Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil
DISEÑO DE ALCANTARILLADO SANITARIO PARA LA ALDEA PANABAJAL Y RED DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE PARA UN SECTOR DE LA ZONA 4 DE LA CABECERA MUNICIPAL DE SAN JUAN COMALAPA, CHIMALTENANGO
BYRON AMILCAR OROZCO FUENTES Asesorado por Ing. Juan Merck Cos
Guatemala, octubre de 2004
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DISEÑO DE ALCANTARILLADO SANITARIO PARA LA ALDEA PANABAJAL Y RED DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE PARA UN SECTOR DE LA ZONA 4 DE LA CABECERA MUNICIPAL DE SAN JUAN COMALAPA, CHIMALTENANGO TRABAJO DE GRADUACIÓN Presentado a la Junta Directiva de la Facultad de Ingeniería POR
BYRON AMILCAR OROZCO FUENTES Asesorado por Ing. Juan Merck Cos Al conferírsele el título de
INGENIERO CIVIL
GUATEMALA, OCTUBRE DE 2004
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERÍA
NÓMINA DE JUNTA DIRECTIVA DECANO
Ing. Sydney Alexander Samuels Milson
VOCAL I
Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
VOCAL II
Lic. Amahán Sánchez Álvarez
VOCAL III
Ing. Julio David Galicia Celada
VOCAL IV
Br. Kenneth Issur Estrada Ruiz
VOCAL V
Br. Elisa Yazminda Vides Leiva
SECRETARIO
Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco
TRIBUNAL QUE PRACTICÓ EL EXAMEN GENERAL PRIVADO DECANO
Ing. Sydney Alexander Samuels Milson
EXAMINADOR
Ing. Juan Merk Cos
EXAMINADOR
Ing. Christa Classon de Pinto
EXAMINADOR
Ing. Carlos Salvador Gordillo García
SECRETARIO
Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco
HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR
Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San Carlos de Guatemala, presento a su consideración mi trabajo de graduación titulado:
DISEÑO DE ALCANTARILLADO SANITARIO PARA LA ALDEA PANABAJAL Y RED DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE PARA UN SECTOR DE LA ZONA 4 DE LA CABECERA MUNICIPAL DE SAN JUAN COMALAPA, CHIMALTENANGO
Tema que me fuera asignado por la Dirección de la Escuela de Ingeniería Civil con fecha 1 de junio de 2004.
Byron Amilcar Orozco Fuentes
ACTO QUE DEDICO:
A DIOS
Por darme la inteligencia y sabiduría necesarias para cumplir este sueño, y estar conmigo en cualquier momento.
A MIS PADRES
Jaime Amilcar Orozco López Cecilia Fuentes y Fuentes Con amor y agradecimiento, ya que gracias a sus esfuerzos y sacrificios estoy alcanzando otra meta
más en mi vida.
A MIS HERMANOS
Ismar, Lucky, Saul y en especial a Marisol por ser parte de este triunfo. A todos con amor y aprecio.
A MI FAMILIA EN GENERAL
Con cariño
A MIS AMIGOS camino, ya
Doy gracias a Dios por haberlos puesto en mi que han sido los mejores que pude encontrar. A
todos Gracias por su amistad. A GUATEMALA
Con respeto
A LA FACULTAD DE INGENIERÌA
Centro del saber donde forjé mis sueños
A
LA
UNIVERSIDAD
DE
SAN
CARLOS
DE
GUATEMALA
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES LISTA DE SÍMBOLOS
.......... ......................................................... VII
............................................................................
IX
GLOSARIO
.........................................................................................
XI
RESUMEN
........................................................................................ XV
OBJETIVOS
....................................................................................... XVII
INTRODUCCIÓN
......................................................................................
XIX
1. FASE DE INVESTIGACIÓN 1.1. Monografía de la aldea Panabajal, Comalapa……........................
1
1.1.1. Aspectos generales..................................................................
1
1.1.1.1. Ubicación geográfica....................................................... 1 1.1.1.2. Situación demográfica..................................................... 2 1.1.1.3. Vías de comunicación..................................................... 2 1.1.1.4. Clima............................................................................... 2 1.1.1.5. Hidrografía...................................................................... 2 1.1.1.6. Topografía...................................................................... 3 1.1.1.7. Extensión........................................................................ 3 1.1.1.8. Idioma............................................................................ 3 1.1.2. Aspectos económicos y actividades productivas....................
3
1.1.2.1. Agricultura....................................................................... 4 1.1.3. Comercio y servicio.................................................................. 4 1.1.4. Artesanía.................................................................................. 4 1.1.5. Comunicación........................................................................... 5 1.1.6. Turismo..................................................................................... 5 1.1.7. Educación................................................................................. 5 1.1.8. Salud........................................................................................ 5
I
1.1.9. Investigación diagnóstica de las necesidades de servicios básicos y de infraestructura...................................................... 5
2. FASE DE SERVICIO TÉCNICO PROFESIONAL 2.1.
Diseño del sistema de alcantarillado sanitario para la aldea Panabajal......................................................................
7
2.1.1 Descripción del proyecto.............................................................
7
2.1.2 Estudios topográficos..................................................................
7
2.1.2.1
Altimetría..........................................................................
7
2.1.2.2
Planimetría......................................................................
8
Período de diseño......................................................................
8
2.1.4 Cálculo de la población futura...................................................
8
2.1.3
2.1.4.1
Incremento geométrico.....................................................
9
2.1.5
Generalidades de un sistema de alcantarillado.......................
9
2.1.6
Consideraciones para el diseño del sistema de alcantarillado.. 10
2.1.7
Uso del agua..........................................................................
10
2.1.8
Dotación................................................................................
11
2.1.9
Factor de retorno..................................................................
11
2.1.9.1 Velocidad del flujo..........................................................
11
2.1.10 Caudal de conexiones ilícitas...............................................
12
2.1.11 Caudal domiciliar..................................................................
13
2.1.12
Cálculo de caudales............................................................
14
2.1.12.1. Caudal.........................................................................
14
2.1.12.2. Tirante o profundidad del flujo...................................
15
2.1.13 Caudal de infiltración...........................................................
15
2.1.14 Caudal comercial.................................................................
15
2.1.15 Caudal industrial.................................................................
15
2.1.16
Factor de caudal medio......................................................
16
2.1.17
Factor de Harmond.............................................................
17
II
2.1.18
Caudal de diseño................................................................
17
2.1.19
Determinación de la ruta....................................................
18
2.1.20
Pendientes.........................................................................
18
2.1.21
Cálculo de las cotas invert..................................................
19
2.1.22
Diámetros de tubería..........................................................
19
2.1.23
Pozos de visita....................................................................
20
2.1.23.1 Especificaciones para pozos de visita........................
20
2.1.24
Conexiones domiciliares.....................................................
21
2.1.24.1 Cajas o candelas........................................................
21
2.1.24.2 Tubería secundaria....................................................
22
2.1.25
Profundidad de la tubería....................................................
22
2.1.26 Volumen de excavación.......................................................
23
2.1.27 Principios hidráulicos...........................................................
23
2.1.28 Ecuación de Manning para flujos en canales......................
24
2.1.29 Ecuación a sección llena........................................... ……… 25 2.1.30 Relaciones hidráulicas.........................................................
26
2.1.31 Diseño del alcantarillado sanitario.......................................
27
2.1.32 Propuesta de tratamiento...................................................
30
2.1.32.1. Fosa séptica con pozos de absorción......................
31
2.1.32.2.
Descarga del efluente de la fosa séptica a zanjas de absorción...................................................................
32
2.1.33 . Cálculo y diseño de la fosa séptica.....................................
33
2.1.33.1. Cálculo de volumen..................................................
35
2.1.33.2. Cálculo de la fosa séptica para el proyecto..............
36
2.1.34. Diseño estructural de la fosa séptica por el método de bandas................................................................................
38
2.1.34.1. Presión sobre el fondo..............................................
39
2.1.34.2. Determinaciòn de cargas..........................................
40
2.1.34.3. Determinación de momentos fijos............................
41
III
2.1.34.4. Distribución de momentos.......................................
42
2.1.34.5. Determinación de reacciones reales........................
44
2.1.34.6. Puntos de inflexión...................................................
45
2.1.34.7. Momento positivo máximo en paredes.....................
45
2.1.34.8. Corte que resiste el concreto....................................
46
2.1.34.9. Esfuerzo de corte...................................................... 46 2.1.34.10. Distribución del refuerzo...........................................
46
2.1.35. Programa de operación y mantenimiento............................. 48 2.1.35.1. Línea central.............................................................
49
2.1.35.2. Pozos de visita..........................................................
50
2.1.36. Presupuesto........................................................................
51
3. DISEÑO DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE PARA UN SECTOR DE LA ZONA 4, DE LA CABECERA MUNICIPAL DE COMALAPA 3.1. Descripción del proyecto.............................................................
54
3.2. Fuentes de abastecimiento........................................................
54
3.3. Aforo de fuentes de agua............................................................
55
3.4. Calidad del agua.........................................................................
55
3.5. Planimetría................................................................................
56
3.6. Altimetría...................................................................................
57
3.7. Periodo de diseño.....................................................................
57
3.8. Población actual y población futura........................................... 57 3.8.1. Cálculo de población actual...............................................
57
3.8.2. Cálculo de población futura...............................................
58
3.9. Criterio para el diseño hidráulico de los acueductos..................
58
3.10. Tipos de servicio........................................................................
59
3.11. Factor de variación....................................................................
59
3.12. Dotación....................................................................................
59
IV
3.13. Determinación de caudales.......................................................
61
3.13.1. Caudal medio diario.......................................................
61
3.13.2. Caudal máximo horario.................................................
61
3.13.3. Factor de gasto….........................................................
62
3.14. Diseño de tuberías......................................................................
62
3.15. Tipos de tuberías.......................................................................
63
3.16. Diámetros de tuberías.................................................................
64
3.17. Coeficiente de fricción.................................................................
64
3.18. Diseño de la red de distribución..................................................
65
3.18.1. Red ramificadora o abierta...........................................
65
3.18.2. Red en forma de malla o circuito cerrado..................... 66 3.18.3 Presiones y velocidades............................................... 66 3.18.4. Cálculo de la red de distribución de agua potable.......
67
3.19. Presupuesto...............................................................................
69
CONCLUSIONES...........................................................................................
73
RECOMENDACIONES..................................................................................
75
BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................
77
APÉNDICE.....................................................................................................
79
V
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES FIGURAS
1. Diagrama de fuerzas en banda, caso típico
40
2
Distribución de momentos en banda, caso típico
42
3
Determinación de reacciones reales
44
4
Fosa de uno y dos compartimientos
82
5
Caso típico de distribución de bandas
83
6
Plano de planta general del drenaje sanitario
94
7
Plano de densidad de vivienda
95
8
Plano planta perfil
96
9
Plano planta perfil
97
10 Plano planta perfil
98
11 Plano de detalles varios
99
12 Plano de la fosa séptica
100
13 Plano de densidad de vivienda
101
14 Plano planta perfil
102
15 Plano planta perfil
103
16 Plano detalles varios
104
TABLAS I.
Especificaciones hidráulicas
26
II.
Análisis del marco de la banda
43
III. Resumen del presupuesto del drenaje sanitario
52
IV. Dotación de agua recomendada
60
V. Resumen de presupuesto de la red de distribución
70
VII
VI. Parámetros de diseño de la red de distribución
81
VII. Cálculo hidráulico del drenaje sanitario
84
VIII. VIII.
86
Cálculo hidráulico de la red de distribución
IX. Libreta topográfica del drenaje sanitario
86
X. Libreta topográfica de la red de distribución de agua potable
90
XI. Cronograma de ejecución
92
XII. Cuadro resumen del diseño estructural de la fosa séptica
93
VIII
LISTA DE SÍMBOLOS
P.V.C.
Cloruro de polivinilo
Q
Caudal en litros por segundo
C
Coeficiente de fricción de la tubería
PSI
Libras por pulgada cuadrada
MCA
Metros columna de agua
V
Velocidad en metros por segundo
Hf
Pérdida por fricción en la tubería, en metros
EST.
Estación
P.O.
Punto observado
INE
Instituto Nacional de Estadística
Mm
Milímetro
E.P.S.
Ejercicio Profesional Supervisado
Ml
Metros lineales
Seg
Segundos
L/s
Litros por segundo
L/hab/dìa
Litros habitante día
IX
GLOSARIO
Aforo
Consiste en medir un caudal, utilizando varios métodos volumétrico, vertederos, molinete, etc.
Agua potable
Es el agua sanitariamente segura para la salud y agradable a los sentidos.
Se encuentra libre de
contaminación objetable, y por lo tanto, es adecuada para la salud humana.
Análisis de agua
Es el conjunto de parámetros que tienen por objeto definir la calidad del agua, al relacionarlos con normas, las cuales establecen los valores de las concentraciones
máximas
aceptables
y/o
permisibles, para el uso benéfico al cual se destine.
Alcantarillado sanitario
Sistema de tubería que conduce aguas servidas únicamente. No conduce agua de lluvia.
Aguas negras
En general se llama así a las aguas de desechos provenientes de
Aguas negras domiciliares
usos
doméstico industriales.
Las que provienen de la higiene personal, limpieza de edificios, cocinas, lavandería, etc.
XI
Altimetrìa
Parte de la topografía que enseña a medir las alturas, sirve para la representación de secciones o perfiles de una sección de terreno, cuyas alturas están referidas a un eje llamado línea de horizonte.
Banco de marca
Caudal
Punto fijo que indica altura sobre el nivel del mar. Es el volumen de agua que pasa por una sección de flujo por unidad de tiempo. El caudal se expresa en litros por segundo
Candela
Receptáculo donde se reciben las aguas negras provenientes del interior de la vivienda y que las conduce al sistema de drenaje.
Colector
Tubería, generalmente de servicio público, que recibe y conduce las aguas negras indeseables de la población al lugar de descarga.
Colector principal
Sucesión de tramos que, a partir de la descarga, siguen la dirección de los gastos mayores.
Colector secundario
Secesión de tramos que, a partir del colector principal, siguen la dirección de los gastos mayores.
Conexión domiciliar
Tubería que conduce las aguas negras desde el interior de la vivienda hasta el frente de ésta, donde se encuentra la candela.
XII
Cota invert
Cota desde la parte inferior del tubo ya instalado.
Dotación
Volumen de agua consumida por un habitante en un día; se expresa en litros habitante día.
Densidad de vivienda
Relación existente entre el número de viviendas por unidad de área.
Descarga
Lugar a donde se
vierten las aguas negras
provenientes de un colector, pueden estar crudas o tratadas en un cuerpo receptor.
Factor de caudal medio
Relación entre la suma de los caudales y los habitantes a servir.
Factor de Harmond
Factor de seguridad para las horas pico, está en relación con la población.
Factor de rugosidad
Grupo coliforme
Factor que expresa qué tan lisa es una superficie. Grupo de bacterias que habitan en el intestino grueso del hombre y de algunos animales. Cuando éstas
se
detectan
en
el
agua
indican
una
contaminación de tipo fecal; son las principales bacterias cuyo número se busca determinar en un análisis bacteriológico.
XIII
RESUMEN
El presente trabajo de graduación contiene el diseño de dos proyectos, los cuales son el sistema de drenaje sanitario para la aldea de Panabajal y la red de distribución de agua potable para un sector de la zona 4 de la cabecera municipal de Comalapa. El proyecto de drenaje sanitario se desarrolló atendiendo causas y necesidades de las comunidades del área rural como el mal transporte de las aguas servidas, que provoca la proliferación de enfermedades de todo tipo a la población. El proyecto de la red de distribución de agua potable se desarrolló para un sector de la zona 4 de la cabecera municipal, está diseñado para trabajar por gravedad; se utilizarán conexiones domiciliares. Se tiene como tipo de fuente un rebalse del tanque de distribución que abastece a la cabecera municipal, con un caudal de 1.16 l/seg.
XV
OBJETIVOS
General Diseñar el sistema de alcantarillado sanitario, para la comunidad de Panabajal y de la red de distribución de agua potable para un sector de la zona 4 de la cabecera municipal de San Juan Comalapa, Departamento de Chimaltenango.
Específicos 1. Desarrollar una investigación de tipo monográfica y diagnóstica, sobre las necesidades de servicios básicos y de infraestructura de la cabecera municipal de San Juan Comalapa, Chimaltenango. 2. Capacitar a los miembros del comité promejoramiento de la comunidad de Panabajal sobre operación y mantenimiento del sistema de alcantarillado sanitario.
XVII
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo de graduación, comprende, el diseño del sistema de alcantarillado sanitario para la aldea Panabajal y la red de distribución de agua potable para un sector de la zona 4 de la cabecera municipal de San Juan Comalapa del departamento de Chimaltenango; los cuales se realizan a través del programa del Ejercicio Profesional Supervisado (E.P.S.) de la Facultad de Ingeniería, de la universidad de San Carlos de Guatemala. Dentro de la problemática que sufren las comunidades del área rural está el consumo de agua contaminada y el mal transporte de las aguas servidas; lo que conlleva a sufrir enfermedades de tipo infeccioso. Debido a las situaciones antes mencionadas surge este trabajo de graduación como posible solución a los problemas. Para el desarrollo de los proyectos se hace una breve descripción de la población, sus características topográficas y las consideraciones preliminares para cada diseño.
XIX
1. FASE DE INVESTIGACIÓN
1.1. Monografía
de
la
aldea
Panabajal,
San
Juan
Comalapa,
Chimaltenango
1.1.1.
Aspectos generales
La aldea Panabajal debe su nombre a una variedad de maíz muy fuerte, que se cultivaba en la zona, especialmente en un cerro que lleva el nombre de ABAJAL, que originalmente era ABEJEL, pero con el pasar del tiempo sufrió la modificación señalada, por lo que se deriva de las voces cakchiqueles que traducidas al español significan: ABEJ JEL
PIEDRA MAZORCA
Al decir las personas vamos a Abajal en cakchiquel pronunciaban PANABAJAL, quedándole a la aldea dicho nombre.
1.1.1.1. Ubicación geográfica Pertenece al municipio de San Juan Comalapa, está situada a
7
kilómetros al oeste de la cabecera municipal, a una altura de 6,000 pies sobre el nivel del mar.
1
Esta aldea tiene los siguientes límites. Al norte por el caserío Xetonox; al sur con la aldea Pacorral del municipio de Tecpán; al este con la cabecera municipal; al oeste con la aldea de Panabajal del municipio de Tecpán.
1.1.1.2. Situación demográfica Esta aldea tiene una población actual de 2,358 habitantes, en su totalidad son indígenas de la étnia cakchiquel.
1.1.1.3. Vías de comunicación Antiguamente las vías de comunicación eran simplemente veredas que utilizaban los peatones, pues las necesidades no exigían mayor cosa. Para llegar a la comunidad de Panabajal, desde la cabecera municipal de Comalapa, se deben recorrer 7 kilómetros de carretera de terracería.
1.1.1.4. Clima Debido a su gran altura, la aldea tiene un agradable y saludable frío. en los meses de diciembre, enero y febrero es cuando se hace más intenso debido a los vientos que azotan la zona para estos meses.
1.1.1.5. Hidrografía La aldea cuenta con un río Pacorral, que es de gran importancia por ser el límite entre esta aldea y la de Pacorral. Y un riachuelo llamado Pan-ej, voz cakchiquel que significa en voz español Las Cañas.
2
1.1.1.6. Topografía La topografía de la aldea es bastante quebrada, pues ésta asentada en una colina, sus barrancos son bastantes profundos, cuenta entre 75 y 100 metros de profundidad. No obstante obstante a la irregularidad del terreno cuenta con unas planicies donde el cultivo se da en mayor grado.
1.1.1.7. Extensión Mide aproximadamente 6 caballerías cuadradas, es la aldea más grande del municipio.
1.1.1.8. Idioma El 100% de la población es indígena, por lo que el idioma predominante es el Cakchiquel, auque dominan parcialmente el español.
1.1.2.
Aspectos económicos y actividades productivas
Como recursos naturales se puede citar los bosques, que en su mayoría han sido talados, comercializando la madera a través de aserraderos con destino a la industria y utilizados como medio de vida. La tierra se clasifica en: barrosa, arenosa, lo que facilita el trabajo. La producción de mayor escala es el maíz, trigo y papa. Las cosechas son anuales exceptuando al trigo, del que se obtienen dos cosechas por año, la primera en el mes de septiembre y la segunda en el mes de enero.
3
1.1.2.1. Agricultura La agricultura es la base fundamental de subsistencia para esta aldea, cosechan los productos de los cuales venden una parte y guardan otra para su consumo. Los productos que se cosechan son maíz, trigo, papa, haba, arveja china, fresa, fríjol, y unos árboles frutales como el durazno, la manzana, el membrillo, la pera, las manzanillas y la granadilla.
1.1.3.
Comercio y servicio
El comercio en esta comunidad como en todas partes se presenta como una actividad complementaria, para tener ingresos económicos. Panabajal comercia sus productos en los mercados de Comalapa y Tecpán, aunque también lo hacen en Chimaltenango, Guatemala y en ciertas ocasiones en San Francisco el Alto. En Comalapa los días de mercado son los martes y viernes y en Tecpán los jueves.
1.1.4.
Artesanía
Como principal artesanía, está la confección de sus propios vestidos a base de bordados, a mano o en telares. También se dedican a la elaboración de monederos, servilletas y fajas por medio de telares.
4
1.1.5.
Comunicaciones
El medio de comunicación de la aldea de Panabajal, es por teléfonos celulares, ya que no existen teléfonos comunitarios o públicos.
1.1.6.
Turismo
No se registra turismo en la aldea, por carecer de sitios atractivos para tal fin.
1.1.7. Educación En la aldea funcionan dos escuelas, una para primaria y la otra para párvulos, por lo que la comunidad necesita acudir a la cabecera municipal para los niveles de básicos.
1.1.8. Salud Las instituciones encargadas de velar por la salud de los habitantes en la aldea son el puesto de salud y proyecto Kajih Jel.
1.1.9. Investigación diagnóstica de las necesidades de servicios básicos y de infraestructura Según solicitudes y
priorización de proyectos, realizadas en la
municipalidad, los problemas se marcan en las comunidades del área rural donde las condiciones de vida son denigrantes. Es el caso de las comunidades en estudio.
5
A continuación algunos proyectos priorizados: •
Diseñar la red de distribución de agua potable para un sector de la zona 4 de la cabecera municipal de san Juan Comalapa.
•
Mejorar las calles de la cabecera municipal.
•
Diseñar la red de alcantarillado sanitario para la aldea de Panabajal.
•
Cambiar de tubería de introducción de agua potable para la zona 3 de Comalapa.
•
Mejorar el sistema de transporte de pasajeros con vehículos adecuados para el servicio público.
6
2. FASE DE SERVICIO TÉCNICO PROFESIONAL
2.1. Diseño del sistema de alcantarillado sanitario para la aldea Panabajal.
2.1.1. Descripción del proyecto El proyecto consistirá en diseñar el sistema de alcantarillado sanitario para la aldea Panabajal, la cual tiene una población de 2,358 habitantes. Actualmente la aldea cuenta con letrinas y el agua de pilas y cocinas es expulsada a las calles, que recorren a flor de tierra. Se diseñará la red principal y secundaria de tubería PVC, así como también pozos de visita y conexiones domiciliares. Se propondrá un programa de operación y mantenimiento. Debido a la topografía del lugar se determinó que se debe diseñar dos redes independientes, para no ir contra la pendiente y por lo tanto habrá dos descargas en las cuales se construirá un sistema de tratamiento a base de fosa séptica.
2.1.2. Estudios topográficos
2.1.2.1. Altimetría La altimetría permite conocer la sección vertical del terreno, y conocer la pendiente del terreno natural, para diseñar el tipo de obra que se desea construir, en este caso el diseño es de alcantarillado sanitario.
7
El método empleado fue una nivelación compuesta, el equipo utilizado, un nivel de precisión marca wild, un estadal y los resultados se representan en el cuadro de resumen, ver en apéndice tabla IX.
2.1.2.2. Planimetría Este trabajo se realizó para obtener la representación gráfica en planta del terreno y de esta forma localizar la línea central, secciones transversales y la ubicación de los servicios existentes en la vía principal de la comunidad. La planimetría que se realizó con el método de conservación del Azimut, por medio de una poligonal abierta, el equipo utilizado fue un teodolito marca wild T2, estadal y los resultados se encuentran en el apéndice tabla IX.
2.1.3. Período de diseño El período de diseño adoptado para todos los componentes del sistema de este proyecto es de 20 años, considerando 1 año adicional de gestión para obtener el financiamiento y para la construcción del mismo.
2.1.4. Cálculo de la población futura Para calcular la población futura, se utilizó el método geométrico, tomando también posibles áreas a ser urbanizadas o de desarrollo futuro. Para el cálculo de la población futura se tomó una tasa de crecimeinto del 3. 00% .
8
2.1.4.1. Incremento geométrico Para calcular la cantidad de habitantes que se beneficiarán con este servicio al final del período de diseño, se aplicó el método de incremento geométrico, por ser el método que más se adapta al crecimiento real de la población en el medio. La fórmula para calcular la población futura es: Pf = Po ( 1 + r ) n En donde: Pf = Población futura. Po = Población del último censo o actual. R = Tasa de crecimiento poblacional. N = Período de diseño. Para red 1 Pf = 198( 1 + 0.03 ) 21
= 369 hab.
Para red 2 Pf = 630 ( 1 + 0.03 ) 21
= 1172 hab.
2.1.5. Generalidades de un sistema de alcantarillado El proyecto de drenaje sanitario contiene un colector principal, conexiones domiciliares, candelas,
pozos de visita y una propuesta de
tratamiento, un tratamiento primario a base de una fosa séptica con zanjas de absorción. La profundidad de los colectores debe ser suficiente para protegerlos contra ruptura por el tránsito pesado y para permitir que drene el accesorio más bajo que existe en los predios a servir.
9
Por norma, se ha de comenzar el diseño con tubería de 8 pulgadas para tubería de concreto y 6 pulgadas para tubería PVC. Al respecto, se puede decir que se podría comenzar en el primer ramal con tubería de diámetro menor, diámetro que funcionaría bien en lo que a hidráulica se refiere; sin embargo, el inconveniente se presenta al efectuar los trabajos de limpieza, por el arrastre de basura u otro objeto que produzca un fácil taponamiento.
2.1.6. Consideraciones para el diseño del sistema de alcantarillado Para el diseño de un sistema de alcantarillado sanitario, se debe considerar varios aspectos que son importantes, la ubicación geográfica, clima, características de la población, sistema de abastecimiento de agua potable y topografía. Los cuales servirán de ayuda para realizar un proyecto, de acuerdo a las necesidades y condiciones que la comunidad presente.
2.1.7. Uso del agua El agua potable tiene diferentes usos dentro del hogar, que dependen de muchos factores como el clima, nivel de vida y condiciones socio-económicas, tipo de población, la presión de la red, la calidad y el costo del agua. Estos usos se han cuantificado por diferentes entes como la asociación guatemalteca de Ingeniería Sanitaria y Ambiental y Escuela Regional de Ingeniería Sanitaria y Recursos Hidráulicos, estableciéndose así, datos en lo referente a bebidas, preparación de alimentos, lavado de utensilios, baño, lavado de ropa, descarga de inodoros, pérdidas, etc.
10
2.1.8. Dotación Ésta se establece en función a tres aspectos importantes, la demanda de la comunidad, disponibilidad del caudal de la fuente y la capacidad económica para costear el mantenimiento y operación del sistema. Para el diseño se tomó una dotación proporcionada por la municipalidad de 100 L/hab/dìa.
2.1.9. Factor de retorno El factor de retorno es el porcentaje de agua, que después de ser utilizada, vuelve al drenaje. Este valor puede oscilar entre 0.70 a 0.90. La decisión de tomar cualquiera de estos valores influirá mucho en los costos que el proyecto representará. Un valor mayor
dará como resultado caudales y
diámetros de tuberías grandes, lo que implicaría altos costos, por el contrario, un valor pequeño de este factor dará caudales pequeños y por consiguiente, diámetros de tuberías pequeños, por lo que se reducirían los costos. El factor de retorno para el proyecto será de 0.80.
2.1.9.1. Velocidad del flujo La velocidad del flujo está determinada por la pendiente del terreno, el diámetro de la tubería y el tipo de tubería a utilizar (T.C. o PVC). La velocidad del flujo se determina por la fórmula de Manning y las relaciones hidráulicas de v/V, en donde v es la velocidad real del flujo y V es la velocidad del flujo a sección llena; según la norma ASTM 3034 es recomendable que la velocidad del flujo en líneas de alcantarillados no sea menor de 0.60 m/s para tubería de concreto y 0.40 m/s para tubería PVC, para proporcionar una acción de auto limpieza, es decir, capacidad de arrastre de partículas.
11
La velocidad máxima recomendable es de 4.00 m/s solo para tubería PVC y para tubería de concreto 3.00 m/s. Para velocidades mayores se debe tomar en cuenta ciertas consideraciones especiales para la disipación de energía, evitando la erosión de los pozos de visita o de cualquier estructura dentro del sistema.
2.1.10. Caudal de conexiones ilícitas Corresponde básicamente a la incorporación de los desagües pluviales (proveniente de techos y
patios) a la red sanitaria; se debe evaluar tales
caudales y adicionarlos al caudal de diseño. Para su estimación se recomienda calcularlo como un porcentaje del total de conexiones, como una función del área de techos y patios, y de su permeabilidad, así como de la intensidad de lluvia. Se estima un porcentaje de viviendas que pueden realizar estas conexiones ilícitas que varía entre 0.5 a 2.5%. Para calcular el caudal de conexiones ilícitas, se debe tener en cuenta el criterio que algunas instituciones ya han establecido, estos son: •
El INFOM, toma la conexión ilícita como el 10% del caudal doméstico.
•
Otros autores, determinan la conexión ilícita en 150 lt/hab/día.
•
La municipalidad de Guatemala calcula la conexión ilícita en 100 lt/hab/día.
•
El método racional.
Para el proyecto se optó por la primera, que es la norma del INFOM, por las características de la comunidad que se determinó al momento de hacer la visita al lugar, ya que la mayor parte del drenaje pluvial es desfogado hacia los terrenos.
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Qcired1 = 0.10 * 0.34l / h / d = 0.034lit / seg. Qcired 2 = 0.10 *1.08l / h / d = 0.108lit / seg.
2.1.11.
Caudal domiciliar
Es el agua que ha sido utilizada para la limpieza o producción de alimentos y es desechada y conducida a la red de alcantarillado; el agua de desecho doméstico está relacionada íntimamente con la dotación y el suministro de agua potable. La fórmula para calcular el caudal domiciliar queda integrada de la siguiente manera:
Qdom =
Dot * No.Hab * FR 86400
En donde: Dot
= Dotación (lts/hab/día )
No.Hab
= Número de habitantes futuros o población futura.
Qdom
= Caudal domiciliar (lts/seg)
FR
= Factor de retorno.
Qdomred1 =
100l / h / d * 369hab * 0.80 = 0.34lit / seg. 86400
Qdomred 2 =
100l / h / d * 1172hab * 0.80 = 1.08lit / seg. 86400
13
2.1.12. Cálculo de caudales El cálculo de los diferentes caudales que componen el flujo de aguas negras, se efectúa mediante la aplicación de diferentes factores, e influirá en gran parte en la economía del proyecto. Los factores que se deben tomar en cuenta son la dotación de agua en las viviendas, tanto para el sector industrial como el comercial, la intensidad de lluvia para el área en estudio, estimación del caudal por conexiones ilícitas, cantidad de agua que pueda infiltrarse en el drenaje y las condiciones socio-económicas de la población.
2.1.12.1. Caudal La cantidad de caudal que puede transportar el drenaje está determinada por el diámetro, la pendiente y la velocidad que puede llegar a tener el flujo dentro de la tubería. El principio fundamental para el diseño de alcantarillados es que el drenaje funciona como un canal abierto, es decir que la tubería no funciona a presión. El tirante máximo del flujo a transportar lo da la relación de tirantes d/D, en donde d es la altura del flujo y D es el diámetro interior de la tubería, esta relación debe ser mayor que 0.10m para que exista arrastre de las excretas y por ende no exista sedimentación, y menor que 0.75m para que trabaje como un canal abierto.
14
2.1.9.2. Tirante o profundidad del flujo La altura del tirante del flujo, deberá ser mayor que el 10% del diámetro de la tubería y menor que el 80% de la misma, estos parámetros aseguran el funcionamiento del sistema como un canal abierto y la funcionalidad en el arrastre de los sedimentos.
2.1.13.
Caudal de infiltración
Para este caso, no existe caudal de infiltración por utilizar tubería P.V.C., dadas las propiedades del material.
2.1.14.
Caudal comercial
Se define como la cantidad de aguas negras que desecha el comercio, está en función de la dotación de agua asignada para este fin. Para el proyecto de la aldea Panabajal, este caudal es nulo, ya que los comercios son pequeños y no cuentan con dotación especial, usan la misma del domicilio que alberga el comercio y que sirve de vivienda a sus propietarios.
2.1.15.
Caudal industrial
En este caso no se estima caudal industrial por no existir industrias en la aldea.
15
2.1.16.
Factor de caudal medio
Se considera como la suma de todos los caudales anteriormente descritos, dividido por el número de habitantes a servir, de acuerdo con las normas vigentes en el país, este factor debe ser mayor a 0.0020 y menor que 0.0050, si por alguna razón el valor calculado estuviera debajo de 0.0020 se adoptará éste; y si por el contrario el valor calculado estuviera arriba de 0.0050 se tomará como valor para el diseño 0.0050; considerando siempre que los valores no se alejen demasiado de los límites, ya que se podría caer en un sobrediseño o subdiseño, según sea el caso.
FQm =
Qs ; No.HabFuturo
Donde Qs = ∑ (Qd + Qind + Qcom + Qci + Q inf )
Para tramo 1
FQm =
0.363 = 0.0010 358
tomar 0.002
Para tramo 2
FQm =
1.15 = 0.0010 1134
tomar 0.002
Se obtuvieron dos valores ya que el proyecto se conforma de dos redes distintas.
16
2.1.17.
Factor de Harmond
El factor de Harmond o factor de flujo instantáneo, es un factor de seguridad que involucra al número de habitantes a servir en un tramo determinado. Este factor actúa principalmente en las horas pico, es decir, en las horas en que más se utiliza el sistema de drenaje. Es único para todo el tramo. Su fórmula es:
FH =
18 + P ; 4+ P
P=
PoblaciónFutura 1000
Para tramo 1
FH =
18 + 0.358 = 4.04 4 + 0.358
Para tramo 2
FH =
18 + 1.134 = 3.76 4 + 1.134
2.1.18.
Caudal de diseño
Es el caudal para el cual se diseña un tramo del sistema de alcantarillado o drenaje, debe cumplir con los requerimientos de velocidad y tirante hidráulico.
Qdis = No.Hab * FQm * FH
17
2.1.19.
Determinación de la ruta
Al realizar la selección de la ruta que seguirá el agua se deben considerar los siguientes aspectos:
•
Iniciar el recorrido de los puntos que tengan las cotas más altas y dirigir el flujo hacía las cotas más bajas.
•
Para el diseño, se debe seguir la pendiente del terreno, con esto se evitará una excavación profunda y disminuir así costos de excavación.
•
Acumular los caudales mayores en tramos en los cuales la pendiente del terreno es pequeña y evitar de esta manera que a la tubería se le de otra pendiente ya que se tendría que colocar la tubería más profunda.
•
Evitar dirigir el agua en contra la pendiente del terreno. Para este caso se desarrolló por dos tramos diferentes ya que la topografía no permitía tomar solo un tramo.
2.1.20.
Pendientes
Se recomienda que la pendiente utilizada en el diseño sea la pendiente que tenga el terreno natural, así se evitará sobrecosto por excesiva excavación, siempre y cuando cumpla con las relaciones hidráulicas y las velocidades permisibles. No existe pendiente mínima en los colectores principales, ya que ésta se determina con la velocidad, en colectores secundarios la pendiente mínima será del 2%, lo que asegura un arrastre de excretas. En las áreas donde la pendiente del terreno es muy leve, se recomienda en lo posible acumular la mayor cantidad de caudales, para generar una mayor velocidad.
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En cuanto a los tramos en que la pendiente natural del terreno sea tan pronunciada que pueda ocasionar velocidades mayores a las establecidas, se utilizará un sistema de tramos cortos con pendientes aceptables, conectados por estructuras de caída debidamente dimensionados.
2.1.21.
Cálculos de las cotas Invert
Se denomina cota invert, a la distancia existente entre el nivel de la rasante del suelo y el nivel inferior de la tubería, debe verificarse que la cota invert sea al menos igual a la que asegure el recubrimiento mínimo necesario de la tubería. Para calcular las cotas invert, se toma como base la pendiente del terreno y la distancia entre pozos, deben seguirse las siguientes reglas para el cálculo de las cotas invert:
•
La cota invert de salida de un pozo se coloca a tres centímetros debajo de la cota invert de la tubería que entra al pozo.
•
Cuando el diámetro de la tubería que entra a un pozo es menor que el diámetro de la tubería que sale, la cota invert de salida estará al menos a una altura igual a la diferencia de los diámetros, más baja que la cota invert de entrada.
2.1.22.
Diámetros de tubería
En el diseño de alcantarillados, es uno de los elementos que hay que calcular, se debe seguir ciertas normas para evitar que la tubería se obstruya. Según las normas del Instituto Nacional de Fomento Municipal, se debe utilizar para sistemas de drenaje sanitario un diámetro mínimo de 8” cuando se utilice tubería de concreto y de 6”. Cuando se utilice tubería de PVC, para las conexiones domiciliares el diámetro mínimo con tubería de concreto es de 6” y de 4” para PVC.
19
2.1.23.
Pozos de visita
Los pozos de visita son parte de las obras accesorias de un sistema de alcantarillado y son empleados como medios de inspección y limpieza. La forma constructiva de los pozos de visita se ha normalizado considerablemente y se han establecido diseños que se adoptan de un modo general. Están construidos con ladrillos y concreto reforzado, de forma cilíndrica, que remata generalmente en su parte superior en forma de tronco cónico y con tapa removible, la cual se construye con el objeto de permitir el acceso y mantenimiento de la estructura. Las paredes del pozo deben estar impermeabilizadas con repello más un cernido liso, el fondo está conformado de concreto; para realizar la inspección o limpieza los pozos profundos se deben dejar escalones, los cuales serán de hierro y estarán empotrados a las paredes del pozo. La profundidad que poseen estos pozos es variable.
2.1.23.1. Especificaciones para pozos de visita Un pozo de visita debe:
•
Proporcionar un control de flujo hidráulico en cambios de dirección
•
Proporcionar acceso a la tubería para mantenimiento e inspección
•
Proporcionar ingreso de oxígeno al sistema Y se colocarán en los siguientes puntos:
•
Al inicio de cualquier ramal.
•
En intersecciones de dos o más tuberías.
•
Donde exista cambio de diámetro.
•
En distancias no mayores de 100 m.
20
•
En las curvas no más de 30 m.
•
Alivio o cambio de pendientes y dirección. Comúnmente los pozos de visita están en las intersecciones de las
calles, entre 90 y 100 m. El intervalo puede se mayor cuando se utiliza tubería de PVC, que disminuye substancialmente los problemas de limpieza y mantenimiento, comparado con otros tipos de tubería que tienen pobres características de flujo y son propensos a penetración de raíces y daños. Para el proyecto, los pozos de visita se construirán de ladrillo y concreto reforzado de forma cilíndrica.
2.1.24. Conexiones domiciliares Es la tubería que lleva las aguas servidas desde una vivienda o edificio al alcantarillado central. Consta de las siguientes partes:
2.1.24.1. Caja o candela La conexión se realiza por medio de una caja de inspección, construida de mampostería o con tubos de concreto colocados verticalmente. El lado menor de la caja será de 45cm. Si fuese circular tendrá un diámetro no menor de 12 pulgadas; deben estar impermeabilizados por dentro y tener una tapadera para realizar inspecciones. El fondo tiene que ser fundido de concreto, dejando la respectiva pendiente para que las aguas fluyan por la tubería secundaría y pueda llevarla al sistema de alcantarillado central. La altura mínima de la candela será de un metro.
21
2.1.24.2. Tubería secundaria La conexión de la candela domiciliar con la tubería central se hará por medio de la tubería secundaria, la cual tiene un diámetro mínimo de 6 pulgadas en tubería de concreto y de 4 pulgadas en tubería de PVC, debe tener una pendiente mínima de 2%, a efecto de evacuar adecuadamente los desechos. La conexión con la alcantarilla central se hará en el medio diámetro superior y a un ángulo de 45° aguas abajo. Al realizar el diseño del alcantarillado deben considerarse las alturas en la cuales se encuentran las casas con relación a la alcantarilla central y con esto no profundizar demasiado la conexión domiciliar, aunque en algunos casos resulta imposible por la topografía del terreno, y deben considerarse otras formas de realizar dicha conexión. Para este caso las conexiones domiciliares tendrán: Candela será con tubo de concreto de 12 pulgadas de diámetro Colector secundario con tubería PVC, de 4 pulgadas de diámetro.
2.1.25. Profundidad de la tubería La profundidad de la parte superior de la tubería, con respecto al nivel de la superficie, es normalmente de 1.20m, salvo en climas extremadamente fríos donde se dan temperaturas inferiores a 0 ° centígrados y la penetración de heladas es profunda. Para el proyecto en estudio, se tomó una profundidad de tubería de 1.20m al inicio del tramo y el resto en un promedio de 1.80 a 1.90m.
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2.1.26. Volumen de excavación La cantidad de tierra que se removerá para colocar la tubería, está comprendida a partir de la profundidad de los pozos de visita, el ancho de la zanja, que depende del diámetro de la tubería a utilizar y la longitud entre pozos. Se puede calcular de la siguiente manera:
⎛ H1 + H 2 ⎞ V =⎜ ⎟d * t 2 ⎝ ⎠ Donde: V = volumen de excavación (m3) H1 = profundidad del primer pozo (m) H2 = profundidad del segundo pozo (m) D = distancia entre pozos (m) T = ancho de la zanja (m)
2.1.27. Principios hidráulicos Las alcantarillas basan su funcionamiento en transportar el agua de desecho en conductos libres, que están en contacto con el aire, a los cuales se les conoce como canales. El flujo queda determinado por la pendiente del canal y la superficie del material del cual está construido. La sección del canal puede ser abierta o cerrada, en el caso de los sistemas de alcantarillado se emplean canales cerrados circulares, en donde la superficie del agua está sometida a la presión atmosférica y eventualmente a presiones producidas por los gases que se forman en el canal.
23
2.1.28. Ecuación de Manning para flujos en canales El análisis y la investigación de las características del flujo hidráulico han permitido que los sistemas de alcantarillado, construidos con tuberías plásticas sean diseñados conservadoramente utilizando la ecuación de Manning. La relativamente pequeña concentración de sólidos usualmente presente en las aguas negras y de tormenta, no es suficiente para hacer que el comportamiento hidráulico difiera al de agua limpia, siempre que se mantengan velocidades mínimas de auto limpieza. En general, para simplificar el diseño de sistemas de alcantarillado, es aceptable asumir condiciones constantes de flujo aunque la mayoría de los sistemas de drenaje o alcantarillado funcionan con caudales sumamente variables. Cuando se diseña permitiendo que la altura del flujo en el conducto varíe, se considera como flujo a superficie libre; si esa condición no se cumple se dice que la tubería trabaja a presión interna. Los valores de velocidad y caudal que corren en un canal se han estimado por medio de fórmulas desarrolladas experimentalmente, en las cuales se involucran los factores que más afectan al flujo de las aguas en el canal; una de las fórmulas que es empleada para canales es la de Chezy para flujos uniformes y permanentes.
V = C Rh * S Donde: V
= velocidad m/s
Rh = Radio hidráulico S
= pendiente m/m
C = Coeficiente
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En la fórmula de Chezy, la constante C varía de acuerdo con la siguiente expresión:
C=
Rh1 / 6 n
Donde n, es el coeficiente de rugosidad, el cual depende del material del que está hecho el canal. Al sustituir C en la fórmula de Chezy, se obtiene
V =
1 1/ 6 Rh * S 1 / 2 n
La que se conoce como la fórmula de Manning para canales abiertos y cerrados. Para conductos circulares
y unidades mixtas se utiliza la fórmula
siguiente:
V =
0.03429 * D 2 / 3 * S 1 / 2 → D = en pulgadas n
2.1.29. Ecuación a sección llena Para el diseño del alcantarillado sanitario se debe contar con la información correspondiente a los valores de la velocidad y caudal de la sección llena de la tubería que se está utilizando. Para el cálculo de la velocidad y el caudal se emplean las siguientes fórmulas:
V =
0.03429 * D 2 / 3 * S 1/ 2 n
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Q = A *V
Donde: Q = caudal a sección llena (m3/s) A = Área de la tubería (m2) V = Velocidad a sección llena (m/s)
2.1.30. Relaciones hidráulicas Al realizar el cálculo de las tuberías que trabajan a sección parcialmente llena y agilizar de alguna manera los resultados de velocidad y caudal, se relacionan los términos de la sección totalmente llena con los de la sección parcial. Se deberá determinar los valores de la velocidad y caudal a sección llena por medio de las ecuaciones ya establecidas, se procederá a obtener la relación de caudales (q/Q), donde q es el caudal de diseño y Q caudal a sección llena. Se deben considerar las siguientes especificaciones hidráulicas:
Tabla I. Especificaciones hidráulicas.
Sanitario Caudal Velocidad Tirante Diámetro
Qdis < Q sec llena 0.6 < v < 3.00 (T.C) 0.4 < v < 5.00 (PVC) 0.1 < d/D < 0.75 8 pulgadas (T.C) 6 pulgadas (PVC)
Pluvial qdis < Q sec llena 0.6 < v < 3.00 (T.C) 0.4 < v < 5.00 (PVC) d/D < 0.90 10 pulgadas
26
2.1.31. Diseño del alcantarillado sanitario A continuación se presenta un ejemplo para el diseño del tramo PV-5 al PV-6.
Datos para diseño: Período de diseño
21 años
Dotación de agua potable
100 lt/ha/día
Factor de retorno
0.80
Caudal de conexiones ilícitas
10%Cauldal domiciliar.
Longitud del tramo
25.81 m
Población actual acumulada
114 habitantes
Población futura acumulada
206 habitantes
Tasa de crecimiento
3.00%
Caudal domiciliar
Qdom =
Dot * No.Hab * FR 100lt / hab / dia * 206hab * 0.80 = = 0.19 lt/s 86400 86400
Conexiones ilícitas:
Qci = 10%caudaldomiciliar
= 0.10 * 0.19 = 0.019 lt/s
Para el diseño de la red no se tomó en cuenta el caudal comercial por no existir comercios en la aldea ni el caudal de infiltración por utilizar tubería PVC.
Factor de caudal medio Este factor por ser único en todo el tramo se calcula con la población total futura.
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FQM =
Qs No.HabFuturo
=
0.363 = 0.0010 358
Como 0.0010 < 0.002, entonces se toma como FQM = 0.002 Las cotas del terreno para los respectivos pozos de visita son los siguientes: PV – 5 cota de terreno inicial: 981.26 m PV – 6 cota de terreno final: 980.44 m Longitud del tramo: 25.81 m
Pendiente del terreno:
S =[
CotaInicial − CotaFinal LontitudTramo
]*100 = [
981.26 − 980.44 25.81
Cálculo del factor de Harmond: FH =
18 + P ; 4+ P
FH =
18 + 0.358 = 4.04 4 + 0.358
Donde P =
PoblaciónFutura 1000
Este factor es único para todo el tramo.
Caudal de diseño:
Qdis = No.Hab * FQm * FH = 206 * 0.002 * 4.04 = 1.66 lt/s
28
]*100
= 3.18%
Diseño hidráulico Cálculo de la velocidad y caudal a sección llena, tomando d = 6 plg.
Velocidad
0.03429 0.03429 ⎛ 3.18 ⎞ * (6" ) 2 / 3 * ⎜ V = * D 2 / 3 * S 1/ 2 = ⎟ n 0.010 ⎝ 100 ⎠
Caudal a secciòn llena
1/ 2
= 2.24 m/s
⎡π 2⎤ Q = V * A = 2.24 * ⎢ * (6) ⎥ = = 63.42 lt/s ⎦ ⎣4
Relaciones hidráulicas
q 1.66 = 0.026246 = Q 63.42
Relación d/D y v/V Tomando el valor de q/Q se busca en las tablas de relaciones hidráulicas, d/D y v/V, y se obtienen los siguientes valores:
d = 0.112 D
(Cumple la condición de 0.10 < d/D < 0.80)
v = 0.430901 , despejando v queda V v = 0.430901 * V (sec Llena ) = 0.430901*2.24 = 0.97 m/s (cumple 0.40 < v < 5.00)
29
Cálculo de la cota Invert Se procede de la siguiente forma:
⎛ Stubo ⎞ ⎛ 3.18 ⎞ CIE = CISpv5 − ⎜ ⎟ * DistH = 979.54 − ⎜ ⎟ * 25.81 = 978.72 ⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ Donde: CIE
= Cota invert de entrada al pozo
CISpv5 = Cota invert de salida del pozo de visita 5 Stubo = Pendiente de la tubería DistH
= Distancia horizontal
Altura del pozo H = CT − CIE = 980.44 – 978.72 = 1.72 m
Volumen de Excavación
⎛ Hpv5 + Hpv6 ⎞ ⎛ 1.72 + 1.72 ⎞ V =⎜ ⎟d * t = ⎜ ⎟ * 25.81 * 0.60 = 26.64 m3 2 2 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ El resto del cálculo se encuentra en el cuadro resumen del cálculo hidráulico en el apéndice tabla VII.
2.1.32. Propuesta de Tratamiento Las aguas negras son líquidos turbios que contienen sólidos en suspensión (desechos), provenientes de las actividades de los seres humanos. Con el tiempo cambian a un color negro y su olor es ofensivo. Las razones para tratar las aguas negras se pueden resumir de la siguiente forma:
30
•
Consideraciones higiénicas: eliminar o reducir al máximo los organismos
patógenos
de
origen
entérico,
para
evitar
la
contaminación que contribuya a trastornos orgánicos en las personas.
•
Consideraciones estéticas: eliminar todas aquellas materias orgánicas o de otro tipo que son ofensivas para el bienestar, agrado y salud de las comunidades; que inciden en el aspecto estético y urbanístico de los sectores cercanos a donde escurren las aguas negras.
•
Consideraciones económicas: las aguas negras sin tratamiento, diluidas a un río, lago u otro podrían desvalorizar la propiedad; perjudican los servicios de agua para consumo humano, industrial y disminuyen la cantidad del agua de regadillo.
2.1.32.1. Fosa séptica con pozos de absorción Un proceso de tratamiento de las aguas residuales que suele usarse para los residuos domésticos es la fosa séptica, que es una estructura de concreto o mampostería reforzada en la que se sedimentan los sólidos en suspensión. Ya tratado, el efluente fluye por una salida sumergida, hasta las zanjas subterráneas donde es filtrado en la tierra y es oxidada aeróbicamente.
El efluente de la fosa, que es agua con menos contenido de materia orgánica, deberá enviarse a un sistema de oxidación para complementar el
31
tratamiento, esta oxidación se puede realizar mediante cualquiera de los siguientes medios:
•
Pozos de absorción
•
Zanjas de oxidación
•
Filtros subterráneos La materia flotante y los sólidos depositados pueden conservarse entre
seis
meses
y
varios
años
durante
los
cuales
se
descomponen
anaeróbicamente. Para el mantenimiento se recomienda, a un cuando los tiempos para las acciones de limpieza depende de la intensidad de su uso, hacer una inspección cada 6 meses y si es necesario limpieza cada año, extrayendo el 90% de los lodos existentes, el 10% deberá permanecer en la fosa ya que servirá de inóculo para las futuras aguas residuales.
2.1.32.2. Descarga del efluente de la fosa séptica a zanjas de absorción. Estas zanjas pueden emplearse en suelos relativamente impermeables, donde no es adecuado el uso del drenaje francés o pozos de absorción para tratar el efluente de la fosa séptica. Este sistema es similar al sistema de drenaje francés, solo que se utiliza una zanja más ancha y más profunda, en el espacio entre dos zanjas se coloca una capa de arena que actúa como material filtrante. En este sistema el líquido filtrado no se absorbe totalmente sino se evacua por un sistema de drenaje colector que es el que lo conduce al lugar de
32
su disposición final, este drenaje se coloca a un nivel inferior, al de el sistema distribuidor. Las pendientes de las tuberías pueden ser de 0.16 a 0.50% para la de distribución y para la recolectora puede llegar a 1.00%, la separación recomendable entre ejes de zanjas superiores e inferiores es de 1.80 a 2.50m. Los tubos deben ir rodeados por grava o por otro material adecuado, debe pasar por el tamiz de 0.064m y ser retenido por el de 0.020m, la arena que se usa para la filtración debe encontrarse limpia y con un tamaño efectivo de 0.40 a 0.60 mm, debe pasar por un tamiz de cuatro mallas por 0.0254m el lecho de arena no debe tener menos de 0.60m. Con este sistema se logra un grado alto de depuración, el efluente puede descargarse en arroyos o lechos secos de ríos, sin proporcionársele un tratamiento posterior, siempre y cuando no se utilice para consumo humano.
2.1.33. Cálculo y diseño de la fosa séptica La fosa séptica es parte del sistema primario, por lo tanto el efluente que sale de ella debe ser sometido a un tratamiento secundario que puede realizarse por medio de pozos de absorción, zanjas filtrantes, filtros subterráneos de arena, cámaras de contacto, filtros superficiales de arena etc. En la fosa séptica, las materias en suspensión en las aguas negras sufren una sedimentación, la materia orgánica se descompone en sustancias más simples por la acción de las bacterias anaeróbicas, que pueden realizar su metabolismo sin necesidad de oxígeno. Las aguas negras son un medio adecuado para su desarrollo, ya que éstas contienen poco oxígeno que es
33
consumido rápidamente sólo pueden actuar las bacterias anaeróbicas en el proceso de descomposición que se presenta en la fosa séptica. La fosa séptica es un estanque hermético, que puede construirse de ladrillo, piedra, concreto o cualquier otro material que se considere adecuado, es un tanque de escurrimiento horizontal y continuo de un solo piso. Generalmente de forma rectangular y se diseña para que las aguas permanezcan en ella durante un período de tiempo determinado que varía de 12 a 24 horas, este período se llama período de retenciòn. Es conveniente que a la entrada y salida de la fosa séptica se coloquen pantallas difusoras; la que se coloca a la entrada sirve para obtener una mejor distribución de las aguas negras y para disminuir su velocidad y evitar perturbaciones dentro de la fosa, la que se coloca a la salida sirve para retener las natas y otros desechos que podrían ser arrastrados por el efluente. Las fosas pueden ser de uno o doble compartimiento. Investigaciones realizadas en fosas con uno y con dos compartimientos, han demostrado que las de dos compartimientos proporcionan una mejor eliminación de los sòlidos en suspensión, lo que es de beneficio para una mayor protección del sistema de absorción.
Para su diseño se siguen las mismas normas que para las de un compartimiento, salvo consideraciones de volumen, ya que el primer compartimiento debe tener un volumen recomendable de 2/3 del volumen total de la fosa, y una relación largo-ancho de 3/1.( ver en apéndice figura1)
34
Para el diseño de la fosa séptica debe tomarse en cuenta los siguientes parámetros:
-
El período de retención de 12 a24 horas.
-
Lodos acumulados por habitante y por período de limpieza, de 30 a 60 l/h/año.
-
Relación largo-ancho de la fosa L/A; de 2/1 a 4/1
-
La capacidad máxima recomendable para que la fosa sea funcional debe de ser de 60 viviendas.
Nomenclatura y fórmulas. T = Período de retención V = Volumen en litros Q = Caudal L/día N = Número de personas servidas q = Gasto de aguas negras L/h/día T = V/Q Q = q*N
2.1.33.1. Cálculo de volumen Para el cálculo del volumen se asume una altura (H), que es la altura útil, es decir, del fondo de la fosa al nivel del agua se toma una relación L/A dentro de los límites recomendados, queda el volumen como: V = ALH A = Ancho de la fosa L = Largo de la fosa H = Altura útil.
35
Se conoce la relación L/A se sustituye una de las dos en la fórmula de V y se determina el valor de la otra magnitud. Por ejemplo, si L/A es igual a 2, entonces L = 2A, al sustituir L en la fórmula se tiene: V = 2*A^2*H
de donde se obtiene el valor del ancho de la fosa.
2.1.33.2. Cálculo de las fosas sépticas para el proyecto. Período de retención
24 horas.
Gasto
100 L/h/dìa.
Número de habitantes servidos 567 Lodos
30 L/h/año
Relación largo/Ancho
2/1
Período de limpieza
1 año.
Volumen para el líquido Se sabe que : T = V/Q V = QT Q = qN En donde: T = Período de retenciòn V = Volumen en litros Q = Caudal L/dìa
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N = Nùmero de personas servidas q = Caudal domiciliar. Cálculo de caudal Q = qN = 100 L/h/dìa * 0.80 * 567 hab. Q = 45,360 L/dìa. Cálculo de volumen V = Q*T = 45,360 L/dìa * 24 horas * 1dìa/24 horas. V = 45,360 litros V = 45.36 m3. Cálculo de volumen para lodos. V = N * gasto de lodos V = 567 hab. * 30 L / h/año V= 17,010 L. V = 17.01 m3. para período de limpieza de un año. Volumen total = 45.36 + 17.01 = 62.37 m3. V = ALH Como L/A = 2 entonces L = 2A al sustituir L en la ecuación de V V= 2*A^2*H Se asume H = 2.00m y se despeja A^2 A^2 = V/2H A^2 = 62.37 / 2*2 = 15.59 A = 4.05m.
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Como L = 2A = 2*4.05 = 8.10m. A = 4.05m L = 8.10m H = 2.00m. 2.1.34. Diseño estructural de la fosa séptica por el método de bandas Consiste en suponer líneas de discontinuidad (líneas imaginarias) en la estructura a analizar, donde cambia la dirección en que se transmite la carga sobre dicha estructura, al realizar esto se obtienen bandas que se analizan como vigas simplemente soportadas o empotradas. A continuación se presenta a manera de ejemplo un caso típico del método aplicado al diseño de fosa séptica. Caso típico: banda 6L en pared, con banda 9L en losa de fondo, (ver en apéndice figura 2 ).
Datos: Largo = 8.10m Ancho = 4.05m Altura = 2m Espesor de pared y losa de piso = 0.20m Peso específico del concreto RC = 2.4 Ton / m Peso específico del suelo Rs = 1.6 Ton /m Constante de Ranking Ka = 0.33 Coeficiente de empuje lateral del suelo Cm = 1.4 Fc = 210 kg /cm
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Fy = 2,810 kg /cm Vs = 20 Ton / m
Análisis 2.1.34.1. Presión sobre el fondo Se asumirá que la tapadera es una losa de concreto de 0.10 m de espesor y que el líquido que almacena es agua. P = (P tanque + P tapadera + P agua) / A Siendo: P = peso propio de la estructura A = área de contacto de la estructura con el suelo P
=
4.05*8.10*2+(8.10*4*0.20*2+8.10*4.05*0.20)*2.40
+
8.10*4.05*0.10*2.4 / 8.10*4.05 P = 3.67 T/m2 < 20 T/m2. Como la presión en el fondo es menor que el valor soporte del suelo, se continúa con el análisis, caso contrario se deberá aumentar el área de contacto de la estructura con el suelo. Banda 6 en paredes con banda 9 en losa de fondo.
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Diagrama de fuerzas a analizar Figura 1 Diagrama de fuerzas en banda, caso típico
2.1.34.2. Determinación de cargas Bandas verticales La carga para las bandas verticales estará dada por la siguiente ecuación: W = CM * KA * Rs * H * A, donde A = ancho de banda; W = 1.4 * 0.33 * 1.6 * 2* 2.03 = 0.4878 Ton / m W = 3.00 Ton / m Bandas horizontales La carga para la banda horizontal estará dada por la siguiente ecuación: W = CM * Rc * e * A donde e = espesor de losa de piso W = 1.4 *2.4 * 0.20 * 2.03 = 1.36 Ton / m
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2.1.34.3. Determinación de momentos fijos Para calcular los momentos fijos habrá necesidad de determinar exactamente la banda a analizar, su longitud sometida a carga y su sentido. Para este caso: Longitud vertical = 2 m Longitud horizontal = 8.10 m Bandas verticales: los momentos fijos para las bandas verticales se obtienen con la siguiente ecuación. Mfa = (W * X ) / L * [(2 * X ) / (5 * L ) – X / L + 2/3] = Mfa = (W * L^2 ) / 30 Mfa = (3.00 * 2^2 ) / 30 = 0.40 Ton - m Ra = (12 * Mfa * L^2 - 2 * W – X^3 * L + 3 * W * X^2 * L^2 ) / (6 * L ) Ra = (12 * 0.40*2^2-2*3*1*2+3*3*1*4 )6*2^3 = 0.90 Ton - m Rb = W * X – Ra Rb = 3*2/2 – 0.90 = 2.10 Ton. Las reacciones Ra y Rb sólo sirven para determinar los Mf, deben determinarse posteriormente las reacciones producidas por los verdaderos efectos. Bandas horizontales en losa: el momento fijo se obtiene de la siguiente manera. Mf = W * X^2 / (3*L-2*X) Mf = 1.36*(4.05^2)*3*8.10-2*4.05 / 6*8.10 Mf = 7.44 Ton - m
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Momento al centro (sin corregir) M = W * X^3 / 3*L M = 1.36*4.05^3 / 3*8.10 M = 3.72 Ton - m R=W*X R = 1.36*4.05 = 5.51 Ton.
2.1.34.4. Distribución de momentos Los elementos se obtienen al aplicar el método Cross al marco.
FIGURA 2 Distribución de momentos en banda, caso típico
Nota: se analizará sólo un lado debido a que el otro se realiza de la misma manera. Para el cálculo se utilizarán los siguientes parámetros de rigidez. Ka-b = Kb-a = 0.2857
Kb-d = 0.125
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Los factores de distribución quedan de la siguiente manera: Fd a-b = 1
Fd b-d = 0.194
Fd b-a = 0.806
Tabla II Análisis del marco de la banda Elemento
A-B
B-A
B- D
Fd
1
0.806
0.194
Mf
-400
600
-7440
400
5513.04
1320.12
2756.52
200
-660.06
-2756.52
370.81
88.79
185.41
-1378.26
-44.39
-185.41
1146.65
273.15
573.33
-92.71
-136.58
-573.33
184.81
44.25
92.41
-286.66
-22.13
-92.41
248.88
59.59
124.44
-46.21
-29.79
-124.44
61.26
14.67
30.63
-62.22
-7.33
-30.63
56.06
13.42
28.03
-15.32
-6.71
-28.03
17.76
4.25
8.88
-14.02
-2.13
-8.88
13.02
3.12
6516.89 Kg-m
-6516.89Kg-m
M real
0
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2.1.34.5. Figura 3 Determinación de reacciones reales
Bandas verticales: las reacciones se determinan por estática. Al realizar la sumatoria de momentos en b igual a cero, da el valor de la reacción Ra. 6.516+2R = 3.00*2/6 Ra = 0.51 Ton. Sumatoria de fuerzas en Y= 0 Rb + 0.51 = 3*2/2 Rb = 2.49 Ton.
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2.1.34.6. Puntos de inflexión Los puntos de inflexión permitirán la mejor dirección de la longitud del refuerzo. Bandas verticales Y = (6 * Ra * H / W)^1/2 Y = (6*0.51*2/3)^1/2 = 1.43 m. Bandas horizontales W * Y / 2 – Ry + M (-) = 0 6.516+1.36/2Y^2 = 5.51Y Y1 = 2.90 m
2.1.34.7. Momento positivo máximo en paredes Bandas verticales Z = (2 * Ra * H / W)^1/2 Z = (2*0.51*2 / 3)^1/2 = 0.82 m De donde: M = 3*0.82/ 6*2-0.51*0.82 M = 0.14 Ton-m. Momentos positivos máximos en losa M = (Mf – M(-) ) + M centro M = (7.44-6.516) + 3.72 = 4.64 Ton –m
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2.1.34.8. Corte que resiste el concreto Vc = φ * 0.53 *
f 'c * b * d
Vc = 0.85 * 0.53 * 210 * 33 * 7.5 = 1615.7kg. = 1.62ton.
2.1.34.9. Esfuerzos de corte El esfuerzo de corte dado en los apoyos será: Vu = V / (O * b * d) en donde O = 0.85 Se debe establecer si se cumple que: Vu
0.5 *
Vu = 0.5 *
Fc /2 210 / 2 = 3.62 kg / cm
Banda vertical: Vu = 2.49 / (0.85 * 33 *7.5) = 0.01 Ton
