Metodología de diseño optimizado de series de tramos de alcantarillado, utilizando los conceptos de pendiente propia y pendiente intermedia

Transcripción

1 Metodología de diseño optimizado de series de tramos de alcantarillado, utilizando los conceptos de pendiente propia y pendiente intermedia XII SIMPOSIO IBEROAMERICANO SOBRE SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO DE AGUA Y DRENAJE URBANO BUENOS AIRES, ARGENTINA Emilio Corrales, Paula Cuero, Laura Montaño Daniel Luna, Juan Saldarriaga Centro de Investigaciones en Acueductos y Alcantarillados CIACUA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Bogotá, Colombia

2 1. Introducción 2. Antecedentes Potencia Unitaria CONTENIDO 3. Diseño hidráulico de un tramo de alcantarillado. Pendiente Propia 4. Diseño hidráulico de series de tramos de alcantarillado. 5. Resultados 6. Conclusiones

3 Introducción Contexto Colombiano El diseño de las redes de alcantarillado en Colombia se realiza de la siguiente manera: Selección del trazados de la red, basada en la experiencia del diseñador. Diseño hidráulico de cada alternativa. Evaluación de costos. Planteamiento del problema La exploración exhaustiva de todas las alternativas de diseño es un problema NP-duro. Para resolverlo, se acotó el problema mediante el concepto de Pendiente Propia y se desarrollaron algoritmos capaces de construir todos los escenarios posibles, y diseñarlos, cumpliendo con las restricciones hidráulicas respectivas. Diseño de un tramo Diseño de una serie de tramos Diseño de una red

4 Introducción Ecuación de costos utilizada en los análisis Esquema del volumen asociado a la instalación de una tubería, (Salcedo, 2012)

5 Antecedentes Concepto de Potencia Unitaria La Potencia Unitaria es un criterio de confiabilidad. Este fue desarrollado por Saldarriaga, Romero, Ochoa, Moreno & Cortés (2007) como un indicador del comportamiento hidráulico de redes de distribución de agua potable. La energía que pierde el flujo como consecuencia de su paso a través de un tramo es lo que se denomina potencia unitaria. Tuberías fluyendo totalmente llenas LET Donde: P: Potencia unitaria [m 4 /s] h i : Altura piezométrica en el pozo de inspección aguas arriba del tramo [m]. h i+1 : Altura piezométrica en el pozo de inspección aguas abajo del tramo [m]. 1 2 Potencia Unitaria en tuberías fluyendo totalmente llenas. LGH

6 Antecedentes Concepto de Potencia Unitaria La Potencia Unitaria es un criterio de confiabilidad. Este fue desarrollado por Saldarriaga, Romero, Ochoa, Moreno & Cortés (2007) como un indicador del comportamiento hidráulico de redes de distribución de agua potable. La energía que pierde el flujo como consecuencia de su paso a través de un tramo es lo que se denomina potencia unitaria. Tuberías fluyendo parcialmente llenas Donde: P: Potencia unitaria [m 4 /s] h i : Altura piezométrica en el pozo de inspección aguas arriba del tramo [m]. h i+1 : Altura piezométrica en el pozo de inspección aguas abajo del tramo [m]. 1 2 Potencia Unitaria en tuberías fluyendo parcialmente llenas. LET LGH

7 Antecedentes Concepto de Potencia Unitaria La Potencia Unitaria es un criterio de confiabilidad. Este fue desarrollado por Saldarriaga, Romero, Ochoa, Moreno & Cortés (2007) como un indicador del comportamiento hidráulico de redes de distribución de agua potable. La energía que pierde el flujo como consecuencia de su paso a través de un tramo es lo que se denomina potencia unitaria. Donde: P: Potencia unitaria [m 4 /s] h i : Altura piezométrica en el pozo de inspección aguas arriba del tramo [m]. h i+1 : Altura piezométrica en el pozo de inspección aguas abajo del tramo [m]. Relación entre costos constructivos y Potencia Unitaria, (López, 2012).

8 Diseño hidráulico de un tramo de alcantarillado Se entiende como tramo la serie de tuberías que conectan dos pozos de inspección. Este se caracteriza por tener el mismo material, diámetro y pendiente. Metodología Selección de diámetro y pendiente de diseño: Se busca la combinación diámetropendiente de un tramo, que minimice el volumen de excavación y el diámetro de la tubería. Comportamiento del costo de un tramo, según la pendiente de diseño. (CIACUA,2013)

9 Diseño hidráulico de un tramo de alcantarillado Concepto de Pendiente Propia Es la pendiente para un diámetro dado para la cual se maximiza la relación de llenado. Al utilizar la pendiente propia se minimizan los costos correspondientes a la compra de tuberías. S 1 S 2 = S P A pesar de realizar el diseño de menor costo por tubería, se pueden tener altos costos por excavación al usar únicamente pendientes propias. Al hacer uso de éste criterio se maximiza la potencia unitaria.

10 Diseño hidráulico optimizado de series de tramos de alcantarillado Metodología para la selección de la mejor serie Se evalúan todas las alternativas posibles, en términos de costos. Una alternativa es aquella combinación de los tramos diseñados, que conforman la línea principal de una red de alcantarillado. Grafo Representación de la serie 2 Caminos 6 Caminos 12 Caminos RAÍZ Tramo 1 Tramo 2 Tramo 3

11 Diseño hidráulico optimizado de series de tramos de alcantarillado Restricciones del Diseño de Series Diámetros: El diámetro de la tubería de salida de un pozo de inspección no puede ser más pequeño que los diámetros de las tuberías de entrada. Límites de excavación: La excavación tiene unas cotas máximas y mínimas que deben ser cumplidas.

12 Diseño hidráulico optimizado de series de tramos de alcantarillado Pendientes intermedias y pendiente del terreno. Con el objetivo de reducir el costo por excavación sin descuidar el costo por tubería surge el concepto de pendientes intermedias que en conjunto con el uso de la pendiente del terreno se logra cumplir el objetivo.

13 Diseño hidráulico optimizado de series de tramos de alcantarillado El procedimiento de diseño es el siguiente: Pendientes Propias de cada uno de los diámetros comerciales disponibles. Descartar las pendientes que están por fuera del rango admitido. Calcular las Pendientes Intermedias a partir de las Propias. El diseño hidráulico se ajusta a las condiciones del terreno. Se reduce el costo por excavación sin descuidar el costo por tuberías. Los criterios y restricciones hidráulicas reducen las alternativas de diseño, permitiendo explorar todo el espacio solución.

14 Resultados Diseño con costos totales de construcción Se evaluaron diferentes series de tramos de tuberías con diferentes configuraciones. Serie Limonar 4x4 ( 8 tramos en PVC) Serie de Pendiente Alta ( 6 tramos en Concreto) Alternativa de mínimo costo constructivo de la serie Limonar 4x4. Alternativa de mínimo costo constructivo de la serie de Pendiente Alta. Se compararon los costos de cada uno de los diseños obtenidos con la metodología propuesta (CIE - Disc) con un programa del mercado (SEDAL Plus).

15 Para la serie Limonar que consta de 8 tramos de tuberías en PVC, se evaluaron los siguientes escenarios: Diseño con costos de tuberías iguales a cero Costo (COP) $7,006, No. Alternativas 5,806,080 Tiempo Computacional (s) 0 Resultados Diseño con costos de excavación iguales a cero Costo (COP) $4,289, No. Alternativas 5,806,080 Tiempo Computacional (s) 2

16 Para la serie Limonar que consta de 8 tramos de tuberías en PVC, se evaluaron los siguientes escenarios: Diseño con costos de tuberías iguales a cero Costo (COP) $11,981, No. Alternativas 13,230 Tiempo Computacional (s) 0 Resultados Diseño con costos de excavación iguales a cero Costo (COP) $4,734, No. Alternativas 13,230 Tiempo Computacional (s) 2

17 Conclusiones El uso de un método hidráulico para la convergencia de la profundidad normal de flujo permite hacer diseños de una manera más eficiente. Los diseños exhaustivos son posibles a través del uso de herramientas y técnicas computacionales modernas. Las pendientes propias minimizan el costo de tuberías al maximizar la potencia unitaria. Las pendientes intermedias minimizan la diferencia entre la pendiente del terreno y la pendiente de la tubería. Las pendientes intermedias reducen los costos de excavación de forma importante. El máximo porcentaje de llenado cumpliendo las restricciones hidráulicas se obtiene con Pendientes Propias para terrenos planos y pendientes intermedias y Propias para terrenos.

18 MUCHAS GRACIAS Juan Saldarriaga