Diseo de lneas y redes hidrulicas.
Para el diseo hidrulico de una red de distribucin, el diseador
se enfrenta a una serie de retos, tales como: El tamao de la tubera
para transportar el caudal de diseo, la presin interna que debe
resistir cada tramo de tubera, los elementos que debe de llevar la
red (bombas, tanques de almacenamientos, etc.)
El diseador tiene dos alternativas para enfrentar estos
retos.
La primera es emprica y consiste en construir el sistema con una
serie de tuberas, segn las mejores hiptesis de diseo y conocer el
rendimiento del sistema a medida que se avanza. Posteriormente s el
sistema construido no funciona adecuadamente, se deben de realizar
ajustes sucesivos hasta obtener una solucin satisfactoria.
Un gran nmero de sistemas de tuberas para abastecimiento de agua
se han construidos de manera similar a este modo. Por ejemplo los
romanos construyeron un asombroso sistema de suministro de agua con
pocos conocimientos formales de mecnica de fluidos.
La otra alternativa utiliza los modelos hidrulicos en vez de
construir y experimentar con el sistema de tuberas real. Este
modelo puede adoptar muchas formas: desde una versin a escala del
original a un conjunto de ecuaciones matemticas.
Funciones de la red de distribucin:
El sistema de distribucin tiene las siguientes funciones:
Suministrar el agua potable suficiente a los diferentes
consumidores en forma sanitariamente segura.
Proveer suficiente agua para combatir incendios en cualquier
punto de sistema.
Informacin necesaria para el diseo de la red de distribucin:
Plan regulador del desarrollo urbano, s es que existe, en el que
se establecen los usos actuales y futuros de la tierra con sus
densidades de poblacin
Planos topogrficos de la ciudad, con sus calles existentes y
futuras (desarrollos futuros urbansticos), perfiles de las calles y
las caractersticas topogrficas de la localidad (relieve del
terreno)
Servicios pblicos existentes o proyectados, tales como:
Alcantarillado sanitario
Alcantarillado pluvial
Servicio de energa elctrica
Servicio de comunicaciones
Acondicionamiento de las calles (sin recubrir, con adoquines,
asfalto, etc.)
Estado actual de la red existente (dimetro, clase de tubera,
edad de la mismas); ubicacin del tanque existente con su cota de
fondo y demasa, determinacin de los puntos de entrada del agua en
la red desde la fuente y desde el tanque, etc.
Ubicacin de la fuente de abastecimiento que se usar en el perodo
de diseo, as como la ubicacin del futuro tanque de almacenamiento,
identificndose en consecuencia los probables puntos de entrada del
agua a la red de distribucin.
Determinacin del sistema existente en cuanto a la oferta,
demanda, presiones residuales y distribucin de agua.
Determinacin de las presiones necesarias en los distintos puntos
de la red de distribucin. Este requisito en combinacin con el
relieve del terreno conducir en algunos casos a dividir el rea para
servir en ms de una red de distribucin.
Diseo de redes hidrulicas en zona rural.
Objetivo
Establecer criterios para el diseo de redes de distribucin de
sistemas de agua potable para zonas rurales.
Definiciones
Anclajes: Mecanismos o estructuras especiales de hormign,
mamposteras o metlicos, etc., usados para la fijacin y apoyo de
tuberas, accesorios, motores, etc.
Bridas: Reborde circular plano de hierro fundido o acero
dispuesto en el extremo de los tubos y accesorios, que sirve para
acoplarse entre si y a otros accesorios mediante pernos.
Cmara rompe-presin: Depsito con superficie libre de agua y
volumen relativamente pequeo, que se ubica en puntos intermedios de
una tubera separndola en partes. Su funcin es reducir la presin
hidrosttica a cero y establecer un nuevo nivel esttico aguas
abajo.
Conexin de agua potable: Conjunto de tuberas y accesorios que
permiten al usuario acceder al servicio de agua potable proveniente
de la red de distribucin.
Cloro residual: Es la cantidad total de cloro (cloro disponible
libre y/o combinado) que queda en el agua despus de un periodo de
contacto definido.
Desinfeccin: Es el aniquilamiento de la mayor parte de las
bacterias, por medio de sustancias qumicas, calor, luz
ultravioleta, etc.
Niple: Porcin de tubera de tamao menor que la de fabricacin.
Presin nominal: Es la presin interna de identificacin del
tubo.
Presin de Prueba: Es la mxima presin interior a la que se somete
una lnea de agua en una prueba hidrulica y que est determinado en
las especificaciones tcnicas.
Presin de servicio (Ps). Es la existente en cada momento y punto
de la red durante el rgimen normal de funcionamiento.
Reservorios de regulacin: Depsitos situados generalmente entre
la captacin y la red de distribucin.
Servicio de agua potable: Servicio pblico que comprende una o ms
de las actividades de captacin, conduccin, tratamiento y
almacenamiento de recursos hdricos para convertirlos en agua
potable y sistema de distribucin a los usuarios mediante redes de
tuberas o medios alternativos.
Servicio de alcantarillado sanitario: Servicio pblico que
comprende una o ms de las actividades de recoleccin, tratamiento y
disposicin de las aguas residuales en cuerpos receptores.
Red de distribucin: La red de distribucin est considerada por
todo el sistema de tuberas desde el tanque de distribucin hasta
aquellas lneas de las cuales parten las tomas o conexiones
domiciliarias.
Tramo: Longitud comprendida entre dos puntos de un canal o
tubera.
Vlvulas: Accesorios que se utilizan en las redes de distribucin
para controlar el flujo y se pueden clasificar en funcin de la
accin especifica que realizan. Las vlvulas ms comunes en una red de
distribucin son las de compuerta y sirven para aislar segmentos de
la misma.
Uniones: Accesorios que sirvan para enlazar o juntar dos tramos
de tubera.
3. Alcances
La utilizacin del presente documento ser de aplicacin
obligatoria en los Centros Poblados Rurales con poblaciones
concentradas o dispersas de hasta 2000 habitantes.
4. Diseo
Para el diseo de redes de distribucin se deben considerar los
siguientes criterios:
La red de distribucin se deber disear para el caudal mximo
horario.
Identificar las zonas a servir y de expansin de la poblacin.
Realizar el levantamiento topogrfico incluyendo detalles sobre
la ubicacin de construcciones domiciliarias, pblicas, comerciales e
industriales; as tambin anchos de vas, reas de equipamiento y reas
de inestabilidad geolgica y otros peligros potenciales.
Considerar el tipo de terreno y las caractersticas de la capa de
rodadura en calles y en vas de acceso.
Para el anlisis hidrulico del sistema de distribucin se podr
utilizar el mtodo de Hardy Cross, seccionamiento o cualquier otro
mtodo racional.
Para el clculo hidrulico de las tuberas se utilizar frmulas
racionales. En el caso de aplicarse la frmula de Hazen William se
utilizaran los coeficientes de friccin establecidos a
continuacin:
Fierro galvanizado
100
PVC
140
El dimetro a utilizarse ser aquel que asegure el caudal y presin
adecuada en cualquier punto de la red. Los dimetros nominales
mnimos sern: 25mm en redes principales, 20mm en ramales y 15mm en
conexiones domiciliarias.
En todos los casos las tuberas de agua potable deben ir por
encima del alcantarillado de aguas negras a una distancia de 1,00 m
horizontalmente y 0,30 m verticalmente. No se permite por ningn
motivo el contacto de las tuberas de agua potable con lneas de gas,
poliductos, telfonos, cables u otras.
En cuanto a la presin del agua, debe ser suficiente para que el
agua pueda llegar a todas las instalaciones de las viviendas ms
alejadas del sistema. La presin mxima ser aquella que no origine
consumos excesivos por parte de los usuarios y no produzca daos a
los componentes del sistema, por lo que la presin dinmica en
cualquier punto de la red no ser menor de 5m y la presin esttica no
ser mayor de 50m.
La velocidad mnima en ningn caso ser menor de 0,3 m/s y deber
garantizar la auto limpieza del sistema. En general se recomienda
un rango de velocidad de 0,5 1,00 m/s. Por otro lado, la velocidad
mxima en la red de distribucin no exceder los 2 m/s.
A fin de que no se produzcan prdidas de carga excesivas, puede
aplicarse la frmula de Mougnie para la determinacin de las
velocidades ideales para cada dimetro. Dicha frmula aplicable a
presiones a la red de distribucin de 20 a 50mca est dada por:
V = 1.5 * (D+0.05)0.5
Donde:
V = Velocidad (m/s)
D = Dimetro de la tubera (m)
El nmero de vlvulas ser el mnimo que permita una adecuada
sectorizacin y garantice el buen funcionamiento de la red. Las
vlvulas permitirn realizar las maniobras de reparacin del sistema
de distribucin de agua sin perjudicar el normal funcionamiento de
otros sectores.
4.2 Materiales
Para la seleccin de los materiales de las tuberas se deber tomar
en cuenta los siguientes factores:
Resistencia a la corrosin y agresividad del suelo.
Resistencia a los esfuerzos mecnicos producidos por las cargas,
tanto externas como internas.
Caractersticas de comportamiento hidrulico del proyecto
(presiones de trabajo, golpe de ariete).
Condiciones de instalacin adecuadas al terreno.
Resistencia contra la tuberculizacin e incrustacin.
Vida til de acuerdo a la previsin del proyecto.
Los materiales ms comunes son:
Policloruro de Vinilo (PCV)
Polietileno
Fierro Galvanizado
Fierro Fundido
Fierro Dctil
Acero
Por otro lado, se pueden distinguir dos tipos de tuberas: las
tuberas de unin flexible y las de unin rgida.
Tuberas de unin rgida
-
A simple presin, con espiga y campana; las uniones son
ensambladas con
-
pegamento.
Roscadas, las uniones requieren de uniones simples para el
empalme entre tuberas.
Tuberas de unin flexible
A causa de las caractersticas especiales del anillo y campana de
la unin flexible, se minimiza las operaciones de ensamble, esto
facilita el centrado y conexin de los tubos, sin recurrir a mucha
fuerza.
4.3 Procedimientos de clculo
El diseo hidrulico podr realizarse como redes abiertas, cerradas
y combinadas. Los clculos deben realizarse tomando en cuenta los
dimetros internos reales de las tuberas.
a) Redes abiertas
El Dimensionamiento de las redes abiertas o ramificadas se
realizar de acuerdo con los siguientes criterios:
Se admitir que la distribucin del caudal sea uniforme a lo largo
de la longitud de cada tramo.
La prdida de carga en el ramal ser determinada para un caudal
igual al que se verifica en su extremo.
Cuando por las caractersticas de la poblacin se produzca algn
gasto significativo en la longitud de la tubera, ste deber ser
considerado como un nudo ms.
Se recomienda el uso de un caudal mnimo de 0,10 lps para el
diseo de los ramales.
b) Redes cerradas
El flujo de agua a travs de ellas estar controlado por dos
condiciones:
El flujo total que llega a un nudo es igual al que sale.
La prdida de carga entre dos puntos a lo largo de cualquier
camino, es siempre la misma.
Se recomienda el uso de un caudal mnimo de 0,10 lps para el
diseo de los ramales. Las redes cerradas no tendrn anillos mayores
a 1km por lado.
4.3.1 Mtodos para determinacin de caudales
a) Redes cerradas
Para el clculo de los caudales se puede disponer de los
siguientes mtodos:
Mtodo de las reas
Consiste en la determinacin del caudal en cada nudo considerando
su rea de influencia. Este mtodo es recomendable en localidades con
densidad poblacional uniforme en toda la extensin del proyecto. El
caudal en el nudo ser:
Qi = Qu * Ai
Donde el caudal unitario de superficie se calcula por:
Donde:
Qu = Qt / At
Qu
: Caudal unitario superficial (L/s/Ha)
Qi
: Caudal en el nudo i (L/s)
Qt
: Caudal mximo horario del proyecto (L/s)
Ai
: rea de influencia del nudo i (Ha)
At
: Superficie total del proyecto (Ha)
Mtodo de Densidad Poblacional
Este mtodo considera la poblacin por rea de influencia de cada
nudo. Para la aplicacin de este mtodo se deber definir la poblacin
en cada sector del rea del proyecto.
El caudal por nudo ser:
Qi = Qp * Pi
Donde el caudal unitario poblacional se calcula por:
Donde:
Qp = Qt / Pt
Qp
: Caudal unitario poblacional (L/s/hab)
Qt
: Caudal total o caudal mximo horario para la totalidad
de la poblacin (L/s)
Qi
: Caudal en el nudo i (L/s)
Pt
: Poblacin total del proyecto (hab)
Pi
: poblacin del rea de influencia del nudo i (hab)
Mtodo de la Longitud Unitaria
Por este mtodo se calcula el caudal unitario, dividiendo el
caudal mximo horario entre la longitud total de la red.
Para obtener el caudal en cada tramo, se debe multiplicar el
caudal unitario por la longitud del tramo correspondiente.
Entonces:
Qi = q * Li
Donde:
q = Qmh / Lt
q
: Caudal unitario por metro lineal de tubera (L/s/m)
Qi
: Caudal en el tramo i (L/s)
Qmh : Caudal mximo horario (L/s)
Lt
: Longitud total de tubera del proyecto (m)
Li
: Longitud del tramo i (m)
Mtodo de la Reparticin Media
Consiste en la determinacin de los caudales en cada tramo del
sistema, repartindolos en partes iguales a los nudos de sus
extremos.
Por tanto, el caudal en un nudo, ser la suma de los caudales de
los tramos medios adyacentes.
El caudal de cada tramo puede ser calculado por el mtodo de
longitud unitaria.
Mtodo del Nmero de Familias
Por este mtodo se calcula un caudal unitario, dividiendo el
caudal mximo horario entre el nmero total de familias de la
poblacin.
El caudal en el nudo, ser el nmero de familias en su rea de
influencia, multiplicado por el caudal unitario.
Qn = qu * Nfn
Donde:
qu = Qmh / Nf
qu
: Caudal unitario (L/s/fam)
Qn
: Caudal en el nudo n (L/s)
Qmh : Caudal mximo horario (L/s)
Nf
: Nmero total de familias
Nfn
: Nmero de familias en el rea de influencia del nudo n
b) Redes abiertas
Si la red abasteciera a ms de 30 conexiones, podrn emplearse
cualquiera de los mtodos indicados anteriormente para el clculo de
los caudales.
En caso de tener menos de 30 conexiones, la determinacin de
caudales por ramales se realizar por el mtodo probabilstico o de
simultaneidad.
Se recomienda aplicar la siguiente frmula:
QRAMAL = k * Qg
Donde:
K = ( x 1 )-0.5
QRAMAL
: Caudal de cada ramal (L/s)
Qg
: Caudal por grifo (L/s). Este valor no ser inferior a 0.1
l/s
k
: Coeficiente de Simultaneidad. En ningn caso el
coeficiente ser menor a 0.20
x
: Nmero de grifos 2
x
: Nmero total de grifos en el rea que abastece cada
ramal
4.4
Consideraciones finales
4.4.1
Valvulas de seccionamiento
La ubicacin y cantidad de vlvulas de seccionamiento en una red
de distribucin
se determinan con la finalidad de poder aislar un tramo o parte
de la red en caso de reparaciones o ampliaciones, manteniendo el
servicio en el resto de esta. Mientras mayor nmero de vlvulas se
tengan en la red, menor ser la parte sin servicio en caso de una
reparacin, pero ms costoso el proyecto. En poblaciones concentradas
deben proveerse de una vlvula de ingreso a la red y en los puntos
donde exista un ramal de derivacin importante.
a) Redes abiertasb) Redes cerradas
4.4.2 Vlvulas de purga de lodos
Las vlvulas de purga de lodos se ubicaran en los puntos de cotas
ms bajas de la red de distribucin, en donde se pudieran acumular
sedimentos, se debern considerar sistemas de purga.
4.4.3 Vlvulas reductoras de presin
Las vlvulas reductoras de presin reducen automticamente la
presin aguas abajo de las mismas, hasta un valor prefijado.
4.4.4 Cmara de vlvulas
Todas las vlvulas debern contar con cmara de vlvulas para fines
de proteccin, operacin y mantenimiento. Las dimensiones de la cmara
debern permitir la operacin de herramientas y otros dispositivos
alojados dentro de la misma.
4.4.5 Cmaras rompepresin
En la instalacin de una cmara rompe-presin debe preverse de un
flotador o regulador de nivel de aguas para el cierre automtico una
vez que se encuentre llena la cmara y para periodos de ausencia de
flujo.
4.4.6 Anclajes
Se instalaran anclajes de seguridad (hormign simple, ciclpeo,
etc.) en los siguientes casos:
En tuberas expuestas a la intemperie que requieran estar
apoyadas en soportes o adosadas a formaciones naturales de
roca.
En los cambios de direccin tanto horizontales como verticales de
tramos enterrados o expuestos, siempre que el clculo estructural lo
justifique.
En tuberas colocadas en pendiente mayores a 60 grados respecto a
la horizontal.
Los anclajes ms comunes son para curvas horizontales y
verticales, tees y terminaciones de tubera
4.4.7 Cmara distribuidora de caudales
La funcin de una caja divisora de flujo por gravedad, es dividir
el flujo en dos o ms partes, destinados a diferentes usos o
reservorios de almacenamiento.
La caja divisora de flujo podr emplearse en los siguientes
casos:
Cuando el proyecto considere ms de un reservorio de
almacenamiento, ya sea por grandes distancias, por diferencias de
nivel o diferentes comunidades.
Cuando existan diferentes usos del agua (consumo humano, riego,
pecuaria).
Las ventajas de la caja divisora de flujo son: uso racional y
equitativo del agua, disminucin de costos de aduccin y menor nmero
de cmaras rompepresin (cuando estas son requeridas.
Diseo de redes urbanas.
Diseo preliminar de la red de distribucin:
El propsito de realizar las tareas de planificacin del sistema
de abastecimiento es llevar a cabo un plan maestro para corregir
las deficiencias del sistema y prever el desarrollo futuro.
Normalmente las mejoras del sistema estn priorizadas y se
desarrolla un programa econmico o un calendario para acometer las
mejoras basado en los fondos disponibles.
A medida que los proyectos abandonan la etapa de planificacin
avanzada, comienza el proceso de diseo preliminar. Durante este
ltimo se tiene en cuenta las consideraciones de trazado de las
tuberas, conflicto de subsuelo y derecho de paso.
Trazado de tuberas:
Para el trazado de las tuberas, las consideraciones importantes
comprenden el derecho de paso, constructibilidad, acceso para
mantenimiento futuro y separacin de otras instalaciones.
Conflicto de Subsuelo:
Un elemento importante del desarrollo del trazado de las tuberas
es la evaluacin de conflictos del subsuelo. Para evaluarlo es
preciso que el diseador identifique el tipo, tamao y situacin
precisa de todas las dems instalaciones subterrneas a lo largo de
la alineacin de la tubera propuesta. Sistemas que pueden estar
instalados, tales como: electricidad, sanitario, telfono, gas,
drenaje pluvial, etc.
Derecho de Paso:
La seleccin final del trazado de la tubera y el inicio de su
construccin slo se realiza hasta despus de que se han adquirido los
derechos de paso correspondiente. Las lneas de agua y
alcantarillado sanitario estn situadas normalmente en las calles y
avenidas de uso pblico.
Ocasionalmente, es necesario obtener derechos de paso para el
cruce de tuberas por terrenos privados. S este es el caso, es muy
importante evaluar la magnitud de las instalaciones temporales que
se mantendrn durante la construccin, as tambin las instalaciones
permanentes que son tiles para el acceso futuro.
Diseo de la red
Generalidades
En el diseo de la red de distribucin de agua potable de una
ciudad, se debe considerar los siguientes aspectos
fundamentales:
El diseo se har para las condiciones ms desfavorables en la red,
con el fin de asegurar su correcto funcionamiento para el perodo de
diseo.
Debe servir el mayor porcentaje de la poblacin dentro de las
viviendas, en forma continua, de calidad aceptable y cantidad
suficiente.
La distribucin de los gastos, debe hacerse mediante hiptesis que
est acorde con el consumo real de la localidad durante el perodo de
diseo.
Las redes de distribucin deben dotarse de los accesorios y obras
de arte necesarias, con el fin de asegurar el correcto
funcionamiento, dentro de las normas establecidas y para facilitar
su mantenimiento.
El sistema principal de distribucin de agua puede ser de red
abierta, de malla cerrada o una combinacin de ambas y se
distribuirn las tuberas en la planimetra de la localidad, tratando
de abarcar el mayor nmero de viviendas mediante conexiones
domiciliares.
Parmetros de diseos:
Velocidad permisible:
Se permiten velocidades de flujos entre 0.60 m/s y 2 m/s en
zonas urbanas y entre 0.40 m/s y 2 m/s en zonas rurales.
Presiones mnimas y mximas:
La presin mnima en la red de distribucin en zonas urbanas es de
14 metros y 5 metros en zonas rurales. La presin esttica mxima ser
de 50 metros. Permitindose en puntos aislados, presiones estticas
hasta de 70 metros, cuando el rea de servicio sea de topografa muy
irregular.
Dimetro mnimo:
El dimetro mnimo de la tubera de la red de distribucin ser de 50
mm (2) siempre y cuando se demuestre que su capacidad sea
satisfactoria para atender la demanda mxima. En ramales abiertos en
extremos de la red, para atender pocos usuarios de reducida
capacidad econmica y en zonas donde razonablemente no se vaya a
producir un aumento de densidad de poblacin, podr usarse el dimetro
mnimo de 37.5 mm (1 ) en longitudes no mayor a los 100 metros.En
zonas rurales el dimetro mnimo es de 37.5 mm (1 ).
Cobertura sobre la tubera:
Para las tuberas colocadas en las calles con trnsito vehicular
se mantendr una cobertura mnima de 1.20 metros sobre la corona del
conducto en toda su longitud, y en calles peatonales est cobertura
mnima ser de 0.70 metros.
Resistencia de las tuberas y su material:
Las tuberas debern resistir las presiones internas estticas,
dinmicas de golpe de Ariete y las presiones externas de rellenos y
carga viva debido al trfico
Hidrulica de acueductos:
El anlisis hidrulico de la red y de las lneas de conduccin,
permitir dimensionar los conductos de las nuevas redes de
distribucin. As como tambin los conductos de los refuerzos de las
futuras expansiones de las redes existentes.
La seleccin del dimetro es tambin un problema de orden econmico,
ya que s los dimetros son grandes, elevar el costo de la red y las
bajas velocidades provocarn frecuentes problemas de depsitos y
sedimentacin, pero si es reducido puede dar origen a prdidas de
cargas elevadas, y altas velocidades.El anlisis hidrulico
presupone, tambin la familiaridad con los procesos de cmputos
hidrulicos. Los mtodos utilizados de anlisis son:
1. Seccionamiento
2. Mtodo de relajamiento o de pruebas y errores de Hardy Cross
(balance de las cargas por correcciones de los flujos supuestos y
el balanceo de los flujos por correcciones de las cargas
supuestas)
3. Mtodo de los tubos equivalentes
4. Anlisis mediante computadores.
Condicin de trabajo u operacin crtica de la red de
distribucin:
Sistema por gravedad:
El diseo de la red de distribucin se hace para tres condiciones
de operacin:
Consumo de mxima hora para el ao ltimo del perodo de diseo. En
esta condicin se asume una distribucin razonada de la demanda mxima
horaria en todos los tramos y circuitos de distribucin, pudiendo el
caudal demandado llegar bajo dos condiciones:
1. El 100% del caudal demandado llegar por medio de la lnea de
conduccin de la fuente o planta de tratamiento, siempre y cuando no
se contemple tanque de almacenamiento.
2. El caudal demandado llegar por dos puntos, la demanda mxima
horaria por la lnea de conduccin y el resto aportado por el tanque
de almacenamiento para completar la demanda mxima horaria.
Consumo coincidente: Ese caudal corresponde a la demanda mxima
diaria ms la demanda contra incendio en uno o varios puntos de la
red de distribucin.
Demanda cero. En esta condicin se analizan las mximas presiones
estticas en la red.
Distribucin por Bombeo:
En el diseo de un sistema de bombeo se tienen dos condiciones de
anlisis:
Sistema de bombeo contra el tanque de almacenamiento y del
tanque a la red de distribucin por gravedad.
Sistema de bombeo contra la red de distribucin, con el tanque de
almacenamiento dentro de la red o en el extremo de ella.
Procedimiento de diseo:
Determinacin del consumo:
La determinacin de los caudales de una localidad depende de: los
aos dentro del perodo de diseo, clase de poblacin, dotacin, las
prdidas en la red y de los factores que afectan el consumo.
Considerando lo anterior se podrn determinar el consumo promedio
diario, el consumo mximo horario y el consumo de mximo da, que se
utilizarn para el anlisis de la red de distribucin
Distribucin de las tuberas y determinacin del sistema de la
red:
Mediante el estudio de campo y del levantamiento topogrfico
correspondiente de la localidad, se dispondrn de los planos de
planta y altimtrico de la ciudad. Tambin de la ubicacin adecuada
del tanque de almacenamiento y de las posibles zonas de
expansin.
Del plan regulador de desarrollo urbano en el que se establecen
los usos actuales y futuros de la tierra, con sus densidades
poblacionales. S no existe un plan regulador de desarrollo urbano,
el diseador tiene que estimar la magnitud de la densidad de
poblacin a usarse para toda la ciudad.
Determinacin del sistema de mallas y de ramales abiertos:
Se recomienda tomar en cuenta lo siguiente:
Se distribuye las tuberas sobre el plano planimetrito de la
localidad tratando de que sirvan al mayor nmero posibles de
viviendas.
Sobre el trazado se selecciona las tuberas que conformarn las
mallas principales y los ramales abiertos, que sirvan de base para
los anlisis hidrulicos.
En caso de comunidades cuyo probable crecimiento futuro sea en
saturacin de densidad, las tuberas principales se trazan internas o
sea dejando en cada lado de las tuberas reas por servir.
S la localidad cuyo posible crecimiento sea en extensin, las
mallas principales deben ser externas o sea envolviendo la extensin
actual y dejando los lados exteriores para crecimiento futuro.
En caso de caractersticas no uniformes, podrn emplearse columnas
vertebrales de gran dimetro cerrando las mallas respectivas con
tuberas de menor dimetro
S la localidad se desarrolla longitudinalmente a lo largo de
alguna va, se podr usar un sistema de ramal abierto.
Distribucin de gasto o caudales concentrados:
Se recomienda los siguientes pasos:
Dividir la comunidad en reas tributarias a cada uno de los nodos
de las mallas principales, tomando en cuenta la densidad de la
poblacin actual y futura, como tambin la topografa y las
posibilidades de expansin.
Con los datos de: reas, densidades, dotaciones y factores de
variacin de consumo, determinar los caudales tributarios a cada
nodo de las mallas principales.
Para localidades pequeas y en localidades en las cuales se puede
estimar que su desarrollo futuro sea en base a densidades uniforme,
se podrn obtener los consumos concentrado en base al consumo por
unidad de longitud de las tuberas.
Evitar que las demandas concentradas se localicen en los nudos
de las mallas en distancias menores a los 200 metros o mayores a
300 metros.
Ejemplo:
Hacer el trazado de la red principal del sistema de
abastecimiento de agua potable en la urbanizacin mostrada, con un
total de 166 viviendas. El promedio de habitantes por vivienda es
seis. Ver figura 10.1
Solucin:
Para el trazado de la red principal se ubican los nodos de ser
posible entre 200 y 300 metros de separacin, a partir de punto de
acople o de la fuente. A la red principal es la nica que se le
realizar un anlisis hidrulico Se ubica el nodo 1 de esta red en el
punto de unin con la fuente ya sea superficial, subterrnea o se
conecta a una tubera principal. El punto de unin debe garantizar
una presin mnima suficiente para que dentro del rea de diseo se
cumpla con los requisitos mnimos que exigen las normas.
Al mismo tiempo tratando que los nodos le corresponda una
cantidad de habitantes aproximadamente igual.
En la figura 10.2 se muestra una propuesta de trazado de red
principal:
El nodo 1 es el punto de acople, los nodos 2, 5, 7, 8 y 13 se
pueden considerar sin consumo (no se le tributar rea por lo que no
tendrn caudal concentrado), nicamente para dibujar la red principal
de distribucin. Para el resto de la red de distribucin de agua
potable (red secundaria) las normas de INAA recomiendan rellenar
con dimetro de 50 mm (2) y 75 mm (3). Adems se recomienda que la
red principal (mayores dimetros) se ubique en la zona externa de la
urbanizacin.
Como es una urbanizacin relativamente pequea los nodos tal vez
no cumplen con el mnimo de 200 metros de separacin. Las distancias
entre cada nodo se muestran en la tabla 10.1
Tabla 10.1
Tramo
Distancia (m)
1 2
35.8
2 3
25.4
3 4
135.3
3 8
168.1
4 5
168.5
5 6
77.6
6 7
38.8
6 15
134.8
7 8
80.0
7 11
159.1
8 9
39.5
9 10
75.7
Clculo de tuberas en sistemas de redes:
Una vez que se ha realizado el trazado ptimo de las tuberas en
planos topogrficos se realiza el diseo de los elementos hidrulicos
del sistema
El clculo de los elementos hidrulicos para tuberas en mallas se
realiza utilizando procesos iterativos de prueba y error. Esto se
realiza basado en los siguientes principios:
Principio 1: La suma total de caudales llegando y saliendo de un
nodo es cero, es decir el caudal entrante es igual al caudal
saliente. Por tanto en la figura adjunta se tiene:
QAB = QBCE + QBDE QAB + QBCE + QBDE = 0
QBCE + QBDE = QEF QBCE + QBDE + QEF = 0
Principio 2. La sumatoria de las prdidas entre dos nodos es la
misma para cada conjunto de tuberas que unen a los dos nodos.
Siguiendo la figura 10.4:
HBCE = HBDE HBCE + HBDE = 0
Estas ecuaciones pueden extrapolarse a cualquier sistema de
mallas.
Debido a que la sumatoria de las prdidas es igual a cero, el
caudal que fluye por cada tubera debe ser tal que este principio se
cumpla. La solucin a este problema se puede hacer por dos
mtodos:
Mtodo 1: Asumir los caudales de todos los ramales entre dos
nodos y calcular las prdidas. Si las sumatoria de las prdidas entre
los dos nodos no es igual para cada ramal, ajustar los caudales y
repetir la operacin hasta que la sumatoria de las prdidas sea igual
para todos los ramales.
Mtodo 2: Asumir las prdidas entre dos nodos y calcular los
caudales para cada ramal. Si la sumatoria de caudales en cada nodo
no es igual a cero, ajustar las prdidas y repetir la operacin hasta
que la sumatorias de los caudales sea igual a cero para cada
nodo.
1. Mtodo de Hardy Cross
El proceso anterior consumo mucho tiempo ya que hay que hacer
varias estimaciones de las prdidas hasta lograr alcanzar la
solucin; sin embargo, hay mtodos de aproximacin sucesivas que
permiten alcanzar la solucin de forma ms rpida. Uno de esos mtodos
es el Hardy Cross.
El mtodo se basa en los principios enunciados anteriormente y
que son: la sumatoria de caudales en un nodo debe ser igual a cero
y la sumatoria de prdidas en un circuito cerrado debe ser igual a
cero.
El mtodo consiste en lo siguiente:
Paso 1. Estimar el caudal para cada tubera de la red cumpliendo
con el principio de la sumatoria de caudales por nudo igual a cero.
Si el flujo ve en la direccin de las manecillas del reloj se toma
como positivo, si va contra las manecillas del reloj se toma como
negativo.
Paso 2. Con el caudal, la longitud de tuberas, el dimetro y la
rugosidad para cada tubera, se determina las perdidas H para cada
tubo. En cada circuito o malla Si el flujo ve en la direccin de las
manecillas del reloj se toma la perdida como positivo, si va contra
las manecillas del reloj se toma como negativo.
Paso 3. Determinar la suma algebraica de las perdidas en cada
circuito. Si la sumatoria da cero o prximo a cero, los caudales
asumidos fueron correctos. En caso que no sea cero hacer un
ajuste.
Paso 4. Se calcula un factor de correccin de flujo (Q) para cada
circuito usando la siguiente ecuacin
Q= -H / [n(H/Q)
Donde
Q = Factor de correccin para cada circuito
El resultado del anlisis hidrulico de la red principal con
EPANET se muestra en la figura 10.9.
Diseo de redes hidrulicas en edificios y casas habitacin.
Las instalaciones hidrulicas y sanitarias en casas-habitacin y
edificios se pueden identificar tambin con los trabajos que se
conocen, en forma popular, como de plomera y se define como El arte
de las instalaciones en edificios, las tuberas, accesorios, y otros
aparatos para llevar el suministro de agua y para retirar las aguas
con desperdicios y los desechos que lleva el agua (Enrquez
Harper).
A partir de esta definicin, se establecer lo que es un sistema
de plomera y se dice que un sistema de plomera incluye: los tubos
de distribucin del suministro de agua, los accesorios y trampas de
los accesorios, el sello los desperdicios y tubos de ventilacin, el
drenaje de un edificio o casa, el drenaje para aguas de lluvia;
todo esto con sus dispositivos y conexiones dentro de la casa o
edifico y con el exterior.
La instalacin hidrulica es un conjunto de tuberas y conexiones
de diferentes dimetros y diferentes materiales; para alimentar y
distribuir agua dentro de la construccin, esta instalacin surtir de
agua a todos los puntos y lugares de la obra arquitectnica que lo
requiera, de manera que este lquido llegue en cantidad y presin
adecuada a todas las zonas hmedas de esta estalacin tambin constara
de muebles y equipos.
1.3 SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO
El sistema de suministro de agua potable es un procedimiento de
obras, de ingeniera que con un conjunto fuentes de abastecimiento,
captaciones, estructuras de almacenamiento y regularizacin, tuberas
y tomas domiciliarias, se suministra el agua potable de las fuentes
hasta los hogares y edificios de una ciudad, municipio o rea rural
comparativamente concentrada.
Podemos obtener agua potable de varias formas o sistemas, esto
depende de la fuente de abastecimiento, como son:
A).- Agua de lluvia almacenada en aljibes. Depsito destinado a
guardar agua potable, procedente del agua de lluvia, que se recoge
mediante canalizaciones, por ejemplo, de los tejados de las casas.
Normalmente se construye subterrneo, total o parcialmente. Suele
estar construido con ladrillos unidos con argamasa. Las paredes
internas suelen estar recubiertas de una mezcla de cal, arena, xido
de hierro, arcilla roja y resina de lentisco, para impedir
filtraciones y la putrefaccin del agua que contiene.
B).- Agua proveniente de manantiales naturales. Es una fuente
natural de agua que brota de la tierra o en las rocas), donde el
agua subterrnea aflora a la superficie.
C).- Agua subterrnea. Captada a travs de pozos o galeras
filtrantes.
D).- Agua superficial. Proveniente de ros, arroyos, embalses o
lagos naturales.
E).- Agua de mar. Segn el origen del agua, para transformarla en
agua potable, Deber ser sometida a tratamientos, que van desde la
simple desinfeccin a la desalinizacin.
1.4 SISTEMAS DE ABASTO DE EDIFICIOS
Los sistemas que se utilizan para abastecer a un edificio, se
pueden clasificar de la siguiente forma:
Sistemas de abastecimiento directo
Sistemas de abastecimiento por gravedad
Sistemas de abastecimiento combinado
Sistemas de abastecimiento por presin
CLASIFICACIN DEL SISTEMA DE ABASTECIMIENTO; MUEBLES
SANITARIOS.
En ste captulo se pretende que se conozca las principales
especificaciones de algunos muebles hidrulicos y sanitarios
(figuras 2.1), vlvulas de control, equipos de bombeo y accesorios,
de tal forma que permita posteriormente cuantificar la cantidad de
agua que requieren para su adecuado funcionamiento hidrulico.
DOTACIONES DE AGUA EN EDIFICACIONES
De conformidad a lo anterior, se ha establecido una serie de
valores para determinar la dotacin de agua que se debe abastecer a
las edificaciones, lo cual es lgico que variar en funcin del uso
que se le de, siendo los valores ms comnmente usados los
siguientes:
Tabla 2.4
DISEO DE REDES DE RIEGO AGRICOLAS.
INTRODUCCIN
El uso ptimo y sostenible de los cada vez ms limitados recursos
hdricos disponibles para el regado requiere que las instalaciones
de riego, tanto al nivel de parcela como de red general de
distribucin, permitan gestionar el agua de riego con las
estrategias de manejo ms adecuadas a cada situacin. Este aspecto,
al que en ocasiones no se le ha dado suficiente importancia resulta
hoy absolutamente imprescindible si se quieren rentabilizar las
inversiones necesarias en infraestructuras, estando adems
condicionado por los cultivos que se adopten en la zona regable, as
como por la evolucin de las polticas y mercados agrcolas.
Actualmente se tiende a dimensionar las redes colectivas de
riego para su funcionamiento a la demanda, al menos fuera del
periodo punta (julio, agosto). Con un nivel de automatizacin no muy
elevado se puede realizar la apertura y cierre de las vlvulas de
cada uno de los sectores o subunidades de riego desde un ordenador
central, o desde unidades autnomas de campo que controlan las
vlvulas hidrulicas de un mismo propietario o de una agrupacin.
Esta forma de riego permite la libre disponibilidad del agua por
el agricultor en condiciones de presin y caudal adecuadas, y
contribuye a conseguir un uso ms eficiente de la misma. As, cada
agricultor puede programar sus riegos de acuerdo con las
necesidades concretas de sus cultivos, segn el estado fenolgico en
que se encuentren, y de la tecnologa disponible.
A pesar de las claras ventajas del riego a la demanda, el
dimensionamiento de la instalacin para que sea capaz de cubrir las
necesidades de riego en periodo punta puede encarecer el coste de
la instalacin. Por eso muchas veces se plantean variantes que
conducen a un riego a turnos (o demanda restringida) durante los
meses punta de consumo de agua (normalmente julio y agosto), y
riego a la demanda en el resto de la campaa. Un hecho que puede
justificar ese tipo de decisiones es que los encargados de la
vigilancia y mantenimiento de las instalaciones son normalmente
capaces de llevar este control del riego con toda facilidad,
atendiendo las demandas de los agricultores bajo condicionantes
tales como:
1. No superar una superficie mxima regada en el conjunto de la
red.
2. Evitar la concentracin de la superficie a regar en un momento
dado, estableciendo, por ejemplo, una superficie mxima por grandes
sectores estratgicamente distribuidos en el conjunto de la red de
riego. De esta forma se conseguira una distribucin ms uniforme de
los caudales en toda la red.
El clculo de los caudales de diseo por lnea asociados a una
determinada garanta de suministro (o calidad de funcionamiento) en
una red colectiva de riego a la demanda puede considerarse que
tiene dos fases: por una parte el clculo de la dotacin de las tomas
y por otra el propio clculo de los caudales por lnea.
Con este trabajo se pretende estructurar una metodologa que
permita una correcta seleccin de las dotaciones de la tomas y la
cuantificacin de los caudales de diseo por lnea, como base para el
dimensionamiento y anlisis de las redes colectivas de riego a la
demanda.
DETERMINACIN DE LA DOTACIN DE LAS TOMAS
El primer paso en todos los casos es calcular el caudal ficticio
continuo (q) de la alternativa de cultivos adoptada para la zona
regable. ste es el caudal que habra que derivar de forma continua y
permanente para satisfacer las necesidades brutas de la alternativa
de cultivos (ya sean mximas o con un cierto dficit hdrico
justificado econmicamente) durante el periodo punta. Su clculo se
realizar, pues, como:
q = Nr
10.000
= 0.116 Nr
(1)
(24
3.600 )
dnde: q = caudal ficticio continuo (1 s -1 ha-1); Nr =
necesidades brutas de riego de la alternativa de cultivo en periodo
punta (1 m-2 da-1); 10000(m2/ha); 24 (h/da) y 3600 (s/h).
En realidad, las instalaciones de riego colectivo slo van a
estar funcionando un cierto nmero de horas al da (normalmente 16 a
18 h), que es lo que se denomina jornada efectiva de riego
(JER).
Llamamos rendimiento de la red a r= JER/24. El caudal ficticio
continuo que consideraremos en adelante ser pues
qr = q/r
Adems de esto, debe tenerse en cuenta los das libres de riego
(dl) durante el intervalo entre riegos (Ir ). stos no suelen ser ms
de uno de cada siete ya que, adems de lo que supone de
encarecimiento de la instalacin, fuera del periodo punta sobraran
das en los que no es necesario regar al ser menores las necesidades
hdricas de los cultivos.
El mtodo de riego a utilizar en la parcela condiciona el caudal
que es preciso derivar a sta para su correcto funcionamiento. Un
aspecto importante en este sentido es que todas las parcelas deben
dividirse en un nmero entero de sectores o subunidades de riego
(Ns) en funcin de su tamao. Otro aspecto a considerar es que la
duracin del riego de cada subunidad (tr) debe ser similar para una
adecuada planificacin y diseo de las instalaciones. Despus, durante
el manejo de las instalaciones, evidentemente en un riego a la
demanda, cada agricultor puede variar su tiempo de riego (dosis
aplicada), pero siempre dentro de la JER.
Siguiendo a Monserrat et al. (1997), el caudal de suministro o
dotacin de agua a la parcela (d) puede calcularse fcilmente con slo
establecer la igualdad entre el volumen de suministro y el volumen
de necesidades, resultando:
d tr Ns = qr JER Ir S
(2)
Y por tanto:
d = qr JERIr S = qr GL S
(3)
tr Ns
GL =
d
(4)
qr S
GL =
JER Ir
(5)
tr Ns
donde: d = dotacin (1/s); JER = jornada efectiva de riego
(h/da); qr = caudal ficticio continuo durante la JER (1 s-1 ha-1);
Ir= intervalo entre riegos (da); tr = tiempo de riego de un sector
o subunidad de riego en una parcela (h); Ns = nmero de subunidades
de riego por parcela; S = superficie de la parcela (ha); y GL =
grado de libertad asignado a la parcela.
La ecuacin (4) pone de manifiesto que el GL representa la
relacin entre el caudal real derivado a la parcela y el que debera
derivarse de formar permanente y continua durante la JER. Es, pues,
un indicador del exceso de caudal aportado a la parcela para
reducir su tiempo de riego. sta es precisamente la razn por la cual
suele darse un GL mayor cuanto menor es el tamao de la parcela. As,
Granados (1990) y otros autores consideran que el GL debe variar
entre 1,5 y 6 segn sea el tamao de la parcela. Como veremos en los
ejemplos que vamos a desarrollar ms adelante, estos valores pueden
ser absolutamente insuficientes en muchos casos y conducir a
errores importantes cuando se utilizan procedimientos que fijan de
antemano estos GL para calcular la dotacin.
En realidad, la dotacin (d) no depende de la JER ya que de (3)
se tendr:
d =
q
JER Ir
S = q
24 Ir
S
JER
tr N s
tr N s
Pero se ha preferido mantener qr en todo el planteamiento para
destacar que el manejo del riego est siempre ligado a la JER. Tanto
es as que el GL lo hemos referido a la JER y no a 24 h, como en los
planteamientos clsicos, por entender que de esta manera est ms
adaptado a las condiciones de funcionamiento de la red.
Normalmente, lo que se ha venido haciendo hasta la utilizacin de
vlvulas hidrulicas que incorporan pilotos limitadores de caudal con
posibilidades de regulacin continua, era establecer unos intervalos
de superficie a los cuales se asignaba el mismo limitador de
caudal, es decir la misma dotacin (d). De la frmula (4) se deduce
que si d es constante, en realidad lo que estamos haciendo es
asignar diferentes GL a cada superficie de parcela dentro del mismo
intervalo. Como veremos en el ejemplo, esto dar lugar a manejar GL
muy altos (> 15) en muchos casos. De la ecuacin (5) se deduce
que si el GL es variable, tambin debe serlo el tiempo de riego por
sector o subunidad de riego en una parcela (tr), ya que dentro del
intervalo de superficies no suele variar Ns, ni por supuesto, JER
ni Ir. Todo esto conduce a que nicamente cuan-do somos capaces de
regular de forma continua la dotacin por parcela, podemos mantener
constante el GL y el tr dentro de un mismo intervalo de
superficies.
Para zonas de riego por aspersin resulta muy interesante
expresar la ecuacin (3) en funcin de la pluviosidad media del
sistema Pms (l m-2 h-1), de la superficie de la parcela S (ha) y
del nmero de subunidades Ns, dando lugar a la siguientes
expresiones de la dotacin d (l/s):
d = 2.778
P
S
(6)
N s
ms
el tiempo de riego de la subunidad:
tr = Nr
I
r
(7)
P
ms
el tiempo de riego de la parcela (tp):
t p = tr Ns
(8)
y el grado de libertad:
GL =
JER Pms
(9)
Nr Ns
Si se elige una Pms constante para todas las parcelas, aunque
dentro de la zona regable se utilicen distintos marcos de riego
segn las preferencias del agricultor, la dotacin de cada una de
ellas es funcin de su superficie y del nmero de subunidades de la
misma segn se deduce de la ecuacin (6). En la Figura 1 se
representa grficamente esta variacin para una Pms = 6 mm/h.
Conocido tr puede calcularse el nmero mximo de sectores o
subunidades de riego que pueden regarse dentro del nmero de das
disponibles para regar de la siguiente manera:
Ns max =[(JER / tr )entero (Ir dl )entero
(10)
dnde: Ns max = nmero mximo de subunidades que pueden regarse
dentro del intervalo entre riegos (entero); dl = das libres de
riego dentro del intervalo entre riegos Ir; y del resto de factores
ya se ha indicado su significado. El cociente (JER/tr) representa
el nmero de posiciones de riego al da, por lo que tiene que ser un
nmero entero. La diferencia (Ir - dl) puede ser un nmero entero o
una fraccin del nmero de posiciones de riego al da. As, si se hacen
3 posiciones de riego al dia y el intervalo entre riegos es Ir = 5
das, la diferencia (Ir dl) puede ser 4 1/3, es decir el quinto da
slo se hace una posicin de riego (por ejemplo la nocturna) y se
dejan libres dl = 2/3 de da.
El nmero de sectores o subunidades de riego en una parcela debe
fijarse teniendo en cuenta:
3. Que el tamao del sector, que coincidiendo con lo que indican
Monserrat et al. (1997) depende del mtodo de riego empleado, no
supere un cierto lmite, y resulte, a ser posible, semejante en toda
la zona regable.
4. Cuanto mayor sea el nivel de automatizacin utiliza-do, menor
puede ser el tamao del sector. En este sentido caben bsicamente dos
opciones: automatizacin conjunta de toda la zona regable o
automatizacin individual de cada propietario o grupo de
propietarios, con pequeos programadores de campo (alimentados por
pilas, bateras o incluso pequeos generadores solares) que realizan
la apertura y cierre de las vlvulas hidrulicas que controlan las
distintas subunidades de riego.
La seleccin del nmero de sectores o subunidades de riego por
parcela debe hacerse fundamentalmente en funcin del tamao de las
parcelas, tratando de minimizar el coste de inversin y
funcionamiento (presin) de la subunidad resultante, segn el sistema
de riego empleado y del tipo de parcelacin existente en la zona
regable.
Para la seleccin del nmero de subunidades por parcela se pueden
seguir diferentes criterios. A ttulo de ejemplo se plantean los
tres siguientes:
a. Fijar unos intervalos de superficie segn el tipo de
parcelacin existente en la zona regable, mantenien-do constante la
Pms y el tr . En la Figura 2 se represen-tan los resultados que se
obtendran para el caso de los intervalos de superficie de la Tabla
1, imponiendo la condicin de no superar la dotacin de 30 1/s y
man-tener el mismo nmero de subunidades dentro de cada intervalo
para que conserven a su vez el mismo GL. En la segunda columna de
la Tabla 1 se muestra el nmero de subunidades por parcela
resultante en este caso (opcin a.1). Si se utilizara distinto Ns
dentro del mismo intervalo de superficie, estaramos en realidad
subdividiendo ese intervalo en otros segn se recoge en la tercera
columna de la Tabla 1 (opcin a.2), con una dotacin media dentro del
subintervalo mayor, y con distinto GL (Figura 2, l-nea
discontinua).
b. Hacer que la dotacin se mantenga dentro de un lmite superior
y otro inferior, obtenindose los interva los de superficie y los Ns
correspondientes a cada intervalo. Esta opcin puede resultar muy
interesante para poder utilizar la misma vlvula hidrulica con
piloto limitador de caudal en toda la zona regable (Fi gura 3).
c. Considerar la misma dotacin media en todos los intervalos de
superficie. En la Figura 4 se representa el caso de fijar una
dotacin media de 15 1/s (para utilizar vlvula de 3" en la mayor
parte de las tomas).
Superficie (ha)
NS (opcin a.l)
NS (opcin a.2)
S