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Introduccióna23456Durante las últimas dos décadas en Costa Ricase ha visto un crecimiento acelerado de laconstrucción, esto ha generado que en algunoscasos el crecimiento de la población y surespectiva residencia no haya sido planificado dela mejor manera. Sin embargo en los últimosaños se ha visto una preocupación de lasautoridades por mejorar esta planificación, peroaunque las intensiones son buenas t odavía faltapor hacer.Los sistemas de rec olección de aguaspluviales con los que cont amos actualmente enlas ciudades y centros urbanos no estándiseñados para los requerimientos de hoy, por loque resulta muy important e desarrollar unametodología de diseño que haga del diseño desistemas urbanos de desfogue de aguaspluviales sea más preciso y exacto que hoy.El siguient e trabajo consiste en unainvestigación cuyo fin primordial es presentar unaherramienta de diseño de sistemas urbanos dealcantarillado pluvial.El área dentro de la cual se desarrolló elproyecto, es la hidráulica y la hidrología. Esteúltimo punto es de relevante importancia porqueen la carrera de Ingeniería en Construcción no secuenta con un curso completo de hidrología, estorepresentó todo un ret o en lo referente a labúsqueda y análisis de información en materiahidrológic a.El objetivo principal de este proyecto esdesarrollar una aplicación automatizada con laque diseñar un sistema urbano de alcantarilladopluvial sea lo más sencillo y preciso posible.Además se plantea como objetivos investigarsobre al menos 3 procedimientos automatizadosdisponibles en el mercado nacionaleinternacional, definir la teoría de diseño másapropiada para las condiciones climáticas deCosta Rica para el diseño de sistemas urbanosde alcant arillado pluvial, elaborar un algoritmo dediseño apropiado y transferirlo a un lenguajecomputacional.A la luz de estos objetivos se desarrollaeste proyecto que int enta ser un punto dereferencia para futuros trabajos relacionados conel diseño de sistemas urbanos de alcantarilladopluvial de alt a calidad en Costa Rica.Es important e hac er una anot ación conrespecto a los resultados presentados en estetrabajo. En la sección de resultados se presentauna recopilación de la información más relevantey necesaria para analizar el proceso de diseño desistemas de alcantarillado pluvial y además enconjunto se presentan algunas fórmulasdesarrolladas para este proyecto, el objetivoprincipal de mostrar una combinación deaspectos meramente teóricos con resultados dela investigación hecha para este trabajo, es daruna visión general y continua de las variablespresentes en el diseño de una aplicación quediseñe y analice sistemas de alcantarillado.MODELO DE DISEÑO DE SISTEMAS URBANOS DE ALCANTARILLADO PLUVIAL, CON UNA APLICACIÓN EN MS EXCE L4

Metodología123456Durante el desarrollo de este proy ecto seenfrentaron divers as situaciones que obligaron aalejarse un poco de la metodología planteada alprincipio del trabajo.Este proyecto se puede dividir en dossecciones: una representada por el desarrollo delprograma y otra representada por el desarrollo delas ecuaciones de diseño (tant o a nivelhidrológic o como a nivel hidráulico).Tal y como se planteó en el plan detrabajo, la primera acción por realizar fue labúsqueda de información en diferentes fuentes.Se utilizaron dos tipos principales de fuentes, elbibliográfico y el de consultas con profesionalesespecializados en los temas requeridos. Para eldesarrollo de las ecuaciones de diseño,explicadas en el capítulo 2 de este proyecto, senecesitó consultar libros donde aparecieran lasrelaciones existentes como Y/ D, R/D entre otras,para luego extraerlas y acomodarlas en hojas decálculo donde luego serían sometidas aregresiones polinomiales, para as í poder obt enerlas ecuaciones de mejor ajuste.Aunque solucionar el problema de lasecuaciones hidráulicas fue relativamente sencillo,no lo fue así para la resolución de las ecuacionesde intensidad de lluvia, esto pues en un principiose plant eó como meta encontrar un estudio másreciente que el publicado por V ahrs on y Alfaro en1991. Para encont rar este estudio se procedió avisitar la Escuela de Geografía de la UniversidadNacional, donde se comentó sobre la existenciade un estudio del año 1998, que por s u fecha ycobertura, representa un aporte muy valioso. Sinembargo, y después de tres visitas a launiversidad no lo facilitaron, pero mencionaronque un ejemplar de este documento seencontraba en las instalaciones de la ComisiónNacional de Emergencias. Este lugar también sevisitó en busca del mencionado estudio, perotampoco se encontró el documento. Fue a travésvisita de un funcionario del Departamento deObras Fluviales del MOP T al TE C que se logróconseguir un estudio que, aunque de fechaanterior a 1991, contiene los datos de lluviaespecificados por zonas geográficas. Al contarcon este estudio s e pasó elaborar las ecuacionesque describen el comportamiento de la int ensidadde lluvia para diferentes regiones geográficas deCosta Rica. Esto se obtuvo introduciendo losdatos de lluvia en una hoja de cálculo, luego sehizo un cambio de variable para linealizar lascurvas y por último se hizo una regresiónmúltiple, los result ados de esta regresióngeneraron los diferent es coeficientes de lasecuaciones presentadas en el capítulo 1 de estetrabajo.Una vez que se contó con las ecuacionesnecesarias para resolver las diferentes incógnitasque se podrían presentar en el proceso decálculo, se pasó a diseñar el programa. Estepaso fue el más problemático de todo el proyecto,pues en un principio se planteó un programa conciertas características, tales como graficación yalmacenamiento de información en bas es dedatos. Sin embargo el profesional en informáticaque había respaldado este proyecto desde suorigen optó por no seguir brindando sus servicios,lo que generó un grave conflicto con el desarrollodel programa pues los objetivos del proyectoestaban íntimamente relacionados con lasprevisiones hechas en un principio.Para poder seguir con este proyecto setuvieron que tomar medidas tales como: no hacerun programa, sino una aplicación en una hojaelectrónic a; no realizar una base de datos quepermitiera ser alimentada por el us uario (aunqueesta opción estaba t otalmente lista en la versióninicial del programa); y por último no presentaruna opción que permitiera graficar el perfil y laplanta de las tuberías.Una vez que se decidió hacer estoscambios en el cuerpo del proyecto se continuócon el desarrollo de la aplicación. La aplicaciónfinal que se presenta en este proyecto es elresultado de una optimización continua pues laMODELO DE DISEÑO DE SISTEMAS URBANOS DE ALCANTARILLADO PLUVIAL, CON UNA APLICACIÓN EN MS EXCE L5

versión presentada es la número 11. Cadaoptimización res pondió a necesidades propias delos proyectos que en su momento estaban siendodiseñados, por lo que al día de hoy DSAP yacuenta con un tot al de dos proyectos diseñados anivel nacionaly en la actualidad se estáutilizando esta aplicación para diseñar el sistemade alc antarillado pluvial de un condominio de 120hectáreas de extensión.MODELO DE DISEÑO DE SISTEMAS URBANOS DE ALCANTARILLADO PLUVIAL, CON UNA APLICACIÓN EN MS EXCE L6

Resultados30 puntos, negrita123456En esta sección se presentan c uatro partesdivididas de la siguiente manera:-Principios hidrológicos-Hidráulica de la tubería-Uso de la aplicación DSAP-Comparación de resultadosLas primeras dos partes representan unarecopilación de información realizada con el finde introducir al lector dentro de las principalesteorías de diseño presentes en el diseño desistemas urbanos de alcantarillados pluviales.Con respecto a estos temas se debe aclarar quela parte referente a los principios hidrológicos y lahidráulica de la tubería, además de presentardatos y fórmulas desarrolladas por otrosinvestigadores, exhibe las desarrolladas por elautor de este proyecto, sin embargo las partesconcernientes al uso de la aplicación DSAP y lacomparación de resultados presentan datosgenerados por completo para el proyecto.MODELO DE DISEÑO DE SISTEMAS URBANOS DE ALCANTARILLADO PLUVIAL, CON UNA APLICACIÓN EN MS EXCE L7

30 puntos negritaPrincipioshidrológicos123456Para iniciar el diseño de un sistema urbano dealcantarillado pluvial s e requiere tener a mano losdatos del caudal y la variación de la intensidad delluvia con respecto al tiempo de concentración.Cabe aclarar que este modelo de diseñoconsidera condiciones de flujo uniforme ypermanente.En este capítulo se hace un resumen delos principales métodos de cálculo de caudales.No obstante hay que aclarar que para efectos delprograma DSAP, el método utilizado es el delMétodo Racional.Los tres tipos básicos de cargas quepueden ser modelados en el diseño de unsistema urbano de alcantarillado pluvial son:- Carga racional: es la carga que produce unadeterminada área de influencia.- Carga adicional: es la carga que se adiciona alsistema y proviene de otro sistema adyacente.- Carga conocida: puede ser una carga que seasume como fija y que puede tener cualquierprocedencia.Cada una de esas cargas soncombinadas para dar el total del flujo en cualquierpunto del alcantarillado, hasta aquí se haceposible combinar fácilmente cargas de diferentesfuentes. Es por eso que para obtener el caudaltotal del flujo que va a viajar por un tubo se puedeusar la siguiente fórmula:QT QR QA QKDonde:3QT carga total, en m /s3QR carga racional, en m /s3QA carga adicional, en m /s3QK carga conocida, en m /s1(1-1)Cálculo de caudalEL método racionalEl método racional es el más simple de losmétodos usados para el diseño de alcant arilladospluviales. Aunque fue ampliamente usado en elpasado,sinembargoalgunosautoresrecomiendan que este método no debe ser2aplicado en áreas que superan los 3 km , noobstante si se quiere ser estricto se debe decirque este mét odo solo debe usarse si se aseguraque los factores que intervienen en su cálculo semantienen constantes durante un det erminadolapso de tiempo. El procedimiento calcula elcaudal como el producto de la intensidad deprecipitación, el área de drenaje y un coeficienteque refleja los efectos combinados ción. El caudal máximo instantáneo parauna cuenca impermeable que escurre sobre unárea bajo una intensidad de precipitación es:Q iA360Donde:3Q caudal de descarga, en m /si intensidad de lluvia, en mm/hrA área a drenar, en haDe este tot al, una parte será perdida porel resultado de factores como: la precipitación, laradiación solar, la topografía y la geología local,la evaporación y la intercepción. Dic ha parte noes constante y tiende a disminuir durante unevento de precipitación. P ara las condicionesdadas de humedad antecedente, característicasdel suelo, pendiente del terreno y nivel dedesarrollo, la fracción de la precipitación incidenteMODELO DE DISEÑO DE SISTEMAS URBANOS DE ALCANTARILLADO PLUVIAL, CON UNA APLICACIÓN EN MS EXCE L8(1-2)

que aparece como escorrent ía es definida comoC. Si C es conocida, entonces la descarga seráde:Q CiA360(1-3)Donde:C coeficiente de escorrentía, adimensionalC para un área no es invariable, pero tiende aincrementars e cuando la precipitación continúa.Investigaciones llevadas a cabo a principios delsiglo XX condujeron al desarrollo de lassiguientes ecuaciones, utilizadas para superficiesimpermeables:C 0,175t 1 / 3C ó2% de pendiente0,05.0,102-7% de pendiente0,10-0,15 7% de pendiente0,15-0,20Prados, suelos pesados2% de pendiente0,13-0,172-7% de pendiente0,18-0,22 7% de pendiente0,25-0,35Tabla 1.Coeficientes de escorrentía para varias superfic ies.Tomada de Ingeniería ambiental. Abastecimiento de agua yalcantarillado, Sexta edición. 1999.Algunos ingenieros han usado los valorespresentados en la siguiente tabla:Tipo de áreat8 t(1-4)ComercialY para superficies impermeables mejoradas:C 0.3t20 t(1-5)CÁrea central0,70-0,95Área de barrio0,50-0,70Residencial (urbana)Donde:t duración de la lluvia, en minÁrea familiar individual0,30-0,50Multifamiliar separada0,40-0,60Un coeficiente efectivo de escorrentíapara un área de drenaje compuesta, puede serobtenido por estimación del porcent aje del totalque está cubierto por techos, pavimentos, yprados, entre otros, multiplicando cada fracciónpor el coeficiente adecuado y luego sumando losproductos. Esto matemáticamente expres ado es:Multifamiliar unida0,60-0,75C ponderadoCA i iAtotal(1-6)A continuación se presenta una tabla enla que se encuentran valores de coeficientes deescorrentía para diferentes tipos de superficies:Tipo de SuperficieCResidencial (suburbana)0,25-0,40Áreas de ada0,60-0,90Parques, cementerios0,10-0,25Lugares de juego0,20-0,35Patios de ferrocarriles0,20-0,40Áreas no mejoradas0,10-0,30Tabla 2.Coeficientes de escorrentía para varias áreas.Tomada de Ingeniería ambiental. Abastecimiento de agua yalcantarillado, Sexta edición. 1999.Techos a prueba de agua0,70-0,9012Calles con cemento as fáltico0,85-0,90Técnica SCSCalles con cemento PórtlandAcerasyparqueaderospaviment adosAceras y parqueaderos congravaSuelos arenosos, prados0,80-0,951La técnica SCS fue originalment e desarrolladapor el Soil Cons ervation Service, SCS, (Serviciode Conservación de S uelos) del Departamentode Agricultura de los Estados Unidos para uso enáreas rurales. El procedimiento ha sidomodificado para permitir su aplicación en áreas0,75.0,850,15-0,30MODELO DE DISEÑO DE SISTE MAS URBANOS DE ALCANTARILLADO PLUVIAL, CON UNA APLICACIÓN EN MS EXCEL9

urbanas y, además, ha sido adaptado para unatécnica de simulación computarizada que permitegeneración real y tránsito de los hidrogramas.La técnica SCS depende de ladeterminación de un número de curva, NC, elcual depende principalmente del tipo de suelo,aunque puede modificarse para tener en cuentael grado de desarrollo y las condiciones dehumedad antecedente. El número de curva es uncoeficiente de escorrent ía que incluye los efectosde infiltración y almacenamient o por retención.No obstante, no solo es este hecho, ya que suvalor es influenciado t ambién por la duración delexceso de precipitación.Esta técnica es útil para calcularescorrentías sobre áreas tributarias rurales quepor lo general son más grandes las áreastributarias en zonas urbanas, por este motivo noes de nuestro interés analizarla en este trabajo.Si se requiriera más información sobre estemétodo se recomienda el libro IngenieríaAmbiental. Abastecimiento de aguayalcantarillado, Sexta edición. 1999.12Técnica de los hidrogramas1(24 puntos negrita)Si un área pequeña e impermeable se somete auna lluvia con intensidad constante, elhidrograma resultant e de escorrent ía seasemejará en mucho a la figura 1.1.Figura 1.1. Hidrograma elementalPuesto que no puede generarse flujo sin unaprofundidad finita de agua sobre la superficie,una parte de la lluvia se quedará enalmacenamiento temporal. En un instantecualquiera, la cantidad de agua en talalmacenamiento será igual a la diferencia entre elaporte total del área (lluvia) y la descarga total delárea. Cuando se alcanza el equilibrio, la tasa desalida iguala a la tasa de entrada (punto C) y elvolumen detenido es ABC. El agua está enmovimiento constante, y un elemento dado puedepasar a través del sistema en un tiemporelativamente cort o, pero la diferencia volumétricaentre aporte y descarga permanece constante.Cuando la lluvia cesa (Punto D) no existeaporte que mantenga el volumen detenido, y latasa de salida y el volumen detenido decrecen.La descarga sigue una recesión con un flujo quedisminuye a una tasa decreciente.El concepto del hidrograma unitarioconsiste en que el hidrograma de salida de unahoya pequeña es la suma de los hidrogramaselementales de todas las subáreas de la hoya,modificados por el efecto del tiempo de viaje através de la hoya y el almacenamiento en loscauces de las corrientes. Puesto que lascaracterísticas físicas de la hoya (forma, tamaño,pendient e, ent re otras) son c onstantes, podríaesperarse una similitud considerable en la formade los hidrogramas result antes de tormentas concaracterísticas similares. Esta es la esencia delhidrograma unitario tal como lo propusoSherman. Por definición el hidrograma unitario es“Un hidrograma de un centímetro de escorrentíadirecta de una tormenta con una duraciónespecificada”.El hidrograma unitario se puedeconsiderar como un impulso unitario en unsistema lineal. Por lo tant o, es aplicable elprincipio de superposición; 2.0 cm de escorrentíaproducirán un hidrograma con todas lasordenadas dos veces más grandes que aquellasdel hidrograma unitario, o sea, la s uma de loshidrogramas unitarios.Sería erróneo inferir que in hidrogramatípico bastaría para una hoya. Aun cuando lasvariables físicas de la hoya permanezcanrelativamente constantes, las característicasvariables de las tormentas produc en cambios enla forma de los hidrogramas resultantes. Lascaracterísticas de una tormenta son la duraciónde la lluvia, el pat rón intensidad-tiempo, ladistribución espacial de la lluvia y la cantidad deescorrentía.Esta técnica representa una de las másprecisas para el análisis de tormentas, sinembargo no es del interés de este trabajo detallaresta técnica, si se desea mayor información alrespecto se puede consult ar el libro Hidrologíapara ingenieros, Linsley-K ohler-P aulus.12MODELO DE DISEÑO DE SISTE MAS URBANOS DE ALCANTARILLADO PLUVIAL, CON UNA APLICACIÓN EN MS EXCEL10

Simulación en computadoras1(24 puntos negrita)Estos modelos requieren una definición completade los factores hidráulic os e hidrológicos, queafectan la descarga, y son capaces, de produciruna gran cantidad de información concerniente, ala respuesta de un sistema de drenaje paracualquier patrón de precipitación e en el nivel de detalle requerido yproducido y en la sofisticación con que sonmodelados los factores hidráulicos e hidrológicos.La técnica más rápidamente disponible y útil parael tránsito exacto en los sistemas de drenajeurbano involuc ra la solución de las ecuacionesunidimensionales de movimient o de fluidodenominadas ecuaciones de Saint Venant. Estasconsisten en la ecuación de continuidad:A y A V 0 B V t x xy la ecuación de cantidad de movimiento: y V V 1 VS f S0 x g x g tDonde:A área trans versal de la secciónV velocidadB ancho de la superficie del aguaSf pendiente de fricción de la ecuación deManning o ChezySo pendiente del canaly profundidad del aguax distancia a lo largo del canalSe han desarrollado muc

funcionamiento de la aplicación DSAP (Diseño de Sistemas de Alcantarillado Pluvial) se procedió a comparar los principales resultados del programa StormCad de la empresa Haestad Methods, con los resultados de la aplicación DSAP, esta comparación arroja como resultado una comprobación de los resultados generados por el