Memoria de Calculo Hidraulico Aguas Lluvias

Proyecto de Aguas Lluvia 200 viviendas – Queilen

MEMORIA DE CÁLCULO PROYECTO DE DISEÑO AGUAS LLUVIA 200 VIVIENDAS QUEILEN

1. GENERALIDADES La presente memoria define y especifica el diseño necesario para la evacuación de las aguas lluvias de loteo de 200 viviendas, ubicado en la ciudad de Queilen, provincia de Chiloé, Región de Los Lagos. La evacuación de las aguas lluvia del loteo se hará a través un colector principal subterráneo dirigido hacia canal existente ubicado a un costado de calle René Carcomo. Esto se complementará con el escurrimiento superficial sobre calzadas de hormigón proyectadas y colectores secundarios orientados hacia colector de aguas lluvia troncal. Se redirigirán hacia este punto las zonas bajas aisladas dentro del polígono realizando cortes y rellenos compensados. El presente cálculo se efectuará utilizando los criterios de diseño indicados en “Guía de diseño y especificaciones de elementos urbanos de infraestructura de aguas lluvia” de Diciembre de 2005 y “Normas de Presentación para Proyectos de Pavimentación”, de Diciembre de 2004, ambos publicados por el Ministerio de Vivienda y Urbanismo (1). 2. MEMORIA DE CÁLCULO 2.1. CRITERIOS GENERALES Para determinar áreas aportantes se realizará partición del loteo de acuerdo a pendientes de calles y pasajes y a topografía del terreno natural, teniendo como criterio además la maximización de los rellenos compensados. Se adjunta en planta de diseño dichas áreas aportantes. Las cantidades máximas de lluvia para todos los efectos se calculan para un periodo de retorno de 10 años de acuerdo a exigencias de textos en referencia (1). Para el cálculo del coeficiente de escorrentía de considerarán los valores redondeados para las distintas superficies de ocupación del suelo según lo establecido en la Ordenanza General de Urbanismo y Construcción. Los porcentajes de las distintas superficies serán los siguientes: Coeficiente Calzadas de Hormigón y Estabilizado Techos Zincalum Patios de tierra sin cobertura Áreas verde y equipamiento

0,80 0,90 0,35 0,12

Porcentaje Total Loteo 30% 6% 54% 10%

C = 0,80 × 0,30 + 0,90 × 0,06 + 0,35 × 0,54 + 0,12 × 0,10 C = 0,50

Siendo este valor el coeficiente de escorrentía a considerar para todos los efectos de diseño.

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2.2. ANTECEDENTES PLUVIOMÉTRICOS DE LA ZONA EN ESTUDIO De acuerdo a información incluida en texto (1) y en mapas de lluvias máximas publicados por la Dirección General de Aguas, la estación meteorológica más cercana a la zona en estudio es Castro, en la cual se indica una precipitación máxima diaria, considerando un periodo de retorno de 10 años de:

P24 = 89,30 mm 10

2.3. DETERMINACIÓN DE CAUDALES DE DISEÑO La determinación de los caudales de diseño tanto para fijar escurrimientos superficiales o a través de colectores se realizará por medio del método racional, ampliamente recomendado tanto en el textos en referencia (1) como en el manual de carreteras Capítulo 3.700 “Diseño del drenaje, saneamiento, mecánica e hidráulica fluvial” (2) y en “Guía de diseño y especificaciones de elementos urbanos de infraestructura de Aguas Lluvias” (3) del MINVU año 2005. Este método tiene particular aplicación para el diseño de cuencas urbanas y rurales pequeñas de menos de 1000 hectáreas, caso para el cual se desarrolla ésta memoria. El método antes mencionado se basa principalmente en la siguiente fórmula:

Q=

C×I × A 3,6

Siendo: Q : caudal máximo de diseño (m3/seg) C : coeficiente de escorrentía I : intensidad de la lluvia de diseño (mm/h) A : área aportante (km2)

2.3.1. DETERMINACIÓN DE INTENSIDAD DE LLUVIA Y TIEMPOS DE CONCENTRACIÓN Para determinar la intensidad de la lluvia de diseño es necesario primero determinar dos variables: a. Precipitación media para un periodo de retorno y tiempo de duración de lluvias ( P(T , t ) ) Se determina en base a expresión propuesta por Bell (1969):

PT t = (0,21ln T + 0,52)(0,54t 0, 25 − 0,50) P110 Siendo:

PtT T t

P110

: Precipitación en mm, de duración t minutos y T años de periodo de retorno. : periodo de retorno en años. : duración de la lluvia en minutos : precipitación de 1 hora y 10 años de periodo de retorno, en mm. Página 2

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Para determinar P6010 se utiliza la expresión propuesta por Varas y Sanchez (Chile, 1984) que relaciona los registro pluviométricos de 13 estaciones en Chile, y extrapola los resultados de lluvias máximas en 24 horas para 1 hora. De acuerdo al autor antes mencionado tenemos la siguiente formula:

P110 = 1,1P2410CDt CF T De ésta forma nos queda:

P2410 CDt CFT

: 89,30 mm : 0,19 : 1.00

P110 = 1,1× 89,30 × 0,19 ×1,00 P110 = 18,66 mm b.

Tiempo de concentración del área en estudio.

Para determinar esta variable se adoptará la expresión de California Culverts Practice (1942) particularmente utilizada para cuencas. De esta forma la expresión a utilizar será:

 L3  TC = 57 ×   H

0 , 385

Siendo:

TC L H

: tiempo de concentración (min) : longitud a recorrer por el agua (km) : diferencia de cotas total entre puntos extremos de la cuenca (m)

Determinación de la intensidad de lluvia de diseño La intensidad de la lluvia de diseño se calculara en base a la precipitación de la zona y al tiempo de concentración en cada área aportante de la cuenca, de acuerdo a la siguiente fórmula:

 60  I = Pt T ×    TC  Siendo:

I

: intensidad de lluvia de diseño (mm/h) Página 3

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PtT

: Precipitación en mm, de duración t minutos y T años de periodo de retorno.

TC

: tiempo de concentración (min)

2.3.2. DETERMINACIÓN DE LAS ÁREAS APORTANTES El cálculo de las áreas aportantes se determinará de acuerdo a lo indicado en punto 2.1. Criterios Generales, adjuntándose en planta detalle de cada una de ellas y en planilla de cálculo determinación sus superficies. 2.3.3. DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA De acuerdo a lo indicado en punto 2.1. Criterios Generales. Los caudales de diseño serán los indicados en el Cuadro Nº 1 “Determinación de Caudales de Diseño y Sumideros” 2.4. DETERMINACIÓN DE CAPACIDADES DE PORTEO PARA CALZADAS La determinación de las capacidades de porteo de calzadas tanto para calles como para pasajes con perfil transversal de tipo A o V se efectuará teniendo en consideración lo siguiente: -

Para el caso de calles la conducción del aguas lluvia no podrá exceder de 1 metro a partir del borde interior de la solera tipo A, superficie en la cual se dará una pendiente transversal de 7 %.

-

Para pasajes tipo V la conducción del aguas lluvia no podrá sobrepasar de 0,50 metros a cada lado del eje del pasaje, considerando una pendiente transversal del pasaje de 3 %.

-

Para pasajes tipo A la conducción del aguas lluvia no podrá sobrepasar de 0,5 m a partir del borde interior de la solera especial, considerando una pendiente transversal del pasaje de 3 %.

Para determinar la colocación de sumideros simples o dobles (tipo Serviu A1) de 0,98 x 0,41 m o 1,96 x 0,41 m de dimensiones respectivamente se considerará el siguiente caudal máximo, indicado en texto de referencia (3): Sumidero simple Sumidero doble

55,34 x 0,90 = 85,47 x 0,90 =

Se consideró funcionamiento de sumideros como vertedero.

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Qmax 49,81 lt/seg 76,92 lt/seg

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2.5. DISEÑO DE COLECTORES DE AGUAS LLUVIA Para el diseño de colectores de aguas lluvia se utilizará las ecuaciones de Manning que relacionan los diámetros de los colectores y sus pendientes con la velocidad y caudal de escurrimiento. Para esto se deberá tener en cuenta las siguientes restricciones: -

Escurrimiento gravitacional con altura de agua máxima 0,8 veces el diámetro del tubo. Diámetro mínimo de los colectores 250 mm. Velocidad máxima y mínima de escurrimiento 3 y 0,90 m/seg respectivamente.

2.6. DISEÑO DE CANAL TRAPECIAL DE AGUAS LLUVIA Para el diseño de canal trapecial indicado en el proyecto se utilizaron las hipótesis de cálculo que más adelante se señalan, teniendo para tal efecto como texto de referencia Manual de Carreteras Volumen 3 Sección 3.705, Diseño de Canales en Régimen Uniforme. Se considera, para canales de flujo uniforme, la profundidad, el área de la sección transversal, velocidad media y gasto constantes en cada sección del canal. a. Cálculo de Caudal Máximo de Porteo para una canal de sección trapecial. Para el cálculo del Caudal Máximo de porteo se considera la siguiente fórmula que relaciona la sección transversal y la velocidad del flujo con el gasto.

Q = V × A × 1000 Siendo: Q : caudal máximo de porteo (lt/seg) V : velocidad media del flujo (m/seg) A : área de la sección transversal del escurrimiento (m2) Donde la velocidad se calcula: 2

V=

1

1 × R 3 ×i 2 n

Siendo: V : velocidad media del flujo (m/seg) n : Coeficiente de rugosidad de Manning R : Radio hidráulico del escurrimiento (razón entre el área y el perímetro mojado, m) i : Pendiente de fondo (m/m) Para la elección del Coeficiente de Manning se tomará lo indicado en Tabla 3.705.1.A que indica:

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TABLA 3.705.1.A (Extracto) VALORES DEL COEFICIENTE DE RUGOSIDAD O DE MANNING EN CANALES

Conducto con escurrimiento de superficie

Tipo de Canal

Mínimo

Medio

Máximo

Limpio, recién terminado

0,016

0,018

0,020

Limpio, en uso

0,018

0,022

0,025

Con grava, sección uniforme

0,022

0,025

0,030

Con pasto corto, poca maleza

0,022

0,027

0,033

b.- Tierra con curvas y sin

Sin vegetación

0,023

0,025

0,030

mantención

Con pasto y algo de maleza

0,025

0,030

0,033

Gran cantidad de maleza o algas

0,030

0,035

0,040

Fondo de tierra y lados de piedra

0,028

0,030

0,035

Fondo de piedra y lados con maleza

0,025

0,035

0,040

Fondos de guijarros y lados limpios

0,030

0,040

0,050

0,025

0,028

0,033

o dragado

Lados con algo de vegetación y matorrales 0,035

0,050

0,060

d.- Excavado en roca

Liso y uniforme

0,025

0,035

0,040

Irregular, dentado

0,035

0,040

0,050

CANALES EXCAVADOS Y UNIFORMES

a.- Tierra, rectos y uniformes

c.- Excavado mecánicamente Sin vegetación

Para el proyecto se considera el Canal excavado mecánicamente con los lados con algo de vegetación y matorrales, definiendo con esto un Coeficiente de Manning de 0,06. b. Diseño geométrico canal de sección trapecial. - Talud Para el cálculo del talud se considera Tabla 3.705.2.A, Taludes Recomendados para Sección Trapecial. De acuerdo a ésta para un terreno de tierra o albañilería de piedra se considerará un talud de 1/1 (Horiz/Vert). - Relación altura de agua – ancho basal La capacidad de conducción de un canal aumenta con el radio hidráulico y varía inversamente con el perímetro mojado. En consecuencia, desde el punto de vista hidráulico la sección más eficiente es aquella que tiene el mínimo perímetro mojado para un área dada. Para esto la relación altura de Página 6 GyM Diseño de Infraestructura Urbana

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agua – ancho basal quedará determinada por un estudio técnico económico y por lo indicado en la Lámina 3.705.2.B, que entrega curvas experimentales de la relación antes mencionada. - Revancha En general la revancha varía entre un 5% y un 30% de la altura de agua. En general se recomienda que ésta no sea inferior a 20 cm, con lo cual para el diseño se considerará ésta restricción para determinar la altura definitiva. c. Determinación de Caudales de Diseño. La determinación de los Caudales de Diseño se efectuará de acuerdo a lo indicado en punto 2.3 de la presente memoria, tomando en consideración intensidades de lluvia, áreas aportantes, topografía del terreno y coeficientes de escorrentía. d.

Restricciónes.

Una vez hecho el cálculo de Caudales de Diseño y Caudales Máximos de Porteo se deberá verificar lo siguiente: 1.- Velocidad máxima permisible: de acuerdo a la siguiente Tabla TABLA 3.705.301.A (Extracto) VELOCIDADES MÁXIMAS PERMISIBLES

Tipo de Terreno

Agua clara V (m/seg)

Agua con Sedimentos coloidales V (m/seg)

Arena fina coloidal

0,450

0,750

Limo arenoso no colidal

0,500

0,750

Sedimentos limosos

0,600

0,900

Sedimentos aluviales no colidal

0,600

1,000

Limo

0,750

1,000

Ceniza volcánica

0,750

1,000

Arcilla dura

1,150

1,500

Sedimentos aluviales colidal

1,150

1,500

Pizarras

1,800

1,800

Grava

0,750

1,500

Limo a ripio, suelo no coloidales

1,150

1,500

Limo a ripio, suelo coloidal

1,200

1,600

Grava gruesa

1,200

1,800

Bolones

1,500

1,800

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Nota: por partículas coloidales se entienden aquellas de diámetro menor a 2 micrones en las cuales los efectos de las fuerzas de superficie prevalecen sobre las de las fuerzas gravitacionales. Se considera el Canal proyectado conformado sobre Estrato Nº 2 del estudio de Mecánica de Suelos, correspondiente a un Limo Arenoso con presencia de algunas gravas. Para este tipo de suelo se considera una Velocidad Máxima Permisible de 1.60 m/seg, contemplando el flujo del canal compuesto de agua con sedimentos coloidales. 2.- Caudales de Diseño menores a Caudales Máximos de Porteo. 2.7. CUADROS DE CÁLCULO De acuerdo a lo expuesto tenemos cuatro cuadros de cálculo: 1.- Cuadro Nº 1: 2.- Cuadro Nº 2: 3.- Cuadro Nº 3: 4.- Cuadro Nº 4: 5.- Cuadro Nº 5: 6.- Cuadro Nº 6:

Determinación de caudales de Diseño y Sumideros Determinación de colectores de aguas lluvia Determinación de caudales de Diseño cara Canal Abierto Diseño Canal Abierto Verificación de Canal Abierto Existente Verificación de colector de aguas lluvia existente

Estos se presentan obteniéndose a partir de las bases de cálculo indicadas, ubicación y tipos de sumideros de aguas lluvia junto con el trazado de colectores, canales, tipo, diámetros y pendientes recomendables para cada uno de ellos.

FRANCISCO MOYA CHACÓN INGENIERO CIVIL Osorno, 23 de Abril de 2008.-

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