DISEÑO DE RED DE ACUEDUCTO Y TANQUE DE ALMACENAMIENTO PROY

DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE

2010

DISEÑO DE UNA RED DE 2010

DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE

GUILLERMO JESÚS ACUÑA ROBLES DELIA MARÍA CURIEL CASTELLAR JOHAN VILLALBA HERRERA CLAUDIA NATALI VELOSA PÉREZ PROYECTO FINAL DE SANITARIA

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CONTENIDO 1

INTRODUCCION ........................................................................................................................... 3

2

OBJETIVOS ................................................................................................................................... 4

3

4

2.1

GENERAL.............................................................................................................................. 4

2.2

ESPECÍFICOS ........................................................................................................................ 4

CONCEPTOS PREVIOS .................................................................................................................. 5 3.1

Red De Distribución ............................................................................................................. 5

3.2

Elementos Hidráulicos En La Red ........................................................................................ 6

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO PLANTEADO ................................................................................. 9 4.1

DESCRIPCIÓN ....................................................................................................................... 9

4.2

LOCALIZACIÓN ..................................................................................................................... 9

4.3

CARACTERÍSTICAS DE LA POBLACIÓN ................................................................................. 9

4.3.1 5

DENSIDAD Y ESTRATIFICACIÓN: .................................................................................. 9

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO ESTIPULADO POR RAS 2000 ......................................................... 9 5.1

PASO 1 - Definición del nivel de complejidad del sistema (RAS2000 B.1.3.1) .................... 9

5.2

PASO 8 - Diseño y requerimientos técnicos (RAS2000 B.1.3.8) ........................................ 10

5.2.1

Estudios previos (RAS2000 B.7.2.1)........................................................................... 10

5.2.2

Condiciones generales (RAS2000 B.7.2.1) ................................................................. 14

5.2.3

Parámetros de diseño (RAS2000 B.7.2.1) ................................................................. 14

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1 INTRODUCCION

La red de distribución es la parte del sistema de abastecimiento de agua potable integrada por las tuberías de alimentación y accesorios, por medio de la cual se lleva agua por medio de servidumbres hasta las tomas domiciliarias para su entrega a los usuarios. Su correcto funcionamiento depende de un diseño adecuado, de la selección cuidadosa de los materiales a utilizar, de la mano de obra calificada para su instalación, de la correcta supervisión de la ejecución de la obra y de una operación y conservación eficiente. El siguiente documento presenta los pasos de diseño y la correspondiente memoria de cálculo de una red de distribución para un sector de la ciudad de Cartagena de Indias comprendido en la zona sur – occidental.

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OBJETIVOS

2.1 GENERAL Diseñar una red de distribución de agua potable y su tanque de reserva utilizando la aplicación informática EPANET.

2.2 ESPECÍFICOS 

Determinar los diámetros, velocidades, pérdidas y presiones dentro de la red verificando que cumpla con los requisitos mínimos establecidos por norma.



Definir la altura del tanque de reserva.



Realizar el diseño siguiendo los parámetros que establece el RAS 2000 para el diseño de redes de distribución de agua potable.

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3 CONCEPTOS PREVIOS 3.1 Red De Distribución Una red de distribución de agua es un conjunto de elementos hidráulicos como bombas, depósitos, tuberías y uniones, utilizados para distribuir agua en una zona determinada. Estas tuberías son diseñadas de tal forma que tengan la capacidad de transportar el caudal necesario para atender la demanda máxima horaria. Cuando se presenta la demanda máxima horaria la red debe tener la capacidad de soportar una presión mínima en cualquier punto de 10mca y una máxima de 60mca. Las tuberías de la red principal que componen el sistema de abastecimiento deben ubicarse cerca de los grandes consumidores y de las áreas de mayores consumos específicos, las áreas de mayor consumo deben servirse de los conductos principales y las de menor consumo deben servirse de los conductos secundarios, formando en lo posible un sistema de redes malladas, conectando las conexiones domiciliarias a las redes secundarias. Las tuberías secundarias deben formar circuitos cerrados siempre que: 

El área por abastecer sea mayor a 1Km2



La distancia promedio entre las tuberías secundarias paralelas sea mayor de 250m



La distancia entre la tubería secundaria que se ubica más próxima al límite del área a abastecer y el perímetro de esta área sea igual o mayor que 150m.

Dentro de la red podemos distinguir los siguientes componentes: 5

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 



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Elemento: Componente de la red, como puede ser un tramo de una conducción, una válvula, una bomba, de tal manera que se tenga un comportamiento hidráulico muy bien definido. Línea: Conjunto de elementos de una red conectados entre dos puntos, a los cuales se les puede asociar una ecuación constitutiva que permita caracterizar el comportamiento global de los elementos que constituyen la línea. Es decir, una relación entre el caudal circulante y la diferencia de alturas piezométricas existente entre ambos extremos de la línea. Nudo: Cada uno de los extremos de una línea. O bien, punto de la red en la que se conectan dos o más líneas. A su vez los nudos los podemos clasificar como: a. Nudos Fuente: Punto de la red que recibe un aporte externo de caudal b. Nudos de Consumo: Punto de la red en el que se realiza una extracción de caudal. c. Nudo de Conexión: Punto en el que no existe ninguna aportación o extracción de caudal, o lo que es lo mismo, sólo existe una transferencia de caudal entre dos o más líneas.

Figura 1. Componentes de una Red de distribución.

3.2 Elementos Hidráulicos En La Red 

Malla: Se trata de un circuito cerrado formado por varias líneas. Puede tener o no otras mallas en su interior. Las redes conformadas por mallas son redes en las cuales existe un tramo principal y de este se desprenden ramificaciones que terminan en puntos ciegos o en pequeñas mallas. Este tipo de trazado se utiliza cuando la topografía no permite la interconexión entre ramales, o debido a que el desarrollo de las zonas a alimentar adopta esta configuración.

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Las líneas se caracterizan por mantener a lo largo de su longitud unas características uniformes de sección y material. Las formas que en que estas se asocian dan lugar a redes, las cuales se clasifican como ramificadas, malladas o mixtas. Las tuberías de este tipo de red de distribución se clasifican de acuerdo con la cantidad de caudal que transportan en: a. Redes Matrices o Troncales b. Redes Principales c. Redes Secundarias o de Relleno Para la configuración de las mallas principales se pueden adoptar los siguientes criterios: a. Tramos no mayores de 500m b. Diámetros mayores a 10” c. No alimentan servicios domiciliarios   







Redes Ramificadas: Una red ramificada intuitivamente se pude reconocer por su forma estructural de árbol. Redes Malladas: Se caracterizan por la existencia de mallas básicas, y cualquier par de puntos de la red puede ser unido por al menos dos trayectorias distintas. Tubería: Son conductos que cumplen la función de transportar agua. Se suele elaborar con materiales muy diversos en función de consideraciones técnicas y económicas. Suele usarse el hierro fundido, acero, latón, cobre, plomo, hormigón, polipropileno, PVC, de alta densidad (PEAD). Tanque De Almacenamiento: Los tanques de almacenamiento se utilizan para compensar las variaciones de consumo, mantener las presiones, proporcionar agua necesaria para necesidades urgentes tales como la extinción de incendios o en caso de averías accidentales. Estos, representan el enlace entre la red de distribución y el sistema de provisión. Con el fin de mantener unas presiones adecuadas en la red de distribución. Válvulas: La red de distribución debe proveerse de válvulas de compuerta o mariposa que deben ubicarse de tal forma que permitan aislar un sector o una zona de servicio. Si se aísla parte del sistema, debe poder mantenerse el servicio de agua en el resto de la población. Para el nivel bajo de complejidad solo será suficiente prever una única válvula en la tubería que alimenta toda la red de distribución de agua potable. Deben instalarse válvulas de corte por lo menos cada 1500m. En todos los puntos de empate, entre tuberías de distinto diámetro, la válvula debe colocarse en la tubería de diámetro menor. Hidrantes: El sistema de hidrantes consiste en una red de tuberías conectadas a un sistema de bombeo o suministro de agua. A esta red se conectan gabinetes internos, los cuales están provistos de válvulas de control, mangueras, llaves para hidrantes. 7

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Los diámetros mínimos de los hidrantes contra incendios, colocados en la red de distribución, dependen del nivel de complejidad del sistema:

a. Para los niveles de complejidad bajo y medio el diámetro mínimo es de 75mm (3”). b. Para los niveles de complejidad medio alto y alto, los diámetros mínimos corresponden a 10mm (4”), para sectores comerciales e industriales, o zonas residenciales con alta densidad. c. Para las zonas residenciales con densidades menores a 200Hab/Ha, el diámetro mínimo corresponde a 75mm (3”). Los hidrantes deben instalarse en tuberías con un diámetro mínimo de 75mm (3”) y a una distancia entre ellos de 300m. Cada hidrante debe llevar su propia válvula de pie para aislarlo de la red. Serán ubicados preferiblemente en las esquinas, en las intersecciones de dos calles y sobre la acera y deberán descargar como mínimo un caudal de 5lps. Se recomienda un radio de acción de los hidrantes de 500m y para el diseño de la red se recomienda un hidrante funcionando en uso simultáneo, por cada 25000 habitantes. En áreas comerciales, industriales o residenciales con una densidad superior a 200Hab/Ha, los hidrantes deben tener una capacidad mínima de 20 lps.

Figura 2. Esquema de un Hidrante.



Velocidad: Las velocidades presentes en cada uno de los tramos deben oscilar entre 0.3m/s y 2.5m/s, con el fin de evitar depósitos o sedimentos en la tubería y que se presenten grandes pérdidas. 8

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4 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO PLANTEADO 4.1 DESCRIPCIÓN Se trata de un proyecto diseño de red de acueducto y su correspondiente almacenamiento según los parámetros definidos por el RAS 2000.

tanque de

4.2 LOCALIZACIÓN

El área influencia del proyecto está delimitada por las Coordenadas, (847078.4875; 1640028.0737) superior derecho y (845849.0552; 1639269.8718) inferior izquierdo, correspondiente a la zona suroccidental de la ciudad de Cartagena de Indias. El proyecto abarca un área aproximada de 71 Ha.

4.3 CARACTERÍSTICAS DE LA POBLACIÓN 4.3.1 DENSIDAD Y ESTRATIFICACIÓN: El Plan de Ordenamiento Territorial ha definido las densidades de población en las manzanas de la zona de estudio con un valor de 275hab/Ha correspondiente a estrato 6.

5 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO ESTIPULADO POR RAS 2000 5.1 PASO 1 - Definición del nivel de complejidad del sistema (RAS2000 B.1.3.1) Debe definirse el nivel de complejidad del sistema, según se establece en el capítulo A.3 del RAS 2000 para cada uno de los componentes del sistema. TABLA A.3.1 .ASIGNACIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD Nivel de complejidad Bajo Medio Medio Alto Alto

Población en la zona urbana (habitantes) < 2500 2501 a 12500 12501 a 60000 > 60000

Capacidad económica de los usuarios Baja Baja Media Alta 9

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5.2 PASO 8 - Diseño y requerimientos técnicos (RAS2000 B.1.3.8) El diseño de cualquier componente de un sistema de acueducto debe cumplir con los requisitos mínimos establecidos en el presente Título, según los literales establecidos en la tabla B.1.1. El diseño de cualquier sistema de acueducto debe someterse a una evaluación socioeconómica y estar sujeto a un plan de construcción, operación, mantenimiento y expansión de costo mínimo, siguiendo lo establecido en el capítulo A.8 del RAS 2000. 5.2.1 Estudios previos (RAS2000 B.7.2.1)

5.2.1.1 Concepción del proyecto (RAS2000 B.7.2.1) Durante la concepción del proyecto deben definirse criterios técnicos y económicos que permitan comparar todas las alternativas posibles para la red de distribución del municipio, a partir de los datos de campo, geológicos, urbanísticos, demográficos (poniendo énfasis especial en los casos de etnias minoritarias) y de consumo de la población que se va a abastecer. Los sistemas de distribución de agua potable deben cumplir con los siguientes requisitos principales: 1. Suministrar agua potable a todos los usuarios en la cantidad y calidad necesarias y exigidas por este código. 2. Proveer suficiente agua para combatir incendios en cualquier punto del sistema. 3. Proveer agua para otros tipos de uso, tales como fuentes, servicios públicos etc. La concepción del proyecto de la red de distribución debe incluir, entre otras, las siguientes actividades: a. b. c. d.

Definición de los caudales para el dimensionamiento de la red de distribución. Delimitación del perímetro sanitario, perímetro de servicio o del área total. Delimitación clara de las zonas de presión. Fijación de las capacidades de los tanques de distribución y compensación localizados dentro de la red de distribución. e. Análisis del sistema de distribución existente, con el objetivo de aprovechar eficientemente las tuberías existentes. f. Trazado de los conductos principales y secundarios de la red. g. Dimensionamiento de cada uno de las tuberías de la red. En caso de que se trate de una ampliación debe establecerse claramente cuáles de los tubos existentes deben ser redimensionados y cambiados. h. Localización y dimensionamiento de los equipos y accesorios destinados al funcionamiento y la operación del sistema de distribución de agua potable. 10

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i. j.

Definición de las etapas de ejecución del sistema de distribución de agua potable. Especificación de las obras, los materiales y los equipos que conforman la red de distribución. k. Estimación de los costos de diseño de construcción del sistema de distribución.

5.2.1.2 Rango de población (RAS2000 B.7.2.2) Para estimar el rango de la población por abastecer mediante la red de distribución de agua potable, debe tenerse en cuenta todo lo establecido en el capítulo B.2 - POBLACIÓN, DOTACIÓN Y DEMANDA, del título B del RAS 2000. En especial debe tenerse en cuenta lo establecido en los literales B.2.2 y B.2.7.

5.2.1.3 Estudios de demanda (RAS2000 B.7.2.5) El diseñador debe conocer el estudio de la demanda de agua para el municipio por abastecer, o en su defecto debe realizar este estudio, siguiendo lo establecido en el literal B.2, POBLACIÖN, DOTACIÖN y DEMANDA, del título B del RAS 2000

5.2.1.4 Aspectos generales de la zona por abastecer (RAS2000 B.7.2.7) Deben conocerse todos los aspectos generales de la zona que va a ser abastecida por la red de distribución. En general, deben conocerse los regímenes de propiedad y los usos generales de la zona, así como los requerimientos básicos y usos del agua que va a ser suministrada. En particular, debe quedar plenamente establecido cuales son los terrenos de propiedad del estado, del departamento o del municipio. Con el fin de establecer concretamente los aspectos generales de la zona donde va a localizarse la red de distribución objeto de diseño, construcción o ampliación, debe conocerse el levantamiento topográfico planialtimétrico del municipio y de sus áreas de expansión, en el que figuren:

          

El perímetro urbano. Distribución espacial de la población y de la demanda. Las calles aprobadas existentes y las aprobadas por la oficina de planeación municipal. Plan de expansión vial. Las áreas de expansión futuras, previstas en el plan de desarrollo del municipio. Las áreas cuyo desarrollo futuro es evidente. La indicación del número de edificios en cada manzana del municipio. Las áreas en donde el desarrollo urbano se encuentre prohibido. Las vías de ferrocarril y carreteras intermunicipales existentes y proyectadas. Los cursos de agua con sus obras de canalización, tanto las existentes como las proyectadas. Los puentes, viaductos y otros pasos de cursos de agua, vías públicas o calles.

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Además, deben conocerse los planos de urbanización y los tipos de pavimento en uso y previstos, así como el levantamiento minucioso de todas las partes del sistema de distribución existente, debidamente localizadas en planos topográficos. Además, debe conocerse la localización de otras redes de distribución de diferentes servicios públicos, tales como alcantarillados, redes de distribución de gas domiciliario, redes de teléfono y redes de energía.

5.2.1.5 Estudios topográficos (RAS2000 B.7.2.8) El diseñador debe recopilar la siguiente información topográfica  

 

Planos aerofotogramétricos del municipio donde va a diseñarse, construirse o ampliarse la red de distribución. Planos de catastro de instalaciones de sistemas de infraestructura, tales como energía, teléfonos, alcantarillados de aguas lluvias, alcantarillados de aguas negras y otras obras de infraestructura. En caso de que existan, a nivel del pre – diseño y del diseño de las redes de distribución deben utilizarse los planos del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), a escala 1: 2000 Fotografías aéreas existentes para el municipio, que incluyan la zona donde va a diseñarse, construirse o ampliarse la red de distribución de agua potable. Los planos de catastro o inventario de redes existentes que tengan relación con la red que va a diseñarse, construirse o ampliarse.

5.2.1.6 Recomendaciones sobre el trazado de la red de distribución (RAS2000 B.7.2.11) Para el trazado de la red de distribución deben tenerse en cuenta las siguientes recomendaciones : 1. Las tuberías de la red matriz deben ubicarse cerca de los grandes consumidores y de las áreas de mayores consumos específicos buscando, además, optimizar las longitudes de las tuberías. 2. Deben analizarse las redes menores existentes evaluando sus necesidades de refuerzo y ubicar en las redes matrices los nodos de caudal y presión necesarios y futuras interconexiones. 3. Debe evitarse ubicar las tuberías en calles que ya tengan implantadas tuberías de acueducto de diámetros mayores. 4. Deben utilizarse al máximo las áreas públicas evitando adquisiciones o expropiaciones de terrenos particulares. 5. Para tuberías nuevas con diámetros mayores a 300 mm (12 pulgadas), deben evitarse vías públicas con tráfico intenso y con dificultad de manejo de tráfico durante la ejecución de las obras.

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6. Deben evitarse interferencias principalmente con estructuras mayores u otros servicios, y aquellas cuya relocalización sea costosa o presente dificultades técnicas importantes. 7. Deben evitarse rutas junto a quebradas o cañadas en donde normalmente existe concentración de servicios de aguas lluvias y alcantarillado, así como la ocurrencia de suelos aluviales y nivel freático elevado. 8. Deben buscarse rutas con topografía suave, evitando piezas especiales y accesorios. 9. Deben minimizarse los desvíos e interrupciones del tráfico durante la ejecución de la obra. 10. Debe disminuirse la cantidad de rotura y la reconstrucción de pavimentos, seleccionando hasta donde sea posible zonas verdes y sin pavimentar. 11. En todos los casos la localización de las redes matrices nuevas dependerá esencialmente de las tuberías matrices existentes, tratando de aprovechar al máximo la prolongación de ellas y la integración de las mismas. 12. Deben disponerse las tuberías de mayor diámetro formando una red enmallada sin puntos aislados teniendo en cuenta los sistemas separados para control de presión y la zonificación de las áreas de consumo. 13. Debe hacerse un análisis de los servicios existentes en la zona y una consulta con las diferentes entidades públicas, con el fin de localizar los servicios existentes o proyectados para reducir al mínimo las interferencias durante el período de construcción. Además de lo anterior, deben seguirse las siguientes recomendaciones: 1. Las áreas de mayor consumo deben servirse de los conductos principales. 2. Las áreas de menor consumo deben servirse de los conductos secundarios, formando en lo posible redes enmalladas. 3. Se aceptan tramos secundarios abiertos siempre y cuando terminen en conexiones domiciliarias o en tapones provistos de válvula de purga, que sirvan para la limpieza de la tubería o para expansiones futuras del sistema. 4. No deben proyectarse redes de distribución en las zonas de población dentro del perímetro urbano cuya densidad sea menor que 30 habitantes por hectárea, a menos que sean identificadas y justificadas como zonas de desarrollo urbano, con base en la tendencia de crecimiento de la vivienda del municipio o en planes masivos dentro del perímetro urbano, y que su costo no encarezca desproporcionadamente el sistema en razón de sus características y ubicación. 5. No deben proyectarse redes de distribución en aquellas zonas que sean inundables periódicamente por el mar o por las crecientes de ríos, salvo cuando sea imprescindible ubicar algún conducto principal por zonas de tales características.

5.2.1.7 Áreas por abastecer (RAS2000 B.7.2.12)

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El área por abastecer debe contener la población de proyecto y las áreas industriales y comerciales presentes y resultantes de la expansión futura. En caso de que en el municipio no exista un plan de desarrollo, deben considerarse como áreas de expansión aquellas que presenten un desenvolvimiento promisorio relacionado con factores que estimulen el crecimiento de la región. El área por abastecer debe ser definida mediante la interrelación con carreteras calles, ríos y otros accidentes geográficos y debe ser demarcada en planos espacialmente reservados para esa finalidad, cuya escala permita mostrar las características geométricas del municipio y los accidentes geográficos utilizados para la demarcación. Para los niveles medio alto y alto de complejidad, en el caso de redes para urbanizaciones, debe observarse adicionalmente los siguientes requisitos: 1. Todo proyecto de urbanizaciones debe cumplir con lo dispuesto en el decreto 951 del 4 de mayo de 1989, del Departamento Nacional de Planeación o el que lo reemplace, el cual establece el reglamento general (ley 142/94 título VIII), o la que la reemplace, para la prestación de los servicios de acueducto y alcantarillado en todo el territorio nacional. 2. El constructor debe empatar la red de la urbanización a las redes oficiales en el diámetro aprobado por la empresa prestadora del servicio municipal. La extensión sólo debe hacerse por vías o fajas públicas. 3. En las urbanizaciones no se considera como red asociada a la red del municipio las tuberías de acueducto de diámetro inferior a 50 mm (2 pulgadas). Por lo tanto, el urbanizador debe construir la red proyectada cuando existan tuberías de acueducto con diámetro inferior a 50 mm (2 pulgadas). 4. En ningún caso el constructor puede operar las válvulas de las redes que ya tengan servicio, incluidas las de la urbanización misma.

5.2.2 Condiciones generales (RAS2000 B.7.2.1) 5.2.3 Parámetros de diseño (RAS2000 B.7.2.1)

Para el diseño de sistemas de acueducto se definen los parámetros de diseño que proporciona el RAS 2000 a fin de garantizar y cumplir con la normatividad vigente.

4.1 NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA 4.3 DOTACIÓN NETA MÍNIMA SEGÚN EL NIVEL DE COMPLEJIDAD 14

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Son los valores de consumo per cápita de acuerdo a los niveles de complejidad del proyecto. TABLA B.2.2 DOTACIÓN NETA SEGÚN EL NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA Bajo Medio Medio alto Alto

DOTACIÓN NETA MÍNIMA (L/HAB·DÍA ) 100 120 130 150

DOTACIÓN NETA MÁXIMA (L/HAB·DÍA) 150 175 -

Para efectuar los cálculos de los caudales de diseño se aplica la siguiente tabla, donde se definen los rangos de consumo según el POT para cada estrato socioeconómico. ESTRATO SOCIOECONÓMICO 1 2 3 4 5 6

RANGO DE CONSUMOS LTS/HAB/DIA 100 – 130 130 – 150 150 – 180 180 – 220 220 – 280 280 – 350

4.4 CAUDAL MEDIO DIARIO El caudal medio diario, Qmd, es el caudal medio 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 y puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

Q md 

p  d bruta 86400

4.5 CAUDAL MÁXIMO DIARIO El caudal máximo diario, QMD, corresponde al consumo máximo registrado durante 24 horas durante un período de un año. Se calcula multiplicando el caudal medio diario por el coeficiente de consumo máximo diario, k1. (Véase TABLA B.2.5) El caudal máximo diario se calcula mediante la siguiente ecuación: QMD = Qmd k1 TABLA B.2.5. Coeficiente de consumo máximo diario, k1, según el Nivel de Complejidad del Sistema 15

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Nivel de complejidad del sistema Bajo Medio Medio alto Alto

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Coeficiente de consumo máximo diario - k1 1.30 1.30 1.20 1.20

4.6 Caudal máximo horario 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, (véase B.2.7.5) según la siguiente ecuación QMH =QMD·k2 TABLA B.2.6 Coeficiente de consumo máximo horario, K2, SEGÚN el Nivel de Complejidad del Sistema y el tipo de red de distribución. Nivel de complejidad del sistema Bajo Medio Medio alto Alto

Red menor de distribución 1.60 1.60 1.50 1.50

Red secundaria

Red matriz

1.50 1.45 1.45

1.40 1.40

4.7. CÁLCULO DE CAUDALES POR NODO La determinación de caudales de consumo para cada uno de los nodos de la red debe efectuarse por el método de las áreas o por el método de la repartición media. En el caso de redes simétricas y más o menos uniformes, también puede utilizarse el método de la longitud abastecida. 4.7.1 Método de las áreas En este método se determinan las áreas de influencia correspondientes a cada uno de los nodos de la red, para luego aplicar el caudal específico unitario (l/s/ha) determinado para cada tipo de área de abastecimiento y correspondiente al año horizonte del proyecto. Qi = Ai · Qe

(B.7.1)

4.8 HIDRANTES Los hidrantes deben instalarse en tuberías con un diámetro mínimo de 75 mm (3 pulgadas) y a una distancia máxima entre ellos de 300 m. Cada hidrante llevará su propia válvula para aislarlo de la

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red. Se ubicarán de preferencia en las esquinas, en las intersecciones de dos calles y sobre la acera, para un mejor acceso. En áreas comerciales, industriales o residenciales con una densidad superior a 200 habitantes por hectárea, los hidrantes deben tener una capacidad mínima de 20 L/s. Para el área restante del municipio la capacidad mínima debe ser de 5 L/s. 4.9 PRESIONES MÍNIMAS 4.9.1 Presiones mínimas en la red La presión mínima en la red depende del nivel de complejidad del sistema, tal como se especifica a continuación: TABLA B.7.4 Presiones mínimas en la red de distribución NIVEL DE COMPLEJIDAD BAJO MEDIO MEDIO ALTO ALTO

PRESIÓN MÍNIMA (KPa) 98.1 98.1 147.2 147.2

PRESIÓN MÍNIMA (METROS) 10 10 15 15

4.10 Diámetros de las tuberías en la red de distribución 4.10.1 Diámetros internos mínimos en la red matriz Para aquellos casos de los niveles bajo y medio de complejidad en los cuales exista una red matriz y para los niveles medio alto y alto de complejidad, los diámetros mínimos para la red matriz se describen en la TABLA B.7.5 TABLA B.7.5 Diámetros mínimos de la red matriz NIVEL DE COMPLEJIDAD BAJO MEDIO MEDIO ALTO ALTO

Diámetro mínimo 64 mm (2.5 pulgadas) 100 mm (4 pulgadas) 150 mm (6 pulgadas) 300 mm (12 pulgadas) o más según diseño

4.10.2 Diámetros internos mínimos en las redes menores de distribución El valor del diámetro mínimo de las redes menores de distribución depende del nivel de complejidad del sistema y del uso del agua, tal como se muestra en la TABLA B.7.6 17

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TABLA B.7.6 Diámetros mínimos de la red menor de distribución NIVEL DE COMPLEJIDAD Bajo Medio Medio alto Alto

DIÁMETRO MÍNIMO 38.1 mm (1.5 pulgadas) 50.0 mm (2.0 pulgadas) 100 mm (4 pulgadas). 63.5 mm (2 ½ pulgadas) 150 mm (6 pulgadas) 75 mm (3 pulgadas)

Zona comercial e industrial Zona residencial Zona comercial e industrial Zona residencial

4.10.3 Diámetros comunes comerciales para la red de distribución

En la TABLA B.7.7 se diámetros que pueden diseño y/o la de distribución. TABLA B.7.7 Diámetros para las tuberías de una

5.

PROCEDIMIENTO

MILÍMETROS 38.1 50.0 63.5 75.0 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 675 700 750 900 1000 1050 1200 1500

PULGADAS 1.5 2 2.5 3 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 27 28 30 36 40 42 48 60

establecen los ser utilizados para el construcción de una red

comunes comerciales red de distribución

DEL DISEÑO

5.1 DEFINICIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD: El nivel de complejidad se define de acuerdo a la capacidad económica de los consumidores y al número de habitantes. La zona de estudio se encuentra en la ciudad de Cartagena de indias la cual es una población de más de 60000 habitantes en su zona urbana, por tanto, de acuerdo con la TABLA A.3.1 del RAS 2000 (reseñada en el numeral 4.1 de este documento) se fija el nivel de complejidad para este proyecto como ALTO. 5.2 DEFINICIÓN del periodo de diseño: Al tratarse de un proyecto con nivel de complejidad Alto se fija el periodo de diseño a 30 años, de acuerdo a la TABLA B.2.2 del RAS 2000 (reseñada en el numeral 4.2.1 de este documento). 18

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5.3 DEFINICIÓN de la dotación NETA MÍNIMA: El POT define rango de consumos según la estratificación socio-económica como se muestra en el numeral 4.3. De acuerdo a ello se tiene una dotación de 350 lts/hab/día 5.4 determinación del número de habitantes: Se calcula el número de habitantes por manzana de la zona de influencia del proyecto a partir de su densidad y su área (población = densidad*área).

Manzana Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ∑

Área (m2) 4724,594 3012,894 3078,820 3166,726 3740,602 1767,360 1819,364 1783,152 4392,352 2847,278 3153,246 3364,732 3824,522 8234,554 3079,956

Área (Ha) 0,472 0,301 0,308 0,317 0,374 0,177 0,182 0,178 0,439 0,285 0,315 0,336 0,382 0,823 0,308 70,28

Población 130 83 85 87 103 49 50 49 121 78 87 93 105 226 85 19327

5.5 DETERMINACIÓN DE LOS CAUDALES: Se establece inicialmente el caudal medio horario y posteriormente los caudales máximo diario y máximo horario. El RAS define las expresiones a emplear para el cálculo de estos caudales (como se reseña en los numerales 4.4, 4.5 y 4.6 de este documento). Al tratarse de una red segundaria de nivel de complejidad alto se toman los siguientes valores para los coeficientes de consumo de acuerdo a lo establecido por el RAS en las TABLA B.2.5- B.2.6 respectivamente:

Manzana Nº 1 2

Qmd

QMD

QMH

0,526 0,336

0,632 0,403

0,884 0,564 19

DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ∑

0,343 0,353 0,417 0,197 0,203 0,199 0,489 0,317 0,351 0,375 0,426 0,917 0,343

0,412 0,423 0,500 0,236 0,243 0,238 0,587 0,381 0,422 0,450 0,511 1,101 0,412

2010

0,576 0,593 0,700 0,331 0,340 0,334 0,822 0,533 0,590 0,630 0,716 1,541 0,576 131,53

5.6 Repartición de caudales por nudo: Inicialmente se hace el trazado de la tubería que abastecerá a la comunidad del área de influencia del proyecto, al tiempo que se establecen los nudos del sistema Posteriormente se distribuye el área que abastecerá cada nudo teniendo en cuenta lo estipulado por el RAS en el numeral B.7.4.9. Se selecciona como método de cálculo el de las áreas. Para el cálculo de los caudales por nudo se emplea la expresión B.7.1.

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DISTRIBUCIÓN DE LA RED DE ABASTECIMIENTOS DE LOS NUDOS

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DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE

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CAUDALES DE DISEÑO POR NUDO NUDO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 ∑

QMH 0,884 0,564 0,576 0,593 0,700 0,331 0,340 0,334 0,822 0,533 0,590 0,630 0,716 1,541 0,576 131,53

5.7 DISEÑO DEL HIDRANTE: Se seleccionan los nudos 7, 106, 95, 232, 183 intersecciones en esquinas cada 300 mts para la ubicación del hidrante, atendiendo la especificación del RAS en cuanto a que cada uno de estos elementos puede barrer como máximo un radio de 300 m, como se muestra en el numeral 4.8. Se le asigna un caudal de 15 lts/seg, cumpliendo con la capacidad mínima estipulada por el RAS. Por tanto el caudal correspondiente por ejemplo al nudo 7 pasa de 2.763 lts/seg a 17.763 lts/seg. La parte superior del hidrante debe pintarse de color rojo.

Ubicación del hidrante

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2010

5.8 DISEÑO DEL TANQUE DE ABASTECIMIENTO El tanque de almacenamiento compensará las variaciones existentes de consumo, debe tener una capacidad tal que satisfaga las necesidades de la población, cuando se tenga la hora de máximo consumo, y suplir cualquier eventualidad que se presente. Los tanques cumplen tres funciones principales a saber:   

Compensar las variaciones horarias de consumo. Mantener las presiones de servicio en la red. Mantener almacenada cierta cantidad de agua para atender situaciones de emergencia (incendios) e interrupciones (daños, mantenimiento).

5.8.1 CAUDAL DE DISEÑO 1. El tanque debe proveer el caudal máximo horario (QMH), teniendo en cuenta la variación del consumo que se entrega a la zona que está abasteciendo. 5.8.2 CAPACIDAD DE REGULACIÓN 24

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2. El tanque debe tener capacidad de compensar las variaciones entre el caudal de entrada de las plantas de tratamiento y el caudal de consumo en cada instante. 3. Para definir el volumen del tanque deben tenerse en cuenta las siguientes disposiciones: 1. Debe hacerse un análisis por métodos gráficos o analíticos, con base en curvas de demanda de cada población o zona abastecida y del régimen previsto de alimentación de los tanques. El volumen que va a ser almacenado será igual al volumen calculado multiplicado por un factor de 1.2. 2. En el nivel bajo de complejidad, si no existen datos que describan las curvas de variación del consumo horario, el volumen almacenado será igual a 1/3 del volumen distribuido a la zona que va a ser abastecida en el día de máximo consumo, garantizando en todo momento las presiones adecuadas. 3. En los niveles medio y medio alto de complejidad, en caso de preverse discontinuidad en la alimentación al tanque, el volumen de almacenamiento debe ser igual o mayor que 1/3 del volumen distribuido a la zona que va a ser abastecida en el día de máximo consumo, más el producto del caudal medio diario (Qmd) por el tiempo en que la alimentación permanecerá inoperante. 4. Para el nivel alto de complejidad el volumen de regulación debe ser ¼ del volumen presentado en el día de máximo consumo.

5.8.3 CAPACIDAD DEL TANQUE  Compensación de las variaciones horarias: La capacidad requerida para compensar dichas variaciones en los consumos, estará basada en la curva representativa de las demandas durante las 24 horas del día y en la condición de conducción de agua al estanque, de forma tal que se produzca un equilibrio entre los caudales de llegada y salida que garanticen un servicio continuo y eficiente.  Reserva para emergencia por incendio: El volumen adicional para combatir incendios será el que resulte de considerar un incendio de duración entre 2 a 4 horas.

Horas 0_1 1_2 2_3 3_4

CURVA DE MODELACION Demanda Horaria 0,45 0,48 0,55 0,70

Consumo por hora 59,81 63,80 73,10 93,04 25

DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE

4_5 5_6 6_7 7_8 8_9 9_10 10_11 11_12 12_13 13_14 14_15 15_16 16_17 17_18 18_19 19_20 20_21 21_22 22_23 23_24

0,85 0,95 1,00 0,95 0,85 0,75 0,65 0,60 0,75 0,85 0,80 0,70 0,65 0,63 0,68 0,65 0,55 0,50 0,47 0,46

2010

112,98 126,27 132,91 126,27 112,98 99,69 86,39 79,75 99,69 112,98 106,33 93,04 86,39 83,74 90,38 86,39 73,10 66,46 62,47 61,14

A continuación se muestra una curva de modulación del acueducto, en función de la variación horaria del consumo.

GRAFICO N0 1.

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DEMANDA POR HORA 140.00 120.00

DEMANDA

100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 HORAS

5.8.4 CALCULOS DEL VOLUMEN DEL TANQUE DE ABASTECIMIENTO Para el cálculo del volumen del tanque se presenta la siguiente tabla de cálculos donde se muestra la variación del consumo durante el día. Horas

Abastecimiento

Demanda Horaria

Demanda Horaria Acumulada

Diferencia

Diferencia Acumulada

0_1 1_2 2_3 3_4 4_5 5_6 6_7 7_8 8_9 9_10 10_11

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0,45 0,48 0,55 0,70 0,85 0,95 1,00 0,95 0,85 0,75 0,65

0,45 0,93 1,48 2,18 3,03 3,98 4,98 5,93 6,78 7,53 8,18

0,55 0,52 0,45 0,30 0,15 0,05 0,00 0,05 0,15 0,25 0,35

0,55 1,07 1,52 1,82 1,97 2,02 2,02 2,07 2,22 2,47 2,82 27

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11_12 12_13 13_14 14_15 15_16 16_17 17_18 18_19 19_20 20_21 21_22 22_23 23_24

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0,60 0,75 0,85 0,80 0,70 0,65 0,63 0,68 0,65 0,55 0,50 0,47 0,46

8,78 9,53 10,38 11,18 11,88 12,53 13,16 13,84 14,49 15,04 15,54 16,01 16,47

0,40 0,25 0,15 0,20 0,30 0,35 0,37 0,32 0,35 0,45 0,50 0,53 0,54

2010

3,22 3,47 3,62 3,82 4,12 4,47 4,84 5,16 5,51 5,96 6,46 6,99 7,53

CURVA DE MODELACION

Diferencia Acum Vs. Horas 8

DIFERENCIA ACUM.

7 6 5 4 3 2 1 0 0

5

10

15

20

25

30

HORAS

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El abastecimiento del tanque debe satisfacer la demanda de la población. Para calcular el volumen del tanque se hace la siguiente formulación:

⁄

⁄

Para definir las dimensiones del tanque se asume una altura de tanque de 4 m. Para esta altura se procede a calcular los lados mediante la siguiente relación:

√

5.8.5 UBICACIÓN DEL TANQUE DE ABASTACIMIENTO Dicha ubicación está determinada principalmente por la necesidad y conveniencia de mantener presiones en la red dentro de los límites de servicio establecidas por las normas, en los cuales la presión mínima es de 15 mca y la máxima de 60 mca; sin embargo, parece más conveniente basar la presión mínima acorde con el número de pisos de las edificaciones, empleando la expresión: P= 1.2 (3N+6), en donde: P: Presión en metros N: Número de pisos de la edificación Considerando que la zona en estudio tiene un predominio de construcciones de 2 pisos, se obtiene entonces: P= 1.2 (3x2+6) =14.4 m = 15 m. Dado que la cota a la que se encuentra el tanque es elevada (32 m) y después de hacer la simulación de la red con EPANET, las presiones mínimas en los nudos cumplen con la normatividad dada por el RAS 2000 (para el nivel de complejidad alto corresponde a 15 mca), esto permite no elevar considerablemente el tanque, la altura de simulación es de 28m.

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5.9 modelación del SISTEMA: Se empeló el software EPANET 2.0 (U.S. Environmental Protection Agency) para evaluar el comportamiento del sistema de distribución a diseñar. Los datos introducidos al programa fueron: 5.9.1 DATOS INICIALES 5.9.1.1 Determinación de los caudales de diseño: Al tratase de una red de distribución se selecciona el caudal máximo horario como caudal de diseño. Para los nudos donde se ubicó el hidrante se tendrá en cuenta un caudal extra correspondiente al requerimiento del hidrante. 5.9.1.2 DETERMINACIÓN DE LA COTA CLAVE: Conociendo la cota natural del terreno (cota negra) se calcula la cota clave. La tubería se ubicará a una profundidad de 1.2 metros, por tanto:

5.9.1.3 SELECCIÓN DEL MATERIAL: Para la red de distribución se empleará tuberías de PVC, para el cual corresponde un coeficiente de fricción de 150.

5.9.1.4 SELECCIÓN DEL DIÁMETRO: Se tendrá en cuenta la especificación del RAS en cuanto a los diámetros mínimos permitidos según el nivel de complejidad. Para este proyecto se toma como mínimo valor para el diámetro 75 mm. Datos iniciales por nudo Los nudos en los cuales no existe demanda base es por que son accesorios de unión como tees o codos.

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Datos iniciales por tramo

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Caudal por tramo Longitud de tramos Diámetros de tuberías 5.9.2

Verificación de las presiones en los nudos: El RAS establece 15 mca como presión mínima para un sistema de nivel de complejidad alto, como se reseña en la TABLA B.7.4. De acuerdo a ello se comparan los resultados arrojados por el software, observando que para los diámetros seleccionados se cumple con este requerimiento en todos los nudos del sistema.

Presiones en los nudos

Presiones en los nudos

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2010

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5.9.3

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Verificación de las velocidades en cada TRAMO La verificación de las velocidades en los tramos del sistema es necesaria para el control de la posible sedimentación. Se tiene como valor mínimo permitido para ello a 0.3 m/s. Sin embargo al analizar los valores arrojados por el software se nota que no en todos los tramos se cumple con este requerimiento, por tanto en su operación y mantenimiento se debe prestar atención a una posible sedimentación para no generar traumatismo en la prestación del servicio y poder garantizar la presión mínima establecida por el RAS.

velocidades en cada TRAMO

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VELOCIDADES EN CADA TRAMO

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VALVULAS EN TUBERIAS

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ACCESORIOS EN NUDOS, INTERSECCIONES Y ESQUINAS

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Ø250mm PVC

Ø250mm PVC

Ø200mm PVC

Ø200mm PVC

Ø250mm PVC

DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE

2010 – 01

DISEÑO DE UNA RED DE DISTRIBUCION DE AGUA POTABLE

2010 – 01

CONCLUSIONES







Para el diseño óptimo de un sistema de suministro de agua potable es necesario adaptar las características de la población a abastecer a los valores de caudal utilizados en el diseño afectando por tanto las características físicas del sistema. El diseño de sistemas de abastecimiento de agua potable debe regirse por los parámetros registrados en el RAS 2000, documento que establece las condiciones mínimas y especificaciones de todos los elementos del sistema. Se concluye que el funcionamiento de la red de distribución esta condicionado por la presión en los nudos y las velocidades en las tuberías, parámetros que garantizan la prestación del servicio con la calidad deseada.

BIBLIOGRAFIA

 REGLAMENTO DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BÁSICO,

39

ras 2000.