Cálculo hidráulico de colectores para saneamiento (I de II)

Fuera del edificio, a los tubos enterrados que discurren bajo las calles y que transportan las aguas residuales y pluviales procedentes de los edificios y del pavimento los denominamos colectores.

Dentro del edificio denominamos albañales a los conductos que transportan las aguas residuales y pluviales recogidas por las bajantes del edificio y que son conducidas hacia la red pública de saneamiento.

Los colectores y albañales para instalaciones de aguas residuales se dimensionarán para operar a media sección (50% de su capacidad hidráulica) hasta un máximo de tres cuartas partes de sección (75% de su capacidad). Para las aguas pluviales se dimensionan en valores de un 90% de la capacidad del tubo o bien a sección llena.

Si bien normalmente las pendientes de los albañales van a oscilar entre un 1% y un 4%, no son recomendables pendientes inferiores a 1,5%. Estos valores se recogen en el Documento Básico HS 5 "Salubridad" del Código Técnico de la Edificación de España.

Para el caso de colectores en viales (redes de saneamiento en poblaciones) los criterios de diseño suelen recogerse en los Pliegos de Prescripciones Técnicas que editan las Administraciones Públicas. Para estos colectores puede servir de referencia la siguiente tabla de pendientes mínimas:

Las velocidades adecuadas del fluido estarán generalmente comprendidas entre 0,6 m/s y 3 m/s. Para evitar la decantación de los materiales sólidos que transporte el agua, se necesita una velocidad igual o superior a 0,6 m/s mientras que para mantener la grasa en suspensión se necesitará una velocidad de agua de al menos 2 m/s.

Los datos de capacidad hidráulica, pendiente y velocidad citados, afectan tanto a colectores como a albañales cuando transportan aguas residuales y pluviales en el mismo colector.

Cuando transporten únicamente aguas pluviales, los colectores y albañales pueden operar prácticamente a sección llena, pudiéndose llegar en este caso a velocidades máximas de 5 m/s. No obstante se recomienda consultar los valores dados por los fabricantes de tuberías.

Cálculo

Una de las fórmulas más utilizadas y más rigurosas para el cálculo de transporte de fluidos a lámina libre por el interior de tuberías es la expresión de Prandtl-Colebrook, cuya fórmula es:

Siendo,

v, la velocidad media en m/s,

g, la aceleración de la gravedad en m/s²,

D, el diámetro interior de la tubería en m,

I, es la pérdida de carga en m/m,

K, la rugosidad absoluta equivalente en m,

ץ, la viscosidad cinemática del fluido en m²/s,

Para determinar las relaciones entre velocidades, caudales y alturas de lámina en conducciones circulares a sección parcial de llenado, Thormann y Franke establecieron las siguientes expresiones, que son coeficientes correctores a aplicar a la fórmula de Prandtl-Colebrook vista anteriormente:

Donde:

V es la velocidad a sección llena,

Vp es la velocidad a sección parcialmente llena,

Q es el caudal a sección llena,

Qp es el caudal a sección parcialmente llena,

2b es el arco de la sección mojada (véase la imagen inferior).

Los valores adoptados normalmente para el cálculo de colectores y albañales son los siguientes:

Viscosidad = 1,31 · 10^6 m2/s para aguas residuales.

                        1,24 · 10^6 m2/s para aguas pluviales.

Aceleración g = 9,81 m/s2.

Rugosidad K = 0,10 mm para tramos de conducciones plásticas con aguas pluviales.

                     K = 0,15 - 0,25 mm para conducciones plásticas en redes de aguas residuales. Debemos de tener en cuenta que la rugosidad aumenta debido a la influencia que ejercen las acometidas y los pozos. El valor inferior de rugosidad es especialmente aplicable a tuberías con tramos rectos y largos entre pozos de registro. El valor superior de rugosidad correspondería al caso contrario.

Se recomienda consultar los valores de rugosidad que indican los fabricantes de tubos ya que estos valores van a depender del material y calidad de los colectores así como del acabado de la cara interior de los tubos

Tabla

Con la finalidad de facilitar el proceso de cálculo hidráulico de colectores y albañales a sección parcial estoy trabajando en el desarrollo de una tabla para obtener los diámetros de tubos según el caudal a desaguar, la pendiente de la instalación y la rugosidad del material. La tabla se basa en las fórmulas de cálculo vistas en esta entrada.

La próxima semana estará a disposición de los lectores de iAgua a través de un nuevo post.