Tutoriales al Día – Ingeniería Civil

¿Qué es EPANET y Cuáles Ventajas Ofrece?

EditorIngCivil — Sun, 22 Aug 2021 08:30:57 +0000

En esencia, EPANET ofrece la versión “matemática” de elementos físicos que encontramos en los Sistemas de Distribución de Agua Potable tales como Estanques, Embalses, Tuberías y Bombas, entre otros, de forma tal que, previa introducción de la información básica requerida por cada uno de ellos, se ensamble un modelo matemático que simulará las condiciones hidráulicas en dicho sistema, generando a su vez parámetros tales como presiones, niveles de agua y velocidades.

Con el uso de programas como EPANET el análisis y diseño de Sistemas de Distribución de Agua Potable se puede enfocar más en estudiar el comportamiento de la red para distintas condiciones físicas y operativas (niveles de Embalse o estanques, diámetros de tuberías, etc.) en vez de concentrarse en métodos de resolución manual que resultan, para Sistemas de cierta extensión y complejidad, algo engorrosos al menos en lo relativo a el cálculo manual.

Aun cuando en el mercado existe una variedad de programas para el Cálculo de Sistemas de Distribución de Agua Potable, EPANET tiene la gran ventaja de que es un programa gratuito que, además, resulta extremadamente fiable para la modelación de sistemas complejos.

Vale decir que algunos de los programas comerciales disponibles en el mercado se basan en el algoritmo desarrollado en EPANET, dado que éste es ofrecido por la EPA como un software de Código abierto.

EPANET es un programa que puede, entre otras cosas:

Crear Modelos matemáticos de Sistemas de Distribución de Agua Potable de cierta complejidad (sin limitaciones en el tamaño), con miras no sólo al diseño de sus componentes sino también al estudio de condiciones operativas como el fallo de bombas, rotura de tuberías y calidad del agua.
Facilitar la realización de cálculos iterativos que, de forma manual, tomarían una cantidad importante de tiempo, además de requerir de métodos o programas para la resolución de las ecuaciones hidráulicas. Igualmente el programa se aplica para cualquier topología de red: Abierta, Cerrada o Mixta.
Ofrecer resultados que pueden ser utilizados para el dimensionado y selección de componentes como Estanques, Válvulas de Control o regulación y Equipos de Bombeo en los Sistemas de Distribución de Agua Potable.
Evaluar el comportamiento e influencia de los niveles de agua en los Estanques Compensadores de la red.
Evaluar el comportamiento y el consumo y costo de energía requerido en la operación de Sistemas de Bombeo.
Considerar diversas condiciones de demanda en la red, como en los casos de evaluar demandas máximas horarias o demandas máximas por incendio.
Modelar condiciones operativas complejas, como sería el apagado o encendido de bombas ante ciertas condiciones de presión en la red.
Modelar el Comportamiento de las concentraciones, a lo largo de la red, de los químicos utilizados para controlar la calidad del agua entregada.

A la fecha, la versión más reciente (Mayo 2008) es la 2.0. Esta versión, en idioma Inglés, está disponible en la página web de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de Norteamérica.

Una versión en español: EPANET 2.0 vE, ha sido creada por la Universidad Politécnica de Valencia – España y la puedes descargar desde esta página, en la que encontrarás además el manual de usuario así como enlaces a cursos y herramientas relacionados con este programa.

Adicionalmente, si deseas aprender a utilizar EPANET como herramienta de cálculo y diseño, puedes inscribirte en nuestro curso de Diseño de Redes de Abastecimiento de Agua, en el que verás cómo utilizamos esta herramienta en el diseño de la red de un sector urbano.

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Dos Métodos para la Estimación de Poblaciones Futuras

EditorIngCivil — Sun, 22 Aug 2021 08:30:34 +0000

Existe diversidad de Métodos para la Estimación de Poblaciones Futuras pero, en realidad, ninguno es 100% preciso, pues en todo caso siempre existirá un grado de incertidumbre, que puede depender de una variedad de factores, como podría ser el clima y el nivel socioeconómico de la población, entre otros.

La Estimación de Poblaciones Futuras, como veremos a continuación, dependerá en principio del grado de “estabilización” que ha alcanzado, para el momento de realizar la estimación, la comunidad o población en estudio, al igual que de las posibilidades de expansión (áreas de reserva urbana) que tiene el sector estudiado, lo cual podría convertirse en el mediano plazo en fuente de altos procesos migratorios hacia él.

En cualquier caso estos métodos de Estimación de Poblaciones Futuras requieren como información mínima dos registros censales de la población bajo estudio, los cuales servirán para establecer la tasa de crecimiento de referencia de la proyección.

Estimación de Poblaciones Futuras con el Método Aritmético

Este método consiste en agregar a la población del último censo un número fijo de habitantes para cada período en el futuro.

En esencia este método de Estimación de Poblaciones Futuras se corresponde con una línea recta, en el que la pendiente se corresponde con la tasa de crecimiento aritmética del último período intercensal.

Este método puede ser aplicable a comunidades pequeñas, como las rurales; o a ciudades grandes, cuyo crecimiento se puede considerar estabilizado (con poca o ningún área urbana de expansión).

Determinar el número de habitantes para el año 2.030 empleando el Método Aritmético, para una ciudad cuyos resultados censales (1.981-2.010) son los presentados en la tabla siguiente:

Resultados de Censos de Población

Año	Población (Hab)
1.981	8.458
1.990	12.266
2.000	15.115
2.010	16.137

Resolución

Determinaremos la pendiente de la recta conformada con los datos del último período intercensal, es decir el período 2.000 – 2.010. Esta pendiente es la que definiremos como la Tasa de Crecimiento Aritmético:

Con esta tasa (o pendiente) aplicaremos la ecuación de una recta para determinar así la población del año 2.030:

Estimación de Poblaciones Futuras con el Método de Crecimiento Geométrico

En este Método de Estimación de Poblaciones Futuras, se supone que la población crece a la misma tasa que para el último período censal, pero considerando que el crecimiento obedece a la siguiente expresión:

El uso de esta expresión conduce a veces a resultados algo exagerados, en especial para poblaciones comenzando a desarrollarse, ya que tienden a tener tasas de crecimiento elevadas mientras alcanzan su estabilización. Este método es por lo tanto recomendable para poblaciones que se encuentran en pleno desarrollo y por períodos cortos en el futuro (10-15 años).

Estimaremos, utilizando el Método de Crecimiento Geométrico, la población para el año 2.030 de la ciudad del ejemplo anterior.

Resolución

Para el último período censal se determina la Tasa de Crecimiento geométrico, despejando de la expresión anterior:

Y suponiendo que se mantendrá esta tasa de crecimiento, la población para el año 2.030 será de:

Como vemos, en este ejemplo particular, las poblaciones obtenidas por ambos métodos de Estimación de Poblaciones Futuras son similares, pero esto es debido a la baja tasa de crecimiento registrada en el período intercensal 2000-2010 y a lo corto del período de estimación (20 años). Por lo general, la diferencia entre ambos métodos es mayor.

En nuestro curso de Diseño de redes de Abastecimiento de Agua, podrás ver cómo aplicamos éstos y otros métodos para la determinación de la población futura de un sector urbano con miras a determinar la demanda futura de agua potable.

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Evaluación Financiera en la Gestión de Proyectos: El Valor Presente Neto (VPN)

EditorIngCivil — Wed, 18 Aug 2021 08:30:12 +0000

El Método del Valor Presente Neto (VPN) es uno de los de uso más extendido en la Evaluación Financiera de cualquier tipo de proyecto, pues es de los que permite “transformar” los costos a lo largo de la vida del proyecto a valores actuales, teniendo en cuenta el efecto de las tasas de interés financieras. De aquí se tienen las siguientes ventajas del uso de este método en la Evaluación Financiera de Proyectos:

Todos los Ingresos (y Egresos) previstos en el tiempo para el Proyecto pueden ser convertidos a costos actuales de forma sencilla, aplicando el concepto de interés compuesto. Éste aspecto es de gran significancia pues permite combinar, utilizando las conversiones adecuadas, desembolsos puntuales (un solo pago) con los que se realizan de forma distribuida a lo largo del tiempo (mensualmente, anualmente, etc.).
El Método del Valor Presente Neto permite realizar la comparación de varios proyectos o alternativas de Gestión de Proyectos, convirtiéndose así en una herramienta de selección de la que mayores rendimientos ofrezca.

¿Cómo Calcular el Valor Presente Neto (VPN)?

En esencia la Evaluación Financiera recurre a los conceptos básicos del financiamiento o análisis económico para el planteamiento del Método del Valor Presente Neto.

Estos conceptos básicos se pueden resumir en dos premisas:

Si una persona presta un dinero a otra, el que presta tiene derecho a algún tipo de recompensa: el Interés.
Una suma específica de dinero que se tiene hoy, ganando cierto interés anual, aumentará en cantidad en el futuro en función del referido interés.

Es por ello que para la aplicación del Método del Valor Presente Neto es necesario conocer la tasa de interés (por ejemplo con la que un banco nos prestaría dinero), así como el tiempo asociado a dicho financiamiento. Veamos un Ejemplo Sencillo:

Supongamos que invertimos $1000 en un proyecto, para el cual se ha estimado una tasa de rendimiento (interés) del 7% anual, durante 3 años:

Al cabo del Primer Año habremos ganado:	$1000 x 1,07 = $1070
Después de Dos años:	$1000 x 1,07 x 1,07 = $1144,90* (ó $1070×1,07)*
Al final de los Tres años tendremos:	$1000 x 1,07 x 1,07 x1,07 = $1225,04

En términos simples: si deseáramos contar con un Valor Final de $1225,04 (al cabo de tres años), nos costará $1000 al día de hoy, lo que implica que:

el Valor Presente Neto de $1225,04 es $1000

Del ejemplo Anterior podemos ya deducir que la Fórmula a utilizar en el Método del Valor Presente Neto (VPN) es:

La cual debemos utilizar sólo para pagos (o desembolsos) puntuales.

Cuando se trata de obtener el Valor Presente Neto (VPN) de los pagos uniformes durante determinado período de tiempo (Anualidades, mensualidades, etc), utilizaremos la expresión siguiente:

En la expresión anterior hemos utilizado la letra “A” (por Anualidad) para representar el pago uniforme ($/año, $/mes, etc.), teniendo que ser, por supuesto, la tasa de interés utilizada consistente con el tipo de pago (Interés anual, interés mensual, etc.)

Una Herramienta Vital en la aplicación del Método del Valor Presente Neto (VPN): El Flujo de Caja

¿Qué es el Flujo de Caja?
En términos simples el Flujo de Caja es un gráfico o tabla en la que se relaciona en un eje las unidades de tiempo y en otro eje los costos asociados a determinada tarea o proyecto. Contiene sólo el flujo del dinero (sea gastos o ganancias) previstos a lo largo del período de análisis.

Las fórmulas presentadas para la aplicación del método toman en cuenta el momento en el cual se sucede el pago (número de años) y es por ello que es recomendable, sobre todo en cálculos más “complejos” del Valor Presente Neto (aquellos en los que se combinan Pagos puntuales con Anualidades), generar el Flujo de Caja previsto para el proyecto bajo nuestra Evaluación Financiera.

Veamos una aplicación del método en el siguiente ejemplo:

Calcular el Valor Presente Neto (VPN) de un Proyecto en el que se han previsto los siguientes desembolsos:

Construcción=	$50.000 x 10³
Rehabilitación (año 25)=	$2.800 x 10³
Operación y Mantenimiento Anual=	$500 x 10³$/año

Se estima para el Proyecto una vida útil de 50 años y se utilizará una tasa de interés del 10% anual.

Flujo de Caja

Como vemos, hay tres valores a tomar en cuenta: dos pagos puntuales (construcción y rehabilitación) y una anualidad, correspondiente a la operación y al mantenimiento. El Flujo de Caja será entonces similar al mostrado en la siguiente figura:

Cálculo del Valor Presente Neto (VPN) para los Desembolsos Puntuales

En este caso sólo tenemos que calcular el VPN para la rehabilitación pues, ciertamente, el costo de construcción ya está en valor presente. Por lo tanto:

Cálculo del Valor Presente Neto (VPN) para la Anualidad

Los gastos de Operación y Mantenimiento, supuestos constantes durante toda la vida del proyecto (50 años), tendrán el siguiente Valor Presente Neto:

Notemos aquí que la anualidad, al ser convertida a valor presente, se convierte en un pago puntual, es decir pasó de $/año a $.

Cálculo del Valor Presente Neto (VPN) del Proyecto

Finalmente, recopilamos los valores presentes para obtener el valor presente Total del Proyecto en la siguiente tabla:

Descripción	Valor Presente Neto [$]
Construcción	50.000,00 x 10³
Rehabilitación	258,43 x 10³
Operación y Mantenimiento	4.957,41 x 10³
Valor Presente del Proyecto	55.215,84 x 10³

Finalmente hay que destacar que no sólo se puede aplicar el método para condiciones de desembolsos únicamente, pues existen proyectos en los que existiendo estos desembolsos, también se den en el tiempo ganancias, en cuyo caso tendríamos que realizar el balance de los Valores Presente Netos calculados para cada tipo de valor (las entradas de dinero con signo positivo y los desembolsos con signo negativo) para así obtener el Valor Presente Total.

Si al realizar el balance referido obtenemos que el valor presente es negativo, tendremos que el Proyecto no es, desde el punto de vista de la Evaluación Financiera, rentable, pues los gastos exceden las ganancias.

Por supuesto, y por ello resaltamos lo de la Evaluación Financiera, muchos proyectos, sobretodo aquellos de interés público, no pueden ser considerados como inviables sólo por esta razón pues hay otros beneficios que deben ser tomados en cuenta, como lo sería mejoras de la calidad de vida de las personas lo cual no puede ser medido en términos de ganancias monetarias de forma directa.

Finalmente, y si tu área de interés es el de los recursos hidráulicos, de seguro podrás sacarle provecho a nuestro curso de Determinación del Diámetro económico en Aducciones por Bombeo, en el cual verás una aplicación específica de todo lo planteado en este tutorial en la estimación del diámetro adecuado de este tipo de líneas de conducción de agua.

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Realizando el cálculo de la Presión de alimentación requerida en una Instalación de agua potable del tipo descendente

EditorIngCivil — Sun, 14 Mar 2021 10:14:05 +0000

Cuando hablamos de instalaciones de agua potable del tipo descendente nos referimos a aquéllas en las que la alimentación a las piezas sanitarias se realiza desde el techo del nivel correspondiente, tal como esquematizamos en la siguiente isometría:

Vale resaltar que la red representada en la figura anterior se corresponde con el plano del proyecto utilizado en el curso de diseño de instalaciones sanitarias-abastecimiento de agua que tenemos publicado en Cursos Ingeniería Civil.

Sólo hemos replanteado la red (así como las longitudes de tuberías verticales) para adaptarlas a un sistema descendente y realizar aquí los cálculos correspondientes, ofreciendo así las dos “versiones” del mismo proyecto.

Bien, en esencia, el procedimiento de la determinación de diámetros para cada tramo a través del método de HUNTER (acumulación de unidades de gasto o unidades muebles) es el mismo para ambos tipos de abastecimiento: ascendente y descendente, así que aquí colocamos los valores que calculáramos para cada uno en el curso de diseño de instalaciones sanitarias:

Análogamente el procedimiento para la determinación de la presión requerida por la red será similar aunque, hay que resaltar, el cambio de longitudes de tuberías entre el sistema ascendente y el descendente, que estamos estudiando aquí, nos llevará a obtener un valor diferente al calculado para el primer tipo de sistema.

La determinación de la presión requerida en la instalación sanitaria (en el punto donde se conecta a la tubería de abastecimiento vertical conocida como montante) debe ser tal que garantice la presión de funcionamiento de lo que se define como la pieza más desfavorable de la red.

Tal como explicamos en el curso, muchas veces se fija, sin mucho razonamiento, como pieza más desfavorable aquélla que está ubicada en la ruta crítica o camino más desfavorable de la red.

Esto en la mayoría de los casos es cierto, especialmente si las normas sanitarias que aplicamos, fijan una única presión de funcionamiento para todas las piezas sanitarias, sin discriminar en su tipo o función.

Pero, cuando las normas establecen presiones de funcionamiento diferentes para cada pieza sanitaria, puede darse el caso que la pieza más desfavorable no sea la que esté al final del camino crítico, sino que sea la que tiene mayor presión de funcionamiento y que, por supuesto, no se encuentra en la ruta crítica.

Por ello es que nuestra metodología, la explicada en el curso, se centra siempre en determinar la presión a la salida de todas y cada una de las piezas de la red, realizando posteriormente la comparación con la presión normativa de funcionamiento. De esta forma no diseñamos en función del camino o ruta crítica sino en función a las piezas.

La particularidad en el cálculo hidráulico en los sistemas descendentes será que, de hecho, el nodo desde el que parte la tubería vertical, descendente, para alimentar a la pieza, tendrá una presión menor que la del punto de alimentación a la pieza.

Esto se esquematiza en la siguiente figura:

Aquí verás que, para el ramal que alimenta al fregadero (Fre), la altura piezométrica (LAP) es en realidad la misma tanto para el punto de arranque de la tubería vertical así como a la salida a la pieza sanitaria, pues están en la misma posición horizontal.

Pero al ser diferentes sus cotas, siendo menor la de la pieza, se tendrá que la presión entonces es mayor en la pieza atendida (salvo que las pérdidas de carga del ramal fuesen mayores a la diferencia de nivel, claro).

Con esto lo que estamos buscando es dejarte en claro que en tus cálculos debes asegurarte, en todo momento, que la presión en los nodos de partida de las tuberías descendentes sea, al menos, mayor a cero, por razones obvias: el flujo debe ser a presión.

En atención a lo anterior, vamos a realizar el cálculo que podrás verificar a través de la hoja de cálculo adjunta descargable al final de este artículo:

Nuestro esquema de cálculo se basa en presentar en la tabla a todos y cada uno de los tramos horizontales de la red (sombreado azul en la hoja de cálculo), destacando que, para el caso de las tuberías verticales de alimentación a las piezas, hemos creado los renglones en la parte derecha de la hoja (sombreado verde).

Así, por ejemplo, la fila en el tramo N1-Fre (Fregadero) representa, en la parte izquierda, a la tubería horizontal que va hasta la pieza, mientras que, a su derecha, verás que se colocan los datos de la tubería descendente y altura de salida, de forma tal de realizar el cálculo de las pérdidas de carga respectivas así como la presión a la salida, en el punto de conexión a la pieza.

Con esta configuración en la hoja de cálculo, podemos fácilmente verificar que la presión en los nodos de partida de las tuberías verticales tiene valores adecuados.

Vemos que la menor presión se verificaría en el nodo de alimentación a la ducha, resultando en 1,10 metros de columna de agua.

Así, en el punto de conexión de la llave de la ducha, tendríamos la presión de 1,5 metros, calculados con estos datos:

Piezométrica en Nodo Ducha “Arriba” = 3,85 m
Pérdidas en el ramal de alimentación a la ducha = 0,353 m
Cota de la Pieza (situación más desfavorable) = 2 m

De esta manera:

Claro, esta presión de salida se obtiene cuando la piezométrica en el punto de conexión al montante es de 6,49 metros (una presión de 3,74 metros, considerando que la red está a 2,75 metros del piso).

El cálculo se ha realizado de forma tal que, para el valor de piezométrica en el punto de alimentación a la red, se garantice la presión normativa mínima en la ducha que es de 1,5 m.

Esto se puede hacer de forma iterativa utilizando la hoja de cálculo y modificando el valor de la piezométrica en el nodo montante (Mte) hasta lograr el valor deseado en el nodo Ducha (parte derecha de la hoja de cálculo).

Pero el procedimiento para determinar el valor exacto, de forma directa, consiste en:

Determinar las pérdidas totales entre el Punto de alimentación (Mte) y la pieza sanitaria en cuestión (en este caso la ducha). La vía larga para hacer esto es sumar los valores de pérdidas calculadas en el recorrido ht(Mte-Duc) = 2,99 m
Definir o fijar la presión mínima de la pieza. Este valor es normativo generalmente y depende del tipo de pieza sanitaria. En nuestro caso, según las normas Venezolanas [1], se debe garantizar una presión mínima de 1,5 metros para la ducha.
Definir cuál es la altura o cota del punto de conexión a la pieza. Hemos supuesto en este caso la condición más desfavorable: la altura del punto de salida del agua, a 2 metros del piso.

Para los efectos, nuestro nivel base o de referencia es la elevación 0, valor que hemos especificado como cota de piso.

Con estos valores, la Piezométrica requerida en el punto de conexión o alimentación a la red será:

Vale destacar que la Piezométrica que calculáramos en el desarrollo del curso de diseño de instalaciones sanitarias para esta misma red, pero para la condición en que al abastecimiento es ascendente (suelo – Piezas) fue de 7,07 m, así que, en cierta forma las variaciones son mínimas entre los dos tipos de abastecimiento, al menos para este proyecto.

Por último, un aspecto a considerar (y que está relacionado con lo que te planteamos al principio de este tutorial respecto al cálculo pensando sólo en el camino crítico) es que, si revisas la tabla, verás que la presión a la salida de la Lavadora (Nodo Lav, parte derecha de la hoja de cálculo) es de 3,56 m.

Este valor está sólo 0,06 metros por encima de la presión mínima de operación normativa para esta pieza (3,5 metros, según la norma venezolana [1]).

Esto indica que, para esta red, cualquier cambio en la ruta hasta la lavadora que generara un incremento de las pérdidas, podría hacer que ya el cálculo de la presión requerida no se deba realizar con las pérdidas totales del camino crítico sino con las de ruta a la pieza con mayor presión de funcionamiento.

Por ello es que, reiteramos, nuestra metodología es la de determinar la presión de salida en todas las piezas de la instalación.

Y tú: ¿Cómo realizas estos cálculos? ¿Confías siempre en el camino crítico de la red?

Esperamos tus comentarios.

Puedes descargar la hoja de cálculo haciendo clic aquí.

También puedes Inscribirte en el Curso de Cálculo y Diseño de la Instalación de un Auditorio para que domines en su totalidad lo aquí explicado.

Normas Sanitarias para proyecto, construcción, reparación, reforma y mantenimiento de edificaciones. Gaceta Oficial de la República de Venezuela N° 4.044, Extraordinario. Caracas, Jueves 8/09/1.988.

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Cómo diseñar Colectores de Sistemas de Desagües Mixtos o Combinados (Sanitarios y Pluviales) en Edificaciones

EditorIngCivil — Mon, 11 Jan 2021 18:30:27 +0000

Sabrás que en lo que respecta a la recolección de las aguas de los desagües sanitarios así como de los desagües pluviales, tanto a nivel de alcantarillado público como en los sistemas de interiores a las edificaciones, se hablan de dos tipos de esquemas de recolección:

Los sistemas Individuales o Separativos

Son aquéllos que sólo conducen un tipo de agua. Aguas sanitarias en el caso de los sistemas de desagüe sanitario y aguas de lluvia en el caso del drenaje de aguas pluviales.

Así se tienen, tanto en edificaciones como en el sistema público, dos redes distintas, destinada cada una a un uso específico y con criterios de diseño específicos también.

Los sistemas Únicos, Mixtos o Combinados

Son, por el contrario, los que captan y conducen tanto las aguas sanitarias como las pluviales a través de los mismos componentes.

Es decir, en edificaciones o urbanismos en donde las normas establecen esta configuración, sólo se tendrá una red conduciendo, durante la mayor parte del tiempo, aguas sanitarias y, en épocas de lluvia, conduciendo la suma de los caudales sanitario y pluvial.

Cuando se trata de sistemas Individuales, el diseño de los colectores en edificaciones es, si se quiere, directo, pues sólo basta con totalizar las unidades de descarga conducidas por cada tramo y, en función a la pendiente longitudinal, determinar cuál es el diámetro a partir de las tablas contenidas en las normas.

Y, en el caso de la red de desagües pluviales de la edificación, el procedimiento es el mismo, sólo que en vez de determinar el total de unidades de descarga, tenemos es que determinar el área drenada o área tributaria total asociada a cada tramo de tubería antes de ir a las tablas normativas correspondientes para determinar así el diámetro para la intensidad de lluvia del sector donde se emplaza la edificación del proyecto.

Si estás interesado en conocer en detalle el procedimiento de diseño para sistemas Individuales, te recomendamos darle una ojeada al contenido de nuestros cursos de diseño de desagües sanitarios y de desagües pluviales en edificaciones, pues en cada uno de ellos desarrollamos, a través de un proyecto completo, el diseño de cada uno de los componentes de estos sistemas.

Pero bien, si hablamos de la red de colectores de un sistema Mixto en una edificación, nos encontramos con un problema a nivel de diseño: el de combinar dos términos que son en realidad bastante disímiles: las unidad de descarga (que conducen los bajantes y redes de desagüe en el sistema de sanitario), con un área drenada (la que se asocia ahora a bajantes de aguas pluviales y a las correspondiente redes horizontales de desagüe).

Ejemplo de Cálculo

Para entrar en lo práctico, y suponiendo que tienes conocimientos del diseño de sistemas individuales o separativos, te presentamos a continuación el esquema de colectores de una edificación, presentando:

Las descargas de 3 bajantes de aguas negras o sanitarios (BAN1, BAN2 y BAN3), con sus respectivos tramos de cloacas hasta la tanquilla o arqueta más cercana. Debajo del respectivo nombre observa que se presenta el número de unidades de descarga (UD) conducido por cada bajante de aguas negras.
La descarga de un bajante de agua pluvial (BAP), con su respectivo tramo de cloacas a la tanquilla más cercana. Se indica debajo de su nombre el área, en metros cuadrados, captada o tributaria por este bajante de aguas de lluvia.
La ubicación de dos sumideros (SUM1 y SUM2) para captar las aguas pluviales superficiales de áreas como estacionamientos y parques, indicándose igualmente, debajo de su nombre, el área tributaria respectiva.

Verás que la configuración planteada busca, a pesar de que hablamos de un sistema combinado, mantener a los sistemas desagüe sanitario y de desagüe pluvial separados la mayor parte del recorrido posible dentro de la edificación.

Esto es buscando, por un lado, evitar exponer a la atmósfera los olores de las aguas servidas a través de las tanquillas o arquetas que sean sumideros (recuerda que éstas tienen en su parte superior una rejilla para poder captar el agua superficial) y, por otro lado, evitar que, ante la ocurrencia de algún rebose en el sistema por efecto de las aguas de lluvia, se contaminen las áreas públicas con aguas negras.

Para los tramos, digamos, individuales (los que conducen sólo un tipo de agua: negra o de lluvia) el procedimiento lo conoces y es tal como esquematizamos previamente: acumular área o unidades de descarga para cada tramo y luego ir a las tablas de diseño y determinar el diámetro para una pendiente específica.

En la siguiente figura hemos hecho la respectiva totalización de áreas y de unidades de descarga:

El problema está en los tramos mixtos, como los que están en la ruta T0-T1-T2, pues necesitamos realizar la conversión de unidades de descarga a área tributaria a fin de tener un total para el tramo en área drenada equivalente.

Esta conversión se realiza en base al siguiente criterio:

Hasta 250 Unidades de Descarga conducidas, se supondrá que el tramo de colector conduce un área equivalente de 60 metros cuadrados.
Cuando se exceden estas 250 Unidades de descarga, se supondrá que cada unidad de descarga (por encima de las 250) equivale a 0,25 metros cuadrados de área equivalente.

Estas equivalencias que te hemos presentado son tomadas de las normas Sanitarias Venezolanas [1], razón por la cual es requerido que revises las normas de tu país a fin de ajustar los valores, si fuera el caso.

Por ejemplo la norma española (CTE, HS5) coinciden con la equivalencia de hasta 250 UD, sólo cambia el valor para cuando éste valor se excede de 0,25 a 0,36 metros cuadrados por unidad de descarga.

Así, para estas equivalencias tendríamos, para el tramo T1-T2:

207 m² provenientes de la red de desagüe pluvial.
116 UD provenientes de la red sanitaria que, al ser menores que las 250 UD, equivalen a 60 m²

Es decir, que el área equivalente total a utilizar en el diseño del tramo será de 207+60 = 267 m².

Y, para el tramo T0-T1:

207 m² provenientes de la red de desagües pluviales (no hay aportes adicionales).
116 + 150 = 266 UD que al ser mayor que 250, dividimos de esta forma:
Primeras 250 UD = 60 m².
Exceso: 266 – 250 = 16 UD x 0,25 m2/UD = 4 m².

Tendríamos así un área equivalente total de: 207 + 60 + 4 = 271 m².

Así, para los efectos del diseño nuestro esquema queda como presentamos en la siguiente figura:

De aquí, para definir el diámetro de los tramos T0-T1 y T1-T2, nos queda sólo remitirnos a la tabla normativa de diseño para desagües pluviales (colectores o cloacas), pues tenemos ahora áreas (equivalentes) drenadas:

Observa que la tabla mostrada, extraída de la norma venezolana [1] presenta las áreas para una intensidad de lluvia de 150 mm/hr.

Si la intensidad que vas a utilizar en tu proyecto fuera diferente a este valor, debes afectar los valores por la relación entre esta intensidad de referencia y la intensidad de proyecto.

Para los efectos del ejemplo, supondremos que la edificación se sitúa en una zona en dónde la intensidad de lluvia es igual a la de la tabla (150 mm/hr), por lo tanto no realizaremos ninguna conversión.

Así, si suponemos una pendiente del 2 por ciento, tendríamos que con una tubería de 12,7 cm (5”) podríamos conducir el caudal asociado a un área tributaria de hasta 290 m²:

Por lo tanto la solución para nuestros colectores mixtos será tubería de DN 127 mm colocada con pendiente longitudinal del 2%.

Como has visto, el proceso en realidad no dista mucho de lo realizado en el caso en que tenemos colectores individuales.

Lo único que varía es que debes acumular las unidades de descarga en los colectores mixtos de forma tal de poder extraer de este total por tramo el área equivalente en función a si el valor está por debajo o por encima del límite de 250 UD el cual, recuerda, depende de la norma que estés utilizando en tus diseños.

[1] Normas Sanitarias para proyecto, construcción, reparación, reforma y mantenimiento de edificaciones. Gaceta Oficial de la República de Venezuela N° 4.044, Extraordinario. Caracas, Jueves 8/09/1.988.

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¿Cómo Calcular el Diámetro Económico en Tuberías Abastecidas por Bombeo?

EditorIngCivil — Mon, 02 Nov 2020 11:53:10 +0000

Cuando hablamos del diseño hidráulico de líneas de conducción para abastecimiento de agua, sean éstas abastecidas por gravedad o mediante bombeo, debemos tener en cuenta en todo momento que el objetivo principal es el de definir el diámetro que la tubería requiere para conducir determinado caudal de diseño entre el punto inicial y el final de la conducción.

Si bien en el párrafo anterior hacemos referencia a sistemas de abastecimiento de agua, los criterios de diseño hidráulico así como los que destacaremos posteriormente en este artículo, pueden perfectamente ser aplicados a líneas de impulsión de aguas residuales o pluviales pues, en todo caso, estamos hablando de conducciones de agua atendidas desde un sistema de bombeo.

En el caso de las aducciones por gravedad, ante la existencia de un desnivel positivo entre los puntos extremos de la conducción, la definición del diámetro es más bien sencilla pues bastaría realizar el planteamiento energético entre ambos puntos y, en función a alguna ecuación de pérdidas, despejar el diámetro tal como hicimos en el ejemplo al final de este tutorial.

Pero, cuando hablamos de líneas de bombeo de agua el asunto puede tornarse un poco más complicado puesto que se introduce una nueva variable que es precisamente la necesidad de contar con un sistema de bombeo (una o más bombas) el cual permita vencer ese desnivel, ahora negativo, entre los extremos inicial y final de la línea de aducción.

Te podríamos mencionar, al menos, dos opciones posibles para, en nuestro criterio, realizar un predimensionado del diámetro requerido para líneas de aducción por bombeo:

1. Determinación del Diámetro basados en una Velocidad de Diseño

En este caso se parte de la ecuación de continuidad planteada de esta forma:

En la que:

Qd [m³/s]:

Es el caudal de diseño el cual, vale destacar, es conocido en todo momento pues no depende de ningún parámetro hidráulico sino más bien de la función o finalidad de la línea de impulsión. Por ejemplo, en aplicaciones como el abastecimiento de agua, el caudal de diseño depende de la demanda de la población a ser atendida.

Vd [m/s]:

Es la Velocidad de Diseño, un valor que debe ser supuesto por el proyectista bien sea tomándolo de su experiencia o criterio o, de existir, de la normativa vigente en su país.

En este caso, se suele escoger un valor mayor o igual a los 0,60 m/s (valor mínimo para garantizar arrastre de sedimentos) y menor o igual a los 2,5 m/s (a fin de evitar los efectos negativos del golpe de ariete que son probables de aparecer en líneas de aducción por bombeo).

Algunas normas de diseño de abastecimientos suelen presentar tablas con diámetros “económicos” de tuberías para determinados valores de caudal desde los cuales podrías inferir (aplicando nuevamente la ecuación de continuidad) velocidades de diseño a utilizar en esta fórmula. Así que la recomendación es que revises las normas aplicables en tu país para tener una referencia al respecto.

A _mojada [m²]:

Es el área ocupada por el agua dentro de la tubería. Corresponde a la fórmula de área de un círculo, en la que el diámetro será el diámetro interior de la tubería requerido para conducir el caudal de diseño a la velocidad seleccionada.

En función a lo anterior, siempre teniendo en mente que el caudal y la velocidad de diseño son conocidos, se puede despejar el diámetro de la ecuación de continuidad para obtener la siguiente fórmula para determinar el diámetro de cálculo (Dc, en metros) requerido:

2. Determinación del Diámetro Utilizando la Fórmula de Bresse[1]

En realidad, la fórmula de Bresse es una aproximación, digamos básica, a la obtención de un diámetro económico para líneas de impulsión de agua.

Y vale destacar que no es la única que intenta establecer, mediante una fórmula simple, esta aproximación, pudiéndose encontrar otras como la propuesta por Mendiluce.

En todo caso, para bombeo continuo (24 horas de bombeo al día), Bresse propone lo siguiente:

En la que Ko es el coeficiente de Bresse con valor en el orden de 1,3.

Dc y Qd son el diámetro requerido o de cálculo (en metros) y Qd nuestro conocido caudal de diseño (m³/s), respectivamente.

Para el caso de bombeo discontinuo (en los que el bombeo se realiza a menos de 24 horas al día) la fórmula de Bresse se convierte en:

En donde N es el número de horas de bombeo al día y Qb, en m³/s, es el caudal de bombeo:

Así, con cualquiera de las opciones que te hemos presentados obtienes un diámetro requerido (o de cálculo) el cual debes luego aproximar a algún diámetro comercial en función a la información de diámetros internos contenida en catálogos de fabricantes de tuberías en tu país.

¿Cuál es el Problema con estas Fórmulaciones?

En nuestro criterio las anteriores metodologías, por llamarlas de una forma, son apropiadas quizá en líneas de impulsión de agua pequeñas, es decir, aquéllas con diámetros inferiores a los 400 mm. O, como una primera aproximación a lo que podría resultar de realizar un análisis más específico del complejo sistema de Bombeo – Tubería de aducción.

Si analizas bien la fórmula de Bresse verás que el factor Ko es constante (aunque en algunos sitios encontrarás que varía entre 1,2 y 1,5), es decir no se establece en ningún lado que varíe en función de algún otro factor, del caudal por ejemplo.

Esto significaría que utilizarla sería equivalente a diseñar las líneas de aducción por bombeo con una velocidad constante en todo momento.

Es decir, para el valor de 1,3, estaríamos obteniendo el mismo valor de diámetro que obtendríamos si aplicamos el método de la velocidad de diseño con una velocidad del orden de los 0,75 m/s.

Y no es que esto sea inapropiado pero podemos pensar que quizá la velocidad asociada a ese 1,30 sea la velocidad económica para determinado rango de diámetros y no para todos los tamaños de tuberías disponibles en el mercado.

¿No lo crees así?

De hecho, en nuestra experiencia, nunca hemos realizado la selección del diámetro utilizándolas pues somos del criterio que las líneas de conducción por bombeo tienen, en todo caso, que ser analizadas combinando la hidráulica con el factor económico.

Y te lo explicamos a continuación.

¿Por qué se habla de "Diámetro Económico" en Tuberías Abastecidas por Bombeo?

Vamos a presentarte todos los factores involucrados de la forma más sencilla posible puesto que la aplicación de la metodología que conocemos como el Cálculo del Diámetro Económico en Impulsiones es, si no compleja, bastante tediosa. Por ello hemos preparado un práctico curso de determinación del diámetro económico.

Si consideramos la línea de impulsión de agua potable presentada en la siguiente figura:

En la que verás son conocidos el caudal de diseño, la topografía (su perfil longitudinal) así como las elevaciones de agua en los estanques de succión y descarga.

Por supuesto, a este nivel, el diámetro de la aducción no es conocido.

Si te preguntáramos ahora, ¿cuál diámetro utilizarías?

¿cuál sería tu respuesta: 100, 200, 500 mm?

Cualquier número que hayas pensado funcionaría.

¿Nos crees?

Esperamos que sí, pues hay un hecho que no puedes pasar por alto:

La altura de bombeo depende de forma directa de las pérdidas en la tubería (y éstas del diámetro).

Es decir, si planteáramos la ecuación de energía entre succión y descarga tendríamos lo siguiente:

En donde:

HS [m]:

Es la elevación de agua del estanque en el lado de la succión del sistema de bombeo.

ht [m]:

Son las pérdidas totales (por fricción más localizadas).

hts: son las correspondientes a la tubería de succión entre el estanque y el sistema de bombeo que, generalmente, son despreciadas en estos análisis por ser mucho menores a las pérdidas en la línea de aducción.

htd: son las de la línea de aducción por bombeo.

Estas pérdidas dependen directamente del caudal de diseño, del coeficiente de fricción de la tubería, de la longitud así como del diámetro de la línea de aducción. Las evaluamos utilizando la ecuación de Hazen-Williams.

HB [m]:

Es la altura de bombeo o energía que debe incorporar el sistema de bombeo a la línea de aducción para poder realizar la conducción del caudal de diseño

HD [m]:

Es la elevación (generalmente máxima) del agua en el tanque de descarga del sistema.

En nuestro análisis estamos dejando implícito en los términos HS (altura de succión) y HD (altura de Descarga) el concepto de altura estática. Estamos haciendo un análisis en función de alturas piezométricas.

La ecuación anterior nos dice que, para cualquier diámetro que introduzcamos en los términos ht (son los únicos en los que el diámetro aparece), será posible obtener una altura de bombeo (es también incógnita).

Puesto de otra forma, despreciando las pérdidas del lado de la succión (haciendo igual a cero el término hts) y utilizando la ecuación de Hazen-Williams (recuerda revisar este tutorial para tener más detalles sobre las pérdidas de carga) tendríamos para nuestro ejemplo, el siguiente desarrollo:

Con lo cual podrás ahora confirmar que, en la medida que el diámetro sea mayor, menor será la altura de bombeo y viceversa.

Por ejemplo, si pensamos en utilizar 300 mm (asumamos que el diámetro nominal se corresponde con el interior de la tubería en estos cálculos, para no complicarnos mucho):

Y, claro, no hace falta decirte que en la medida que la altura de bombeo sea mayor, mayor será la potencia requerida y, por ende, mayor será el tamaño de los equipos requeridos para conducir el caudal en la línea de conducción por bombeo.

Con todo lo anterior debería quedarte claro que, efectivamente, la aducción por bombeo podría tener cualquier diámetro (dentro de lo razonable, por supuesto, y sin perder de vista el tema de mantener velocidades de flujo razonables en el sistema) dado que, en teoría, sólo tendríamos que buscar la bomba con la potencia suficiente para garantizar la altura requerida para dicho diámetro.

Pero: ¿qué se nos escapa?

El costo, pues no sólo hablamos de suministrar los equipos de bombeo, sino también de operarlos con el consiguiente costo de energía eléctrica y mantenimiento.

Así tendríamos, comparando sólo los costos de construcción de la línea de aducción y del sistema de bombeo lo siguiente:

Suministro + Colocación de Tubería:

El costo se incrementa con el incremento del diámetro

Suministro + Colocación de Equipos de Bombeo:

El costo se reduce con el incremento del diámetro

¿Cuál es entonces el Diámetro Económico de la línea de aducción por bombeo?

La respuesta a esta pregunta involucra realizar un análisis técnico económico del sistema bombeo-línea de aducción para una serie de diámetros “posibles” a fin de obtener para cada caso:

Los costos totales de construcción de tubería.
Los costos totales de construcción del sistema de bombeo.
Los costos de reposición, si es el caso, de equipos de bombeo en el período de diseño considerado para el sistema.
Costos de mantenimiento de tubería y sistema de bombeo.
Costos anuales de suministro de energía al sistema de bombeo.

Así se tendrían, nuevamente para cada diámetro, una serie de inversiones requeridas a lo largo del período de diseño del sistema.

Para cada solución (una por diámetro candidato) se tendrá entonces un costo que debe ser entonces convertido, involucrando el análisis financiero de proyectos, a Valor Presente Neto.

La solución que resulte con el menor valor presente será la que determinará cuál es el diámetro económico de la línea de aducción por bombeo.

Como ves, no resulta entonces tan directo el diseño de las conducciones abastecidas por bombeo, aunque ciertamente en la medida que los caudales de diseño tienden a ser reducidos, es posible basarse únicamente en criterios como el del diseño por velocidad o mediante la fórmula de Bresse para determinar el diámetro.

En todo caso, con miras a ofrecer mayores detalles sobre esta metodología, hemos preparado una serie de vídeos que hemos agrupado en el curso de Determinación del Diámetro Económico en Líneas de Aducción por bombeo, del cual te invitamos a revisar el contenido.

En él verás que, a través de un ejemplo, iremos desarrollando cada una de las etapas del cálculo y, a la vez, iremos mostrándote cómo implementar la metodología en una hoja de cálculo que luego podrás utilizar para evaluar distintos proyectos.

Así que esperamos verte pronto matriculado en el curso.

¡Nos vemos allá!

[1] Abastecimientos de Agua, Teoría y Diseño. Simón Arocha R. Ediciones Vega s.r.l Caracas, Venezuela, 1.980

La entrada ¿Cómo Calcular el Diámetro Económico en Tuberías Abastecidas por Bombeo? apareció primero en Tutoriales al Día - Ingeniería Civil.

Presión Nominal y Diseño de Tuberías por Presión Interna ¿Sabes de qué se trata?

EditorIngCivil — Wed, 21 Oct 2020 22:12:01 +0000

En el diseño de líneas de conducción, específicamente en lo que solemos definir como el diseño de tuberías a presión, el concepto de presión nominal o clase de la tubería aparece como principal elemento de control.

Básicamente la presión nominal es la máxima presión que, en condiciones de operación normal, es capaz de resistir la tubería en función a sus propiedades físicas (material) y geométricas (diámetro, espesor).

Si por ejemplo hablamos de tuberías de acero, es común determinar la presión máxima admisible, o el espesor nominal de tubería, utilizando la fórmula de Barlow tal como explicamos en este tutorial.

Tuberías de otros materiales, como en el caso de la Tubería de Hierro Dúctil o el PVC, al ser tuberías prefabricadas, suelen salir al mercado con una presión nominal estándar, definida en función a la norma o reglamento utilizado por el fabricante.

Por ejemplo, las normas ISO[1] para tuberías de hierro fundido dúctil (HFD) presentan las siguientes clases:

Así, si en el diseño tuberías para una aducción de 900 mm de diámetro y conformada por tubería de Hierro Dúctil fabricada bajo esta norma, se tiene que en determinado punto de su recorrido la presión máxima de operación es de, por ejemplo, unos 235 metros de columna de agua (23,5 Bar) podrás ver, de la tabla anterior, lo siguiente:

De la cual podemos concluir:

La tubería Clase K7 en diámetro nominal 900 mm es capaz de soportar hasta 23 Bar (230 metros de columna de agua), por lo tanto queda descartada a ser éste valor menor que la presión de operación (cierto, la diferencia es mínima, sólo 0,5 bar, y podrías utilizarla sin problemas, pero estamos siendo estrictos numéricamente, por así decir).
Las clases K8 y K9 resisten hasta 27 (270 mca) y 31 (310 mca), respectivamente. Con lo cual podrían ser utilizadas en el punto en cuestión de la aducción.

Si bien es algo que habrás intuido, te queremos destacar el hecho de que, en la medida que la tubería es capaz de resistir mayores presiones, su costo, para el mismo diámetro, se incrementa y, obviamente, parte del diseño de conducciones consiste en minimizar los costos totales.

En este caso observa en la tabla de referencia que el espesor de pared de la tubería, siempre para el mismo diámetro nominal, se incrementa conforme aumenta la clase o presión nominal resistida. Esto no sólo se traduce en mayor costo de fabricación y suministro de la tubería (más material por metro lineal de tubería) sino también en incremento en el costo de colocación pues, como imaginas, es más pesada, disminuyendo los rendimientos de construcción y, por ende, incrementando los costos respectivos.

En el ejemplo previo alguien pudiera pensar que es “más seguro” utilizar tubería clase K9 pero, en términos prácticos, y aceptando que se han realizado los cálculos hidráulicos necesarios para determinar cuál es la presión máxima (estática o dinámica) en el punto en consideración bajo condiciones normales de operación, no se justifica ir más allá del uso de la clase K8.

En el Diseño de Tuberías: ¿Qué se considera como “Condición Normal de Operación”?

Claro, hemos resaltado un par de veces en el texto anterior que la presión de operación a ser comparada con la presión nominal o la clase de la tubería es la que se debe a las condiciones normales de operación de la línea de conducción de agua que estamos diseñando por presión interna.

Recuerda: el diseño de tuberías por presión interna se orienta a que seleccionemos u optimicemos (el tema de los costos que ya referimos) la ubicación de cada clase de tubería a lo largo de la línea de conducción.

Así, se considera como condiciones normales de operación aquéllas que predominarán la mayor parte de la vida operativa de la conducción. Diríamos que son aquéllas condiciones bajo las cuales realizamos el diseño del sistema utilizando conceptos hidráulicos y ecuaciones asociadas al régimen permanente de flujo.

La idea entonces es seguir una secuencia similar a la que definimos a continuación:

1. Realizar el diseño hidráulico de la aducción.

El diseño hidráulico tiene como objetivo principal el determinar el diámetro de la tubería que permite cumplir con el objetivo de la aducción. Como objetivo secundario, el obtener las presiones de operación correspondientes.

Podríamos mencionar las actividades principales para realizarlo:

Determinar el caudal de diseño. Aquí, en atención a la finalidad de la conducción, debemos establecer cuál es el caudal máximo a conducir. Si, por ejemplo, hablamos de una línea de aducción para abastecimiento de agua, en función a la población de diseño de la red de distribución respectiva, determinarás cuál el consumo máximo diario el cual es, en la mayoría de las normativas correspondientes, el caudal de diseño a utilizar.
Determinar el diámetro nominal de la tubería. Aceptando que el caudal es constante a lo largo de toda la aducción (dado que ésta no distribuye agua en su recorrido) tendrás, luego de definir el caudal de diseño, que determinar cuál es la energía disponible entre el inicio y el fin del sistema (según esté abastecida por gravedad o por bombeo) y en atención a esto determinar cuál debe ser su diámetro nominal.
Establecer, en función al perfil longitudinal de la conducción, cuáles son las presiones máximas en régimen permanente (operación normal). Aquí, debes aplicar los conceptos de principio de energía y pérdidas por fricción para poder establecer, en función a las elevaciones en distintos puntos de la aducción de agua, las presiones necesarias para definir posteriormente la presión nominal de la tubería.

2. Realizar el diseño por Presión Interna del Sistema.

Aquí el objetivo es definir, ya en función a las presiones calculadas en la etapa previa, cuáles son las clases de tubería a colocar.

Así, el procedimiento pasa por las siguientes etapas:

Definir, en función al material seleccionado para la conducción, cuáles son las clases o presiones nominales disponibles para el diámetro calculado.

En este caso, tal como hemos referido al inicio, debes recurrir a catálogos de fabricantes de tuberías en tu país a fin de que puedas obtener tablas similares a la mostrada al inicio de este artículo y desde las cuales puedas, en función a la presión en cada punto, escoger la clase correspondiente.

Establecer la ubicación a lo largo de la aducción de la clase o clases necesarias para resistir las respectivas presiones. En este punto es en donde optimizas, por así decir, el diseño de las tuberías por presión interna. Quisiéramos hacerte ver esto en más detalle utilizando una captura de pantalla de uno de los videos del curso de Diseño de Redes de Abastecimiento de Agua que tenemos disponible en la web Cursos Ingeniería Civil:

En el ejemplo utilizado en el referido curso, se presenta el diseño por presión interna de una aducción abastecida por gravedad (cuyo perfil longitudinal ves en línea azul clara en la figura).

En ese diseño se establecen 4 clases de tuberías en función a presiones nominales de 70, 105, 140 y 175 mca (tabla en la parte superior).

Y, de acuerdo a las presiones estáticas calculadas, se define la ubicación de las clases de tubería en el referido perfil (flechas en colores sobre el gráfico y última columna de la tabla a la izquierda).

Observa que en este ejemplo, la presión máxima es del orden de los 152 metros de columna de agua (mca) la cual se registra en el punto de menor cota del perfil longitudinal (progresiva 3+000 aproximadamente).

Si nos fuéramos por la vía “más segura”, podrías pensar que con seleccionar la tubería clase 4 (que resiste hasta 175 mca) para todos los 4027 metros de la aducción sería una solución.

¿Pero te parece la solución más económica?

¿Piensas que se justifica colocar esta clase de tubería en puntos de la aducción en donde la presión de operación máxima es de tan sólo 12 mca?

Ciertamente la respuesta a ambas preguntas es NO.

Es por ello que verás que el diseño de tuberías por presión interna resultante en el ejemplo, concluye con la colocación de los 4 tipos disponibles a lo largo de la aducción:

Claro, todo el proceso se ha realizado utilizando hojas de cálculo que permitan precisamente obtener las presiones máximas en la mayor cantidad de puntos posibles del perfil longitudinal de la aducción, con miras a definir adecuadamente la ubicación de cada clase de tubería.

Y después del diseño por presión interna de la aducción ¿Qué falta por hacer?

Si bien te hemos hablado de las condiciones de operación normal como punto de referencia para el diseño por presión interna de aducciones, hay un último paso a realizar.

Este paso involucra realizar la revisión de la aducción para condiciones de operación de emergencia o atípicas.

Un ejemplo de este tipo de operación atípica, es la ocurrencia del fenómeno del golpe de ariete en la aducción.

El golpe de ariete en términos básicos puede generarse por operación inadecuada de válvulas que pudieran existir en la línea de aducción o, más frecuentemente, en aducciones abastecidas por bombeo en las cuales, ante la falla de energía eléctrica, los equipos se detienen de forma inesperada.

Al sucederse el golpe de ariete (un fenómeno que se estudia utilizando conceptos de la hidráulica aplicables al régimen no permanente) pueden generarse presiones mucho mayores a las que hemos estimado para condiciones de operación normal en la aducción lo cual, como imaginarás, excedería eventualmente la presión nominal de las tuberías que hemos colocado como parte de nuestro diseño por presión interna.

Esto podría hacer colapsar físicamente al sistema, con las consecuencias correspondientes.

Así, una última tarea a necesaria en nuestro diseño por presión interna de la aducción es la de realizar el cálculo de las presiones máximas que se generarán en la aducción ante la aparición del golpe de ariete.

Esta tarea, al menos en forma preliminar, puede ser realizada de forma manual, tal como explicamos en el curso de diseño de redes de abastecimiento de agua, y está orientada a que determinemos, nuevamente para cada punto característico del perfil longitudinal de la aducción, cuál es la presión máxima bajo esta condición.

Así, al compararla con la presión nominal, se determinaría si hay que implementar alguna modificación al diseño, como podría ser:

Incremento de la presión nominal de la tubería en el punto en consideración: Cambio de clase (Tuberías prefabricadas) o aumento de espesor nominal (Tuberías de Acero).
Adición de dispositivos amortiguadores de la presión resultante del golpe de ariete que permitan proteger a la tubería de la excedencia de su presión nominal.

En realidad esto ya es un tema bastante complejo del cual te sugerimos investigues un poco a fin de conocer los métodos manuales existentes para el cálculo.

¿Y ahora?

Pues hemos realizado un esquema de los aspectos involucrados en el diseño por presión interna de tuberías para el abastecimiento de agua.

La ventaja de todo esto es que la mayor parte del trabajo involucra cálculos que pueden ser realizados fácilmente con el apoyo de hojas de cálculo y ecuaciones relativamente simples de la hidráulica de tuberías.

Nuestra recomendación, si deseas ahondar en este tema, es que te matricules en el curso de Diseño de redes de abastecimiento de agua potable, en el cual, en su módulo 5 cubrimos en detalle, con cinco vídeos, este tema del diseño por presión interna de aducciones:

Verás que no sólo estudiamos el caso de aducciones por gravedad sino que también analizamos los cambios que encontrarás si el diseño es para una aducción abastecida por bombeo.

En todo caso quedamos atentos a tus comentarios.

Manual Internacional de Tubería. ACIPCO. 2da. Edición. 1.999.
Curso de Diseño de Diseño de Redes de Abastecimiento de Agua del Aula Virtual de Tutoriales al Día publicado en Cursos Ingeniería Civil, Octubre 2020.

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¿Cómo presenta EPANET los resultados del Cálculo de Sistemas de Distribución de Agua Potable?

EditorIngCivil — Mon, 19 Oct 2020 09:30:00 +0000

En nuestro primer artículo de EPANET, te hablamos de todo lo que se puede realizar con él en lo que respecta al diseño de Redes de Distribución. Allí también te indicamos en donde puedes descargarlo de forma gratuita y completamente funcional. Así que si aún no lo tienes, revisa aquí para que lo descargues e instales.

La Ventana Principal de EPANET

Una vez instalado el programa en tu computador, la ventana Principal de EPANET será similar a la presentada en la siguiente figura, en la cual destacamos los componentes principales:

Como la mayoría de los programas de WINDOWS® la ventana principal del programa te ofrece Menús y Barras de Herramientas para la creación y edición de los elementos del modelo así como para la presentación de resultados en forma de tablas y/o gráficos. Más adelante verás que tan versátil es en este aspecto de presentación de resultados.

En la Ventana del Plano de Red podrás crear, como si de dibujar en programas CAD se tratara, los componentes del Sistema de Distribución de Agua Potable a modelar.

Varias cosas con las que no Cuenta EPANET

Ciertamente hemos dicho anteriormente que EPANET es un programa muy potente, pero la falta de actualización por parte de la EPA (Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de Norteamérica), no ha permitido que el programa cuente con aspectos que permitan:

Deshacer y Rehacer acciones, así que no te confíes cuando trabajes con él. Guarda siempre una versión “funcional” por si modificas parámetros que, luego, no podrás deshacer.
Facilitar el dibujo y visualización de la Red. Aun cuando no es de esperarse que sea tan “completo” como cualquier programa moderno de CAD (AUTOCAD, por ejemplo), es cierto que las herramientas de visualización de EPANET son algo limitadas, lo cual hace que en ocasiones la ampliación de la vista a zonas específicas del dibujo cause alguna que otra “insatisfacción” por parte del usuario.
Integración con Bases de datos o Sistemas de Información Geográfica. EPANET cuenta con herramientas para la importación de datos más bien básicas, no aceptando siquiera archivos de texto o provenientes de bases de datos u hojas de cálculo para tal fin. Aun así, hay que decir, que al ser un programa de código abierto, permite la personalización para aquellos que tienen conocimientos básicos de programación.
Contrario a lo que muchas personas esperan (o desean), EPANET no diseña la Red de Distribución ni calcula sus demandas, ese trabajo nos lo deja a los Ingenieros Civiles, para que no nos quedemos sin trabajo.

¿Cómo Presenta EPANET los Resultados del Cálculo?

Uno de los aspectos que hacen de EPANET uno de los mejores programas disponibles para el análisis de Sistemas de Distribución de Agua Potable es la parte visual, específicamente en la forma en que presenta los resultados.

A través de una Leyenda de Colores es posible conocer, por ejemplo, cuáles tuberías tienen velocidades de flujo fuera de determinado rango o, que zonas (Nudos o Nodos) de la red exceden determinada Presión:

Una forma quizá un poco más avanzada, en el caso de establecer las zonas con presiones elevadas (o bajas, también podría ser), es utilizando la opción Gráfico de Contorno:

Como vemos, al menos en la parte gráfica, EPANET ofrece varias formas de visualización de los resultados que, en cualquier caso, facilitará el análisis que, como Ingenieros, tendremos que realizar de la distribución en el sistema.

Adicionalmente, cuando se trata ya de un análisis más cuantitativo, podremos presentar también los resultados en formas de tabla o gráficos:

Así que, pese a lo “rígida” que resulta la interfaz, verás que de forma práctica el análisis de resultados en el cálculo de Sistemas de Distribución de Agua Potable con EPANET es muy potente.

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Selección de equipos de bombeo operando en serie

EditorIngCivil — Tue, 02 Sep 2014 17:04:28 +0000

Ya hemos visto qué es la curva característica de una bomba centrífuga así como la determinación de lo que sería la curva característica de una tubería de impulsión o aducción por bombeo.

Ahora, cuando se trata de combinar estas curvas, buscando realizar la caracterización hidráulica de un sistema abastecido por una estación de bombeo (en la que de seguro habrá más de una bomba operando simultáneamente), debes combinar varios aspectos como la utilización de las curvas características de determinado fabricante de bombas centrífugas así como el tipo de asociación que realizarás con los equipos: en serie o en paralelo.

En la siguiente presentación, verás cómo se realiza la selección de los equipos de bombeo en una aducción por bombeo en función de lograr conducir a través de ella un caudal específico (el caudal de diseño del sistema).

El ejemplo en cuestión, como verás, tiene dos particularidades:

Considera o incluye en la caracterización, las pérdidas de carga en la tubería de succión a la estación de bombeo. Una simplificación común es la de despreciar estas pérdidas dado que, por lo general, esta tubería, comparada con la longitud de la tubería de impulsión, suele ser muy pequeña, generando así pérdidas de carga despreciables. Aquí sucede lo contrario.
Se supone que no existe la posibilidad de seleccionar un único equipo para lograr conducir el caudal buscado hacia el estanque de descarga y, en atención a ésto, se opta por asociar en serie a dos de los equipos disponibles para lograr este fin.

Verás entonces que el video ofrece una vista bastante práctica de la realización de esta caracterización, logrando así obtener al final un caudal algo superior al requerido con la operación de los dos equipos en serie.

Así que esperamos que sea de tu agrado y utilidad:

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¿Conoces a las Referencias Externas (XREF) en AUTOCAD?

EditorIngCivil — Mon, 04 Aug 2014 09:30:24 +0000

Una referencia externa en AUTOCAD es un “dibujo dentro de un dibujo”. En otras palabras, es un dibujo de AUTOCAD que existe como un enlace dentro del dibujo en el que actualmente estés trabajando. Por supuesto que podrás visualizar el contenido de dicho dibujo pero sin poder realizar modificaciones, al menos que así lo requieras.

El uso de las referencias externas en AUTOCAD es una buena manera de tener capas de información dentro de un dibujo, sin necesidad de incluir en él las diversas entidades gráficas que lo conforman. Así, en función del objetivo final del dibujo que estás realizando, podrás establecer cuál es la información a referenciar a través de esta herramienta de AUTOCAD.

¿Cuándo utilizar las Referencias Externas en AUTOCAD?

Supón que eres el encargado de realizar el dibujo de las instalaciones sanitarias en una edificación.

Para esta labor requieres contar con el dibujo de la planta sobre la cual se implantarán las instalaciones (la planta arquitectónica).

Dado que los alcances de tu trabajo se limitan sólo al trazado de tuberías y piezas especiales, no es necesario que tengas que realizar labores de edición o modificación en lo que sería la planta arquitectónica. Entonces: ¿Para qué tener que incluir en tu archivo de dibujo a las entidades gráficas que conforman a esta planta?

Todo lo que debes hacer es crear una referencia externa para incluir a la planta de la edificación como una especie de “bloque de AUTOCAD” en tu dibujo y, así, crear en él las instalaciones en cuestión.

Nota que con esta opción es posible que el encargado de realizar el dibujo arquitectónico pueda realizar modificaciones sin tener que remitirte a ti un nuevo archivo de dibujo ya que, al ser una referencia en tu dibujo, ésta se actualizará automáticamente. ¡Trabajo colaborativo en acción!

Otra de las ventajas del uso de referencias externas en AUTOCAD es que te permite trabajar con archivos de gran tamaño, sin tener que “cargarlos” completamente. Puedes utilizar herramientas como la de Delimitar para definir sólo una porción visible del archivo referenciado en tu dibujo.

Por otro lado, al ser simples enlaces dentro de tu dibujo, de por sí el tamaño de un archivo en el que uses referencias externas en AUTOCAD será inferior a aquél que contenga todos los objetos en todas las capas de información en tu dibujo.

¿Cómo crear una Referencia Externa en AUTOCAD?

Veremos la aplicación del ejemplo del dibujado de las instalaciones en un archivo en el que se tiene la distribución arquitectónica de un mini local. Partiremos entonces desde un nuevo archivo de dibujo, en el que realizaremos el dibujado de las tuberías y piezas de la instalación de desagües sanitarios del local.

Veamos los pasos a realizar:

1. Crear una nueva capa (Layer) para contener a la Referencia Externa de AUTOCAD.

La práctica de crear capas para contener y manipular la información de nuestro dibujo, ya lo hemos discutido en tutoriales previos.

En este caso optamos por crear una nueva capa para contener a nuestra referencia a la planta arquitectónica. La hemos denominado XREF_Planta:

Asegúrate de colocar a esta capa como activa o actual antes de pasar al siguiente paso.

2. Crear la Referencia al Archivo con el dibujo de la Planta Arquitectónica.

Si vas a la ficha Insertar, verás el panel Referencia, el cual es el que contiene a todas las funciones para trabajar con Referencias Externas en AUTOCAD.

Para crear la referencia, es decir, establecer el “enlace” con el archivo de dibujo, haz clic en el botón Enlazar:

Se presentará el diálogo Seleccionar archivo de referencia, desde el cual seleccionaremos Archivos de tipo: Dibujo (*.dwg) así como el archivo que utilizaremos como base:

Nota que en la lista “Archivos de tipo:” tienes la opción de crear referencias externas no sólo a archivos de dibujo de AUTOCAD, sino también a imágenes y archivos en formato PDF, entre otros.

Cuando pulsas el botón Abrir, accederás al diálogo de configuración de la referencia externa, es decir aquél en donde especificarás el punto de inserción, escala, Rotación y otros parámetros.

Para nuestro ejemplo mantendremos las opciones presentadas en la figura:

Destacando las siguientes acotaciones con respecto a dos de ellas:

Tipo de Ruta

Recuerda que, para los efectos de AUTOCAD, aquí estamos creando un enlace a un archivo el cual ha de tener una ubicación determinada en el disco duro de tu computadora u ordenador (preferiblemente ha de ser la misma carpeta o directorio en el que está tu dibujo actual). Así que en este campo encontrarás tres opciones:

Ruta Relativa. Si el archivo referenciado está en el mismo directorio que el archivo de trabajo (el caso en nuestro ejemplo) ésta es la opción a seleccionar. Aquí AUTOCAD guardará la ubicación del archivo de referencia de forma relativa a la ubicación del archivo de trabajo. Así, si mueves tus dibujos desde tu computador a otro, en el que respetes la estructura de las carpetas originales, AUTOCAD no tendrá problema en localizar al archivo referenciado. Ésta es la opción más comúnmente utilizada.
Ruta Completa. Con esta opción, ideal para los casos en los que el archivo referenciado se encuentra en una ubicación distinta a la del archivo que la recibirá, AUTOCAD guardará la ruta completa (incluyendo el nombre de la unidad de disco duro o de red) a dicho archivo. El problema aquí será que, cuando muevas tu archivo de trabajo a otra ubicación, se perderá el enlace. Así que cuidado con esta opción.
Sin Ruta. Aquí AUTOCAD asume que el archivo utilizado como referencia externa está ubicado en la misma carpeta o directorio en el que está el archivo de trabajo, almacenando sólo el nombre del archivo referenciado.

Tipo de Referencia

Este campo te permitirá establecer si las referencias que estás insertando en el dibujo son visibles cuando tu dibujo es referenciado en otros. ¿Complicado? Desarrollemos el ejemplo:

Con la opción Enlazar estás, por así decir, incorporando a la referencia como parte de tu dibujo. En nuestro ejemplo si un tercer dibujante crea una referencia externa al dibujo de las Instalaciones que vamos a crear verás no sólo a éstas sino también a la planta arquitectónica.
Si utilizas la opción Superponer para agregar la referencia externa a la planta arquitectónica, cuando el dibujo de las instalaciones sea referenciado por éste tercer dibujante, el no verá en su dibujo a la planta en cuestión.

Por lo general, utilizaremos la opción Enlazar, para lograr que la información se presente de forma completa y consistente.

Seleccionadas las opciones, pulsa Aceptar para ver el resultado:

Verás que el dibujo utilizado como referencia se presenta como un objeto no siendo posible la edición de sus objetos. (Al menos no de forma directa).

3. ¡Realiza tu dibujo!

A partir de aquí, sólo te queda crear las entidades que conformarán el dibujo para el cual necesitas la referencia externa en AUTOCAD.

En nuestro caso, te presentamos una porción de la vista, una vez terminamos el dibujado de las tuberías y piezas de la instalación de desagües:

Una posibilidad que tienes con las referencias externas, es la de utilizar la herramienta de difuminado, de forma tal de hacer más o menos visible al dibujo asociado:

La entrada ¿Conoces a las Referencias Externas (XREF) en AUTOCAD? apareció primero en Tutoriales al Día - Ingeniería Civil.