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PROYECTO FINAL DE SANITARIA
2010
DISEÑO DE UNA RED DE
DISTRIBUCIÓN DE AGUA
POTABLE
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CONTENIDO
1 INTRODUCCION ... 3 2 OBJETIVOS ... 4 2.1 GENERAL ... 4 2.2 ESPECÍFICOS ... 4 3 CONCEPTOS PREVIOS ... 5 3.1 Red De Distribución ... 53.2 Elementos Hidráulicos En La Red ... 6
4 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO PLANTEADO ... 9
4.1 DESCRIPCIÓN ... 9
4.2 LOCALIZACIÓN ... 9
4.3 CARACTERÍSTICAS DE LA POBLACIÓN ... 9
4.3.1 DENSIDAD Y ESTRATIFICACIÓN: ... 9
5 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO ESTIPULADO POR RAS 2000 ... 9
5.1 PASO 1 - Definición del nivel de complejidad del sistema (RAS2000 B.1.3.1) ... 9
5.2 PASO 8 - Diseño y requerimientos técnicos (RAS2000 B.1.3.8) ... 10
5.2.1 Estudios previos (RAS2000 B.7.2.1) ... 10
5.2.2 Condiciones generales (RAS2000 B.7.2.1) ... 14
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1 INTRODUCCION
La red de distribución es la parte del sistema de abastecimiento de agua potable integrada por las tuberías de alimentación y accesorios, por medio de la cual se lleva agua por medio de servidumbres hasta las tomas domiciliarias para su entrega a los usuarios. Su correcto funcionamiento depende de un diseño adecuado, de la selección cuidadosa de los materiales a utilizar, de la mano de obra calificada para su instalación, de la correcta supervisión de la ejecución de la obra y de una operación y conservación eficiente. El siguiente documento presenta los pasos de diseño y la correspondiente memoria de cálculo de una red de distribución para un sector de la ciudad de Cartagena de Indias comprendido en la zona sur – occidental.
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2 OBJETIVOS
2.1 GENERAL
Diseñar una red de distribución de agua potable y su tanque de reserva utilizando la aplicación informática EPANET.
2.2 ESPECÍFICOS
Determinar los diámetros, velocidades, pérdidas y presiones dentro de la red verificando que cumpla con los requisitos mínimos establecidos por norma.
Definir la altura del tanque de reserva.
Realizar el diseño siguiendo los parámetros que establece el RAS 2000 para el diseño de redes de distribución de agua potable.
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3 CONCEPTOS PREVIOS
3.1 Red De Distribución
Una red de distribución de agua es un conjunto de elementos hidráulicos como bombas, depósitos, tuberías y uniones, utilizados para distribuir agua en una zona determinada. Estas tuberías son diseñadas de tal forma que tengan la capacidad de transportar el caudal necesario para atender la demanda máxima horaria. Cuando se presenta la demanda máxima horaria la red debe tener la capacidad de soportar una presión mínima en cualquier punto de 10mca y una máxima de 60mca.
Las tuberías de la red principal que componen el sistema de abastecimiento deben ubicarse cerca de los grandes consumidores y de las áreas de mayores consumos específicos, las áreas de mayor consumo deben servirse de los conductos principales y las de menor consumo deben servirse de los conductos secundarios, formando en lo posible un sistema de redes malladas, conectando las conexiones domiciliarias a las redes secundarias.
Las tuberías secundarias deben formar circuitos cerrados siempre que:
El área por abastecer sea mayor a 1Km2
La distancia promedio entre las tuberías secundarias paralelas sea mayor de 250m
La distancia entre la tubería secundaria que se ubica más próxima al límite del área a abastecer y el perímetro de esta área sea igual o mayor que 150m.
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Elemento: Componente de la red, como puede ser un tramo de una conducción, una válvula,
una bomba, de tal manera que se tenga un comportamiento hidráulico muy bien definido.
Línea: Conjunto de elementos de una red conectados entre dos puntos, a los cuales se les
puede asociar una ecuación constitutiva que permita caracterizar el comportamiento global de los elementos que constituyen la línea. Es decir, una relación entre el caudal circulante y la diferencia de alturas piezométricas existente entre ambos extremos de la línea.
Nudo: Cada uno de los extremos de una línea. O bien, punto de la red en la que se conectan
dos o más líneas. A su vez los nudos los podemos clasificar como:
a. Nudos Fuente: Punto de la red que recibe un aporte externo de caudal
b. Nudos de Consumo: Punto de la red en el que se realiza una extracción de caudal. c. Nudo de Conexión: Punto en el que no existe ninguna aportación o extracción de
caudal, o lo que es lo mismo, sólo existe una transferencia de caudal entre dos o más líneas.
Figura 1. Componentes de una Red de distribución.
3.2 Elementos Hidráulicos En La Red
Malla: Se trata de un circuito cerrado formado por varias líneas. Puede tener o no otras
mallas en su interior. Las redes conformadas por mallas son redes en las cuales existe un tramo principal y de este se desprenden ramificaciones que terminan en puntos ciegos o en pequeñas mallas. Este tipo de trazado se utiliza cuando la topografía no permite la interconexión entre ramales, o debido a que el desarrollo de las zonas a alimentar adopta esta configuración.
7 Las líneas se caracterizan por mantener a lo largo de su longitud unas características uniformes de sección y material. Las formas que en que estas se asocian dan lugar a redes, las cuales se clasifican como ramificadas, malladas o mixtas.
Las tuberías de este tipo de red de distribución se clasifican de acuerdo con la cantidad de caudal que transportan en:
a. Redes Matrices o Troncales b. Redes Principales
c. Redes Secundarias o de Relleno
Para la configuración de las mallas principales se pueden adoptar los siguientes criterios: a. Tramos no mayores de 500m
b. Diámetros mayores a 10”
c. No alimentan servicios domiciliarios
Redes Ramificadas: Una red ramificada intuitivamente se pude reconocer por su forma
estructural de árbol.
Redes Malladas: Se caracterizan por la existencia de mallas básicas, y cualquier par de
puntos de la red puede ser unido por al menos dos trayectorias distintas.
Tubería: Son conductos que cumplen la función de transportar agua. Se suele elaborar con
materiales muy diversos en función de consideraciones técnicas y económicas. Suele usarse el hierro fundido, acero, latón, cobre, plomo, hormigón, polipropileno, PVC, de alta densidad (PEAD).
Tanque De Almacenamiento: Los tanques de almacenamiento se utilizan para compensar
las variaciones de consumo, mantener las presiones, proporcionar agua necesaria para necesidades urgentes tales como la extinción de incendios o en caso de averías accidentales. Estos, representan el enlace entre la red de distribución y el sistema de provisión. Con el fin de mantener unas presiones adecuadas en la red de distribución.
Válvulas: La red de distribución debe proveerse de válvulas de compuerta o mariposa que
deben ubicarse de tal forma que permitan aislar un sector o una zona de servicio. Si se aísla parte del sistema, debe poder mantenerse el servicio de agua en el resto de la población. Para el nivel bajo de complejidad solo será suficiente prever una única válvula en la tubería que alimenta toda la red de distribución de agua potable. Deben instalarse válvulas de corte por lo menos cada 1500m. En todos los puntos de empate, entre tuberías de distinto diámetro, la válvula debe colocarse en la tubería de diámetro menor.
Hidrantes: El sistema de hidrantes consiste en una red de tuberías conectadas a un
sistema de bombeo o suministro de agua. A esta red se conectan gabinetes internos, los cuales están provistos de válvulas de control, mangueras, llaves para hidrantes.
8 Los diámetros mínimos de los hidrantes contra incendios, colocados en la red de distribución, dependen del nivel de complejidad del sistema:
a. Para los niveles de complejidad bajo y medio el diámetro mínimo es de 75mm (3”). b. Para los niveles de complejidad medio alto y alto, los diámetros mínimos
corresponden a 10mm (4”), para sectores comerciales e industriales, o zonas residenciales con alta densidad.
c. Para las zonas residenciales con densidades menores a 200Hab/Ha, el diámetro mínimo corresponde a 75mm (3”).
Los hidrantes deben instalarse en tuberías con un diámetro mínimo de 75mm (3”) y a una distancia entre ellos de 300m. Cada hidrante debe llevar su propia válvula de pie para aislarlo de la red. Serán ubicados preferiblemente en las esquinas, en las intersecciones de dos calles y sobre la acera y deberán descargar como mínimo un caudal de 5lps. Se recomienda un radio de acción de los hidrantes de 500m y para el diseño de la red se recomienda un hidrante funcionando en uso simultáneo, por cada 25000 habitantes. En áreas comerciales, industriales o residenciales con una densidad superior a 200Hab/Ha, los hidrantes deben tener una capacidad mínima de 20 lps.
Figura 2. Esquema de un Hidrante.
Velocidad: Las velocidades presentes en cada uno de los tramos deben oscilar entre
0.3m/s y 2.5m/s, con el fin de evitar depósitos o sedimentos en la tubería y que se presenten grandes pérdidas.
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4 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO PLANTEADO
4.1 DESCRIPCIÓN
Se trata de un proyecto diseño de red de acueducto y su correspondiente tanque de almacenamiento según los parámetros definidos por el RAS 2000.
4.2 LOCALIZACIÓN
El área influencia del proyecto está delimitada por las Coordenadas, (847078.4875; 1640028.0737) superior derecho y (845849.0552; 1639269.8718) inferior izquierdo, correspondiente a la zona sur-occidental de la ciudad de Cartagena de Indias. El proyecto abarca un área aproximada de 71 Ha.
4.3 CARACTERÍSTICAS DE LA POBLACIÓN
4.3.1 DENSIDAD Y ESTRATIFICACIÓN:
El Plan de Ordenamiento Territorial ha definido las densidades de población en las manzanas de la zona de estudio con un valor de 275hab/Ha correspondiente a estrato 6.
5 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO ESTIPULADO POR RAS 2000
5.1 PASO 1 - Definición del nivel de complejidad del sistema
(RAS2000 B.1.3.1)
Debe definirse el nivel de complejidad del sistema, según se establece en el capítulo A.3 del RAS 2000 para cada uno de los componentes del sistema.
TABLA A.3.1 .ASIGNACIÓN DEL NIVEL DE COMPLEJIDAD
Nivel de complejidad Población en la zona urbana (habitantes)
Capacidad económica de los usuarios
Bajo < 2500 Baja Medio 2501 a 12500 Baja Medio Alto 12501 a 60000 Media
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5.2 PASO 8 - Diseño y requerimientos técnicos (RAS2000 B.1.3.8)
El diseño de cualquier componente de un sistema de acueducto debe cumplir con los requisitos mínimos establecidos en el presente Título, según los literales establecidos en la tabla B.1.1. El diseño de cualquier sistema de acueducto debe someterse a una evaluación socioeconómica y estar sujeto a un plan de construcción, operación, mantenimiento y expansión de costo mínimo, siguiendo lo establecido en el capítulo A.8 del RAS 2000.
5.2.1 Estudios previos (RAS2000 B.7.2.1)
5.2.1.1 Concepción del proyecto (RAS2000 B.7.2.1)
Durante la concepción del proyecto deben definirse criterios técnicos y económicos que permitan comparar todas las alternativas posibles para la red de distribución del municipio, a partir de los datos de campo, geológicos, urbanísticos, demográficos (poniendo énfasis especial en los casos de etnias minoritarias) y de consumo de la población que se va a abastecer. Los sistemas de distribución de agua potable deben cumplir con los siguientes requisitos principales:
1. Suministrar agua potable a todos los usuarios en la cantidad y calidad necesarias y exigidas por este código.
2. Proveer suficiente agua para combatir incendios en cualquier punto del sistema. 3. Proveer agua para otros tipos de uso, tales como fuentes, servicios públicos etc.
La concepción del proyecto de la red de distribución debe incluir, entre otras, las siguientes actividades:
a. Definición de los caudales para el dimensionamiento de la red de distribución. b. Delimitación del perímetro sanitario, perímetro de servicio o del área total. c. Delimitación clara de las zonas de presión.
d. Fijación de las capacidades de los tanques de distribución y compensación localizados dentro de la red de distribución.
e. Análisis del sistema de distribución existente, con el objetivo de aprovechar eficientemente las tuberías existentes.
f. Trazado de los conductos principales y secundarios de la red.
g. Dimensionamiento de cada uno de las tuberías de la red. En caso de que se trate de una ampliación debe establecerse claramente cuáles de los tubos existentes deben ser redimensionados y cambiados.
h. Localización y dimensionamiento de los equipos y accesorios destinados al funcionamiento y la operación del sistema de distribución de agua potable.
11 i. Definición de las etapas de ejecución del sistema de distribución de agua potable. j. Especificación de las obras, los materiales y los equipos que conforman la red de
distribución.
k. Estimación de los costos de diseño de construcción del sistema de distribución.
5.2.1.2 Rango de población (RAS2000 B.7.2.2)
Para estimar el rango de la población por abastecer mediante la red de distribución de agua potable, debe tenerse en cuenta todo lo establecido en el capítulo B.2 - POBLACIÓN, DOTACIÓN Y DEMANDA, del título B del RAS 2000. En especial debe tenerse en cuenta lo establecido en los literales B.2.2 y B.2.7.
5.2.1.3 Estudios de demanda (RAS2000 B.7.2.5)
El diseñador debe conocer el estudio de la demanda de agua para el municipio por abastecer, o en su defecto debe realizar este estudio, siguiendo lo establecido en el literal B.2, POBLACIÖN, DOTACIÖN y DEMANDA, del título B del RAS 2000
5.2.1.4 Aspectos generales de la zona por abastecer (RAS2000 B.7.2.7)
Deben conocerse todos los aspectos generales de la zona que va a ser abastecida por la red de distribución. En general, deben conocerse los regímenes de propiedad y los usos generales de la zona, así como los requerimientos básicos y usos del agua que va a ser suministrada. En particular, debe quedar plenamente establecido cuales son los terrenos de propiedad del estado, del departamento o del municipio.
Con el fin de establecer concretamente los aspectos generales de la zona donde va a localizarse la red de distribución objeto de diseño, construcción o ampliación, debe conocerse el levantamiento topográfico planialtimétrico del municipio y de sus áreas de expansión, en el que figuren:
El perímetro urbano.
Distribución espacial de la población y de la demanda.
Las calles aprobadas existentes y las aprobadas por la oficina de planeación municipal.
Plan de expansión vial.
Las áreas de expansión futuras, previstas en el plan de desarrollo del municipio.
Las áreas cuyo desarrollo futuro es evidente.
La indicación del número de edificios en cada manzana del municipio.
Las áreas en donde el desarrollo urbano se encuentre prohibido.
Las vías de ferrocarril y carreteras intermunicipales existentes y proyectadas.
Los cursos de agua con sus obras de canalización, tanto las existentes como las proyectadas.
12 Además, deben conocerse los planos de urbanización y los tipos de pavimento en uso y previstos, así como el levantamiento minucioso de todas las partes del sistema de distribución existente, debidamente localizadas en planos topográficos.
Además, debe conocerse la localización de otras redes de distribución de diferentes servicios públicos, tales como alcantarillados, redes de distribución de gas domiciliario, redes de teléfono y redes de energía.
5.2.1.5 Estudios topográficos (RAS2000 B.7.2.8)
El diseñador debe recopilar la siguiente información topográfica
Planos aerofotogramétricos del municipio donde va a diseñarse, construirse o ampliarse la red de distribución.
Planos de catastro de instalaciones de sistemas de infraestructura, tales como energía, teléfonos, alcantarillados de aguas lluvias, alcantarillados de aguas negras y otras obras de infraestructura. En caso de que existan, a nivel del pre – diseño y del diseño de las redes de distribución deben utilizarse los planos del Instituto Geográfico Agustín Codazzi (IGAC), a escala 1: 2000
Fotografías aéreas existentes para el municipio, que incluyan la zona donde va a diseñarse, construirse o ampliarse la red de distribución de agua potable.
Los planos de catastro o inventario de redes existentes que tengan relación con la red que va a diseñarse, construirse o ampliarse.
5.2.1.6 Recomendaciones sobre el trazado de la red de distribución (RAS2000
B.7.2.11)
Para el trazado de la red de distribución deben tenerse en cuenta las siguientes recomendaciones :
1. Las tuberías de la red matriz deben ubicarse cerca de los grandes consumidores y de las áreas de mayores consumos específicos buscando, además, optimizar las longitudes de las tuberías. 2. Deben analizarse las redes menores existentes evaluando sus necesidades de refuerzo y ubicar
en las redes matrices los nodos de caudal y presión necesarios y futuras interconexiones. 3. Debe evitarse ubicar las tuberías en calles que ya tengan implantadas tuberías de acueducto
de diámetros mayores.
4. Deben utilizarse al máximo las áreas públicas evitando adquisiciones o expropiaciones de terrenos particulares.
5. Para tuberías nuevas con diámetros mayores a 300 mm (12 pulgadas), deben evitarse vías públicas con tráfico intenso y con dificultad de manejo de tráfico durante la ejecución de las obras.
13 6. Deben evitarse interferencias principalmente con estructuras mayores u otros servicios, y
aquellas cuya relocalización sea costosa o presente dificultades técnicas importantes.
7. Deben evitarse rutas junto a quebradas o cañadas en donde normalmente existe concentración de servicios de aguas lluvias y alcantarillado, así como la ocurrencia de suelos aluviales y nivel freático elevado.
8. Deben buscarse rutas con topografía suave, evitando piezas especiales y accesorios. 9. Deben minimizarse los desvíos e interrupciones del tráfico durante la ejecución de la obra. 10. Debe disminuirse la cantidad de rotura y la reconstrucción de pavimentos, seleccionando
hasta donde sea posible zonas verdes y sin pavimentar.
11. En todos los casos la localización de las redes matrices nuevas dependerá esencialmente de las tuberías matrices existentes, tratando de aprovechar al máximo la prolongación de ellas y la integración de las mismas.
12. Deben disponerse las tuberías de mayor diámetro formando una red enmallada sin puntos aislados teniendo en cuenta los sistemas separados para control de presión y la zonificación de las áreas de consumo.
13. Debe hacerse un análisis de los servicios existentes en la zona y una consulta con las diferentes entidades públicas, con el fin de localizar los servicios existentes o proyectados para reducir al mínimo las interferencias durante el período de construcción.
Además de lo anterior, deben seguirse las siguientes recomendaciones: 1. Las áreas de mayor consumo deben servirse de los conductos principales.
2. Las áreas de menor consumo deben servirse de los conductos secundarios, formando en lo posible redes enmalladas.
3. Se aceptan tramos secundarios abiertos siempre y cuando terminen en conexiones domiciliarias o en tapones provistos de válvula de purga, que sirvan para la limpieza de la tubería o para expansiones futuras del sistema.
4. No deben proyectarse redes de distribución en las zonas de población dentro del perímetro urbano cuya densidad sea menor que 30 habitantes por hectárea, a menos que sean identificadas y justificadas como zonas de desarrollo urbano, con base en la tendencia de crecimiento de la vivienda del municipio o en planes masivos dentro del perímetro urbano, y que su costo no encarezca desproporcionadamente el sistema en razón de sus características y ubicación.
5. No deben proyectarse redes de distribución en aquellas zonas que sean inundables periódicamente por el mar o por las crecientes de ríos, salvo cuando sea imprescindible ubicar algún conducto principal por zonas de tales características.
14 El área por abastecer debe contener la población de proyecto y las áreas industriales y comerciales presentes y resultantes de la expansión futura. En caso de que en el municipio no exista un plan de desarrollo, deben considerarse como áreas de expansión aquellas que presenten un desenvolvimiento promisorio relacionado con factores que estimulen el crecimiento de la región. El área por abastecer debe ser definida mediante la interrelación con carreteras calles, ríos y otros accidentes geográficos y debe ser demarcada en planos espacialmente reservados para esa finalidad, cuya escala permita mostrar las características geométricas del municipio y los accidentes geográficos utilizados para la demarcación.
Para los niveles medio alto y alto de complejidad, en el caso de redes para urbanizaciones, debe observarse adicionalmente los siguientes requisitos:
1. Todo proyecto de urbanizaciones debe cumplir con lo dispuesto en el decreto 951 del 4 de mayo de 1989, del Departamento Nacional de Planeación o el que lo reemplace, el cual establece el reglamento general (ley 142/94 título VIII), o la que la reemplace, para la prestación de los servicios de acueducto y alcantarillado en todo el territorio nacional.
2. El constructor debe empatar la red de la urbanización a las redes oficiales en el diámetro aprobado por la empresa prestadora del servicio municipal. La extensión sólo debe hacerse por vías o fajas públicas.
3. En las urbanizaciones no se considera como red asociada a la red del municipio las tuberías de acueducto de diámetro inferior a 50 mm (2 pulgadas). Por lo tanto, el urbanizador debe construir la red proyectada cuando existan tuberías de acueducto con diámetro inferior a 50 mm (2 pulgadas).
4. En ningún caso el constructor puede operar las válvulas de las redes que ya tengan servicio, incluidas las de la urbanización misma.
5.2.2 Condiciones generales (RAS2000 B.7.2.1) 5.2.3 Parámetros de diseño (RAS2000 B.7.2.1)
Para el diseño de sistemas de acueducto se definen los parámetros de diseño que proporciona el RAS 2000 a fin de garantizar y cumplir con la normatividad vigente.
4.1 NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA
15 Son los valores de consumo per cápita de acuerdo a los niveles de complejidad del proyecto.
TABLA B.2.2 DOTACIÓN NETA SEGÚN EL NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA
NIVEL DE COMPLEJIDAD DEL SISTEMA
DOTACIÓN NETA MÍNIMA (L/HAB·DÍA )
DOTACIÓN NETA MÁXIMA (L/HAB·DÍA)
Bajo 100 150
Medio 120 175
Medio alto 130 -
Alto 150 -
Para efectuar los cálculos de los caudales de diseño se aplica la siguiente tabla, donde se definen los rangos de consumo según el POT para cada estrato socioeconómico.
ESTRATO SOCIOECONÓMICO RANGO DE CONSUMOS LTS/HAB/DIA
1 100 – 130 2 130 – 150 3 150 – 180 4 180 – 220 5 220 – 280 6 280 – 350
4.4 CAUDAL MEDIO DIARIO
El caudal medio diario, Qmd, es el caudal medio calculado para la población proyectada, teniendo en cuenta la dotación bruta asignada. Corresponde al promedio de los consumos diarios en un período de un año y puede calcularse mediante la siguiente ecuación:
4.5 CAUDAL MÁXIMO DIARIO
El caudal máximo diario, QMD, corresponde al consumo máximo registrado durante 24 horas durante un período de un año. Se calcula multiplicando el caudal medio diario por el coeficiente de consumo máximo diario, k1. (Véase TABLA B.2.5)
El caudal máximo diario se calcula mediante la siguiente ecuación: QMD = Qmd k1
TABLA B.2.5. Coeficiente de consumo máximo diario, k1, según el Nivel de Complejidad del Sistema
Q
p d
86400
md bruta
16
Nivel de complejidad del sistema Coeficiente de consumo máximo diario - k1
Bajo 1.30
Medio 1.30
Medio alto 1.20
Alto 1.20
4.6 Caudal máximo horario
El caudal máximo horario, QMH, corresponde al consumo máximo registrado durante una hora en un período de un año sin tener en cuenta el caudal de incendio. Se calcula como el caudal máximo diario multiplicado por el coeficiente de consumo máximo horario, k2, (véase B.2.7.5) según la siguiente ecuación
QMH =QMD·k2
TABLA B.2.6 Coeficiente de consumo máximo horario, K2, SEGÚN el Nivel de Complejidad del
Sistema y el tipo de red de distribución.
Nivel de complejidad del sistema
Red menor de distribución
Red secundaria Red matriz
Bajo 1.60 - -
Medio 1.60 1.50 -
Medio alto 1.50 1.45 1.40
Alto 1.50 1.45 1.40
4.7. CÁLCULO DE CAUDALES POR NODO
La determinación de caudales de consumo para cada uno de los nodos de la red debe efectuarse por el método de las áreas o por el método de la repartición media. En el caso de redes simétricas y más o menos uniformes, también puede utilizarse el método de la longitud abastecida.
4.7.1 Método de las áreas
En este método se determinan las áreas de influencia correspondientes a cada uno de los nodos de la red, para luego aplicar el caudal específico unitario (l/s/ha) determinado para cada tipo de área de abastecimiento y correspondiente al año horizonte del proyecto.
Qi = Ai · Qe (B.7.1)
4.8 HIDRANTES
Los hidrantes deben instalarse en tuberías con un diámetro mínimo de 75 mm (3 pulgadas) y a una distancia máxima entre ellos de 300 m. Cada hidrante llevará su propia válvula para aislarlo de la
17 red. Se ubicarán de preferencia en las esquinas, en las intersecciones de dos calles y sobre la acera, para un mejor acceso.
En áreas comerciales, industriales o residenciales con una densidad superior a 200 habitantes por hectárea, los hidrantes deben tener una capacidad mínima de 20 L/s. Para el área restante del municipio la capacidad mínima debe ser de 5 L/s.
4.9 PRESIONES MÍNIMAS
4.9.1 Presiones mínimas en la red
La presión mínima en la red depende del nivel de complejidad del sistema, tal como se especifica a continuación:
TABLA B.7.4 Presiones mínimas en la red de distribución
NIVEL DE COMPLEJIDAD PRESIÓN MÍNIMA (KPa) PRESIÓN MÍNIMA (METROS) BAJO 98.1 10 MEDIO 98.1 10 MEDIO ALTO 147.2 15 ALTO 147.2 15
4.10 Diámetros de las tuberías en la red de distribución 4.10.1 Diámetros internos mínimos en la red matriz
Para aquellos casos de los niveles bajo y medio de complejidad en los cuales exista una red matriz y para los niveles medio alto y alto de complejidad, los diámetros mínimos para la red matriz se describen en la TABLA B.7.5
TABLA B.7.5 Diámetros mínimos de la red matriz
NIVEL DE COMPLEJIDAD Diámetro mínimo
BAJO 64 mm (2.5 pulgadas) MEDIO 100 mm (4 pulgadas) MEDIO ALTO 150 mm (6 pulgadas)
ALTO 300 mm (12 pulgadas) o más según diseño
4.10.2 Diámetros internos mínimos en las redes menores de distribución
El valor del diámetro mínimo de las redes menores de distribución depende del nivel de complejidad del sistema y del uso del agua, tal como se muestra en la TABLA B.7.6
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TABLA B.7.6 Diámetros mínimos de la red menor de distribución
NIVEL DE COMPLEJIDAD DIÁMETRO MÍNIMO
Bajo 38.1 mm (1.5 pulgadas) Medio 50.0 mm (2.0 pulgadas)
Medio alto 100 mm (4 pulgadas). Zona comercial e industrial 63.5 mm (2 ½ pulgadas) Zona residencial
Alto 150 mm (6 pulgadas) Zona comercial e industrial 75 mm (3 pulgadas) Zona residencial
4.10.3 Diámetros comunes comerciales para la red de distribución
En la TABLA B.7.7 se establecen los
diámetros que pueden ser utilizados para el
diseño y/o la construcción de una red
de distribución.
TABLA B.7.7 Diámetros comunes comerciales
para las tuberías de una red de distribución
5. PROCEDIMIENTO DEL DISEÑO
5.1 DEFINICIÓN DEL NIVEL DE
COMPLEJIDAD: El nivel de complejidad se
define de acuerdo a la capacidad económica de
los consumidores y al número de habitantes.
La zona de estudio se encuentra en la ciudad
de Cartagena de indias la cual es una población de más de 60000 habitantes en su zona urbana, por tanto, de acuerdo con la TABLA A.3.1 del RAS 2000 (reseñada en el numeral 4.1 de este documento) se fija el nivel de complejidad para este proyecto como ALTO.
5.2 DEFINICIÓN del periodo de diseño: Al tratarse de un proyecto con nivel de complejidad Alto se
fija el periodo de diseño a 30 años, de acuerdo a la TABLA B.2.2 del RAS 2000 (reseñada en el numeral 4.2.1 de este documento).
MILÍMETROS PULGADAS 38.1 1.5 50.0 2 63.5 2.5 75.0 3 100 4 150 6 200 8 250 10 300 12 350 14 400 16 450 18 500 20 550 22 600 24 675 27 700 28 750 30 900 36 1000 40 1050 42 1200 48 1500 60
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5.3 DEFINICIÓN de la dotación NETA MÍNIMA: El POT define rango de consumos según la
estratificación socio-económica como se muestra en el numeral 4.3. De acuerdo a ello se tiene una dotación de 350 lts/hab/día
5.4 determinación del número de habitantes: Se calcula el número de habitantes por manzana de
la zona de influencia del proyecto a partir de su densidad y su área (población = densidad*área).
Manzana Nº Área (m2) Área (Ha) Población 1 4724,594 0,472 130 2 3012,894 0,301 83 3 3078,820 0,308 85 4 3166,726 0,317 87 5 3740,602 0,374 103 6 1767,360 0,177 49 7 1819,364 0,182 50 8 1783,152 0,178 49 9 4392,352 0,439 121 10 2847,278 0,285 78 11 3153,246 0,315 87 12 3364,732 0,336 93 13 3824,522 0,382 105 14 8234,554 0,823 226 15 3079,956 0,308 85 ∑ 70,28 19327
5.5 DETERMINACIÓN DE LOS CAUDALES: Se establece inicialmente el caudal medio horario y
posteriormente los caudales máximo diario y máximo horario. El RAS define las expresiones a emplear para el cálculo de estos caudales (como se reseña en los numerales 4.4, 4.5 y 4.6 de este documento). Al tratarse de una red segundaria de nivel de complejidad alto se toman los siguientes valores para los coeficientes de consumo de acuerdo a lo establecido por el RAS en las
TABLA B.2.5- B.2.6 respectivamente: Manzana Nº Qmd QMD QMH 1 0,526 0,632 0,884 2 0,336 0,403 0,564
20 3 0,343 0,412 0,576 4 0,353 0,423 0,593 5 0,417 0,500 0,700 6 0,197 0,236 0,331 7 0,203 0,243 0,340 8 0,199 0,238 0,334 9 0,489 0,587 0,822 10 0,317 0,381 0,533 11 0,351 0,422 0,590 12 0,375 0,450 0,630 13 0,426 0,511 0,716 14 0,917 1,101 1,541 15 0,343 0,412 0,576 ∑ 131,53
5.6 Repartición de caudales por nudo: Inicialmente se hace el trazado de la tubería que
abastecerá a la comunidad del área de influencia del proyecto, al tiempo que se establecen los nudos del sistema Posteriormente se distribuye el área que abastecerá cada nudo teniendo en cuenta lo estipulado por el RAS en el numeral B.7.4.9. Se selecciona como método de cálculo el de las áreas. Para el cálculo de los caudales por nudo se emplea la expresión B.7.1.
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23
CAUDALES DE DISEÑO POR NUDO
NUDO QMH 1 0,884 2 0,564 3 0,576 4 0,593 5 0,700 6 0,331 7 0,340 8 0,334 9 0,822 10 0,533 11 0,590 12 0,630 13 0,716 14 1,541 15 0,576 ∑ 131,53
5.7 DISEÑO DEL HIDRANTE: Se seleccionan los nudos 7, 106, 95, 232, 183 intersecciones en
esquinas cada 300 mts para la ubicación del hidrante, atendiendo la especificación del RAS en cuanto a que cada uno de estos elementos puede barrer como máximo un radio de 300 m, como se muestra en el numeral 4.8. Se le asigna un caudal de 15 lts/seg, cumpliendo con la capacidad mínima estipulada por el RAS. Por tanto el caudal correspondiente por ejemplo al nudo 7 pasa de 2.763 lts/seg a 17.763 lts/seg. La parte superior del hidrante debe pintarse de color rojo.
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5.8 DISEÑO DEL TANQUE DE ABASTECIMIENTO
El tanque de almacenamiento compensará las variaciones existentes de consumo, debe tener una capacidad tal que satisfaga las necesidades de la población, cuando se tenga la hora de máximo consumo, y suplir cualquier eventualidad que se presente. Los tanques cumplen tres funciones principales a saber:
Compensar las variaciones horarias de consumo.
Mantener las presiones de servicio en la red.
Mantener almacenada cierta cantidad de agua para atender situaciones de emergencia (incendios) e interrupciones (daños, mantenimiento).
5.8.1 CAUDAL DE DISEÑO
1. El tanque debe proveer el caudal máximo horario (QMH), teniendo en cuenta la variación del consumo que se entrega a la zona que está abasteciendo.
25 2. El tanque debe tener capacidad de compensar las variaciones entre el caudal de entrada
de las plantas de tratamiento y el caudal de consumo en cada instante.
3. Para definir el volumen del tanque deben tenerse en cuenta las siguientes disposiciones:
1. Debe hacerse un análisis por métodos gráficos o analíticos, con base en curvas de demanda de cada población o zona abastecida y del régimen previsto de alimentación de los tanques. El volumen que va a ser almacenado será igual al volumen calculado multiplicado por un factor de 1.2.
2. En el nivel bajo de complejidad, si no existen datos que describan las curvas de variación del consumo horario, el volumen almacenado será igual a 1/3 del volumen distribuido a la zona que va a ser abastecida en el día de máximo consumo, garantizando en todo momento las presiones adecuadas.
3. En los niveles medio y medio alto de complejidad, en caso de preverse discontinuidad en la alimentación al tanque, el volumen de almacenamiento debe ser igual o mayor que 1/3 del volumen distribuido a la zona que va a ser abastecida en el día de máximo consumo, más el producto del caudal medio diario (Qmd) por el tiempo en que la alimentación permanecerá inoperante.
4. Para el nivel alto de complejidad el volumen de regulación debe ser ¼ del volumen presentado en el día de máximo consumo.
5.8.3 CAPACIDAD DEL TANQUE
Compensación de las variaciones horarias: La capacidad requerida para compensar dichas variaciones en los consumos, estará basada en la curva representativa de las demandas durante las 24 horas del día y en la condición de conducción de agua al estanque, de forma tal que se produzca un equilibrio entre los caudales de llegada y salida que garanticen un servicio continuo y eficiente.
Reserva para emergencia por incendio: El volumen adicional para combatir incendios será el que resulte de considerar un incendio de duración entre 2 a 4 horas.
CURVA DE MODELACION
Horas Demanda Horaria Consumo por hora
0_1 0,45 59,81
1_2 0,48 63,80
2_3 0,55 73,10
26 4_5 0,85 112,98 5_6 0,95 126,27 6_7 1,00 132,91 7_8 0,95 126,27 8_9 0,85 112,98 9_10 0,75 99,69 10_11 0,65 86,39 11_12 0,60 79,75 12_13 0,75 99,69 13_14 0,85 112,98 14_15 0,80 106,33 15_16 0,70 93,04 16_17 0,65 86,39 17_18 0,63 83,74 18_19 0,68 90,38 19_20 0,65 86,39 20_21 0,55 73,10 21_22 0,50 66,46 22_23 0,47 62,47 23_24 0,46 61,14
A continuación se muestra una curva de modulación del acueducto, en función de la variación horaria del consumo.
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5.8.4 CALCULOS DEL VOLUMEN DEL TANQUE DE ABASTECIMIENTO
Para el cálculo del volumen del tanque se presenta la siguiente tabla de cálculos donde se muestra la variación del consumo durante el día.
Horas Abastecimiento Demanda Horaria Demanda Horaria Acumulada Diferencia Diferencia Acumulada 0_1 1 0,45 0,45 0,55 0,55 1_2 1 0,48 0,93 0,52 1,07 2_3 1 0,55 1,48 0,45 1,52 3_4 1 0,70 2,18 0,30 1,82 4_5 1 0,85 3,03 0,15 1,97 5_6 1 0,95 3,98 0,05 2,02 6_7 1 1,00 4,98 0,00 2,02 7_8 1 0,95 5,93 0,05 2,07 8_9 1 0,85 6,78 0,15 2,22 9_10 1 0,75 7,53 0,25 2,47 10_11 1 0,65 8,18 0,35 2,82 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 DEMA ND A HORAS
28 11_12 1 0,60 8,78 0,40 3,22 12_13 1 0,75 9,53 0,25 3,47 13_14 1 0,85 10,38 0,15 3,62 14_15 1 0,80 11,18 0,20 3,82 15_16 1 0,70 11,88 0,30 4,12 16_17 1 0,65 12,53 0,35 4,47 17_18 1 0,63 13,16 0,37 4,84 18_19 1 0,68 13,84 0,32 5,16 19_20 1 0,65 14,49 0,35 5,51 20_21 1 0,55 15,04 0,45 5,96 21_22 1 0,50 15,54 0,50 6,46 22_23 1 0,47 16,01 0,53 6,99 23_24 1 0,46 16,47 0,54 7,53 CURVA DE MODELACION 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 5 10 15 20 25 30 DI FERE NCI A A CU M. HORAS
29 El abastecimiento del tanque debe satisfacer la demanda de la población. Para calcular el volumen del tanque se hace la siguiente formulación:
⁄ ⁄
Para definir las dimensiones del tanque se asume una altura de tanque de 4 m. Para esta altura se procede a calcular los lados mediante la siguiente relación:
√
5.8.5 UBICACIÓN DEL TANQUE DE ABASTACIMIENTO
Dicha ubicación está determinada principalmente por la necesidad y conveniencia de mantener presiones en la red dentro de los límites de servicio establecidas por las normas, en los cuales la presión mínima es de 15 mca y la máxima de 60 mca; sin embargo, parece más conveniente basar la presión mínima acorde con el número de pisos de las edificaciones, empleando la expresión: P= 1.2 (3N+6), en donde:
P: Presión en metros
N: Número de pisos de la edificación
Considerando que la zona en estudio tiene un predominio de construcciones de 2 pisos, se obtiene entonces:
P= 1.2 (3x2+6) =14.4 m = 15 m.
Dado que la cota a la que se encuentra el tanque es elevada (32 m) y después de hacer la simulación de la red con EPANET, las presiones mínimas en los nudos cumplen con la normatividad dada por el RAS 2000 (para el nivel de complejidad alto corresponde a 15 mca), esto permite no elevar considerablemente el tanque, la altura de simulación es de 28m.
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5.9 modelación del SISTEMA: Se empeló el software EPANET 2.0 (U.S. Environmental Protection
Agency) para evaluar el comportamiento del sistema de distribución a diseñar. Los datos introducidos al programa fueron:
5.9.1 DATOS INICIALES
5.9.1.1 Determinación de los caudales de diseño: Al tratase de una red de distribución se
selecciona el caudal máximo horario como caudal de diseño. Para los nudos donde se ubicó el hidrante se tendrá en cuenta un caudal extra correspondiente al requerimiento del hidrante.
5.9.1.2 DETERMINACIÓN DE LA COTA CLAVE: Conociendo la cota natural del terreno (cota negra)
se calcula la cota clave. La tubería se ubicará a una profundidad de 1.2 metros, por tanto:
5.9.1.3 SELECCIÓN DEL MATERIAL: Para la red de distribución se empleará tuberías de PVC, para el
cual corresponde un coeficiente de fricción de 150.
5.9.1.4 SELECCIÓN DEL DIÁMETRO: Se tendrá en cuenta la especificación del RAS en cuanto a los
diámetros mínimos permitidos según el nivel de complejidad. Para este proyecto se toma como mínimo valor para el diámetro 75 mm.
Datos iniciales por nudo
Los nudos en los cuales no existe demanda base es por que son accesorios de unión como tees o codos.
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32
Longitud de tramos Diámetros de tuberías
5.9.2 Verificación de las presiones en los nudos: El RAS establece 15 mca como presión mínima
para un sistema de nivel de complejidad alto, como se reseña en la TABLA B.7.4. De acuerdo a ello se comparan los resultados arrojados por el software, observando que para los diámetros seleccionados se cumple con este requerimiento en todos los nudos del sistema.
Presiones en los nudos
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5.9.3 Verificación de las velocidades en cada TRAMO
La verificación de las velocidades en los tramos del sistema es necesaria para el control de la posible sedimentación. Se tiene como valor mínimo permitido para ello a 0.3 m/s. Sin embargo al analizar los valores arrojados por el software se nota que no en todos los tramos se cumple con este requerimiento, por tanto en su operación y mantenimiento se debe prestar atención a una posible sedimentación para no generar traumatismo en la prestación del servicio y poder garantizar la presión mínima establecida por el RAS.
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36
38 Ø250mm PVC Ø250mm PVC Ø250mm PVC Ø200mm PVC Ø200mm PVC
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Para el diseño óptimo de un sistema de suministro de agua potable es necesario adaptar las características de la población a abastecer a los valores de caudal utilizados en el diseño afectando por tanto las características físicas del sistema.
El diseño de sistemas de abastecimiento de agua potable debe regirse por los parámetros registrados en el RAS 2000, documento que establece las condiciones mínimas y especificaciones de todos los elementos del sistema.
Se concluye que el funcionamiento de la red de distribución esta condicionado por la presión en los nudos y las velocidades en las tuberías, parámetros que garantizan la prestación del servicio con la calidad deseada.
BIBLIOGRAFIA
