illDRULICA DE TUBERASJuan G. Saldarriaga V.Profesor de ingeniere
hidruicaUniversdad de los AndesRevisin tcnicaGermnR. Santos
G.Profesor tituiarEscuela Colombiana de ingenieraSantaf de Bogot.
Buenos Aires. Caracas Guatemala Lisboa Madrid MxicoNueva York Panam
San Juan Santiago de Chile sao PauloAucklandHamburgo "Londres Miln
Montreal Nueva Delhi " ParsSanFrancsco"San Lus" Singapur Sidney
Tokio TarantaHidrulica de tuberasNo est permitida la
reproduccintotalo parcial de este libro,ni su
tratamientoinformtico, ni la transmisin de ninguna forma o por
cualquier medio,ya seaelectrnico,mecnico,por fotocopia, por
registro u otros mtodos, sin el permisoprevio y por escrito de los
titulares del Copyright.DERECHOS RESERVADOS. Copyright 1998, por
JUAN G. SALDARRIAGA VDERECHOS RESERVADOS.Copyright 1998,por
McGRAW-HILL INTERAMERICANA, SAAvenida de las Amricas,46-41.Santafde
Bogot, D. C., ColombiaEditora: Emma Ariza H.1234567890ISBN:
958-600-831-2Impreso en Colombia9012345678Prlntedin ColombiaSe
imprimieron1AOO ejemplares en el mes de mayo de 2001Impreso en
Panamericana Formas e Impresos S.A.A Carolina, Juliana y
Alejandroquienes dan sentido a mi vida.PREFACIOHidrulica de tuberas
es el resultado de varios aos de trabajo de investigacin y docencia
en el rea dehidrulica de tuberas y sistemas de irrigacin en el
Departamento de Ingeniera Civil de la Universidad delos Andes. A
pesar de que en la bibliografa tcnica existente se encuentran
excelentes textos de hidrulica,mecnica de fluidos, maquinaria
hidrulica eincluso textos en hidrulica de tuberas, faltaba un libro
quecubriera todos los aspectos del flujo en tuberas. El presente
texto es unesfuerzo para suplir ese vaCo.Secaracteriza por estar
centrado en el diseo desistemas de tuberas, ms que en losmtodos de
construccin,mantenimiento y operacin de dichos sistemas. Para
lograr su objetivo introduce una serie de algoritmos,
diagramasdeflujoyprogramas, enlosdisquetesadjuntos,
loscualespennitenel diseodetodoslossubsistemasdetuberas que pueden
fonnar parte de un sistema mayor. Tambin incluye comentarios de
programas existentesen el mercado destinados al diseo de redes de
tuberas para la distribucin de agua potable.Con el fin deayudar a
entender el proceso de diseo, cada captulo va acompaado de una
serie de ejemplos resueltos ydeunaseriedeproblemasplameados.
Igualmente, al final decadacaptulosepresentalabibliografautilizada,
que puede ser consultada por el lector con el objeto de
complementar algunos detalles de lateora.Otra de las caractersticas
de Hidrulica de tuberas es que abarca tcmas que usualmente se
trataban entextos diferentes a pesar de estar muy relacionados. El
libro contiene los temas de tuberas simples, sistemasdetuberas,
sistemasdebombeo, sistemasdedistribucindeaguapotableoacueductosy,
finalmente,sistemas de riego convencionales y localizados de alta
frecuencia. Est dividido en ocho captulos. El captulo1 se dedica a
establecer las teoras sobre las cuales se basa todo el diseo de
sistemas de tuberas con flujoa presin. Es un captulo que describe
en foona detallada el desarrolJt) histrico del actual conocimiento
delflujoturbulentoentuberas. PartedelostrabajosdeNewtony
Darcyyfinaliza conlosdePrandtI, VanKnnn, Nikuradse, Colebrook y
White. Establece en forma cIara las teoras de cantidad de
movimiento, deflujo viscoso, de anlisis dimensional, de longitud de
mezcla y de interaccin fluido-pared slida que hanpermitido entender
el flujo turbulento en tuberias y que permanecen como uno de los
pocos casos de flujoturbulentoconecuacionesde
diseocompletamentedesarrolladasyprobadasenla prctica. Alfinal
delcaptuloapareceunatabladeresumendeestasecuaciones. A
pesardequeesuncaptulobsicoparaentender el flujo en tuberas a
presin, su lectura puede ser dejada de lado por el lector que no
desee conoceren detalle la procedencia de las ecuaciones de
diseo.El captulo2estdedicadoal diseodetuberassimples, es
deciraquellastuberascondimetroymaterial constante, que son la base
para el diseo de los sistemas ms complejos. En l se establecen los
trestipos de problemas de tuberas a los que se ve enfrentado el
diseador de tuberas y se describen las forma'>desolucin. Esto
lleva a la presentacin de los cinco primeros diagramas de Hujo y a
los cinco primeros programas,los cuales sern la base de los
programas que se presentan en los dems captulos. El texto remite a
los programasmediante el cono de un disquete identificado con un
nmero de programa. En los disquetes que acompaanellibro se
encuentra uncono que identifica los14 programascomplementariosal
texto. Haciendo dobleclic con el ratn sobre elcono seleccionado, el
lector podr utilizar cualquiera delos programas.Elcaptulo3
presentalasecuacionesy metodologasalternaspara eldiseo
detuberassimples. Lasteorasde
longituddemezclaydeinteraccinfluido-paredslidadePrandtl
llevaronaecuacionesnoexplcitasdediseo. Esteproblema
fomentelplanteamiento de ecuacionesnetamente empricas para eldiseo
de sistemas de tuberas, algunas tratando de seguir unidas a la
ecuacin de Darcy-Weisbach y otrassiguiendo un camino completamente
diferente. Algunas de estas ecuaciones alcanzaron un xito
importanteen la prctica de la ingeniera y siguen siendo utilizadas
en el presente. Entre las ecuaciones de este tipo
seVIHIDRULICADErUBERASdestacan las de Moody, Wood, Barr y
Hazen-Williams, las tres primeras siguenla metodologa de Darcy yla
ltima es completamente independiente.El captulo 3 presenta estas
ecuaciones, con ejemplos para lostres tipos de problemas de diseo
de tuberas antes descritos. Al final del captulo se hace una
comparacinentre las ecuaciones de Hazen-Williams y de
Darcy-Weisbach en conjunto con la de Colebrook-White.Apartir del
captulo 4 se inicia el anlisis de sistemas complejos de tuberas.
Sin embargo, las solucionesa problemas de diseo en estos sistemas
se basLm en los cinco algoritmos planteados en el captulo 2. El
captulo4 aborda el problema de operar sistemas de tuberas con
bombas. Se establece en detalle el efecto que una bombatiene sobre
la lnea de gradiente hidrulico del flujo en una tubera y se
introducen los conceptos de curva dela bomba y curva del sistema.
Luego de introducir los conceptos bsicos de la operacin de bombas
se desarrollala metodologa de diseo de sta, la cual queda incluida
en el diagrama de tlujo 6 y en el programa
6.Elcaptulo5establecelasmetodologasdediseodetuberasenserieydetuberasenparalelo.
Laprimera partedel captuloserelaciona con el
diseodesistemasenserie; nuevamenteseestablecenlasmetodologas para
resolver los tres tipos de problemas del diseo de sistemas de
tuberas, las cuales quedanresueltas entres diagramas
deflujoconsuscorrespondientes programas. Enestapartedel
captuloseintroducen losdiagramas deflujo7, 8 Y9 Ysusprogramas.
Alfinalde esta primera parte se estudian lostubos porosos, caso
particular de los tubos en serie, utilizados en los sistemas de
riego que se estudian en elcaptulo 8, La segunda parte del captulo
5 analiza el caso de las tuberas en paralelo. Los diagramas
de-flujo10, 11Y12 Ysus conespondientes programas contienen las
metodologas de solucin de los tres tipos deproblemas para el caso
de sistemas en paralelo.Los captulos 6 y 7 se dedican al anlisis de
redes de tuberas. El primero de stos desarrolla el caso delas
redesabiertas osistemasde redesmatrices ensistemasde acueductos,
aquellastuberas expresas queinterconect,m los diferentes tanques
del sistema. Para el anlisis de este tipo de redes se introduce el
conceptode balance de cantidad en un nodo y luegose procede a
establecer las metodologas de diseo de los trestiposdeproblemasenel
casodelasredesabiertas. Sedesarrollanlosdiagramasdeflujo 13y14 Y
suscorrespondientes programas. Estos 14programas fueron
desarrollados comoparteintegral del textoHidrulica detuberas. Tal
como se estableci anteriormente, los archivos ejecutables se
encuentran incluidosenlosdisquetesadjuntos. Todoslos
programasfuerondesarrollados enlenguaje TURBOPASCAL paraWINDOWS y
pueden correr en un computador pe compatible con procesador 80486 o
superior y con unamemoria RAM de por lo menos 8 megabytes.El
captulo 7 est relacionado con las redes cerradas de tuberas, es
decir aquellas redes que contienen
almenosuncircuitocerradoyqueconformanlos sistemas tpicos
dedistribucindeaguapotableenloscentros urbanos. En el captulo se
describen en detalle las diferentes metodologas para resolver
problemasdediseoderedescerradaspartiendodelasmsantiguas,
talescomoladeHardy-Crosshastalas msmodernas como la del gradiente.
Se muestra cmo las metodologas existentes se desarrollaron
nicamentepara el primer tipodeproblema de tuberas, la
comprobacindel diseo. Sehaceuna cortadescripcin,sacadadeINTERNET,
dealgunosdelosprincipalesprogramascomerciales: KYPIPE3,
CYBERNET,WATERCADyEPANET. Laltima partedel
captulosededicaadescribir metodologasparaatacar
eltercertipodeproblemas, el diseoens delas redes, atravsderutinas
deoptimizacindecostosdetuberas. Seintroducen los criterios de diseo
de redes cerradas de Wu y deFeatherstoney se describe elprograma
REDES. desarrollado en elDepartamento de Ingeniera Civil de la
Universidad de los Andes, elcual pennite el diseo optimizado de
redes de distribucin de agua potable. Una versin acadmica de
esteprograma, limitada a redes de mximo 30 tubos, se encuentra en
los disquetes que vienen con el libro.PI0001.8 -0.00331
-0.0068544-3-0.0088 0.0018A-5 0.0318 0.0022 cO.00396 0.007075 .5-2
0.0093 0.001.75-4 -00318 0.00229:8 0.0.524 0.0039 -0.00781 0.000086
8,1 0.0924 0.01446-50.0039339340HIDIULlCADETUBERASEn fanna
matricial:-00107 0-0015 0.0000 0.0017 0.0000 dH20.0000.0015 -0.0033
0.0018 0.0000 00000 dH3-0.00700000 0-0018 -0.0040 0.0022 0.0000
dH,0.0070.0017 0.0000 00022 -0.0078 0.0039 dH50.00000000 0.0000
00000 00039 -00183dH,0.000Los resultados para el vector dH
son:dH2dH,dH,dH5dH6Luego, las nuevas cabezas son:Quinta
iteracin0.1581.399-1.374-0.085TuberaH, HhmQ, 2: km, +
8f;18Hf(l/d,)1-2 100 930011 700 0106 31183 00082-3 930011 817550
1125ANLISISDEREDESDETUBFRAS. REDESCERRADASTuberaH, H h, a, kml] +
8f/liHf(l/d,)8.819.369.249.27 -0.036 56625 00022-5 93.0011 89.7100
3.29 -0.010 40.141 0.0023-4 81.7550 81.4517 0.30 -0.003 48888
00054-5 81.4517 89.7100 8.26 0.034 46.910 0.0025-6 89.7100 96.7058
6.99 0.054 50.108 0.0046-1 96.7058 100 3.29 0.094 18.917 0.014Con
los resultados anteriores se construye la siguiente tabla:Unin
TuboO, Ii"/OH S"/OH,-"2 1-2 01063 000762-3 -0.0360 000162-5 -0.0103
00016 -001076 -0000053 3-2 00360 000163-4 -00028 0.0047 -000626
0.006824 4-3 00028 0.00474-5 00339 0.0021 -000671 -0006745 5-2
0.0103 0.00165-4 -0.0339 000215-6 00537 00038 -0.00745 -0.000036
6-1 00937 001426-5 -00537 0.0038 -001805
0.00000341342HIDRUUCADErUBEr!ASEn fonna matricial:00016 0.0000
00016 00000 dH, 00000.0016 0.0047 00000 00000 dH, 000700000 00047
0.0021 00000 dH,
0.0016 00000 0002100038 dH, 000000000 00000 0.0000 0.0038
-0.0181 dH, 0000Los resultados para el vector dHi
son:dH2dH3dH4dH,dH5Luego, las cabezas
son:-0069-0.6640.5950.1720.037H, 92.9317H381.091582.0468H =
89.9000oH, = 96.7423Sexta iteracinTubera H, H hfjlQ Z kmq +
lifIIiHf{l/d,)1-2 100 92.9317 7.07 0.107 31.169 0.0082-3 929317
81.0915 1184927ANLISISDEREDESDETUBERIAS. REDESCERRADASTubera H~hOJ
QIJ}; kmq + 8i18Hjf(l/dJ9.859,729.75 -0.037 56.515 0.0022-5 92.9317
89.9000 3.05 -0.010 40.331 0.0023-4 81.0915 82.0468 0.96 0.005
43.891 0,0034-5 82.0468 89.9000 7.84 0.033 47,030 0.0025-6 89.9000
96,7423 6,86 0.053 50.158 0.0046-1 96.7423 100 3,26 0.093 18,927
0.014Con los resultados anteriores se construye la siguiente
tabla:Unin Tubo QqW 8 ~8i/I!H -i2 2-1 0.1069 0.00762-3 -0.0370
0.00162-5 -0.0099 0.0016 -0.01074 -0.000033 3-2 0,0370 0,00163-4
0.0053 I 0.0028 -0.00433 -0.002284 4-3~0.00284-5 0.0021 -0,00488
0.002315 5-2 0.00165-4 -0.0330 0.00215-6 0.0531 0.0039 -0.00760
0.000016 6-1 0,0931 0,01436-5 -0,0531 0.0039 -0,01816 0,00000En
fonna matricial:343344HIDr,AlIIICADETlIBFRIAS-00107 00016 00000
00016 0000000016 -00043 00028 00000 0000000000 00028 --0.0049 00021
0000000016 00000 00021 -00076 0003900000 00000 0.0000 00039
-0.0182Los resultados para el vector dH, son:dH, 0000dH,
-0002dH.,0002dH,
0000dH,0000dH2dH,dH"dH,dH600370.331-0326-0093-0020Luego, las nuevas
cabezas definitivas son:H, 92.9684H, 81.4225H, 81.7208H, 89.7900He
96.7226Sptima iteracinTubera H.H hfj Gi}:kml+o"/oH ,f(l/dl}1-2 100
929684 703 0107 31.176 00082-3 929684 814225 1155-- r-"9.05~ - - -
, -961948-TuberaANLISISDEREDESDETUBERIAS. REDESCERRADAS"2.kmQ+
U/OHf(ldJ3450.0020.0020.0050.0020.0040.014-f0.000000.00069-0.0000950.000000.00000-0.0107
0.0016 0.0000 0.0016 0.0000 dH, 0.0000.0016 -0.0063 0.0000 0.0000
dH, -0.0010.0000 0.0047 - 0.0021 0.0000 dH, = 0.0010.0016 0.0021
-0.0075 0.0039 dH,0.0000.0000 0.0000 0.0039 -0.0181
dH,0.000346HfLWUUCADETUBERASLos resultados para el vector dH,
son:dH,dHdH,dH5dH6-0007-006500630.0180004Luego, las nuevas cabezas
definitivas son:92961281357281783698810096.7265Octava
iteracinTubera H~hffQIkmi+ 8f;I6H((lJd)1-2 100 929612 704 0.107
31.175 0008~ -2-3 929612 813572 1160909--_.966953--._.956 -0037
56558 00022-5 929612 898100 315 -0010 40246 0002-3-4 813572 817836
043 0003 47230 00044-5 817836 898100 803 0033 46976
0002f-----t---5-6 898100 967265 692 0053 50136 0.0046-1 967265 100
3.27 0093 18923 0014ANLISISDEREDESDE TUBERAS REDES CERRADASCon los
resultados anteriores se construye la siguieote tabla:Unin Tubo Q,)
SflflH SflflH, -f2 1-2 0.1066 0.00762-3 -0.0365 0.00162-5 -0.0100
0.0016 -0.01075 0.000003 3-2 0.00163-4 0.0040 -0.00558 -0.000014
4-3 O4-5 1 -0.00608 0.000015 5-2 0.00165-4 0.00215-6 0.0039
-0.00753 0.000006 6-1 0.01436-5 0.0039 -0.01812 0.00000En fonna
matricial:347-0.0107 0.00160.0016 -0.00560.0000 0.00400.0016
0.00000.0000 0.00000.0000 0.00160.0040 0.0000-0.0061 0.00210.0021
-0.00750.0000 0.00390.00000 . O
O0.00000.0039-0.01810.0000.0000.0000.0000.000Los resultados para el
vector dHj son:dH20.000dH3=0.001dH,=-0.002dH, -0.001dH, 0.000Luego,
las nuevas cabezas definitivas son:H, = 92.9614H,81.3580H, =
81.7819H, = 98.8098H6= 96.7263348IIIDf,c\UIICADETUllERASPara estas
cabezas, los caudales definitivos son:TuberaH, H hflj Q!c--1-2 100
92.9614 7.04 0.1072-3 929614 813580 11.60909-9.669.53956 0.0372-5
92.9614 898098 3.15 00104-3 81.7819 81.3580 0.43 0.0035-4 898098
817819 803 0033---""-_..0053 6-5 96.7263 89.8098 6.921-6 100 967263
327 0093107.001pS 37.001ps340lpS10.001ps3.00 !ps5 46__/. 53.00 Ips
JO Ips93.001ps4DlpsFigura 7.9Resultados delos caudales
enlastuberas.81.36 m92,96 m100lTl,, ,I 89.81m 2 81.78 m
I"=--=::::::::::=7;:::i>
