02 Diseño de Instalacion hidraulica

INSTALACIÓN HIDRÁULICA Definición Es el conjunto de tinacos, tanques elevados, cisternas, tuberías y demás elementos necesarios para proporcionar agua fría, agua caliente, vapor en casos específicos, a los muebles sanitarios, hidrantes y demás servicios especiales de una edificación. Componentes -

Tuberías Conexiones Tinacos Tanques elevados Cisternas

-

Válvulas Equipo de bombeo Hidroneumático Muebles sanitarios Hidrantes

Clasificación de los sistemas de abastecimiento Los sistemas de abastecimiento se clasifican en: - Sistema de abastecimiento directo (de la red municipal con muebles a poca altura y suficiente presión de la red municipal. Presión mínima de 0.2 kg/cm² en el punto más alto de la instalación). - Sistema de abastecimiento a presión inducido por gravedad (distribución a partir de tinacos localizados en las azoteas de las edificaciones).

- Sistema de abastecimiento a presión inducido por bombeo (recomendable para garantizar la presión y gasto requeridos donde se utilizan muebles convencionales y de fluxómetro). - Sistema de abastecimiento combinado (requiere de un conjunto cisterna-tinaco que regula el abastecimiento del agua almacenada en la cisterna y la lleva al tinaco mediante bombeo para distribuirla posteriormente por gravedad a los muebles sanitarios).

Dotación Es la cantidad de agua que consume en promedio una persona durante un día para satisfacer sus necesidades. De acuerdo al Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal, las dotaciones son:

Observaciones importantes: - Necesidades de agua potable demandadas por empleados o trabajadores se considerarán por separado a razón de 100 l/trabajador/día en donde se requieran baños con regadera y 40 l en caso contrario. - En el caso de edificios o unidades habitacionales, se tomarán como población y dotación de proyecto, el número de recámaras con dos ocupantes por recámara. - No se autorizará dotación de agua potable para los servicios de riego de áreas verdes, lavado de vehículos ni condensación del refrigerante en sistemas de aire acondicionado.

Volúmenes de regulación Considerar unidades mueble de cada mueble o centro de consumo de agua, tanto fría como caliente de acuerdo a la tabla 2.14 de las Normas Técnicas Complementarias para Instalaciones para Diseño y Ejecución de Obras e Instalaciones Hidráulicas.

Cálculo: sumar unidades mueble a partir del punto más alejado del punto de alimentación para obtener consumos acumulados y calcular diámetro y pérdidas. Una unidad mueble (UM) es un factor que toma en consideración la demanda de agua de varios tipos de accesorios o muebles sanitarios, usando como referencia un lavabo privado como 1 UM (el flujo de agua es de 0.063 litros/seg a 0.0945 litros/seg).

Presiones de trabajo Un sistema de agua debe mantener una presión suficiente para superar cualquier pérdida de presión debida a las pérdidas por fricción, diferencias en elevación y presión de trabajo en las salidas de los muebles sanitarios. Los valores mínimos de presión necesarios para muebles y accesorios de tipo estándar y los diámetros mínimos de alimentación se presentan en la tabla 2.15 de las NTCIH. Se recomienda consultar los requerimientos particulares para cada accesorio con los fabricantes.

Cálculo: partiendo del mueble más desfavorable desde el punto de vista de ubicación topográfica y lejanía del punto de alimentación general, acumulando las pérdidas de carga de tubería, válvulas y piezas especiales. Cuando exista, el cálculo debe iniciarse por la red de agua caliente. Cálculo de pérdidas en válvulas y piezas especiales: método de longitudes de tubería recta equivalente, de acuerdo a las tablas 6.7, 6.8 y 6.9 de las Normas de Proyecto de ingeniería, tomo II del IMSS. A continuación se presenta una tabla de longitudes equivalentes para algunos accesorios basada en las tablas mencionadas.

Longitudes equivalentes para algunos accesorios, en metros. Codo Codo Te Diámet Te Válvula de Codo 90º 90º (Salida (Paso compuerta ro (Estánd (Radio 45º lateral) recto) (mm) abierta ar) grande) 13 19 25 32 38 50 64 75 100 125 150 200 250 300

0.47 0.63 0.80 1.06 1.22 1.58 1.88 2.33 3.06 3.84 4.62 6.08 7.63 9.10

0.32 0.42 0.53 0.70 0.82 1.05 1.25 1.56 2.05 2.56 3.08 4.05 5.09 6.06

0.25 0.33 0.42 0.56 0.65 0.84 1.00 1.24 1.63 2.05 2.46 3.24 4.07 4.85

0.95 1.26 1.60 2.10 2.45 3.15 3.76 4.68 6.14 7.69 9.24 12.16 15.27 18.19

0.32 0.42 0.53 0.70 0.82 1.05 1.25 1.56 2.05 2.56 3.08 4.05 5.09 6.06

0.21 0.27 0.35 0.46 0.53 0.68 0.82 1.01 1.33 1.67 2.00 2.64 3.31 3.94

Válvula de globo Asiento sin guía

Asiento con guía

5.37 7.12 9.06 11.92 13.90 17.85 21.32 26.50 34.77 43.59 52.38 68.92 86.53 103.10

7.11 9.42 11.99 15.77 18.40 23.63 28.22 35.07 46.02 57.69 69.32 91.22 114.53 136.45

Válvula Válvula check macho Tipo Tipo Asiento globo globo sin guía sin guía con guía 5.37 7.12 9.06 11.92 13.90 17.85 21.32 26.50 34.77 43.59 52.38 68.92 86.53 103.10

5.37 7.12 9.06 11.92 13.90 17.85 21.32 26.50 34.77 43.59 52.38 68.92 86.53 103.10

7.11 9.42 11.99 15.77 18.40 23.63 28.22 35.07 46.02 57.69 69.32 91.22 114.53 136.45

Tanques y cisternas De acuerdo con las NTC de Instalaciones Hidráulicas, las cisternas deben - ser suficientes para una dotación de tres días - construirse de concreto reforzado (aditivo impermeabilizante integral, cemento tipo V) - ser completamente impermeables - tener registros con cierre hermético y sanitario - ubicarse a tres metros mínimo de cualquier tubería de aguas negras - lavarse y desinfectarse cuando menos cada seis meses - espesor mínimo de muros y losa de desplante: 20 centímetros

CISTERNA

Asimismo, los tinacos deben - contar con tapas de cierre hermético - lavarse y desinfectarse cuando menos cada seis meses - antes del codo de bajada deberán tener un dispositivo para el desalojo del agua para lavado y mantenimiento - contar con una válvula de control - contar con un jarro de aire con una altura mayor que el máximo nivel de agua en el tinaco - colocarse por l menos dos metros arriba del mueble sanitario más alto - la tubería de distribución deberá ir a una altura paralela al piso de 30 centímetros para colocar un recipiente colector del agua de lavado del tinaco

Tuberías De acuerdo con las NTC de Instalaciones Hidráulicas, las tuberías pueden ser de o Cobre tipo M (NOM-W-17-1981) o Fierro galvanizado (Tipo “A”, NOM-B-10-1981) o PVC hidráulico (siempre que cumpla con las especificaciones de proyecto) Unión de tramos de tubería de cobre: soldadura de hilo y pasta fundente - Soldadura de estaño núm. 50 (agua fría y columnas de doble ventilación) - Soldadura de estaño núm. 95 (agua caliente) Unión de tramos de tubería de fierro galvanizado con piezas especiales (por ejemplo: válvulas de cobre, bronce, acero o cualquier otro material): aplicar compuesto especial o cinta de teflón.

Tuberías metálica enterradas: pintadas con pintura anticorrosivo y mínimo a 30 cm bajo el nivel de jardín a menos que se indique otra profundidad. Otros materiales: deberán estar protegidos contra la corrosión, impactos mecánicos y en su caso electrólisis. Para tener el control de eficiencia de la tubería: realizar pruebas para determinar que el coeficiente de rugosidad n del material no ha cambiado. Tuberías de agua caliente: una vez aprobadas, se deberán recubrir con material aislante de calor con el espesor que el fabricante recomiende y garantice.

Conexiones Las características más importantes que deben cumplir son: o Uniones perfectamente herméticas sin remiendos de ninguna clase. o Tendrán las dimensiones exactas para lograr uniones perfectas y sin fugas. Sólo podrán ser soldadas, roscadas, termofusionadas o mixtas, de acuerdo al diseño específico de cada conexión. o En conexiones soldables, los tubos se cortarán con cortador de disco o segueta fina, se limpiarán perfectamente las rebabas y se aplicará la soldadura de manera uniforme para lograr hermeticidad.

Válvulas Las características más importantes que deben cumplir son: o Deberán quedar localizadas en lugares accesibles para seccionar tramos de la red principal y secundaria que permitan su fácil operación. o Antes de conectar la válvula, se revisará que ésta no contenga materiales extraños en su interior. o No deberán quedar ahogadas en ningún elemento estructural. o En válvulas roscadas, la conexión que se introduzca en la misma deberá contar con el mismo número de hilos por unidad de longitud. o Se recomienda utilizar válvulas de seccionamiento para delimitar tramos o zonas, y para proporcionar mantenimiento con fácil acceso, se recomienda también colocar éstas cerca de los muebles sanitarios. Asimismo, se sugiere seccionar la red por entrepisos o por zonas, de acuerdo a la importancia y distribución de los espacios dentro del inmueble.

Pruebas Se realizarán para verificar si existen o no fugas en las uniones. La prueba hidrostática se realizará en las tuberías de agua fría, caliente y retornos de agua caliente. La prueba consiste en: o Introducir agua fría a presión en las tuberías correspondientes con ayuda de una bomba de mano o bomba de prueba, o bien por otros medios similares con los que se garantice la presión requerida (cuando la prueba se realice con ayuda de la bomba de prueba, en la tubería de descarga de dicha bomba se acoplará un manómetro). o Las tuberías de agua fría, caliente y retorno de agua caliente se probarán a presiones promedio de 7 a 8 kg/cm² (99.4 a 113.6 lb/pulg²) (presiones mayores ocasionarían daños irreversibles a las cuerdas de las tuberías y a las partes interiores de las válvulas). o Una vez que se ha introducido el agua dentro de las tuberías, inclusive alcanzado la presión deseada, se deja un mínimo de 3 y un máximo de 5 horas para verificar si las conexiones y sellos están en perfecto estado y la instalación exenta de fallas que puedan ocasionar fugas. Soportería Los accesorios que sostengan las tuberías horizontales y verticales deberán permitir las dilataciones, contracciones y el ajuste de las pendientes. Tuberías verticales - Separación máxima entre elementos de soporte: 3.0 metros. - Tipo de elementos de sujeción: abrazaderas de hierro. - Sujetas a: columnas o trabes. Tuberías horizontales en edificios con falso plafón - Separación máxima entre elementos de soporte: Ver tabla siguiente. - Tipo de elementos de sujeción: abrazaderas de hierro ancladas con taquetes expansores y tornillos u otro sistema que garantice la adecuada colocación de los tubos. - Sujetas a: trabes, viguetas o losas.

Separación máxima entre elementos de sujeción en las tuberías horizontales. Diámetro nominal (mm)

Separación (m)

Diámetro nominal (mm)

Separación (m)

Diámetro nominal (mm)

Separación (m)

10 13 19 25 32

1.40 1.60 1.90 2.15 2.50

38 50 64 75 100

2.75 3.00 3.35 3.65 4.25

125 150 200 250 300

4.90 5.20 5.80 6.70 7.00

Diseño de instalaciones hidráulicas 1. Tipo de sistema Sistemas a presión inducidos por gravedad - Presión mínima: 0.2 kg/cm² (es decir, la diferencia entre el nivel inferior de la salida del tinaco y el nivel de la regadera inmediata inferior, será de 2.0 metros más las pérdidas de presión por fricción). - Diseño: se calculan las pérdidas por fricción en cada tramo, cuidando que la carga disponible a la salida de todos los muebles tienda al valor de la carga de trabajo (elevación piezométrica – elevación del eje de la tubería) requerida por el mueble. Sistemas a presión inducidos por bombeo - Gasto máximo probable ≤ 13 l/seg Æ equipo de bombeo con tanque hidroneumático. - Gasto máximo probable > 13 l/seg Æ equipo de bombeo programado. - Diseño: exclusivamente por velocidad, cumpliendo la velocidad recomendada para proyecto indicada en la siguiente tabla. La carga dinámica total a calcular será la correspondiente al ramal del mueble más desfavorable, entendiéndose por éste el más alejado y el de mayor altura. Velocidades óptimas recomendadas. Diámetro nominal (mm)

Velocidad recomendada (m/s)

13 19 25 32 38 y mayores

0.9 1.3 1.6 2.15 2.50

2. Pérdidas de presión por fricción y pérdidas de presión locales Para calcular las pérdidas por fricción se utiliza la fórmula de Manning: 1 2 1 v = R 3s 2 , n

o en su caso

⎛ vn s=⎜ 2 ⎜ 3 ⎝R

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

2

.

La velocidad se puede calcular mediante la ecuación de continuidad, siendo v =

Qm A

.

En el caso de tuberías circulares a tubo lleno: R =

D . 4

Las pérdidas por fricción para tuberías de cobre (tipo “M”), fierro galvanizado y cloruro de polivinilo (PVC), se calcularán con la siguiente fórmula: hf = L s . Los valores del coeficiente n (Manning) se obtienen de la siguiente tabla. Valores de n para varios tipos de material. Material Cobre PVC (Cloruro de polivinilo) Fierro galvanizado

n 0.009 0.009 0.014

Cálculo de pérdidas locales: utilizar el concepto de longitud equivalente, donde se considera que la conexión o accesorio produce una pérdida de carga igual a la producida en una determinada longitud de tubo del mismo diámetro, lo que equivale a sustituir esas conexiones o accesorios por longitudes adicionales de tubo (ver tablas 6.7, 6.8 y 6.9 de las Normas de Proyecto de ingeniería, tomo II del IMSS). 3. Cálculo de cisternas De acuerdo con las NTC de Instalaciones Hidráulicas, las cisternas deben tener capacidad suficiente para una dotación de tres días, es decir: VolCisterna = Volumen demandado diario + Reserva VolCisterna = Volumen demandado diario + 2 Volumen demandado diario VolCisterna = 3 Volumen demandado diario

donde: Volumen demandado diario = No. de personas x dotación El No. de personas se calcula para casas-habitación y edificios de departamentos de acuerdo a la tabla siguiente. La dotación se asignará de acuerdo al tipo de construcción de la que se trate (véase tabla 2.13 de dotaciones de las NTCIH). Cálculo del número de personas. No. de recámaras *

No. de personas = (No. recámaras x 2) +1

1 2 3

(1 x 2) + 1 = 3 (2 x 2) + 1 = 5 (3 x 2) + 1 = 7

* Cuando se tienen más de tres recámaras se suman 2 personas por recámara adicional y sólo 1 por cada cuarto de servicio.

Nota importante: La altura total interior de la cisterna se debe incrementar un mínimo de 40 cm, considerando que debe haber un volumen muerto de 10 cm de altura en el lecho bajo y 30 cm de bordo libre sobre el nivel del agua para la libre operación de flotadores y elementos de control. 4. Cálculo hidráulico de la toma domiciliaria Se considera que el llenado de la cisterna debe hacerse en un período máximo de 12 horas, por tanto, basta dividir el volumen demandado diario de agua para servicios, obtenido a partir de la demanda, entre 43 200 segundos. Carga disponible de la red municipal (valor usual): 10.0 m.c.a. Carga disponible en la salida del flotador: 3.0 m.c.a. Gasto de la toma: Qtd =

Vol Cisterna 43200

Las pérdidas por fricción se calculan como se indica en el inciso 2. El diámetro inicial para calcular las pérdidas por fricción estará dado por la siguiente expresión: D = 1.13 Qtd La velocidad se calcula como v td =

Qtd A

, donde A es el área del tubo.

5. Cálculo de tinacos La capacidad del tinaco cuando se tiene cisterna, debe ser de sólo ¼ a 1/3 de la demanda diaria. 6. Cálculo hidráulico de la línea de conducción de la cisterna al tinaco El gasto que habrá de pasar por la línea de conducción de la cisterna al tinaco será el gasto de bombeo el cual se obtendrá con la siguiente expresión:

QB =

24 Qmd hbom

es el gasto máximo diario, que se obtiene con la expresión: Qmd = Qm ⋅ K d , con K d Æ coeficiente de variación diaria, cuyo valor promedio es K d = 1.2 . donde

Qmd

Los coeficientes de variación diaria u horaria indican que existen días y horas en las que el consumo de agua es mayor al promedio, de acuerdo al tipo de servicios, costumbres, clima, estación del año, cantidad y calidad del agua. Los valores promedio son: Coeficiente de variación diaria: K d = 1.2 Coeficiente de variación horaria: K h = 1.5 Carga disponible en la salida del flotador del tinaco: 3.0 m.c.a. 7. Cálculo de la potencia del motor de la bomba. La potencia del motor de la bomba se obtiene con la siguiente expresión: Pb =

QB H γ 76 η

donde: H = hes + hed + hf + hl + ht La carga estática de succión (hes) será igual a la distancia vertical entre el eje de la bomba y el origen de la succión. Análogamente, la carga estática de descarga (hed) será la distancia vertical entre el nivel superior del tinaco y el eje de la bomba. Para la carga de trabajo (ht) se recomienda tomar como valor promedio 1.0 m.c.a. Las pérdidas por fricción y locales se calcularán como se indica en el inciso 2.

En relación a la eficiencia del motor de la bomba η , si ésta se desconoce, se recomienda tomar el valor de 54.8 %. 8. Cálculo hidráulico del sistema de distribución de agua - Determinar el gasto de diseño utilizando el método de Hunter para cada tramo y su correspondiente gasto en lps de acuerdo a la tabla siguiente. Gastos probables en litros por segundo U.M. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

Gasto probable Tanque Válvula 0.10 0.15 0.20 0.26 0.38 0.42 0.46 0.49 0.53 0.57 0.63 0.70 0.76 0.83 0.89 0.96 1.04 1.11 1.19 1.26 1.31 1.36 1.42 1.46

No hay No hay No hay No hay 1.51 1.56 1.61 1.67 1.72 1.77 1.86 1.95 2.03 2.12 2.21 2.29 2.36 2.44 2.51 2.59 2.65 2.71 2.78 2.84

U.M. 40 42 44 46 48 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Gasto probable Tanque Válvula 1.52 1.58 1.63 1.69 1.74 1.80 1.94 2.08 2.18 2.27 2.34 2.40 2.48 2.57 2.68 2.78 2.57 3.15 3.28 3.41 3.54 3.66 3.79 3.91

2.90 2.96 3.03 3.09 3.16 3.22 3.35 3.47 3.57 3.66 3.78 3.91 4.00 4.10 4.20 4.29 4.42 4.61 4.80 4.92 5.11 5.24 5.36 5.42

U.M. 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540

Gasto probable Tanque Válvula 4.04 4.15 4.29 4.39 4.45 4.54 4.64 4.78 4.93 5.07 5.22 5.36 5.61 5.86 6.12 6.37 6.62 6.87 7.11 7.36 7.60 7.85 8.08 8.32

5.58 5.63 5.76 5.84 6.00 6.20 6.37 6.48 6.60 6.71 6.83 6.94 7.13 7.32 7.52 7.71 7.90 8.09 8.28 8.47 8.66 8.85 9.02 9.20

U.M. 560 580 600 620 640 680 700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000 1050 1100

Gasto probable Tanque Válvula 8.55 8.79 9.02 9.24 9.46 9.88 10.10 10.32 10.54 10.76 10.58 11.20 11.40 11.60 11.80 12.00 12.20 12.37 12.55 12.72 12.90 13.07 13.45 13.90

9.37 9.55 9.72 9.89 10.05 10.38 10.55 10.74 10.93 11.12 11.31 11.50 11.66 11.82 11.98 12.14 12.30 12.46 12.62 12.78 12.94 13.10 13.50 13.90

- Revisar las velocidades de proyecto. La velocidad mínima en cualquier tramo será de 0.70 m/seg y la máxima de 2.50 m/seg para evitar sedimentaciones, ruidos, vibraciones y golpes de ariete en las tuberías. De acuerdo al diámetro de la tubería se presenta la siguiente tabla de velocidades óptimas recomendadas.

Velocidades óptimas recomendadas. Diámetro nominal (mm)

Velocidad recomendada (m/s)

13 19 25 32 38 y mayores

0.9 1.3 1.6 2.15 2.50

- Revisar las presiones de trabajo: de acuerdo con la tabla 2.15 de las NTCIH para cada uno de los muebles alimentados. - Diámetros mínimos recomendados: para verificar y complementar el cálculo del diámetro de las tuberías, se presentan a continuación los diámetros mínimos de alimentación de algunos muebles sanitarios. Si se conocen las especificaciones del fabricante, se deberán utilizar los diámetros mínimos indicados en éstas de acuerdo al tipo de mueble. Diámetros mínimos recomendados para alimentación de muebles sanitarios. Mueble Excusado fluxómetro Excusado tanque Mingitorio fluxómetro Regadera

Diámetro nominal (mm)

Mueble

Diámetro nominal (mm)

25

Tina de inmersión

13

13

Vertedero

13

19

Llave de agua

13

13

Manguera

13

- Selección de diámetros: dependiendo del tipo de sistema utilizado (por gravedad o por bombeo), se calcularán los diámetros de acuerdo a lo indicado en el inciso 1 y se seleccionarán los diámetros comerciales que mejor se ajusten. 9. Ejemplo de aplicación En la siguiente figura obtenida del Manual de Instalaciones del Ing. Sergio Zepeda se puede observar el cálculo realizado para los dos tipos de sistema en una edificación. Cabe hacer notar que las cargas disponibles

(Hdisp) son adecuadas para los muebles que alimentan, por lo cual se considera correcto el diseño.

A continuación se presentan la simbología y algunos términos comúnmente utilizados en los planos de instalaciones hidráulicas.

Representación gráfica de conexiones y juegos de conexiones (Planta e isométrico)