Red de Distribución de Agua Potable

1. RED DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE.

Las redes de distribución de agua potable cumplen l a función de conducir el agua, previamente tratada, desde los de pósitos de almacenamiento hasta los lugares de consumo, debien do asegurar un normal abastecimiento en cuanto a su calidad, canti dad y presión en éstos puntos.

1.1. CARACTERÍSTICAS DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AG UA POTABLE.

Las redes de distribución de agua potable trabajan constantemente bajo condiciones de presión y sus co nducciones deben ser impermeables, siendo resistente a las acc iones interiores producidas por el escurrimiento del agua , y a las acciones exteriores, como por ejemplo a la carga de l terreno en que se encuentran ubicadas.

Como su función es abastecer a la población, deben ser de fácil explotación, permitiendo un fácil acceso a nuevos s uministros y a la vez permitir su reparación, aislando éstos pun tos sin producir mayores inconvenientes de suministro en el resto de la red.

En cuanto a la distribución propiamente tal, éstas deben poseer una serie de elementos que permitan cumplir con las condiciones anteriormente señaladas, estableciendo puntos en do nde se ubicarán válvulas de corta y registros.

Se distinguen dos tipos de redes de distribución, s egún su configuración:

1.1.1. Redes ramificadas o abiertas . Se caracteriza por poseer una matriz principal, de la cual derivan otras secu ndarias y desde éstas a otras menores, las cuales van disminu yendo su diámetro al transportar cada vez menos caudal de ag ua. El inconveniente de éste tipo de redes es que al produ cirse una falla en cualquier punto, se corta el suministro a todo el sector que sigue a continuación del lugar en que se ha producido el problema.

1.1.2. Red de malla o cerrada . Conocidas también como reticuladas. Éste tipo de red soluciona el problema presentado por la red ramificada, ya que como carac terística principal, asegura el suministro de agua potable po r dos vías como mínimo, debiendo solamente definir el sentido de circulación del agua en las tuberías que componen l a red.

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ClaseKgs/cm2 Lbs/Plg2 m.c.a.

4 4 60 406 6 90 60

10 10 150 100

Presión nominal de trabajo

1.2. ELEMENTOS UTILIZADOS EN LAS REDES DE DISTRIBUC IÓN DE AGUA POTABLE.

Existen diversos materiales que se utilizan en las redes de distribución de agua potable, tanto como tuberías, válvulas, piezas especiales, etc. Cada una de ellas se utiliz a según las características del proyecto a ejecutar y las consi deraciones económicas del mismo.

1.2.1. Tuberías . Existen diversos tipos de tuberías para la conducción del agua potable en las redes de distrib ución. Actualmente la tubería de PVC (Policloruro de vinil o) y la tubería de Polietileno o HDPE, son las que tienen u n uso más generalizado, a diferencia de las tuberías de asbes to cemento o también denominada “Rocalit”, que hasta hace unos veinte años era la más utilizada en Chile, pero debido a s u contenido de asbesto, agente altamente peligroso pa ra la salud humana, su uso en nuevas redes se ha paraliza do. Bajo ciertas circunstancias técnicas también se utilizan tuberías de acero y de fierro fundido, y que generalmente so n complementarias a las tuberías de PVC o HDPE.

- Tuberías de PVC : Las tuberías de PVC son confeccionadas en base a resina plástica, producida por la polimeriza ción del Cloruro de Vinilo. La norma que regula los requisit os que deben cumplir corresponde a la NCh 399 Of. 94. Las características más importantes de las tuberías de PVC son las siguientes:

Resistencia mecánica: Permiten su uso bajo cargas importantes, por lo cual se pueden utilizar sin inconvenientes de forma subterránea.

Resistencia a la corrosión: Permiten el traslado de fluidos salinos o ácidos, sin afectar sus propiedades físic as.

Resistencia a la electrólisis: Es inmune a la acció n galvanoplástica o electrolítica.

Paredes lisas: Posee paredes lisas tanto en su inte rior como exterior, no aceptando incrustaciones y reduciendo las pérdidas de carga por roce.

Según lo especificado en la norma chilena sobre las tuberías de PVC, su clasificación dependerá de las presiones de trabajo, a la temperatura de 20°C, de acuerdo a la tabla 1.1.

Tabla 1.1. Clasificación de tubería de PVC. Fuente: NCh 399 Of.94.

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Espesor Peso Espesor Peso Espesor Peso Espesor Pesomm pulg mm kg/m mm kg/m mm kg/m mm kg/m

63 2 1,9 0,56 3,0 0,85 4,7 1,2975 2 1/2 1,8 0,64 2,2 0,78 3,6 1,22 5,6 1,8290 3 1,8 0,77 2,7 1,13 4,3 1,75 6,7 2,61

110 4 2,2 1,16 3,2 1,64 5,3 2,61 8,2 3,90125 4 1/2 2,5 1,48 3,7 2,13 6,0 3,34 9,3 5,01140 5 2,8 1,84 4,1 2,65 6,7 4,18 10,4 6,27160 6 3,2 2,41 4,7 3,44 7,7 5,47 11,9 8,17200 8 4,0 3,70 5,9 5,37 9,6 8,51 14,9 12,8250 10 4,9 5,65 7,3 8,31 11,9 13,20 18,6 19,9315 12 6,2 9,02 9,2 13,20 15,0 20,90 23,4 31,5355 14 7,0 11,40 10,4 16,70 16,9 26,50 26,3 39,9

Clase 16Diámetro exterior Clase 4 Clase 6 Clase 10

Se debe considerar que a temperaturas mayores a la especificada, la resistencia se verá afectada de fo rma importante, por lo tanto es un factor que debe toma rse en cuenta al conducir fluidos de mayor temperatura.

Según lo indicado en la norma Chilena NCh 399, sobr e las instalaciones de Agua Potable, la tubería de PVC qu e se debe utilizar para la distribución debe ser como mínimo la correspondiente a la Clase 10, salvo en redes de ag ua potable rural, en donde es aceptable como mínimo la tubería Clase 6. Para cada clase de tuberías se tienen diferentes es pesores y pesos de acuerdo a lo indicado en la tabla 1.2.

Tabla 1.2. Clases y medidas de cañerías de PVC, uni ón anger. Fuente: NCh 399 Of.94.

Las condiciones de colocación en general deben ser tales que no permitan daño ni deformaciones que afecten el no rmal traslado del fluido dentro de la tubería. Se recomi enda usar como cama de apoyo una capa de material fino, libre de materias orgánicas y piedras de gran tamaño, en lo posible arena, para dar un apoyo uniforme y continuo en tod a su extensión. El ancho de la excavación debe permitir una correcta y cómoda colocación, y a la vez que tanto el relleno como la compactación del mismo sean los adecuados. En la tabla 1.3 se pueden observar los anchos recomendado s y las profundidades de colocación de las tuberías.

El relleno sobre la tubería debe efectuarse una vez colocada la tubería, y debe ser realizada manualmente con el mismo material utilizado como cama de apoyo, en caso que esto no sea posible se podrá utilizar el mismo material ext raído de la excavación, previamente tamizada con una malla f ina, de tal forma de eliminar las piedras o cualquier mater ial que pueda dañar la tubería. El nivel de éste relleno se rá de 30 centímetros sobre la tubería.

El relleno restante de la excavación se podrá reali zar con el material extraído de la excavación, en capas de 30 centímetros, en forma mecánica, para lograr la dens idad adecuada.

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Diámetro Ancho de excavación

recomendada Tráfico liviano Tráfico pesado

mm Centímetros m m

20 40 0,60 0,60

25 40 0,60 0,60

32 40 0,60 0,60

40 40 0,65 0,65

50 40 0,65 0,65

63 40 0,70 0,80

75 40 0,70 0,90

90 40 0,70 1,00

110 40 0,70 1,30

125 43 0,75 1,35

140 44 0,75 1,35

160 46 0,75 1,35

200 50 0,80 1,40

250 55 0,80 1,45

315 61 0,90 1,50

355 65 1,00 1,50

Profundidades mínimas

Obviamente antes de terminar los rellenos, debemos realizar las pruebas que nos garanticen la correcta ejecució n de la obra y asegurar de ésta forma el buen funcionamient o del sistema construido, para evitar fugas o fallas en l a red. “La altura mínima de relleno que deben tener las tuberí as para ser sometidas a las pruebas de presión es de 50 cen tímetros, y la longitud máxima a probar será de 400 metros, disminuyendo ésta longitud, a medida que aumentan l os diámetros de tubería instalada” (Fuente: Boletín té cnico línea presión Duratec-Vinilit).

Tabla. 1.3. Anchos y profundidades de excavación pa ra tuberías de PVC, según diámetro de tubería. Fuente: Boletín Técnico Duratec-Vinilit.

- Tuberías de asbesto-cemento: Las tuberías de asbesto cemento, conocidas también como “Rocalit”, se encue ntran generalmente en redes construidas hasta hace unos v einte años, ya que por ser un elemento altamente tóxico y causante de cáncer se ha prohibido su utilización y paulatin amente se ha realizado el cambio de éste tipo de redes. Las reparaciones en redes con éste tipo de material se realizan en PVC, utilizando unión del tipo “Gibault” o “Univ ersal”. El asbesto-cemento se obtiene de la mezcla entre asbes to, cemento y agua, con lo que se obtiene un material d e color gris, liviano, incombustible y mal conductor de cal or y electricidad. Su elaboración consistía en el arroll amiento a gran presión de una película de unos 0,2 mm de espe sor y un ancho mayor a 4 metros, y de longitud indefinida de material, que se producía en forma continua, con lo que se fo rmaba un tubo homogéneo, sin costura, y con muchas capas con céntricas fuertemente comprimidas.

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Sigla Clasificación Resistencia a la tracción Densidadkg/cm2 kg/litro

PEAD Polietileno de alta densidad 50 0,941 a 0,965PEMD Polietileno de media densidad 37,5 0,926 a 0,940PEBD Polietileno de baja densidad 25 0,910 a 0,925

El espesor de las tuberías iba desde 10 mm hasta 62 mm, dependiendo del grado y del diámetro de ésta. Se fa bricaban en un diámetro nominal mínimo de 50 mm, hasta un má ximo de 1.000 mm, en longitudes de 3, 4, 5 y 6 metros.

- Tuberías de polietileno : Las tuberías fabricadas con polietileno se describen en la norma NCh 398/1.Of20 04 y en la Normas Internacional ISO TR9080. El polietileno es un plástico formado por la polimerización de un grupo de cadenas insaturadas de hidrocarbonos, es decir hechos de ca rbono e hidrógeno, conocidos como olefinas, las cuales incl uyen al etileno, propileno y butileno. La extensión de la polimerización determina si se p roduce gasolina, aceite, o plástico. Los plásticos usados en tuberías son intensamente polimerizados, dado que s us moléculas consisten en cadenas de sobre 10.000 átom os de carbono. El polietileno, que es formado por la polimerizació n del etileno, para aplicaciones en tuberías, son general mente formulados sólo con antioxidantes, para protegerlo en el proceso, y algunos pigmentos, usualmente negro de h umo, u otras substancias diseñadas como bloqueadores de la radiación ultravioleta para largos períodos de exposición, qu e de no encontrarse podrían causar daños en el polímero de color natural. El polietileno puede ser clasificado por su densida d en: Polietileno de baja densidad (PEBD), Polietileno de Media densidad (PEMD) y Polietileno de alta densidad (PEA D), de acuerdo a lo indicado en la tabla 1.4. Las resinas de PEBD son resinas relativamente bland as, flexibles y de baja resistencia a la presión hidros tática. Sin embargo, se han desarrollado resinas de PEBDL o polietileno de baja densidad lineal, que incrementa n su resistencia a la tensión, y la presión hidrostática . Las resinas de PEMD, ligeramente duras y más rígida s, mejoran en forma importante su resistencia a la tensión y l a presión hidrostática.

Tabla 1.4. Clasificación del polietileno. Fuente: NCh 398/1, Of 2004.

Para la fabricación de tuberías se utiliza el PEAD o HDPE, que muestra un máximo de dureza, rigidez, resistenc ia a la tensión y a la temperatura, de las cuales se destac an la serie PE80 y PE100, clasificadas en la norma ISO TR 9080 por medio de su resistencia hidrostática a largo plazo, denominada mínima resistencia requerida. Tanto la serie PE80 como la PE100, deben cumplir co n ciertas Especificaciones Técnicas, las que se definen en la s tablas 1.5 y 1.6.

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Propiedad Método de prueba Valor típico Unidad

Dendidad (resina base) ISO 1183 949 kg/m3Densidad (compuesto) ISO 1183 959 kg/m3Índice de fluidez (190ºC/5kg) ISO 1133 0,45 g/ 10 minTensión Máxima Elástica ISO 6259 25 MpaAlargamiento a la rotura ISO 6259 >600 %Módulo de elasticidad ISO 527 1400 MPaTª de reblandecimiento Vitcat (1 Kg) ISO 306 127 ºCTª de reblandecimiento Vitcat (5 Kg) ISO 306 77 ºCEstabilidad térmica (OIT, 210ºC) ISO 10837 >20 minESCR (10% Igepal), F50 ASTM D 1693-A >10000 HContenido de humo negro ASTM D 1603 > 2 %

Propiedad Método de prueba Valor típico Unidad

Dendidad (resina base) ISO 1183 945 kg/m3Densidad (compuesto) ISO 1183 955 kg/m3Índice de fluidez (190ºC/5kg) ISO 1133 0,85 g/ 10 minTensión Máxima Elástica ISO 6259 21 MpaAlargamiento a la rotura ISO 6259 >600 %Módulo de elasticidad ISO 527 800 MPaTª de reblandecimiento Vitcat (1 Kg) ISO 306 125 ºCTª de reblandecimiento Vitcat (5 Kg) ISO 306 72 ºCEstabilidad térmica (OIT, 210ºC) ISO 10837 >20 minESCR (10% Igepal), F50 ASTM D 1693-A >10000 HContenido de humo negro ASTM D 1603 > 2 %

Tabla 1.5. Especificaciones Técnicas PE100. Fuente: Norma ISO TR9080.

Tabla 1.6. Especificaciones Técnicas PE80. Fuente: Norma ISO TR9080.

La tubería de HDPE es fabricada en distintos diámet ros y espesores, dependiendo de las exigencias a la que s erá sometida. Para determinar las dimensiones de las tu berías se deben definir algunos conceptos:

M.R.S.(Minimun Required Strenght): Mínima resistenc ia requerida, el cual es el valor límite inferior de l a tensión tangencial (MPa) que a temperatura de 20ºC y durant e 50 años resiste el material con un nivel de confianza mínim o del 97,5%.

Coeficiente de diseño (C): Es el coeficiente de val or mayor a 1 y que tiene en consideración las condiciones de s ervicio, como tensiones térmicas, golpes, asientos del terre no u otras circunstancias adversas.

Tensión de diseño ( σs): Es la tensión tangencial admisible para una aplicación determinada (MPa). Se obtiene d ividiendo la mínima resistencia requerida obtenida en la curv a de regresión por el coeficiente de seguridad. σs = (M.R.S./C).

Presión nominal (P.N.): Es la presión máxima de tra bajo (atm) que puede ser mantenida a 20º C y durante al menos 50 años por una tubería dimensionada para la tensión de dis eño del tipo de polietileno correspondiente. Estos parámetros se relacionan de acuerdo a lo indi cado en la tabla 1.7.

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Clase

Kgs/cm 2 Lbs/PLg 2 m.c.a.

PN4 4 60 40PN6 6 90 60

PN10 10 150 100PN16 16 240 160

Presión nominal de trabajo

Tipo de PE MRS (Mpa) C σs (Mpa)

PE 80 DIN 8074 8 1,60 5,0PE 80 ISO 4427 8 1,25 6,4

PE 100 ISO 4427 10 1,25 8,0

Tabla 1.7. Relación de parámetros en tuberías de HD PE. Fuente: Catálogo técnico tuberías de HDPE.

Relación de dimensiones Standard (SDR): Es el cuoci ente entre el diámetro exterior nominal (DN) y el espesor (e) de las paredes del tubo:

S.D.R. = (DN/e)

Además se tiene que:

S.D.R.= 2( σs / PN) + 1

De ambas fórmulas se obtiene:

e= (PN d)/( 2 σs + P)

A partir de las relaciones anteriores y en función del coeficiente de diseño seleccionado es posible obte ner la presión máxima de trabajo (PN) para una determinada tubería, detalladas en la tabla 1.8. Lo anterior, sin embarg o, no excluye las consideraciones adicionales que puedan hacer necesario reducir la presión de trabajo, tales como las consideraciones ambientales.

Tabla 1.8. Clasificación de tuberías de Polietileno . Fuente: NCh398/1 Of 2004.

De ésta forma se determina el espesor de las tuberí as, de acuerdo a su diámetro y a su Presión nominal de tra bajo, tanto para las series PE80 y PE100, las que se indi can en las tablas 1.9 y 1.10.

La unión entre tuberías se puede realizar mediante accesorios plásticos o metálicos especialmente fabricados para poder realizar desmontaje. Esta uniones desmontables se r ealizan con una unión tipo cónica roscada plástica para diá metros de hasta 63 mm; unión con flanges o bridas, conocida c omo unión “Stub end”, que se utiliza para diámetros mayores a 63 mm; unión Victaulic, que se utiliza para diferentes diá metros, para lo cual se utiliza una copla especial fabricad a para dicho fin. Las uniones fijas se realizan mediante s imple soldadura, proceso llamado también como termo-fusió n, en donde previamente preparado el borde a unir con un biselado interior, se calientan sus bordes utilizando una pl aca radiante colocada a una distancia de 5 mm, al conse guir el ablandamiento, los extremos se unen y aprietan con fuerza.

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Espesor Peso Espesor Peso Espesor Peso

mm pulgadas mm kg/m mm kg/m mm kg/m

63 2 3,00 0,58 4,70 0,89 5,80 1,07 7,10 1,27 8,60 1,50

75 2,5 3,60 0,83 5,60 1,25 6,80 1,50 8,40 1,80 10,30 2,14

90 3 4,30 1,19 6,70 1,81 8,20 2,16 10,10 2,60 12,30 3,06

110 4 5,30 1,79 8,10 2,67 10,00 3,21 12,30 3,86 15,10 4,59

125 5 6,00 2,30 9,20 3,43 11,40 4,18 14,00 4,99 17,10 6,03

140 5,5 6,70 2,90 10,30 4,31 12,70 5,21 15,70 6,27 19,20 7,57

160 6 7,70 3,79 11,80 5,64 14,60 6,83 17,90 8,31 21,90 9,88

180 7 8,60 4,76 13,30 7,16 16,40 8,79 20,10 10,53 24,60 12,49

200 8 9,60 5,91 14,70 8,80 18,20 10,85 22,40 13,01 27,40 15,44

225 9 10,80 7,49 16,60 11,38 20,50 13,74 25,20 16,48 30,80 19, 53

250 10 11,90 9,15 18,40 14,00 22,70 16,93 27,90 20,28 34,20 24 ,10

280 11 13,40 11,56 20,60 17,58 25,40 21,21 31,30 25,48 38,30 3 0,23

315 12 15,00 14,55 23,20 22,26 28,60 26,89 35,20 32,25 43,10 3 8,27

355 14 16,90 18,81 26,10 28,23 32,20 34,16 39,70 40,98 48,50 4 8,54

400 16 19,10 23,99 29,40 35,81 36,30 43,32 44,70 52,00 54,70 6 1,67

450 18 21,50 30,33 33,10 45,39 40,90 54,90 50,30 65,83 61,50 7 8,02

500 20 23,90 37,48 36,80 56,04 45,40 67,72 55,80 81,72 -- --

560 22 26,70 46,94 41,20 70,29 50,80 85,57 -- -- -- --

630 25 30,00 59,30 46,30 88,87 57,20 107,60 -- -- -- --

710 28 33,90 75,54 52,20 113,80 -- -- -- -- -- --

800 32 38,10 95,75 58,80 144,30 -- -- -- -- -- --

900 36 42,90 121,21 -- -- -- -- -- -- -- --

1000 40 47,70 149,80 -- -- -- -- -- -- -- --

Exterior

PN 12,5 PN 16Díametro PN 6 PN 10 PN 20

Espesor Peso Espesor Peso Espesor Peso Espesor Peso Espesor Peso

mm pulgadas mm kg/m mm kg/m mm kg/m mm kg/m mm kg/m

63 2 2,30 0,46 3,80 0,72 4,70 0,88 5,80 1,06 7,10 1,26

75 2,5 2,80 0,66 4,50 1,02 5,60 1,24 6,80 1,47 8,40 1,77

90 3 3,30 0,92 5,40 1,46 6,70 1,77 8,20 2,12 10,10 2,55

110 4 4,00 1,36 6,60 2,17 8,10 2,62 10,00 3,16 12,30 3,79

125 5 4,60 1,78 7,40 2,75 9,20 3,37 11,40 4,09 14,00 4,89

140 5,5 5,10 2,20 8,30 3,47 10,30 4,23 12,70 5,10 15,70 6,14

160 6 5,80 2,86 9,50 4,53 11,80 5,53 14,60 6,69 17,90 8,00

180 7 6,60 3,65 10,70 5,74 13,30 7,00 16,40 8,45 20,10 10,10

200 8 7,30 4,48 11,90 7,08 14,70 8,60 18,20 10,42 22,40 12,50

225 9 8,20 5,65 13,40 8,96 16,60 10,91 20,50 13,19 25,20 15,81

250 10 9,10 6,96 14,80 11,00 18,40 13,43 22,70 16,25 27,90 19, 46

280 11 10,20 8,73 16,60 13,80 20,60 16,84 25,40 20,34 31,30 24 ,43

315 12 11,40 10,97 18,70 17,48 23,20 21,32 28,60 25,75 35,20 3 0,90

355 14 12,90 13,97 21,10 22,22 26,10 27,03 32,20 32,67 39,70 3 9,27

400 16 14,50 17,69 23,70 28,11 29,40 34,29 36,30 41,48 44,70 4 9,81

450 18 16,30 22,35 26,70 35,61 33,10 43,41 40,90 52,56 50,30 6 3,04

500 20 18,10 27,56 29,70 43,99 36,80 53,61 45,40 64,81 55,80 7 7,71

560 22 20,30 34,60 33,20 55,07 41,20 67,21 50,80 81,22 -- --

630 25 22,80 43,71 37,40 69,76 46,20 84,79 57,20 102,85 -- - -

710 28 25,70 55,49 42,10 88,49 52,20 107,92 -- -- -- --

800 32 29,00 70,53 47,40 112,24 58,80 136,95 -- -- -- --

900 36 32,60 89,16 53,30 141,96 -- -- -- -- -- --

1000 40 36,20 109,98 59,30 175,44 -- -- -- -- -- --

PN 20

Exterior

Díametro PN 6 PN 10 PN 12,5 PN 16

Otra unión fija conocida es la electro-fusión, en d onde la unión se efectúa por medio de accesorios que llevan incorporadas resistencias en su interior. Al pasar por ellas electricidad, producen el calor suficiente para que el accesorio y la superficie externa del tubo se funda n.

Tabla 1.9. Dimensiones de tuberías de polietileno P E80. Fuente: Normas ISO 4427 e ISO 4065.

Tabla 1.10. Dimensiones de tuberías de polietileno PE100. Fuente: Normas ISO 4427 e ISO 4065.

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Las ventajas de la tubería de polietileno son varia das, entre las que destacan su resistencia a la corrosión, su bajo peso, la flexibilidad que posee, lo que permite realizar su instalación en zonas con obstáculos y realizar unio nes fuera de la excavación, para luego ser introducida en dim ensiones considerables, por lo que permite un ahorro en movi mientos de tierra, ya que no necesita grandes excavaciones. Ad emás tiene una excelente resistencia a la abrasión, posee un c oeficiente de fricción similar a las tuberías de PVC y que se mantienen por un largo período.

Como desventaja se puede señalar que para el caso d e uniones fijas se requiere de equipo y mano de obra especial izada.

- Tuberías de acero : Dentro de las tuberías de acero podemos diferenciar dos tipos: galvanizadas y sin galvaniza r. Las tuberías de acero galvanizado se utilizan generalme nte en aquellas zonas de una red que quedan expuestas a ac ciones exteriores, tales como atravieso de puentes, atravi eso de canales, etc. El diámetro de uso va desde 20 mm has ta 150 mm. Las tuberías de acero sin galvanizar se utilizan en grandes diámetros, desde 1500 a 2200 mm. El problema que pr esenta ésta tubería es su baja resistencia a la corrosión, a diferencia de la tubería de acero galvanizada. Amba s son capaces de soportar presiones de servicio de hasta 200 m.c.a.

- Tuberías de fierro fundido : La característica principal de las tuberías de fierro fundido es su alta resistenc ia, comprendida en un rango de entre 100 y 300 m.c.a., por lo que es utilizada en zonas donde las presiones son altas . El problema que presenta es su baja resistencia a la c orrosión y un valor alto en comparación con otras tuberías que se utilizan en redes de agua potable.

Las tuberías de fierro fundido que se utilizan tien en los diámetros y espesores correspondientes a las clases 50 o K-9, con revestimiento exterior en base a bitumen asfált ico e interior de mortero. La juntura corresponde a unión enchufe-cordón y unión brida enchufe para unir tuberías a p iezas especiales, utilizando terminales brida enchufe de hierro dúctil. Las clasificaciones mencionadas corresponde n a lo especificado en las normas ANSI/AWWA C151/A.21.51 y la norma ISO 2531 BS 4772 respectivamente.

1.2.2. Piezas especiales de redes de agua potable . Para un óptimo funcionamiento y control de las redes públicas de a gua potable existen diversos elementos que facilitan és ta tarea. Se clasifican normalmente según su forma de trabaja r. Es así como tenemos piezas especiales con mecanismo, tales como válvulas, ventosas y piezas especiales sin mecanism o. Ambos tipos de piezas especiales tales como válvulas, gr ifos y ventosas, y piezas especiales sin mecanismo, tales como curvas, tees, reducciones, tapones, terminales, tub os cortos, etc. Ambos tipos de piezas especiales tienen divers as formas de unión, según el tipo de tubería que se instala o las necesidades del proyecto. A continuación se realiza una

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descripción de éstas, para definir su función y cri terios de instalación que manejan los proyectistas.

- Válvulas: Las válvulas son elementos que se utilizan tanto para realizar cortas en las redes de distribución, como para la regulación del escurrimiento del agua a través d e las cañerías.

Figura 1.1. Válvulas de cierre elastomérico. Fuente: Catálogo Dinagal S.A.

En el diseño y ejecución de las redes deben tomarse las siguientes consideraciones respecto a las válvulas:

- Se proyectarán en puntos estratégicos de la red, para facilitar su operación.

- Deben ir en cámaras para una mejor mantención.

- Deben instalarse en lo posible con junturas flexi bles, que absorban las tensiones longitudinales y que facilit en su desmontaje.

- Evitar en la construcción de las redes, la entrad a de piedras y otros elementos extraños a la válvula, pr ecaución que debe cumplirse también en caso de reparaciones.

Es importante destacar que existen variados tipos d e válvulas, de acuerdo a la utilidad que éstas presta rán, y que están orientadas a mantener un servicio constante y seguro en las conducciones de agua potable. Es así como podem os mencionar válvulas de control por nivel de flotador y por nivel diferencial de flotador que se utiliza para l lenado de estanques; Válvulas de control hidráulico para bomb as cuya función es regular la presión durante las partidas o detenciones bombas, protegiendo la instalación de b ombeo y el conjunto aguas abajo; Válvulas sostenedoras y alivi adoras de presión, que protege contra las presiones excesivas en los abastecimientos de agua potable; Válvulas anticipad oras de golpes de ariete, la cual elimina el riesgo de onda s de

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presión típicas del golpe de ariete, que es causado por el por un corte abrupto de una bomba o un cierre rápid o de una válvula principal, causando un frente de baja presi ón de rápida propagación, seguido por una contra onda de presión extremadamente alta, originando una serie de ondas de presión, cada una compuesta por presiones bajas y a ltas alternadas, en tiempos muy breves; Válvulas de cont rol anti-ruptura; Válvulas de control de caudal, etc. Las vá lvulas más utilizadas son aquellas de cierre que cumplen la fu nción de aislar sectores en caso de rotura de las tuberías o de incendio y seguir suministrando el agua en los demá s sectores. Debido a lo anteriormente señalado las vá lvulas de cierre se colocan generalmente en las interseccion es de la red principal. Los tipos de válvulas de cierre se c lasifican en válvulas de asiento, de compuerta, de cono y de mariposa según la forma en que realizan el cierre del paso d el fluido. Según el uso se clasifican en válvula de cierre, de salida, de paso, de retención o de seguridad. El tipo de vá lvula de cierre más utilizada en las instalaciones de agua p otable públicas son de cierre elastomérico, las que genera lmente tienen unión brida en ambos extremos, y por sus características elásticas es resistente a las vibra ciones producidas por sismos o por el tránsito.

- Ventosas: Las ventosas son elementos diseñados para extraer e introducir aire en las conducciones. Son elemento s bastante críticos debido a que se encuentran en puntos de in tercambio de aire/agua y los materiales están más expuestos a la corrosión. Este hecho es fundamental, debido a que las ventosas previenen en gran medida las roturas de ca ñerías y el buen funcionamiento de la red.

Las ventosas, al eliminar el aire de las tuberías h acen que el fluido pase por toda la sección de la misma, con lo que la velocidad de paso es menor, esto reduce los golpes de ariete en la red y mejora el abastecimiento de las zonas m ás desfavorecidas debido a una pérdida de carga menor. Hay que recordar que la velocidad de paso es una relación e xponencial respecto a la sección de la tubería. En impulsiones el efecto de las ventosas es fundamental debido a que permite el ingreso de una gran masa de aire en la parada de la s bombas (si la onda del golpe de ariete es mayor que la pre sión estática) y luego en el caso de ciertos modelos de ventosas elimina el aire controladamente, eliminando en gran parte el golpe de ariete. Operacionalmente, la ventosa ayuda en gran medida a la mantención de las redes haciendo fácil el llenado y vaciado de las mismas.

Básicamente existen dos tipos de ventosas, monofunc ionales y trifuncionales. Las ventosas monofuncionales funcio nan sólo cuando la tubería está en presión eliminando las bu rbujas de aire que puedan haber en la red. Este tipo de vento sa es muy importante para evitar acumulación de aire, consigu ientes pérdida de carga por disminución del diámetro útil de la válvula, también es importante porque frente a un a umento de caudal o presión evita que haya bolsas de aire que se muevan

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y generen roturas debido al movimiento de las misma s. Físicamente la ventosa monofuncional funciona graci as a que tiene un pequeño orificio que es tapado por un flot ador. Al acumularse aire el peso del flotador se iguala a la presión generada por el pequeño orificio (1 a 5 mm) y cae, dejando escapar el aire. Esto hace que nunca sea necesario ventosas monofuncionales con brida mayores a 50 mm.

Las ventosas trifuncionales, aparte de tener la fun cionalidad de una ventosa monofuncional, deja entrar y salir e l aire en grandes cantidades cuando la tubería se está vacian do o llenando respectivamente. Este tipo de ventosas es importante para evitar que la tubería entre en vacío y colapse , así como disminuye los golpes de ariete producidos por parad a de bombas. También facilita las operaciones de llenado y vaciado de la tubería. El diseño de funcionamiento incorpor a una ventosa monofuncional y además de un flotador que o bstruye una sección que va de acuerdo al diámetro de la ven tosa.

Como criterios para la instalación de las ventosas monofuncionales podemos señalar lo siguiente:

- A cada punto alto geométrico para purgar correcta mente la conducción y reducir la pérdida de carga.

- Regularmente a lo largo de la conducción, a los 5 00 metros como mínimo, para evitar golpes de ariete como cons ecuencia de los desplazamientos incontrolables de bolsas de aire de presión.

- En cada cambio brusco de la pendiente descendient e para evitar el fenómeno de punto alto hidráulico. Debido al cambio de pendiente se producen presiones mayores que actú an como puntos altos geométricos que pueden inmovilizar una bolsa de aire.

Para la colocación de ventosas trifuncionales, se p ueden adoptar los siguientes criterios:

- En cada punto alto principal para permitir un lle nado rápido de las conducciones.

- Regularmente a lo largo de la conducción como mín imo cada 1 kilómetro, para evitar el aprisionamiento de bolsas de aire en el proceso de llenado.

- Antes o después de cada aparato de regulación, si guiendo la pendiente del terreno, para evitar que entre en dep resión luego del cierre o apertura del equipo.

- Luego de un sistema de bombeo, cuando el valor de l golpe de ariete sobrepase la presión estática a la salida de la bomba. Para evitar que se propague la depresión causada po r la parada de la bomba y disminuir el consiguiente golp e de ariete.

Respecto al dimensionamiento de las ventosas, éste se realiza básicamente de acuerdo al caudal y la depresión que esté dispuesto a someter la tubería. Como sabemos, los l íquidos no son compresibles, por lo que el volumen de aire a e vacuar es igual al volumen desplazado por el agua. Es decir, el caudal

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de aire es igual al caudal de agua que pasa por la tubería. Por lo anterior, el dimensionamiento se puede hacer en base a una rotura total de la tubería, la velocidad de vac iado o simplemente utilizar las recomendaciones del fabric ante en cuanto a diámetro de la tubería versus diámetro de la ventosa.

Figura 1.2. Detalle de cámara para ventosas. Fuente: Estándar técnico de ESVAL S.A.

- Grifos: La función de los grifos es abastecer agua potable en casos de incendio o bien vaciar la red para caso s de mantenimiento o reparaciones. Se fabrican en fierro fundido y se caracterizan por ser de color amarillo. Normalme nte se instalan de diámetro igual a 100 mm. Su ubicación d ebe ser tal de cubrir íntegramente el área poblacional dond e se ubican, por lo cual la Norma Chilena NCh691. Of98 e stablece respecto de la distancia entre ellos y los puntos s iguientes lo siguiente:

- En conjuntos con edificaciones aisladas o pareada s de a dos, la distancia a través de calles o pasajes entr e el grifo y la edificación más alejada será de 150 m máximo.

- En conjuntos con edificaciones continuas, constit uidas por 3 o 50 unidades habitacionales, oficinas, locales c omerciales u otras similares, la distancia a través de calles o pasajes entre el grifo y la unidad más alejada horizontalme nte, será de 100 m máximo.

- En conjuntos con edificaciones continuas, constit uidas por más de 50 unidades habitacionales, oficinas, locale s comerciales u otras similares, la distancia a travé s de calles o pasajes entre el grifo y la unidad más ale jada horizontalmente, será de 50 m máximo.

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Desde el punto de vista constructivo se considera p ara su instalación la construcción de una cámara, en donde se ubica la válvula de corta para el grifo.

Figura 1.3. Detalle de cámara para grifos. Fuente: Estándar técnico de ESVAL S.A.

Figura 1.4. Esquema unilineal de grifo para tubería de HDPE. Fuente: Estándar técnico de ESVAL S.A.

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- Piezas especiales sin mecanismo: Las piezas especiales sin mecanismo permiten realizar cambios de dirección, u niones, cambios de diámetro, instalación de válvulas, atrav iesos, colocación de grifos, etc. Entres éstas se pueden d estacar curvas, tees, reducciones, tapones, terminales, tub os cortos, etc.

Figura 1.5. Piezas especiales de Fe fdo con unión B rida. Fuente: Catálogo Técnico Dinagal S.A.

Estas pueden ser de fierro fundido (Ver Figura 1.5) , para ser utilizadas en tuberías de asbesto cemento, PVC o HD PE. También se fabrican piezas especiales de PVC con un ión anger o cementar, para tuberías de PVC. Además se tienen piezas especiales de Acero galvanizado para éste tipo de t uberías, las que normalmente poseen hilo, para se atornillad as o adaptar bridas. Piezas especiales de HDPE, especial mente diseñadas para realizar uniones “Stub end” o para s oldar por termofusión (Ver Figura 1.6). Otro tipo de piezas d e gran utilización son las bridas o flanges de acero carbo no, las cuales se utilizan para adaptar a diversos tipo de tuberías para dar una unión de tipo brida. Consiste en un an illo de acero con una perforación interior correspondiente al diámetro exterior de la tubería y pequeñas perforac iones perimetrales, cuya cantidad y dimensión depende del diámetro de la tubería.

Figura 1.6. Piezas especiales unión electrofusión. Fuente: Catálogo técnico Perfeco S.A.

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1.2.3. Cámaras de agua potable . Se considera la construcción de cámaras en aquellos puntos donde se ubiquen válvula s, ventosas, grifos, desagües o cualquier dispositivo especial para el funcionamiento de la red. Éstas se construi rán en albañilería de ladrillo u hormigón armado, estucada s interiormente, con radier de hormigón de 170 kg/cem /m3, anillo de fierro fundido, losa de hormigón armado y tapa tipo acera o calzada, según sea el caso. Sus dimensiones varían de acuerdo al diámetro de las válvulas a instalar, de acuerdo a lo indicado en las Figuras 1.7 y 1.8.

Figura 1.7. Cortes para cámaras de válvulas. Fuente. Estándar Técnico de ESVAL S.A.

Figura 1.8. Corte y dimensiones de cámaras de válvu las. Fuente. Estándar Técnico de ESVAL S.A.

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1.2.4. Uniones . Es indispensable para la correcta ejecución de una obra de agua potable realizar uniones de tuberí as o de piezas especiales. Debido a los diferentes tipos de materiales que se deben unir o al tipo especial de unión que en oportunidades se requiere, como por ejemplo pode r ser desmontada posteriormente, es que existen diversos tipos de uniones.

- Unión Anger : La unión “Anger”, tipo campana o enchufe, consiste en un anillo de goma de sección especial, que se coloca en una ranura circular de la parte interior de la tubería o pieza que se desea unir, la cual se apris iona con el extremo de la otra tubería o pieza, ésta unión s e puede realizar entre piezas de PVC y entre una pieza de P VC y una de fierro fundido. Respecto a su instalación se deb e tener especial cuidado respecto del sentido de circulació n del fluido, considerando que la campana debe recibir a la tubería desde donde circula el fluido. Ver Dibujo 1.1.

Dibujo 1.1. Unión Tipo Anger de tuberías de PVC.

- Unión Brida : La unión tipo brida es un tipo de unión en que la pieza a unir posee en el extremo un reborde circ ular, plano y concéntrico con perforaciones, en donde se unirá por medio de pernos con la brida de otra pieza, usando además un anillo de goma plano para asegurar estanqueidad de la unión. Ésta unión viene fabricada en algunas piezas de fie rro fundido o se puede realizar la adaptación de una tu bería de acero galvanizado con hilo exterior en su extremo, mediante la colocación de una brida con hilo interior. Es un a unión que permite su posterior desmontaje, utilizada en g ran medida en piezas especiales de fierro fundido. Ver Dibujo 1.2.

Dibujo 1.2. Unión Brida.

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- Unión Universal : Conocida también como unión de desmontaje, la cual puede ser con ambos extremos con unión Brid a, que se utiliza generalmente al instalar válvulas, o con un ión brida en un solo extremo, para el otro lado adaptar a cua lquier tipo de tubería, lo que genera su nombre de univers al, ya que permite variaciones de diámetro dentro de ciertos r angos, permiten un fácil desmontaje y además permiten abso rber variaciones angulares y de largo entre piezas que s e unirán. Ver Dibujo 1.3.

Figura 1.3. Unión Brida-Universal.

- Unión Gibault : Consiste en la unión que se realiza en tuberías de asbesto-cemento o en las tuberías de fi erro fundido. El sistema posee dos bridas de fierro fund ido con perforaciones para tres pernos, un anillo metálico central y dos anillos de goma. Es un sistema elástico y permi te desviaciones de entre 8 y 18 grados, según el diáme tro de la tubería o pieza a unir. Es desarmable, por lo que p ermite realizar reparaciones sin ningún inconveniente. Es una unión que permite el desmontaje de las piezas. Dibujo 1.4 .

Dibujo 1.4. Unión Gibault.

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- Unión cementar : Es la unión que se realiza entre tuberías de PVC utilizando adhesivo especial. Se utiliza nor malmente en tuberías de agua potable cuyo diámetro es menor a 63 mm. Es una unión definitiva, por lo que no permite su p osterior desarme o desmontaje.

1.3. DISEÑO Y CALCULO DE LAS REDES DE AGUA POTABLE .

El diseño y cálculo de las redes públicas de agua p otable tienen por finalidad realizar la distribución de la s tuberías que conducirán el agua potable hacia los puntos de consumo, en diámetros tales que permitan un caudal y una presió n adecuada en todo el sistema, incluyendo consumo domiciliario , consumo industrial y consumo en caso de incendio.

Hay una serie de factores que deben ser considerado s al proyectar una red pública de agua potable, tales co mo la topografía del terreno, información necesaria para determinar las cotas de los puntos de consumo, el trazado de l as vías, dado según el plano de loteo proyectado, que nos in dicará las zonas principales de la red a proyectar y por últim o el plan regulador, que nos indicará el número de habitantes a servir. Otro factor importante se refiere a la construcción , en donde se establecerán los caudales necesarios, los sistem as de bombeo y los sistemas de almacenamiento. Por último se enc uentran los factores relativos a la red propiamente tal, en que se pueden mencionar como parámetros más importantes el tipo d e red a utilizar, el tipo de tubería, las velocidades, las presiones y los caudales a suministrar.

Para las redes abiertas no existe un método especia l por cuanto se conocen las demandas de agua. Dada una cierta ge ometría, se deben calcular las presiones en los nudos, y con és tas presiones se calcula la red.

Para las redes cerradas, el sistema de cálculo más utilizado es el de Hardy-Cross, que en forma general es de tenta tivas directas, basado en fórmulas hidráulicas usadas par a calcular las pérdidas de cargas de los elementos de la red, utilizando ábacos para realizar el cálculo hidráulico, en dond e se conjugan el caudal, la velocidad del agua en la tub ería, el diámetro de ésta y las pérdidas de carga unitaria q ue se producirán debido al roce del agua con las paredes de los ductos. El proceso de cálculo es de iteraciones, co rrigiendo los caudales en cada proceso, de tal manera que la diferencia de presiones en un punto determinado, desde ramales diferentes, sea mínima.

En el trazado del sistema se debe considerar una di stribución adecuada a las zonas abastecidas y sus puntos de co nsumo. En general deberán ser dirigidas por aquellos lugares donde habrá mayor consumo y que permitan una instalación de las tuberías sin grandes complicaciones, de tal manera de no enc arecer el proyecto en soluciones extraordinarias.

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Area Población servidaHabitantes por hectárea

ResidencialGrandes lotes 12 a 40Tamaño regular 40 a 90

Edificios de altura 90 a 250Edificaciones de gran altura 250 a 2500

Comercial 40 a 80

Industrial 12 a 40De erradicación 190

Población Dotaciónlitros/habitante/día

Centros urbanos, edificios de envergadura 1700 a 240 0

nivel económico altoSectores industriales 600 a 900Vivienda sector residencial 300 a 600Vivienda departamento, sectores medios 200 a 500Sectores medio bajo, poblaciones 250 a 450Edificaciones Serviu, erradicaciones 200 a 350Sectores marginales, sin red de agua potable 100 a 120

1.3.1. Parámetros que determinan el cálculo . A continuación se detallan los parámetros que determinan el cálculo d e las redes de agua potable público.

- Presión inicial . La presión inicial se considera como la mínima presión con que se dispone, medida en el pun to del comienzo de la red de distribución que calcularemos , ya que la presión es variable de acuerdo a las diferencias que se presentan en el consumo en el transcurso de un día, su unidad de medida es en metros de columna de agua, m.c.a.

- Población servida . La población servida por la red de distribución es un dato que depende principalmente del plan regulador de la comuna, ya que de acuerdo a la plan ificación que tendrá un proyecto de urbanización, será el tip o de población que se considerará en determinado sector, y a la vez el tipo de consumo que ésta requerirá (Tabla 1. 11).

Tabla 1.11. Población servida según plan regulador . Fuente: Estándar técnico de ESVAL S.A.

- Dotación . Es el promedio de agua que cada habitante consume diariamente. Se determina considerando el consumo a nual de una población, dividida por el número de habitantes y dividida por 365 días del año, para ser llevada a l a unidad de lt/hab/día, de acuerdo a lo indicado en la tabla 1.12.

Éste valor es variable según el clima, el nivel soc io-económico de la población, la existencia de alcanta rillado, la actividad industrial, el costo y calidad del agu a, la presión en la red, al tipo de edificación, etc.

Tabla 1.12. Dotación según tipo de población. Fuente: Estándar técnico de ESVAL S.A.

Otra forma de estimar la dotación, es dada por el I ngeniero Sr. Enrique Munizaga, que plantea las siguientes fó rmulas:

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D=80 x p 0,125 , válida para la zona central de Chile.

D=64 x p 0,125 , válida para la zona norte y sur del país.

En donde:

D= Dotación en lt/hab/día

P= Población o número de habitantes.

- Consumo medio diario . Se define como el producto entre la dotación y la población servida, se mide en lt/seg.

CMD= (D x P)/86.400

En donde:

CMD= Consumo medio diario, en lt/seg.

D= Dotación, en lt/hab/día.

P= Población, en número de habitantes.

- Consumo máximo diario . Éste valor se define debido a la diferencia que se presenta en el consumo de agua, y a que éste depende de la estación climática y de otros factore s que hacen que el consumo en los diferentes días no sea constante, se mide en lt/seg.

Se calcula de acuerdo a la siguiente fórmula:

CMxD= F 1 x CMD

En donde:

CMxD= Consumo máximo diario, en lt/seg.

CMD= Consumo medio diario, en lt/seg

F 1= En Chile usualmente se utiliza el valor 1,5.

- Consumo máximo horario . Éste valor se define debido a la diferencia que se presenta en el consumo de un día, ya que en diferentes horas del día se tendrán variados consum os de agua potable. Así por ejemplo, entre las 11:00 Hrs y las 14:00 Hrs, se tendrán consumos mucho mayores que entre la s 02:00 Hrs y las 05:00 Hrs. Éste será el valor que se util izará para el cálculo de las redes de agua potable.

Se calcula de acuerdo a la siguiente fórmula:

CMH= F 2 x CMxD

En donde:

CMH= Consumo máximo horario, en lt/seg.

CMxD= Consumo máximo diario, en lt/seg.

F 2= En Chile se utiliza el valor 1,5.

- Velocidad . La velocidad es un factor muy importante en el cálculo de las tuberías. La norma chilena establece un valor mínimo de 0,6 m/seg, el cual se justifica en que un a velocidad menor producirá estancamientos. También d efine como valor máximo el de 1,0 m/seg, ya que una velocidad mayor podría causar erosión.

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- Pérdidas de carga unitaria . Las pérdidas de carga unitaria se calcularán por el método gráfico, utilizando el nomograma basado en la fórmula de pérdida de carga de Hazen&W illiams, y se mide en m.c.a., por cada metro de tubería, de ac uerdo al gráfico Nº1 para tuberías de PVC y al gráfico Nº 2 para tuberías de HDPE.

Gráfico 1.1. Pérdidas de carga para tuberías de PVC . Fuente: Catálogo técnico Duratec-Vinilit.

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Gráfico 1.2. Pérdidas de carga para tuberías de HDP E. Fuente: Catálogo técnico Duratec-Vinilit.

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Tramo Largo Gasto D V Cota de Presión

Unitaria Tramo Inicial Final Terreno disponibleM lt/seg mm m/seg m.c.a./m m.c.a. m m m m.c.a

Pérdida de carga

Cota Piezométrica

Para otros tipos de materiales, tales como acero, f ierro fundido, etc. existen tablas similares, que varían en sus parámetros debido principalmente al coeficiente de roce que es diferente en cada material.

- Presión disponible . La presión disponible mínima establecida por la norma chilena es de 15 m.c.a. en los puntos de consumo.

- Cota piezométrica . Corresponde a la cota que presenta la red en los diversos puntos de su recorrido, determi nada según referencia establecida en redes existentes o a conv ención particular en caso de redes nuevas, y se obtendrá d e acuerdo al estudio topográfico que se realice del proyecto. Su importancia radica en que de acuerdo a la topografí a de la zona, se podrá determinar en gran parte el recorrid o más favorable de las tuberías, para dar mayor altura de carga en puntos que así lo requieran.

1.3.2. Dimensionamiento de las tuberías . Utilizando todos los parámetros anteriores se puede establecer la tabla de calculo 1.13:

Tabla 1.13. Tabla de cálculo para redes de agua po table.

A continuación se indica el contenido de cada una de las

columnas de la tabla de cálculo.

Tramo: Se indican los tramos de la tubería de la in stalación.

Largo: Corresponde al largo del tramo respectivo, en metros.

Gasto: Se refiere al valor del caudal de diseño, correspondiente al Consumo Máximo Horario, medido e n litros por segundo de todos los puntos de consumo que cont inúan al tramo en estudio, hasta llegar al punto de equilibr io, en caso de tener un sistema cerrado, o hasta el punto de término en caso de una tubería terminal.

D: Diámetro nominal de la tubería, medido en milím etros, que se obtiene de la proyección vertical del valor de C MH en el nomograma de cálculo, y que estará determinado entr e los valores de velocidad mínimo y máximo establecidos, y no podrá ser inferior a 110 mm, según lo establecido en la N orma Chilena.

V: Velocidad de escurrimiento del agua, medida en metros por segundo, determinada según el diámetro de tubería m ayor que intercepta el valor del CMH, bajo el valor de 1,0 m etros por segundo.

Perdida de carga unitaria: Será el valor obtenido de la proyección horizontal de la intersección del CMH co n el diámetro de la tubería, en el gráfico de cálculo hi dráulico, que nos entrega el valor en m.c.a por cada kilómetr o,

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debiendo ingresar al cuadro de cálculo en m.c.a. po r metro de tubería, realizando la división del valor obtenido en el gráfico por 1.000. Éste valor representa la pérdida de energía por roce en las tuberías.

Pérdida de carga del tramo: Corresponde al product o del largo del tramo en metros, por el valor de la pérdida de carga unitaria, y corresponde a la pérdida de energía del fluido a lo largo de todo el tramo considerado.

Cota piezométrica inicial: Es la suma de la cota d el inicio del tramo considerado y la presión disponible en el mismo punto, medida en metros.

Cota piezométrica final: Es la diferencia entre el valor de la cota piezométrica inicial y la pérdida de carga del tramo, medida en metros.

Cota de terreno: Corresponde a la cota del punt o final del tramo considerado, medida en metros.

Presión disponible: Es la diferencia entre el valo r de la cota piezométrica final y la cota de terreno. De ac uerdo a lo establecido en la Norma Chilena, ésta debe ser mayo r a 15 m.c.a., ya que las empresas distribuidoras de agua potable aseguran este valor como presión mínima. En caso qu e el resultado obtenido en un tramo sea menor que lo est ablecido, se recalculan los valores del tramo, aplicando un d iámetro inmediatamente mayor al utilizado en primera instan cia, con lo que se tendrán nuevos valores de velocidad y pér dida de carga.

- Método de Hardy-Cross: Se puede aplicar el método de Hardy-Cross para el cálculo de redes cerradas mediante do s formas: Con corrección de caudales y con corrección de cabe zas. Para ambos casos debemos comenzar realizando el análisis de cómo funcionan éste tipo de redes.

Consideramos una red cerrada como la que se muestra en la figura 1.9 y se asignan a los caudales de consumo e n los nudos como Qc, que podrían ser de valor cero y que los caudales de alimentación se designan como Qa, se es tablece la siguiente ecuación básica:

Siendo ésta una ecuación de conservación de la masa. Adem ás para cada uno de los nudos se puede establecer u na ecuación similar, debido a que se debe cumplir q ue la masa se conserve, con lo que también se eslo siguiente:

Donde NTi es el número de tuberías que llegan al n udo i y Qij representa el caudal que pasa por la tubería ij hac ia el nudo i desde el nudo j, valor que será positivo si va ha cia el nudo i o negativo si sale desde ese nudo.

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Figura 1.9. Esquema de red cerrada. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Para cada uno de los caudales Qij de la segunda ecu ación definida se puede plantear la siguiente ecuación de conservación de energía entre los nudos i y j, incl uyendo las pérdidas de carga por roce y las pérdidas por pieza s especiales:

Hj – H i = Σkm x(V ij2 /2g) + h f

Hj – H i = (V ij2 /2g)x( Σkmij + (f ij (I ij /d ij ))

Hj – H i = (Q ij2 /2gA 2

ij )x( Σkmij + (f ij (I ij /d ij ))

Si se despeja Q ij de ésta última ecuación se obtiene la siguiente expresión, la cual relaciona el caudal qu e pasa por la tubería ij con las cabezas de los nudos i y j.

Qij = ((Hj – Hi) – ( Σkmij + (f ij (I ij /d ij )) 1/2 x (2gA ij ) 1/2

Reemplazando ésta ecuación, en la ecuación de nodos , obtenemos lo siguiente:

donde NTi representa el número de tuberías que lleg an al nudo i. La misma ecuación puede derivarse en la siguient e expresión, de tal forma de considerar el signo posi tivo o negativo del caudal ij.

Esta ecuación resultante corresponde a una ecuación de cabeza. Las ecuaciones en una red cerrada de tuberí as corresponden a la cantidad de número de nudos menos uno, debiéndose conocer H 1 o cualquier otra cabeza para resolverlas.

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Por otra parte, a partir de los circuitos que confi guran la red, se pueden además plantear las siguientes ecuac iones:

Que corresponde a la ecuación de continuidad en los nudos del sistema.

Correspondiente a la ecuación de conservación de la energía alrededor del circuito, y donde NT’i es el número d e tuberías del sistema. Aplicando en ésta fórmula la ecuación de Darcy-Weisbach, se obtiene la siguiente ecuación:

Las ecuaciones de éste tipo se conocen como ecuaci ones de caudal de la red. En total de ecuaciones de caudal en la red, es igual al número de circuitos de la red, las cual es son ecuaciones no lineales. Una de las cabezas de nudo debe ser conocida o supuesta para realizar el análisis de la red cerrada, aunque éstas ecuaciones, al no ser lineale s, son de difícil resolución.

De igual forma debe establecerse una convención de signos para las ecuaciones de caudal, las que toman el val or positivo si giran en el sentido de las agujas del r eloj y negativo en caso contrario. Para asignar correctame nte el signo correspondiente se establece la siguiente ecu ación:

1.3.2.1. Método de Hardy-Cross con correción de cau dales . Este método fue creado pro el Ingeniero Norteamericano H ardy-Cross en el año 1936. Originalmente éste método se basa en suponer caudales en cada una de las tuberías de la red, realizando correcciones a éstos valores asignados. Las características de la tubería, tales como diámetro, rugosidad, largo, etc. se conocen, éste método es u n proceso de comprobación de diseño. La ecuación prin cipal de éste método es la siguiente:

28

Para aplicar éste método es importante seguir la s iguiente metodología, descrita por Juan G. Saldarriaga V. en el texto “Hidráulica de tuberías”:

- Definir la geometría de la red, identificando los n udos y los circuitos.

- Si existe más de un nudo con cabeza constante (esta nque o embalse), es necesario conectarlos por medio de tuberías hipotéticas que se pueden representar por líneas punteadas. En éstas tuberías hipotéticas se deben suponer diámetros, longitudes y rugosidades absolut as, de tal manera que se pueda calcular el caudal correspondiente a las diferencias de nivel entre lo s diferentes pares de embalses o estanques. En la corrección de caudales, los tubos hipotéticos no de ben ser incluidos, lo cual si debe hacerse en el cálcul o de las pérdidas de cabeza (por roce o singularidades).

- Se suponen los diámetros de la tubería que conforma n la red. Tal paso convierte a éste método en un proceso de comprobación de diseño.

- Se supone que la red está compuesta por circuitos cerrados en cualquier orden. Con el fin de acelerar la convergencia se puede suponer que las tuberías de diámetros mayores forman circuitos independientes. Se deben utilizar tantos circuitos como sea necesario para asegurar que todas las tuberías queden incluidas en al menos un circuito.

- Se supone el caudal a partir de cualquiera de las tuberías de la red. Luego se procede alrededor del circuito que contiene ésta tubería para calcular lo s caudales en las demás tuberías que conforman el cir cuito teniendo en cuenta los caudales que salen de las un iones (caudales negativos) y los que entran a ellas (caud ales positivos). Si los flujos hacia o desde otro circui to son desconocidos, se deben suponer los caudales correspondientes. Esto significa que se deben hacer tantas suposiciones de caudales como circuitos exis tan en la red que se está analizando. Cuanto mejores se an éstas suposiciones más rápidamente convergerá el mé todo. La experiencia ayuda mucho en éste aspecto.

- Se calcula la pérdida de cabeza en cada tubería de la red utilizando la siguiente ecuación (Darcy-Weibach ), si bien podría emplearse cualquier ecuación de resiste ncia fluida, tal como Hazen-Williams:

El factor de fricción f se calcula utilizando la ec uación de Colebrook-White:

29

- Se calcula la pérdida neta de cabeza alrededor del circuito, es decir, se suman las pérdidas de cabeza y restando las “adiciones” de cabeza siempre medidas en el sentido de las agujas del reloj. Si la pérdida neta de cabeza no es cero, se procede a corregir los caudal es de cada una de las tuberías del circuito mediante la siguiente fórmula:

- Si en alguna de las tuberías del circuito existe un a bomba centrífuga se debe restar la cabeza generada por ésta de las pérdidas en la tubería antes de hacer e l cálculo de la corrección de caudales ∆Qij :

- Los cuatro pasos anteriores se repiten para todos l os circuitos teniendo en cuenta los caudales corregido s en los circuitos calculados previamente.

- Los cinco pasos anteriores se repiten hasta que el balance de cabezas alrededor de todos los circuitos (ecuación de conservación de la energía) llegue a valores razonablemente cercanos a cero. Este criter io de convergencia es fijado por el diseñador de acuerdo con las características de la red que está analizando.

1.3.2.2. Método de Hardy-Cross con correción de cab ezas . Esta es una modificación al método de Hardy-Cross hecha por R.J. Cornish. Éste método se utiliza para resolver las ecuaciones de cabeza, utilizando la ecuación de Dar cy-Weibach para el cálculo de pérdidas por fricción. L as ecuaciones del método son las siguientes:

En vez de suponer los caudales en cada una de las t uberías de la red, ésta variación supone la cabeza en cada uno de los nudos de ésta (la cabeza de uno de los nudos es conocida o en debe suponerse). Luego se ajustan las cabezas supuestas, nudo por nudo, hasta completar los nudos de la red. El proceso se repite hasta que la ecuación de continuidad llega a valores cercanos a cero en todo s los nudos.

El factor que se utiliza para corregir las cabezas en cada uno de los nudos se calcula de la siguiente forma. Suponiendo que la cabeza H i del nudo i está subestimada o

30

sobrestimada, la ecuación del método se transforma en lo siguiente:

De donde se obtiene la siguiente expresión:

Si se utiliza el término de la derecha de ésta ecua ción y se utiliza el teorema del binomio se obtiene:

Al eliminar los términos de las potencias altas de ∆Hi , los que son despreciables comparados con el resto de lo s términos, se llega a lo siguiente:

Reemplazando ésta ecuación se obtiene:

Para todas las tuberías que llegan al nudo i se pue de plantear la siguiente ecuación:

Reemplazando los Q ij se llega a:

En ésta última ecuación se pueden identificar con f acilidad los caudales Q ij en cada una de las tuberías. Luego tenemos:

Finalmente, al despejar el factor de corrección par a las cabezas en los nudos de la red obtenemos:

31

En ésta última ecuación, cada uno de los caudales Q ij se calcula teniendo en cuenta las cabezas estimadas o las ya corregidas en uniones anteriores. Por supuesto, est as últimas se calculan de acuerdo con:

Donde los subíndices k y (k-1) indican la iteración que se está haciendo y la iteración anterior. Ahora, la ec uación que se utiliza para el cálculo de los caudales sigu e siendo la ecuación siguiente:

Los pasos a seguir para el análisis de una red de distribución de agua son los siguientes, de acuerdo al texto “Hidráulica de tuberías” de Juan G. Saldarria ga V.:

- Definir la geometría de la red identificando los nu dos y los circuitos que la componen.

- Se supone la cabeza piezométrica en cada uno de los nudos de la red, excepto en aquellos en los que la cabeza sea fija (debe existir al menos un nudo con ésta característica). Cuanto mejor sea la estimación ini cial de éstas cabezas más rápidamente convergerá el méto do.

- Se calcula el caudal en cada una de las tuberías mediante la siguiente ecuación indicada precedentem ente, y el factor de fricción f de Darcy se calcula utili zando la ecuación de Colebrook-White, al igual que para e l método con corrección de caudales.

- Se calcula la ecuación de continuidad para alguno d e los nudos. Si ésta no arroja un resultado cercano a cer o, se debe corregir la cabeza del nudo utilizando la ecua ción ya indicada, correspondiente a:

Los caudales Q ij y las cabezas (H j – H i ) se consideran positivos si se dirigen hacia el nudo respectivo, e s decir, si el caudal entra al nudo y si H j es mayor que H i .

- Se corrige la cabeza en cada uno de los nudos de ca beza variable de la red, es decir, repetir los dos pasos anteriores para cada nudo.

- El proceso se detiene en el momento en que la suma de caudales en cada nudo es cercano a cero. El margen de error dependera de la experiencia del calculista y del tipo de red que se esté analizando. En caso que alg ún nudo no cumpla con ésta condición se repetirán los tres pasos anteriores.

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Población servida N° de grifos en Volumen de incendio mínimoHabitantes uso simultáneo m3

Hasta 6.000 1 1156.000 - 25.000 2 230

25.000 - 60.000 3 34660.000 - 150.000 5 576mayor a 150.000 6 690


Unitaria Tramo Inicial Final Terreno disponiblem lt/seg mm m/seg m.c.a./m m.c.a. m m m m.c.a

Pérdida de carga

Cota Piezométrica

1.3.3. Comprobación por grifo . La comprobación de los resultados obtenidos en primera instancia se realiza aplicando el concepto de utilización de grifos en caso de incend io. En éste caso el valor que se utilizará será el Caudal Máximo Diario (CMxD) más el caudal requerido para los grif os existentes en el tramo.

La cantidad de grifos a instalar está establecido e n la norma NCh 691 Of.98, de acuerdo a lo indicado en la tabla 1.14.

Tabla 1.14. Número de grifos de incendio en uso sim ultáneo. Fuente: NCh 691.Of98

El caudal requerido por el grifo variará de acuerdo al tipo que se utilice, siendo el de uso más común el de 16 lt/seg. Para la comprobación por grifo se establece la sigu iente tabla de calculo:

Tabla 1.15. Tabla de cálculo para comprobación por grifo.

En ésta tabla de cálculo los datos a completar, so n idénticos a la tabla inicial, excepto por el valor a consider ar en el gasto, velocidad y presión disponible, en donde en éste caso corresponde a lo siguiente:

Gasto: Se refiere al valor del caudal de comprobac ión del cálculo, correspondiente a la suma del Consumo Máxi mo Diario, CMxD, de todos los puntos de consumo que continúan al tramo en estudio, hasta llegar al punto de equilibrio, en caso de tener un sistema cerrado, o hasta el punto de térmi no en caso de una tubería terminal, más el caudal de los grifo s instalados en el tramo.

V: Velocidad de escurrimiento del agua, medida en metros por segundo, determinada según el diámetro de tubería u tilizada y el valor del Caudal de comprobación en el nomograma de cálculo. En éste caso la velocidad no tiene restric ción.

Presión disponible: Es la diferencia entre el valo r de la cota piezométrica final y la cota de terreno. Para el caso de la comprobación por grifo, se establece un valor mí nimo de 5 m.c.a. En caso que el resultado obtenido en un tram o sea menor al requerido, se recalculan los valores del t ramo en la tabla inicial, aplicando un diámetro inmediatamente mayor al utilizado en primera instancia, con lo que se tendr án nuevos valores de velocidad y pérdida de carga, variando l os valores

33

Punto 2 3 4 5 6 7

Cota Terreno 155 153 150 152 153 151

N° Habitantes 540 630 840 610 530

Puntos de consumo 2 3 4 5 6

Caudal Medio Diario CMD 1,9 2,2 2,9 2,1 1,8Caudal Máximo Diario CMxD 2,9 3,3 4,4 3,3 2,7Caudal Máximo Horario CMH 4,4 5 6,5 4,7 4,1

de los tramos siguientes, con lo cual se debe reali zar una vez más la comprobación con éste nuevo diámetro.

1.3.4. Ejemplos de cálculo N° 1: Red Abierta .

Se requiere efectuar el diseño de una red de agua p otable que abastecerá a diversos conjuntos habitacionales, el material a ocupar es PVC C-10. Se consideran los siguientes antecedentes.

Dotación: 300 lt/hab/día.

Presión inicial: 26 m.c.a.

Cota de terreno en el punto inicial: 156 m.

Según los puntos dispuestos en la red, el número de habitantes abastecidos es el siguiente:

Figura 1.9. Red de distribución de problema propues to.

Se deben obtener los valores de CMD, CMxD y CMH, po r cada uno de los puntos de consumo.

Punto de consumo 2:

CMD: (Dotación x Población)/86.400 CMD: (300 x 540)/86.400 CMD: 1,9 lt/seg

CMxD: F 1 x CMD CMxD: 1,5 x 1,9 CMxD: 2,9 lt/seg

CMH: F 2 x CMxD CMH: 1,5 x 2,9 CMH: 4,4 lt/seg

De la misma forma se calcula para los restantes pun tos de consumo, obteniendo los siguientes valores indicado s en la tabla de cálculo 1.16:

Tabla 1.16. Valor de caudales de problema propuesto .

200

300 350

200

300 300

1

2 3 4

5 7

34



1 - 2 200 15,9 160 0,97 0,0054 1,08 182 180,92 155 25,92

Pérdida de carga

Cota Piezométrica

Con estos valores se procede a aplicar la tabla de cálculo, en donde para el primer tramo 1-2, obtenemos los va lores indicados en la tabla 1.17.

Tabla 1.17. Valor de parámetros de tramo 1-2 de pro blema propuesto.

Tabla 1.17. Valor de parámetros de tramo 1-2 de pro blema propuesto. Fuente: J.A.S.T.

Tramo: Se indican el tramo comprendido entre los pu ntos 1 y 2 del gráfico.

Largo: El largo del tramo es de 200 metros.

Gasto: Consumo Máximo Horario, CMH, medido en litr os por segundo de todos los puntos de consumo que continúa n al tramo en estudio, es decir, los puntos 2, 3 y 4, cuya sum a resulta 15,9 lt/seg.

D: Diámetro nominal de la tubería, medido en milím etros, obtenido de la proyección vertical del valor de CMH aplicado en el nomograma de cálculo, hasta la línea de veloc idad correspondiente a 1 metro/seg, en donde al no ser interceptado por ningún diámetro, se baja verticalm ente hasta encontrar ésta intersección, que en éste caso corre sponde a la tubería de diámetro nominal de 160 mm.

V: Velocidad de escurrimiento del agua, medida en metros por segundo, determinada según el diámetro de tubería m ayor que interceptará el valor del CMH, bajo el valor de 1,0 metros por segundo, y que en éste caso es de 0,97 m/seg.

Pérdida de carga unitaria: Es el valor obtenido de la proyección horizontal de la intersección del CMH co n el diámetro nominal de la tubería, en el gráfico de cá lculo hidráulico, que nos resulta de 5,4 m.c.a por cada k ilómetro. Como debemos ingresar el valor al cuadro de cálculo en m.c.a. por metro de tubería, se realiza la división por 1. 000, con lo que obtenemos el valor de 0,0054 m.c.a. por cada metro de tubería. Pérdida de carga del tramo: Corresponde al producto del largo del tramo en metros, 200 metros, por el valor de la pérdida de carga unitaria, 0,0054 m.c.a., con lo que obtene mos el valor de 1,08 m.c.a.

Cota piezométrica inicial: Es la suma de la cota de l inicio del tramo considerado, en este caso la cota del pun to 1, 156 m, y la presión disponible en el mismo punto, 26 m. c.a., dando un resultado de 182 m.c.a. Cota piezométrica final: Es la diferencia entre el valor de la cota piezométrica inicial, 182 m.c.a., y la pérd ida de

35

carga del tramo, 1,08 m.c.a, resultando el valor de 180,92 m.c.a.

Gráfico 1.3. Pérdidas de carga y diámetro tramo 1-2 .

36



1 - 2 200 15,9 160 0,97 0,0054 1,08 182 180,92 155 25,92

2 - 3 300 11,5 140 0,92 0,006 1,86 180,92 179,06 153 26,06

3 - 4 300 6,5 110 0,85 0,0079 2,37 179,06 176,69 150 26,69

1 - 7 350 8,8 140 0,72 0,0038 1,33 182 180,67 151 29,67

7 - 5 300 4,7 110 0,6 0,0036 1,08 180,67 179,59 152 27,597 - 6 200 4,1 110 0,53

Pérdida de carga

Cota Piezométrica



1 - 2 200 26,6 160 1,65 0,015 3 182 179 155 24

Pérdida de carga

Cota Piezométrica

Cota de terreno: Corresponde a la cota del punto f inal del tramo considerado, en éste caso a la cota del punto 2 , cuyo valor corresponde a 155 m.

Presión disponible: Es la diferencia entre el valo r de la cota piezométrica final , 180,92 m.c.a., y la cota de terreno, 155 m, resultando un valor de presión disp onible de 25,92 m.c.a. el cual es superior al valor de 15 m.c .a exigido en la Norma Chilena, con lo cual se procede al cálc ulo de los tramos siguientes.

Aplicando el mismo método para los tramos restante s, se obtienen los valores indicados en la tabla 1.18:

Tabla 1.18. Tabla de cálculo de problema propuesto .

En el tramo 7-6, nos encontramos con el siguiente p roblema, si bien el diámetro encontrado cumple con la exigen cia establecida en la norma, la velocidad está bajo el límite mínimo. Para lograr una velocidad mayor a 0,6 m/seg , se debe disminuir el diámetro, con lo cual no cumpliremos c on el diámetro mínimo exigido.

La solución de ésta problemática que se presenta, se debe justificar técnicamente de acuerdo a las condicione s que se presentan en terreno, ya que si bien la velocidad o btenida es menor a la mínima exigida, se utiliza éste diámetro calculado, ya que el punto 6, que corresponde al fi nal del tramo tiene una cota mayor que el punto 7, con lo c ual no se presentará el problema de estancamiento que se requ iere evitar al exigir una velocidad mínima de 0,6 m/seg.

Una vez completada la tabla, y cumpliendo con las e xigencias en cuanto a velocidad, diámetro y presión disponibl e para cada uno de los tramos se procede a realizar la com probación por grifo.

En éste caso consideraremos un grifo por cada tram o, debiendo aplicar en casos reales lo que establece la Norma C hilena.

De la misma forma anterior se establece la tabla d e cálculo 1.19, donde explicaremos el cálculo del tramo 1-2.

Tabla 1.19. Tabla de comprobación por grifo de pro blema propuesto para tramo 1-2.

37

Tramo: Se indican el tramo comprendido entre los pu ntos 1 y 2 del gráfico.

Largo: El largo del tramo es de 200 metros.

Gasto: Consumo Máximo Diario, CMxD, medido en litr os por segundo de todos los puntos de consumo que continúa n al tramo en estudio, es decir, los puntos 2, 3 y 4, cuya sum a resulta 10,6 lt/seg, más el caudal requerido por el grifo i nstalado en el tramo correspondiente, 16 lt/seg, resultando un caudal de comprobación de 26,6 lt/seg.

D: Diámetro nominal de la tubería, medido en milím etros, obtenido en la tabla de cálculo anterior, correspon diente a la tubería de diámetro nominal de 160 mm.

V: Velocidad de escurrimiento del agua, medida en metros por segundo, determinada en el nomograma de cálculo seg ún el diámetro de tubería calculada en la tabla inicial, es decir, 160 mm, resultando una velocidad de 1,65 m/seg, val or que no implicará ningún problema, ya que se debe considera r que para el caso de la comprobación por grifo ésta no tiene restricciones.

Perdida de carga unitaria: Es el valor obtenido de la proyección horizontal de la intersección del Caudal de comprobación con el diámetro nominal de la tubería, en el gráfico de cálculo hidráulico, que nos resulta de 1 5 m.c.a por cada kilómetro. Como debemos ingresar el valor al cuadro de cálculo en m.c.a. por metro de tubería, se reali za la división por 1.000, con lo que obtenemos el valor d e 0,015 m.c.a. por cada metro de tubería.

Pérdida de carga del tramo: Corresponde al product o del largo del tramo en metros, 200 metros, por el valor de la pérdida de carga unitaria, 0,015 m.c.a., con lo que obtenem os el valor de 3,0 m.c.a.

Cota piezométrica inicial: Es la suma de la cota d el inicio del tramo considerado, en este caso la cota del pun to 1, 156 m, y la presión disponible en el mismo punto, 26 m. c.a., dando un resultado de 182 m.c.a.

Cota piezométrica final: Es la diferencia entre el valor de la cota piezométrica inicial, 182 m.c.a., y la pérd ida de carga del tramo, 3,0 m.c.a, resultando el valor de 179,0 m.c.a.

Cota de terreno: Corresponde a la cota del punt o final del tramo considerado, en éste caso a la cota del punto 2 , cuyo valor corresponde a 155 m.

Presión disponible: Es la diferencia entre el valo r de la cota piezométrica final , 179,0 m.c.a., y la cota d e terreno, 155 m, resultando un valor de presión disponible de 24 m.c.a. el cual es superior al valor de 5 m.c.a exigido en la Norma Chilena para la comprobación por grifo, con lo cual se procede al cálculo de los tramos siguientes.

Aplicando el mismo método para los tramos restante s, se obtienen los valores indicados en la tabla 1.20:

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Unitaria Tramo Inicial Final Terreno disponibleM Lt/seg mm m/seg m.c.a./m m.c.a. m M m m.c.a

1 - 2 200 26,6 160 1,65 0,015 3 182 179 155 24

2 - 3 300 23,7 140 1,9 0,023 6,9 179 172,1 153 19,1

3 - 4 300 20,4 110 2,6 0,054 16,2 172,1 155,9 150 5,5

1 - 7 350 21,9 140 1,75 0,019 6,65 182 175,35 151 24,95

7 - 5 300 19,2 110 2,45 0,048 14,4 175,35 160,95 152 8,957 - 6 200 18,7 110 2,35 0,045 9 175,35 166,35 153 13,35

Pérdida de carga

Cota Piezométrica

Una vez completa la tabla, y cumpliendo con las ex igencias en cuanto a diámetro y presión disponible, se han obte nido los valores definitivos de la red de agua potable calcu lada.

En caso que la presión disponible en algún tramo r esulte menor a 5 m.c.a., se procede a realizar la modifica ción del diámetro al inmediatamente mayor, en la tabla inici al de cálculo, debiendo recalcular la red en su totalidad , y realizando con estos nuevos valores la comprobación por grifo, hasta obtener resultados satisfactorios.

Tabla 1.20. Tabla de comprobación por grifo para p roblema propuesto.

Es importante considerar que lo ideal es que el re sultado del

cálculo nos entregue diámetros de tuberías de mayor a menor, por la problemática que presenta un aumento de diám etro de la tubería desde otro menor.

Cabe señalar que las pérdidas por singularidad en las redes públicas en general son mínimas, por lo que no infl uyen mayormente en el cálculo.

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1.3.5. Ejemplo de cálculo N° 2: Red cerrada .

Se requiere efectuar un proyecto de red cerrada, de acuerdo a la siguiente figura:

Figura 1.10. Ejemplo de red de distribución. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

La red tendrá una válvula en el tramo 2-3, la cual se considerará parcialmente cerrada y producirá una pé rdida de carga de 10 v 2/2g, la presión en el nudo 1 será de 100 m.c.a.

Se requiere analizar los caudales y presiones en la red. Los diámetros se indican en pulgadas y las longitudes d e los tramos en metros. Los caudales son el litros/segund o.

Se puede suponer que en todos los tramos de tubería s, excepto en el tramo 2-3, las pérdidas por singularidad son despreciables.

1.3.5.1. Resolución por método de corrección de cau dales . Para comenzar la resolución por éste método, debemos rea lizar una primera suposición de caudales en cada uno de l os tramos, la que puede ser la siguiente:

Tramo 1-2 2-3 3-4 4-5 2-5 5-6 1-6

Caudal (l/s) 120 50 10 -20 10 -40 80

Tabla 1.21. Caudales propuestos para ejemplo de red . Fuente: Hidráulica de Tuberías, Juan Saldarriaga V.

Representando gráficamente éstos datos, se muestra el porque de los signos de los caudales de la tabla 1. 21.

Figura 1.11. Gráfico de caudales propuestos. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Utilizando las ecuaciones planteadas en el análisis de las resoluciones de las redes por el método de correcci ón de caudales, correspondientes a:

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Circuito Tramo Caudal f Hf + Σhm (H f + Σhm)/Q

(m3/s) (m) (m/m

3/m)

I 1-2 0,12 0,01569 8,82699 73,55822-5 0,01 0,02045 3,12222 312,22255-6 -0,04 0,01750 -4,00696 100,17406-1 -0,08 0,01626 -2,43930 30,4912

Σ 5,5030 516,4459


(m3/s) (m) (m/m 3/m)

II 2-3 0,05000 0,01731 21,22958 424,59162-5 -0,00467 0,02274 -0,75786 162,20413-4 0,01000 0,02046 3,12311 312,31085-4 -0,02000 0,01890 -3,03997 151,9987

Σ 20,5549 1051,1052

y considerando la viscosidad cinemática del agua v correspondiente a 1,14 x 10 -6 m2/s, obtenemos el primer conjunto de valores indicados en la tabla 1.22.

Tabla 1.22. Cálculo de circuito I. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Utilizando la siguiente ecuación, se calcula la cor rección de caudal:

Con lo que obtenemos:

∆Q= -0.005328 m 3/s

Para el segundo circuito obtenemos el siguiente cál culo:

Tabla 1.23.Cálculo de circuito II. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Utilizando la ecuación de corrección de caudal obte nemos:

∆Q= -0.009778 m 3/s

De acuerdo a los resultados obtenidos, debemos proc eder a realizar una segunda iteración para cada uno de los circuitos planteados, aplicando el valor de ∆Q resultante.

Los nuevos resultados se reflejan en las tablas 1.2 4 y 1.25, obteniendo, al igual que en la primera iterac ión, un nuevo valor de ∆Q para ambos circuitos.

41


(m3/s) (m) (m/m 3/m)

I 1-2 0,11467 0,01574 8,08972 70,54642-5 0,01445 0,01967 6,26973 433,89095-6 -0,04533 0,01726 -5,07524 111,96776-1 -0,08533 0,01616 -2,75792 32,3215

Σ 6,5263 648,7265


(m3/s) (m) (m/m

3/m)

II 2-3 0,04022 0,01761 13,93041 346,33582-5 -0,00942 0,02060 -2,79059 296,24273-4 0,00022 0,04687 0,00353 15,90275-4 -0,02978 0,01810 -6,45078 216,6309

Σ 4,6926 875,1121


(m3/s) (m) (m/m

3/m)

I 1-2 0,10964 0,0158 7,42255 67,69792-5 0,0121 0,02002 4,47563 369,86375-6 -0,05036 0,01708 -6,19715 123,06246-1 -0,09036 0,01607 -3,07615 34,04415

Σ 2,6249 594,66815

Tabla 1.24. Segunda iteración de circuito I. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

El valor de ∆Q corresponde a:

∆Q = -0.005030 m 3/s

Tabla 1.25. Segunda iteración de circuito II. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.


∆Q = -0.002681 m 3/s

Procedemos ahora a realizar una tercera iteración, con lo que obtenemos:

Tabla 1.26. Tercera iteración de circuito I. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.


∆Q = -0.002681 m 3/s

42


(m3/s) (m) (m/m

3/m)

II 2-3 0,03754 0,01771 12,19377 324,81082-5 -0,00989 0,02048 -3,06059 309,33733-4 0,00246 0,02551 0,23546 95,75775-4 -0,03246 0,01795 -7,60129 234,1823

Σ 1,7674 964,0881


(m3/s) (m) (m/m

3/m)

I 1-2 0,10744 0,01583 7,13879 66,44742-5 0,01057 0,02033 3,46427 327,85735-6 -0,05256 0,01700 -6,72352 127,90916-1 -0,09256 0,01603 -3,22112 34,7985

Σ 0,6584 557,0123


(m3/s) (m) (m/m

3/m)

II 2-3 0,03687 0,01774 11,77619 319,40832-5 -0,00998 0,02046 -3,10815 311,58323-4 0,00154 0,02437 0,36473 116,48195-4 -0,03313 0,01791 -7,90423 238,5733

Σ 1,1285 986,0467

Tabla 1.27. Tercera iteración de circuito II. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.


∆Q = -0.000672 m 3/s

Con una cuarta iteración obtenemos los siguientes v alores:

Tabla 1.28. Cuarta iteración de circuito I. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.


∆Q = -0.0000591 m 3/s

Tabla 1.29. Cuarta iteración de circuito II. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.


∆Q = -0.000202 m 3/s

Como las sumatorias de las pérdidas por roce y de l as pérdidas menores (hf + Σhm) son pequeñas en ambos circuitos, se detiene el proceso. Esto significa qu e se cumple la ecuación de conservación de la energía en cada uno de los circuitos. Al momento de detener las ite raciones el valor de las correcciones de caudal ( ∆Q) eran pequeños. Los resultados obtenidos se reflejan en la tabla 1. 30.

43

Tramo 1-2 2-3 3-4 4-5 2-5 5-6 1-6

Caudal (l/s) 106,6 36,6 3,4 33,4 10,1 53,3 93,3

Nudo 1 2 3 4 5 6

Presión (m) 100 92,96 81,35 81,77 89,80 96,72

Nudo 1 2 3 4 5 6

Presión (m) 100 92,00 80,00 75,00 90,00 95,00

Tabla 1.30. Resultados finales de caudal. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Estos valores resultantes se muestran en la siguien te figura:

Figura 1.12. Gráfico de caudales resultantes. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Las presiones en los diferentes nudos se presentan en la tabla 1.31.

Tabla 1.31. Resultados finales de presiones en los nudos. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

1.3.5.2. Resolución por método de corrección de cab ezas . Para comenzar la resolución por éste método, debemos rea lizar una primera suposición de presiones en los diferent es nudos de la red, considerando que el nudo 1 tiene una pre sión fija de 100 m.c.a., dado como dato inicial. Los val ores supuestos se reflejan an la tabla 1.32.

Tabla 1.32. Valores supuestos de presión en los nud os. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

En éste caso, la ecuación resultante para cada tube ría es una ecuación de comprobación de diseño, y se utiliz arán las siguientes ecuaciones:

Considerando que en el tramo 2-3 existen pérdidas m enores producidas por la válvula existente, que tiene un coeficiente km=10,0, será la única que necesitará u n proceso iterativo. El nudo 1 no se corregirá, por c uanto ésta tiene un valor fijo de 100 m.c.a.

44

Nudo Tramo Hi Hj hf Q Q/h f

2 1-2 92 100 8,0000 0,1140 0,014252-3 92 80 12,0000

9,39809,98409,85309,88209,87609,8770 -0,0372 0,00310

2-5 92 90 2,0000 -0,0079 0,00394

0,02129-QDi -0,0600

Σ 0,0089


3 3-2 80 92,835 12,83510,04410,67410,53210,56410,559 0,0386 0,00300

3-4 80 75,000 5,000 -0,0128 0,00257

0,00557-QDi -0,0400

Σ -0,0143


4 4-3 75 74,8735 0,127 -0,0017 0,013874-5 75 90 15,000 0,0463 0,00309

0,01696-QDi -0,0300

Σ -0,0145

En el primer ciclo tendremos:

Tabla 1.33. Primer cálculo para nudo 2. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Utilizando la siguiente ecuación, obtenemos la corr ección de cabezas:

∆Hi = 0.8350 m

Para el nudo 3 tendremos el siguiente cuadro:


La corrección de cabezas no entrega el siguiente re sultado:

∆Hi = 5.1265 m



Con ∆Hi = 1.7249 m

45


5 5-2 90 92,835 2,835 0,0095 0,003355-4 90 76,725 13,275 -0,0434 0,003275-6 90 95 5,000 0,0450 0,00899

0,01561-QDi -0,0300

Σ -0,0190


6 6-1 95 100 5,000 0,1165 0,023296-5 95 85,57 7,430 -0,0554 0,00746

0,03075-QDi -0,0400

Σ 0,0211


2 1-2 92,835 100 7,1650 0,1076 0,015022-3 82,835 74,8735 17,9620

14,004014,906014,701014,747014,737014,7390 -0,0459 0,00255

2-5 92,8351 87,5704 5,2650 -0,0132 0,0025

0,02008-QDi -0,0600

Σ 0,0114


3 3-2 74,874 91,699 16,82513,12713,96813,77713,82113,811 0,0443 0,00264

3-4 74,874 76,725 1,851 0,0076 0,00409

0,00672-QDi -0,0400

Σ 0,0119



Con ∆Hi = -2.4296 m.



Con ∆Hi = 1.3700 m.

En el segundo cálculo para cada uno de los nudos te ndremos:

Tabla 1.38. Segundo cálculo para nudo 2. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Con ∆Hi = -1.1365 m.

Para el nudo 3:


46


4 4-3 76,725 78,418 1,693 0,0072 0,004264-5 76,725 87,57 10,846 0,0391 0,0036

0,00786-QDi -0,0300

Σ 0,0163


5 5-2 87,57 91,699 4,128 0,0116 0,00281

5-4 87,57 80,872 6,698 -0,0304 0,004535-6 87,57 96,37 8,800 0,0605 0,00688

0,01422-QDi -0,0300

Σ 0,0118


6 6-1 96,37 100 3,630 0,0985 0,027156-5 96,37 89,224 7,146 -0,0543 0,0076

0,03475-QDi -0,0400

Σ 0,0043


2 1-2 91,699 100 8,3010 0,1162 0,0142-3 91,699 78,418 13,2800

10,389011,042010,895010,928010,921010,9220 -0,0392 0,00295

2-5 91,699 89,224 2,4750 -0,0088 0,00357

0,02053-QDi -0,0600

Σ 0,0081

Con ∆Hi = 3.5445 m.

Para el nudo 4:


Con ∆Hi = 4.1473 m.

Para el nudo 5:


Con ∆Hi = 1.6534 m

Para el nudo 6:


Con ∆Hi = 0.2454 m

En el tercer proceso de cálculo tendremos lo siguie nte:

Para el nudo 2:

Tabla 1.43. Tercer cálculo para nudo 2. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Con ∆Hi = 0.7941 m

47


3 3-2 78,418 92,493 14,07511,00311,69811,54111,57611,570 0,0404 0,00287

3-4 78,418 80,872 2,454 0,0088 0,00358

0,00646-QDi -0,0400

Σ 0,0092


4 4-3 80,872 81,278 0,406 0,0330 0,008184-5 80,872 89,224 8,352 0,0341 0,00408

0,01226-QDi -0,0300

Σ 0,0074


5 5-2 89,224 92,493 3,269 0,0102 0,003135-4 89,224 82,083 7,141 -0,0314 0,00445-6 89,224 96,615 7,392 0,0552 0,00747

0,015-QDi -0,0300

Σ 0,0041


6 6-1 96,615 100 3,385 0,0950 0,028076-5 96,615 89,768 6,848 -0,0531 0,00775

0,03582-QDi -0,0400

Σ 0,0019

Para el nudo 3:


Con ∆Hi = 2.8601 m

Para el nudo 4:


Con ∆Hi = 1.2106 m

Para el nudo 5:


Con ∆Hi = 0.5439 m

Para el nudo 6:


Con ∆Hi = 0.1074 m

En el cuarto proceso de cálculo tendremos lo siguie nte:

Para el nudo 2:

48


2 1-2 92,493 100 7,5070 0,1103 0,014692-3 92,493 81,278 11,2140

8,79009,3350

9,21309,24009,23409,2360 -0,0359 0,00321

2-5 92,493 89,768 2,7250 -0,0093 0,00341

0,02131-QDi -0,0600

Σ 0,005


3 3-2 81,278 92,966 11,6889,1579,7269,5999,6279,622 0,0367 0,00314

3-4 81,278 82,083 0,805 0,0048 0,006

0,00914-QDi -0,0400

Σ 0,0016


4 4-3 82,083 81,618 0,465 -0,0036 0,00774-5 82,083 89,768 7,685 0,0326 0,00425

0,01195-QDi -0,0300

Σ -0,0009


5 5-2 89,768 92,966 3,199 0,0101 0,003175-4 89,768 81,927 7,841 -0,0330 0,004215-6 89,768 96,723 6,955 0,0535 0,00769

0,01507-QDi -0,0300

Σ 0,0006

Tabla 1.48. Cuarto cálculo para nudo 2. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Con ∆Hi = 0.4736 m

Para el nudo 3:


Con ∆Hi = 0.3398 m

Para el nudo 4:


Con ∆Hi = -0.1560 m

Para el nudo 5:


Con ∆Hi = 0.0856 m

49


6 6-1 96,723 100 3,277 0,0934 0,028576-5 96,723 89,853 6,869 -0,0532 0,00787

0,03644-QDi -0,0400

Σ 0,0002


2 1-2 92,966 100 7,0340 0,1066 0,015162-3 92,966 81,618 11,3480

8,89409,44609,32209,3500

9,34300,3450 -0,0362 0,00319

2-5 92,966 89,853 3,1130 -0,0100 0,00321

0,02131-QDi -0,0600

Σ 0,0005


3 3-2 81,618 93,008 11,3918,9269,4819,3569,3849,3789,379 0,0362 0,00318

3-4 81,618 81,927 0,309 0,0029 0,00925

0,01243-QDi -0,0400

Σ -0,0009


4 4-3 81,927 81,472 0,454 -0,0035 0,007784-5 81,927 89,853 7,927 0,0332 0,00419

0,01197-QDi -0,0300

Σ 0,0004

Para el nudo 6:


Con ∆Hi = 0.0135 m

Como aún no se producen en las cabezas piezométrica s valores pequeños, se siguen realizando nuevas corre cciones.

Para el nudo 2:

Tabla 1.53. Quinto cálculo para nudo 2. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Con ∆Hi = 0.0423 m

Para el nudo 3:


Con ∆Hi = -0.1455 m

Para el nudo 4:


50


5 5-2 89,853 93,008 3,155 0,0101 0,003195-4 89,853 81,868 7,986 -0,0333 0,004175-6 89,853 96,736 6,883 0,0532 0,00773

0,01509-QDi -0,0300

Σ 0,0000


6 6-1 96,736 100 3,264 0,0932 0,028566-5 96,736 89,848 6,888 -0,0532 0,00773

0,03629-QDi -0,0400

Σ 0,0000

Tramo 1-2 2-3 3-4 4-5 2-5 5-6 1-6

Caudal (l/s) 106,6 36,2 3,5 33,3 10 53,2 93,2

Nudo 1 2 3 4 5 6

Presión (m) 100 93,008 81,472 81,868 89,848 96,734

Con ∆Hi = -0.0590 m

Para el nudo 5:


Con ∆Hi = -0.0051 m

Para el nudo 6:


Con ∆Hi = -0.0018 m

Al terminar el quinto proceso, las cabezas piezomét ricas en los nudos son bajas, con lo cual podemos dar por te rminado el cálculo, por cuanto el sistema ha convergido.

Los resultados obtenidos son los siguientes:

Tabla 1.58. Resultados finales de caudal en los tra mos. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Tabla 1.59. Resultados finales de caudal en los tra mos. Fuente: Hidráulica de tuberías, Juan Saldarriaga V.

Al comparar los resultados obtenidos por el método de corrección de cabezas y por el método de corrección de caudales, estos son muy similares. Para llegar a és tos resultados en ambos casos se realizaron una serie d e iteraciones, aunque en general por el método de cor rección de caudales se necesitan menos de éstas para llegar a los resultados finales.

Ambos sistemas son utilizados de igual forma, siend o en general de elección del proyectista el sistema que utilice. Actualmente éstos procesos se realizan por medio de Softwares que facilitan de gran forma el cálculo, p ero los ejemplos mostrados son una excelente forma de enten der en forma precisa el concepto básico de éstos cálculos.

51

1.4. CONTENIDO DE LOS PROYECTOS DE AGUA POTABLE PUB LICA .

El contenido de los proyectos de redes de agua pota ble está regulado por la norma NCh1104. Of98, en la cual se describen la memoria de técnica, especificaciones técnicas gener ales y especiales, planos de diseño, cubicaciones y presup uesto estimativo. Todas éstos componentes permiten desarr ollar la ejecución de éste de una forma adecuada y en cumpli miento con la normativa vigente.

1.4.1 Memoria Técnica . La memoria técnica es la justificación técnica del proyecto, en que se detallan los paráme tros de diseño tales como dotación, número de viviendas, de nsidad y caudales, las fórmulas de cálculo utilizadas para d eterminar las pérdidas de carga de las tuberías, la determina ción del material a utilizar y por último el método de análi sis hidráulico de la red. En general la memoria técnica se desglosa en los siguientes puntos:

- Generalidades: Donde se realiza la descripción del proyecto, indicando la ciudad, localidad y població n que se abastecerá.

- Descripción del lugar y ubicación: Se detalla la u bicación exacta del sector y realizando descripción de las c ondiciones que presenta el terreno.

- Vías de acceso: Se detallan las vías más important es para acceder al sector.

- Características topográficas: Es importante seña lar las coordenadas de planchetas obtenidas del Instituto G eográfico Militar del sector y la altura sobre el nivel medio del mar.

- Características Geológicas: Se realiza la descri pción del tipo de suelo que se encuentra en el sector de acue rdo a estudio de suelos y la ubicación de la napa freátic a.

- Características Hidrológicas: Se debe detallar l a zona climática a que corresponde la ciudad y los cursos de aguas que se encuentran cercanos al lugar de ejecución de l proyecto.

- Descripción física de la red existente: Se debe indicar diámetro, material y ubicación de la red existente a la que se conectará la nueva red.

1.4.2 Especificaciones técnicas generales . Entregan una visión general de las obras, y hace referencia a las norma s aplicables para elaboración de éstas especificacion es, de tal forma de regular la ejecución de todas las obras qu e incidirán en el proyecto.

1.4.3 Especificaciones técnicas especiales . Se refiere a todas aquellas actividades a desarrollar que están implic adas directamente con la obra, tales como excavaciones e n zanja, rellenos, transporte de excedentes, colocación y pr ueba de tuberías, construcción de cámaras, etc. Éstas compl ementan el contenido de los planos del proyecto. En cada parti da se debe

52

considerar la unidad de medida respectiva y la cant idad o cubicación de ésta.

1.4.4 Planos de diseño . Se refiere a plano de planta, cuadro de nudos, cuadro de piezas especiales, cuadro de cañer ías, plano de ubicación y toda aquella información gráfica nec esaria para la ejecución del proyecto.

El plano de planta nos indicará el recorrido que t endrán los diversos tramos, detallando en cada uno de éstos el tipo de material a utilizar, el diámetro de la tubería y su longitud. Además se enumeran los diferentes nudos que se deta llarán en el respectivo cuadro.

El cuadro de nudos es la representación gráfico de todos aquellos puntos en que se producirán uniones, encue ntros, aumentos o disminuciones de diámetro, válvulas o té rmino de tramos. Tiene gran utilidad al momento de ejecutar el proyecto, ya que nos entrega una idea clara de la f orma en que deben acoplarse las diferentes piezas especiale s. Como información anexa se entrega el cuadro de cañerías especiales, donde se indican la cantidad de piezas especiales por cada nudo y la cubicación total de piezas del p royecto, información importante al momento de evaluar económ icamente la construcción del proyecto.

El cuadro de cañerías nos indicará los diferentes tramos y los largos de los diferentes tipos de cañería a uti lizar, para finalmente entregar un total de cada tipo.

Comúnmente se agregan en los planos los resúmenes de peso de piezas especiales sin mecanismo, tales como curvas, tees, uniones brida, pesos de piezas especiales con mecan ismo, tales como válvulas o grifos y también los pesos de las tuberías, con lo que tendremos un total de peso de materiales que será instalado.

1.4.5 Cubicaciones . De acuerdo a las partidas señaladas en las especificaciones técnicas especiales, se calculan l as cantidades de cada una de ellas indicando sus unida des.

1.4.6 Presupuesto estimativo . Generalmente los proyectos de agua potable público presentan un presupuesto de la obra , que es en definitiva la valoración que tendrá la ejecución de éste. Al momento de licitar éstas obras se debe considera r que éste es informativo solamente, por lo que cada empresa d eberá valorizar el proyecto.

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