diseño de acueducto - ejercicio

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

SEDE MANIZALES

CRISTIAN MAURICIO PEÑALOZA GÁLVEZ CÓD. 111039JUAN CAMILO CASTRO VALDERRAMA CÓD. 110062

LUIS FELIPE HINCAPIÉ CARDONA CÓD. 110063

REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA

ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS

PROF. JEANNETTE DEL CARMEN ZAMBRANO NÁJERA

NOVIEMBRE 2014, MANIZALES

Objetivos:

Realizar un diseño de red de agua potable sobre el sistema dado. Definir los diámetros y el material más adecuado, teniendo en cuenta que el sistema sea funcional, óptimo y económico, teniendo como fin un servicio que satisfaga las necesidades de la población.Definir los caudales demandados que deben ser entregados en cada punto, definiendo las zonas a soportar, teniendo en cuenta las especificaciones y requerimientos establecidos en el RAS 2000.Utilizar la norma (RAS-2000) para definir las especificaciones de diseño.Plantear los diseños en EPANET y simularlos; obtenidos los resultados revisar la normativa y comprobar el cumplimiento de todos los requerimientos (presiones, velocidades, pendientes). Mostrar el diseño que cumpla con dichos requerimientos.Analizar las implicaciones costo-beneficio que se tiene con cada material simulado.Luego, realizar una simulación en EPANET de un sistema cerrado de tuberías de PVC, proponiendo el comportamiento de los caudales durante 24 horas, teniendo en cuenta variaciones de entre 10% y 170% para las horas pico, y estudiar el comportamiento de las presiones y velocidades.Proponer soluciones para mantener el comportamiento de la red en el rango de funcionamiento demandado por la normativa.

Introducción

Un sistema de abastecimiento de agua es un conjunto de infraestructura, equipos y servicios destinados al suministro de agua para el consumo humano. El suministro de agua es principalmente para consumo doméstico, comercial, industrial, militar, entre otros usos. El agua suministrada debe ser en cantidad suficiente y de buena calidad física, química y bacteriológica; es decir, apta para el consumo humano.

En general, para construir un sistema de abastecimiento se deben elaborar estudios que definan las unidades operacionales requeridas. Las unidades deben tener capacidad hidráulica para las condiciones actuales y futuras. Los materiales y tipos de aparatos que se usaran dependen de varios factores: rendimiento y tipo de fuente, demanda de la localidad, característica de la población, etc.

Aparte de buscar satisfacer las necesidades de la población, también se trata de encontrar que la empresa de agua potable, se establezca de manera global, buscando la optimización del servicio estableciendo los medidores en lugares estratégicos, facturación de pagos, infraestructura para el control y mantenimiento de la red, entre otras.

Si bien un sistema de agua potable es en sí mismo una maravilla de ingeniería, la construcción del mismo da como resultado “daños colaterales”, que pueden ser de tipo ambiental y socio-económico, que el ingeniero debe tener en cuenta.

Ejercicio 1 de aplicación:

La siguiente imagen es de una zona sobre la que se diseñara un sistema de abastecimiento:

Procedimiento:

Se establecen los parámetros para hallar los caudales demandados en cada nodo, teniendo en cuenta las siguientes especificaciones del RAS 2000:

Población proyectada:Para este trabajo se hizo una suposición de la población actual, teniendo en cuenta parámetros como manzanas de 50 a 60 casas, con casas de alrededor de 4 personas. Ya que un proyecto de red de abastecimiento se diseña a futuro, se proyectó la población que esta zona tendría, teniendo en cuenta el comportamiento de una similar en censos del DANE y siguiendo el método aritmético. Esta proyección se hizo a 25 años, teniendo en cuenta la siguiente tabla del RAS-2000 del período de diseño:

Los datos supuestos de población serán:

Crecimiento poblaciónAño Población

2005 17672014 1988

Con los datos anteriores, se aplicó una proyección aritmética:

Población proyectadaTf-Tuc (años)

Pf 2600 25

Finalmente la población con que se diseñará la red de distribución será de 2600 habitantes.Definición del nivel de complejidad:La clasificación del proyecto en unos de estos niveles depende del número de habitantes

en la zona urbana del municipio, su capacidad económica y el grado de exigencia técnica que se requiera para adelantar el proyecto, de acuerdo a lo establecido en la siguiente tabla

En nuestro caso, el Nivel de complejidad es Medio.

Determinación de la dotaciónLa dotación neta corresponde a la cantidad mínima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un suscriptor o de un habitante, dependiendo de la forma de proyección de la demanda de agua, sin considerar las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto. Teniendo en cuenta que la información que se tiene es mínima y poco confiable, se aplicarán las dotaciones de los siguientes cuadros del RAS-2000:

Dotación por habitante: suponiendo que la zona se encuentra en clima templado.

Dotación neta según el uso del agua: Aparte de la dotación que se considera por la población (uso residencial) del municipio, se consideraran dotaciones para otros usos del agua. Para nuestro caso, se consideraron los siguientes usos:

Uso comercial: en el municipio se encuentran varias zonas comerciales. Se supusieron para c/u áreas de 6500 m2, teniendo en cuenta que fueran zonas del tamaño de una manzana de 80mx80m.

Uso escolar: se supone que el colegio de este municipio posee 150 estudiantes.

Uso público: se consideró este uso para la Iglesia del municipio, que posee una capacidad de 200 asientos.

Finalmente, las dotaciones netas a considerar en este municipio son las siguientes:

Teniendo ya los parámetros anteriores, se delimitan unas zonas de abastecimiento para cada Nodo y para estas zonas, se aplicaran los valores de dotaciones netas definidos en el anterior paso, obteniéndose dotaciones netas en litros/día de cada zona.

Delimitación de zonas de los Nodos.

DOTACION NETADOTACIÓN POR HABITANTE 115 L/hab*día

USO COMERCIAL 6 L/m2/díaUSO PUBLICO 6 L/asiento/díaUSO ESCOLAR 25 L/alumno/jornada

Determinación de la Dotación Neta para cada nodoEn las siguientes tablas se muestran las consideraciones de cada zona y la dotación neta para cada Nudo.

IGLESIA 200 asientosCOLEGIO 150 alumnos

Área zona comercial 6500 m2

NODO 1MANZANAS CASAS HAB./CASA Qn(lts/dia)

1 60 5 345002 60 5 34500

69000 Q(lts/dia)0,79861111 Q(lts/s)


1 50 5 287502 50 5 28750

57500 Q(lts/dia)0,66550926 Q(lts/s)


1 50 5 287502 50 5 28750

Centro comercial 3900096500 Q(lts/dia)

1,11689815 Q(lts/s)


1 50 5 28750Centro comercial 39000

Iglesia 120068950 Q(lts/dia)

0,79803241 Q(lts/s)

NODO 5Manzana Casas HAB./CASA Qn(lts/dia)

1 50 5 28750Colegio 3750

32500 Q(lts/dia)0,37615741 Q(lts/s)


1 50 5 287502 50 5 28750

Centro comercial 3900096500 Q(lts/dia)

1,11689815 Q(lts/s)

Con las Dotaciones netas, se hallarán una serie de Caudales que me llevarán finalmente a Caudales Máximos Horarios, que serán los que se usarán como demandas base, según el RAS-2000. Se hizo de la siguiente manera:

Se halla la dotación bruta: considerando las máximas pérdidas admisibles (25%), que serán las pérdidas por fuga del sistema.

Se halla Caudal medio diario (Qmd): El caudal medio diario, Qmd, es el caudal calculado para la población proyectada, teniendo en cuenta la dotación bruta asignada. Corresponde al promedio de los consumos diarios en un período de un año. Se halla con la fórmula según el número de habitantes, teniendo en cuenta que se trabaja con la población proyectada.

En este caso, como la población ya se tuvo en cuenta al hallar la dotación neta para cada nodo,

la dotación bruta será en lts/día y por tanto la fórmula será igual:Qmd=dbruta86400

Se halla Caudal máximo diario (QMD): El caudal máximo diario, QMD, corresponde al consumo máximo registrado durante 24 horas a lo largo de un período de un año. Se calcula multiplicando el caudal medio diario por el coeficiente de consumo máximo diario, k1.

El coeficiente k1, se obtiene de la relación entre el mayor consumo diario y el consumo medio diario, utilizando los datos registrados en un período mínimo de un año. En caso de sistemas nuevos, el valor del k1 será 1.30, según el RAS-2000.

Se halla el Caudal máximo horario (QMH): El caudal máximo horario, QMH, corresponde al consumo máximo registrado durante una hora en un período de un año sin tener en cuenta el caudal de incendio. Se calcula como el caudal máximo diario multiplicado por el coeficiente de consumo máximo horario, k2.

El coeficiente k2, varía entre 1,3-1,7 y depende del nivel de complejidad del sistema. Este sistema es de nivel de complejidad medio, por tanto se usó un k2=1,5.

QMH=QMD∗k2

La siguiente tabla muestra los datos obtenidos de caudales para cada nodo:

NODOD.NETA(L/

día)D.BRUTA(L/

día) Qmd (L/s) QMD(L/s) QMH(L/s) QMH(m3/s)

1 69000 920001,0648148

1 1,38425932,595486

10,00259548

6

2 57500 76666,666670,8873456

8 1,15354942,162905

10,00216290

5

3 96500 128666,66671,4891975

3 1,9359568 3,6299190,00362991

9

4 68950 91933,333331,0640432

1 1,38325622,593605

30,00259360

5

5 32500 43333,333330,5015432

1 0,65200621,222511

60,00122251

2

6 96500 128666,66671,4891975

3 1,9359568 3,6299190,00362991

9

Después de obtenidos los caudales base por nodo, se hará un predimensionamiento de diámetros para el sistema por el método de Hazen- Williams, que se obtienen de la siguiente fórmula:

Se tiene en cuenta los siguientes datos:

LONGITUDESTRAMO l (m)

Embalse a 1 8001 a 2 4002 a 3 3003 a 4 2503 a 6 500

5 a tubería 3-4 200

COTASNodo Altura (m)

Embalse 361 252 173 17

4 175 176 22

Aparte de lo anterior, el coeficiente de pérdidas de Hazen-Williams, dependerá del material de la tubería. En nuestro caso, se trabajaron 2 materiales: PVC y PE (Polietileno). A continuación se muestran las características generales de cada uno.

PVC (Policloruro de vinilo):

Tiene una elevada resistencia a la abrasión, junto con una baja densidad (1,4 g/cm3), buena resistencia mecánica y al impacto, lo que lo hace común e ideal para la edificación y construcción.

Al utilizar aditivos tales como estabilizantes, plastificantes entre otros, el PVC puede transformarse en un material rígido o flexible, característica que le permite ser usado en un gran número de aplicaciones.

Es estable e inerte por lo que se emplea extensivamente donde la higiene es una prioridad, por ejemplo los catéteres y las bolsas para sangre y hemoderivados están fabricadas con PVC, así como muchas tuberías de agua potable.

Es un material altamente resistente, los productos de PVC pueden durar hasta más de sesenta años como se comprueba en aplicaciones tales como tuberías para conducción de agua potable y sanitarios; de acuerdo al estado de las instalaciones se espera una prolongada duración del PVC así como ocurre con los marcos de puertas y ventanas.

Debido a los átomos de cloro que forman parte del polímero PVC, no se quema con facilidad ni arde por si solo y cesa de arder una vez que la fuente de calor se ha retirado. Los perfiles de PVC empleados en la construcción para recubrimientos, cielorrasos, puertas y ventanas, se debe a la poca inflamabilidad que presenta.

Se emplea eficazmente para aislar y proteger cables eléctricos en el hogar, oficinas y en las industrias debido a que es un buen aislante eléctrico.

Se vuelve flexible y moldeable sin necesidad de someterlo a altas temperaturas (basta unos segundos, expuesto a una llama) y mantiene la forma dada y propiedades una vez enfriado a temperatura ambiente, lo cual facilita su modificación.

Alto valor energético. Cuando se recupera la energía en los sistemas modernos de combustión de residuos, donde las emisiones se controlan cuidadosamente, el PVC aporta energía y calor a la industria y a los hogares.

Amplio rango de durezas. Rentable. Bajo coste de instalación. Es muy resistente a la corrosión.

PE (Polietileno):

AISLANTE TERMICO: Disminuye el peligro de heladas de los líquidos en las canalizaciones. En caso de helarse el agua de su interior, el aumento de volumen provoca un incremento de diámetro, sin llegar a romperse, recuperando después del deshielo el diámetro original.

UNIONES de rápida y fácil ejecución, garantizando la estanquidad de la conducción. INERTES INODORAS ATOXICAS, cumpliendo la normativa sanitaria vigente. INALTERABLES a la acción de terrenos agresivos, incluso de suelos con alto contenido de

yeso o zonas de infiltraciones peligrosas. RESISTENTES a la mayor parte de agentes químicos, tales como álcalis, aceites, alcoholes,

detergentes, lejías, etc., excepto disolventes. BAJO FACTOR DE FRICCIÓN: Las paredes del tubo pueden considerarse hidráulicamente

lisas y ofrecen una resistencia mínima a la circulación del fluido, produciendo pérdidas de carga inferiores a las tuberías de materiales tradicionales.

BAJO VALOR DE SUS MODULOS ELÁSTICOS, logrando valores de celeridad bajos, que reducen las sobrepresiones por golpes de ariete en comparación con otros materiales.

DURADERA: Vida útil superior a 50 años, con un coeficiente residual de seguridad al alcanzar este tiempo.

MANTENIMIENTO: prácticamente inexistente. FLEXIBLES: Permiten sensibles variaciones de dirección con curvaturas en frío sin

necesidad de accesorios, adaptándose a trazados sinuosos. Pueden fabricarse en bobinas en diámetros hasta 90 mm en grandes longitudes.

LIGERAS: Fáciles de transportar y montar, lo que se traduce en economía de medios para su instalación.

BAJA CONDUCTIBILIDAD ELÉCTRICA: Son insensibles a las corrientes subterráneas vagabundas y telúricas.

NO ADMITEN INCRUSTACIONES: manteniendo constante su sección original.

Por las anteriores características, es que se escogieron estos 2 materiales, siendo en unos casos determinados el PVC o el PE más ventajoso respecto al otro. Por otro lado, poseen unas características similares, de las cuales dependerán los cálculos, las cuales son:

Diámetros comerciales PVC:

CHw 150

Rugosidad absoluta0,001

5

Diámetros comerciales PE:

Se tiene en cuenta que los diámetros que se colocan en EPANET para la simulación de la red son los internos.

Para que el diseño sea ACEPTABLE, se tendrán en cuenta varios parámetros dados por el RAS-2000, los cuales son:

Presiones: Según el título A, las presiones mínimas y máximas son:

Velocidades: según el título B, las velocidades máximas y mínima en la red son:

Diámetros: según el título A, los diámetros internos mínimos de la Red de distribución son:

Luego, para nuestra red los parámetros a cumplir son:

MÁX. MÍN.Presión 60 10 m.c.a

Velocidad 6 0,5 m/sDiámetro - 50 mm

Entonces, aplicando Hazen-Williams con los datos anteriores se obtiene:

TRAMOS

UnidadesEmbalse a

1 1 a 2 2 a 3 3 a 4 3 a 65 a tubería 3-

4L m 800 400 300 250 500 200

CHw 150 150 150 150 150 150hf m 11 8 0 0 -5 0

Q m3/s 0,00216290,0021

60,003

60,0025

90,0036

3 0,001222512

diámetro m 0,05664580,0524

6 0,1 0,1 0,1 0,1

plg 2,23015132,0652

6 3,9373,9370

13,9370

1 3,937007874

cota salida m 36 25 17 17 17 17cota llegada m 25 17 17 17 22 17pendiente % 1,38 2,00 0,00 0,00 -1,00 0,00

dcomercial(plg) 2,5 2,5 4 4 4 4

mm(dinterior) 62,1 62,1 101,5 101,5 101,5 101,5

Como se puede observar, hay tramos de pendiente 0% y un tramo con pendiente negativa, por lo que se colocaron unos diámetros arbitrarios, ya que en esos tramos Hazen-Williams, no se puede aplicar.

Simulando en EPANET:

Como se observa en las tablas anteriores, no se cumplen las velocidades en la mitad de los tramos y todas las presiones están dando negativas, por lo que se debe replantear el diseño. Con ayuda de EPANET y teniendo en cuenta los parámetros de la norma RAS-2000 además de que el predimensionamiento por Hazen-Williams nos da diámetros muy pequeños, se obtiene.

Red en PVC:

Se replantearon las cotas y los diámetros, de tal manera que:

COTAS

Nodo Altura (m)

Embalse 36

1 24

2 17

3 16

4 17

5 14

6 12

PVCTRAMO

Embalse a 1 1 a 2 2 a 3 3 a 4 3 a 6 5 a tubería 3-4dcomercial(plg

) 8 6 6 3 3 2mm(dinterior) 201,7 153,2 153,2 77,3 77,3 52

La simulación hecha en EPANET, arrojo los siguientes resultados:

Como se observa en las tablas, los parámetros de velocidad, diámetro y presión se cumplen para la Red en PVC.

Red en PE:

Se replantearon las cotas y diámetros, de tal manera que:

COTASNodo Altura (m)

Embalse 401 242 173 104 10,55 96 10

PETRAMO

Embalse a 1 1 a 2 2 a 3 3 a 4 3 a 6 5 a tubería 3-4dcomercial(plg

) 8 6 6 3 3 2mm(dinterior) 145,1 101,9 101,9 76,9 94,1 55,6

La simulación hecha en EPANET, arrojo los siguientes resultados:

En las tablas anteriores, también se puede observar, que igual que en PVC, una red en PE también cumple con los parámetros de velocidad, presiones y diámetros del RAS-2000.

Conclusiones.

Se observa que los 2 diseños cumplieron con las especificaciones, pero difirieron en que fue necesario hacer un replanteo de cotas distinto para c/u. teniendo en cuenta lo anterior y las características del material, el diseño que se escogería para ejecutar sería el de PVC, ya que es un material más fácil de conseguir, más económico y conocido que el PE; además, el replanteo de cotas es más conveniente en el caso de la re d en PVC, ya que no hay que excavar a tanta profundidad como si ocurre con la red en PE.Por otro lado, económicamente, el PE es más caro que el PVC, lo que reduce aún más los puntos a favor para su escogencia como red a construir. Sin embargo, en un caso especial, donde la red fuera construida para transportar agentes químicos o el terreno fuera relativamente más plano, se tendría en cuenta para la construcción de una red.En cuestión de diámetros internos, los de PE tienden a ser muy variables, dado que el grosor de las tuberías para un mismo diámetro nominal cambia dependiendo de la resistencia a la compresión que se requiera, mientras los diámetros de PVC son más estandarizados.

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