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ENTENDER LA EVACUACIÓN SIFÓNICA DE AGUAS PLUVIALES

ÍNDICE

Introducción .......................................................................... 2 1 – Sistemas de Gravedad .............................................. 3 2 – Sistemas sifónicos Autocebantes .......................... 4

Acción Sifónica Autocebante Sumideros Sifónicos Autocebantes Materiales utilizados

3 - Criterios de Estudio del Sistema Sifónico ............... 9 4 - Especificaciones del Sistema Sifónico .................. 10

Interfaces Ilustraciones Calidad de nuestros estudios

5 – Ejemplo de Cálculo .................................................... 14 6 – Modalidades de Instalación ................................... 17

Generalidades Instalación de los sumideros Instalación de las tuberías Fabricación y control

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Introducción En este diagrama se reconoce fácilmente un edificio con una instalación típica de evacuación de aguas pluviales convencional.

Sistema típico de evacuación de aguas pluviales por gravedad

12 bajantes y drenaje subterráneo con arquetas de inspección para cada conexión

El diagrama de abajo representa un sistema de evacuación de aguas pluviales sifónico autocebante para el mismo edificio.

Sistema sifónico autocebante de Fullflow

1 bajante 1 conexión subterránea al exterior del edificio

El objetivo de este documento es responder a las preguntas más frecuentes que suscitan estos sistemas:

¿Qué son los sistemas sifónicos de evacuación de aguas pluviales para cubiertas? ¿Cómo se diseñan los sistemas sifónicos? ¿Cómo asegurarse de que el sistema sifónico se adapta perfectamente al edificio?

El propósito de cualquier sistema de evacuación de agua es proteger un edificio y su contenido, llevando el agua de lluvia recogida en la cubierta durante una tormenta hasta un sistema de drenaje subterráneo, sin riesgo de que entre agua de lluvia en el edificio.

1 – Sistemas de gravedad Los sistemas convencionales de pluviales dependen de las propiedades del agua, de la gravedad, y de las fuerzas motrices que la hacen fluir. El agua intenta llegar al nivel más bajo posible y extenderse uniformemente sobre cualquier superficie que la soporte. Esto es lo que ocurre cuando la lluvia cae sobre una cubierta y fluye en un canalón. La profundidad del agua que se acumula en el canalón proporciona la fuerza motriz, que hace que el agua de lluvia fluya hacia el sumidero. Estos sumideros únicamente son perforaciones en la base del canalón. Según entra el agua en el tubo, también entra el aire, formando un remolino que reduce la eficacia del sistema. El componente más significativo de cualquier sistema de pluviales tradicional es el sumidero de cubierta. Sus dimensiones determinan la profundidad de agua en el canalón o en la cubierta. Los tubos se dimensionan para que trabajen a presión atmosférica y el agua ocupa solamente de un cuarto a un tercio de la sección del tubo. Además, en el sistema convencional cada sumidero tiene su propia bajante para llevar el agua al sistema de drenaje subterráneo. Sumidero de gravedad en funcionamiento

Profundidadde agua

Aguas pluviales

Remolinos de agua en lasuperficie de la tubería

Entrada de aire

Suelo delcanalón o cota

de cubierta

Aguas pluviales

Sumidero conectado auna bajante

Aire que entra en el sumidero

Remolino

3

4

2 – Sistemas Sifónicos Autocebantes Hay dos diferencias principales entre los sistemas de drenaje de cubiertas convencionales y los sistemas sifónicos. Primero, los sumideros sifónicos no son taladros en la base del canalón, sino un elemento especial que restringe la entrada de aire. Segundo, las tuberías de pluviales están diseñadas para funcionar a sección llena al 100% desde el nivel de cubierta hasta el nivel de suelo para una intensidad de lluvia calculada en el diseño. La acción sifónica depende de que el punto por el que el líquido sale del tubo esté más bajo que la superficie del líquido que se extrae. El volumen de líquido en una tubería llena entre estos dos puntos se puede describir como la fuente de inercia hidráulica. La gravedad que actúa sobre la columna de agua (fuente de inercia hidráulica) da lugar a una reducción de presión hacía la parte superior de la tubería.

Nivel de la cubierta

Toda la altura del edificio activa el sistema sifónico

Profundidad de agua que activa el sistema de gravedad

Gravitatorio Sifónico

Al forzar la tubería para que fluya el agua a sección llena entre el nivel de cubierta y el punto de descarga, los sistemas sifónicos pueden conseguir caudales considerablemente más altos que los sistemas convencionales equivalentes. Como la tubería está completamente llena de agua, la “columna de agua” efectiva es toda la altura del edificio, comparado con la profundidad de agua en el canalón (típicamente 100mm) que proporciona un sistema convencional. La diferencia entre fuerzas motrices demuestra que los sistemas sifónicos pueden evacuar hasta diez veces el caudal de sistemas equivalentes por gravedad. Las ventajas del sistema sifónico, aplicado a grandes edificios industriales y comerciales, son:

Mayor capacidad de caudal que un sistema gravitatorio; Instalación de colectores horizontales para conducir el agua fuera del edificio; Mínimo número de sumideros; Eliminación de bajantes internas; Diámetros de tuberías inferiores; Eliminación significativa de la red de drenaje subterránea y de las bajantes en el edificio; Uso más flexible de gestión del espacio interior del edificio; Posibilidad de escoger la ubicación de la tubería y bajantes desde la fase de estudios; El sistema sifónico es auto-limpiante; Menos tubería, menos conexiones, menos riesgos de infiltración del agua.

Acción Sifónica Para una mejor comprensión a continuación e ver litud entre el funcionami to de un sifón y el sistema sifónico para lo que nos vamos a basar en la

ecuación de Bernoulli generalizada para el el agu gvpz 2

2++=

Siendo: H: altura de energía disponible en m de co de agua (mca) z: altura geométrica (m) p: presión manométrica (mca) v: velocidad del agua en el punto co ado ( g: aceleración de la gravedad (m/s2

1.- En ambos sistemas, existe presión atmosférica. La altura de energía disponible se corresponde con la diferencia de cota entre el comienzo del sistema y el punto de descarga.

pued

caso d

etros

nsider)

la simi

a: H

lumna

m/s)

5.- En el punto de descaatmosférica. La energíadescontadas las pérdidaenergía cinética.

en

5

2.- En el sistema existe un decrecimiento gradual de la presión. En el sifón tradicional es consecuencia del incremento de altura geométrica (z), mientras en el sistema de tuberías es debido al incremento de velocidad (v).

3.- El sistema alcanza la máxima depresión coincidiendo con el punto de máxima cota. En este punto se produce la mayor succión, aumentando la tendencia a introducir agua en el interior del sistema.

4.- El descenso de altura provoca un incremento de la presión en el interior del sistema manteniéndose, en general, la velocidad.

rga volvemos a tener presión potencial disponible en el punto inicial, s de carga, se ha transformado en

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Acción Sifónica Autocebante Para poder obtener el máximo beneficio de los sistemas sifónicos autocebantes, debe adoptarse un enfoque integral en su diseño y construcción. Los sistemas sifónicos representan un nivel de tecnología superior a los sistemas gravitatorios y, por tanto, requieren un grado proporcionalmente más alto de comprensión y experiencia. El régimen de flujos dentro de un sistema sifónico se desarrolla a través de los ciclos según las fases de la tormenta. Al principio de la tormenta, el flujo a través de un sistema sifónico se comporta como lo hace un sistema de gravedad, causando el llenado parcial de la tubería.

Dirección del flujo

Fase 1 Fase 2 (Flujo de gravedad) (Flujo de tapones) La sección se va llenando según aumenta la intensidad de la tormenta. Se excluye el aire del sistema dentro del sumidero por medio de la placa anti-remolino (elemento clave del sumidero). Se inicia la acción sifónica dentro de la red de tuberías según va incrementándose la velocidad del caudal, haciendo que el aire que haya entrado con el agua se convierta en burbujas. Esta mezcla de agua se purga a continuación a través de la red de tuberías. Según va progresando el proceso de cebado hasta la condición de sección llena, el caudal circulante, y por tanto la cantidad de agua que descarga la cubierta o canalón, se incrementará. Así, se podría decir que el sistema “se está acelerando hacia su capacidad de diseño”. Si la intensidad pluviométrica aumenta hasta la intensidad de cálculo del sistema, se mantendrá la acción sifónica. Cuando empiece a reducirse la intensidad de la tormenta, no habrá suficiente agua para mantener la acción sifónica del sistema. Entonces, provocará bajadas en los niveles de agua, permitiendo la entrada de aire en las tuberías y se romperá la acción sifónica.

Fase 3 Fase 4 (Flujo de burbujas) (Flujo a sección llena) Por tanto, un sistema sifónico fluctúa desde un régimen de gravedad a la acción sifónica durante una tormenta. El sistema se adapta sin tener ninguna pieza mecánica. El sistema sifónico funciona a baja capacidad en las fases iniciales de la tormenta; aunque puede incrementar automáticamente su capacidad hasta su caudal extremo (si es necesario) cuando se incrementa la intensidad pluviométrica. Así, la acción de cebado es un factor que contribuye al rendimiento de un sistema sifónico. La velocidad de eliminación de aire de la tubería se incrementa en proporción a la velocidad y turbulencia del agua. El diseño del sumidero evita que el aire entre en la tubería e incrementa la velocidad del agua según fluya dentro del sistema.

Sumideros Sifónicos Autocebantes El sumidero Primaflow® es un elemento clave en el sistema de drenaje. Su diseño y forma son esenciales para la eficacia del sistema sifónico. El sumidero y sus componentes inician el proceso de cebado que es fundamental para establecer la acción sifónica. El sumidero debe evitar que entre el aire en el sistema, de lo contrario, las tuberías no podrían funcionar a sección llena.

placas separadoras

brida

Jun

pla

La placa anti-remolino es un componente clave del sumidero sifónico. Sirve paun núcleo abierto de aire, por el que introduciría grandes cantidades de aire sifónica se inicia cuando hay suficiente agua disponible para cubrir la superficie remolino, momento en el cual la lluvia sella el borde de la placa y ya no puede e

rejilla protectora

tornillos de fijación

ca anti-remolino

cazoleta

anillo de apriete

7

ta de estanquidad

ra evitar la formación de en la tubería. La acción superior de la placa anti-ntrar más aire.

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La ubicación de la placa anti-remolino dentro del sumidero determina el nivel de agua para el cual comienza la acción sifónica. La combinación de la posición de la placa anti-remolino y la forma del sumidero determina la actividad de cebado. El incremento en la velocidad que se consigue por la forma lisa e hidrodinámica del sumidero y la posición baja de la placa anti-remolino propicia la característica autocebante. Esto permite iniciar la acción sifónica a bajas velocidades de flujo, al crear deliberadamente una columna densa a alta velocidad en la salida del sumidero, que viaja a suficiente velocidad para superar la tendencia natural del aire a flotar. Esto asegura que el aire en el sistema sea empujado por la red de tuberías y purgado por la bajante para producir el efecto sifónico pleno en todo el sistema. Por tanto, las características deseables de un sumidero sifónico son:

Autocebante (minimizando la profundidad del agua en el canalón o en la cubierta); Incrementa la velocidad del caudal; Limitar la entrada de aire a profundidades mínimas de agua; Bajos coeficientes de pérdida; Respuesta rápida a cambios en la velocidad del caudal.

Núcleo con alta velocidad de agua (sin aire)

Aceleración de lavelocidad del agua

Agua que cubre la placa anti-remolino aun a caudal bajo

Nivel de canalón ode la cubierta

Materiales utilizados Fabricamos nuestros sumideros Primaflow® en los materiales siguientes :

Aluminio Aluminio revestido de PVC (o de acuerdo con el revestimiento de la cubierta) Acero inoxidable (AISI 304, AISI 316) Acero dulce galvanizado

Los materiales de tubería disponibles son : Aluminio soldado longitudinalmente según EN 754 Aluminio extrusionado según EN 755 Fundición de hierro según EN 877 Acero inoxidable (AISI 304, AISI 316) Polietileno alta densidad (PEAD) según EN12201 Polietileno alta presión (PEAP) según EN12201

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3 - Criterios de Diseño del Sistema Sifónico El diseñador de un sistema sifónico debe solucionar el problema de mecánica de fluidos que presenta la altura del edificio y la cantidad de agua de lluvia que genera una tormenta. Se usa la ecuación de Bernoulli de conservación de la energía para determinar las condiciones de flujo entre dos puntos del sistema:

2,12,12

2,121

2

2121 )²(2²

)²(1

)²(1

2)()( Li

AgQK

AAgzzhh

Q+=

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−+−+−

Donde h = presión (m), z = altura (m), Q = caudal (m3/s), g = gravedad (m/s2), A = área (m2), K = pérdida de energía en las juntas (m), i = gradiente hidráulico (m/m) y L = longitud (m). En la ecuación de Bernoulli, los términos en el lado izquierdo indican los cambios en la energía total del caudal, atribuibles a la energía de la presión (h1-h2), energía potencial (z1-z2), y la energía cinética correspondiente. Los dos términos en el lado derecho de la ecuación determinan la pérdida de energía total entre los dos puntos. El primer término expresa las pérdidas en las curvas, accesorios y cambios en el área de la sección de la tubería. El término restante cubre las pérdidas por fricción a lo largo de la tubería entre los dos puntos. Se muestra a continuación el cálculo de la gradiente de energía que suele obtenerse con la formula de Colebrook-White.:

2

102

2

251.2

7.3log

8Q −

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎩

⎪⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

gDiDDks

DgAi ν

Donde i = gradiente hidráulica (m/m), Q = caudal (m3/s), g = gravedad (m/s2), A = área (m2), ks = rugosidad del tubo (m), D = diámetro (m), v = viscosidad (m/s2) Se aplican estas dos ecuaciones en toda la red de tuberías para obtener el diseño sifónico. Debido a la naturaleza compleja de las ecuaciones y el número de cálculos que requieren el diseño de un sistema sifónico, se hace evidente la necesidad de una aplicación informática de análisis diseñado específicamente para este propósito. El sistema sifónico es el resultado de un cuidadoso dimensionamiento de una red de tuberías, que se adapta con precisión a la resistencia de dicha red a la altura del edificio bajo los parámetros de diseño de capacidad de caudal utilizando como herramienta el programa informático Primacalc ®.

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4 - Especificaciones del Sistema Sifónico Autocebante Todos los procesos de diseño requieren datos de partida para iniciar el diseño y generan información como parte de dicho diseño. La capacidad de comunicarse y utilizar dicha información de manera eficaz es esencial en el éxito del proyecto. Conexiones Al evaluar lo que debe incluirse en estas especificaciones, es esencial apreciar los principios de los sistemas sifónicos. En relación a la Cubierta, el ingeniero necesita conocer :

La superficie de la cubierta El tipo de cubierta

Los factores a considerar para la instalación del sumidero sifónico en el Canalón o la Cubierta son :

La forma y diseño del sumidero sifónico Forma de instalación (atornillado, soldado, con anillo....) La ubicación La compatibilidad de materiales

En relación a la información sobre el Edificio, el ingeniero requiere una serie de datos :

Altura del edificio Indicación del trazado preferente de las tuberías Condiciones ambientales dentro del edificio (Temperatura, humedad) Necesidad de un material específico para las tuberías

En lo referente a el Sistema de Drenaje Subterráneo, es el punto donde las aguas pluviales desembocan y se rompe el sifón. El punto de conexión entre los dos sistemas es uno más de los criterios necesarios para el estudio. El funcionamiento del sistema sifónico puede verse afectado negativamente por el diseño de drenaje subterráneo. Para asegurar el funcionamiento óptimo del sistema sifónico de drenaje, el diseñador debe tener en cuenta los siguientes factores clave:

El sistema sifónico descargará a sección llena a altas velocidades y al caudal especificado en los planos (una tabla para cada bajante).

DP 01 Referencia Bajante Ø 160 Diámetro de bajante (mm) l/s 73 Caudal m/s 5,3 Velocidad

La conexión con la red subterránea debe de ser dimensionada para evacuar la descarga del sistema sifónico sin trabajar a sección llena.

Para romper la acción sifónica, debe permitirse la entrada de aire en el sistema de drenaje

subterráneo para asegurar que las tuberías subterráneas no entren en carga.

El sistema de drenaje sifónico tiene que descargar por encima de la cota máxima de la red subterránea .

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Ilustraciones

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Conexión con la red subterránea (en este caso, al nivel del suelo)

Rieles de soporte de tubería

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Conexión de los sumideros y colectores en la cubierta

Tabla de peso de las tuberías

Ejemplos de diam. de tubería (mm)

Peso por metro con rieles y agua (Kg)

40 3,12 63 4,98 75 6,27 90 8,21 110 11,33 125 14,05 160 21,84 250 51,87 315 80,53

A modo de resumen, el cliente debe aportar, por lo menos, los datos siguientes para que los ingenieros puedan realizar un estudio :

Superficie de la cubierta (con planos); Tipo de cubierta; Altura del edificio (con plano de sección del edificio); Trazado propuesto para la tubería (sobre plano de planta); Ubicaciones de las conexiones a la red subterránea; Sobrecarga admisible de la estructura y correa, así como su ubicación. Intensidad pluviométrica o datos para su cálculo (localización, periodo de retorno, etc).

Calidad de nuestros estudios Todos los estudios Fullflow están garantizados por la acreditación ISO 9001 y tienen en cuenta las legislaciones nacionales y europeas. Hemos obtenido numerosas certificaciones del sector de la edificación en varios países incluyendo España (Documento de Idoneidad Técnica), Francia (Avis Technique), Inglaterra (BBA). Por favor, consulten nuestra página web para más detalles www.fullflow.com.

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5 - Ejemplo de Cálculo A fin de ilustrar un ejemplo del programa de cálculo Primacalc, encontrarán a continuación un ejemplo teórico con 4 sumideros Primaflow® de 75mm de diámetro con un caudal individual de 30 l/s (ver figura 5.1 Isométrico). Se supondrá que cada sumidero recoge el agua de lluvia de 600m² de cubierta. En la tabla 5.2 se indican ábacos con las prestaciones de los 2 tipos de sumideros Primaflow® tanto en el caso de en un canalón o como en el de una cubierta. La altura geométrica del edificio será de 10,14m, el agua de lluvia absorbida por el sumidero desciende 1m y empieza una trayectoria horizontal (la longitud más larga que recorre es de 39m). Al final de ese recorrido, el agua fluye por la bajante vertical de 9m, dicha bajante se coloca en general adosada a uno de los pilares del edificio. Finalmente, las pluviales salen del edificio con un tramo de 3 m antes de descargar en un pozo de registro donde se rompe la acción sifónica. Una vez preparado este trazado isométrico (los tubos se definen por segmentos entre los nodos indicados), y con los caudales especificados, el programa de cálculo procede a realizar un primer dimensionamiento. Luego, el ingeniero utiliza dichos resultados para afinar el dimensionamiento teniendo en cuenta las restricciones ya enumeradas (velocidades, presiones, equilibrio…).

39 m

5.1. Isométrico

9 m

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EN CANALON

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00

CAUDAL (l/s)

PR

OFU

ND

IDA

DD

E A

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A (m

m)

EN CUBIERTA PLANA

0

10

20

30

40

50

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100

0 5 10 15 20 25 30 35CAUDAL(l/s)

PR

OFU

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A (m

m)

Sumidero Primaflow® 56 mm

Sumidero Primaflow® 75 mm

5.2. Eficacia de los sumideros Primaflow®

Es posible imprimir desde el programa varios resultados del cálculo, tales como el listado de flujo por tuberías (ver tabla 5.3. Listado de tuberías). Para volver a nuestro ejemplo de cálculo, los tramos de bajantes o colectores se definen por el nodo superior, el nodo inferior y su dirección. Para cada tubo, se indica el diámetro, la longitud, el caudal, la velocidad, las pérdidas unitarias y totales, las presiones y el tipo de material utilizado.

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5.3. Listado de tubería

Para asegurarse de que el sistema funcionará correctamente, se utilizan “reservas” para los sumideros. Éstas reservas con la diferencia entre la altura geométrica del sumidero (energía total disponible para el funcionamiento del sistema) y las pérdidas de carga totales a lo largo del recorrido. Las reservas deben de ser positivas (es decir que la energía consumida debe ser inferior a la energía potencial disponible). Además, la diferencia entre las reservas de los varios sumideros no debe exceder 1m para asegurar el equilibrio del sistema. Con el programa Primacalc se debe también comprobar que la velocidad mínima sea superior a 1m/s para que el sistema se auto limpie, asegurar un rápido cebado de la tubería y que la depresión máxima no supere 8m de columna de agua. Una vez verificados todos los criterios de estudio, el ingeniero tiene una confirmación de las dimensiones del sistema. Por último, indicamos los caudales, velocidades y diámetros de las bajantes en nuestros planos, permitiendo proceder al dimensionamiento de la red subterránea.

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6 - Modalidades de Instalación Generalidades Bajo el concepto llave en mano, Fullflow suministra las tuberías preensambladas en taller (montadas en rieles) así como los sumideros y asegura el montaje y las conexiones de las tuberías. Dichas conexiones se hacen por medio de soldadura a tope (con placa térmica) y/o manguitos electrosoldables para los tubos de Polietileno de Alta Densidad (PEAD), o con accesorios y piezas de acuerdo con las especificaciones. El sistema es autolimpiable, los puntos de registro para las tuberías no son necesarios (excepto casos específicos). Sin embargo, igual que con un sistema gravitatorio, es necesario un mantenimiento regular de los canalones y sumideros. Instalación de los sumideros El tipo de sumidero depende del material de la cubierta. El sumidero Primaflow® se instala de manera tradicional. Facilitamos con las piezas un manual de montaje para cada modelo. La cazoleta del sumidero necesita un espacio en la cubierta que puede requerir:

Cortar parte del aislamiento térmico; Cortar nervios de las chapas metálicas.

En algunos casos, se necesitarán refuerzos. La instalación de los sumideros en el revestimiento de la cubierta requiere una coordinación con la empresa responsable de la cubierta. Instalación de las tuberías La instalación esta realizada por Fullflow Sistemas con métodos tradicionales y es conforme a las prescripciones de los fabricantes. Los sistemas de suspensión por rieles forman parte del estudio detallado e individual de cada proyecto. Para las redes en PEAD preensamblamos las tuberías en secciones modulares de 6m de longitud incluyendo reductores, conexiones y rieles de suspensión en los lugares previamente definidos en el estudio. Luego, sólo queda soldar las piezas prefabricadas en la obra para la ejecución del sistema. Fabricación y control Fullflow ha recibido la certificación ISO 9001 para el estudio, la fabricación de sistemas de drenaje de aguas pluviales sifónicos, y Plasflow, una empresa parte del Fullflow Group Ltd, está certificada ISO 9002 versión 2000 para la fabricación y distribución de tuberías termoplásticas.