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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA

UNIDAD X RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA POTABLE 10.1 Generalidades: La red de abastecimiento de agua potable es un sistema de obras de ingeniería, concatenadas que permiten llevar hasta la vivienda el agua potable. La red de distribución se inicia en el tanque de agua y termina en la vivienda del usuario del sistema. Consta de estaciones de bombeo, tuberías principales, secundarias y terciarias. Para el diseño hidráulico de una red de distribución, el diseñador se enfrenta a una serie de retos, tales como: El tamaño de la tubería para transportar el caudal de diseño, la presión interna que debe resistir cada tramo de tubería, los elementos que debe de llevar la red (bombas, tanques de almacenamientos, etc.) El diseñador tiene dos alternativas para enfrentar estos retos. La primera es empírica y consiste en construir el sistema con una serie de tuberías, según las mejores hipótesis de diseño y conocer el rendimiento del sistema a medida que se avanza. Posteriormente sí el sistema construido no funciona adecuadamente, se deben de realizar ajustes sucesivos hasta obtener una solución satisfactoria. Un gran número de sistemas de tuberías 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 mecánica de fluidos. La otra alternativa utiliza los modelos hidráulicos en vez de construir y experimentar con el sistema de tuberías real. Este modelo puede adoptar muchas formas: desde una versión a escala del original a un conjunto de ecuaciones matemáticas. Actualmente los sistemas de abastecimiento de agua se modelizan antes de construirlos lo cual se ha facilitado con el acceso a las computadoras personales de alta velocidad. Existen un gran número de ventajas al modelizar un sistema tuberías para el abastecimiento de agua potable, entre estas están: • • • •

Menor costo de experimentar en un modelo que en un prototipo. Ahorro de tiempo, el experimentar en un modelo se alcanzan repuestas más rápidas que en un prototipo. Mayor seguridad, al experimentar sobre un sistema real puede se arriesgado o peligroso, en un modelo no se corre ningún riegos. Facilidad de modificación, se tiene mayor libertad de incorporar modificaciones en el diseño o las normas de operación en un modelo

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA •

Los modelos facilitan comunicación entre individuos o grupos, identificando acuerdo o desacuerdos.

10.2 Funciones de la red de distribución: El sistema de distribución 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. 10.3 Información necesaria para el diseño de la red de distribución: • • • •

• •

Plan regulador del desarrollo urbano, sí es que existe, en el que se establecen los usos actuales y futuros de la tierra con sus densidades de población Planos topográficos de la ciudad, con sus calles existentes y futuras (desarrollos futuros urbanísticos), perfiles de las calles y las características topográficas de la localidad (relieve del terreno) Servicios públicos existentes o proyectados, tales como:     

Alcantarillado sanitario Alcantarillado pluvial Servicio de energía eléctrica Servicio de comunicaciones Acondicionamiento de las calles (sin recubrir, con adoquines, asfalto, etc.)

Estado actual de la red existente (diámetro, clase de tubería, edad de la mismas); ubicación del tanque existente con su cota de fondo y demasía, determinación de los puntos de entrada del agua en la red desde la fuente y desde el tanque, etc. Ubicación de la fuente de abastecimiento que se usará en el período de diseño, así como la ubicación del futuro tanque de almacenamiento, identificándose en consecuencia los probables puntos de entrada del agua a la red de distribución. Determinación del sistema existente en cuanto a la oferta, demanda, presiones residuales y distribución de agua. Determinación de las presiones necesarias en los distintos puntos de la red de distribución. Este requisito en combinación con el relieve del terreno conducirá en algunos casos a dividir el área para servir en más de una red de distribución.

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA 10.4 Diseño preliminar de la red de distribución: El propósito de realizar las tareas de planificación 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 están priorizadas y se desarrolla un programa económico o un calendario para acometer las mejoras basado en los fondos disponibles. A medida que los proyectos abandonan la etapa de planificación avanzada, comienza el proceso de diseño preliminar. Durante este último se tiene en cuenta las consideraciones de trazado de las tuberías, conflicto de subsuelo y derecho de paso. 10.4.1 Trazado de tuberías: Para el trazado de las tuberías, las consideraciones importantes comprenden el derecho de paso, constructibilidad, acceso para mantenimiento futuro y separación de otras instalaciones. 10.4.2 Conflicto de Subsuelo: Un elemento importante del desarrollo del trazado de las tuberías es la evaluación de conflictos del subsuelo. Para evaluarlo es preciso que el diseñador identifique el tipo, tamaño y situación precisa de todas las demás instalaciones subterráneas a lo largo de la alineación de la tubería propuesta. Sistemas que pueden estar instalados, tales como: electricidad, sanitario, teléfono, gas, drenaje pluvial, etc. 10.4.3 Derecho de Paso: La selección final del trazado de la tubería y el inicio de su construcción sólo se realiza hasta después de que se han adquirido los derechos de paso correspondiente. Las líneas de agua y alcantarillado sanitario están situadas normalmente en las calles y avenidas de uso público. Ocasionalmente, es necesario obtener derechos de paso para el cruce de tuberías por terrenos privados. Sí este es el caso, es muy importante evaluar la magnitud de las instalaciones temporales que se mantendrán durante la construcción, así también las instalaciones permanentes que son útiles para el acceso futuro. 10.5 Diseño de la red: 10.5.1 Generalidades: En el diseño de la red de distribución de agua potable de una ciudad, se debe considerar los siguientes aspectos fundamentales:

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El diseño se hará para las condiciones más desfavorables en la red, con el fin de asegurar su correcto funcionamiento para el período de diseño. Debe servir el mayor porcentaje de la población dentro de las viviendas, en forma continua, de calidad aceptable y cantidad suficiente. La distribución de los gastos, debe hacerse mediante hipótesis que esté acorde con el consumo real de la localidad durante el período de diseño. Las redes de distribución 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 distribución de agua puede ser de red abierta, de malla cerrada o una combinación de ambas y se distribuirán las tuberías en la planimetría de la localidad, tratando de abarcar el mayor número de viviendas mediante conexiones domiciliares.

10.5.2 Parámetros de diseños: 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 mínimas y máximas: La presión mínima en la red de distribución en zonas urbanas es de 14 metros y 5 metros en zonas rurales. La presión estática máxima será de 50 metros. Permitiéndose en puntos aislados, presiones estáticas hasta de 70 metros, cuando el área de servicio sea de topografía muy irregular. Diámetro mínimo: El diámetro mínimo de la tubería de la red de distribución será de 50 mm (2”) siempre y cuando se demuestre que su capacidad sea satisfactoria para atender la demanda máxima. En ramales abiertos en extremos de la red, para atender pocos usuarios de reducida capacidad económica y en zonas donde razonablemente no se vaya a producir un aumento de densidad de población, podrá usarse el diámetro mínimo de 37.5 mm (1 ½ “) en longitudes no mayor a los 100 metros. En zonas rurales el diámetro mínimo es de 37.5 mm (1 ½ “). Cobertura sobre la tubería: Para las tuberías colocadas en las calles con tránsito vehicular se mantendrá una cobertura mínima de 1.20 metros sobre la corona del conducto en toda su longitud, y en calles peatonales está cobertura mínima será de 0.70 metros.

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA Resistencia de las tuberías y su material: Las tuberías deberán resistir las presiones internas estáticas, dinámicas de golpe de Ariete y las presiones externas de rellenos y carga viva debido al tráfico. Se debe de calcular la sobre presión por golpe de ariete se calculará con la teoría de Joukowski (ver unidad de Línea de Conducción), u otra similar, como también por fórmulas y nomogramas recomendados por los fabricantes. 10.6 Hidráulica de acueductos: El análisis hidráulico de la red y de las líneas de conducción, permitirá dimensionar los conductos de las nuevas redes de distribución. Así como también los conductos de los refuerzos de las futuras expansiones de las redes existentes. La selección del diámetro es también un problema de orden económico, ya que sí los diámetros son grandes, elevará el costo de la red y las bajas velocidades provocarán frecuentes problemas de depósitos y sedimentación, pero si es reducido puede dar origen a pérdidas de cargas elevadas, y altas velocidades. El análisis hidráulico presupone, también la familiaridad con los procesos de cómputos hidráulicos. Los métodos utilizados de análisis son: 1. Seccionamiento 2. Método 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. Método de los tubos equivalentes 4. Análisis mediante computadores. Para el análisis de una red deben de considerarse los aspectos de la red abierta y el de las mallas cerradas. En el caso de red abierta puede usarse el método del gradiente piezométrico y caudal, usando la fórmula de Hazen-Williams u otras similares. H/L = S = 10.549 * Q1.85 C1.85 * d4.87

Donde: Q = Caudal en GPM (m3/s) d = Diámetro en pulgadas (metros) L = Longitud en metros (metros) S = Pérdida de carga (m/m) 149


RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA 10.7 Condición de trabajo u operación crítica de la red de distribución: 10.7.1 Sistema por gravedad: El diseño de la red de distribución se hace para tres condiciones de operación: •

Consumo de máxima hora para el año último del período de diseño. En esta condición se asume una distribución razonada de la demanda máxima horaria en todos los tramos y circuitos de distribución, pudiendo el caudal demandado llegar bajo dos condiciones: 1. El 100% del caudal demandado llegará por medio de la línea de conducción de la fuente o planta de tratamiento, siempre y cuando no se contemple tanque de almacenamiento. 2. El caudal demandado llegará por dos puntos, la demanda máxima horaria por la línea de conducción y el resto aportado por el tanque de almacenamiento para completar la demanda máxima horaria.

Consumo coincidente: Ese caudal corresponde a la demanda máxima diaria más la demanda contra incendio en uno o varios puntos de la red de distribución.

Demanda cero. En esta condición se analizan las máximas presiones estáticas en la red.

10.7.2 Distribución por Bombeo: En el diseño de un sistema de bombeo se tienen dos condiciones de análisis: •

Sistema de bombeo contra el tanque de almacenamiento y del tanque a la red de distribución por gravedad.

Sistema de bombeo contra la red de distribución, con el tanque de almacenamiento dentro de la red o en el extremo de ella.

10.8 Procedimiento de diseño: 10.8.1 Determinación del consumo: La determinación de los caudales de una localidad depende de: los años dentro del período de diseño, clase de población, dotación, las pérdidas en la red y de los factores que afectan el consumo. Considerando lo anterior se podrán determinar el consumo promedio diario, el consumo máximo horario y el consumo de máximo día, que se utilizarán para el análisis de la red de distribución

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA 10.8.2 Distribución de las tuberías y determinación del sistema de la red: Mediante el estudio de campo y del levantamiento topográfico correspondiente de la localidad, se dispondrán de los planos de planta y altimétrico de la ciudad. También de la ubicación adecuada del tanque de almacenamiento y de las posibles zonas de expansión. Del plan regulador de desarrollo urbano en el que se establecen los usos actuales y futuros de la tierra, con sus densidades poblacionales. Sí no existe un plan regulador de desarrollo urbano, el diseñador tiene que estimar la magnitud de la densidad de población a usarse para toda la ciudad. 10.8.3 Determinación del sistema de mallas y de ramales abiertos: Se recomienda tomar en cuenta lo siguiente: • • • • • •

Se distribuye las tuberías sobre el plano planimetrito de la localidad tratando de que sirvan al mayor número posibles de viviendas. Sobre el trazado se selecciona las tuberías que conformarán las mallas principales y los ramales abiertos, que sirvan de base para los análisis hidráulicos. En caso de comunidades cuyo probable crecimiento futuro sea en saturación de densidad, las tuberías principales se trazan internas o sea dejando en cada lado de las tuberías áreas por servir. Sí la localidad cuyo posible crecimiento sea en extensión, las mallas principales deben ser externas o sea envolviendo la extensión actual y dejando los lados exteriores para crecimiento futuro. En caso de características no uniformes, podrán emplearse columnas vertebrales de gran diámetro cerrando las mallas respectivas con tuberías de menor diámetro Sí la localidad se desarrolla longitudinalmente a lo largo de alguna vía, se podrá usar un sistema de ramal abierto.

10.8.4 Distribución de gasto o caudales concentrados: Se recomienda los siguientes pasos: • • •

Dividir la comunidad en áreas tributarias a cada uno de los nodos de las mallas principales, tomando en cuenta la densidad de la población actual y futura, como también la topografía y las posibilidades de expansión. Con los datos de: áreas, densidades, dotaciones y factores de variación de consumo, determinar los caudales tributarios a cada nodo de las mallas principales. Para localidades pequeñas y en localidades en las cuales se puede estimar que su desarrollo futuro sea en base a densidades uniforme, se podrán

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obtener los consumos concentrado en base al consumo por unidad de longitud de las tuberías. 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 10.1: Hacer el trazado de la red principal del sistema de abastecimiento de agua potable en la urbanización mostrada, con un total de 166 viviendas. El promedio de habitantes por vivienda es seis. Ver figura 10.1 Fig. 10.1

Solución: Para el trazado de la red principal se ubican los nodos de ser posible entre 200 y 300 metros de separación, a partir de punto de acople o de la fuente. A la red principal es la única que se le realizará un análisis hidráulico Se ubica el nodo 1 de esta red en el punto de unión con la fuente ya sea superficial, subterránea o se conecta a una tubería principal. El punto de unión debe garantizar una presión mínima suficiente para que dentro del área de diseño se cumpla con los requisitos mínimos 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 tributará área por lo que no tendrán caudal concentrado), únicamente para dibujar la red principal de distribución. Para el resto de la red de distribución de agua potable (red secundaria) las normas de INAA recomiendan rellenar con diámetro de 50 mm (2”) y 75 mm (3”). Además se recomienda que la red principal (mayores diámetros) se ubique en la zona externa de la urbanización. 152


RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA Como es una urbanización relativamente pequeña los nodos tal vez no cumplen con el mínimo de 200 metros de separación. Las distancias entre cada nodo se muestran en la tabla 10.1 Tramo 1–2 2–3 3–4 3–8 4–5 5–6 6–7 6 – 15 7–8 7 – 11 8–9 9 – 10 10 – 11 11 – 12 12 – 13 12 – 15 13 – 14 14 – 15

Tabla 10.1 Distancia (m) 35.8 25.4 135.3 168.1 168.5 77.6 38.8 134.8 80.0 159.1 39.5 75.7 149.4 177.3 59.3 167.4 108.9 195.0

Figura 10.2

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA 10.8.5 Cálculo de tuberías en sistemas de redes: Una vez que se ha realizado el trazado óptimo de las tuberías en planos topográficos se realiza el diseño de los elementos hidráulicos del sistema El cálculo de los elementos hidráulicos para tuberías 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 ó QAB + QBCE + QBDE = 0 QBCE + QBDE = QEF ó QBCE + QBDE + QEF = 0 Principio 2. La sumatoria de las pérdidas entre dos nodos es la misma para cada conjunto de tuberías que unen a los dos nodos. Siguiendo la figura 10.4: HBCE = HBDE ó HBCE + HBDE = 0

Fig. 10.3

Estas ecuaciones pueden extrapolarse a cualquier sistema de mallas. Debido a que la sumatoria de las pérdidas es igual a cero, el caudal que fluye por cada tubería debe ser tal que este principio se cumpla. La solución a este problema se puede hacer por dos métodos:

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA Método 1: Asumir los caudales de todos los ramales entre dos nodos y calcular las pérdidas. Si las sumatoria de las pérdidas entre los dos nodos no es igual para cada ramal, ajustar los caudales y repetir la operación hasta que la sumatoria de las pérdidas sea igual para todos los ramales. Método 2: Asumir las pérdidas 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 pérdidas y repetir la operación hasta que la sumatorias de los caudales sea igual a cero para cada nodo. Ejemplo 10.2: Calcular el flujo en las tuberías BCE y BDE para el sistema mostrado en el figura 10.4. Todas las tuberías son de concreto con C de Hazen Williams de 120. Fig. 10.4

Solución: Asumiendo que las pérdidas entre B y E es de 1.0 m o sea HBCE = HBDE = 1 m Para la tubería BCE D= 0.6 m C= 120 L = 2,340 m S= H/L = 1/2340 = 0.000427 Sustituyendo en la ecuación de Hazen William QBCE= 0.2788 C D 2.63 S 0.54 = 0.132 m3/s

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA Para la tubería BDE D= 0.4 m C= 120 L = 3,200 m S= H/L = 1/3200 = 0.0003125 Sustituyendo en la ecuación de Hazen William QBCE= 0.2788 C D 2.63 S 0.54 = 0.038 m3/s La sumatoria de los caudales QBCE y Q BDE debe ser igual al caudal QA QBCE+ Q BDE = 0.132 + 0.038 = 0.171 lo cual es diferente a Q A La asunción inicial de la pérdida de carga fue errónea y habría que asumir otra pérdida. Si hacemos varias asunciones se llegará a lo siguiente: Asumiendo que las pérdidas entre B y E es de 19.66 m o sea HBCE = HBDE = 19.66 m Para la tubería BCE D= 0.6 m C= 120 L = 2,340 m S= H/L = 19.66/2340 = 0.0084 Sustituyendo en la ecuación de Hazen William QBCE= 0.2788 C D 2.63 S 0.54 = 0.661 m3/s Para la tubería BDE D= 0.4 m C= 120 L = 3,200 m S= H/L = 19.66/3200 = 0.00614 Sustituyendo en la ecuación de Hazen William QBCE= 0.2788 C D 2.63 S 0.54 = 0.192 m3/s La sumatoria de los caudales QBCE y Q BDE debe ser igual al cuadal QAB QBCE+ Q BDE = 0.661 + 0.192 = 0.85 lo cual es igual a Q AB

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA 1. Método de Hardy Cross El proceso anterior consumo mucho tiempo ya que hay que hacer varias estimaciones de las pérdidas hasta lograr alcanzar la solución; sin embargo, hay métodos de aproximación sucesivas que permiten alcanzar la solución de forma más rápida. Uno de esos métodos es el Hardy Cross. El método 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 pérdidas en un circuito cerrado debe ser igual a cero. El método consiste en lo siguiente: Paso 1. Estimar el caudal para cada tubería de la red cumpliendo con el principio de la sumatoria de caudales por nudo igual a cero. Si el flujo ve en la dirección 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 tuberías, el diámetro y la rugosidad para cada tubería, se determina las perdidas H para cada tubo. En cada circuito o malla Si el flujo ve en la dirección 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 próximo a cero, los caudales asumidos fueron correctos. En caso que no sea cero hacer un ajuste. Paso 4. Se calcula un factor de corrección de flujo (∆Q) para cada circuito usando la siguiente ecuación ∆Q= -∑H / [n∑(H/Q)] Donde ∆Q = Factor de corrección para cada circuito ∑H = Suma algebraica de las pérdidas en la cuadrilla n= valor de 1,85 si se usa la fórmula de Hazen William ∑(H/Q)= Suma de pérdidas dividido entre los caudales para cada tubería en la cuadrilla Paso 5. Usando el factor de corrección de flujo calculado en el paso 4, ajustar los caudales en cada tubería. En caso de tuberías que forman parte de dos circuitos, se debe aplicar el factor de corrección dos veces según el valor obtenido para cada cuadrilla.

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA Paso 6. Volver al paso 2, utilizando los caudales corregidos y repetir el procedimiento hasta que los valores de corrección ∆Q sean ceros o cercano a cero.7 Ejemplo 10.3: En la figura 10.5 muestras los caudales de entrada y salida de un sistema de agua potable así como las longitudes y diámetros de las tuberías. Encontrar los caudales en cada ramal asumiendo un coeficiente de Hazen William igual a 120. Fig. 10.5

Solución: Paso 1. Estimar el caudal para cada tubería de la red cumpliendo con el principio de la sumatoria de caudales por nudo igual a cero. Si el flujo ve en la dirección de las manecillas del reloj se toma como positivo, si va contra las manecillas del reloj se toma como negativo. La figura 10.6 muestra los caudales y direcciones estimados arbitrariamente para cada tubería.

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA Fig. 10.6

Paso 2. Con el caudal, la longitud de tuberías, el diámetro y la rugosidad para cada tubería, se determina las perdidas H para cada tubo. En cada circuito o malla Si el flujo ve en la dirección 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 próximo a cero, los caudales asumidos fueron correctos. En caso que no sea cero hacer un ajuste. Paso 4. Se calcula un factor de corrección de flujo (∆Q) para cada circuito ∆Q= -∑H / [n∑(H/Q)] Los pasos 2, 3 y 4 se presentan en la siguiente tabla para la iteración 1. La información de las columnas 2, y 3 son conocidas La columna 4 son los valores de los caudales asumidos. La columna 5 son las pérdidas y se calcula con la fórmula de Hazen William H/L = S = 10.549 * Q1.85 C1.85 * d4.87 La columna 6 es el producto de multiplicar las columnas 2 y la 5. La columna 7 se obtienen dividiendo las columnas 6 entre la 4.

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA El caudal de corrección se calcula con la fórmula ∆Q= -∑H / [n∑(H/Q)] en la que n = 1.85, ∑H se toma de la sumatoria de la columna 6 ∑(H/Q) se toma de la sumatoria de la columna 7

Paso 5. Usando el factor de corrección de flujo calculado en el paso 4, ajustar los caudales en cada tubería. En caso de tuberías que forman parte de dos circuitos, se debe aplicar el factor de corrección dos veces según el valor obtenido para cada cuadrilla. 160


RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA El cálculo se realizó en el último cuadro de la tabla anterior, la columna final presenta los nuevos caudales ajustados. Paso 6. Volver al paso 2, utilizando los caudales corregidos y repetir el procedimiento hasta que los valores de corección ∆Q sean ceros o cercano a cero. Las tablas que siguen presentan las iteraciones 2, 3 y finalmente la iteración 4, en la que la sumatoria de las pérdidas se aproxima a cero y por tanto se ha logrado alcanzar la solución.

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La soluci贸n final se presenta en el siguiente gr谩fico.

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2.- Programa EPANET: EPANET es un programa de ordenador que permite realizar simulaciones en periodos prolongados (uno o varios días) del comportamiento hidráulico y de la evolución de la calidad del agua en redes de suministro a presión. Una red puede estar constituida por tuberías, nudos (uniones de tuberías), bombas, válvulas y depósitos de almacenamiento o embalses. EPANET modeliza un sistema de distribución de agua como un conjunto de líneas conectadas a los nudos. Las líneas representan tuberías, bombas o válvulas de control. Los nudos representan puntos de conexión entre tuberías o extremos de las mismas, con o sin demandas (nudos de caudal), y también depósitos o embalses. La figura siguiente muestra cómo se interconectan todos estos objetos entre sí para formar el modelo de una red. Pulse sobre el nombre de cualquier objeto para obtener más información. Fig. 10.7

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA Ejemplo 10.4: Realizar el análisis hidráulico de la red de distribución principal de la urbanización mostrada en el ejemplo 10.1, considerando una densidad de 6 habitantes por vivienda y una dotación de 120 l/p-d. La presión mínima en el punto de acople es 24 m.c.a. Solución: Teniendo la red principal trazada sobre el plano de la urbanización, se pueden obtener los siguientes datos: elevación de los nodos, distancias entre nodos y determinar las áreas tributarias de cada nodo, para poder calcular cuantas personas se concentran en cada uno de ellos y así conocer el caudal concentrado de cada uno. Para la elevación de los nodos se guía con las curvas de nivel. Para los caudales concentrados primero se determinan las áreas tributarias, a como se muestra en la figura 10.8. En la cantidad de habitantes por nodos, se pueden tener dos casos: Primero Caso: No se tiene la distribución de vivienda en el plano, por lo que obtiene la densidad poblacional en habitantes / Hectáreas, al dividir el número de habitantes entre el área de la urbanización. Luego al determinar el área tributaria de cada nodo se puede conocer el número de habitantes concentrado en cada nodo multiplicando por la densidad poblacional (habitantes / Hectárea). Segundo Caso: Se conoce la distribución de vivienda en el plano de la urbanización (información dada ya sea por el urbanizador o a través de la oficina del SIS-CAT de la alcaldía). Se cuentan en número de vivienda que están en el área de influencia de cada nodo y se multiplica por la densidad habitacional. Este último es el caso del ejemplo 10.4 Para el Nodo 3: 10 viviendas 6 habitantes por viviendas 60 habitantes Conociendo la dotación se puede calcular el caudal concentrado para cada nodo. Para el nodo 3 60 habitantes 120 l/p-d Q prom = 0.083 l/s Para el análisis hidráulico se toma el caudal de diseño (ver unidad IV de este libro), donde se toman en cuenta: Pérdidas: 20% del Caudal promedio diario FMH: Factor máximo horario, las normas recomienda 2.5 para fuera de Managua Q diseño = Q prom * FMH + pérdidas Q diseño = (0.083 * 2.5) + (0.20 * 0.083) = 0.224 l/s 165


RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA

El resultado para cada nodo se muestra en la tabla 10.2, con estos resultados se procede a realizar el análisis hidráulico en EPANET, asumiendo los diámetros para iniciar el cálculo. Fig. 10.8

Nodo

Elevación metros

Población habitantes

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

242.0 241.9 241.4 239.6 238.1 238.0 238.8 239.9 240.0 239.1 237.25 235.1 234.4 233.75 235.9

60 114 84 120 90 72 120 78 150 108

Tabla 10.2 Q prom l/s 0.083 0.158 0.117 0.167 0.125 0.100 .167 0.108 0.208 0.150

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Pérdida l/s

FMH

Q diseño l/s

0.017 0.032 0.023 0.033 0.025 0.020 0.033 0.022 0.042 0.030

2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5

0.224 0.423 0.316 0.451 0.338 0.270 0.451 0.292 0.562 0.525


RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA El resultado del análisis hidráulico de la red principal con EPANET se muestra en la figura 10.9. Fig. 10.9

10.9 Problemas Propuesto: Problemas 10.1: La siguiente gráfica muestras los caudales de entrada y salida de un sistema de agua potable así como las longitudes y diámetros de las tuberías. Encontrar los caudales en cada ramal asumiendo un coeficiente de Hazen William igual a 120.

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RED DE ABASTECIMIENTO DE AGUA Qin=0.5 m3/s

Qef=0.2 m3/s L= 700 m, D= 0.5 m

L= 750 m, D= 0.30 m 5

1 L= 300 m, D= 0.61 m

4

2

L= 200 m, D= 0.46 m

L= 274 m, D= 0.61 m

3

6 7

L= 1000 m, D= 0.5m

L= 800 m, D= 0.61 m

Qef=0.2 m3/s Qef=0.1 m3/s

Problema 10.2: Calcular el caudal en cada ramal del sistema mostrado en la siguiente gráfica. Asumir C= 120 para todos los tubos

Qin=0.4 m3/s

L= 600 m, D= 0.3m

L= 400 m, D= 0.25 m

L= 600 m, D= 0.30 m

L= 400 m,

L= 400 m,

L= 400 m,

D= 0.25 m

L= 600 m, D= 0.3 m

L= 600 m, D= 0.30 m

D= 0.25 m

D= 0.25 m

L= 600m, D= 0.3 m

L= 600 m, D= 0.3 m

Qef=0.1 m3/s Qef=0.1 m3/s

Qef=0.1 m3/s

Qef=0.1 m3/s

El procedimiento por aproximaciones sucesivas de Hardy Cross es complicado a medida que se incrementa el número de circuitos así como los accesorios y estaciones de bombeo. Afortunadamente, el proceso de Hardy Cross ha sido computarizado y actualmente se pueden encontrar gratuitamente modelos que resuelven cualquier número de circuitos en forma rápida. Uno de esos programas es EPANET, el cual se puede descargar gratis del sitio Web de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos EPA.

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Ejemplo red abast agua