DESARROLLO DE UNA METODOLOGÍA PARA LA DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES DE RESISTENCIA HIDRÁULICA ASOCIADOS A TRAMOS DE ALCANTARILLADOS EXISTENTES Daniel Riveros Franco* Ingeniero Civil, Pontificia Universidad Javeriana (2004). Diego Armando Gutiérrez Almanza Pontificia Universidad Javeriana Andrés Eduardo Torres Abello Pontificia Universidad Javeriana Jaime Andrés Lara Borrero Pontificia Universidad Javeriana Dirección postal del autor principal (*):625 NW 130TH AVE , 33028 Florida, Estados Unidos. Teléfono: 1-954-438-1563. e-mail: danielriveros@bellsouth.net RESUMEN Para el diseño y dimensionamiento de las estructuras hidráulicas a superficie libre se han utilizado por muchos años ecuaciones de flujo uniforme. Estas ecuaciones son generalmente de fácil implementación e intentan relacionar la velocidad de flujo con otras variables geométricas e hidráulicas. Dentro de esas variables, es frecuente encontrar una que tiene en cuenta el llamado “coeficiente de resistencia”. Las ecuaciones que son comúnmente usadas involucran coeficientes como el de Manning (n), el de Chézy (C) o la rugosidad absoluta (Ks). Para calcular estos coeficientes es necesario medir la velocidad, la pendiente, la altura de la lámina de agua, el diámetro y la temperatura, para así llegar a la determinación de los coeficientes anteriormente nombrados. A partir del estudio de las relaciones físicas y de herramientas matemáticas como un análisis estadístico por medio de derivadas parciales, se desarrolló e implementó un aplicativo computacional que permite el análisis de incertidumbre para los datos tomados. Se planteó una metodología para llegar a una medición precisa de coeficientes de resistencia hidráulica y asociarles una incertidumbre. Se realizaron pruebas de laboratorio y de campo que permitieron validar la metodología mencionada anteriormente. Palabras Claves: Manning, Chézy, Resistencia Hidráulica, Alcantarillados, Flujo Uniforme. INTRODUCCIÓN Para el diseño y dimensionamiento de numerosas estructuras hidráulicas a superficie libre, utilizadas para el desarrollo de obras de saneamiento, se han utilizado por muchos años ecuaciones semiempíricas para flujo uniforme. Estas ecuaciones, generalmente de fácil implementación, intentan relacionar la velocidad de flujo con otras variables geométricas e hidráulicas. Dentro de esas variables, es frecuente encontrar una que tenga en cuenta el llamado “coeficiente de resistencia”. Ese es el caso de ecuaciones como la del ingeniero francés Antoine Chézy (1769) y la del ingeniero irlandés Robert Manning (1889), donde en la determinación del coeficiente de resistencia se encuentra la principal dificultad para su utilización. Dependiendo del problema al que se está enfrentado, el ingeniero puede utilizar una serie de métodos para estimar el coeficiente de resistencia hidráulica de la mejor manera posible. Se considera que hay un número importante de variables que afectan el coeficiente de rugosidad (Chow, 1994). Sin embargo, para el diseño de las obras de saneamiento generalmente se tiene en cuenta únicamente el material, ignorando las variables restantes. En Colombia, el RAS-2000 (El Reglamento Técnico de Agua Potable y Saneamiento Básico) ha proporcionado unos valores para el coeficiente de rugosidad "n" de Manning en tuberías según el tipo de material. Por la importancia que tiene la determinación de los coeficientes de resistencia hidráulica en actividades de diseño, se considera que se debe realizar una estimación precisa de éstas. Se piensa que es necesario realizar mediciones de los coeficientes de resistencia hidráulica (Manning, Chézy, Ks). Para medir estos coeficientes es necesario crear una serie de ensayos con su respectiva metodología para poder llegar a asociarle una incertidumbre y tener una certeza en la medición de estos valores. A partir de lo anterior, los objetivos de este trabajo fueron establecer una metodología necesaria para la determinación de coeficientes de resistencia hidráulica y los errores asociados a esas mediciones y realizar pruebas de laboratorio y en campo para validar la metodología propuesta. MARCO TEÓRICO El establecimiento del flujo uniforme rara vez sucede en canales a flujo libre, incluyendo las redes de alcantarillado. Sin embargo, el concepto de flujo uniforme ha sido muy utilizado para la solución de problemas de la hidráulica de canales y para el desarrollo de la infraestructura de drenaje urbano en varios países del mundo. Por definición, el flujo uniforme ocurre cuando la relación entre el área hidráulica y el ancho superficial, el área hidráulica y la velocidad en cada sección transversal son constantes y la línea de gradiente de energía, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos (French, 1988). Se piensa que el flujo uniforme sólo puede ocurrir en canales prismáticos muy largos y rectos (French, 1988). Pero, como se dijo anteriormente el dimensionamiento hidráulico de la sección de un colector puede hacerse suponiendo que el flujo en éste es uniforme. Esto es válido en particular para colectores de diámetro pequeño (RAS-2000). La velocidad promedio de un flujo uniforme puede calcularse por medio de diversas ecuaciones semiempíricas que son expresadas de la siguiente forma: v = CR x S y ecuación (1) Donde: v: Velocidad promedio R: Radio hidráulico S: Pendiente longitudinal del canal C: coeficiente de resistencia x, y: Coeficientes Las ecuaciones semiempíricas más conocidas son las de Chézy y la de Manning. La ecuación de Chézy (1775) es la más antigua y se escribe de la siguiente forma: v = C RS ecuación (2) Donde: v: Velocidad promedio R: Radio hidráulico S: Pendiente longitudinal del canal C: coeficiente de resistencia A partir de datos experimentales, Manning (1889) desarrolló una expresión para el coeficiente de Chézy donde la ecuación final sería: ecuación (3) Donde: v: Velocidad promedio R: Radio hidráulico S: Pendiente longitudinal del canal n: coeficiente de rugosidad α : 1 si se trabaja en sistema internacional y 1,486 si se trabaja en sistema inglés. Para calcular el coeficiente de rugosidad es necesario hacer un procedimiento estadístico para llegar a una confiabilidad de los resultados y poder medir la incertidumbre relacionada con los datos tomados. Para esto se tomó un procedimiento planteado por Jack Philip Holman (1977), que consiste en expresar una variable dependiente en función de las variables independientes que son medidas. Luego, se calcula la incertidumbre de la variable dependiente por medio de las derivadas parciales y de la incertidumbre de cada variable independiente de la siguiente forma: 1 2 2 2 ∂R ∂R 2 ∂R ⋅ w1 + ⋅ w2 + ... + wR = ⋅ wn ∂x1 ∂x2 ∂xn Donde: wR: R: xi : wi: ecuación (4) Incertidumbre en la variable dependiente. Variable dependiente expresada en función de las variables dependientes x1, x2, x3 … xn. Variable independiente. Incertidumbre de la variable independiente. METODOLOGÍA Primero se hizo una revisión bibliográfica donde se hizo una búsqueda en diversos medios como bases de datos y bibliotecas de universidades alrededor del mundo de experiencias similares donde se tratara de realizar mediciones del coeficiente de rugosidad para observar los resultados obtenidos y la metodología empleada en dichas experiencias. Posteriormente, se desarrollaron una serie de programas que le permiten al usuario obtener los coeficientes de Manning, de Chézy y de Rugosidad Absoluta, con su respectiva incertidumbre, a partir de datos medidos directamente en campo como altura, pendiente, diámetro y velocidad. Estos desarrollos se basaron en las ecuaciones para flujo uniforme y en el método propuesto por Holman (1977) para el cálculo de la incertidumbre. Luego, se realizó una etapa de pruebas de laboratorio donde se validaron el funcionamiento del macromedidor y los programas desarrollados mediante un montaje en el laboratorio de hidráulica de la Universidad Javeriana, usando tuberías en concreto de 10” y 14”. Finalmente, se validó toda la metodología propuesta mediante mediciones en campo sobre dos tuberías alcantarillado sanitario (8”y 10”) y una de alcantarillado de aguas lluvias (12”). RESULTADOS Se hizo una investigación bibliográfica sobre las experiencias históricas que se han tenido respecto a la medición de coeficientes de rugosidad y los resultados se pueden observar en la siguiente tabla: TABLA 1: Especificaciones del medidor de flujo American Sigma 910. Año 1924 1960 1986 1988 1960 Autores Nombre del Estudio Universidad de Iowa Valores medios de coeficiente de rugosidad en hormigón, arcilla vitrificada y metal corrugado Universidad de Minessotta. (Lorenz G. Straub) Universidad de Medición en campo del Alberta. (M. coeficiente n para Joachim Besmenh) alcantarillado sanitario Universidad de Ensayos del factor de Utah. (J. Paul fricción en tuberías de Tuilis) hormigón ACPA (American Repaso de investigaciones Concrete Pipe en las universidades Association) State Road Resistencia al flujo en dos Department of tipos de tuberías de Florida concreto CERIB (Francia) Medición de coeficientes de pérdida de carga a la compañía nacional de Rhone (Francia) Resultados Se hallaron coeficientes de n de Manning para tuberías de Hormigón, Arcilla y Metal de 12”, 18”, 24” y 30” Se obtuvieron datos de n de Manning y de f de Darcy relacionados con el número de Reynolds, para flujo a tubo lleno y para tuberías con juntas en buen estado y en mal estado Se obtuvieron los n de Manning para 16 alcantarillados en PVC y concreto (8”, 10” y 12”) de la ciudad de Edmonton. Se obtuvieron coeficientes de n de Manning para tuberías de concreto de 8”, 12” y 18” con flujos a sección llena y parcialmente llena y se correlacionaron con el número de Reynolds Se obtuvieron resultados de coeficientes de n de Manning para tuberías de concreto, plásticos, fibrocementos y de fundición, además de aplicar un valor diferente para el laboratorio y el campo Una comparación entre el coeficiente de rugosidad de Manning frente al estado de las juntas. Valor de el coeficiente de Manning para tuberías de concreto de 24”y 36” Se hallaron valores de un coeficiente K por medio de los cuales se ha construyóuna gráfica de coeficiente K contra tasa de llenado para los tubos de PVC y concreto de diámetro 600 mm. Después de expresar cada coeficiente (n de Manning, C de Chézy y Ks), en función de las variables que se miden (Velocidad, Diámetro, Altura, Pendiente, Temperatura). Se llegó entonces a una ecuación para cada coeficiente, como por ejemplo la ecuación del coeficiente de Manning expresada de la siguiente forma: 2 3 2 ⋅ H 2 ⋅ H ⋅ 1 − 1 − 1 − D D 1 1 1/ 2 n = ⋅ ⋅ 1 − ⋅ S v 4 2⋅ H A cos 1 − D 2 Donde: n: Coeficiente de Manning. ecuación (5) v: H: D: S: Velocidad medida en campo (m/s). Altura de la lámina de agua medida en campo (m). Diámetro de la tubería medido en campo (m). Pendiente medida en campo. Con base en lo expuesto anteriormente, se llegó a realizar una serie de programas en MATLAB donde se toma el método descrito por Holman (1977), se puede ver el diagrama de flujo empleado en el programa en la siguiente figura Figura 1: Diagrama de flujo del Programa para el cálculo del coeficiente de Manning con su respectiva incertidumbre. Los programas procesan los datos y le muestran al usuario el valor de los coeficientes calculados así como el promedio y la incertidumbre de cada medición. Posteriormente, se realizaron mediciones tanto en campo como en laboratorio. En el laboratorio se realizaron mediciones sobre 2 tramos (10” y 14”), el montaje se puede observar en la Figura 2. En campo se realizaron mediciones sobre 2 tramos de alcantarillado sanitarios (8” y 10”) y un tramo pluvial (12”). Figura 2: Montaje realizado en el laboratorio de hidráulica de la Pontificia Universidad Javeriana. La metodología propuesta para realizar la medición del diámetro real de la tubería consiste en medir los lados de una serie de triángulos, cuyos vértices se van a ubicar sobre el perímetro de la tubería, como se puede observar en la figura 3. Mediante un proceso geométrico y procesando un programa realizado en MatLab, se llega al valor del diámetro del círculo que contiene las 3 cuerdas medidas. Figura 3: Esquema para demostrar el procedimiento del cálculo del diámetro de una tubería en función de las cuerdas medidas. Para medir la pendiente se propone un sistema modular de tubos en aluminio que garantizan una escuadra y tiene contacto con la tubería. Tomando varias mediciones de alturas y distancias horizontales respecto a un origen y en diferentes puntos de la tubería se llega a la pendiente real en campo (Ver figura 4). Figura 4: Esquema del dispositivo modular para medir la pendiente de una tubería. Para medir la velocidad y el nivel de flujo se utilizó un medidor de flujo referencia American Sigma 910 suministrado por la EAAB (Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá) y cuyas especificaciones se encuentran en la Tabla 2. Este macromedidor de flujo utiliza una onda ultrasónica de 1MHz, y por medio del efecto Doppler es capaz de calcular internamente la velocidad de flujo y la altura de la lámina de agua. TABLA 2: Especificaciones del medidor de flujo American Sigma 910. Dimensiones Peso Material Externo Duración de la Batería Intervalos de Monitoreo Unidades de Medida Medición de Velocidad 11.4 cm de dia, 44.8 cm L 3.54 Kg con baterías PVC 60 días con intervalos de monitoreo de 15 minutos. 1, 2, 3, 5, 6, 10, 12, 15, 20, 30, y 60 minutos. Nivel: pg, m, cm, ft. 3 3 3 3 Flujo: gps, gpm, gph, lps, lpm, lph, m s, m m, m h, m d. Método: Doppler ultrasónico. Rango: -1.52 a 6.10 m/s Precisión: + / - 2% de la lectura. Figura 5: Medidor de Flujo American Sigma 910. Se procesaron los datos en los respectivos programas para cada coeficiente y se obtuvieron los siguientes resultados: TABLA 3: Valores Hallados en el Laboratorio DIÁMETRO 10” 14” COEFICIENTE PROMEDIO MÍN MÁX INCERTIDUMBRE n 0.0096 0.0090 0.0103 0.0009 (7%) C 33.601 31.624 35.560 5.74 (17%) Ks (m) 0,0010 0,0007 0,0014 0,0002 (15%) n 0,0114 0.0110 0.0120 0.0015 (13.46%) C 41.467 39.904 42.944 4.730 (11.39%) Ks (m) 0.0028 0.0021 0.0036 0.0002 (8.03%) TABLA 4: Valores Hallados en Campo DIÁMETRO 8” COEFICIENTE PROMEDIO MÍN MÁX INCERTIDUMBRE n 0.0126 0.0122 0.0131 0.0025 (19.90%) C 38.657 37.439 39.825 7.639 (19.89%) 10” 12” Ks (m) n C Ks (m) n C Ks (m) 0.0048 0.0109 45.883 0.0022 0.0134 47.884 0.0072 0.0041 0.0107 45.111 0.0019 0.0133 47.446 0.0068 0.0057 0.0111 46.871 0.0024 0.0135 48.265 0.0076 0.0005 (10.14%) 0.0029 (27.48%) 12.670 (27.48%) 0.0004 (17.48%) 0.0037 (28.13%) 13.460 (28.12%) 0.0020 (17.60%) CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La diferencia entre los valores de coeficientes de laboratorio con respecto a los de campo es de 15% para n de Manning, 60% para Ks y 15% para C de Chézy. Los valores de los coeficientes de resistencia hidráulica hallados en campo, se encuentran en los rangos que sugiere la literatura. Los valores de coeficiente de Ks determinados con los datos hallados en campo, tienen un incremento de 45% respecto a los valores anteriormente mencionados. La incertidumbre generada en el cálculo de los coeficientes de rugosidad tiene un valor promedio de 19% para el coeficiente n de Manning, 13.5% para el coeficiente Ks y 20% para el coeficiente C de Chézy. Se logró desarrollar y validar una metodología para la medición de coeficientes de rugosidad en campo teniendo en cuenta la incertidumbre generada por diferentes factores como el error de apreciación y la desviación estándar de los valores medidos. Agradecimientos. – Empresa de Acueducto y Alcantarillado de Bogotá (EAAB), Manufacturas de Cemento TITAN S.A., Pontificia Universidad Javeriana. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Asociación de Fabricantes de Canalizaciones de Hormigón de Alta Calidad. [On-line] Informe Sobre el Cálculo Hidráulico. España, 2003. http://www.afcspain.com/htm/6-2.htm American Sigma. 910 Flowmeter. [On-line] Estados Unidos, 2003. http://www.americansigma.com/products/910flowmeter.cfm American Concrete Pipe Association. Manning´s n Values History of Research. 2002. Besmehn, Joachim. Field Measurement of Resistance Coefficients. University of Alberta. 1986. Centro Tecnico Cerib BP-59. A Propósito de la hidráulica de las redes de saneamiento. 1997. Chaudry, M. Hanif. Open-Channel Flow. New Jersey: Prentice Hall, 1993. 483p. Chow, Ven Te. Hidraulica de canales abiertos. Bogotá, Colombia: McGraw-Hill, 1994. 667p Coon, William F. Design of Manning´s Roughness Coefficient Study in New York State. Hydraulic Engineering 1994. Cooper, Lee. An Introduction to Open Channel Flow Measurement Technology. American Sigma. 2001. Datta, Bithin. Optimal Estimation of Roughness in Open Channel Flows. Journal of Hydraulic Engineering. Vol. 126, No 4. 2000. Depue, Michael P. 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