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 S11  Fundamentos y Criterios
S1 Saneamiento
S11 Fundamentos y criterios
EXPOSICIÓN.

En fundamentos y criterios para el cálculo y diseño de las redes, se desarrollan los siguientes apartados:

  1. Desagües de aparatos. Pendiente hidráulica.
  2. Sifonado.
  3. Cierres hidraúlicos
  4. Problemas de sifonado en los cierres hidráulicos. Ventilación.
  5. Autosucción. Distancia del cierre hidraúlico a la ventilación.
  6. Aplicación del sifonado en los cierres hidráulicos de los inodoros.
  7. Ventilación de las redes. Consideraciones globales.
  8. Circulación teórica de las aguas servidas.
  9. Presiones y depresiones. La ventilación como determinación del cálculo y proyecto de las instalaciones:
    - Sifones independientes. Su problemática y solución.
    - Botes sifónicos. Características de su funcionamiento.
    - Sistemas de redes ventiladas.
    - Sistemas de redes semiventiladas.
1. CONCEPTOS FÍSICOS FUNDAMENTALES.  

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SANEAMIENTO.

I.-CONCEPTOS FISICOS FUNDAMENTALES. CRITERIOS PARA EL CÁLCULO  Y DISEÑO DE LAS REDES. fig. 1

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1.-DESAGÜES DE APARATOS.  PENDIENTE HIDRAULICA.

El Saneamiento es la ciencia de evacuar del habitat del hombre - edificio o ciudad - las aguas por él introducidas, con fines sanitarios o industriales, junto con las provinentes de los fenómenos metereológicos y proceder, tras los oportunos tratamientos, a su aprovechamiento y/o reincorporación al medio natural.

En una primera instancia se trata de conducir por gravedad el agua contenida en los aparatos sanitarios o la lluvia de las cubiertas a conductos generales verticales o "bajantes" mediante otros de menor  diámetro o "desagües".  Estos últimos trabajan normalmente a sección llena en parte de su recorrido, por lo que en sus paredes actúan presiones, que se materializarían - en el caso de orificios mínimos - en una línea envolvente descendente desde la superficie libre del líquido hasta la caída libre en el bajante (fig. 1) constituyendo la denominada "pen­diente hidráulica" o "piezométrica" del desagüe.fig. 2

2.-SIFONADO.

En Física se llama sifón a un tubo lleno de líquido, curvado en forma de "U" invertida con las ramas desiguales, en el que se produce una corriente a causa de la diferencia del peso del líquido que ocupa ambas ramas (fig. 2).

Expliquemos su funcionamiento : La presión en A será la atmosférica "P" menos la originada por el peso de la columna líquida "a"; la presión en B será asimismo "P" menos la originada por el peso de la columna líquida "b", y se dará que P-a > P-b.

Si se ha provocado una depresión inicial en el tubo, y el extremo corto está introducido en un recipiente con líquido, se producirá el referido movimiento de A hacia B, continuando dicho movimiento hasta que por el extremo del ramal corto entra aire.

Cualquier ventilación o agujero practicado en el conducto que pusiera la vena líquida en contacto con la atmósfera, detendría el funcionamiento del sifón o "sifonado".

3.-CIERRES HIDRAULICOS.

fig. 3Un cierre hidráulico consiste en una depresión o punto bajo de un sistema de desagüe tal que, reteniendo una porción de agua, impide el paso de los gases mefíticos de la red de saneamiento hacia las válvulas de los aparatos o puntos de recogida de las aguas pluviales.

Las formas básicas más usuales y sus aplicaciones en las redes se representan en la fig. 3

De ellos el primero retiene la última porción del líquido desaguado, mientras que los restantes actúan frecuentemente por reboso del líquido.

Estos últimos, llamados también antisucción, inicialmente resisten mejor los fenómenos tendentes a la destrucción del cierre, pero, al acumularse en ellos suciedad, pueden perder sus cualidades por lo que son rechazados por muchos reglamentos de países anglosajones.  En España son de uso generalizado pues reducen - como veremos - los sistemas de ventilación.

Como regla genérica no deben utilizarse en redes de desagües de fregaderos, piletas, lavavajillas y lavadoras, duchas de playa y otras instalaciones proclives a la formación de posos; tampoco - por obvias razones higiénicas - como cierre hidráulico de urinarios.

4.-PROBLEMAS DE SIFONADO EN LOS CIERRES HIDRAULICOS.  VENTILACION.

La función de los cierres hidráulicos, y sobre­manera los de corriente, puede ser anulada por el fenómeno de sifonado.

De ello proviene la inapropiada denominación de "sifón" con que se denomina a los cierres hidraúlicos, así como los nombres de "bote sifónico", "sifón de botella", "cazoleta sifónica", etc., con el que se designan a los restantes; denominación que adoptare­mos  por haber tomado carta de naturaleza en la nomenclatura de la Edificación.

Veamos en la fig. 4 como, al llenarse el conducto de agua, se produce el fenómeno de sifonado en un cierre hidráulico en "S" entre los puntos A y B, con la fig. 4consiguiente destrucción del cierre hidráulico.

Las soluciones a este problema consisten en :

a)Sobredimensionar el conducto para que el agua no descienda a sección llena; cuestión antieconómica y problemática con recipientes de gran  concavidad.

b)Colocar el punto B más alto que el A (fig. 5), cuestión no siempre viable constructivamente.

c)Por último, proceder a la ruptura del sifonado mediante la llamada "ventilación terciaria" (fig. 6).

Dicha ventilación se ejecuta con o igual al del conducto; asimismo es aconsejable situarla por encima de la pendiente hidráulica para evitar su obstrucción por suciedad.

Otras normas para el buen funcionamiento del sistema son las siguientes :

-Altura mínima del cierre hidráulico : 5 cms.

-0 mínimo del sifón y desagüe : 2,5 cms.

 -Registro en todos los sistemas de cierres hidráulicos.

  5. .AUTOSUCCION.  DISTANCIA DEL CIERRE HIDRAULICO A LA VENTILACION.

Otro fenómeno que hay que tener en cuenta es el de la succión que origina sobre el cierre hidraúlico el paso del último tramo del líquido, actuando a modo de émbolo.  Los esquemas que siguen aclaran conceptos y ahorran palabras.

fig. 6Habrá más demanda de líquido en el segundo caso que en el primero, por lo que si la distancia AB es superior a una que se determine mas adelante se deberá interponer una ventilación terciaria con la disposición que se indicó en la fig. 6 y la distancia máxima allí señalada.  Algunos autores cautelarmente preconizan distancias no superiores a 1 m., incluso si el cierre hidraúlico está constituido por un bote sifónico.

El anterior fenómeno subsiste - aunque mitigado - incluso cuando el agua no discurre por el tubo a sección llena.

6.-APLICACIONES DEL SIFONADO EN LOS CIERRES HIDRAULICOS DE LOS INODOROS.

En los últimos años se ha extendido la aplicación del fenómeno del sifonado a los inodoros que se denominan, en tal caso, "sifónicos" y que presentan grandes ventajas sobre los denominados "no sifónicos" al eliminar con garantías las materias fecales en suspensión.fig. 7

Su esquema de funcionamiento se representa en la fig. 7:  Inicialmente el cierre hidráulico se encuentra  en la posición (1); al realizarse la descarga del tanque (15-20 libros, con un caudal de 2 ls/seg) el vaso se llena bruscamente (2) provocándose el sifonado entre los puntos A y B, lo que arrastra toda la materia en suspensión (3).  El cierre hidráulico es restituido mediante un pequeño chorro complementario a la descarga (4).  En el breve momento en que se destruye el cierre hidráulico el aire es arrastrado por la vena líquida, debido a la depresión propia del fenómeno, por lo que no existe peligro de paso de olores de la red al local.

Recomendaciones.-  Son aconsejables los modelos que  poseen  un  orificio  inferior  C  de  descarga  (fig. 8) que favorece el fenómeno de succión.

Exigir tanques de capacidad no inferior a los 15 litros o caudales - en el caso de fluxores - no inferiores a 1,5 l/seg.

figs. 8 y 9Igualmente mejoraremos el funcionamiento del sistema si utilizamos un conectador de diámetro no superior a la salida del inodoro, ya que con ello el teórico punto B del sifón desciende, aumentando el desnivel con respecto al punto A.

En el caso de inodoros colgados y/o en batería adoptar - con mayor razón - disposiciones similares a las que se representan en la (fig. 9).

Los inodoros no sifónicos (fig. 10) cuentan para impulsar el líquido del cierre hidráulico y la eventual materia en suspensión con la energía cinética de la caída de una masa de agua, no quedando garantizada la inocuidad del nuevo cierre hidráulico resultante.  Poseen en la parte superior de su cierre hidráulico un orificio ("D") que - por las razones expuestas en los apartados 4 y 5 - se ha de conectar a la red de ventilación.

Actualmente han entrado en desuso la utilización de tanques de descarga altos, con lo que los inodoros no sifónicos han ganado en estética lo que han perdido en efectividad.  Asimismo suelen carecer de orificio posterior para ventilación, habiéndose conjurado el riesgo de sifonado y fig. 10parcialmente el de autosucción mediante la  hipertrofia de la sección de evacuación.

7.-VENTILACION DE LAS REDES.  CONSIDERACIONES GLOBALES.

Hemos visto que los cierres hidráulicos de los aparatos pueden destruirse por el propio desagüe de los mismos.

Aparte de ello vamos a considerar el efecto "pistón" que originan en su caída las aguas de los bajantes, aún cuando éstos estén comunicados con la atmósfera por sus extremos.  En efecto : las aguas en su descenso van precedidas por una sobrepresión en el bajante seguidas de una depresión tras su paso (fig. 11); y ello puede afectar a los cierres hidráulicas de la siguiente manera:

-Las sobrepresiones mueven los cierres hidráulicos, impulsándolos hacia el interior e introducen, como consecuencia de tal desplazamiento, o mediante burbujas, gases mefíticos en los aparatos.

-Las depresiones succionan el agua de los cierres hidráulicas, destruyéndolos.

Para conjurar tales indeseados efectos se dispone de una serie de comunicaciones con el aire exterior que pasamos a describir.

Ventilación primaria.-  Todo bajante y/o desagüe de inodoro debe prolongarse hasta la azotea, tanto para facilitar el buen descenso del líquido como para evitar tras su paso, succiones sobre los cierres hidraúlicos de los aparatos que encuentre a su paso.

fig. 11Ventilación Secundaria.-  Los bajantes van acompañados, normalmente, de un tubo paralelo con el que comunican, al menos, por su parte inferior y por su parte superior formando circuíto; tal tubo se denomina ventilación secundaria.

Ventilación terciarias.-  Las ventilaciones terciarias se interponen entre los pistones hidraúlicos y los cierres hidraúlicos, liberando a estos últimos de las consiguientes sobrepresiones y depresiones.  Tales ventilaciones acometen a la ventilación secundaria formándose en toda la altura del edificio minicircuitos disipadores de las presiones ocasionadas por las diversas descargas que descienden por los bajantes.

El conjunto adoptaría una disposición "clásica", similar a la que se indica en el esquema de la fig. 12, que cabe completar con las siguientes definiciones :

Desagüe.-  Conducto que, arrancado de las válvulas u orificios de caida de los aparatos, desembarca en otro de mayor diámetro.

Derivación.-  Conducto previo al bajante que recoge varios desagües.  (Desagües y derivaciones son, a veces, designados, indistinta o conjuntamente, con el nombre genérico de "ramales").

Manguetón.-  Se denomina así al desagüe de los inodoros.  Frecuentemente hacen también las veces de derivaciones.

Colector.- Conducto suspendido que recoge las aguas de los bajantes para llevarlas fuera del edificio.

Albañal.- Tramo enterrado que conecta el saneamiento del edificio con el alcantarillado público.

8.-  CIRCULACIÓN TEÓRICA DE LAS AGUAS SERVIDAS. fig. 12

Existe la creencia de que una red de saneamiento es tanto mejor cuanto mayores son sus secciones, lo que es erróneo : las tuberías con secciones excesivas dejan correr el agua muy lentamente por lo que los sedimentos, con el tiempo, se transforman en tártaro o incrustaciones, resultando, al final, que la sección inicial se reduce hasta su límite idóneo pero con el grave inconveniente de que el exceso inicial queda ocupado por materiales putrescibles, lo que es contrario a cualquier norma higiénica.

Por el contrario, las pequeñas secciones, si bien experimentan un lavado contínuo de sus paredes, conllevan la posibilidad de altas velocidades del agua en algunos sectores de la instalación, lo que podría representar otro tipo de inconvenientes.

En razón de lo anterior se han enunciado los siguientes criterios para el buen funcionamiento de las instalaciones de Saneamiento :

a)  La velocidad de desagüe ha de estar acotada entre un límite inferior, tal que no produzca acumulación progresiva de sedimentos en los conductos, y un límite superior que no ocasione sobrepresiones y subpresiones perjudiciales para el equilibrado funcionamiento de la instalación.

b)  Como consecuencia, salvo los desagües de aparatos y derivaciones, los restantes conductos - bajantes y colectores - no han de trabajar a sección llena.

Analicemos estas cuestiones en relación con las diferentes partes de la instalación.

DESAGUES Y DERIVACIONES.-  Considerando tema distinto los fenómenos ya comentados, los tramos iniciales de la red no presentan, obviamente, problemas de presiones.  Son corrientes sin embargo los depósitos derivados de una insuficiente velocidad por escasa pendien­te o/y excesivo diámetro.  La velocidad mínima aconsejable se establece en 0,6 m/seg., lo que supone la adopción de pendientes superiores al 2%.

En el siguiente tema veremos la aplicación de las fórmulas de la física clásica a la obtención de los diámetros correspondientes.

BAJANTES.-  Normalmente el agua ha de descender por los bajantes lamiendo helicoidalmente sus paredes y dejando libre el núcleo del tubo.  Por efecto de la gravedad la velocidad va aumentando con la altura del tubo pero a la vez aumenta el rozamiento con el cuadrado de la velocidad, de modo que ésta tiende, a partir de cierto momento, a estabilizarse (velocidad final de caída).  Así, en expe­riencias realizadas en el Laboratorio de Ingeniería Sanitaria de la Universidad de Harward, en una columna de 75 mm. de diámetro, abierta en la cúspide y en la base, la velocidad adquirida por el agua en ella descargada resultó de 9 m/seg después de una caída de 9 ms, y sólo de 10,4 m/seg después de una caída de 30 ms.Citado por Gallizio "Instalaciones Sanitarias". HOEPLI, 1964, pag. 280.

Con todo, y tal como hemos dicho, la velocidad en los bajantes no ha de acercarse, siquiera, a la señalada ya

que, en caso contrario, se producirían émbolos por rotura de la masa líquida y un régimen anárquico de presiones, con los consiguientes problemas constructivos, hidráulicos y secuela de ruidos, consistiendo la solución en acotar la sección del conducto o ocupar por el líquido.  Así por medio, igualmente, de ensayos trabajando a 1/3 de su capacidad se han obtenido velocidades finales de caída adecuadas, independientemente de la altura del conducto. Citado por Guy Fawcet "Instalaciones en los Edificios" Gustavo Gili. 1979, pag. 78.

Así pues, según lo dicho, en principio no es necesario limitar las  alturas de los bajantes en los edificios, si bien deben aplicarse restricciones respecto a las sobrecargas locales de los bajantes que se presentan bajo los niveles de los diferentes forjados, como condicionantes de su ocupación.  Con este propósito, y de acuerdo con las recomendaciones del "Department of Commerce" de los E.E.U.U. se divide el bajante en secciones de unos 2,50 m. llamados intervalos de entronque, dentro de los cuales ha de quedar limitado el número de aparatos.  En la práctica se tabula el número de aparatos que pueden acometer por planta al bajante considerado.

Sin que ello signifique contradicción con lo anterior y para evitar diámetros excesivos en los bajantes, los edificios de mucha altura se suelen dividir en zonas de 10 a 15 plantas cada una, con bajantes independientes para cada zona.

El profesor Rubio Requena  Rubio Requena "Instalaciones Sanitarias" Control Ambiental. 1973, pag. 73.  Deducido de la Monografía n1 31 del 3-7-71 de la National Bureau of Standards de ROBERTSS,  WYLY - HERBERT N. EATON. aporta la siguiente expresión, de carácter teórico, para establecer la capacidad de los conductos verticales.

Q = 52.922 x 10-8 D 8/3

dónde :

Q =  Caudal del Conducto en l/seg.

D =  diámetro en mm.

fórmula a la que se llega considerando una ocupación de 7/24 de la sección.

No obstante éste y otros intentos para reacionalizar el cálculo de bajantes nos permitimos opinar con Gallizio  Gallizio Op. Cit. pag. 277 que, dada la complejidad de los fenómenos que en ellos se producen, no resultan operativas tales formulaciones, debiendo recurrirse, de cualquier forma, a datos obtenidos siempre experimentalmente.

COLECTORES Y ALBAÑALES.-

Colectores y albañales no han de trabajar nunca a sección llena, alcanzando, en régimen máximo, alturas de llenado comprendidas entre 1/2 y 3/4 de la totalidad del conducto.

Si bien la norma francesa NF P 41-201 admite velocidades de hasta 3 m/seg, se consideran velocidades adecuadas las comprendidas entre 0,6 y 2,2 m/seg.

Normalmente las pendientes de colectores y albañales oscilan entre el 1 y el 4%.

Con estas determinaciones las formulas clásicas de la hidraúlica (Bazin, Manning ...) nos aportarán las secciones adecuadas para cualquier clase de conductos.

9.  PRESIONES Y DEPRESIONES; LA VENTILACION COMO DETERMI­NANTE DEL CALCULO Y PROYECTO DE LAS INSTALACIONES.

9.1.Sifones independientes.  Su problemática y  solución.

En relación con las presiones, positivas o negativas, que se originan particularmente en los bajantes, éstas han de ser siempre inferiores a la que representa 50 mm. de c.a. por encima o debajo de la presión atmosférica.  En efecto un cierre hidráulico que, normalmente, tiene 5 cm de altura sería succionado por una depresión mayor que la señalada.  Por otra parte, compresiones incluso menores introducirían gases mefíticos por las válvulas de los aparatos.

A este respecto se han realizado experiencias con los correspondientes aparatos de medidas para establecer la relación de las presiones en los bajantes con la sección ocupada y la altura del mismo.  En todos los casos los experimentos se realizarán en columnas abiertas superiormente.

Utilizando tubos de 7 ms de alto, la relación entre el caudal del tubo y la presión quedó expresada por la formulación :

P =presión creada

K =coeficiente dependiente de las unidades en que se expresen Q y P y del diámetro del tubo.

P = K Qn       [1]

Q =caudal circulante

n =coeficiente que dependió de la ventilación practicada al bajan­te.

El valor de n varió desde un mínimo de 0,33, con ventilación de tipo "contínuo", hasta un máximo de 2,5, sin ventilación complementaria alguna.  El valor de K varió de 0,000016, para un O de 100 mm., a 0,00003, para 0 de 50 mm.

Las presiones dependieron, pues, más del tipo de ventilación practicada que del diámetro del bajante.

Utilizando bajantes de diferentes alturas se llegó a la expresión

P =presión creada

P = K H2,5     [2]

K =coeficiente que tiene el significado de la fórmula [1].

Según [1] [2] es importante constatar lo siguiente:

a)La presión P es función exponencial de Q, ó sea de la sección ocupada del tubo.

b)Para mantener P dentro de límites admisibles es preciso o bien sobredimensionar la bajante, ó bien adoptar sistemas de ventilación adecuada­mente diseñados.

c)La altura del conducto constituye un parámetro de carácter sólo complementario o restrictivo de las conclusiones anteriores.

Dicho lo anterior y en un análisis sincrético puede considérese que en el caso de bajantes sobre­dimensionados el núcleo no ocupado por el líquido actúa a modo de ventilación secundaria del mismo, e incluso de ventilación terciaria de los cierres hidraúlicos, si estos están próximos.  Pero, tal como se ha dicho anteriormente, tal sobredimensionamiento comporta velocidades insuficientes, incrustaciones y la consiguiente progresiva reducción de la sección del bajante.  Como adelantábamos en el apartado 1.6 del TEMA I, la solución consiste en conectar periódicamente el bajante con la atmósfera, mediante un conducto paralelo o VENTILACION SECUNDARIA, así como recurrir a la ventilación de los cierres hidraúlicos - ó VENTILACION TERCIARIA - para impedir que, en cualquier caso, sean afectados por los cambios de presiones así como para salir al paso de los problemas de autosucción.

9.2 Botes sifónicos.  Características de su funcionamiento.

En el TEMA I hablábamos de los botes sifónicos que, rechazados por varios reglamentos extranjeros por su proclividad a la acumulación de sedimentos, son llamados "sifones antisucción" por razones fáciles de entender :figs a b c

-El sifonamiento solo puede producirse cuando el agua circulante ocupe el volumen señalado con la cuadrícula en la siguiente figura "a".

-Las depresiones que puedan llegar al bote actúan en un período relativamente corto, por lo que no suelen vaciar completamente el agua que constituye el cierre hidráulico aún cuando superen en principio la "potencia opositora" del mismo.  Figura "b".

-Análogamente las burbujas mefíticas producidas por efecto de las presiones del bajante llegan con dificultad a las válvulas de los aparatos.  Figura "c"

Estas características del bote sifónico explican en gran parte la dicotomía existente entre los sistemas más usados para el trazado y determinación de diámetros del saneamiento y que - por simplificar - llamaremos "Sistema de redes Ventiladas " y "Sistema de redes Semiventiladas".

9.3.Sistema de redes ventiladas.

Se basan en la utilización exclusiva de sifones y en la adopción de diámetros estrictos en bajantes y colectores, lo que conlleva al trazado subsidiario de una completa red de ventilación.  El Department of Commerce de los E.E.U.U. ha publicado los resultados de los números ensayos y experimentos realizados por el Bureau of Standards, institución que puede ser considerada la primera autoridad científica sobre el tema.  De ellos se deducen una serie de recomendaciones que conducen a resultados eficientes, tanto para pequeñas como para grandes instalaciones.  En las figs. 1 y 2 se muestran algunos ejemplos característicos .De TIME-SAVER STANDARDSfigs 1 y 2

 

9.4.Sistema de redes semiventiladas.

Se basan en la utilización mixta de sifones indepen­dientes y de botes sifónicos.  Mediante el sobredimensionamiento de los bajantes y, por tanto, de la "ventilación primaria efectiva" a lo largo de toda la columna se elude la instalación de la ventilación secundaria en edificios hasta un determinado número de plantas.  A partir de cierta altura incorpora la ventilación secundaria pero, en cualquier caso se prescinde de la ventilación terciaria.  Para evitar problemas de autosucción se exige la cercanía de los cierres hidráulicos a los bajantes, lo que  obliga a su proliferación con respecto a los de las soluciones con ventilación completa.  Se aporta, como figuras 3 y 4 dos esquemas característicos . NTE - ISS - 1973.  "Instalaciones de Salubridad.  Saneamiento".

Consideramos que este sistema adolece de los siguien­tes inconvenientes:

a)  Establece serias restricciones en el diseño de los cuartos húmedos.

b)  En el caso de sifones independientes ignora el problema de sifonado y el de la autosucción (vease TEMA I, ap. 4 y 5); por ello no queda garantizado al usuario en este caso - ni mucho menos - la no presencia de malos olores.

c)  El sobredimensionamiento de bajantes - y por tanto, de colectores - conduce, tal como insisten diversos autores, a la  creación de sedimentos y, en consecuencia, no solo a la insalubridad de la red sino a su mal funcionamiento a largo plazo.  Este problema se agrava con el establecimiento de redes unitarias, lo que hace que en tiempos de sequía, los conductos trabajen con una sección aún menor de llenado.

Como contrapartida hay que señalar que, en general, representan menor costo de instalación inicial.  Cabe también decir que la incorporación a las redes del PVC, con  su bajo coeficiente de rugosidad, atenúan los citados problemas de sedimentación.

esquema aesquema b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Actualizado 20/02/08

 ©  Contenido: Juan Carratalá Fuentes y Manuel Roca Suárez