METODOS DE COMPUTACIONES EN EL ANALISIS HIDRAULICO DE HYDROFLOW

STORM SEWER EN AUTOCAD CIVIL 3D 2010

Formula para el cálculo de la perdida de carga o energía por fricción:.........................1Pérdida de energía (Energy Loss).................................................................................................1

Profundidad Crítica (Critical Depth)............................................................................2Pérdida en Conexiones (Junction Losses)....................................................................2Coeficiente de Perdida en conexiones (K) (Junction Loss Coefficients)..........................3Flujo Supercrítico (Supercritical Flor)..........................................................................4Salto Hidráulico (Hydraulic Jump)...............................................................................4Diagrama de flujo de trabajo......................................................................................5

Chequeo del código de diseño (Check the Design Codes).............................................................5Minimum Pipe Size (Tamaño mínimo del tubo).........................................................................6Maximum Pipe Size (Tamaño máximo de tubo).........................................................................6Design Velocity (Velocidad de diseño)......................................................................................6Minimum Slope (Pendiente mínima)..........................................................................................6Maximum Slope (pendiente maxima)........................................................................................6Default N Value (Coef Rugosidad).............................................................................................6Match Crowns............................................................................................................................6Match Inverts............................................................................................................................7

Load IDF curves............................................................................................................................7Draw the lines...............................................................................................................................7Add line data.................................................................................................................................7Add inlet data...............................................................................................................................9Compute.......................................................................................................................................9

Elaborado por Arturo Polanco

Formula para el cálculo de la perdida de carga o energía por fricción:“Hydraflow Storm Sewer Extensión” utiliza el método estándar basado en la energía para calcular el perfil hidráulico. Este método es un procedimiento iterativo que donde se aplica la ecuación de la Energía de Bernoulli entre la aguas abajo y aguas arriba de los extremos de cada línea en el sistema.

Pérdida de energía (Energy Loss)Utiliza la ecuación de Manning para determinar las pérdidas de carga debido a la fricción de la tubería. Usando este método, siempre se puede encontrar una solución sin importar el régimen de flujo.

Ecuación de la Energía:Este método no hace suposiciones en cuanto a la profundidad de flujo, y sólo se admite cuando la ecuación de la energía se ha equilibrado.

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Profundidad Crítica (Critical Depth)

La profundidad Crítica es calculada usando la siguiente formula:

Donde:Dc = Profundidad CriticaD = Diámetro de la tuberíaQ = Caudal

Nota: si DC es mayor que el 85% de D. entonces se ejecuta un “método de ensayo y error” para encontrar la energía mínima especifica. Para mayor información sobre este método de calculo computacional de la Profanidad Critica puede consultar Open Channel Hydraulics, McGraw - Hill, 1985, by Richard H. French. (Canal Abierto de Hidráulica, McGraw - Hill, 1985, por Richard H. French.)

Pérdida en Conexiones (Junction Losses)

Formula aplicada para las perdidas locales.

Generalmente, en las líneas de conducción, las pérdidas locales pueden ignorarse debido a que tienen un valor relativamente bajo en función de la pérdida total. Sin embargo si el trazo de la

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línea presenta demasiados cambios de dirección o de diámetro, debidos a condiciones especiales de topografía o espacio, deberán considerarse dichas pérdidas.

Donde:K = Coeficiente de perdida en conexiones.V = Velocidad del flujo existente en la conexión.

Nota: las perdidas por conexiones no son computadas para líneas en Profundidad Critica o lineas que fluyen bajo el control de una entrada.

Coeficiente de Perdida en conexiones (K) (Junction Loss Coefficients)

“Hydraflow Storm Sewer Extensión” calcula automáticamente y asigna coeficientes basado en las perdidas de conexiones basado en la configuración de conexiones indicada automáticamente (Junction Loss Coefficients) en Design Code en la pestaña “Calculations” sobre los parámetros de los cálculos. Los coeficientes seleccionados son una adaptación de la base de datos de la FHWA HEC No.22. La selección de estos Coeficientes está basada en los ángulos de las líneas de entrada de la conexión en su extremo aguas arriba.

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Para ángulos menores de 90 grados, el “Hydraflow Storm Sewer Extensión” utiliza la ecuación siguiente para calcular el coeficiente de perdida en la conexión K

Si la conexión es una entrada, entonces K se multiplica por 1.5; K nunca estará por debajo de 0.15 en pozos de registros, o 0.5 para las entradas.

Un valor conservador para este coeficiente es de 1.0, que asume toda la velocidad y se pierde en el pozo de registro y la conexión es simplemente un depósito alimentado por las líneas entrantes. La velocidad de entrada se pierde y se convierte en presión estática.

Flujo Supercrítico (Supercritical Flor)

“Hydraflow Storm Sewers Extensión” puede calcular automáticamente el flujo supercrítico con perfiles y salto hidráulico. Si la ecuación de la energía no esta equilibrada, “Hydraflow Storm Sewers Extensión” asume inicialmente la profundidad crítica y procede a la línea ascendente que viene. Cuando el perfil subcritico ha terminado, el proceso del cálculo se invierte para las líneas con la profundidad critica asumiendo en sus extremos contra la corriente (de arriba a aguas abajo) y se calcula el perfil supercrítico.

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Salto Hidráulico (Hydraulic Jump)

El principio de momento es usado para determinar la profundidad y la localización de los saltos hidráulicos. En cada paso (una décima parte de la longitud de la línea) durando los cálculos del flujo supercrítico, el momento es calculado y comparado con el momento conseguido en los cálculos del perfil subcritico. Si estos dos momentos son iguales, entonces el salto hidráulico debe ocurrir.

Nota: hay situación donde el Salto Hidráulico no existe o cuando esta sumergido.

La siguiente condición debe cumplirse para determinar un salto hidráulico:

El momento (M) del perfil subcritico es igual al momento del perfil supercrítico.

Donde:

Q = CaudalA = Sección transversal del flujoY = Distancia desde la superficie del agua al centroide de A.

La localizaron de el salto es el punto a lo largo de la línea cuando M1=M2 y se reporta la distancia como desde el extremo de aguas abajo de la línea. La longitud del salto es difícil de determinar, especialmente en secciones circular.

Una longitud de salto aceptable, generalmente esta entre 4 y 6 veces la profundidad posterior. “Hydraflow Storm Sewers Extensión” asume un valor de 5 para la longitud del salto.

La siguiente ilustración muestra el cálculo de los perfiles del flujo supercrítico con saltos hidráulicos. La línea de puntos representa la línea de energía (EGL)

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Diagrama de flujo de trabajo

Chequeo del código de diseño (Check the Design Codes)

Minimum Pipe Size (Tamaño mínimo del tubo)Especifica el tamaño más pequeño de la tuberia que Hydraflow Storm Sewers Extension utiliza en el diseño de tamaños del tubo. .

Maximum Pipe Size (Tamaño máximo de tubo)Especifica el tamaño más pequeño de la tuberia que Hydraflow Storm Sewers Extension utiliza en el diseño de tamaños del tubo.

Design Velocity (Velocidad de diseño)Especifica la velocidad de diseño en pies/seg (m /seg). Si se especifica cero, tanto para invertir y la elevación del tubo, Hydraflow Storm Sewers Extension selecciona un tamaño de la tubería sobre la base de esta velocidad. Si una tubería de tamaño específico no está disponible, Hydraflow Storm Sewers Extension selecciona el siguiente tamaño más pequeño para mantener la velocidad de diseño en un mínimo. Por ejemplo, si el tamaño es de 19,5 pulgadas teórico, Hydraflow Storm

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Sewers Extension utiliza una tubería de 18 pulgadas. Hydraflow Storm Sewers Extension utiliza esta velocidad a lo largo con la ecuación de Manning n para determinar la pendiente del tubo.

Minimum Slope (Pendiente mínima)Específica la pendiente mínima en porcentaje. Hydraflow Storm Sewers Extension utiliza este valor para el diseño solamente, y no establece ningún invertido pendientes menores a este valor. Si la pendiente teórica es menor que el Pendiente mínima, Hydraflow Storm Sewers Extension restablece la pendiente diseñado para este valor.

Maximum Slope (pendiente maxima)Específica la pendiente máxima en porcentaje.

Default N Value (Coef Rugosidad)Especifica el coeficiente de rugosidad de la tubería para las líneas nuevas.

Match CrownsSeleccione esta opción para que coincida la corona de los tubos sin importar su tamaño. Vea alineación en la grafica. Opción activada por defecto.

Match InvertsSeleccione esta opción para que coincida la corona de los tubos sin importar su tamaño. Vea alineación en la grafica.

Load IDF curves

Hydraflow Storm Sewers Extension can develop any number of IDF (intensity-duration-frequency) curves,for any number of geographic locations, with up to eight return periods. The IDF curves are equation-basedand can generate intensities in the range of 5-minutes to 24 hours. After the initial setup, Hydraflow StormSewers Extension, manages the IDF curves and automatically loads them when you start the program.

During calculations, Hydraflow Storm Sewers Extension automatically computes the rainfall intensity fromthe currently loaded IDF curves for use in the Rational Method. You must provide data so that these curves

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match those that you are presently using. The rainfall data file is set up from the main application window. After you enter the IDF data, HydraflowStorm Sewers Extension stores the IDF curves in a user-defined file name. This file is loaded each timeHydraflow Storm Sewers Extension is started. During design, Hydraflow Storm Sewers Extension uses theIDF curve and the computed Tc to compute the intensity.

Draw the lines

In Hydraflow Storm Sewers Extension you can choose from several options to add lines. The Plan tab offersa graphical display, the Pipes and Inlets tabs are designed like a spreadsheet, and the Add/ Edit Dialog boxgives you options to choose from drop-down lists. Systems are built by adding lines from the downstreamend working upstream. You can add up to 250 lines for each project. Each line is automatically numberedin sequence beginning with line number 1.

Add line data

As you add lines to your storm sewer system, Hydraflow Storm Sewers Extension assumes that you are addingthem in the upstream direction. Line numbers are automatically assigned and increase in the upstreamdirection. Line 100 can have a downstream line number of 30. But line 30 cannot have a downstream linenumber of 100. When you assign a downstream line or inlet number, the line must already exist in thesystem. More than one line can enter a junction, but only one can exit.Flows for each line can consist of known Qs or Rational Method flows. If a particular line does not have anyincoming overland flows, such as a manhole, then enter 0 and Hydraflow Storm Sewers Extension carriesupstream flows through the line.You can specify invert elevations and line sizes or leave these values blank, and Hydraflow Storm SewersExtension determines the values. Hydraflow Storm Sewers Extension uses an energy-based method for HGLcalculations, and negative line slopes are allowed; however, Hydraflow Storm Sewers Extension does notprovide design options or compute full-flow capacities for lines that are on negative slopes.

Line IDSpecify a name or label to identify the line; for example MHx - MHy. Do not use commas or quotationmarks. This interferes with the Hydraflow Storm Sewers Extension file format.Downstream Line No.Enter the line number that the current line flows into. If you have drawn your system on the Plan tab,this data item is set. The downstream line number of Line 1 is always 0, the outfall. Hydraflow StormSewers Extension supports multiple systems (outfalls). Any line with a zero downstream line numberbecomes an outfall.Line Length (ft, m)Enter the length of this line in feet (meters). It is the distance between junction centers. If you have drawnyour system on the Plan tab, this data item is set. When you add lines from the other tabs, HydraflowStorm Sewers Extension sets the length at 50 feet. You can edit the line length if necessary.Deflection Angle (Deg)Enter the angle between this line and the projection of its downstream line in degrees. Angles to the rightare positive and angles to the left are negative. The deflection angle for Line 1 is usually 0. To change theorientation of your system, you can specify an angle for line 1 or other outfall line. If you have drawnyour system on the Plan tab, this data item is set.Northing, Easting (ft, m)Optional. These are the plan x, y coordinates. If you have drawn your system in from the Plan tab, thesedata items are already set. However, this feature allows you to override and set manually.Junction Type...Select the junction type from the list box. A line can have a manhole or inlet at its upstream end and itcan be in a Sag or On Grade. You can also specify this on the Inlets tab as the Inlet Type.Known Q (cfs, cms)Enter known or additional flow data for this line. This value is added to any other incoming flows and isalso carried downstream to be added to other downstream lines when Accumulate Known Qs is selected

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in the Design Codes. If you selected Use Inlet Captured Flows in the Design Codes, Known Qs are ignoredon manholes or non-inlet type junctions.Drainage Area (ac, ha)Enter the drainage area that contributes to this line only. Hydraflow Storm Sewers Extension accumulatesthe areas during the calculations.Runoff Coefficient (C)Enter the runoff coefficient corresponding to this drainage area. Hydraflow Storm Sewers Extensioncomputes a weighted or composite coefficient by clicking the on the side toolbar. Hydraflow StormSewers Extension computes a weighted C using the three C values specified in the Design Codes. For moreinformation, see Runoff Coefficients (C) on page 81.Tc OptionsSpecify the option of using a known Tc or calculating it using either the FAA or TR55 methods. Chooseby clicking the corresponding option button or from the drop-down list on the Pipes tab.Inlet time is the time it takes for runoff to travel from the most remote upstream point in the drainagearea to the inlet in question.■ Known Tc. This is the default method. Simply enter the Tc in minutes.■ FAA method. Collected data from airfield drainage by the Army Corps of Engineers was used to developthis method and is now widely used in urban drainage design.■ TR-55 method. This option allows you to compute Tc by using the 3-component Tc as used by TR-55.Hydraflow Storm Sewers Extension has a built-in TR-55 worksheet that computes Tc.Inlet Time (min)Enter the inlet time (overland flow time) for this catchment. It is usually10 to 20 minutes. This is not the computed Tc for the system but the Tc for this inlet only. HydraflowStorm Sewers Extension computes the overall Tc during the calculations.If FAA or TR55 was chosen for the Tc Method, click the corresponding FAA or TR55 button to open thebuilt-in Tc calculator. If using the Pipes tab, click the special function button % to open the Tc calculator.Your cursor must be on the Inlet Time column to activate. The computed values are automatically enteredas the Inlet Time.NOTE You can model a system with Rational method flow information and without inlets. Draw your systemusing manholes at junctions while specifying drainage areas, C values, and inlet times. In the reports there isno inlet analysis if you use this design method.Tc MethodFAA or TR55 for more information, see Calculate Tc Using the FAA Method on page 25 and Calculate TcUsing the TR55 Worksheet on page 26.Invert Elevation Down (ft, m)Enter the invert elevation for the downstream end of the line. Enter 0 to have Hydraflow Storm SewersExtension determine the value. When you are adding upstream lines, Hydraflow Storm Sewers Extensionautomatically places a default value equal to the upstream invert of the downstream line.Slope of Invert (opt.) (%)Optionally, enter the slope of the line in percent. If you enter a value, Hydraflow Storm Sewers Extensioncomputes the upstream invert and uses it as the default value for the upstream invert elevation. If you donot enter a slope, Hydraflow Storm Sewers Extension computes it based on the invert elevations you enter.Invert Elevation Up (ft, m)Enter the elevation of the invert at the upstream end of the line. Enter 0 to have Hydraflow Storm SewersExtension set it for you. This item is automatically set to 0 if the downstream invert is set to 0. HydraflowStorm Sewers Extension does not design downstream inverts when the upstream invert is fixed.Line Rise (in, mm)Enter the diameter of the pipe or the height of the box or elliptical pipe in inches (mm). Enter 0 to haveHydraflow Storm Sewers Extension set the pipe size. If you entered 0 for any of the invert elevations,Hydraflow Storm Sewers Extension sizes a circular pipe based on the design velocity. Otherwise the designis based on Manning's Equation setting, where the slope of the energy grade line is equal to the slope ofthe invert.Line TypeDisplays the current line type in the list box between the Line Rise and Line Span input boxes. HydraflowStorm Sewers Extension can model circular, box and elliptical pipes. To change the line type, click thearrow in the list box and specify elliptical, box, or circular. Hydraflow Storm Sewers Extension does notdesign pipe sizes for elliptical or box sections.NOTE Hydraflow Storm Sewers Extension does not directly model arch pipes because of inconsistentdepth-to-area relationships. If you need to model a pipe section such as an arch, it is recommended you usean equivalent section of a box or elliptical section. Set the invert and crown to match conditions. Then computethe span that gives an equivalent cross-sectional area of the desired section.Line Span (in, mm)Enter the width of the box or elliptical section in inches. If this line is a circular pipe, press Tab to accept

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the default.No. BarrelsSelect the number of barrels from the drop-down list. You do not need to adjust the Line Length. TheLine Length is the distance between junction centerlines.Manning's n-ValueEnter the roughness coefficient for this line. Hydraflow Storm Sewers Extension assumes a default valuethat you set in the Design Codes. To choose other n-values, click the arrow on the list box and select anew value.Junction Loss Coeff.Enter the junction loss coefficient for this line. This number usually ranges from 0.15 to 1.5 and ismultiplied by the velocity head of the flow exiting the junction of this line. The computed loss is thenadded to the hydraulic grade line (HGL) at the upstream end of this line (HGUP) to produce the HGJ, andis typically the starting HG for any incoming lines. Hydraflow Storm Sewers Extension automaticallycomputes and assigns junction loss coefficients, based on the junction configuration, if you specifyAutomatic on the Design Codes - Calculations tab. For more information, see Design Code Settings onpage 12 and Computational Methods on page 63.Inlet / Rim Elev. (ft, m)Enter the finish or natural ground elevation at the upstream end of the line. This item is used for designwhen the Calculation Option Design is chosen. Otherwise this entry is only cosmetic.You must enter the downstream Inlet/Rim elevation when entering Line

Add inlet data

Compute

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1. Dnstr Line No: Puede cambiar la línea descendente o seleccionar manualmente una línea descendente con la línea Dnstrm text = cuadro de la barra de estado. Introduzca el número de línea que desee y haga clic en aceptar la línea descendente nueva. (Outfall= desague)

2. Line Length (m): longitud de la línea3. Defl Angle (deg): ángulo de deflexión4. Junction Type: seleccione el tipo de entrada que tiene a la línea.5. Known Q (cms): caudal que se añade en el flujo desde aguas arriba6. Drnge Area (ha)7. Runoff Coef (C): coeficiciente de escorrentia correspondiente a el area de captacion.8. Inlet Time (min): tiempo de concentracion9. Invert Elev Dn (m): elevación invertida abajo10. Line Slope (%): pendiente11. Invert Elev Up (m)12. Line Rise (mm): Introduzca el diámetro de la tubería mm. Introduzca 0 para que

Hydraflow Storm Extensión Alcantarillado establecer el tamaño de la tubería. Si ha introducido 0 para cualquiera de las elevaciones invertidas, Hydraflow Storm Extensión Alcantarillado tamaños un tubo circular basado en la velocidad de diseño. De lo contrario, sera establecido en base a la ecuación de Manning, donde la pendiente de la línea de energía es igual a la pendiente dela invertida.

13. Line Type: Muestra el tipo de línea actual en el cuadro de lista entre el línea Rise y Líne Span

14. Line Span (mm): introduzca el ancho de la caja o sección elíptica15. No. Barrels: Seleccione el número de barriles de la lista desplegable. No es necesario

ajustar la longitud de línea. El Longitud de la línea es la distancia entre líneas centrales de conexiones.

16. N Value (n): Introduzca el coeficiente de rugosidad de esta línea. Hydraflow Storm Extensión Alcantarillado asume un valor por defecto que establece en los códigos de diseño. Para seleccionar otros valores de n, haga clic en la flecha en el cuadro de lista y seleccionar un nuevo valor.

17. J-Loss Coef (K): Introduzca el coeficiente de pérdida de la salida de esta línea. Este número generalmente varía desde 0,15 hasta 1,5

18. Inl/Rim Elev Dn (m): introduzca la elevación de termino en el terreno natural, en el extremo de aguas abajo de la línea. Este elemento se utiliza para el diseño cuando la opción de cálculo de diseño es elegido.

19. Inl/Rim Elev Up (m): introduzca la elevación de termino en el terreno natural, en el extremo de aguas abajo de la línea. Este elemento se utiliza para el diseño cuando la opción de cálculo de diseño es elegido

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Minor loss: Junction Loss Coeff. x Velocity Head. Pérdida de conexiones Coef. x la carga de velocidad

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