RESERVORIO DE ALMACENAMIENTO

La importancia del reservorio radica en garantizar el funcionamiento hidráulico del sistema y el

mantenimiento de un servicio eficiente, en función a las necesidades de agua proyectadas y el

rendimiento admisible de la fuente.

Un sistema de abastecimiento de agua potable requerirá de un reservorio cuando el

rendimiento admisible de la fuente sea menor que el gasto máximo horario (Qmh). En caso que

el rendimiento de la fuente sea mayor que el Qmh no se considera el reservorio, y debe

asegurarse que el diámetro de la línea de conducción sea suficiente para conducir el gasto

máximo horario (Qmh), que permita cubrir los requerimientos de consumo de la población.

En algunos proyectos resulta más económico usar tuberías de menor diámetro en la línea de

conducción y construir un reservorio de almacenamiento.

En el desarrollo del capítulo se presentan las consideraciones básicas que permiten definir

metodológicamente el diseño hidráulico y además se muestra un ejemplo de cálculo estructural

de un reservorio de almacenamiento típico para poblaciones rurales.

1.- CONSIDERACIONES BASICAS

Los aspectos más importantes a considerarse para el diseño son la capacidad, ubicación y tipo de

reservorio.

A) Capacidad del reservorio

Para determinar la capacidad del reservorio, es necesario considerar la compensación de las

variaciones horarias, emergencia para incendios, previsión de reservas para cubrir daños e

interrupciones en la línea de conducción y que el reservorio funcione como parte del sistema.

Para el cálculo de la capacidad del reservorio, se considera la compensación de variaciones

horarias de consumo y los eventuales desperfectos en la línea de conducción. El reservorio

debe permitir que la demanda máxima que se produce en el consumo sea satisfecha a

cabalidad, al igual que cualquier variación en el consumo registrada en las 24 horas del día.

Ante la eventualidad de que en la línea de conducción puedan ocurrir daños que mantengan

una situación de déficit en el suministro de agua mientras se hagan las reparaciones

pertinentes, es aconsejable un volumen adicional que de oportunidad de restablecer la

conducción de agua hasta el reservorio.

B) Tipos de Reservorios

Los reservorios de almacenamiento pueden ser elevados, apoyados y enterrados. Los

elevados, que generalmente tienen forma esférica, cilíndrica y de paralelepípedo, son

construidos sobre torres, columnas, pilotes, etc. ; los apoyados, que principalmente tienen

forma rectangular y circular, son construidos directamente sobre la superficie del suelo; y los

enterrados, de forma rectangular, son construidos por debajo de la superficie del suelo

(cisternas).

Para capacidades medianas y pequeñas, como es el caso de los proyectos de

abastecimiento de agua potable en poblaciones rurales, resulta tradicional y económica la

construcción de un reservorio apoyado de forma cuadrada.

C) Ubicación del reservorio

La ubicación está determinada principalmente por la necesidad y conveniencia de mantener la

presión en la red dentro de los límites de servicio, garantizando presiones mínimas en las

viviendas más elevadas y presiones máximas en las viviendas más bajas.

De acuerdo a la ubicación, los reservorios pueden ser de cabecera o flotantes. En el primer

caso se alimentan directamente de la captación, pudiendo ser por gravedad o bombeo y

elevados o apoyados, y alimentan directamente de agua a la población. En el segundo caso,

Son típicos reguladores de presión, casi siempre son elevados y se caracterizan porque la

entrada y la salida del agua se hacen por el mismo tubo.

Considerando la topografía del terreno y la ubicación de la fuente de agua, en la mayoría de

los proyectos de agua potable en zonas rurales los reservorios de almacenamiento son de

cabecera y por gravedad. El reservorio se debe ubicar lo más cerca posible y a una elevación

mayor al centro poblado.

2.- CASETA DE VALVULAS

A) Tubería de llegada

El diámetro está definido por la tubería de conducción, debiendo estar provista de una

válvula compuerta de igual diámetro antes de la entrada al reservorio de almacenamiento;

debe proveerse de un by - pass para atender situaciones de emergencia.

B) Tubería de salida

El diámetro de la tubería de salida será el correspondiente al diámetro de la línea de

aducción, y deberá estar provista de una válvula compuerta que permita regular el

abastecimiento de agua a la población.

C) Tubería de Limpia

La tubería de limpia deberá tener un diámetro tal que facilite la limpieza del reservorio de

almacenamiento en un periodo no mayor de 2 horas. Esta tubería será provista de una válvula

compuerta.

D) Tubería de Rebose

La tubería de rebose se conectara con descarga libre a la tubería de limpia y no se proveerá

de válvula compuerta, permitiéndose la descarga de agua en cualquier momento.

E) By-Pass

Se instalara una tubería con una conexión directa entre la entrada y la salida, de manera

que cuando se cierre la tubería de entrada al reservorio de almacenamiento, el caudal

ingrese directamente a la línea de aducción. Esta constara de una válvula compuerta que

permita el control del flujo de agua con fines de mantenimiento y limpieza del reservorio.

3.- CALCULO DE LA CAPACIDAD DEL RESERVORIO

Para el cálculo del volumen de almacenamiento se utilizan métodos gráficos y analíticos. Los

primeros se basan en la determinación de la "curva de masa" o de "consumo integral",

considerando los consumos acumulados; para los métodos analíticos, se debe disponer de

los datos de consumo por horas y del caudal disponible de la fuente, que por lo general es

equivalente al consumo promedio diario (ver Figura).

En la mayoría de las poblaciones rurales no se cuenta con información que permita utilizar

los métodos mencionados, pero si podemos estimar el consumo medio diario anual. En base

a esta información se calcula el volumen de almacenamiento de acuerdo a las Normas del

Ministerio de Salud.

Para los proyectos de agua potable por gravedad, el Ministerio de Salud recomienda una

capacidad de regulación del reservorio del 25 al 30% del volumen del consumo promedio

diario anual (Qm).

Con la finalidad de presentar el procedimiento de cálculo de la capacidad y del

dimensionamiento de un reservorio se desarrolla el siguiente ejemplo:

EJEMPLO DE PROBLEMA

Datos:

Población futura (Pf) = 977 habitantes

Dotación = 80 Vhab./día

Resultados:

Consumo promedio anual (Qm):

Qm = Pf x Dotación = 78,160 litros

Volumen del reservorio considerando el 25% de Qm:

V = Qm x 0.25 = 19,540 litros = 19.54 m3

Volumen asumido para el diseño (V) = 20 m3.

Con el valor del volumen (V) se define un reservorio de sección cuadrada cuyas dimensiones

son:

Ancho de la pared (b) = 3.70 m.

Altura de agua (h) = 1.48 m.

Bordo libre (B.L.) = 0.30 m.

Altura total (H) = 1.78 m.

Las dimensiones estimadas se muestran en la Figura

4.-DISEÑO ESTRUCTURAL DEL RESERVORIO

Para el diseño estructural de reservorios de pequeñas y medianas capacidades se recomienda

utilizar el método de Portland Cement Association (ref. Nro 15 y 19), que determina

momentos y fuerzas cortantes como resultado de experiencias sobre modelos de reservorios

basados en la teoría de Plates and Shells de Timoshenko, donde se consideran las paredes

empotradas entre sí.

De acuerdo a las condiciones de borde que se fijen existen tres condiciones de selección,

que son:

Tapa articulada y fondo articulado.

Tapa libre y fondo articulado.

Tapa libre y fondo empotrado.

En los reservorios apoyados o superficiales, típicos para poblaciones rurales, se utiliza

preferentemente la condición que considera la tapa libre y el fondo empotrado. Para este

caso y cuando actúa solo el empuje del agua, la presión en el borde es cero y la presión

máxima (P), ocurre en la base (ver Figura 5).

P=γ a x h

El empuje del agua es:

V=γah

2b2

Donde:

γ a= Peso especifico del agua.

h = Altura del agua.

b = Ancho de la pared.

Para el diseño de la losa de cubierta se consideran como cargas actuantes el peso propio y la

carga viva estimada; mientras que para el diseño de la losa de fondo, se considera el empuje

del agua con el reservorio completamente lleno y los momentos en los extremos producidos

por el empotramiento y el peso de la losa y la pared.

EJEMPLO DE PROBLEMA

Para el diseño estructural de un reservorio de concreto armado de sección cuadrada se

considera los resultados obtenidos del ejemplo anterior.

Datos:

Volumen (V) = 20 m3.

Ancho de la pared (b) = 3.70m.

Altura de agua (h) = 1.48 m.

Borde libre (B.L.) = 0.30m.

Altura total (H) = 1.78 m.

Peso especifico del agua (ɣa) = 1000 Kg/m3.

Peso especifico del terreno (ɣt) = 1800 Kg/m3.

Capacidad de carga del terreno (σt) = 1 Kg/m2.

a) CALCULO DE MOMENTOS Y ESPESOR (E)

- Paredes

El cálculo se realiza cuando el reservorio se encuentra lleno y sujeto a la presión del agua.

Para el cálculo de los momentos se utilizan los coeficientes (k) que se muestran en el

(Cuadro H.5) se ingresa mediante la relación del ancho de la pared (b) y la altura de agua

(h). Los límites de la relación de b/h son de 0.5 a 3.0.

Siendo:

h = 1.48

b = 3.70

Resulta:

b /h= 3.71.48

=2.50

Para la relación b/h = 2.50, se presentan los coeficientes (k) para el cálculo de los

momentos, cuya información se muestra en el Cuadro siguiente

Coeficientes (k) para el cálculo de momentos de las paredes de reservorios

Cuadrados - tapa libre y fondo empotrado

b/h x/hy=0 y=b/4 y=b/2

Mx My Mx My Mx My

2.50

0 0 0.027 0 0.013 0 -0.074

1/4 0.012 0.022 0.007 0.013 -0.013 -0.066

1/2 0.011 0.014 0.008 0.010 -0.011 -0.053

3/4 -0.021 -0.001 -0.010 0.001 -0.005 -0.027

1 -0.108 -0.022 -0.077 -0.015 0 0

Los momentos se determinan mediante la siguiente fórmula:

M=k∗γa∗h3…………. (4.1)

Conocidos los datos se calcula:

γ a∗h3=1000∗(1.48 )3

γ a∗h3=3242Kg

Para y = 0 y reemplazando valores de K en la ecuación se tiene:

M x 0 = O

M x 1/4 = 0.012 x 3242 = + 38.90 Kg-m.

M x 1/2 = 0.011 x 3242 = + 35.66 Kg-m.

M x 3/4 = - 0.021 x 3242 = - 68.08 Kg-m.

M x l = - 0.108 x 3242 = - 350.136 Kg-m.

Siguiendo el mismo procedimiento se calculan los momentos Mx y My para los valores de y, cuyos

resultados se presentan en el Cuadro siguiente y en la Figura de Momentos

Momentos (kg-m.) debido al empuje del agua

b/h x/hy=0 y=b/4 y=b/2

Mx My Mx My Mx My

2.50

0 0 87.53 0 42.15 0 -239.91

1/4 39.900 71.32 22.690 42.15 -42.15 -213.97

1/2 35.660 45.39 25.940 32.42 -35.66 -171.83

3/4 -68.080 -3.24 -32.420 3.24 -16.21 -87.534

1 -350.136 -71.32 249.634 -48.63 0 0

En el Cuadro de Momentos debido al empuje del agua, el máximo momento absoluto es

M= 350.136 Kg-m

El espesor de la pared (e) originado por un momento "M" y el esfuerzo de tracción por flexión

(ft) en cualquier punto de la pared (ver Figura 7), se determina mediante el método elástico sin

agrietamiento, cuyo valor se estima mediante:

e=( 6Mft∗b )1 /2

…………...(4.2)

Donde:

ft = 0.85 (f'c)1/2 = 11.25 Kg/cm2

f'c= 175 Kg/cm2.

M = 350.136 Kg-m.

b = 100 cm

Reemplazando los datos en la ecuación 4.2, se tiene:

e = 13.67 cm.

Para el diseño se asume un espesor: e = 15 cm...

Losa de cubierta

La losa de cubierta será considerada como una losa armada en dos sentidos y apoyada en

sus cuatro lados.