = Ko * ysuelo * h * At
Donde:
Ko = 0,69, Coeficiente de empuje estático de Rankine, Ko=1-SenØ.
Ø = 18°, ángulo de fricción interna del suelo.
ysuelo = 1650 kg/m3, peso específico del suelo.
h = 2,52m., profundidad a nivel de la base de la viga.
At = 2,3 m., ancho tributario, ancho de la porción de suelo que es soportado
por la viga.
E (suelo) = 6598,7 kg/m., carga debido al empuje de tierra por metro lineal en la
base de la viga.
b)
Empuje debido a la napa de agua:
Para efectos de cálculo se considerará que la napa de agua llega hasta la
superficie del terreno.
E (agua) = Ko * yagua * h * At
Donde:
Ko = 0,69, Coeficiente de empuje estatico de Rankine, Ko=1-SenØ.
Ø = 18°, angulo de fricción interna del suelo.
ysuelo = 1000 kg/m3, peso específico del suelo.
h = 2,52m., profundidad a nivel de la base de la viga.
144
At = 2,3 m., ancho tributario, ancho de la porción de agua soportada por la
viga.
E (suelo) = 3999,2 kg/m2., carga debido al empuje de agua en la base de la viga.
c) Sobrecarga por tránsito de personas en la superficie del terreno:
La sobrecarga debido al tránsito de personas en la superficie del terreno que se
transmite al muro y por ende a la viga es:
E (SC) = Ko * SC * At
Donde:
Ko = 0,69, Coeficiente de empuje estático de Rankine, Ko=1-SenØ.
Ø = 18°, ángulo de fricción interna del suelo.
SC = 250 kg/m2, sobrecarga por tránsito de personas.
At = 2,3 m., ancho tributario.
E (SC) = 396,7 kg/m., carga debido a la sobrecarga en la base de la viga.
Entonces, la carga total por metro lineal en Viga M 20x40 es:
q (viga) = E (suelo) + E (agua) + E (SC)
q (viga) = 10994,6 kg/m, carga total por metro lineal sobre la viga.
Determinación de los Momentos máximos:
Considerando una viga con una carga uniforme, el momento máximo de tramo (M
máx. tramo), se produce en la mitad de la Viga, es decir en L/2, y corresponde a:
M máx. tramo =
q * L2 / 24
M máx. tramo =
2551,4 kg-m.
El momento de empotramiento (M emp.) para la viga empotrada en ambos extremos
es:
M emp. = q * L2 / 12
145
M emp. = 5102,9 kg-m.
Donde:
q = carga que actúa sobre la viga, en kg.
L = largo de la viga, en m.
Cálculo de armaduras:
Dimensiones de la sección de análisis:
b = 20 cm., ancho de la viga.
h = 40 cm., alto de la viga.
R sup = 3 cm., recubrimiento superior de la armadura.
R inf = 3 cm., recubrimiento inferior de la armadura.
Propiedades de los materiales:
σs = 4200 kg/cm2, tensión del acero.
σh = 250 kg/cm2, tensión del hormigón.
n = 15, coeficiente de equivalencia.
Propiedades geométricas de la sección:
hu = 37 cm.; altura útil de la sección, hu = h - Rinf.
m = 16,8 , relación de esfuerzos, m = σs / σh.
kx = 0,471 , profundidad relativa del eje neutro, kx = n / (n+m).
kz = 0,842 , brazo mecánico relativo, kz = 1- (kx / 3).
Determinación de armaduras:
Armadura a tracción (As), para momento máximo de empotramiento en los extremos
A y B:
As = M / (σs * kz * hu)
146
As = 3,90 cm2, para momento máximo de empotramiento.
Armadura a tracción (As), para momento máximo de tramo:
As = M / (σs * kz * hu)
As = 1,95 cm2, para momento máximo de tramo.
Para esta viga no es necesario utilizar armaduras a compresión ya que el
momento de balance es mayor que el producido por las solicitaciones (Mb = 13,61
Ton-m.).
La viga M 20x40 cm. es traccionada en la fibra exterior por el momento de
empotramiento, y en la parte interior por el momento máximo de tramo, por lo tanto,
para ambos casos se utilizarán 2 fierros de 16 milímetros de diámetro, cuya sección
satisface ambos momentos calculados que actúan sobre la Viga M.
147
M.5. MEMORIA DE CÁLCULO DE LOSAS DE FUNDACION DE LA PLANTA
ELEVADORA.
De un análisis previo se ha detectado que la losa de fundación del pozo de
bombeo presenta las condiciones más desfavorables. Se determinarán las
armaduras necesarias para esta losa, sugiriendo la misma solución para las losas de
fundación de los demás compartimientos de la Planta.
Al estar rodeada por muros se considerará que la losa esta empotrada en
todos sus extremos, con una carga uniformemente distribuida igual al peso propio de
la estructura y el equipamiento, más la sobrecarga por tránsito de personas en la
superficie de la Planta.
Esquema de cargas para el análisis:
Como Ly / Lx = 0,916 < 2, la losa debe ser armada en dos direcciones.
148
Dimensiones de la losa de fundación del pozo de bombeo:
Se considerará para el análisis la porción de la losa que está dentro de los
muros de pozo de bombeo, así entonces las dimensiones de la losa de fundación
son:
Ancho de la losa (Ly) = 2,2m.
Largo de la losa (Lx) = 2,4m.
Espesor (d) = 30cm.
Las cargas que actúan sobre la losa de fundación son:
Las cargas que actúan sobre la losa de fundación son las reacciones del suelo
provocadas por el peso propio de la estructura, incluida la losa de fundación, el peso
de las tuberías y equipos instalados en la Planta, y la sobrecarga generada por el
tránsito de personas en la superficie de la estructura.
a) Peso propio de la estructura:
Detalle de pesos de los elementos de hormigón armado que componen la
estructura del pozo de bombeo son:
Elemento
ancho
(m.)
largo
(m.)
alto (m.)
Vol.
(m3)
Losa sup.
Muro eje A
Muro eje B
Muro eje 3
Muro eje 4
Losa fund.
Pp total estruc. =
2,2
0,2
0,2
0,2
0,2
2,6
2,4
2,4
2,4
2,2
2,2
3,6
0,15
4,46
4,46
4,46
4,46
0,3
0,792
2,141
2,141
1,962
1,962
2,808
Pp.
(Kg)
1.901
5.138
5.138
4.710
4.710
6.739
28.335
Entonces la carga por metro cuadrado transmitida al suelo a través de la losa
de fundación, generada por el peso propio de la estructura, es la resultante de:
Pp (estructura) = Pp (total estructura) / Sup. (losa fundación)
Donde:
Pp (total estructura) = 28335 kg, peso propio total de la estructura.
149
Sup (losa fundación) = 9,36 m2, superficie real de la losa que transmite la carga al
suelo.
Pp (estructura) = 3027,3kg/m2, peso propio de la estructura por metro cuadrado.
A este valor sumaremos el peso estimado por metro cuadrado de los
equipos, tuberías y otros elementos interiores de la Planta, que se ha
considerado en 200 kg/m2, lo que nos da como resultado un peso propio total
(Pp total) de 3227,3 kg/m2.
b) Sobrecarga por tránsito de personas en la losa:
SC = 250 kg/m2, sobrecarga por tránsito de personas.
Cálculo de momentos flectores:
Se determinarán los momentos flectores usando el método simplificado, ya
que se cumplen las condiciones de ser una losa rectangular, poseen cargas
distribuidas uniformemente.
Para determinar los momentos máximos de tramo en la losa se cargarán los
paños con:
q’ = Pp + ½ SC ; q’ = 3352,3 kg/m2
q’’ = + ½ SC
; q’’ = +125 kg/m2
Para determinar los momentos máximos de apoyo en la losa se cargarán los
paños con:
q = Pp + SC
; q = 3477,3 kg/m2
Entonces, los momentos máximos de tramo y apoyo en Losa de fundación del
pozo de bomveo, usando la tabla T.31, con Ly / Lx = 0,916 son:
Mmáx. Tramo = Mq’ + Mq’’
Mmáx. apoyo = (Mq1 + Mq2) / 2
150
Donde:
Mq’ = momento debido a la combinación de carga q’.
Mq’’= momento debido a la combinación de carga q’’.
Mq1 y Mq2 = momento de apoyo de la losa y la losa continua.
En general los momentos para Losa de fundación, con las combinaciones de
carga propuestas se obtienen con:
M = C * q(comb) * Ly2
Donde:
M = momento de tramo o apoyo en las direcciones x e y.
C = coeficiente de la tabla T.31.
q(comb) = carga solicitante, de acuerdo a las combinaciones q’, q’’ y q.
Ly = largo de la losa en la dirección y.
Resultados de los momentos de tramo obtenidos utilizando la tabla T.31 con q’ son:
Solicitación
Mx
My
q'
(Kg/m2)
3352,3
3352,3
Coeficiente
(Tabla T.31)
0,0171
0,0205
Ly
(m)
2,20
2,20
Momento
(Kg-m / m)
277,45
332,62
Resultados de los momentos de tramo obtenidos utilizando la tabla T.31 con q’’ son:
Solicitación
Mx
My
q''
(Kg/m2)
125
125
Coeficiente
(Tabla T.31)
0,0171
0,0205
Ly
(m)
2,20
2,20
Momento
(Kg-m / m)
10,35
12,40
Resultados de los momentos de apoyo obtenidos utilizando la tabla T.31 con q son:
Solicitación
Mxe
Mye
q
(Kg/m2)
3477,3
3477,3
Coeficiente
(Tabla T.31)
-0,0531
-0,0554
Ly
(m)
2,20
2,20
Momento
(Kg-m / m)
-893,68
-932,39
151
Los momentos máximos de tramo son:
Mmáx. Tramo (x) = Mq’ + Mq’’ = 277,45 + 10,35 = 287,85 kg-m./m.
Mmáx. Tramo (y) = Mq’ + Mq’’ = 332,62 + 12,40 = 345,02 kg-m./m.
Momentos de apoyo:
Mmáx. apoyo (x) = -893,68 kg-m.
Mmáx. apoyo (y) = -932,39 kg-m.
Cálculo de armaduras:
Dimensiones de la sección de análisis:
b = 100 cm., ancho de análisis de la losa.
d = 30 cm., alto de la losa.
R sup = 5 cm., recubrimiento superior de la armadura.
R inf = 5 cm., recubrimiento inferior de la armadura.
Propiedades de los materiales:
σs = 4200 kg/cm2, tensión del acero.
σh = 250 kg/cm2, tensión del hormigón.
n = 15, coeficiente de equivalencia.
Propiedades geométricas de la sección:
hu = 25 cm.; altura útil de la sección, hu = h - Rinf.
m = 16,8 , relación de esfuerzos, m = σs / σh.
kx = 0,471, profundidad relativa del eje neutro, kx = n / (n+m).
kz = 0,843, brazo mecánico relativo, kz = 1- (kx / 3).
152
Determinación de armaduras:
Armadura a tracción (As), para momentos máximos de tramo.
As = M / (σs * kz * hu)
As = 0,33 cm2, para momento máximo de tramo en dirección x.
As = 0,39 cm2, para momento máximo de tramo en dirección y.
Armadura a tracción (As), para momentos máximos de apoyo:
As = M / (σs * kz * hu)
As = 1,01 cm2, para momento máximo de apoyo en la dirección x.
As = 1,05 cm2, para momento máximo de apoyo en la dirección y.
Para esta losa no es necesario utilizar armaduras a compresión ya que el
momento de balance (Mb = 31,06 Ton-m.) es mayor a los que se producen en la losa
para los estados de carga propuesto.
Se observa que la losa de fundación es traccionada en la fibra superior e
inferior y que todas las cuantías de enfierradura necesarias son inferiores a la
armadura mínima, por lo tanto, se utilizará la armadura mínima con una doble malla
compuesta con fierro de 8 milímetros de diámetro separados a 20 centímetros, en las
direcciones x e y.
153
M.6. MEMORIA DE CÁLCULO VERIFICACION DE LA FLOTABILIDAD DE LA
PLANTA ELEVADORA.
Para verificar la flotabilidad de la estructura cuantificaremos su peso, más el
peso del volumen de tierra que contribuye a evitar su flotabilidad ubicado sobre al
anillo perimetral de la fundación, el resultado de la suma de ambos se comparará con
el peso del volumen de agua desplazado.
a) Peso total de la estructura y el suelo sobre el anillo de fundación:
Peso de la estructura = 81788 kg.
Peso del suelo sobre el anillo de fundación = 91802 kg.
Peso total de la P.E.A.S. = 173590 kg.
b) Peso total del volumen de agua desplazada por la P.E.A.S.:
Volumen de la P.E.A.S. = 88 m3.
Profundidad de la napa de agua = 0,5 m.
Volumen de la P.E.A.S. sobre la napa = 11 m3.
Volumen de la P.E.A.S. bajo la napa = 77 m3.
Peso del Volumen de agua desplazada es apróx. = 77000 kg.
Entonces en factor de seguridad es de 2,3 y corresponde al peso total de la
P.E.A.S. dividido por el peso del volumen de agua desplazado por la P.E.A.S.
(173590 kg / 77000 kg).