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