jueves, 25 de noviembre de 2010

Selección del Material para el Filtro.

Es sumamente importante que el material del filtro sea escogido cuidadosamente  tomando en cuenta las características del suelo que se protegerá. Terzaghi y Peck propusieron una serie de criterios para la selección de un filtro, tomando en cuenta las características del suelo adyacente a ser protegido. En la  Figura 5.18 el suelo a ser protegido es llamado material base.

Entonces según Terzaghi y Peck se recomiendan los siguientes criterios para satisfacer la estabilidad del filtro y proporcionar un aumento de permeabilidad. 
Donde:      
D15 (F), D15 (B) = diámetros a través de los cuales pasa el 15% del material para el filtro y la base, respectivamente.
                        D85 (B)  = diámetro a través del cual pasa el 85% del material para la base.

El primer criterio es para prevenir el movimiento de las partículas de suelo del material base  a través del filtro.
El segundo criterio es para asegurar la permeabilidad del filtro.

Figura 5.18 Definición del material base y material del filtro.

La aplicación del criterio de selección del material de un filtro puede ser explicado usando la Figura 5.19 en la cual la curva a es la curva de distribución tamaño de partículas del material base. Del criterio 1, D15(F ) < 4· D85(B) la abscisa del punto A es, D85(B) entonces la magnitud de 4· D85(B), puede ser calculada, y el punto B cuya abscisa es 4· D85(B), puede ser trazada. Similarmente, del criterio 2, D15(F) > 4·D15(B) las abscisas de los puntos C y D son D15(B) y 4·D15(B), respectivamente. Las curvas b y c son trazadas, las cuales son geométricamente similares a la curva a y están limitadas con los punto B y D. En general un suelo cuya curva de distribución de tamaño de partículas caiga dentro de las curvas b y c es un buen material para el filtro.
En algunos casos es necesaria la construcción de filtros de varias capas, lo cual no es aconsejable ya que son más costosos. Sin embargo a veces se tiene la necesidad obligada de construir este tipo de filtros, Para la selección del material de este tipo de filtros se sigue el mismo criterio, considerando al filtro mas fino como material base para la selección de la granulometría del filtro más grueso.

El diámetro de partículas máximo que se puede usar en un filtro no debe exceder de las 3” (75 mm.), esto con el fin de disminuir la segregación y el acuñamiento, formando huecos entre las partículas grandes durante la colocación de los materiales del filtro. Se debe tener cuidado en la colocación de los materiales del filtro para evitar la segregación.

Figura 5.19. Criterio para la selección de filtros. (Das, 1998)

miércoles, 17 de noviembre de 2010

Uso de Filtros para Aumentar el Factor de Seguridad contra el Levantamiento.

El objetivo de colocar filtros de drenaje, es permitir la descarga de las filtraciones y disminuir la posibilidad de fallas por levantamiento, ya sea por reventones o erosiones en el lado aguas abajo de la estructura hidráulica. Entonces como las fallas siempre ocurren en el área más débil susceptible a este tipo de fallas, que se vio que es en lado aguas abajo de la tablestaca, entonces se puede aumentar su resistencia a la fuerza de escurrimiento incrementando el peso de en esta sección débil. El filtro debe ser permeable para que pueda producirse el drenaje del flujo de agua ascendente que tiende a levantar esta parte del suelo. Una manera de evaluar el riesgo probable de falla es el factor de seguridad. Este factor de seguridad en muchos casos es muy bajo, entonces  se lo debe aumentar por medio de estos filtros. Se requiere un factor de seguridad mínimo de aproximadamente 4 a 5 para la seguridad de la estructura, el motivo por el que este factor de seguridad es tan elevado es principalmente debido a las inexactitudes que existen en el análisis. 

Un filtro es un material granular con aberturas bastante pequeñas para prevenir el movimiento de las partículas del suelo en las que es colocado y, al mismo tiempo, es bastante permeable para ofrecer pequeña resistencia al flujo que pasa a través de él. Es decir que el filtro debe tener una granulometría tal que los orificios del filtro no sean mucho mayores que las partículas mas finas del suelo base, ya que estas partículas finas poco a poco son arrastradas a los vacíos del filtro, terminando por taponar al filtro y evitando que cumpla con su función de drenaje. Si por el contrario, los vacíos del filtro son del mismo tamaño que los del suelo, el filtro puede ser poco a poco lavado hacia el conducto subterráneo. Por lo tanto el filtro debe estar formado por un material cuya granulometría debe ajustarse a ciertos requerimientos. Estos requerimientos serán detallados mas adelante.
En la Figura 5.17a, el espesor del material del filtro es d1, este espesor debe ser mayor a 3 pies (91 cm.). Como el factor de seguridad esta en función del peso del suelo en la zona de levante, al colocar el filtro este peso aumenta incrementando así el factor de seguridad. El factor de seguridad contra el levantamiento puede calcularse similar al caso anterior solo aumentando el peso del filtro, esto se ve en la Figura 5.17b.
La fuerza de levante causada por el flujo de agua U, es la misma que el caso anterior:
El peso de suelo y del filtro dentro la zona contra levantamiento por longitud unitaria es:

Figura 5.17. Uso de un filtro para aumentar el factor de seguridad contra el levantamiento. (Das, 1998)

Entonces el factor de seguridad contra el levante es:

martes, 16 de noviembre de 2010

Aplicaciones del Esfuerzo efectivo a Propósitos Ingenieríles.


El concepto del esfuerzo efectivo influye en gran parte en el comportamiento del suelo, de ahí es que la aplicación de estos criterios en las obras civiles es de gran importancia. El uso más común se presenta en el diseño de presas, terraplenes, diques, ataguías, o estructuras similares de retención de agua, además de obras que requieran excavaciones del terreno. En este tipo de obras es muy frecuente que se presenten infiltraciones que pongan en riesgo la estabilidad y vida útil de la estructura. Esta inestabilidad es debida a la infiltración del agua y se la conoce con el nombre de flotación. Cuando el esfuerzo efectivo es cero, la fuerza ascendente de escurrimiento es igual al peso sumergido del suelo y no puede desarrollarse una resistencia a la fricción entre partículas y por lo tanto la mezcla suelo y agua no tiene resistencia al corte y actúa como líquido. La falla por flotación o levante puede conducir a una falla total de la cimentación o incluso al derrumbe de una estructura de retención de agua, como el pie del talud de una presa o parte de una ataguía. Por lo tanto es necesario analizar esta inestabilidad al diseñar estructuras de retención de agua.
Existen varios métodos para disminuir la fuerza de escurrimiento ascendente causante de la flotación, los más comunes son el uso de filtros en las zonas más susceptibles y el aumentar la longitud del trayecto del flujo.
·      Al aumentar la longitud de trayecto del flujo se logra reducir la cantidad de infiltración, esto se puede lograr aumentando la profundidad del hincando de tablestacas, o alargando la base impermeable de la estructura de retención de agua.
·      Los filtros tienen como principal objetivo evitar las infiltraciones, reducir la presión de levante o empuje que se produce aguas abajo de la estructura de retención de agua, además de impedir el arrastre de partículas de un suelo a otro. Si es que hay arrastre de partículas se produce la erosión del suelo, que provocaría problemas de estabilidad en la estructura del suelo.
La presión de levante esta ligado directamente al esfuerzo efectivo, ya que esta fuerza de levante es provocada por un flujo de agua ascendente en el lado aguas abajo de la estructura de retención de agua. Esta fuerza de escurrimiento ascendente cuanto mayor sea producirá un mayor gradiente hidráulico
provoca que el esfuerzo efectivo sea cada vez menor, lo que ocasiona la falta de estabilidad en la cimentación, llegando a producir posteriormente la falla en la estructura de retención.

lunes, 15 de noviembre de 2010

Esfuerzos Efectivos.

El principio del esfuerzo efectivo es probablemente el concepto más importante en la ingeniería geotécnica. En el cálculo y análisis de problemas como el asentamiento de los suelos, capacidad de carga de fundaciones, estabilidad de presas, y presión lateral en estructuras de retención de tierra, la compresibilidad y resistencia al corte de un suelo son las propiedades que mas influyen en el diseño y estas propiedades dependen en gran parte del esfuerzo efectivo, lo cual hace que el concepto del esfuerzo efectivo sea muy importante en el análisis de estos problemas.
El suelo es una estructura esquelética de partículas sólidas en contacto, formando un sistema intersticial de interconexiones entre los vacíos o poros. Los poros están parcial o totalmente llenos de agua. Es por esta razón que los esfuerzos efectivos pueden presentarse en la naturaleza en diferentes maneras.

·         Suelos saturados con agua y cero de aire en los vacíos.
·         Suelos secos sin nada de agua en los vacíos
·         Suelos parcialmente saturados, con agua y aire en sus vacíos.

En este capitulo se analizara explícitamente los esfuerzos efectivos en suelos saturados, ya que la presión ejercida por el agua a diferencia de la del aire juega un papel muy importante en el análisis de los esfuerzos efectivos.
En los suelos a diferencia de otros materiales sus componentes (sólidos, agua y aire) no están firmemente unidos y es por esta razón que la respuesta del suelo en conjunto a cualquier carga o la transmisión de esfuerzos de esa carga al interior del suelo es la acumulación del comportamiento de sus tres componentes. El esqueleto del suelo es por lo general muy deformable, debido al deslizamiento y reorganización de las partículas. Por este motivo es que la deformación de una masa de suelo viene controlada por la interacción entre las partículas individuales. Esta interacción entre la estructura del suelo y el fluido en los poros determina el único comportamiento que depende del tiempo en la masa del suelo, esto es debido a que el agua y el aire dentro los espacios vacíos entre partículas se comportan en forma distinta según se apliquen las cargas muy rápida o muy lentamente
Para poder entender más fácilmente los esfuerzos y deformaciones que se producen en un suelo es necesario primeramente definir claramente que son los esfuerzos y las deformaciones que producen. A continuación se explica detalladamente esto.

jueves, 11 de noviembre de 2010

Alcantarillados: Caudal de Infiltración y Caudal de Conexiones Erradas


Caudal de Infiltración

No se puede evitar la infiltración de aguas subterráneas principalmente freáticas a través de fisuras en los colectores, juntas mal ejecutadas y en la unión de colectores con las cámaras de inspección. y en las mismas cámaras cuando permiten la infiltración del agua..

El coeficiente de infiltración varía según:

-La altura del nivel freático sobre el fondo del colector.
-Permeabilidad del suelo y cantidad de precipitación anual.
-Dimensiones,  estado  y  tipo  de  alcantarillas  y  cuidado  en  la  construcción  de  cámaras  de inspección.

En tabla 4.3, se presentan valores del caudal de infiltración por metro, en función del tipo de unión entre tuberías y la ubicación del nivel freático.

Cuando no existe la previsión de implementación de un sistema pluvial a corto  o mediano plazo, es necesario considerar un mayor aporte de aguas pluviales, desde patios interiores debido a las características especiales de la población, para este propósito se adopta un valor máximo de 2.0 L/s/Ha.

Caudal de conexiones erradas


En  los  caudales de  aguas  residuales se  deben considerar los  caudales pluviales provenientes de  malas conexiones o conexiones erradas, los cuales determinan fijar un coeficiente de seguridad del 5 – 10 % del caudal máximo previsto de aguas residuales.

miércoles, 10 de noviembre de 2010

Sistema Alcantarillado Sanitario y sus Componentes.

Es el sistema de recolección diseñado para evacuar exclusivamente aguas residuales domésticas e industriales de una población.

Componentes.
1.- Colector secundario.-  Colector domiciliario de diámetro menor a 150 mm (6”) que se conecta con un colector principal.

2.- Colector principal.- Capta el caudal proveniente de dos o más colectores secundarios domiciliarios.

3.- Interceptor.-  Colector que recibe la contribución de varios colectores principales, localizados en forma paralela y a lo largo de las márgenes de quebradas y ríos o en la parte más baja de la cuenca.

4.- Emisario final.-   Colector que tiene como origen el punto más bajo del sistema y conduce todo el caudal de aguas residuales a su punto de entrega, que puede ser una planta de tratamiento o un vertimiento a un cuerpo de agua como un río, lago o el mar. Se caracteriza porque a lo largo de su desarrollo no recibe contribución alguna.

viernes, 5 de noviembre de 2010

Sumideros Mixtos o Combinados.


Es una combinacion de reja y ventana. Para caicuiar ia capacidad combinada de estos sumideros, hay que considerar ia ubicacion reiativa deios mismos y ias variabies determinantes de ia capacidad de cada uno. La metodoiogía consiste en sumar juiciosamente ios caudaies de entrada, es decir, caicuiar por separado y sumar ios Q1  obtenidos. Ei caicuio debe hacerse con condiciones de aproximacion diferentes; rara vez se puede determinar ia capacidad sin recurrir a factores de seguridad.

Sumidero de Reja Normalizado.

a) Cálculo de la capacidad

Para determinar ia capacidad de ias rejas, se requiere conocer tanto ia pendiente transversai como ia pendiente iongitudinai de ias caiies, ademas de ias características de ia reja.

Los graficos para ei caicuio de ia capacidad de sumideros de rejas  normaiizados en caizada y en  cuneta respectivamente, se  muestran  en  ios  anexos  5.6  y  5.7.  La  nea  que  iimita  ia apiicabiiidad de ios graficos se refiere ai maximo caudai que puede ser interceptado por una reja de cierta iongitud, en una caiie de pendiente conocida. Tai como se puede observar en ios graficos, ei caudai maximo interceptado disminuye ai aumentar ia pendiente iongitudinai de ia caiie.
La Reja Tipo Calzada tiene 1.50 m x 0.90 m pero sus dimensiones útiies son 1.32 m x 0.72 m;
ei area neta de ranuras es de 0.68 m2, que representan un 72 % de ia superficie de ia camara.

 
Para ambos casos:
QI  = Caudal interceptado por el sumidero ( L / s )
So = Pendiente longitudinal de la calle.
Y  =  Altura de inundación de la calzada ( cm)
n  = Coeficiente de Manning.
SX = Pendiente transversal.
Figura 5.3   Reja tipo calzada y reja tipo cuneta

Sumideros de Ventana.

a) Cálculo de la capacidad
La capacidad de un sumidero de ventana depende principaimente de ios siguientes factores:
1.Condiciones de fiujo de  aproximacion. Expresada por ei caudai y ia aitura de agua en ei cordon  de  acera,  a  su  vez  interreiacionados por  ia  geometría de  ia  vía,  su  pendiente iongitudinai y su rugosidad n.
2.Longitud L de ia ventana
3.Para un mismo caudai y en reiacion a un sumidero de iongitudinai L, su capacidad de captacion Q1 disminuye con ia pendiente iongitudinai de ia vía, puesto que ia aitura se hace menor y por io tanto se reducen ias cargas hidrauiicas que inducen ai ingreso iaterai dei agua.
4.La  capacidad  de  ios  sumideros  de  ventana  aumenta  con  incrementos  de  ia  pendiente transversai de ia vía SX.
Aigunas recomendaciones de tipo practico que resuitan de investigaciones experimentaies deben ser consideradas.

-La  practica ha  demostrado que  ia  eficiencia dei  sumidero de  ventana, mejora ostensibiemente  si  en  su  proyecto  se  especifica  una  depresion  en  un  sector adyacente a ia abertura.
-Ei efecto de ias ondas superficiaies que se generan en ias aiteraciones de ios contornos, si ei régimen de aproximacion es supercritico.
-La dispersion de datos y por io tanto ia dificuitad en ia seieccion dei coeficiente de descarga que interviene en ia ecuacion dei fiujo de descarga iaterai.

b) Método de cálculo del sumidero de ventana normalizado.

Las iimitaciones estabiecidas4 en cuanto a ias características de este tipo de sumidero se indican a continuacion:

-Debera tener una iongitud mínima de 1.50 m.
-La depresion transversai en ia caizada con un ancho mínimo de 0.30 m y un maximo de 0.60 m. La pendiente de esta depresion sera hasta 8 %, con un vaior mínimo de 2.5 cm de abertura para un ancho de depresion de 0.30 m.
-La aiturea maxima de ia ventana, sera de 0.15 m.
-Ei fondo dei sumidero, debera tener pendiente mínima de 2 % hacia ia saiida.
Se   recomienda  ei   empieo   de   sumideros  de   ventana   preferibiemente  para   pendientes iongitudinaies de caiies menores ai 3 %.5

Cálculo hidráulico de Sumideros.

Los sumideros son ias estructuras encargadas de recoger ia escorrentía de ias caiies. Se ubican a iado y iado de ia caiie y en ia esquina aguas debajo de cada manzana.

1 Clasificación de los sumideros

En generai ios sumideros se dividen en cuatro tipos:

  -Sumideros de ventana o acera
  - Sumideros de reja o caizada
  - Sumideros mixtos o combinado



La descripción de ios detaiies de ias dimensiones y métodos constructivos de ios sumideros

2  Capacidad de agotamiento de un boca de tormenta

La capacidad de una boca de tormenta / sumidero, cuaiquiera sea su tipo, depende de ia aitura de agua en ei tramo de acera aguas arriba dei sumidero. Si esta estuviese ubicada en un tramo de pendiente uniforme, ia aitura de agua en ia cuneta dependera de sus características como conducto iibre. Taies características inciuyen ia sección transversai, ia pendiente y ia rugosidad de ia cuneta y de ias superficies dei pavimento sobre ei cuai escurre ei agua.

En ia determinación de ia capacidad dei sumidero ia primera condición es que ias características de escurrimiento en conducto iibre de ia cuneta aguas arriba sean conocidas.

3  Calculo de la capacidad de caudal de una cuneta
Cuando ia sección transversai de ia cuneta consiste esenciaimente de un pavimento con pendiente uniforme, ei  caudai  puede  ser  rapidamente  caicuiado  usando  ei  nomograma de  IZZARD  para escurrimiento en  un canai trianguiar (ver  Anexo 5.2).  Este  nomograma es  también apiicabie a secciones compuestas de dos o mas partes de secciones diferentes.

Ei nomograma de IZZARD, permite caicuiar ia aitura de agua en ei bordiiio de acera para un caudai dado o viceversa. En estos caicuios se debe tener presente que ia aitura de agua obtenida es para una iongitud  de  cuneta  suficiente  para  estabiecer  un  escurrimiento  uniforme,  siendo  esta  iongitud probabiemente 15m. Invariabiemente, una cuneta va graduaimente acumuiando agua de modo que ei caudai no es constante a io iargo de su iongitud.

Para ei caicuio dei caudai en cunetas es posibie ei empieo de ia formuia de Manning considerando una sección trianguiar.

Los vaiores dei coeficiente “n” de Manning adoptados, son ios que se muestran en ia tabia 5.4.

Para cunetas con pendientes pequeñas donde es posibie ia acumuiación de sedimentos, ios vaiores de “n” mencionados en ia tabia deben ser incrementados en 0.002 a 0.005.

4  Capacidad de drenaje de los sumideros

Ei nomograma de IZZARD fue construido para ia siguiente ecuacion:

donde:

Q = Caudal de drenaje de la cuneta ( L / s ) Y = Profundidad máxima ( cm.)
Z = Inverso de la pendiente transversal. n  = Coeficiente de Manning.
S = Pendiente longitudinal
Se recomienda utiiizar ei nomograma de Izzard para vaiores de Z > 8. Para vaiores de Z < 8 utiiizar

miércoles, 3 de noviembre de 2010

Criterios de Diseño en los Colectores de Aguas Pluviales.

Algunas de  las  consideraciones importantes para  el  diseño de  los colectores de  aguas pluviales, como diámetros mínimos, recubrimientos, límites de velocidad, tensión tractiva mínima.

1 Tipos de sección admitidos

Para conductos de dimensn interna hasta 1.20 m, es recomendable el empleo de una sección circular. Para conductos de dimensiones internas mayores 1.20 m, las uniones rectangulares son las mas recomendadas pudiendo ser adoptada con preferencia la sección cuadrada. Se debe cuidar que los lados verticales de las secciones rectangulares no sobrepasen los 3.0 m.

2 Altura de tirante de agua

Las tuberías serán normalmente dimensionadas para funcionar como conductos libres sin presión.
En caso de secciones rectangulares, el funcionamiento de los colectores a sección plena será siempre como conductos libres, dejando un colchón de aire de 0.10 m de altura, encima del nivel máximo de la lamina de agua.

3 Interconexión entre tramos de colectores

La  interconexión se  hará  siempre  mediante  la  instalación de  una  mara  de  inspección, bajo  las siguientes condiciones:

-Las dimensiones de los colectores no deben disminuir en la dirección aguas abajo.
-En la unión de colectores de diámetros diferentes, las claves deben mantener el mismo nivel.
-La caída máxima aceptable en una mara de inspección no debe exceder de 2.5m.
-En caso de que sea necesaria la adopción de una caída mayor a 2.50 m de altura, se deberá estudiar la disipación de energía existente.

4 Pendientes de los colectores

Como se indicó en el Capítulo 3, a tensión tractiva mínima es de 0.10 Kg/m2, con objeto de permitir la auto limpieza de colectores.
La fuerza tractiva debe ser suficiente para transportar el 90% del material granular que se estima entra al sistema de alcantarillado.
La condición de auto limpieza para determinar la pendiente mínima debe calcularse con el 10% de la capacidad a tubo lleno.
La pendiente de los colectores, siempre que sea posible, deberá ser igual a la del terreno. No obstante, para emplear secciones de menores dimensiones, pueden ser adoptadas inclinaciones mayores que la del terreno.

5 Cálculos hidráulicos.

Los calculos hidraulicos de dimensionamiento de los colectores seran realizados empleando la fórmula de Chezy:
La ecuación de continuidad:
 
Donde ei vaior dei coeficiente C de Chezy se representa por ia fórmuia de Manning:

Donde:
Q = Caudal (m3/s)
V = Velocidad media (m/s) A = sección mojada (m2) Rh = Radio hidráulico (m)
S = Pendiente longitudinal (m/m)
n = Coeficiente de rugosidad adimensionai