Redes de Distribucion

[DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA UTILIZANDO WATERGEMS] JUNIO DE 2012

Universidad Católica de Cuenca, Sede Azogues | Facultad de Ingeniería Civil Hernán Urgilés Urgilés

A

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA, SEDE AZOGUES

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA C IVIL, ARQUITECTURA Y URBANISMO

FACULTAD DE INGENIERÍA C IVIL

DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE

UTILIZANDO EL PROGRAMA WATERGEMS

HERNÁN URGILÉS URGILÉS

JUNIO DE 2012



A

UNIVERSIDAD CATÓLICA DE CUENCA, SEDE AZOGUES

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA C IVIL, ARQUITECTURA Y URBANISMO

FACULTAD DE INGENIERÍA C IVIL

DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCIÓN DE AGUA POTABLE

UTILIZANDO EL PROGRAMA WATERGEMS

HERNÁN URGILÉS URGILÉS

JUNIO DE 2012



A

Contenido

Antecedentes .................................................................................................................................... 1

Introducción ................................................................................................................................... 1

Objetivos ............................................................................................................................................. 2

Objetivo General .......................................................................................................................... 2

Objetivos Específicos .................................................................................................................... 2

Marco Teórico .................................................................................................................................... 3

Red de Distribución ...................................................................................................................... 3

Generalidades .......................................................................................................................... 3

Trazado de la red ...................................................................................................................... 4

Especificaciones de diseño ........................................................................................................ 5

Caudal de diseño ..................................................................................................................... 5

Presiones de servicio ................................................................................................................ 6

Válvulas ....................................................................................................................................... 6

Velocidad de diseño ............................................................................................................... 7

Válvulas de purga .................................................................................................................... 7

Localización de la tubería ...................................................................................................... 7

Método de cálculo .................................................................................................................. 8

Desarrollo futuro ........................................................................................................................ 8

Cálculos hidráulicos de la red en malla ................................................................................... 8

Método de Hardy – Cross ....................................................................................................... 8

Método de longitudes equivalentes .................................................................................... 8

Otros factores de diseño ............................................................................................................. 9

Distribución de caudales iniciales ......................................................................................... 9

Trazado de la red principal ..................................................................................................... 9

Conexiones domiciliarias ......................................................................................................... 9

Datos técnicos ............................................................................................................................ 10

Dotación neta mínima y máxima ........................................................................................... 10

Periodo de diseño de las redes matriz o primaria ............................................................... 11

Periodo de diseño de la red de distribución secundaria o red local ............................. 11

Presiones mínimas en la red ..................................................................................................... 11

Diámetros internos mínimos en la red matriz ........................................................................ 11

Diámetros internos mínimos en la red de distribución ........ ¡Error! Marcador no definido.



B

Marco Metodológico .................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Levantamiento topográfico .................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Ejecutar WaterGEMS ................................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Crear un proyecto ..................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Configuración inicial ................................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Configuración de etiquetas .................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Trazado de tubería .................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Características de tubería ....................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Alternativas .................................................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Demandas ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Escenarios .................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Patrones ....................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Cálculo ......................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Régimen estático ................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Régimen extendido ............................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Régimen incendio ................................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Reporte de cálculo ................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Aplicación ....................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Ejercicio – Taller........................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Topografía ............................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Zonas de presión .................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Áreas de aportación ............................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Dotación régimen estático .................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Dotación régimen extendido .............................................. ¡Error! Marcador no definido.

Dotación régimen incendio ................................................ ¡Error! Marcador no definido.

Alternativas ............................................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Escenarios ................................................................................ ¡Error! Marcador no definido.

Patrones ................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

RESULTADOS RÉGIMEN ESTÁTICO ........................................ ¡Error! Marcador no definido.

RESULTADO NODOS ............................................................... ¡Error! Marcador no definido.

RESULTADO TUBERÍAS ............................................................. ¡Error! Marcador no definido.

RESULTADO VÁLVULAS (REDUCTORAS DE PRESIÓN) ....... ¡Error! Marcador no definido.

RESULTADOS RÉGIMEN EXTENDIDO ..................................... ¡Error! Marcador no definido.



C




RESULTADOS RÉGIMEN INCENDIO ....................................... ¡Error! Marcador no definido.




Trabajo final ................................................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Zonas de presión .................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Áreas de aportación ............................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Dotación régimen estático .................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Dotación régimen extendido .............................................. ¡Error! Marcador no definido.

Dotación régimen incendio ................................................ ¡Error! Marcador no definido.

Alternativas ............................................................................. ¡Error! Marcador no definido.

Escenarios ................................................................................ ¡Error! Marcador no definido.

Patrones ................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

RESULTADOS RÉGIMEN ESTÁTICO ........................................ ¡Error! Marcador no definido.




RESULTADOS RÉGIMEN EXTENDIDO ..................................... ¡Error! Marcador no definido.




RESULTADOS RÉGIMEN INCENDIO ....................................... ¡Error! Marcador no definido.




Cantidades de obra ............................................................ ¡Error! Marcador no definido.

Tuberías .................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Válvulas .................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Conclusiones ................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.

Bibliografía ....................................................................................... ¡Error! Marcador no definido.



D



1

CAPÍTULO 1

Antecedentes

Introducción

El impresionante avance tecnológico que experimenta la humanidad

no ha sido indiferente a la ingeniería sanitaria, es decir que en los últimos

años, hemos sido testigos de cómo se ha difundido ampliamente el uso

de paquetes computacionales para el análisis y diseño de redes. Cada

vez los programas de cálculo son más potentes y cubren una gama

bastante extensa de aplicaciones, desde sistemas de conducción,

distribución, hasta sistemas que incorporan elementos propios de una

red, válvulas, bombas, etc. Con el advenimiento de las computadoras

es indudable que ha cambiado la forma en que se analizan y diseñan

las redes, independientemente si se trata de sistemas por bombeo o

sistemas a gravedad, si bien es cierto, en la actualidad se dispone de

muchas ayudas tecnológicas, también hay que reconocer que los

desafíos son mayores, cada vez se dispone de menos tiempo para

presentar un proyecto, por lo tanto se vuelve fundamental tener sólidos

conocimientos de las bondades y limitaciones de estas herramientas

informáticas para expresar los procesos.



2

CAPÍTULO 2

Objetivos

Objetivo General

Diseñar una red de distribución de agua potable mediante el uso del

software WATERGEMS.

Objetivos Específicos

Recopilar información acerca de diseño de redes de distribución.

Recopilar información acerca del manejo del programa WATERGEMS.

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

Realizar cálculos necesarios para el cálculo como población futura,

densidad, dotaciones, etc.

Dibujar la geometría de la red.

Aplicar el diseño en el programa WATERGEMS

Verificar resultados.



3

CAPÍTULO 3

Marco Teo rico

Red de Distribución

Generalidades

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

función es la de suministrar el agua potable a los consumidores de la localidad.

La unión entre el tanque de almacenamiento y la red de distribución se hace

mediante una tubería denominada “línea matriz”, la cual conduce el agua al

punto o a los puntos de entrada a la red de distribución. El diseño depende de

las condiciones de operación de la red de distribución tales como trazado,

caudales y presiones de servicio.

La red de distribución está conformada por tubería “principal” y de “relleno”.

La red de tuberías principales es la encargada de distribuir el agua en las

diferentes zonas de la población, mientras que las tuberías de relleno son las

encargadas de hacer las conexiones domiciliarias. El diseño o cálculo de la

red de distribución se hace sobre la red principal; el diámetro de la red de

relleno se fija de acuerdo con las normas pertinentes.



4

Además de las tuberías existen otros accesorios tales como válvulas de control

o de incendios, válvulas de purga, hidrantes, cruces, codos, Tee’s. Yee’s,

reducciones y tapones.

Los materiales más comunes de las tuberías y accesorios son PVC o Hierro

Dúctil. Los diámetros dependen de las casas fabricantes, por lo cual hay que

consultar los catálogos respectivos.

Trazado de la red

El trazado de la red debe obedecer a la conformación física de la población y

por tanto no existe una forma predefinida. Hidráulicamente, se pueden

establecer redes abiertas, redes cerradas o redes mixtas, dependiendo de las

condiciones anteriores.

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

poblaciones pequeñas en donde por lo general no existe más de una calle

principal. Tiene forma alargada e irregular. El diseño hidráulico de la tubería

principal se hace como una red abierta.

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

ramificaciones. El diseño hidráulico de las tuberías principales corresponden

al de la red abierta.

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

y de ella se desprenden varios ramales. Al centro se conforma una red

cerrada y perimetralmente se tiene ramales abiertos, es decir que se trata

de una red mixta.

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

conforman varias cuadriculas o mallas alrededor de la red de relleno. Una

malla estará compuesta entonces por cuatro tramos principales.



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Desde el punto de vista del funcionamiento hidráulico, los primeros dos tipos

de redes (de mayor a menor diámetro y en árbol) se denominan redes

abiertas, las redes en mallas son cerradas y las redes en parrilla son mixtas.

Especificaciones de diseño

Caudal de diseño

El caudal de diseño deberá ser el mayor de las siguientes alternativas:

a) Consumo máximo horario más demanda industrial.

b) Consumo máximo diario más demanda industrial, más demanda por

incendios.

Para ciudades grandes, se recomienda diseñar considerando el caudal

correspondiente a las condiciones más críticas como seria la suma de los

caudales máximo horario, demanda industrial y demanda por incendios.

Como se vio anteriormente, el caudal máximo horario se obtiene de afectar el

caudal máximo diario por un coeficiente. Este coeficiente depende de varios

factores, entre ellos el tamaño y las costumbres, por lo que su elección debe

hacerse con sumo cuidado. A continuación se dan algunos factores que

pueden ser utilizados como guía:

- Población menor de 5000 habitantes: f = 1.80

- Población entre 5000 y 20000 habitantes f = 1.65

- Población mayor de 20000 habitantes f = 1.50



6

El caudal de incendios se obtiene a partir de:

a) Para poblaciones menores de 10000 habitantes, es innecesario y

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

b) Para poblaciones entre 10000 y 20000 habitantes, se requieren dos

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

c) Para poblaciones mayores a 20000 habitantes, es necesario el

funcionamiento de 4 hidrantes en zona industrial y 2 hidrantes en zona

residencial, con una caudal de 5.0 lt/s cada uno.

Presiones de servicio

En lo posible, se debe mantener una presión de servicio en la red entre 1.0

Kg./cm2 y 5.0 Kg./cm2 ( 10 a 50 metros columna de agua).

Es importante seleccionar la presión mínima teniendo en cuenta la altura de

las edificaciones que serán servidas.

Válvulas

Se deben colocar válvulas de cortina a lo largo de la red con el fin de poder

aislar sectores en caso de roturas de las tuberías o de incendios y seguir

suministrando el agua al resto de la población.

La forma como se dispongan las válvulas dentro de la red no es estándar e

influye grandemente en el presupuesto de la obra, ya que se trata de un gran

número de válvulas de un tamaño relativamente grande. La norma

estadounidense indica que las válvulas se deben colocar de tal manera que

se aísle un máximo de 2 tramos mediante el cierre de 4 válvulas como máximo.



7

La aplicación de esta norma lleva a condiciones económicas muy

desfavorables y la hacen impracticable en el medio rural. Se puede entonces

modificar el concepto de tal manera que se aísle un sector y se permita el

suministro al resto de la localidad. Las válvulas van colocadas generalmente

en las intersecciones de la red principal.

Para redes pequeñas (de una malla), puede ser suficiente la colocación de

una válvula a la entrada a la red.

Velocidad de diseño

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

0.3 y 2 m/s.

Válvulas de purga

Al igual que en las conducciones, se deben instalar válvulas de purga en todos

los sitios bajos de la red.

Localización de la tubería

La tubería deberá tenderse a un lado de la calzada; en el caso de vías

importantes, podría pensarse en colocarla a ambos lados de la calzada. Se

debe procurar pasar la tubería del acueducto por encima de las tuberías del

alcantarillado y a una distancia horizontal de 3.0 metros. En caso de no poder

cumplir lo anterior, se debe dar una protección adecuada a la tubería del

acueducto como por ejemplo su recubrimiento con concreto.



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Método de cálculo

En el caso de mallas cerradas, el equilibrio hidráulico de la red puede hacerse

por cualquier método que permita el cierre o diferencia de presiones entre la

entrada y la salida menor de 1.0 metro.

Desarrollo futuro

El diseño de la red deberá tener en cuenta la demanda futura de acuerdo

con los sectores de desarrollo contemplados en la planeación de la localidad.

De no tenerse una planeación del crecimiento, se debe suponer que este será

uniforme alrededor de la población.

Cálculos hidráulicos de la red en malla

Método de Hardy – Cross

Este método de cálculo, llamado también método de relajamiento o de

pruebas y errores controlados, supone que se han seleccionado previamente

los caudales iniciales y los diámetros en los diferentes tramos de la red. Por

medio de un proceso iterativo, se corrigen los caudales de tal manera que el

cierre de la malla (diferencia de presiones entre un ramal y otro de la red

cerrada) no exceda un valor límite, que según la norma debe ser menor de 1.0

metro, y se obtiene para las condiciones anteriores la presión en cada uno de

los nudos de las malla.

Método de longitudes equivalentes

Con este método se pretende calcular el caudal real y el diámetro de un

sistema de tuberías, dada una distribución inicial de caudales y unas pérdidas

de carga fijas. La distribución inicial de caudales se realiza de manera análoga

al método de Cross. El principio del método es el de reemplazar la red de



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tuberías existentes por una red hidráulicamente más sencilla, en la cual se

determine el caudal en cada tramo, para luego regresar a la red real y

determinar los diámetros correspondientes.

Otros factores de diseño

Distribución de caudales iniciales

La distribución de los caudales iniciales se puede hacer por medio del

concepto de nudos de carga o mediante una distribución uniforme

repartiendo el consumo doméstico por metro lineal de tubería alimentada. En

este último caso (por metro lineal de tubería), la hipótesis de alimentación de

las tuberías deberá hacerse de acuerdo con la topografía de la zona.

Trazado de la red principal

El trazado de la red principal se debe hacer teniendo en cuenta una buena

distribución del agua con respecto al área que se está abasteciendo. Las

condiciones topográficas y altimétricas son importantes en el trazado de la

red. En cualquier caso, no debe proyectarse el trazado de la red

periféricamente a la población, ya que esto implicaría una distribución de

caudales poco eficiente y sería una condición muy costosa. Como un buen

criterio empírico, se debe procurar que el área servida internamente por una

malla sea aproximadamente igual al área externa correspondiente.

Conexiones domiciliarias

La conexión domiciliaría, se hace a partir de la red secundaria y consiste en

una serie de elementos que permiten derivar el agua hacia el domicilio hasta

la caja en donde se encuentra el medidor. De este punto en adelante, todas

las obras son propiedad del dueño del domicilio.



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El sistema comienza con un collar de incorporación montado sobre la tubería

de la red; a continuación se encuentra el registro de incorporación necesario

para hacer la instalación en tuberías que se encuentra a presión, el cual debe

ser insertado en la tubería con herramienta especializada. La tubería de la

conexión es por lo general de plástico.

Posteriormente se encuentra el registro de corte que se utiliza cuando hay

necesidad de suspender el servicio por falta de pago. A continuación se

encuentra el medidor de agua que puede ser de dos tipos:

1. Medidor volumétrico: más sensible y más costoso.

2. Medidor de velocidad: menos sensible y menos costoso.

El diámetro de la tubería utilizada para la conexión domiciliaria depende de la

presión de la red y del uso del agua dentro del domicilio.

Se deben localizar los posibles puntos de mayor demanda, como por ejemplo,

industrias, comercios e instalaciones portuarias.

Datos técnicos

El caudal de diseño se calcula de acuerdo a las normas establecidas se tiene:

Dotación neta mínima y máxima

NIVEL DE COMPLEJIDAD

DOTACION NETA DOTACION NETA

MINIMA (L/HAB-DIA) MAXIMA (L/HAB-DIA)

BAJA 100 150

MEDIO 120 175

MEDIO ALTO 130 -

ALTO 150 -



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Periodo de diseño de las redes matriz o primaria

Periodo de diseño de la red de distribución secundaria o red local

Presiones mínimas en la red

Diámetros internos mínimos en la red matriz


PERIODO DE DISEÑO

MEDIO 20 AÑOS

MEDIO ALTO 25 AÑOS

ALTO 30 AÑOS


PERIODO DE DISEÑO

BAJO 15 AÑOS

MEDIO 15 AÑOS

MEDIO ALTO 20 AÑOS

ALTO 20 AÑOS


PRESION MINIMA PRESION

(KPa) (METROS)

BAJA 98,1 10

MEDIO 98,1 10

MEDIO ALTO 147,2 15

ALTO 147,2 15


DIAMETROS MINIMOS

BAJO 64 mm (2,5")

MEDIO 100 mm (4")

MEDIO ALTO 150 mm (6") ALTO

300 mm (12")

Documents

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