ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE CAP VI.- SISTEMAS DE DISTRIBUCION CAPITULO VI SISTEMAS DE DISTRIBUCION 6.1 INTRODUCCION Se le llama sistema de distribución al conjunto de tuberías destinadas al suministro de agua a los usuarios. Para el diseño de la red de distribución es imprescindible definir la fuente de abastecimiento y la ubicación tentativa del estanque de almacenamiento. La importancia en esta determinación radica en poder asegurar a la población el suministro eficiente y continuo de agua en cantidad y presión adecuadas durante todo el periodo de diseño. Las cantidades de agua estarán definidas por los consumos estimados en base a las dotaciones de agua. Sin embargo, el análisis de la red debe contemplar las condiciones más desfavorables, para las condiciones de consumo máximo horario y las estimaciones de la demanda de incendio, dependiendo de la ciudad y de la zonificación de la zona en estudio. En la norma boliviana NB689 nos indica: Los sistemas de distribución deben cumplir con los siguientes requisitos principales: a) Suministrar agua potable al consumidor en la cantidad y calidad necesarias. b) Proveer suficiente agua para combatir incendios en cualquier punto del sistema. Las presiones en la red deben satisfacer ciertas condiciones mínimas y máximas para las diferentes situaciones de análisis que pueden ocurrir. En tal sentido la red debe mantener presiones de servicio mínimas, que sean capaces de llevar agua al interior de la vivienda. También en la red deben existir limitaciones de presiones máximas, tales que no provoquen daños en las conexiones y que permitan el servicio sin mayores inconvenientes de uso. UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA 222
Capitulo muy completo sobre sistema de distribucion de aguas para abastecimiento de agua potable.
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ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE CAP VI.- SISTEMAS DE DISTRIBUCION
CAPITULO VI
SISTEMAS DE DISTRIBUCION 6.1 INTRODUCCION
Se le llama sistema de distribución al conjunto de tuberías destinadas al suministro de agua
a los usuarios. Para el diseño de la red de distribución es imprescindible definir la fuente de
abastecimiento y la ubicación tentativa del estanque de almacenamiento. La importancia en
esta determinación radica en poder asegurar a la población el suministro eficiente y
continuo de agua en cantidad y presión adecuadas durante todo el periodo de diseño.
Las cantidades de agua estarán definidas por los consumos estimados en base a las
dotaciones de agua. Sin embargo, el análisis de la red debe contemplar las condiciones más
desfavorables, para las condiciones de consumo máximo horario y las estimaciones de la
demanda de incendio, dependiendo de la ciudad y de la zonificación de la zona en estudio.
En la norma boliviana NB689 nos indica: Los sistemas de distribución deben cumplir con
los siguientes requisitos principales:
a) Suministrar agua potable al consumidor en la cantidad y calidad necesarias.
b) Proveer suficiente agua para combatir incendios en cualquier punto del sistema.
Las presiones en la red deben satisfacer ciertas condiciones mínimas y máximas para las
diferentes situaciones de análisis que pueden ocurrir. En tal sentido la red debe mantener
presiones de servicio mínimas, que sean capaces de llevar agua al interior de la vivienda.
También en la red deben existir limitaciones de presiones máximas, tales que no
provoquen daños en las conexiones y que permitan el servicio sin mayores inconvenientes
de uso.
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6.2 CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE LA NORMA BOLIVIANA NB 689
La Norma Boliviana NB 689 nos presenta los parámetros para diseño de redes de
distribución o sistemas de distribución, que se desarrolla a continuación.
6.2.1 CAUDALES DE DISEÑO
La red se calculará para el consumo máximo horario en toda su extensión o para el caudal
máximo diario mas la demanda contra incendio aplicada sucesivamente en distintos puntos
de la red, utilizando para el diseño el valor mayor resultante.
La tuberías principales se calcularan con el caudal acumulado que les corresponda, a partir
del caudal determinado tal como se indica en el párrafo anterior. Para el cálculo de la red
de distribución se considerará la zona urbana actual, de acuerdo con sus densidades
actuales y probables.
6.2.2 DIAMETROS MINIMOS
En poblaciones urbanas mayores de 5000 habitantes el diámetro mínimo será de 50 mm
[2”]. En poblaciones urbanas menores a 5000 habitantes se aceptara como diámetro
mínimo 38 mm [1 1/2”].
En poblaciones menores a 5000 habitantes, en el área rural, el diámetro mínimo en
sistemas cerrados será de 1”, aceptándose ramales de 3/4”
6.2.3 VELOCIDADES
- La velocidad máxima en la red de distribución será de 2 m/s.
- La velocidad mínima en ningún caso será menor de 0.30 m/s.
6.2.4 PRESIONES
Durante el período de la demanda máxima horaria, la presión dinámica en cualquier punto
de la red no será menor a:
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En poblaciones rurales menores, a 5000 habitantes: 5 m.c.a.
En poblaciones de 5000 a 15000 habitantes: l0 m.c.a.
En poblaciones de áreas urbanas: 20 m.c.a.
La presión máximo estática no será en ningún caso mayor a 70 m.c.a.
Las áreas que estén ubicadas en terrenos altos y que requieran mayores presiones para ser
abastecidas, deben tener, en lo posible, sistemas separados de presión, debiendo
mantenerse las presiones por medio de bombeo o tanques elevados.
6.2.5 UBICACION DE TUBERIAS
Las tuberías de la red de distribución se colocarán en los costados Sur y Este de las calles a
1.0 m del cordón de la acera (o un tercio de la calzada si se ha estado empleando con
anterioridad este criterio) y a una profundidad mínima de 0.80 m. en vías con tráfico
vehicular, y a 0.50 m en área rural, medidas desde la rasante a la corona del tubo. Como se
muestra en la figura 6.1.
FIG. 6.1 UBICACIÓN DE LA TUBERÍA [Ref. Elaboración Propia]
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La separación entre tos tuberías de agua potable y alcantarillado será de 3 m en planta. De
no poder cumplirse con esta condición, se colocarán los tuberías en zanjas separadas a una
distancia de 1.50 m, debiendo colocarse la tubería de agua potable a 0.30 m como mínimo
por encima de la de alcantarillado.
6.2.6 VÁLVULAS E HIDRANTES
a) Válvulas
La red de distribución debe estar provista de válvulas tipo compuerta con vástago no
deslizante, provistas de cabezal superior estándar para todos los diámetros, operables
mediante llave “T”.
Las válvulas deben colocarse, en las intersecciones de las mallas principales, de tal manera
que formen cuarteles cuyo desarrollo no debe pasar los siguientes valores:
- 1500 m en poblaciones menores y de baja densidad de habitantes (menor de 250
hab/ha).
- 800 m en poblaciones con densidad mayor de 250 hab/ha
Debe colocarse una válvula en los puntos en que exista un ramal de derivación importante.
En poblaciones hasta de 1000 habitantes, puede proveerse sólo una válvula a la entrada de
la población, excepto en los casos en los que se tenga que definir áreas de consumo o
zonas de presión diferenciada.
En los puntos bajos de la red se instalarán válvulas de purga o desagüe y se diseñaran las
obras necesarias para su adecuado desagüe. No se permitirá puntos muertos en la red,
debiendo terminar necesariamente en válvulas con drenaje.
En los puntos altos de la red se instalarán las ventosas correspondientes. Todas las válvulas
deben complementarse y protegerse con cajas de mampostería, hormigón, o metálicos, con
tapa a nivel de la rasante.
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b) Hidrantes
Los hidrantes deben instalarse en tuberías de un diámetro mínimo de 75 mm [3”] y a una
distancia máximo entre ellos, de 500 m. cada hidrante llevará su propia válvula para
aislarla de la red. Se ubicarán de preferencia en las esquinas, o intersección de dos calles,
sobre la acera, para un mejor acceso.
6.3 TIPOS DE REDES
Dependiendo de la topografía, de la vialidad y de la ubicación de las fuentes de
abastecimiento y del estanque, puede determinarse el tipo de red de distribución. Los
sistemas de distribución se clasifican generalmente como: redes ramificadas y redes
malladas.
6.3.1 REDES RAMIFICADAS
Son redes de distribución constituidas por un ramal troncal y una serie de ramificaciones o
ramales que pueden constituir pequeñas mallas, o constituidos por ramales ciegos. Este
tipo de red es utilizado cuando la topografía es tal que dificulta, o no permite la
interconexión entre ramales
Los caudales medios de consumo en cada tramo pueden determinarse conociendo la
zonificación y asignando la dotación correspondiente de acuerdo a la Norma Boliviana NB
689, Norma Técnica de Diseño para Sistemas de Agua Potable. En el caso de localidades
donde no se disponga del plano regulador de la Ciudad, los caudales de consumo por tramo
pueden asignarse en base a un caudal unitario para zonas de densidad homogénea. En la
figura 6.2 podemos observar una red abierta.
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FIG. 6.2 ESQUEMA DE RED RAMIFICADA [Ref. Elaboración Propia]
6.3.1.1 Diseño de redes ramificadas y asignación de caudales a nudos
El procedimiento a seguir es, en general, el siguiente:
a) Se divide la ciudad en zonas de distribución, atendiendo al carácter de las mismas en
residencial, comercial e industrial.
b) Se procede a un trazado tentativo, que tenga un conducto principal, que se ramifique
para conducir el agua a cada zona o grupo de zonas de distribución y se anotan las
longitudes de cada tramo de tubería.
c) Se determina el coeficiente del caudal por metro de tubería, dividiendo el caudal
máximo horario entre la longitud virtual de toda la red. El concepto de “longitud virtual” lo
usaremos exclusivamente para definir que caudal ha de circular por cada tramo de tubería
al cual denominaremos caudal propio.
Así por ejemplo, resulta evidente que un tramo de tubería que abastezca predios por un
solo lado, como el A-B de la figura 6.3, deberá conducir menos caudal que el tramo C-D
de la misma figura, ya que este último abastece de agua a predios ubicados a cada lado del
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mismo. Correlacionando caudales con longitudes, es como si el tramo C-D, tuviera una
longitud del doble de la del tramo A-B, siendo que en realidad, los dos tramos miden lo
mismo. De acuerdo con este razonamiento expresamos que el tramo C-D tiene una
longitud real de 100 metros, pero que virtualmente (existencia aparente y no real) tiene una
longitud de 200 metros. Para el tramo A-B, que solo abastece predios por un solo lado, la
longitud real es igual a la longitud virtual.
FIG. 6.3 TRAMO QUE ABASTECEN PREDIOS A UN SOLO LADO (A-B)
Y A AMBOS LADOS (B-C) DE LA TUBERÍA [Ref. Elaboración Propia]
En resumen:
- Para líneas de alimentación: LVIRTUAL = 0
- Para tuberías que abastecen de agua a predios localizados a un solo lado de la
línea:
LVIRTUAL = LREAL
- Para tuberías que abastecen de agua a predios localizados a ambos lados de la
línea:
LVIRTUAL = 2⋅LREAL
Sumando las longitudes virtuales tramo a tramo de la red, se obtiene entonces el
coeficiente de caudal por metro de tubería “q” con la expresión siguiente:
VIRTUAL
h
LQ
q∑
= −max
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Donde:
q = Coeficiente de caudal por metro [l/s.m]
Qmax-h = Caudal máximo horario [l/s]
ΣLVIRTUAL = Sumatoria de las longitudes virtuales de cada tramo de la red [m]
Obsérvese que si, de acuerdo a como se ha dividido la ciudad, se tienen concentraciones de
población diferentes, también el coeficiente de caudal por metro a de ser diferente de
acuerdo con la zona. De la misma forma, variará de acuerdo con el carácter dependiendo
de sí es zona industrial o comercial. Así pues, los coeficientes de caudal se determinan
usando las dotaciones y poblaciones de las zonas a las que alimenta el tramo considerado.
d) Se numeran los nudos que se tengan en la red.
e) Se calculan los caudales propios de cada tramo de la red, multiplicando el coeficiente de
caudal “q” por la longitud virtual del tramo de tubería.
QPROPIO = q ⋅ LVIRTUAL
f) Se efectúa el cálculo de los caudales acumulados por cada tramo de tubería, comenzando
desde el más distante al más cercano al depósito de regularización, sumando cuando sea
necesario, los caudales de los tramos secundarios.
g) Se determina el diámetro de los distintos tramos o secciones del conducto, haciendo uso
del caudal acumulado que deben conducir, considerándolo concentrado en el extremo o
nudo terminal (Figura 6.4)
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Q2
Predios Q4....
∑=
=n
iiQQ
1
Q1 Q3.....
1 2 1 2
Qn Q
Predios
CASO REAL IDEALIZADO
FIG. 6.4 CONSIDERACION DEL CAUDAL ACUMULADO DEL TRAMO, CONCENTRADO EN EL NUDO
TERMINAL Y CASO REAL CON TOMAS DOMICILIARIAS POR CADA PREDIO [Ref. Elaboración Propia]
A partir de la expresión : VAQ ⋅=
y sabiendo que 4
2dA π= se tiene: VdQ
4
2π=
despejando d : VQd
π4
=
considerando una velocidad de flujo de 1.2 m/s
Qd 03.1=
Donde:
d = diámetro de la tubería en m
Q = caudal acumulado del tramo en m3/s
y haciendo una conversión de unidades, conveniente, se tiene:
Qd 28.1=
Donde:
d = diámetro de la tubería en pulgadas
Q = caudal acumulado del tramo en l/s
El diámetro obtenido con esta última expresión es teórico, debe ajustarse al diámetro
comercial más aproximado
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h) Se determina el nudo de la red con la presión más desfavorable. Este puede ser aquel al
que para llegar se requiera consumir la mayor pérdida de carga y que a la vez exista la
presión requerida. Las pérdidas de carga pueden calcularse con la fórmula de Manning o
con la fórmula de Hazen & Williams.
Si el diseño no cumple con las presiones requeridas, se procede a rectificar el diseño,
variando los diámetros necesarios o, si es posible, elevando el tanque regularizador. Se
pueden utilizar programas computacionales que nos ayudan a solucionar estos problemas,
entre los cuales podemos citar Branch y WaterCad.
i) Una vez terminado el diseño, se procede a dibujar el plano definitivo de la red de
distribución, donde debe aparecer:
i) Diámetros y longitudes
ii) Piezas de conexión, válvulas, etc.
iii) En cada nudo un circulo con los siguientes datos: Cota Piezométrica
Presión disponible
Cota del Terreno
Todos los cálculos que presuponen el diseño anterior deben presentarse en forma de tabla,
a libre elección del ingeniero a cargo del diseño. Se sugiere la tabla de cálculo del Tabla
6.1 a la cual se le pueden adicionar o restar las columnas que se considere necesario.
Tabla 6.1 Tabla de calculo para red de distribución Ramificada Tramo Perdidas Carga
Real Virtual Propio Acumulado Teorico Comercial hf (m) Piezometricas Terreno disponible (m)Longitud (m) Caudales (l/s) Diametro (mm) Cotas
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6.3.2 REDES MALLADAS
Son aquellas redes constituidas por tuberías interconectadas formando mallas. Este tipo de
red de distribución es el más conveniente y tratará siempre de lograrse mediante la
interconexión de las tuberías, a fin de crear un circuito cerrado que permita un servicio más
eficiente y permanente. En el dimensionado de una red mallada se trata de encontrar los
caudales de circulación de cada tramo, para lo cual nos apoyamos en algunas hipótesis
estimativas de lo caudales en los nudos. En la figura 6.5 se observa una red mallada.
Resulta ventajoso hacer división por zonas, tratando de unir aquellas que presentan
características homogéneas o similares, tomando en cuenta la densidad actual y la futura.
FIG. 6.5 ESQUEMA DE UNA RED MALLADA DE UNA ZONA URBANA [Ref. 10]
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6.3.2.1 Diseño de redes cerradas
El calculo de una red cerrada consiste en determinar los diámetros de los diferentes tramos
que forman los círculos principales. Para el análisis de las redes cerradas existen métodos
de solución entre los cuales citamos Hardy-Cross y el de la tubería equivalente; existen
programas computacionales que nos ayudan a solucionar estos problemas, entre los cuales
podemos citar Loop y WaterCad. En estos utilizan la formula de Hazen-Williams o bien la
de Manning para el calculo de las perdidas por fricción.
El procedimiento que se sigue para la asignación de caudales iniciales con los cuales
podremos determinar los diámetros de las tuberías en general es el mismo que se explico
para la red ramificada, o utilizando el método de las áreas que explicaremos mas adelante.
Configuración de la red de distribución
Las redes malladas están constituidas por la matriz de distribución, de las tuberías
principales, tuberías secundarias o de relleno y ramales abiertos. Las tuberías principales
constituirán las mallas, cuyos tramos se definirán por los nudos que lo comprenden. Para
ello, se define un nudo en base a lo siguiente:
a) Intersección de 2 tuberías principales
b) Todo punto de alimentación
Para la configuración de las mallas mediante las tuberías principales se tomará en cuenta el
posible desarrollo o crecimiento de la ciudad o zona a proyectar; así, un desarrollo hacia la
periferia, motivado por la existencia de zonas planas que propiciarían tal extensión, induce
a proyectar mallas exteriores previendo el crecimiento urbanístico hacia tales áreas. En
cambio, zonas que tienen limitaciones de expansión, ya sea por condiciones topográficas
de difícil desarrollo urbanístico; por la existencia de ríos, lagos o mares, o por
disposiciones legales que no permitan el desarrollo hacia determinadas zonas, conduce a
proyectar mallas internas previendo el desarrollo vertical u de alta densidad de esos
sectores. Los esquemas de las figuras 6.6 y 6.7 muestran algunos tipos de redes malladas.
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FIG. 6.6 ESQUEMA DE UN MALLADO EXTERNO [Ref. 10] FIG. 6.7 ESQUEMA DE UN MALLADO INTERNO[Ref. 10]
Cuando por razones topográficas las presiones de servicio en el sistema de distribución
sean muy altas, resulta conveniente dividir la zona en varias redes (por ejemplo: alta,
media y baja), las cuales pueden interconectarse mediante válvulas reguladoras o
reductoras de presión; o mediante tanquillas rompecarga, o bien separarlas con estanques
de almacenamiento independientes. En casos de más de dos redes, resulta conveniente
interconectar las redes alternando válvulas reductoras con tanquillas rompecargas. La
figura 6.8 muestra un esquema de dos redes interconectadas mediante válvulas reguladoras
de presión.
FIG. 6.8 ESQUEMA DE 2 REDES INTERCONECTADAS MEDIANTE VÁLVULAS REGULADORAS DE PRESION [Ref. 10]
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Una vez hecha la distribución por tramos de los caudales medios de consumo, se procede a
definir la configuración de las redes y al estudio de los diversos casos de análisis,
atendiendo al tipo de sistema y a su funcionamiento.
6.3.2.2 Asignación de caudales en los tramos que constituyen las mallas
(Tuberías principales)
Para el dimensionado de una red mallada tratamos de encontrar los caudales de circulación
para cada tramo, basándonos en algunas hipótesis de cálculo pendientes a determinar los
caudales por cada nudo.
Diversos métodos se han seguido para esta determinación, entre los cuales el más general
es el método de las áreas.
Método de las áreas
Se trata de determinar el caudal o consumo medio para toda la zona a proyectar y las áreas
de influencia de cada nudo, a fin de definir un caudal unitario. Este caudal unitario se
calcula teniendo el caudal máximo horario y el área total de la zona a proyectar.
Caudal máximo horario qUNITARIO = área de influencia
Se enumeran los nudos que configuran la malla y se determinan las áreas de influencia de
cada uno de los nudos, trazando las mediatrices de los tramos, formándose de esta manera
una figura geométrica (cuadrados) alrededor del nudo y se multiplican por la demanda
unitaria así para obtener el caudal en el nudo.
QNUDO = qUNITARIO ⋅ AreaNUDO
Se procurará tener áreas de figuras geométricas conocidas o en caso contrario debe
disponerse de planímetros para su medición. En la figura 6.9 se observa la distribución de
las áreas en los nudos.
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FIG. 6.9 ESQUEMA DEL METODO DE LAS AREAS [Ref. Elaboración Propia]
6.4 SELECCION DEL TIPO DE DISTRIBUCION
De acuerdo a condiciones topográficas, la ubicación de la fuente respecto a la red y al
tanque, motivará diversas formas de suministro de agua a la red de abastecimiento.
planteándose varias posibilidades o alternativas a saber:
a) Bombeo contra la red
FIG. 6.10 ESQUEMA DE BOMBEO CONTRA LA RED [Ref. 10]
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b) Sistema por gravedad
FIG. 6.11 ESQUEMA DE DISTRIBUCIÓN POR GRAVEDAD [Ref. 10]
c) Bombeo directo al tanque y suministro por gravedad
FIG. 6.12 ESQUEMA DE BOMBEO DIRECTO Y DISTRIBUCIÓN POR GRAVEDAD [Ref. 10]
Indudablemente que, siempre que ello sea posible, la selección de un sistema totalmente
por gravedad será la solución más conveniente. En este caso, deberá contemplarse la
solución mediante una o más redes que separadas por tanques u otro dispositivo que
mantenga las presiones dentro de los limites normales.
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6.5 TUTORIAL DE WATERCAD V.4.1.1
Introducción
WaterCAD es una herramienta extremadamente eficiente para tender una red de
distribución de agua. Es fácil preparar un modelo esquemático o a escala y dejar a
WaterCAD encargarse de la conexión de los nudos. Para construir una red de distribución,
usted no necesita preocuparse con la asignación de etiquetas a las tuberías y nudos, porque
WaterCAD asignará las etiquetas automáticamente.
Cuando se crea un dibujo esquemático, las longitudes de las tuberías son ingresadas
manualmente. En un dibujo a escala, las longitudes de las tuberías son calculadas
automáticamente de la posición de los recodos de las tuberías y de los nudos de inicio y fin
en el panel de dibujo.
Efectuaremos la modelación en WaterCad del sistema de agua potable representado en la
siguiente figura 6.13 y en la tabla 6.2.
FIGURA 6.13 [Ref. Elaboración Propia]
En esta red, la modelación del reservorio conectado a la bomba simula una conexión al
sistema principal de distribución de agua. Simplificando la red de esta manera se puede
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aproximar las presiones suplidas al sistema en la conexión bajo un rango de demandas.
Este tipo de aproximación no es siempre el apropiado, y se debería tener cuidado cuando
se modela una ved de esta manera. Trazando la red posterior al origen es una aproximación