ANEJO nº 10. RED DE AGUA POTABLE E HIDRANTES CONTRA

itrae desarrollos urbanísticos S.L.
ANEJO nº 10. RED DE AGUA POTABLE
E HIDRANTES CONTRA INCENDIOS.
1. Introducción.
2. Características de la red de agua potable.
2.1.
Trazado.
2.2.
Instalación – Obra civil.
2.3.
Protección de las conducciones.
2.4.
Materiales.
2.5.
Pruebas de presión y estanqueidad en tuberías.
3. Dotaciones.
3.1.
Consumo residencial
3.2.
Consumo en el equipamiento escolar.
3.3.
Dotación necesaria para los hidrantes.
3.4.
Resumen de consumos estimados.
4. Puntos de conexión de la red existente.
5. Cálculos hidráulicos
5.1.
Introducción.
5.2.
Formulación de las instalaciones hidráulicas.
5.3.
Modelización de la red.
5.4.
Resultados.
Anejo nº 10. Red de agua potable e hidrantes contra incendio.
Proyecto de Urbanización del Sector Industrial Sur en Turís (Valencia).
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1. INTRODUCCIÓN.
El objeto del presente Anejo es definir y justificar los materiales, diámetros,
elementos y piezas especiales de la infraestructura de suministro de agua potable e
hidrantes contra incendio de la nueva Urbanización denominada Sector INDUSTRIAL
SUR en Turís (Valencia). Asimismo, se justificará la elección de los puntos de
suministro de la nueva red.
2. CARACTERÍSTICAS DE LA RED DE AGUA POTABLE.
La red de agua potable adoptada para la nueva urbanización, va a ser una red
única de suministro que abastece con el mismo tipo de agua a todos los servicios que
se dan en la zona (suministro a industrias, usos terciarios, equipamiento público, y
extinción de incendios) debido fundamentalmente al menor costo y simplicidad técnica
y de mantenimiento. Se describen a continuación las características más importantes
de la red de abastecimiento de agua potable.
2.1.- Trazado.
Como criterio general, la red de agua potable se diseña de forma mallada,
formando circuitos cerrados, de forma que cada ramal pueda abastecerse por más de
un punto, y no existan puntas de red donde haya poca circulación de agua. El tipo de
red mallada tiene algunas ventajas respecto a la ramificada:
Seguridad en el suministro en caso de roturas o cortes del servicio, si han sido
convenientemente dimensionadas para estas eventualidades y si se han dispuesto
las válvulas de seccionamiento adecuadas para aislar los tramos afectados.
Se reducen los problemas sanitarios, pues no se producen estancamientos de
larga duración al circular el agua, en mayor o menor medida, por todas las
tuberías.
Menores pérdidas de carga en la red, lo que se traduce en alturas piezométricas y
consecuentemente, presiones más equilibradas. Los abonados disponen de
presiones semejantes en sus acometidas. Para lograr esto en redes ramificadas
tendríamos que acudir a sistemas sobredimensionados, con lo que la ventaja
económica desaparecería.
Además, la red dispondrá de mecanismos adecuados que permitan su cierre
por sectores (válvulas), con objeto de poder aislar áreas ante situaciones anómalas y
minimizar los usuarios afectados por los cortes.
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Las tuberías se instalarán siempre por vía pública, preferentemente bajo la
acera, en zanja de dimensiones adecuadas. En caso de que discurra por la calzada,
se protegerá adecuadamente según las secciones grafiadas en planos.
2.2.- Instalación – Obra civil.
La red de agua potable se instalará bajo zanja, excavada en el terreno. Las
dimensiones de las zanjas cumplirán las normas UNE para instalación de tuberías de
agua potable. Como mínimo:
La profundidad de la zanja será tal que la generatriz superior de la tubería quede a
ochenta centímetros (80 cm) de la rasante el terreno en las calzadas, y a sesenta
centímetros (60 cm) bajo la rasante en caso de que se instale bajo las aceras.
La anchura mínima será igual al diámetro exterior de la tubería aumentado en 30
cm, en caso de discurrir bajo las aceras, e igual al diámetro exterior de la tubería
de protección aumentado en 50 cm, en caso de discurrir en calzadas.
Las zanjas pueden abrirse a mano o mecánicamente y su trazado deberá ser
correcto, perfectamente alineadas en planta y con la rasante uniforme. Las paredes
serán inclinadas en función de la cohesión del terreno, además se tomarán todas las
medidas necesarias para evitar su desmoronamiento. Las irregularidades del fondo de
la zanja serán reparadas por medio de tierra mojada y compactada.
La tubería se envuelve en arena (lecho de arena de 10 cm por debajo de la
generatriz inferior de la tubería y 15 cm por encima de la generatriz superior).
Tras la instalación y prueba de la tubería, se procederá al relleno de la zanja,
se rellenará el resto de la zanja con material procedente de la excavación siempre que
cumpla como material adecuado o seleccionado según el PG-3. Este relleno se
efectuara por capas de 20 cm. de espesor regadas y compactadas. De los ensayos de
compactación tendrá que obtenerse, en sus distintas capas, una densidad del 95% del
Proctor Modificado.
2.3.- Protección de las conducciones.
En todos los cruces de calzada se protegerá la tubería para conducción de
agua, así como se procederá a la sujeción y apoyo de los codos, cambios de
dirección, reducciones, piezas de derivación y en general todos los elementos
sometidos a acciones que puedan generar desviaciones.
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Cruce de calzada
En todos los cruces de calzada, se protegerá la tubería para conducción de
agua, instalándola en el interior de un tubo de hormigón.
Los tubos de hormigón estarán adosados en línea en toda la longitud del cruce,
previamente el fondo de la zanja recibirá 10 cm de hormigón de 150 kg/cm2, luego se
recubrirán los tubos de hormigón con hormigón de la misma resistencia hasta 20 cm
por encima de la generatriz superior del tubo. Los tubos de hormigón se retacarán con
arena para evitar las vibraciones de la tubería de conducción de agua dentro del tubo
de hormigón.
Sujeción y apoyo en codos, derivaciones y otras piezas
Una vez montados los tubos y las piezas, se procederá a la sujeción y apoyo
de los codos, cambios de dirección, reducciones, piezas de derivación y en general
todos aquellos elementos que estén sometidos a acciones que puedan originar
desviaciones perjudiciales.
Según la importancia de los empujes, estos apoyos o sujeciones serán de
hormigón o metálicos, establecidos sobre terrenos de resistencia suficiente y con el
desarrollo preciso para evitar que puedan ser movidos por los esfuerzos soportados.
Los apoyos, salvo prescripción expresa contraria, deberán ser colocados en
forma tal que las juntas de las tuberías y de los accesorios sean accesibles para su
reparación.
Las barras de acero o abrazaderas metálicas que se utilicen para anclaje de la
tubería deberán ser galvanizadas o sometidas a otro tratamiento contra la oxidación,
incluso pintándolas adecuadamente o embebiéndolas en hormigón.
Para estas sujeciones y apoyos se prohíbe el empleo de cuñas de piedra o de
madera que puedan desplazarse.
Cuando las pendientes sean excesivamente fuertes o puedan producirse
deslizamientos, se efectuarán los anclajes precisos de las tuberías mediante hormigón
armado o abrazaderas metálicas o bloques de hormigón suficientemente cimentados
en terreno firme.
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2.4.- Materiales.
Tuberías de distribución
Serán de aplicación las normas contenidas en el Pliego de Prescripciones
Técnicas Generales para Tuberías de Abastecimiento de Aguas del Ministerio de
Obras Públicas y Urbanismo. Así como las normas ISO sobre tubos, accesorios y
piezas especiales de polietileno para canalizaciones con presión. Las tuberías serán
aptas para uso alimentario, con registro sanitario.
En este Proyecto, se utilizarán tuberías de Polietileno de Alta Densidad
(PEAD), con diámetros comprendidos entre los 90 mm y 200 mm. La Presión Nominal
de las tuberías será de 16 atmósferas.
Todos los tubos, uniones y piezas se protegerán con revestimientos tanto en el
interior como en el exterior, salvo especificación en contrario. Antes de iniciar su
protección, los tubos y piezas se deberán limpiar cuidadosamente quitando toda traza
de óxido, arenas, escorias, etcétera.
El revestimiento deberá secar rápidamente sin escamarse ni exfoliarse, estará
bien adherido y no se agrietará. No deberá contener ningún elemento soluble en el
agua ni productos que puedan proporcionar sabor ni olor al agua que conduzcan,
habida cuenta incluso de su posible tratamiento.
Válvulas de compuerta
Las válvulas de cualquier diámetro empleadas como llaves de paso, serán del
tipo compuerta. Estas válvulas deben reunir las siguientes características principales,
además de las especificaciones que concretan las normas ISO 7259, 5201 y 1083-76.
Montaje entre bridas según normas DIN, PN-6.
Hermeticidad total mediante cierre elástico.
Cuerpo de Fundición GG-22, liso, tanto en el fondo como los laterales sin
asientos de cierre.
La cuña o palete de cierre, será de fundición GG-22, revestida de gruesa capa
de goma de Neopreno - Butilo, vulcanizada directamente sobre el mismo,
guiada en todo su recorrido por medio de dos guías de forma que no reduzcan
la sección libre de paso integral.
La cúpula y tapa serán de fundición GG-22, con alojamiento para anillos toricos
de Nitrilo.
El husillo será de acero inoxidable, con rosca laminada trapezoidal, de un solo
filete, con giro de cierre a derecha y tuerca del mismo en bronce.
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La tornillería será zincada y todas las superficies de la válvula presentarse
protegidas contra la corrosión por inmersión en una pintura base y libre fenoles
y plomo. Para su maniobrabilidad, el husillo terminará en cuadradillo para ser
manipulado con llave de fontanero, y su apertura y cierre muy lentos, de tal
modo, que quede eliminada cualquier posibilidad de golpe de ariete.
Ventosas
Se disponen en los puntos altos de la red para evacuar el aire de las
conducciones y de manera esporádica dejar entrar el mismo. Deben reunir las
siguientes características, además de cumplir también las especificaciones que
concretan las normas ISO 7259, 5201 y 1083 - 76:
La evacuación de aire durante el proceso de llenado de la canalización.
La desgasificación permanente, durante el período de funcionamiento, para
eliminar las bolsas de aire que aparecen en los puntos altos de la canalización.
La admisión de un gran caudal de aire, en el momento del vaciado de la
canalización, permitiendo que dicha operación se realice en perfectas
condiciones y de esta manera, evitar las presiones negativas en la tubería.
Estarán constituidas por:
Un cuerpo de fundición dúctil dotado en su base de una brida normalizada.
Dos flotadores esféricos con alma de acero y revestidos de elastómero, estos
flotadores se desplazarán verticalmente entre los nervios guía del cuerpo.
Una válvula interior de aislamiento con obturador de elastómero, para permitir
el mantenimiento del aparato, maniobrable desde el exterior de forma manual.
Un purgador de control.
Una tapa de fundición con dos orificios en la parte superior.
Uno de estos orificios permitirá la evacuación o la admisión de aire con un gran
caudal. Este orificio estará protegido por una pequeña cazoleta que llevará en
su periferia una rejilla, con el fin de impedir la introducción de cuerpos extraños.
El otro orificio llevará una tobera calibrada que asegure la desgasificación
durante el período de funcionamiento.
Hidrantes
Se trata de puntos donde se toma agua en caso de incendios para sofocarlos.
Suelen estar instalados bajo el suelo de modo que no obstaculicen el paso de
vehículos o peatones. Se instalarán fabricados en fundición de hierro. Formados por
dos partes, válvula más carcasa, unidas mediante tornillos, de forma que permita una
fácil instalación y adaptación a posibles desniveles. Salidas homologadas por los
Servicios de Extinción de Incendios.
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Los hidrantes serán de hierro fundido, de entrada (DN) de 100 mm y salida de
70 mm, con racor tipo bombero, según norma UNE 23-407, certificado por AENOR,
presión nominal de 16 atmósferas. Cualquiera que sea su clase, deberán estar
provistos de un sistema de acoplamiento rápido al elemento móvil y de la válvula. Se
protegerá con arqueta.
Acometidas
No se dejarán acometidas a parcelas en el marco de este Proyecto de obras de
urbanización. La entidad gestora (EGEVASA) las ejecutará según se realicen las
peticiones de suministro, para asegurar el servicio en el punto concreto de la fachada
de cada parcela.
Arquetas
La valvulería se instalará en una arqueta de ladrillo cuadrada de 40 cm y
enfoscada interiormente. Las arquetas se limpiarán de piedras u objetos sueltos. Las
paredes de las arquetas no deberán apoyar en la tubería.
Las tapas de las arquetas serán de fundición. Además, la fundición se emplea
también para la fabricación de uniones en los conductos, juntas, piezas especiales y
cualquier otro accesorio será gris, de segunda fusión, ajustándose a la norma UNE
36.111, calidades F-1-0.20 ó F-1-0.25 y presentará en su fractura un grano fino,
regular, homogéneo y compacto. Deberá ser dulce, tenaz y dura, sin perjuicio de
poderse trabajar en ella como lima y buril, admitiendo ser cortada y taladrada
fácilmente. En su moldeo no presentará poros, oquedades, gotas frías, grietas,
sopladuras, manchas, pelos y otros defectos debidos a impurezas que perjudiquen a la
resistencia o a la continuidad del material y el buen aspecto de la superficie del
producto obtenido.
La superficie exterior de las tapas de las arquetas de registro tendrán un dibujo
de profundidad 4 mm, e irá reforzada en el interior con nervios de refuerzo. Estará
provista de taladros para su levantamiento. Llevará impreso "Abastecimiento de agua".
Desagües.
Se colocan en los puntos bajos de la red, distribuidos cada 2 ó 3 manzanas, y
sirven para vaciar completamente la red en caso de avería, limpieza, desinfección, etc.
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Piezas especiales de unión.
Son elementos que permiten el cambio de dirección (codos), empalmes,
derivaciones, reducciones, uniones con otros elementos, etc.
2.5.- Pruebas de presión y estanqueidad en tuberías.
La presión de Proyecto se establece en 6 Kg/cm2. En los puntos de conexión
con la red existente se estima una presión de 3 - 4 Kg/cm2. Previamente a la prueba
de presión, se tendrá la tubería a la presión de Proyecto, al menos 24 horas, para su
observación.
Posteriormente, se somete a la instalación a una presión estática de prueba de
8,5 Kg/cm2. La subida de presión (de 6 a 8,5) se hará de forma lenta (no se
incrementará más de una atmósfera por minuto). La prueba durará unos 30 minutos, y
se considerará satisfactoria si durante este tiempo el manómetro no acusa un
descenso superior a:
p
,siendo p la presión de prueba en atmósferas (85 atm.):
5
p
= 4,12 Kg/cm2
5
cuando el descenso del manómetro sea superior, se corregirán los defectos existentes
Una vez concluida satisfactoriamente la prueba de presión, se procederá a
realizar la de estanqueidad. La presión de prueba se disminuirá en un 20% y se
mantendrá así durante 2 horas. La pérdida en este tiempo será inferior al valor dado
por la fórmula:
V=KxLxD
donde V es la pérdida total en la prueba (litros), L es la longitud del tramo en pruebas
(m), y D es el diámetro interior de la tubería (m). K es un coeficiente cuyo valor es 0,25
para tuberías de hormigón, 0,35 para tubos de fibrocemento, y 0,30 para tubos de
fundición dúctil.
La pérdida se define como la cantidad de agua que debe suministrarse con un
bombín tarado, de manera que se mantenga la presión de prueba de estanqueidad. Si
las pérdidas sobrepasan lo señalado, se deberán repasar y reparar las juntas y/o tubos
defectuosos.
Se repetirán las pruebas de presión y estanqueidad en todos los tramos que
hubieran resultado defectuosos, hasta llegar a un resultado satisfactorio
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3. DOTACIONES.
En el cálculo de la red de agua potable se consideran las siguientes dotaciones
o consumos de agua: residencial (uso doméstico de las viviendas), dotacional (parcela
de uso educativo) y, de los hidrantes contra incendios.
3.1.- Consumo industrial.
Para establecer el caudal necesario en un abastecimiento hay que establecer
previamente una terminología básica, que incluye los términos de dotación y caudal
medio. Ambos consideran todos los posibles consumos de agua, pues tienen en
cuenta el rendimiento volumétrico del sistema de abastecimiento.
Dotación (d): Es el cociente entre el volumen de agua inyectada al sistema,
normalmente en un año, y la población servida. Suele expresarse en litros/
habitante/día.
Caudal medio (Qm): Volumen de agua inyectado al sistema en un período de
tiempo determinado. Su cálculo a partir de la dotación, para un día, se realiza
mediante:
Qm =
d⋅N
86400
donde:
d = dotación (l/hab/día)
N = población suministrada (hab)
Caudal punta (QP): es el caudal que se demanda en horas de mayor consumo,
generalmente se expresa en m3/h.
Coeficiente punta (KP): se define como la relación entre los caudales punta y
medio según:
KP =
QP
Qm
Las “Normas para la redacción de proyectos de Abastecimiento de agua y
Saneamiento de Poblaciones” del M.O.P (1.976) proponen como valor de KP = 2.4 si
no se dispone de datos. Este valor se ha utilizado frecuentemente con resultados
generalmente adecuados para poblaciones típicas.
Para la obtención del caudal medio se puede utilizar la formulación anterior con
los valores de dotación para zonas industriales:
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SECTOR INDUSTRIAL SUR
Cálculo en función del caudal de consumo rcomendado para areas industriales
suelo industrial
420.563
suelo terciario
0
suelo dotacional
495
Dotación
0,00010 l/s/m2
Total Superficie lucrativa
421.058 m2s
10 h
42,11 l/s
Consumo diario
1.516 m3/día
Cálculo según recomendaciones del Canal de Isabel II
OPCION 2. Cálculo según Factor de punta reducido
Dotación
Caudal medio estimado
Factor de punta (jornada de 10h de trabajo)
Caudal punta estimado
habitantes equivalentes (250 l/hab/día)
8,64
4.102.790
4.103
0,4
1.723
6.893
l/m2c/día
l/día
m3/día
m3/día
hab.
3.3.- Dotación necesaria para los hidrantes.
Los hidrantes deben estar situados en lugares fácilmente accesibles, fuera del
espacio destinado a circulación y estacionamiento de vehículos, debidamente
señalizados y distribuidos de tal manera que la distancia entre ellos medida por
espacios públicos no sea mayor que 100 m. El criterio que se ha seguido para diseñar
la red de hidrantes contra-incendios ha sido garantizar un caudal mínimo de 1.000
l/min en dos hidrantes consecutivos actuando al mismo tiempo.
Los criterios de ubicación anteriores obedecen a la derogada CPI-96, pero
también se cumplen en este proyecto las condiciones y dotaciones de instalaciones de
protección contra-incendios de la Sección SI-4 del Código Técnico de la Edificación
(hidrantes exteriores), que establecen al menos 1 hidrante exterior cada 10.000 m2 de
superficie construida .
La infraestructura contra-incendios prevista en el Sector INDUSTRIAL SUR se
compone de un total de 63 hidrantes que acometerán a la red de agua potable. Dada
la importancia de los caudales necesarios en hidrantes, la red suministradora debe
contar con unos diámetros mínimos para no provocar excesivas pérdidas de carga.
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Por ello, todos los hidrantes se instalarán en tuberías de diámetro mínimo 160 mm.
Para estos elementos se prevé una dotación de 16,67 l/seg e hidrante, y una presión
mínima de 10 m.c.a. La nueva red de distribución de agua y protección contraincendios hay que dimensionarla para que funcionen simultáneamente los 2 hidrantes
más alejados, es decir, para Qm = QP = 33,34 litros/seg.
Los hidrantes de la red pública pueden tenerse en cuenta a efectos de
cumplimiento de las dotaciones. Los hidrantes que protejan a un edificio deberán estar
razonablemente repartidos por su perímetro, ser accesibles para los vehículos del
servicio de extinción de incendios y, al menos, uno de ellos debe estar situado a no
más de 100 m de distancia de un acceso al edificio.
4. PUNTOS DE CONEXIÓN CON LA RED EXISTENTE.
Para el diseño de las instalaciones correspondientes al suministro de agua
potable se ha tomado el punto de suministro facilitado por la empresa explotadora de
la red en el municipio de Turís (EGEVASA). En concreto, la conexión se realizará en
una toma existente en el extremo suroete del casco urbano (tal como se indica en los
planos). Desde allí se traerá una nueva tubería de 200 mm de diámetro, por la calle de
la ceba hasta la actual carretera CV-50, entrando al sector a urbanizar en el punto de
la rotonda de acceso que se ejecutará a cargo del sector. Esta tubería de enlace a la
conexión existente, que tendrá una extensión de 804 m. garantizará una presión de 3 4 Kg/cm2.
Una vez dentro del ámbito, a esta tubería principal de abastecimiento se
conectarán las tuberías que formarán las redes (malladas) de distribución de agua
potable y protección contra-incendios del Sector INDUSTRIAL SUR. Estas redes se
componen de tuberías de 160 y 90 mm de diámetro (según se indica en planos).
Con esta propuesta de red mallada, la situación que se genera para el
abastecimiento de agua potable y red contra-incendios es la más óptima, ya que el
suministro de agua se realiza desde varios puntos por lo que en caso de rotura de la
tubería de entrada no afectaría a toda la urbanización.
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5. CÁLCULOS HIDRÁULICOS.
Se abordan a continuación los cálculos hidráulicos para el diseño de la red.
5.1.- Introducción.
El objeto de este apartado es mostrar los fundamentos básicos para el cálculo,
dimensionamiento y modelización hidráulica de las conducciones proyectadas.
En los cálculos recogidos en este Anejo se modeliza el comportamiento de esta
red simple. A lo largo de la conducción se colocarán los codos y elementos accesorios
necesarios para ajustarse a las variaciones del terreno.
El análisis de un sistema de distribución de agua consiste en, dadas las
características de todas las conducciones (longitudes, diámetros y rugosidades) y de
los elementos especiales (niveles iniciales de los depósitos, curvas características de
los grupos de bombeo, etc.), así como los consumos que se realizan y la altura
piezométrica (suma de altura de presión y cota) en (por lo menos) uno de los nudos
del sistema, determinar las alturas piezométricas de los restantes nudos y los caudales
que circulan por las tuberías.
La laboriosidad en la simulación y análisis de sistemas de distribución de agua
por métodos manuales hace que la utilización de distintos programas informáticos se
convierta en una herramienta de alto valor práctico. El simulador hidráulico utilizado,
EPANET, es un programa de ordenador que simplifica de manera adecuada el análisis
de sistemas de distribución de agua potable. Los datos manejados en el cálculo son
los siguientes:
Características de todas las conducciones (longitud, diámetro y rugosidad).
Pérdidas en elementos especiales expresadas en una longitud equivalente de
la conducción.
Consumos en los nudos.
Una altura piezométrica de referencia (nudo de suministro).
Las incógnitas que se tratan de despejar con la utilización de este modelo son:
Caudales que circulan por las tuberías.
Alturas piezométricas en los nudos.
5.2. Formulación de las instalaciones hidráulicas.
En el caso de instalaciones hidráulicas, se utiliza para la resolución del sistema
de ecuaciones mallado o ramificado el método de los elementos finitos de forma
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discreta. Para la resolución de cada uno de los segmentos de la instalación se
calculan las caídas de altura piezométrica, entre dos nudos conectados por un tramo,
por medio de la formula de Darcy – Weisbach:
hp = f
8 LQ 2
π 2 gD 5
El factor de fricción f es función de:
El número de Reynolds (Re), que representa la relación entre las fuerzas de
inercia y las fuerzas viscosas en la tubería. Cuando las fuerzas viscosas son
predominantes (Re con valores bajos), el fluido discurre de forma laminar por la
tubería. Cuando las fuerzas de inercia predominan sobre las viscosas (Re grande),
el fluido deja de moverse de una forma ordenada (laminarmente) y pasa a régimen
turbulento, cuyo estudio en forma exacta es prácticamente imposible. Cuando el
régimen es laminar, la importancia de la rugosidad es menor respecto a las
pérdidas debidas al propio comportamiento viscoso del fluido que en régimen
turbulento. Por el contrario, en régimen turbulento, la influencia de la rugosidad se
hace más patente.
Rugosidad (e/D) relativa: traduce matemáticamente las imperfecciones del tubo.
En el caso del agua, los valores de transición entre los regímenes laminar y
turbulento para el número de Reynolds (Re), se encuentran en la franja de 2000 a
4000, calculándose como:
Re =
vD
ν
Siendo:
v la velocidad del fluido en la conducción (m/s).
D el diámetro interior de la misma (m).
ν la viscosidad cinemática del fluido (m2/s).
Para valores de Re por debajo del límite de turbulencia, se aconseja el uso de
la fórmula de Poiseuille para obtener el factor de fricción:
ff =
64
Re
siendo aconsejable para régimen turbulento la fórmula de Colebrook – White:
1
f
= −2 log
ε
3 ,7 D
+
2 ,51
Re f
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que debe iterarse para poder llegar a un valor de f, debido al carácter implícito de la
misma. Como parámetros se supone:
Viscosidad cinemática del fluido: 1.15e-6 m2/s
Re de transición entre régimen turbulento y régimen laminar: 2500.
La velocidad de la instalación deberá quedar por encima de 0,5 m/s, para evitar
sedimentación, incrustaciones y estancamiento, y por debajo de 2,5 m/s, para que no
se produzca erosión.
Una vez realizados los cálculos, se termina de dimensionar la nueva red,
formada por tuberías de PEAD, de diámetros ∅160 mm a ∅200 mm en el toda la
zona de actuación.
5.3. Modelización de la red.
Componentes de la red
EPANET interpreta una red de distribución como un conjunto de líneas
conectadas entre sí por sus extremos, a los que denominaremos nudos. Las líneas
pueden ser de varios tipos:
•
•
•
Tuberías
Bombas
Válvulas
Además, puesto que los nudos constituyen el punto de unión de varias
tuberías, éstos pueden ser:
•
•
•
Puntos de consumo de agua (nudos de demanda)
Puntos de entrada del agua (nudos de suministro)
La localización de depósitos o embalses (nudos de almacenamiento)
Tuberías
Las tuberías transportan agua de un punto a otro. La dirección del flujo es del
extremo de mayor altura piezométrica (energía de presión más energía potencial por
unidad de peso) al extremo de menor altura. Las pérdidas de carga por fricción
asociadas con el caudal de paso pueden expresarse de modo general por:
(1)
HL = K Q2
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Donde HL es la pérdida de carga, Q el caudal y K es un coeficiente de
resistencia. EPANET hace uso de la fórmula de Darcy - Weisbach (en este caso). Hay
que ser conscientes que los coeficientes de rugosidad de las tuberías pueden cambiar
considerablemente con el tiempo. Para nuestro caso, se ha considerado para las
tuberías de polietileno un coeficiente de rugosidad absoluta k = 0,03.
Pérdidas menores
Las pérdidas menores (también denominadas pérdidas locales) pueden
interpretarse como debidas al incremento de la turbulencia que se produce en los
cambios de dirección, uniones, contadores y válvulas. La importancia de estas
pérdidas depende del trazado de la red y del grado de precisión requerido. EPANET
permite que cada tubería y válvula posea un coeficiente de pérdidas menores
asociado.
Nudos
Todos los nudos poseen una cota relativa, la cual debe tenerse encuentra para
el cálculo de las alturas piezométricas. Cualquier consumo de agua o suministro en los
nudos que no permiten el almacenamiento del agua, debe ser conocido a lo largo del
período de simulación del comportamiento de la red. Los nudos de almacenamiento
(depósitos y embalses) constituyen un tipo especial de nudos en los que existe una
superficie libre, y cuya altura piezométrica es simplemente la elevación del nivel del
agua sobre el nivel de referencia.
En este caso particular se ha tomado la hipótesis siguiente: nivel de agua
constante en el depósito (punto de suministro) simulando un caudal suficiente para
abastecer las necesidades del área y una altura de 40 m.c.a, correspondiente a la
presión de 4 Kg/cm2, existente en la conducción de toma.
Para el cálculo de las demandas de caudal en los nodos se ha establecido una
simplificación en la que se establece, para cada tramo considerado, una demanda
correspondiente al conjunto de parcelas que van a realizar la acometida en el mismo.
Esta demanda se considera, a efectos de cálculo, que se realiza en el nudo de la red
correspondiente.
Resolución del sistema de ecuaciones.
El modelo hidráulico utilizado por EPANET consiste en un simulador en período
extendido que resuelve el siguiente sistema de ecuaciones para cada nudo de
conexión o almacenamiento (depósito o embalse) del sistema:
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(1)
∂y s Qs
=
∂t
As
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(2) Qs =
Qis −
i
Qsj
(3)
H s = Es + ys
j
Junto con las siguientes ecuaciones para cada línea i, j (entre los nudos i y j) y
cada nudo K:
(4)
H i − H j = f (Qij )
Qik −
(5)
i
Qkj − Qk = 0
j
Donde las variables a determinar son:
Ys = altura de lámina de agua en el nudo s.
Qs = caudal entrante en el nudo de almacenamiento.
Qij = caudal de la línea que conecta los nudos i y j.
Hi = altura piezométrica en el nudo i (suma de la cota más la altura de presión).
Mientras que se consideran como datos conocidos:
As = Sección transversal del nudo de almacenamiento s
Es = Cota del nudo s, (cota de solera si es un depósito)
Qk = Caudal consumido (+) o suministrado (-) en el nudo k.
f (*) = Relación funcional entre la pérdida de carga y el caudal en la línea.
La ecuación (1) expresa el balance de volúmenes en los nudos de conexión
con la red existente (almacenamiento), mientras que las ecuaciones (2) y (5) expresan
lo propio para los nudos de conexión de las tuberías. La ecuación (4) representa la
pérdida o ganancia de energía por el paso de caudal por la línea. Dados los niveles
iniciales y, en los nudos de almacenamiento, las ecuaciones (4) y (5) son resueltas
simultáneamente en los caudales Qij y las alturas Hi utilizando la ecuación (3) como
condición de contorno. Esta fase de cálculo es conocida como “equilibrado hidráulico
de la red”, y es llevada a cabo utilizando una técnica iterativa para resolver el sistema
de ecuaciones no lineales que aparece.
El método utilizado por EPANET para resolver el sistema de ecuaciones se
conoce como “algoritmo del gradiente” y posee varias características interesantes.
Primeramente, el sistema lineal de ecuaciones a resolver en cada iteración del
algoritmo es vacío, simétrico y definido-positivo. Ello permite utilizar técnicas de
matrices vacías muy eficientes para su resolución. En segundo lugar el método
permite asegurar la continuidad en todos los nudos tras la primera iteración. En tercer
lugar, permite considerar las bombas y válvulas sin perturbar la estructura de la matriz
de ecuaciones cuando se modifica el estado de estos componentes.
Una vez obtenida la solución de las ecuaciones de la red, el caudal entrante (o
saliente) de cada nudo de almacenamiento Qs, se determina mediante la ecuación (2)
y a continuación es introducido en la ecuación (1) para determinar el nuevo nivel
después de un intervalo de tiempo dt. Este proceso es repetido para los intervalos
sucesivos hasta completar el período de simulación.
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El análisis planteado para la red del Sector INDUSTRIAL SUR es un caso
particular del modelo de simulación hidráulico descrito, en el que se ha planteado una
red en régimen estacionario.
5.4.- Resultados.
Los cálculos que a continuación se recogen se dividen en dos partes:
DATOS DE ENTRADA
En este apartado se engloban los datos de longitudes, diámetros y caudales
máximos demandados, todo estructurado a partir de un plano esquemático de la red
que contempla las conducciones, nudos y puntos de toma establecidos para el cálculo,
a fin de poder identificar los datos de los listados y los resultados de los apartados
posteriores.
Para el cálculo de las demandas en los nodos se ha establecido una
simplificación, en la que se establece, para cada tramo considerado, una demanda
correspondiente al conjunto de parcelas que van a realizar la acometida en el mismo.
Esta demanda se considera, a efectos de cálculo, que se realiza en el nudo de la red
correspondiente.
Se introducen los datos de consumos estimados en el apartado 3 de este
documento. Para la resolución de la red se adoptan las siguientes hipótesis de partida:
Se ha optado por traducir las pérdidas localizadas a longitud equivalente, es
decir, la longitud de tubería que proporcionaría una pérdida de carga igual a
dichas pérdidas localizadas, por lo que el coeficiente de pérdidas localizadas
asociadas se ha considerado cero.
Expresión de Darcy – Weisbach para hallar las pérdidas de carga por fricción
entre dos puntos.
Viscosidad cinemática del fluido: 1.15 e-6 m2/s
Rugosidad absoluta de las tuberías de PE : 0.0025 mm.
Nivel de agua constante en el punto de toma, simulado en el modelo mediante
un embalse, con una altura piezométrica de 40 m.c.a.
Análisis de la red en régimen estacionario.
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SALIDA DE RESULTADOS
Como resultados en los nudos, se obtienen la demanda y presión, mientras
que, como resultados en las líneas, se obtiene el caudal, velocidad y la pérdida
unitaria.
Valores negativos en caudal o velocidad indican que el sentido de circulación
es de nudo final a nudo de inicio.
Se han obtenido los resultados para cada una de las hipótesis:
Caso 1: Sin incendio.
Según la normativa urbanística del Sector INDUSTRIAL SUR, en la que está
permitida la construcción de 15 m de altura, sería necesaria un presión mínima de
25m.c.a (10 m.c.a + 15 m.c.a.) para poder hacer llegar el agua hasta el último piso sin
necesidad de bomba. La presión de proyecto definida es de 40 m.c.a, así pues, se
toma este valor como el de diseño, para quedar del lado de la seguridad.
En lo que se refiere a la velocidad, se recomiendan valores de velocidad
comprendidos entre 0,5 y 2,5 m/seg. Valores de velocidad superiores a 2,5 m/seg no
son admisibles porque pueden dar elevadas pérdidas de carga. Sin embargo valores
inferiores al mínimo se admiten, teniendo en cuenta que las tuberías van a necesitar
mayor mantenimiento debido a que pueden darse problemas por sedimentación y que
el reparto de cloro no va ser tan efectivo. Sin embargo, al tratarse de una red mallada,
la circulación del agua está garantizada por toda la red y por tanto, también el reparto
de cloro.
Caso 2: Con incendio.
Se comprueba la red en el caso que se produzca incendio en los dos puntos
más desfavorables de la red, es decir, en los nudos que separados un máximo de 200
m (distancia máxima entre hidrantes de incendio), la presión es mínima.
El caudal a extraer de la red será el mismo que en el caso 1 más 16,66 l/seg a
añadir a los 2 nudos de presiones La NBE-CPI – 96 recomendaba una presión mínima
de 10 m.c.a. para alimentar correctamente a las bombas sobrepesoras de los equipos
de extinción de incendios.
De la salida de resultados del programa de cálculo, se observa que existen
algunos tramos en los que no se cumple el criterio de velocidad mínima debido al poco
caudal circulante por la red. Aún así, no se colocan tuberías de diámetros menores
para aumentar la velocidad porque se considera un tamaño mínimo de conducción a
colocar en la red de 160 mm.
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