diseño de red acueducto

ACUEDUCTOS & ALCANTARILLADOS

REDES DE DISTRIBUCIN DE AGUA POTABLE

INTEGRANTES:

Juan David Meja Ladino 112041

Norberto Javier Arenas Canabal 112005

Oscar Daniel Obando Yandn - 112048

Andrs Felipe Restrepo Forero - 112052

PRESENTADO A:

Jeannette Del Carmen Zambrano Njera

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

INGENIERA CIVIL MAYO 11 DE 2015

Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales Acueductos y Alcantarillados

N. ARENAS, A. RESTREPO, J. LADINO, D. OBANDO 2

Contenido INTRODUCCIN ............................................................................................................................. 4

EJERCICIO 1 .................................................................................................................................... 5

1.Procedimiento Realizado ......................................................................................................... 5

2.Proyeccin de la poblacin: ..................................................................................................... 6

3.ALTERNATIVA 1 .................................................................................................................... 6

Dotacin bruta ....................................................................................................................... 9

Distribucin de zonas (diseo alternativa-a) ........................................................................... 9

Caudal medio diario ............................................................................................................. 11

Caudal mximo diario ........................................................................................................... 11

Caudal mximo horario ........................................................................................................ 11

Estimacin del dimetro ....................................................................................................... 12

Simulacin ........................................................................................................................... 13

Suposicin inicial .................................................................................................................. 14

Diseo final: Tubera GRP PAVCO ......................................................................................... 14

Diseo final: Tubera Acuaflex PAVCO................................................................................... 17

Otras pruebas ...................................................................................................................... 18

EJERCICIO 2 .................................................................................................................................. 20

1.Suposiciones iniciales para la solucin del problema ............................................................. 20

2.Restricciones segn la normativa .......................................................................................... 22

Presin mnima .................................................................................................................... 22

Dimetros mnimos .............................................................................................................. 22

Velocidades .......................................................................................................................... 22

Pendientes de la red ............................................................................................................. 22

3.Suposicin de caudales y pre-dimensionamiento de dimetros ............................................. 23

4.Anlisis de la red ................................................................................................................... 24

Comportamiento horario de caudales .................................................................................. 24

5.Anlisis con los datos iniciales de diseo ............................................................................... 25

6.Posibles soluciones de diseo ................................................................................................ 26

Modificando la cota del embalse B ....................................................................................... 26

Soluciones para mantener la red en el rango de funcionamiento exigido por la norma ......... 27

Anlisis de variacin de las presiones. .................................................................................. 30

Anlisis de variacin de las velocidades ................................................................................ 31

CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 32

REFERENCIAS ............................................................................................................................... 35



Tabla de tablas Tabla 1. Niveles de complejidad de redes de abastecimiento. ....................................................... 6

Tabla 2. Periodos de diseo segn el nivel de complejidad de la red de abastecimiento. ............... 7

Tabla 3. Mtodos d clculo permitidos segn el nivel de complejidad del sistema para la

proyeccin de la poblacin............................................................................................................. 7

Tabla 4. ndices de crecimiento anual poblacional por departamentos. ......................................... 8

Tabla 5. Demandas netas segn el uso (RAS-2000). ....................................................................... 9

Tabla 6. Dotacin bruta segn el uso. ............................................................................................ 9

Tabla 7. Longitudes de las tuberas: Alternativa-1. ....................................................................... 10

Tabla 8. Cotas de los nodos: Alternativa-1. .................................................................................. 12

Tabla 9. Caudales mximos horarios por zonas: Alternativa-A. .................................................... 12

Tabla 10. Caudales por cada tubera: CONSERVACIN DE MASA. ................................................ 12

Tabla 11. Valores CHW por material utilizado. ............................................................................. 13

Tabla 12. Dimetros estimados HW GRP PAVCO-Acuaflex PAVCO. .............................................. 13

Tabla 13. Dimetros mnimos exigidos. ....................................................................................... 13

Tabla 14. Presiones mnimas en la red. ........................................................................................ 14

Tabla 15. Velocidades mximas segn material de tuberas. ........................................................ 14

Tabla 16. Aspectos iniciales de diseo. ........................................................................................ 20

Tabla 17. Dotacin neta segn el nivel de complejidad del sistema. ............................................ 21

Tabla 18. Estimacin del nmero de habitantes segn el Qmd. ................................................... 21

Tabla 19. Dimetros nominales mnimos de la red matriz. ........................................................... 22

Tabla 20. Velocidades mximas segn material de tuberas. ........................................................ 22

Tabla 21. Pre-Dimensionamiento de los dimetros para cada tubera. ......................................... 24

Tabla 22. Configuracin de red que garantiza el cumplimiento de la normativa. .......................... 28



OBJETIVOS

De acuerdo a las necesidades de la poblacin suministrada, determinar materiales y dimetros de tuberas que cumplan con los requerimientos de esta poblacin y a su vez sigan las restricciones del RAS 2000.

Conocer y aprender los requerimientos que establece la norma tcnica Colombiana para las redes de distribucin de agua potable (RAS 2000).

A partir de la informacin y poblacin suministrada, se calcula el Caudal Mximo Horario para el diseo de la red segn lo demandado, teniendo en cuenta los requerimientos establecidos en el RAS 2000.

Analizar las implicaciones (beneficios-costos) que genera el cambio de material en las tuberas de la red de distribucin de agua potable diseada.

Realizar una simulacin para un sistema cerrado con tubera de PVC proponiendo un comportamiento horario de los caudales demandados para las 24 horas del da, estudiando el comportamiento de las presiones y velocidades.

Proponer soluciones para mantener el comportamiento de la red cerrada en el rango de funcionamiento demandado por la normativa RAS-2000.

INTRODUCCIN

Es derecho para todos los colombianos contar con acceso a agua potable, por ello la importancia de las redes de distribucin, para poder conducir este lquido vital a las ciudades, pueblos, municipios o zonas rurales. Para llevar a cabo un proyecto de este tipo se debe hacer un estudio detallado de todo el proceso: desde la toma de agua (bocatoma), la conduccin a la planta de potabilizacin, el transporte al tanque de almacenamiento y las diferentes redes de distribucin que llevarn el agua a los establecimientos requeridos siguiendo el RAS 2000 para cumplir con todas las especificaciones que all se plantean. La construccin de redes de abastecimiento de agua potable tiene un gran impacto en la comunidad como sinnimo de progreso, aunque esto conlleve algunos problemas para el ingeniero encargado, siendo tarea de este plantear soluciones y buscar herramientas para solventar estos problemas.



EJERCICIO 1

Realizar un diseo sobre el siguiente sistema. Defina dimetros y el material ms adecuado (probar mnimo 2 y justificar) para satisfacer las necesidades de la siguiente poblacin.

Figura 1. Poblacin para el diseo de la red de abastecimiento.

1. Procedimiento Realizado

Ubicacin de la fuente: Para el diseo se ubic la fuente en la cota ms alta del terreno (282), ya que as es ms fcil cumplir con los requerimientos de presin y velocidad exigidos por el RAS 2000. Materiales a utilizar: -Tubera Acuaflex PAVCO, hecha de polietileno de alta densidad y con gran variedad de dimetros. - GRP (Glass - Reinforced Plastic) tambin puede ser suministrada por PAVCO. Estos dos materiales se escogen ya que nos dan una perspectiva general de cmo se comportara el sistema para dos rugosidades bastante distintas, aparte de que se tiene fcil acceso a los manuales tcnicos de dichas tuberas y son bastantes comunes en el mbito regional. Suposiciones iniciales:



Para el diseo de esta red matriz se supondr que la poblacin est ubicada en el departamento de Caldas, en un clima templado y con una capacidad econmica de los usuarios baja.

2. Proyeccin de la poblacin:

Antes de realizar la proyeccin de la poblacin debemos estimar la complejidad del sistema, la cual depende del nmero de habitantes y de la capacidad econmica de la poblacin, los lmites estn definidos en el ttulo A del RAS-2000:

Tabla 1. Niveles de complejidad de redes de abastecimiento. Fuente: RAS-2000, Tabla A.3.1.

3. ALTERNATIVA 1 Se presenta un sistema diseado con los parmetros establecidos por el RAS-2000 para poblaciones con nivel de complejidad bajo. Hacemos sta recomendacin bajo el criterio de que adems de presentar una capacidad econmica baja, la poblacin a la cual se le brindar el suministro es bastante

cercana a los . Es decir, en este tipo de proyectos creemos que prima en muchas de las ocasiones (sino en todas) el factor econmico y no se justifica subir un nivel de complejidad cuando la variabilidad de la poblacin respecto de los lmites es tan pequea. Aqu se hace un hincapi para plantear el porqu de la clasificacin del RAS en este sentido si en determinados casos pueden existir poblaciones pequeas con alta capacidad econmica y ciudades de ms de con baja capacidad econmica. El paso siguiente es definir los aos a los cuales vamos a proyectar la poblacin para cada una de las zonas que establecern ms adelante, esto est definido en el RAS-2000 segn el titulo A en su numeral A.11.1.14.1.

Nivel de complejidad Poblacin en la zona urbana(1)

(habitantes)

Capacidad ecconmica de los

usuarios(2)

Bajo 60000 Alta

Asignacin del nivel de complejidad

Notas:

(1) Proyectado al periodo de diseo, incluida poblacin flotante.

(2) Incluye capacidad econmica de poblcin flotante. Debe ser evaluada segn

metodologa del DNP.



Tabla 2. Periodos de diseo segn el nivel de complejidad de la red de abastecimiento. Fuente: RAS-2000, Numeral A.11.1.14.1.

Debido a que nuestro nivel de complejidad es bajo, tomamos un periodo de diseo

de , por ende el ao al cual se proyectar la poblacin ser el . Mtodo de Proyeccin: El mtodo de proyeccin depende tambin del nivel de complejidad del sistema, y este est definido en el titulo B del RAS 2000, as:

Tabla 3. Mtodos d clculo permitidos segn el nivel de complejidad del sistema para la proyeccin de la poblacin.

Fuente: RAS-2000, TABLA.B.2.1.

El mtodo escogido por nosotros fue el geomtrico. Dicho mtodo se basa en la Ecuacin 1:

= (1 + )

: = . =

. = ().

= . = .

Ecuacin 1

Para usar esta frmula se supondr que la poblacin suministrada corresponde al ao 2015 y que este fue el ltimo ao proyectado por el DANE. Para poder conocer la tasa de crecimiento anual del departamento de Caldas nos basamos en la informacin suministrada por el DANE:

Nivel de complejidad del

sistema

Periodo de diseo

Medio 20 aos

Medio alto 25 aos

Alto 30 aos

Mtodo por emplear Bajo Medio Medio alto Alto

Aritmtico, geomtrico y exponencial. X X

Aritmtico, geomtrico y exponencial, otros. X X

Por componentes (demogrfico). X X

Detallar por zonas y detallar densidades. X X

Mtodo grafico. X X

Nivel de Coplejidad del Sistema

Mtodos de clculo para la proyeccin de la poblacin



Tabla 4. ndices de crecimiento anual poblacional por departamentos. Fuente: www.dane.gov

Como podemos observar la tasa de crecimiento para el departamento de Caldas expresada en forma decimal es de . . A continuacin se realizar un ejemplo de la proyeccin del total de poblacin suministrada, asumiendo as que el lector de este documento entender ms adelante como se proyect la poblacin por zonas siguiendo este mismo procedimiento:

Poblacin proyectada por el DANE para el ao 2015: Ao al que se requiere proyectar: Tasa de crecimiento anual: .

Aplicando la ecuacin 1:

= 2450 (1 + 0.002)20352015

= 2550

As pues se puede determinar la poblacin total proyectada. Cabe resaltar la tasa de crecimiento en el territorio caldense que se presenta en los registros del DANE es notoriamente baja comparada con otras regiones del pas.

Nacional 1,18 Magdalena 0,88

Antioquia 1,31 Meta 2,12

Atlntico 1,32 Nario 1,23

Bogot 1,48 N. de Santander 0,85

Bolivar 1,05 Quindo 0,56

Boyac 0,20 Risaralda 0,61

Caldas 0,20 Santander 0,53

Caqueta 1,26 Sucre 0,98

Cauca 0,77 Tolima 0,32

Cesar 1,35 Valle del Cauca 1,04

Crdoba 1,50 Arauca 1,29

Cundinamarca 1,66 Casanare 1,95

Choc 0,95 Putumayo 1,00

Huila 1,37 San Andrs 0,77

La Guajira 3,67 Amazonia 1,65

Departamentos 2005-2010 Departamentos 2005-2010

Colombia. Tasa de crecimiento exponencial (%), nacional y

departamental 1995-2020



Dotacin bruta Como siguiente punto es necesario el clculo de la dotacin bruta. Para esto se utilizan los parmetros del ttulo A del RAS-2000. En este caso se tiene un nivel de complejidad bajo (por las razones expuestas anteriormente) al cual le corresponde un perodo de diseo de . Entonces se calcula la demanda bruta para los diferentes usos de suelo presentes en las edificaciones del lugar. Para esto se utiliza la siguiente ecuacin (Ecuacin B.2.8 ttulo B RAS-2000):

=

1

Ecuacin 2

: Segn la norma las prdidas tienen un valor tope de . el cual fue asumido para cada caso. Esto teniendo en cuenta que la ausencia de informacin nos limita para realizar el clculo correspondiente. De igual manera las demandas netas fueron extradas del ttulo B del RAS-2000. Para esto se realiza un compendio de las mismas en la siguiente tabla.

Tabla 5. Demandas netas segn el uso (RAS-2000). (*) Para un nivel de complejidad medio y clima templado.

REFERENCIA RAS-2000 USO DEMANDA NETA

B.2.3 Residencial 90 (L / hab*da) *

B.2.8 Escolar 20 (L/Alumno*Jornada)

B.2.4 Comercial (Locales) 6 (L / m2*da)

B.2.7 Pblico (Iglesia) 6 (L / Asiento*da)

Utilizando los valores mostrados y la Ecuacin 2 se calcula la dotacin bruta para los diferentes usos que se observan en la zona de distribucin. Estos valores se registran en la siguiente tabla.

Tabla 6. Dotacin bruta segn el uso.

USO DOTACIN BRUTA

Residencial 120 (L/hab*da)

Escolar 26,67 (L/Alumno*Jornada)

Comercial (Locales) 6 (L/m2*da)

Pblico (Iglesia) 6 (L/Asiento*da)

Distribucin de zonas (diseo alternativa-a)

Sin lugar a dudas la distribucin espacial de las zonas que se emplearn para el abastecimiento de agua es de vital importancia ya que la demanda de agua depende en gran parte de sta. As pues en la Figura 2 se definen las principales caractersticas de la distribucin: cotas de los nodos, longitudes de las tuberas, etc.



Figura 2. Alternativa A, complejidad baja.

Luego de tener establecidas las zonas de distribucin del sistema se realiza la medicin de las longitudes de cada tubera.

Tabla 7. Longitudes de las tuberas: Alternativa-1.

Tubera Longitud(m)

0-1 56

1-2 84

2-3 41

1-4 60

4-5 42

1-6 25

6-7 98

Con base en la zonificacin de la poblacin y por ende de la distribucin de agua se puede calcular entonces la demanda de agua. Para esto se requiere conocer el estudio demogrfico de la poblacin que en este caso se presenta en la informacin presentada inicialmente.



Caudal medio diario

Se calcula el promedio de los consumos diarios en un periodo de un ao () en funcin de la poblacin proyectada y la dotacin bruta. Para esto se utiliza la Ecuacin 3 (Ttulo B.2.8.3 RAS-2000):

( ) =

86400

Ecuacin 3

Caudal mximo diario

Una vez se tienen los caudales medios diarios se procede a calcular los mximos diarios tomando como referencia el RAS-2000 Ttulo B.2.8.2. Se utiliza entonces la Ecuacin 4.

( ) = 1

Ecuacin 4

El factor K1 es un coeficiente de consumo mximo diario. Por tratarse de un sistema nuevo la norma recomienda utilizar un valor de K1 = 1,30.

Caudal mximo horario

Como punto final se calcula el caudal mximo horario para cada una de las zonas tomando nuevamente como gua el Numeral 2.8.2.3 del RAS-2000.

( ) = 2

Ecuacin 5

El factor K2 es un coeficiente de consumo mximo horario. La normativa plantea que para el caso de sistemas de acueductos nuevos dicho coeficiente puede oscilar

entre , y , . Teniendo en cuenta el nivel de complejidad presentado y las caractersticas locales se asigna un valor de = , . Es importante mencionar que el caudal mximo horario es en definitiva el que define el diseo del sistema de abastecimiento. Lgicamente si el sistema cumple con la entrega con los caudales mximos cumplir con los dems. Como se mencion anteriormente se eligi como cota del embalse una altura de 282 m (Mxima cota dentro de la informacin obtenida). A continuacin se definen las cotas para cada uno de los nodos y se muestran los resultados obtenidos en las simulaciones realizadas en EPANET.



Tabla 8. Cotas de los nodos: Alternativa-1.

Nodo Cota

Fuente 282

1 270

2 269

3 266

4 264

5 262

6 263

7 261

*Las cotas que presentan los esquemas iniciales son cotas superficiales. Se deciden poner las cotas en alturas que oscilan entre 1 y 1,5 metros por debajo de la superficie del terreno con el objeto de cumplir los requerimientos del RAS-2000.

De acuerdo a las zonas definidas en la Figura 2 para la alternativa-A se calculan los parmetros mencionados: Qmd, QMD, QMH. Los datos registrados se muestran en la Tabla 9.

Tabla 9. Caudales mximos horarios por zonas: Alternativa-A.

ZONA USO POBLACIN

SUMINISTRADA POBLACIN

PROYECTADA QMD

(L/SEG) QMD

(L/SEG) QMH

(L/SEG)

1a Residencial 400 416 0,58 0,75 1,13

Iglesia 200 sillas 200 sillas 1,39E-05 1,81E-05 2,71E-05

1b Residencial 600 624 0,87 1,123 1,69

2 Residencial 750 781 1,08 1,41 2,11

Comercial 400 m2 400 2,78E-05 3,61E-05 5,42E-05

3a Comercial 400 m2 400 2,78E-05 3,61E-05 5,42E-05

Residencial 600 624 0,87 1,13 1,69

3b Colegio 150 est 150 est 1,4E-04 01,8E-04 2,7E-04

3c Residencial 100 104 0,14 0,19 0,28

Estimacin del dimetro Tabla 10. Caudales por cada tubera: CONSERVACIN DE MASA.

Tubera Caudal (L / seg)

0-1 6,9

1-2 2,8

2-3 1,7

1-4 2,0

4-5 1,7

1-6 2,1

6-7 2,1

Haciendo uso del principio de conservacin de masa (Tabla 10) y teniendo en cuenta los valores registrados en la Tabla 9 (QMH) se pueden determinar los caudales que deben transportar cada una de las tuberas relacionadas en el diseo.



Posteriormente se realiza una estimacin de los dimetros de dichas tuberas utilizando para ello la ecuacin emprica de Hazen-Williams para el dimetro (Ecuacin 6).

( ) =1,626 0,205 0,38

0,38 0,205

Ecuacin 6

Los parmetros de la Ecuacin 6 son previamente conocidos. Longitud, caudal transportado por tubera, Hf (Prdidas por friccin que se obtiene como la diferencia de alturas piezomtricas entre los nodos). CHW (Coeficiente de Hazen-Williams): Es un factor que depende del material del cual est fabricado la tubera. Los valores para los materiales escogidos se registran en la siguiente tabla.

Tabla 11. Valores CHW por material utilizado.

MATERIAL CHW (Coeficiente Hazen Williams)

GRP PAVCO* 150

Acuaflex PAVCO * 150

De esta manera se obtienen las estimaciones para los dimetros de las tuberas de acuerdo al anlisis realizado. Dado que ambos materiales tienen un coeficiente de Hazen-Williams equivalente dichas estimaciones sern iguales. Estas se resumen en la siguiente tabla.

Tabla 12. Dimetros estimados HW GRP PAVCO-Acuaflex PAVCO.

Fuente: PAVCO GRP Manual tcnico.

Tubera Hf(m) Longitud(m) Dimetro (mm)

0-1 12 86 54,76

1_2 1 58 59,80

2_3 3 45 37,33

1_4 6 72 37,81

4_5 2 45 40,56

1_6 7 98 40,06

6_7 2 50 45,12

Simulacin

REQUISITOS MNIMOS SEGN EL RAS-2000 Tabla 13. Dimetros mnimos exigidos. Fuente: RAS-2000, Tabla A.11.1.17.1.

Nivel de complejidad del sistema Dimetro mnimo

Bajo 64 mm (2,5 pulgadas)

Medio 100 mm (4 pulgadas)

Medio-Alto 150 mm (6 pulgadas)

Alto 300 mm (12 pulgadas) o ms



Tabla 14. Presiones mnimas en la red. Fuente: RAS-2000, Ttulo A.11.1.16.

Nivel de complejidad Presin mnima (kPa) Presin mnima (metros)

Bajo 98,1 10

Medio 98,1 10

Medio alto 147,2 15

Alto 147,2 15

Tabla 15. Velocidades mximas segn material de tuberas. Fuente: Ras-2000, Tabla B.7.4.8.

Suposicin inicial

Como se pude observar en la Tabla 12 los dimetros estimados por el mtodo indicado previamente son inferiores en todos los casos al dimetro mnimo exigido por la norma para sistemas de distribucin con un nivel de complejidad bajo. Por sta razn se emplea para la simulacin una suposicin inicial con dimetros de para la totalidad de las tuberas. Sin embargo para ambos materiales no se cumplen los requisitos de presin exigidos por la norma en los nodos 1,2 y 3. Para corroborar stos resultados se anexa el archivo de EPANET con la simulacin correspondiente bajo el ttulo de Suposicin inicial.NET.

Diseo final: Tubera GRP PAVCO

En este caso se introduce para las tuberas un valor de rugosidad relativa de

, segn lo expresa el manual tcnico PAVCO. Para dar solucin al incumplimiento de las exigencias de presin mencionadas en el pre diseo (Suposicin inicial) se plantea como solucin aumentar el dimetro de la primera tubera con lo cual se tendra una reduccin en la velocidad y por ende en las prdidas. Esto se traducira en un aumento de presin en los nodos.

Material Velocidad (m/s)

Acero sin revestimiento 5,0

Acero con revestimiento 4,0

Hierro dctil 4,0

CCP 5,0

PVC y PVCO 6,0

PEAD 5,0

CRP 6,0

Polipropileno 6,0

NOTA:

El diseo debe limitar la velocidad mnima a 0.5 m/s,

correspondiente al caudal mximo horario (QMH) en

el momento de entrada en operacin de la red.



As pues en la Figura 3 se presentan los dimetros finales utilizados para la tubera GRP PAVCO.

Figura 3. Dimetros finales tuberas GRP PVC.

Figura 4. Demanda para cada nodo y caudales transportados por tubera.

Los caudales mostrados en la Figura 4 para las tuberas corresponden a los registrados en la Tabla10. Las demandas en los nodos son lgicamente los requerimientos de las diferentes zonas de acuerdo a la distribucin planteada y sern mostradas en la Figura 5. A continuacin se realiza la simulacin y se comprueba el cumplimiento de las presiones y velocidades mnimas de acuerdo a las exigencias del RAS-2000.



Figura 5. Demandas y presiones para cada nodo.

NOTA: Los nodos que poseen demanda nula son nodos que no distribuyen caudal a ninguna de las zonas planteadas en el diseo, es decir en no existe demanda para ese nodo. El caudal o demanda del embalse es negativo porque ste es el que alimenta la red de abastecimiento.

Figura 6. Velocidades para cada tubera.

Como se puede observar las presiones SI CUMPLEN con la

normativa del RAS-2000. Presin > 10 mca

Como se puede observar las presiones SI CUMPLEN con la normativa del RAS-2000. Vel > 0,5 m/s.



Ahora se muestra un grfico de clasificacin con las velocidades y presiones:

Figura 7. Sntesis velocidades y presiones para el sistema GRP PAVCO.

Diseo final: Tubera Acuaflex PAVCO

Lgicamente para ste caso se debe suponer la variacin de la rugosidad relativa. En este caso particular dicho valor es de , . Este cambio en la rugosidad tendr un efecto sobre la velocidad. Se ejecutan las simulaciones correspondientes en EPANET de forma anloga al diseo con tuberas de GRP y se obtienen los siguientes resultados. NOTA: Los dimetros y longitudes permanecen constantes (Figura 3). Igualmente los caudales y las demandas en los nodos son exactamente los mismos planteados anteriormente.

Figura 8. Presiones para cada nodo tuberas Acuaflex PAVCO.

SI CUMPLEN con la normativa del RAS-2000. Presin > 10 mca



Como se puede observar la variacin de las presiones en el sistema diseado con tuberas Acuaflex-PAVCO respecto de las obtenidas con GRB es mnima. Sin embargo como se esperaba se tuvo un leve aumento de las mismas.

Figura 9. Velocidades para cada tubera Acuaflex PAVCO.

La variacin de la velocidad fue imperceptible como puede apreciarse al comparar las Figuras 6 y 9. Esto podra ser un punto de partida para la seleccin del material para el sistema ya que ambos poseen prcticamente las mismas velocidades pero la tubera de Acuaflex tiene mayores presiones a causa de una menor rugosidad.

Figura 10. Sntesis velocidades y presiones para el sistema ACUAFLEX PAVCO.

Otras pruebas

Para la alternativa-1 se haba planteado una justificacin coherente para la estimacin del sistema bajo los criterios de un nivel de complejidad bajo dada su gran cercana con los lmites de poblacin proyectada. Sin embargo la tambin se realiz la prueba de un diseo que tuvo en cuenta con rigurosidad la poblacin proyectada para un periodo de diseo de 20 aos (Valor mnimo

SI CUMPLEN

con la normativa del RAS-2000. Vel > 0,5 m/s



con el cual se debe realizar la proyeccin segn el RAS-2000). Cabe mencionar que en este caso sta supera los 2500 habitantes lo cual, unido a una capacidad econmica baja presenta un nivel de complejidad medio. Sin embargo para ste caso las velocidades no se ajustaban dado que los dimetros mnimos para ste nivel de complejidad son mayores. Para ste anlisis se adjunta un archivo adicional bajo el nombre de Diseo complejidad media.NET. En este caso se tuvo que tener en cuenta una dotacin bruta de 154 L/has*da en contraste con el 120 L/hab*da utilizado para la complejidad baja. Esto produca lgicamente una mayor demanda de caudal pero este aumento no se compensaba con el aumento del dimetro por lo cual como se ya se mencion no se cumplan las velocidades.

Se realiz otra alternativa con una mayor cantidad de tuberas y 4 zonas. Sin embargo al tener un mayor nmero de nodos que distribuyen el caudal se obtienen demandas ms pequeas para cada uno de ellos. Esto por supuesto se ve reflejado en una reduccin de la velocidad si se mantienen los dimetros constantes (Mnimos exigidos por las normas). Por sta razn se tuvo que descartar sta alternativa aunque se deja registrado en el anexo el archivo 4 zonas.NET para comprobar estos planteamientos.



EJERCICIO 2

Realizar una simulacin para el sistema cerrado mostrado en la Figura 11.

Trabajar en PVC. Los dimetros pueden ser pre-dimensionados mediante Hazen-

Williams. En la Tabla 16 se presentan las longitudes y cotas necesarias para el

diseo.

Tabla 16. Aspectos iniciales de diseo.

Figura 11. Esquema del problema.

Para realizar una simulacin ms real proponer un comportamiento horario de los

caudales demandados para las 24 horas del da, con variaciones que vayan entre

el 10% y el 170% en las horas punta. Estudiar el comportamiento de presiones y

velocidades para dicha variacin. Proponga soluciones para mantener el

comportamiento de la red en el rango de funcionamiento demandado por la

normativa.

1. Suposiciones iniciales para la solucin del problema

En sta seccin se proyecta estimar el nmero de habitantes para el cual funciona

la red de distribucin planteada, esto para establecer el nivel de complejidad que

tiene la misma y de sta forma considerar y aplicar las restricciones exigidas en el

reglamento tcnico para el sector de agua potable y saneamiento bsico.

(RAS-2000).

Como dato de entrada se tienen dos caudales medios diarios (), los cuales pueden ser calculados considerando la Ecuacin 7.

Tubera A-C B-E C-E C-D D-E E-F D-F F-G

Long (m) 1850 2050 2000 1000 2200 500 1500 2000

Punto A B C D E F G

Cota (m) 54 33 25 15 38 12 10



=

86400

Ecuacin 7

De la Ecuacin 7 se pretende obtener el nmero de habitantes, para esto es

necesario conocer la dotacin bruta, la cual se puede calcular mediante la

Ecuacin 8, pero a su vez esta dotacin bruta es un trmino dependiente de la

dotacin neta, valor desconocido para ste caso, por lo cual en principio se asumi

que el uso de la red sera de tipo residencial y que tendra un nivel de complejidad

medio con lo cual la dotacin neta es de , esto segn lo mostrado en

la Tabla 17.

=

1

Ecuacin 8

Tabla 17. Dotacin neta segn el nivel de complejidad del sistema.

Fuente: RAS-2000, Tabla B.2.3.

Por ltimo para utilizar la Ecuacin 8 hara falta asumir las perdidas admisibles,

para este caso se tom un valor de %, siendo este el valor ms alto admisible

expuesto por la normativa. Asumiendo que la dotacin neta es de y

el porcentaje de prdidas es . , adems de los caudales medios diarios

suministrados, se estima el nmero de habitantes para la red basados en las

ecuaciones 2 y 3, dichos resultados se muestran en la Tabla 18.

Tabla 18. Estimacin del nmero de habitantes segn el Qmd.

Segn lo expuesto en la Tabla 1 y el nmero de habitantes estimado para ste

ejercicio se podra concluir que la red est operando para un nivel de complejidad

medio alto, ya que el nmero de habitantes obtenidos se encuentran en el rango

de y habitantes.

Nivel de complejidad Dotacin neta (L / hab * da)

Clima templado y fro

Dotacin neta (L / hab * da)

Clima clido

Bajo 90 100

Medio 115 125

Medio Alto 125 135

Alto 140 150

Dotacin por habitante egn el nivel de complejidad del sistema

Qmd

(L/s)

dneta

(L / hab*da)

dbruta

(L / hab*da)

Habitantes

40 115 92 37565

30 115 92 28174



2. Restricciones segn la normativa

Presin mnima

Segn el numeral 7.4.6, Presiones de la red de distribucin (Titulo B RAS

2000) se exige una presin mnima de . . (metros cabeza de agua) para un

nivel de complejidad medio-alto.

Dimetros mnimos

Segn la Tabla 19 el dimetro nominal mnimo exigido para redes con nivel de

complejidad medio-alto es de .

Tabla 19. Dimetros nominales mnimos de la red matriz. Fuente: RAS_2000, Tabla B. 7.3.

Velocidades

Segn la Tabla 20 las velocidades mximas y mnimas son / y . /

respectivamente, esto para el caudal mximo horario (Q.M.H).

Tabla 20. Velocidades mximas segn material de tuberas. Fuente: RAS-2000, Tabla B.7.4.8

Pendientes de la red

Segn el numeral 7.4.10 del ttulo B (RAS 2000) las pendientes mnimas que se

deben utilizar para la tubera son . % cuando el aire circula en sentido del agua

y de . % cuando el aire circula en sentido contrario al agua.

Nivel de complejidad Dimetro Mnimo

Bajo 100 mm

Medio Alto 150 mm

Alto 300 mm

Material Velocidad (m/s)

Acero sin revestimiento 5,0

Acero con revestimiento 4,0

Hierro dctil 4,0

CCP 5,0

PVC y PVCO 6,0

PEAD 5,0

CRP 6,0

Polipropileno 6,0

NOTA:

El diseo debe limitar la velocidad mnima a 0.5 m/s,

correspondiente al caudal mximo horario (QMH) en

el momento de entrada en operacin de la red.



3. Suposicin de caudales y pre-dimensionamiento de dimetros

Al observar el ejercicio planteado, se logr identificar que la cota del embalse

ubicado en el punto B, est por debajo del punto donde debera llegar el agua (E)

por tal motivo se replanteo la cota de dicho embalse subindola hasta y as

se hizo una distribucin de caudales como la mostrada en la Figura 12.

Figura 12. Suposicin inicial de caudales.

Segn el esquema planteado en la Figura 12 se utiliz la ecuacin de continuidad

en cada nodo ( = ) para estimar los caudales para cada tubera y a su vez se

hizo la suposicin de que las perdidas eran el resultado de la diferencia de nivel

(diferencia entre cotas) esto con el fin de poder utilizar la ecuacin de

Hazen-Williams (Ecuacin 9) para determinar los dimetros para cada tubera, los

cuales se muestran en la Tabla 21.

Ecuacin 9

Para este caso el coeficiente de Hazen-Williams (CHW) se tom como 150.

(Tomado de diapositivas de clase)



Tabla 21. Pre-Dimensionamiento de los dimetros para cada tubera.

Cabe destacar que el dimetro final registrado en la Tabla 21 se obtiene al

aproximar los valores obtenidos de utilizar la Ecuacin 9 adems tambin se

restringi dicho valor teniendo en cuenta el dimetro mnimo establecido en la

Tabla 19 es de (150 mm).

4. Anlisis de la red

Comportamiento horario de caudales

Para poder realizar una mejor simulacin se propuso una variacin de los

caudales demandados en el tiempo, esto se hizo teniendo en cuenta la demanda

ms comn para horas pico y las horas valle en el da, para las horas picos se

estim que el caudal demandado podra ser un % el caudal original planteado

por el ejercicio, y para las horas valle, donde se estima el consumo de agua es

mnimo se estim un caudal equivalente al %. Se asumi en un principio que las

horas pico podran estar alrededor de las 6 y las 8 de la maana, horas en las cuales

generalmente inicia el consumo de agua de los habitantes debido a las rutinas

diarias, jornadas laborales, entre otros, motivos por los cuales se tiene un gasto

mayor de agua.

De igual forma se supusieron horas valle, en donde el caudal demandado es

mnimo, estas horas serian horas altas de la noche, o de la madrugada (entre 11

pm y 3 am) e incluso horas intermedias entre la tarde y la noche.

A partir de estas suposiciones se propone una variacin de caudales que sigue

distribucin dependiente del tiempo (horas del da), dicha distribucin se presenta

en la Figura 13.

TuberaQ

(L/s)

Q

(m3/s)

hf

(m)

Longitud

(m)

dimetro

(mm)

dimetro final

(mm)

A-C 30 0,03 29 1850 150 200

C-E 10 0,01 13 2000 118 150

C-D 30 0,03 10 1000 164 200

B-E 40 0,04 2 2050 295 300

D-E 30 0,03 23 2200 163 200

D-F 20 0,02 3 1500 196 200

E-F 10 0,01 26 500 77 150

F-G 30 0,03 2 2000 263 300



Figura 13. Patrn de variacin de caudales en 24 horas.

5. Anlisis con los datos iniciales de diseo

Teniendo en cuenta que como se indic anteriormente la cota del embalse B est

por debajo de la unin E, y haciendo uso los dimetros obtenidos en la Tabla 21, se

realiz la respectiva simulacin en Epanet, y como era de esperarse los resultados

arrojados seran errneos. El resultado del anlisis mostr que para stas

condiciones de caudal, existan presiones negativas (Figura 14), Por lo que se

concluye que deben buscarse posibles soluciones que permitan compensar el

desnivel que presenta el embalse B.

Figura 14. Resultado del anlisis hecho en Epanet para el diseo inicial.



6. Posibles soluciones de diseo

Modificando la cota del embalse B

Como primera instancia para poder pre-dimensionar los dimetros haciendo uso

de la ecuacin de Hazen-Williams se increment la cota del embalse B a , el

resultado obtenido de la simulacin en Epanet tras realizar sta modificacin se

presenta en la Figura 15, y los dimetros de las tuberas en la Tabla 22.

Figura 15. Primera simulacin aumentando la cota del embalse B.

Figura 16. Velocidades en las tuberas para la primera simulacin de la red.



Figura 17. Presiones en los nodos para la primera simulacin de la red.

De las Figuras 15,16 y 17 se puede afirmar que tanto las presiones como las

velocidades de la red de abastecimiento que tiene el embalse B a una altura de

no cumplen con la normativa pues son inferiores a los mnimos exigidos en el

reglamento tcnico para el sector de agua potable y saneamiento bsico, por lo

tanto a continuacin se propone algunas soluciones para lograr alcanzar las

velocidades y presiones mnimas exigidas.

Soluciones para mantener la red en el rango de funcionamiento exigido por la

norma

Teniendo en cuenta que las velocidades para el Q.M.H debern superar los

. / y las presiones debern ser mayores a . . , y considerando que para

la primera simulacin el anlisis se realiz en las horas valle (entre las 6 y 8 am),

que el caudal mximo horario se obtiene en las horas pico, y que despus de haber

simulado varias configuraciones de red (modificando dimetros y algunas de las

cotas de los nodos), las soluciones ms viables que se puede proponer se

mencionan a continuacin:

Disminuir el dimetro hasta el mnimo permitido, en las tuberas donde no se

cumple la velocidad mnima exigida.

Aumentar la cota del embalse B, dado que por razones ya explicadas en este

mismo documento segn la configuracin inicial del problema, se obtienen

presiones negativas.

Dado que aumentar la cota del embalse B puede ser complicado y deberan

estudiarse las condiciones del terreno, junto con otros factores, se podra

pensar en colocar una bomba justo a la salida de este embalse para ganar

altura (energa).

Para el modelo analizado se disminuy la cota del nodo E, dado que en este

punto se presentaban la mayora de los problemas de presin y velocidad de

las tuberas que llegan a dicho nodos.



Basados en las soluciones propuestas anteriormente se realiz una configuracin

de red que implementa caractersticas que garantizan la eficiencia de sta dentro

del rango exigido por el RAS-200. En la Tabla 22 se presentan las modificaciones

que garantizan el correcto funcionamiento de la red, se resaltan los cambios en las

cotas y dimetros con respecto a los inicialmente asumidos.

Tabla 22. Configuracin de red que garantiza el cumplimiento de la normativa.

Cabe destacar que la configuracin que se muestra en la Tabla 22 fue el resultado

final de una serie de iteraciones en las que se modificaron las condiciones que

posiblemente garantizaran el funcionamiento de la red de abastecimiento, los

resultados obtenidos al modelar esta ltima configuracin en Epanet se muestran

en la Figura 18.

Figura 18. Resultados de la modelacin con las ltima configuracin para la red.

Tubera dimetro final

(mm)

Nodo Cota

(m)

A-C 150 A 54

C-E 150 B 54

C-D 200 C 25

B-E 300 D 15

D-E 150 E 37

D-F 150 F 12

E-F 150 G 10

F-G 300



Figura 19. Presiones en los nodos para la ltima configuracin de la red.

Figura 20. Velocidades en las tuberas para la ltima configuracin de la red.

En las Figuras 18, 19 y 20 se evidencia que las velocidades para cada tramo de

tubera superan el valor mnimo exigido por el reglamento (. /), aunque es

importante destacar con respecto a las presiones, que la presin obtenida para el

nodo E es la nica que no supera el valor mnimo exigido ( . . ). No obstante

el valor de presin obtenido papara ste nodo (. . . ) podra resultar

aceptable pues deber tenerse en cuenta que el valor mnimo requerido fue

obtenido a partir de la suposicin de que la red de distribucin trabaja bajo un tipo

de complejidad media-alta, informacin que debera ser verificada para justificar de

manera ms confiable un diseo eficiente de la red en cuestin y de antemano poder

decidir acerca de la presin obtenida en el nudo ineficiente o disear nuevamente

la red con el fin de obtener un diseo que cumpla 100% las restricciones

establecidas en el RAS-2000. Sin embargo es tambin importante mencionar que

sta ltima configuracin fue la que arroj los resultados que ms satisfacan las

exigencias reglamentadas.



Anlisis de variacin de las presiones.

Como se mencion en el numeral 4, para obtener una modelacin de la red ms

acorde a la realidad, se implement un patrn de variacin de los caudales

demandados para un periodo de 24 horas que intenta simular la demanda de agua

normal de una poblacin, dicho patrn genera tambin una variacin en las

presiones de los nodos a lo largo del da, tal como lo muestra la Figura 21.

Figura 21.Variacin de las presiones en los nodos segn el patrn propuesto.

A partir de ste grfico es correcto afirmar que las presiones en los nodos decaen

para las horas pico, horas en las cuales la demanda de caudales incrementan

cuantiosamente, esto podra entenderse debido a que por el mismo hecho de ser

estas las horas del da donde se demanda la mayor cantidad de agua y por ende se

desarrollan mayores velocidades, las prdidas en funcin de

incrementarn

considerablemente, comportamiento que se muestra en la Figura 22.

22

2

12

2 HT = MXIMO

DISPONIBLE

PARA PRDIDAS



El comportamiento de las presiones en horas picos para el sistema de

abastecimiento puede ser descrito desde el punto de vista energtico, como siempre

se tienen la misma disponibilidad de prdidas totales (HT), y stas son una funcin

de

, como se mencion anteriormente, entonces un incremento de velocidad se

traducir en una disminucin de la presin, esto teniendo en cuenta que las alturas

piezomtricas se mantienen constantes.

Anlisis de variacin de las velocidades

Anlogamente, realizando un anlisis de la variacin de la velocidad en el tiempo,

se puede afirmar con relacin a la Figura 22, que para las horas pico, aquellas en

las cuales la demanda de caudal es mxima, la velocidad ser mxima por el simple

hecho de que se satisface la ecuacin = , de la misma forma, para

aquellas horas en la que la demanda es baja, la velocidad disminuir

proporcionalmente.

Figura 22. Variacin de la velocidad para los tramos de tuberas.



CONCLUSIONES

Es de gran importancia a la hora de disear una red de abastecimiento de agua

potable hacer un estudio demogrfico que nos indique la poblacin total que

debe ser abastecida por este lquido vital. Respecto a este estudio demogrfico

se definen la mayora de los parmetros de diseo establecidos en el

RAS-2000, como los caudales de diseo, los dimetros mnimos, y en general

el nivel de complejidad de la red que debe ser usado.

Se concluye que la red de abastecimiento de agua potable esta sobre diseada,

debido a que los dimetros calculados con Hazen-Williams son muy pequeos,

pero por norma se deben utilizar los dimetros mnimos que son ms grandes

de los que realmente se necesitan, implicando as mayores costos. (En caso de

poderse utilizar los dimetros ms pequeos, se debe verificar que se cumplan

los requisitos de presin y velocidad exigidos por la norma).

Se evidenci que al aumentar el dimetro de las tuberas las presiones tambin

lo hacan, esto se debe que al transportar el mismo caudal por un rea ms

grande las velocidades deben ser menores puesto que = , y por ende se

tienen menores perdidas por friccin en la tubera ya que estas son funcin

directa de la velocidad al cuadrado, como consecuencia de lo anterior las

presiones son ms altas. Por este motivo se debe buscar un equilibrio en los

dimetros en los cuales las presiones sean las requeridas pero no se afecta la

velocidad a tal punto que no cumplan las restricciones.

Las presiones obtenidas con el material Acuaflex son mayores a las obtenidas

con el material GRP, esto debido a que las prdidas por friccin son menores a

causa de la baja rugosidad del material mencionado.

Dado que las demandas son tan bajas, se debe optar por dimetros muy

pequeos para poder satisfacer el requisito de velocidad planteado por el RAS-

2000, esto debido a que para transportar un mismo caudal en un rea ms

pequea se debe aumentar la velocidad del flujo ( = ).

Durante el desarrollo del trabajo se evidenci que el diseo de redes de agua

potable no es algo nico y que podra variar dependiendo de la persona que lo

est realizando, tambin pudimos observar que en estos casos se necesita un

criterio bastante especializado y mucha experiencia para poder resolver los

diferentes problemas que se plantean, ya que no fue fcil para nosotros que no

tenemos experiencia alguna establecer algunos parmetros durante el

desarrollo de la red.

En el desarrollo del diseo se obtuvieron los mismos dimetros para los dos

tipos de materiales, lo que nos da a entender que el material de las tuberas



puede ser una variable de importancia en caso de poblaciones grandes donde

la demanda es bastante superior a la presentada en este problema, pero para

poblaciones relativamente pequeas las variables ms influyentes son la

longitud de la tubera y la demanda de caudal.

Se establecieron las cotas de los nodos, de tal manera que cada tubera cumpla

con los requisitos de pendiente mnima exigidos por el RAS-2000, el cual en su

ttulo B en el numeral 7.4.10 establece que:

Las pendientes mnimas recomendadas son:

Cuando el aire circula en el sentido del flujo del agua, la pendiente mnima

debe ser 0.04%.

Cuando el aire circula en sentido contrario al flujo del agua, la pendiente

mnima debe ser 0.1%.

Tubera Pendiente (%)

0-1 13,9

1-2 1,7

2-3 6,7

1-4 8,3

4-5 4,4

1-6 7,1

6-7 4

Dado que la simulacin se hizo con los dimetros mnimos permitidos por el

RAS-2000, debemos escoger entre los materiales y los fabricantes, el que nos

pueda vender tubos con estos dimetros. Debido a lo anterior se recomienda

utilizar el material Acuaflex, ya que comercialmente se pueden conseguir tubos

con dimetro interior igual a 64.29 mm y 99.4 mm, que son muy similares a los

dimetros usados en la simulacin (64 mm y 100 mm) y que cumplen con los

requisitos mnimos exigidos por la norma. Tambin se escoge este material por

su facilidad de instalacin (las uniones se hacen mecnicamente), adems por

ser un material liviano se facilita su transporte, cargue y descargue y por otra

parte es bastante resistente a los efectos del medio ambiente. Tambin pudimos

observar que con este material hay menos prdidas por friccin y por ende las

presiones obtenidas son mayores, por lo que hidrulicamente tambin es mejor.

A continuacin se colocarn las presiones y velocidades obtenidas en la

simulacin con los dimetros comerciales ya mencionados (el archivo de

EPANET se anexar en los archivos digitales anexos a este trabajo con el

nombre de dimetro_comercial.NET):



Debe tenerse en cuenta que los diseos anteriormente propuestos deben ser

validados realizando un estudio poblacional que garantice el nivel de

complejidad de la red de distribucin enmarcada dentro de las posibilidades

establecidas en la Tabla 19.

Con las modificaciones hechas a la red inicialmente planteada se obtuvieron

resultados que se ajustan en la medida de lo posible a la reglamentacin, ya

que las velocidades y las presiones obtenidas cumplen casi en su totalidad con

las exigidas establecidas (a excepcin de la presin en el nodo E).

El hecho de aumentar la cota del embalse B podra implicar un alto aumento en

el costo del diseo, por esto se recomienda realizar un estudio econmico y

topogrfico para verificar la viabilidad de implementar sta solucin.

Puede entenderse que los caudales en negativos en Epanet son una

representacin para los tramos de tubera que aportan caudal a la red, es decir,

aquellas tuberas que no suministran caudales laterales demandados en

ninguno de sus extremos (Tuberas E-F y C-E del ejercicio 2).

Se puede utilizar la ecuacin de Darcy - Weisbach para el clculo de las

perdidas dado que el problema en si se trata de una comprobacin de diseo

donde todos los parmetros son conocidos, o se podra decir que son

asumidos, adems cabe rescatar que esta ecuacin es de base fsica por lo

cual simula mejor lo que pasa en la realidad; uno de los problemas que podra

existir al momento de utilizar esta ecuacin podra ser el clculo del factor de

friccin (f) dado que la ecuacin utilizada para calcular dicho factor con mejor

exactitud es la de Colebrook - White y esta no es explicita, sea que no se puede

despejar para encontrar un resultado (hay que iterar), no obstante el software

utilizado (Epanet) facilita estos clculos y elimina el problema mencionado.



REFERENCIAS

[Citado el 10 de Mayo de 2015]



Manuales tcnicos de tuberas, PAVCO.


Reglamento tcnico para el sector de agua potable y saneamiento bsico.

(RAS-2000).

Presentaciones de clase.

diseño de red acueducto

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