Redes de Distribucion

[DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA UTILIZANDO WATERGEMS ]

JUNIO DE 2012

U NIVERSIDAD C ATÓLICA D E C UENCA , S E D E A ZOGUES U NIDAD A CADÉMICA D E I NGENIERÍA C IVIL , A RQUITECTURA Y U RBANISMO F ACULTAD DE I NGENIERÍA C IVIL

D ISEÑO DE R EDES DE D ISTRIBUCIÓN DE  A G U A P OTABLE U TILIZANDO EL P ROGRAMA WATERGEMS

HERNÁN URGILÉS URGILÉS

 J U N I O

DE

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U NIVERSIDAD C ATÓLICA D E C UENCA , S EDE A ZOGUES U NIDAD A CADÉMICA D E I NGENIERÍA C IVIL , A RQUITECTURA Y U RBANISMO F ACULTAD DE I NGENIERÍA C IVIL

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Contenido Antecedentes .................................................................................................................................... 1 Introducción ................................................................................................................................... 1 Objetivos ............................................................................................................................................. 2 Objetivo General ..........................................................................................................................2 Objetivos Específicos ....................................................................................................................2 Marco Teórico ....................................................................................................................................3 Red de Distribución ...................................................................................................................... 3 Generalidades ..........................................................................................................................3 Trazado de la red ......................................................................................................................4 Especificaciones de diseño ........................................................................................................ 5 Caudal de diseño .....................................................................................................................5 Presiones de servicio ................................................................................................................ 6 Válvulas .......................................................................................................................................6 Velocidad de diseño ............................................................................................................... 7 Válvulas de purga .................................................................................................................... 7 Localización de la tubería ...................................................................................................... 7 Método de cálculo ..................................................................................................................8 Desarrollo futuro ........................................................................................................................ 8 Cálculos hidráulicos de la red en malla ................................................................................... 8 Método de Hardy  – Cross .......................................................................................................8 Método de longitudes equivalentes .................................................................................... 8 Otros factores de diseño ............................................................................................................. 9 Distribución de caudales iniciales ......................................................................................... 9 Trazado de la red principal .....................................................................................................9 Conexiones domiciliarias .........................................................................................................9 Datos técnicos ............................................................................................................................ 10 Dotación neta mínima y máxima ........................................................................................... 10 Periodo de diseño de las redes matriz o primaria ............................................................... 11 Periodo de diseño de la red de distribución secundaria o red local ............................. 11 Presiones mínimas en la red ..................................................................................................... 11 Diámetros internos mínimos en la red matriz ........................................................................ 11 Diámetros internos mínimos en la red de distribución ........ ¡Error! Marcador no definido. Universidad Católica de Cuenca, Sede Azogues | Facultad de Ingeniería Civil Hernán Urgilés Urgilés

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Marco Metodológico .................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Levantamiento topográfico .................................................... ¡Error! Marcador no definido. Ejecutar WaterGEMS ................................................................. ¡Error! Marcador no definido. Crear un proyecto ..................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Configuración inicial ................................................................. ¡Error! Marcador no definido. Configuración de etiquetas .................................................... ¡Error! Marcador no definido. Trazado de tubería .................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Características de tubería ....................................................... ¡Error! Marcador no definido. Alternativas .................................................................................. ¡Error! Marcador no definido. Demandas ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Escenarios .................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Patrones ....................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Cálculo ......................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Régimen estático ................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Régimen extendido ............................................................... ¡Error! Marcador no definido. Régimen incendio ................................................................. ¡Error! Marcador no definido. Reporte de cálculo ................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Aplicación ....................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Ejercicio – Taller........................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Topografía ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Zonas de presión .................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Áreas de aportación ............................................................. ¡Error! Marcador no definido. Dotación régimen estático .................................................. ¡Error! Marcador no definido. Dotación régimen extendido .............................................. ¡Error! Marcador no definido. Dotación régimen incendio ................................................ ¡Error! Marcador no definido. Alternativas ............................................................................. ¡Error! Marcador no definido. Escenarios ................................................................................ ¡Error! Marcador no definido. Patrones ................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADOS RÉGIMEN ESTÁTICO ........................................ ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO NODOS ............................................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO TUBERÍAS ............................................................. ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO VÁLVULAS (REDUCTORAS DE PRESIÓN) ....... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADOS RÉGIMEN EXTENDIDO ..................................... ¡Error! Marcador no definido. Universidad Católica de Cuenca, Sede Azogues | Facultad de Ingeniería Civil Hernán Urgilés Urgilés

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RESULTADO NODOS ............................................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO TUBERÍAS ............................................................. ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO VÁLVULAS (REDUCTORAS DE PRESIÓN) ....... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADOS RÉGIMEN INCENDIO ....................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO NODOS ............................................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO TUBERÍAS ............................................................. ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO VÁLVULAS (REDUCTORAS DE PRESIÓN) ....... ¡Error! Marcador no definido. Trabajo final ................................................................................. ¡Error! Marcador no definido. Zonas de presión .................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Áreas de aportación ............................................................. ¡Error! Marcador no definido. Dotación régimen estático .................................................. ¡Error! Marcador no definido. Dotación régimen extendido .............................................. ¡Error! Marcador no definido. Dotación régimen incendio ................................................ ¡Error! Marcador no definido. Alternativas ............................................................................. ¡Error! Marcador no definido. Escenarios ................................................................................ ¡Error! Marcador no definido. Patrones ................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADOS RÉGIMEN ESTÁTICO ........................................ ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO NODOS ............................................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO TUBERÍAS ............................................................. ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO VÁLVULAS (REDUCTORAS DE PRESIÓN) ....... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADOS RÉGIMEN EXTENDIDO ..................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO NODOS ............................................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO TUBERÍAS ............................................................. ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO VÁLVULAS (REDUCTORAS DE PRESIÓN) ....... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADOS RÉGIMEN INCENDIO ....................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO NODOS ............................................................... ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO TUBERÍAS ............................................................. ¡Error! Marcador no definido. RESULTADO VÁLVULAS (REDUCTORAS DE PRESIÓN) ....... ¡Error! Marcador no definido. Cantidades de obra ............................................................ ¡Error! Marcador no definido. Tuberías .................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Válvulas .................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Conclusiones ................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Bibliografía ....................................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Universidad Católica de Cuenca, Sede Azogues | Facultad de Ingeniería Civil Hernán Urgilés Urgilés

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CAPÍTULO 1 Antecedentes Introducción

El impresionante avance tecnológico que experimenta la humanidad no ha sido indiferente a la ingeniería sanitaria, es decir que en los últimos años, hemos sido testigos de cómo se ha difundido ampliamente el uso de paquetes computacionales para el análisis y diseño de redes. Cada vez los programas de cálculo son más potentes y cubren una gama bastante extensa de aplicaciones, desde sistemas de conducción, distribución, hasta sistemas que incorporan elementos propios de una red, válvulas, bombas, etc. Con el advenimiento de las computadoras es indudable que ha cambiado la forma en que se analizan y diseñan las redes, independientemente si se trata de sistemas por bombeo o sistemas a gravedad, si bien es cierto, en la actualidad se dispone de muchas ayudas tecnológicas, también hay que reconocer que los desafíos son mayores, cada vez se dispone de menos tiempo para presentar un proyecto, por lo tanto se vuelve fundamental tener sólidos conocimientos de las bondades y limitaciones de estas herramientas informáticas para expresar los procesos.

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CAPÍTULO 2 Objetivos Objetivo General



Diseñar una red de distribución de agua potable mediante el uso del software WATERGEMS.

Objetivos Específicos



Recopilar información acerca de diseño de redes de distribución.



Recopilar información acerca del manejo del programa WATERGEMS.



Revisar datos dados de una zona poblada para realizar el diseño.



Realizar cálculos necesarios para el cálculo como población futura, densidad, dotaciones, etc.



Dibujar la geometría de la red.



Aplicar el diseño en el programa WATERGEMS



Verificar resultados.

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CAPÍTULO 3 Marco Teo rico Red de Distribución Generalidades

Se le da el nombre de “red de distribución” al conjunto de tuberías cuya

función es la de suministrar el agua potable a los consumidores de la localidad. La unión entre el tanque de almacenamiento y la red de distribución se hace mediante una tubería denominada “línea matriz”, la cual conduce el agua al

punto o a los puntos de entrada a la red de distribución. El diseño depende de las condiciones de operación de la red de distribución tales como trazado, caudales y presiones de servicio.

La red de distribución está conformada por tubería “principal” y de “relleno”. La red de tuberías principales es la encargada de distribuir el agua en las diferentes zonas de la población, mientras que las tuberías de relleno son las encargadas de hacer las conexiones domiciliarias. El diseño o cálculo de la red de distribución se hace sobre la red principal; el diámetro de la red de relleno se fija de acuerdo con las normas pertinentes.

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Además de las tuberías existen otros accesorios tales como válvulas de control o de incendios, válvulas de purga, hidrantes, cruces, codos, Tee’s. Yee’s, reducciones y tapones.

Los materiales más comunes de las tuberías y accesorios son PVC o Hierro Dúctil. Los diámetros dependen de las casas fabricantes, por lo cual hay que consultar los catálogos respectivos. Trazado de la red

El trazado de la red debe obedecer a la conformación física de la población y por tanto no existe una forma predefinida. Hidráulicamente, se pueden

establecer redes abiertas, redes cerradas o redes mixtas, dependiendo de las condiciones anteriores. •

De mayor a menor diámetro . Este esquema puede ser usado en

poblaciones pequeñas en donde por lo general no existe más de una calle principal. Tiene forma alargada e irregular. El diseño hidráulico de la tubería principal se hace como una red abierta. •

En árbol. Existe un tronco principal de cual se desprenden varias

ramificaciones. El diseño hidráulico de las tuberías principales corresponden al de la red abierta. •

En parrilla. La tubería principal forma una malla en el centro de la población

y de ella se desprenden varios ramales. Al centro se conforma una red cerrada y perimetralmente se tiene ramales abiertos, es decir que se trata de una red mixta. •

En mallas. Es la forma más usual de trazado de redes de distribución. Se

conforman varias cuadriculas o mallas alrededor de la red de relleno. Una malla estará compuesta entonces por cuatro tramos principales. Universidad Católica de Cuenca, Sede Azogues | Facultad de Ingeniería Civil Hernán Urgilés Urgilés

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Desde el punto de vista del funcionamiento hidráulico, los primeros dos tipos de redes (de mayor a menor diámetro y en árbol) se denominan redes abiertas, las redes en mallas son cerradas y las redes en parrilla son mixtas.

Especificaciones de diseño Caudal de diseño El caudal de diseño deberá ser el mayor de las siguientes alternativas: a)

Consumo máximo horario más demanda industrial.

b)

Consumo máximo diario más demanda industrial, más demanda por 

incendios. Para ciudades grandes, se recomienda diseñar considerando el caudal correspondiente a las condiciones más críticas como seria la suma de los caudales máximo horario, demanda industrial y demanda por incendios. Como se vio anteriormente, el caudal máximo horario se obtiene de afectar el caudal máximo diario por un coeficiente. Este coeficiente depende de varios factores, entre ellos el tamaño y las costumbres, por lo que su elección debe hacerse con sumo cuidado. A continuación se dan algunos factores que pueden ser utilizados como guía: -

Población menor de 5000 habitantes: f = 1.80

-

Población entre 5000 y 20000 habitantes f = 1.65

-

Población mayor de 20000 habitantes f = 1.50 Universidad Católica de Cuenca, Sede Azogues | Facultad de Ingeniería Civil Hernán Urgilés Urgilés

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El caudal de incendios se obtiene a partir de: a)

Para poblaciones menores de 10000 habitantes, es innecesario y

antieconómico tener en cuenta este aporte en el caudal de diseño. b)

Para poblaciones entre 10000 y 20000 habitantes, se requieren dos

hidrantes de 5.0 lt/s cada uno para atender un incendio. c)

Para poblaciones mayores a 20000 habitantes, es necesario el

funcionamiento de 4 hidrantes en zona industrial y 2 hidrantes en zona residencial, con una caudal de 5.0 lt/s cada uno. Presiones de servicio

En lo posible, se debe mantener una presión de servicio en la red entre 1.0 Kg./cm2 y 5.0 Kg./cm2 ( 10 a 50 metros columna de agua). Es importante seleccionar la presión mínima teniendo en cuenta la altura de las edificaciones que serán servidas. Válvulas

Se deben colocar válvulas de cortina a lo largo de la red con el fin de poder  aislar sectores en caso de roturas de las tuberías o de incendios y seguir  suministrando el agua al resto de la población. La forma como se dispongan las válvulas dentro de la red no es estándar e influye grandemente en el presupuesto de la obra, ya que se trata de un gran número de válvulas de un tamaño relativamente grande. La norma

estadounidense indica que las válvulas se deben colocar de tal manera que se aísle un máximo de 2 tramos mediante el cierre de 4 válvulas como máximo. Universidad Católica de Cuenca, Sede Azogues | Facultad de Ingeniería Civil Hernán Urgilés Urgilés

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La aplicación de esta norma lleva a condiciones económicas muy desfavorables y la hacen impracticable en el medio rural. Se puede entonces modificar el concepto de tal manera que se aísle un sector y se permita el suministro al resto de la localidad. Las válvulas van colocadas generalmente en las intersecciones de la red principal. Para redes pequeñas (de una malla), puede ser suficiente la colocación de una válvula a la entrada a la red. Velocidad de diseño

Por lo general se debe diseñar con velocidades que estén comprendidas entre

0.3 y 2 m/s. Válvulas de purga

Al igual que en las conducciones, se deben instalar válvulas de purga en todos los sitios bajos de la red. Localización de la tubería

La tubería deberá tenderse a un lado de la calzada; en el caso de vías importantes, podría pensarse en colocarla a ambos lados de la calzada. Se debe procurar pasar la tubería del acueducto por encima de las tuberías del alcantarillado y a una distancia horizontal de 3.0 metros. En caso de no poder  cumplir lo anterior, se debe dar una protección adecuada a la tubería del acueducto como por ejemplo su recubrimiento con concreto.

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Método de cálculo

En el caso de mallas cerradas, el equilibrio hidráulico de la red puede hacerse por cualquier método que permita el cierre o diferencia de presiones entre la

entrada y la salida menor de 1.0 metro. Desarrollo futuro

El diseño de la red deberá tener en cuenta la demanda futura de acuerdo con los sectores de desarrollo contemplados en la planeación de la localidad. De no tenerse una planeación del crecimiento, se debe suponer que este será uniforme alrededor de la población.

Cálculos hidráulicos de la red en malla Método de Hardy  –  Cross

Este método de cálculo, llamado también método de relajamiento o de pruebas y errores controlados, supone que se han seleccionado previamente los caudales iniciales y los diámetros en los diferentes tramos de la red. Por  medio de un proceso iterativo, se corrigen los caudales de tal manera que el cierre de la malla (diferencia de presiones entre un ramal y otro de la red cerrada) no exceda un valor límite, que según la norma debe ser menor de 1.0 metro, y se obtiene para las condiciones anteriores la presión en cada uno de los nudos de las malla. Método de longitudes equivalentes

Con este método se pretende calcular el caudal real y el diámetro de un sistema de tuberías, dada una distribución inicial de caudales y unas pérdidas de carga fijas. La distribución inicial de caudales se realiza de manera análoga al método de Cross. El principio del método es el de reemplazar la red de Universidad Católica de Cuenca, Sede Azogues | Facultad de Ingeniería Civil Hernán Urgilés Urgilés

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tuberías existentes por una red hidráulicamente más sencilla, en la cual se determine el caudal en cada tramo, para luego regresar a la red real y determinar los diámetros correspondientes.

Otros factores de diseño Distribución de caudales iniciales

La distribución de los caudales iniciales se puede hacer por medio del concepto de nudos de carga o mediante una distribución uniforme repartiendo el consumo doméstico por metro lineal de tubería alimentada. En este último caso (por metro lineal de tubería), la hipótesis de alimentación de las tuberías deberá hacerse de acuerdo con la topografía de la zona. Trazado de la red principal

El trazado de la red principal se debe hacer teniendo en cuenta una buena distribución del agua con respecto al área que se está abasteciendo. Las condiciones topográficas y altimétricas son importantes en el trazado de la red. En cualquier caso, no debe proyectarse el trazado de la red periféricamente a la población, ya que esto implicaría una distribución de caudales poco eficiente y sería una condición muy costosa. Como un buen criterio empírico, se debe procurar que el área servida internamente por una malla sea aproximadamente igual al área externa correspondiente. Conexiones domiciliarias

La conexión domiciliaría, se hace a partir de la red secundaria y consiste en una serie de elementos que permiten derivar el agua hacia el domicilio hasta la caja en donde se encuentra el medidor. De este punto en adelante, todas las obras son propiedad del dueño del domicilio. Universidad Católica de Cuenca, Sede Azogues | Facultad de Ingeniería Civil Hernán Urgilés Urgilés

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El sistema comienza con un collar de incorporación montado sobre la tubería de la red; a continuación se encuentra el registro de incorporación necesario para hacer la instalación en tuberías que se encuentra a presión, el cual debe ser insertado en la tubería con herramienta especializada. La tubería de la conexión es por lo general de plástico. Posteriormente se encuentra el registro de corte que se utiliza cuando hay necesidad de suspender el servicio por falta de pago. A continuación se encuentra el medidor de agua que puede ser de dos tipos: 1.

Medidor volumétrico: más sensible y más costoso.

2.

Medidor de velocidad: menos sensible y menos costoso.

El diámetro de la tubería utilizada para la conexión domiciliaria depende de la presión de la red y del uso del agua dentro del domicilio. Se deben localizar los posibles puntos de mayor demanda, como por ejemplo, industrias, comercios e instalaciones portuarias.

Datos técnicos El caudal de diseño se calcula de acuerdo a las normas establecidas se tiene: Dotación neta mínima y máxima NIVEL DE COMPLEJIDAD

DOTACION NETA MINIMA (L/HAB-DIA)

DOTACION NETA MAXIMA (L/HAB-DIA)

BAJA MEDIO MEDIO ALTO

100 120 130

ALTO

150

150 175 -

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Periodo de diseño de las redes matriz o primaria NIVEL DE COMPLEJIDAD

PERIODO DE DISEÑO

MEDIO MEDIO ALTO ALTO

20 AÑOS 25 AÑOS 30 AÑOS

Periodo de diseño de la red de distribución secundaria o red local NIVEL DE COMPLEJIDAD

PERIODO DE DISEÑO

BAJO MEDIO MEDIO ALTO ALTO

15 AÑOS 15 AÑOS 20 AÑOS 20 AÑOS

Presiones mínimas en la red NIVEL DE COMPLEJIDAD

PRESION MINIMA (KPa)

PRESION (METROS)

BAJA MEDIO MEDIO ALTO ALTO

98,1 98,1 147,2 147,2

10 10 15 15

Diámetros internos mínimos en la red matriz NIVEL DE COMPLEJIDAD

DIAMETROS MINIMOS

BAJO MEDIO MEDIO ALTO ALTO

64 mm (2,5") 100 mm (4") 150 mm (6") 300 mm (12")

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