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Evaluaci�n de dimensionamiento hidr�ulico seg�n Norma CO 10.7-602, para captaci�n y conducci�n de agua de vertiente, caso de estudio Comunidad San Vicente

 

Evaluation of hydraulic sizing according to Standard CO 10.7-602, for catchment and conduction of spring water, case study San Vicente Community

 

Avalia��o de dimensionamento hidr�ulico conforme Norma CO 10.7-602, para capta��o e condu��o de �gua de nascente, estudo de caso Comunidade S�o Vicente

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: lenin.orozco@unach.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnica y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de mayo de 2023 *Aceptado: 12 de junio de 2023 * Publicado: �30 de julio de 2023

 

1. Universidad Nacional de Chimborazo; Riobamba, Ecuador.
2. Proyectos Integrales del Ecuador PIL S.A; Orellana, Ecuador.�������
3. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica; Riobamba, Ecuador.
4. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica; Riobamba, Ecuador.

Resumen

Los proyectos de abastecimiento de agua a comunidades en la zona central del Ecuador han sido, desde muchos a�os atr�s, pilares en el desarrollo socio econ�mico de las mismas, m�s a�n si comprendemos que el abastecimiento del l�quido vital determinar� el crecimiento y desenvolvimiento en todo �mbito. Estos proyectos en su mayor�a no contaban con par�metros t�cnicos rigurosos al momento de su construcci�n a oesar de contemplar varias etapas que van desde la captaci�n en la fuente hasta la distribuci�n y uso final por los consumidores El presente caso de estudio muestra una evaluaci�n al dise�o y dimensionamiento hidr�ulico, desde el punto de vista de la Norma CO 10.7-602 del C�digo ecuatoriano para el dise�o de la Construcci�n de Obras Sanitarias. Este c�digo presenta varios par�metros actualizados para poder generar un dimensionamiento del sistema de tuber�as para al menos 20 a�os a futuro. Se realizo un levantamiento de datos de las instalaciones existentes en la Comunidad San Vicente de Lacas, como medidas del sistema actual, materiales de construcci�n, consumos de los pobladores. Finalmente se obtiene una valoraci�n positiva de las instalaciones y se realizan recomendaciones al sistema para precautelar la integridad mec�nica de las tuber�as por los valores de presi�n en los puntos mas bajos de la l�nea de conducci�n.

Palabras Clave: Sistemas de distribuci�n de agua; par�metros de construcci�n para instalaciones hidr�ulicas; C�digo ecuatoriano de la construcci�n.

 

Abstract

The water supply projects to communities in the central zone of Ecuador have been, for many years, pillars in their socio-economic development, even more so if we understand that the supply of the vital liquid will determine the growth and development in all areas. . Most of these projects did not have rigorous technical parameters at the time of their construction, despite having to contemplate several stages that go from collection at the source to distribution and final use by consumers. This case study shows an evaluation of the design and hydraulic dimensioning, from the point of view of Standard CO 10.7-602 of the Ecuadorian Code for the design of the Construction of Sanitary Works. This code presents several updated parameters in order to generate a dimensioning of the piping system for at least 20 years in the future. A data survey of the existing facilities in the San Vicente de Lacas Community was carried out, such as measurements of the current system, construction materials, consumption of the inhabitants. Finally, a positive evaluation of the facilities is obtained and recommendations are made to the system to protect the mechanical integrity of the pipes due to the pressure values at the lowest points of the conduction line.

Keywords: Water distribution systems; construction parameters for hydraulic facilities; Ecuadorian Building Code.

 

Resumo

Os projetos de abastecimento de �gua �s comunidades da zona central do Equador t�m sido, por muitos anos, pilares em seu desenvolvimento socioecon�mico, ainda mais se entendermos que o abastecimento do l�quido vital determinar� o crescimento e desenvolvimento em todas as �reas. . A maioria desses empreendimentos n�o teve par�metros t�cnicos rigorosos na �poca de sua constru��o, apesar de terem que contemplar v�rias etapas que v�o desde a capta��o na fonte at� a distribui��o e uso final pelos consumidores.Este estudo de caso mostra uma avalia��o do projeto e dimensionamento hidr�ulico , do ponto de vista da Norma CO 10.7-602 do C�digo Equatoriano para o Projeto de Constru��o de Obras Sanit�rias. Este c�digo apresenta v�rios par�metros atualizados para gerar um dimensionamento do sistema de tubula��o para pelo menos 20 anos no futuro. Foi realizado um levantamento de dados das instala��es existentes na Comunidade S�o Vicente de Lacas, como medi��es do sistema atual, materiais de constru��o, consumo dos moradores. Por fim, obt�m-se uma avalia��o positiva das instala��es e s�o feitas recomenda��es ao sistema para proteger a integridade mec�nica das tubagens devido aos valores de press�o nos pontos mais baixos da linha de condu��o.

Palavras-chave: Sistemas de distribui��o de �gua; par�metros construtivos de instala��es hidr�ulicas; C�digo de constru��o equatoriano.

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Introducci�n

La Comunidad San Vicente de Lacas a 2850 m.s.n.m., pertenece al cant�n Riobamba, provincia de Chimborazo. Los habitantes tienen como ocupaci�n principal la agricultura, comercializan productos agr�colas y un n�mero alto son jornaleros de la construcci�n.

A�os atr�s la comunidad se abastec�a de agua potable dotada por el Municipio de Riobamba pero por la carencia del l�quido vital surge la necesidad de buscar una soluci�n para este inconveniente; es as� que en el a�o 2001 se toma la decisi�n de realizar el proyecto del sistema de agua potable para la comunidad, en tal virtud el mismo a�o LA AGENCIA DE AGUAS DE RIOBAMBA DEL CONSEJO NACIONAL DE RECURSOS H�DRICOS, ADMINISTRANDO JUSTICIA EN NOMBRE DE LA REP�BLICA Y POR AUTORIDAD DE LA LEY, resuelve: En el Proceso # 3739-2001, conceder al directorio de aguas de la comunidad San Vicente de Lacas, el aprovechamiento del agua proveniente de las vertientes determinadas como 1, 2, 3 de la quebrada Pailaguayco en un tramo de 150 metros comprendido entre cotas 3060 y 3070 m.s.n.m. y de los remanentes que produce bajo la carretera y el canal de riego Quimiag en esa misma quebrada, el caudal de 3,54 l/seg para que lo destinen a uso dom�stico de unos 1540 habitantes y abrevaderos de animales, en concesi�n� a plazo indefinido y exentos de pago por razones de Ley.

En marzo del 2006 entra en funcionamiento el sistema de agua potable, el mismo que est� conformado por la captaci�n, un sedimentador ubicados en las vertientes, y la planta de tratamiento situada en la comunidad San Vicente de Lacas; esta a su vez est� constituida por un filtro de arena lento y el tanque de distribuci�n; lugar en el que se realizaba la cloraci�n� por goteo considerando un caudal de ingreso de agua constante sin tomar en cuenta la variaci�n de las condiciones clim�ticas que influyen dr�sticamente en las propiedades� f�sico-qu�micas y microbiol�gicas del agua y por lo tanto en la calidad de la misma.

Para la comunidad San Vicente de Lacas el estudio de las vertientes denot� que no existen fuentes cercanas de abastecimiento. Las que servir�n a los moradores de acuerdo a la adjudicaci�n por parte del Consejo Nacional de Recursos H�dricos (CNRH) son dos vertientes de afloramiento superficial que suministran un caudal de 0,10 l/s, y una fuente de agua superficial, r�o Paylahuaico, que tiene un caudal medido en verano de 10,50 l/s, las mismas que se encuentran ubicadas en el sector de la quebrada de Paylahuaico, cant�n Chambo, provincia del Chimborazo.

 

Metodolog�a �

Descripci�n de las partes del Sistema hidr�ulico

El sistema de suministro de agua potable para la comunidad est� conformado por las siguientes unidades:

�       Captaciones

�       Conducci�n

�       Desarenador

�       Tratamiento

�       Reserva

�       Red de distribuci�n

1.�� Captaciones y desarenador. Las captaciones se ubican, en la quebrada de Paylahuaico a una cota de 3050,41 msnm y est�n constituidas por dos vertientes de afloramiento superficial y una fuente de agua superficial (r�o Paylahuaico).

 

La captaci�n de la fuente superficial se la realiza mediante un azud con rejilla de fondo, construido en hormig�n cicl�peo f�c=210 kg/cm�.

El agua que ingresa por la rejilla se conduce a trav�s de una tuber�a de PVC de 160 mm y es trasladada hacia una caja reguladora de caudal, la misma que es de hormig�n simple de f�c=210 kg/cm�. Esta caja reguladora de caudal posee un vertedero de excesos por donde se elimina el agua sobrante que ingresa, lo cual garantiza que la captaci�n sea de 5,2 l/s. Desde dicha caja el agua se conduce hacia el sedimentador a trav�s de una tuber�a de hierro galvanizado de 3 plg.

Figura 1. Captaci�n de rio Paylahuaico hacia caja reguladora de caudal

En tanto que la captaci�n de agua para cada una de la vertientes se la realiza desde una c�mara de captaci�n construida en hormig�n armado junto a la quebrada, dentro de estas c�maras el agua cae en el piso y es conducida por tuber�as de hierro galvanizado de 2 plg hacia el sedimentador, en el mismo punto donde desemboca el agua proveniente del r�o.

 

 

 

Figura 2. C�mara d captaci�n de vertientes de Paylahuaico

Junto a los puntos de captaci�n est� el sedimentador, cuya salida se encuentra a 3049,81 m.s.n.m.

 

Figura 3. Sedimentador

 

2.�� Conducci�n. La conducci�n que se realiza desde la captaci�n hacia la comunidad San Vicente de Lacas es totalmente por gravedad, habi�ndose establecido tramos de tuber�a bien diferenciados de acuerdo a las caracter�sticas del terreno, los di�metros y longitudes de tuber�as se encuentran en los planos. En todos los casos la tuber�a es de PVC y est� enterrada, a excepci�n de un tramo de 90m debido a que en esta parte la conducci�n pasa por encima del r�o Chambo. La longitud total de tuber�a desde la captaci�n hasta la llegada al tanque de distribuci�n es de 7222,1 m.

Por cuesti�n de la diferencia de alturas entre la captaci�n y el tanque de distribuci�n que es de 262,31 m; la conducci�n se compone de cuatro tanques rompe presiones con sus respectivas v�lvulas para la operaci�n y el mantenimiento. Las cotas a las que se encuentran estos rompe presiones consecutivamente son: rompe presi�n 1 = 2996,36 msnm; rompe presi�n 2 = 2951,69 msnm; rompe presi�n 3 = 2881,8 msnm; rompe presi�n 4 = 2832,25 msnm. Consecuentemente el tanque de distribuci�n se encuentra a 2787,5 msnm.

3.�� Desarenador. El desarenador tiene como objetivo eliminar part�culas m�s pesadas que el agua y que tienen un tama�o superior a 200 μm, sobre todo arenas pero tambi�n otras sustancias como c�scaras y semillas que eventualmente puede arrastrar el agua que fue conducida. La manera en la que cumple su objetivo es disminuyendo la velocidad del fluido que lleva part�culas, ya por su forma alargada produce el descenso de estas por gravedad.

 

En la comunidad, por tratarse de captaciones de tipo superficial se hace necesaria la presencia de este elemento, que est� construido en hormig�n simple, dimensionado para un caudal de 5,2 l/s y un per�odo de retenci�n de 34 minutos con una carga superficial de 55 m�/m�/d�a y una profundidad de 1,3 m. Las dimensiones del desarenador cumplen con normas de dise�o.

El desarenador consta de una estructura de entrada en hormig�n simple de tal manera que se reparta el agua de manera uniforme dentro del desarenador. La estructura de salida tambi�n ser� de del mismo material y se construir� para que no produzca turbulencia a la salida del agua; adem�s, para el lavado del desarenador se ha considerado una compuerta met�lica con volante de 0,3 x 0,4 m y se conectar� a una caja de revisi�n.

4.�� Tratamiento. De acuerdo con los an�lisis fisicoqu�mico y microbiol�gico efectuados al agua de las vertientes, el l�quido a tratarse presenta aceptables caracter�sticas que lo hace apto para el consumo humano debiendo tener un proceso de potabilizaci�n necesariamente.

 

Como parte de este proceso de potabilizaci�n consta un filtro convencional lento descendente dise�ado para un caudal de 5,68 l/s; con una tasa de filtraci�n de 0,19 m/h y una profundidad de 2,6 m. La construcci�n realizada en hormig�n armado consta de dos unidades paralelas de filtraci�n cada uno de 10 m de largo y 5,50 m de ancho.

5.�� Reserva. El volumen de reserva que posee la comunidad es de 100 m�, el tanque que contiene este volumen es de forma circular y construido de ferrocemento. Est� constituido por una c�mara de v�lvulas para desag�e, desborde y salida del l�quido a la red de distribuci�n.

La alimentaci�n a la reserva desde los filtros lentos es por medio de una tuber�a de 90 mm de PVC con sus respectivos accesorios

 

Evaluaci�n hidr�ulica

 

Figura 4. Esquema de un sistema hidr�ulico por gravedad [3]

 

Es importante que los dise�os de sistemas de agua potable, as� como los de disposici�n de excretas y residuos l�quidos, se realicen dentro de un marco adecuado para la realidad de las poblaciones rurales ecuatorianas. En este sentido existe una norma que considera la aplicaci�n de tecnolog�as apropiadas para dicho fin, se trata del �C�digo ecuatoriano para el dise�o de la construcci�n de obras sanitarias� NORMA CO 10.7� 602. Norma que forma parte del c�digo ecuatoriano de la construcci�n.

Esta norma ofrece un conjunto de especificaciones b�sicas para el dise�o de sistemas de� abastecimiento de agua potable con un alcance nacional, es decir que instituciones p�blicas o privadas que tengan a cargo el dise�o o fiscalizaci�n de sistemas de abastecimiento de agua potable deber�n cumplir con las obligaciones de esta norma.

6.�� Bases de dise�o. Se trata de definir los par�metros que se utilizan en el dise�o de sistemas de abastecimiento de agua potable, seg�n la NORMA antes mencionada, estas bases de dise�o se componen de los siguientes par�metros:

�       Per�odo de dise�o

�       Poblaci�n futura o de dise�o

�       Nivel de servicio

�       Fugas

�       Dotaciones

�       Caudal medio

�       Caudal m�ximo diario

�       Caudal m�ximo horario

�       Caudales y volumen para dise�o

 

7.�� Per�odo de dise�o. Es el lapso durante el cual la obra cumple su funci�n satisfactoria y eficientemente sin necesidad de ampliaciones; se toma en cuenta la durabilidad de las instalaciones, factibilidad de construcci�n, tendencia de crecimiento poblacional, entre otras. Seg�n la normativa se considera un per�odo de dise�o de 20 a�os para construcciones civiles, los equipos est�n dise�ados para un per�odo de vida determinado por el fabricante.

En nuestro caso de estudio, el sistema ha funcionado a partir del a�o 2006, en tal raz�n el per�odo de dise�o para la evaluaci�n es de 15 a�os.

8.�� Poblaci�n futura o de dise�o. La poblaci�n de dise�o se calcula en base a la poblaci�n actual mediante un censo o recuento poblacional.

La comunidad San Vicente de Lacas alberga a 1280 habitantes, representadas en 280 jefes de familia. Debido a las caracter�sticas socio econ�micas de la comunidad, no presenta poblaci�n flotante, pero por cuestiones de seguridad en el dise�o se asume el valor del 2%, que significan 26 habitantes. Resultando una poblaci�n actual .

Para el c�lculo de la poblaci�n futura se emplea el m�todo de porcentaje uniforme de crecimiento. Que consiste en suponer que la proporci�n de crecimiento sigue una ley de inter�s compuesto, correspondiendo a la expresi�n:

En donde:

: Poblaci�n futura

: Poblaci�n actual

: Tasa de crecimiento poblacional

: Periodo de dise�o (a�os)

 

 

Tabla 1. Tasas de crecimiento poblacional

Fuente: CONDE, INEC, CELADE, Ecuador. Estimaciones y Proyecciones de Poblaci�n 1950-2010

 

Esta ecuaci�n est� indicada para comunidades j�venes con buenas perspectivas de futuro, horizontes libres y porvenir econ�mico despejado.

Para el c�lculo de la tasa de crecimiento poblacional, se tomar� como base los datos estad�sticos proporcionados por los censos nacionales y recuentos sanitarios. A esta comunidad es preferible tratarla como un sector urbano marginal y no como sector rural, dado que los sectores rurales, actualmente poseen �ndices de crecimiento negativos.

Contando con todos los datos se obtiene:

Se adopta una poblaci�n de dise�o de

9.�� Niveles de servicio. La tabla muestra los niveles de servicio aplicables para programas de abastecimiento de agua. El nivel que corresponde nuestro sistema es IIb, conexiones domiciliarias con m�s de un grifo por casa y sistema de alcantarillado sanitario.

 

Tabla 2. Nivel de servicio para sistemas de abastecimiento de agua, disposici�n de excretas y residuos l�quidos.

Fuente: C�digo ecuatoriano de la construcci�n. NORMA 10.7 � 602 PAG 21

 

10.��        Fugas. Para el c�lculo de los diferentes caudales de dise�o, se tomar� en cuenta por concepto de fugas los porcentajes indicados en la siguiente tabla que se indica a continuaci�n:

 

Tabla 3. Porcentaje de fugas a considerarse en el dise�o de sistema de abastecimiento de agua.

Fuente: C�digo ecuatoriano de la construcci�n. NORMA 10.7 � 602 [4]

El porcentaje de fugas obtenido es del 20%

 

11.��        Dotaciones. La tabla siguiente muestra las dotaciones, seg�n los niveles de servicio.

 

 

 

 

 

Tabla4. Dotaciones de agua para los diferentes niveles de servicio.

Fuente: C�digo ecuatoriano de la construcci�n. NORMA 10.7 � 602

Este valor es muy bajo, en la realidad de la comunidad. El consumo de agua en San Vicente a partir del mes de diciembre del a�o pasado es el que se muestra en la siguiente tabla:

Tabla5. Consumo mensual de agua comunidad San Vicente de Lacas

El pico de consumo ocurre en el mes de marzo con 4875 m�

Si la poblaci�n actual es �el consumo de agua diario de cada habitante ser�a:

Considerando que las medidas del caudal se las realiza con medidor de agua potable de turbina de chorro simple, el margen de error se lo considera de , la dotaci�n futura para c�lculos de dise�o ser�a, considerando el valor m�s alto:

 

 

Figura6. Medidor de agua potable de turbina

 

12.��        Caudal medio (). El caudal medio se calcula mediante la ecuaci�n

En donde:

: Caudal medio (l/s)

: Factor de fugas

: Poblaci�n de dise�o

: Dotaci�n futura (l/hab� d�a)

En consecuencia tenemos:

13.��        Caudal m�ximo diario (QMD). El caudal m�ximo diario se calcula mediante la siguiente ecuaci�n:

En donde:

: Caudal m�ximo diario

: Factor de mayoracion m�ximo diario, cuyo valor es de 1,25 para todos los niveles de servicio; seg�n la NORMA 10.7 � 602

El factor de mayoraci�n se utiliza en virtud de que los consumos diarios pueden verse afectados por cambios fuertes en las actividades de la poblaci�n seg�n las diferentes �pocas del a�o.

Entonces tenemos:

14.��        Caudal m�ximo horario (QMH). El caudal m�ximo horario se lo determinar� con la siguiente ecuaci�n:

En donde:

: Caudal m�ximo horario

: Factor de mayoraci�n m�ximo diario, cuyo valor es de 3 para todos los niveles de servicio; seg�n la NORMA 10.7 � 602

El factor de mayoraci�n, en este caso, es un valor con el cual se puede cubrir los consumos m�ximos m�s frecuentes en las horas pico de utilizaci�n del l�quido vital.

Entonces tenemos:

 

Caudales y volumen de dise�o

15.��        Fuente de abastecimiento. La norma indica que la fuente de donde se captar� el l�quido, deber� asegurar un caudal m�nimo de dos veces el caudal m�ximo diario calculado.

La determinaci�n del caudal m�nimo de la fuente se efectuar� por m�todos debidamente justificados y aprobados por la fiscalizaci�n. En la quebrada de Paylahuaico se ha aforado un caudal superior a 10 l/s. como valor m�nimo en �poca de verano.

16.��        �Captaci�n. La estructura de captaci�n, seg�n la norma, deber� estar dimensionada para un caudal m�nimo equivalente a 1,2 veces el caudal m�ximo diario correspondiente al final del per�odo de dise�o.

 

17.��        Caudal de dise�o para la conducci�n. Cuando la conducci�n no requiera de sistema de bombeo, la norma indica que el caudal de dise�o ser� 1,1 veces el caudal m�ximo diario.

Cuando se realice la conducci�n se deber� cuidar que el fluido circule a velocidades muy bajas para evitar problemas de sedimentaci�n en la tuber�a, la presi�n total m�nima en la l�nea de conducci�n deber� ser de 5 m.c.a., en ning�n punto la tuber�a deber� trabajar a presiones mayores que las indicadas por el fabricante. El di�metro m�nimo de la tuber�a deber� ser de 25mm (1plg).

18.��        Tratamiento. La planta de tratamiento del agua deber� ser dimensionada para un caudal igual a 1,1 veces el caudal m�ximo diario. Seg�n norma.

19.��        Almacenamiento. La capacidad del tanque de almacenamiento ser� el 50% del volumen medio diario futuro. Seg�n norma. En cualquier caso el reservorio no tendr� una capacidad menor a 10 m�.

 

Sabemos que el caudal medio tiene un valor de

El volumen medio de consumo en un d�a resultar�a:

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20.��        Comparaci�n de datos. Seg�n la memoria t�cnica, del Sistema de agua potable para la Comunidad San Vicente de Lacas, cant�n Riobamba, provincia de Chimborazo; realizada para llevar a cabo la obra de abastecimiento actual de la comunidad, dimensiona el sistema a partir de datos del IEOS.

 

La siguiente tabla detalla los valores de los par�metros de dise�o con los que se realiz� la obra existente, y� los que se obtuvo mediante el c�digo ecuatoriano para construcci�n de obras sanitarias Norma 10.7 - 602.

La obtenci�n de los datos para la evaluaci�n se la realiz� bajo las mismas circunstancias con las que se obtuvieron los par�metros en la memoria t�cnica, estos son:

�       Tiempo de duraci�n de la obra 20 a�os.

�       �No se considera dotaciones de agua para sectores comerciales, industriales, p�blico y usos especiales. Es netamente dom�stico.

�       La tasa de crecimiento tiene mucha concordancia ya que las caracter�sticas topogr�ficas de la zona otorgan factibilidad de expansi�n y crecimiento poblacional.

 

Tabla6. Par�metros y valores de dise�o, obra actual y evaluada seg�n Norma 10.7�602

 

Resultados y discusi�n

 

21.��        Determinaci�n del di�metro de la tuber�a. Para determinar el di�metro de la tuber�a se han considera los tramos correspondientes a las indicaciones en el esquema Anexo G, los mismos que se delimitan por los reductores de presiones que intervienen, como se indica en la siguiente tabla:

 

Tabla7. Cotas de los rompe presiones.

 

Los detalles del dimensionamiento de los rompe presiones se presentan en el Anexo H.

 

Tramo 1

Ÿ      ������������� Lugar de captaci�n del agua

Ÿ      ������������� Primer reductor de presi�n

Ÿ      �����������������

Ÿ     

Ÿ      Viscosidad cinem�tica

Ÿ     

Ÿ      ������������ Rugosidad PVC

 

Algoritmo de soluci�n:

Se plantea el balance de energ�a mec�nica entre el punto 1 y el punto 2:

 

 

 

Figura 1. Esquema conducci�n de agua por gravedad

 

Sabemos, que si la relaci�n , entonces se desprecia las p�rdidas secundarias, teniendo para el an�lisis �nicamente P�rdidas primarias o por longitud de tuber�a. Utilizando la educaci�n de DarcyWeisbach�y la ecuaci�n de caudal 𝑄=𝑉.𝐴, se despeja la inc�gnita a resolver en este caso ser�a el D.

Si reemplazando y despejando la inc�gnita en la ecuaci�n tenemos:

El termino λ, no lo conocemos. As� que la resoluci�n se lo hace de manera iterativa, postulando como primer valor λ= 0.02 (λ no puede ser mayor a 0.1 en ning�n caso). Par determinar λ, se lo hace por ecuaciones o por el diagrama de Moody. Preferimos hacerlo por la ecuaci�n de Fanno al considerar que es un flujo turbulento cuyo n�mero de Reynolds estar� dentro del intervalo .

1.     Con ello se determina el valor del di�metro y a partir de esto se determina:

� =� N�mero de Reynols.

�= Rugosidad relativa.

El objetivo de las iteraciones es llegar a que los valores de λ coincidan. En este momento se aceptar� el valor del di�metro correspondiente.

 

Tabla� 8. Resultados del tramo 1

 

Tramo 2

Ÿ      ������������� Primer reductor de presi�n

Ÿ      ������������� Segundo reductor de presi�n

Ÿ     

Ÿ      ���������������

Ÿ     

Ÿ      Viscosidad cinem�tica

Ÿ     

Ÿ      ������������ Rugosidad PVC

 

Tabla 9. Resultados del tramo 2

 

Tramo 3

Ÿ      ������������������� Segundo reductor de presi�n

Ÿ      ������������������� Tercer reductor de presi�n

Ÿ     

Ÿ      ����������������������

Ÿ     

Ÿ      ������ Viscosidad cinem�tica

Ÿ     

Ÿ      ������������������ Rugosidad PVC

 

Tabla 10. Resultados del tramo 2

 

Tramo 4

Ÿ      ������������������� Tercer reductor de presi�n

Ÿ      ������������������� Cuarto reductor de presi�n

Ÿ     

Ÿ      ����������������������

Ÿ     

Ÿ      ������ Viscosidad cinem�tica

Ÿ     

Ÿ      ������������������ Rugosidad PVC

 

Se utiliza el mismo algoritmo de soluci�n:

 

Tabla 11. Resultados del tramo 4

 

Tramo 5. Despu�s del �ltimo reductor de presi�n existe el tramo de tuber�a m�s largo 3,78 Km; en el cual tambi�n existe la cota m�s baja de ubicaci�n de la tuber�a, alcanzando un Δz = 329,29 m desde el TRP #4 hasta el Puente que cruza el r�o Chambo.

Debido a esta diferencia de altura que se traduce en una elevada presi�n en la tuber�a, es necesario seccionar este tramo en tres partes de manera que el sector inicial y final soporte presiones moderadas y el sector intermedio sea el de alta presi�n.

La determinaci�n del di�metro de la tuber�a, se lo hace de la misma manera como en los anteriores casos, salvo que en este tramo ser� necesario determinar� los puntos en donde se deba cambiar el material de la tuber�a debido a la presi�n que se maneja.

Esto se lo determina m�s adelante en la verificaci�n de la selecci�n de tuber�as por presiones.

Ÿ      ������������������� Cuarto reductor de presi�n

Ÿ      ��������������������� Tanque de distribuci�n

Ÿ      ������������������

Ÿ     

Ÿ      ������ Viscosidad cinem�tica

Ÿ     

Ÿ      ������������������ Rugosidad PVC

 

 

 

Tabla 12. Resultados del tramo 5

 

Se tabula los di�metros encontrados para proceder a la selecci�n del di�metro de la tuber�a que exista comercialmente. El di�metro seleccionado proviene de la marca comercial seg�n el cat�logo.

 

Tabla13. Di�metros calculados y seleccionados para el transporte de agua.

 

Se revisan los valores de la presi�n a las cuales est�n expuestas las tuber�as, la presi�n m�xima a la que se encuentran sometidas ser� igual la suma de la presi�n est�tica o por columna de agua, m�s la presi�n cin�tica o por velocidad de fluido y m�s la presi�n producida por el golpe de ariete.

 

Evaluaci�n de la tuber�a seleccionada por presi�n

C�lculo del golpe de ariete. El fen�meno del golpe de ariete consiste en la alternancia de depresiones y sobrepresiones debido al movimiento oscilatorio del agua dentro de la tuber�a, es una variaci�n de presi�n que se puede producir tanto en sistemas de bombeo como en abastecimientos por gravedad.

El valor de esta sobrepresi�n debe tenerse en cuenta en el dimensionamiento de la tuber�a para evitar sobredimensionamientos que encarezcan la instalaci�n o di�metros calculados por defecto que en el peor de los casos conlleven a una rotura.

Describiendo este fen�meno se puede decir que si el fluido est� circulando por una tuber�a a una velocidad determinada y mediante una v�lvula se le corta el paso totalmente, el agua m�s pr�xima a la v�lvula se detendr� bruscamente y ser� empujada por la que viene detr�s. Como el agua es algo compresible, empezar� a comprimirse en las proximidades de la v�lvula, y el resto del l�quido comprimir� al que le precede hasta que se anule su velocidad. Esta compresi�n se va trasladando hacia el origen conforme el agua va comprimiendo al l�mite la que le precede, de manera que al cabo de un cierto tiempo toda el agua de la tuber�a est� en estas condiciones, concluyendo la primera etapa del golpe de ariete.

En definitiva, se forma una onda de m�xima compresi�n que se inicia en las proximidades de la v�lvula y se traslada al origen. La energ�a cin�tica que lleva el agua se transforma en energ�a de compresi�n. Cuando el agua se detiene, ha agotado su energ�a cin�tica y se inicia la descompresi�n en el origen de la conducci�n traslad�ndose hacia la v�lvula, y por la ley pendular esta descompresi�n no se detiene en el valor de equilibrio, sino que lo sobrepasa para repetir el ciclo. Esta descompresi�n supone una depresi�n, que retrocede hasta la v�lvula para volver a transformarse en compresi�n, repitiendo el ciclo y originando en el conducto unas variaciones ondulatorias de presi�n que constituyen el golpe de ariete. En definitiva, se producen transformaciones sucesivas de energ�a cin�tica en energ�a de compresi�n y viceversa, comport�ndose el agua como un resorte.

Para calcular el valor de esta sobrepresi�n en el caso de abastecimientos por gravedad se determinan los siguientes par�metros:

Valor de la celeridad o velocidad de onda. La celeridad (a) es la velocidad de propagaci�n de la onda de presi�n a trav�s del agua contenida en la tuber�a, por tanto sus dimensiones son . Una expresi�n pr�ctica propuesta por Allievi, que permite una evaluaci�n r�pida del valor de la celeridad cuando el fluido circulante es agua, es la siguiente:

Siendo:

Coeficiente en funci�n del modulo de elasticidad (ε) del material constitutivo de la tuber�a

Di�metro interior de la tuber�a

Espesor de la tuber�a

En el caso de que la conducci�n est� constituida por tramos de tuber�a de diferentes caracter�sticas (di�metros, material, espesor, etc), se debe calcular una celeridad media.

 

Tabla 14. Valores de k para hallar la celeridad

Fuente: Ingenier�a rural. Golpe de ariete [5]

A pesar de que en nuestro caso tenemos varias caracter�sticas de tuber�as, el tramo que se ve afectado por el golpe de ariete solamente ser�a el final (tramo 5), ya que todos se encuentran enlazados por medio de rompe presiones.

La tabla siguiente detalla los valores de la celeridad para los 5 tramos de tuber�a que existe nuestro caso de estudio.

 

Tabla 15. Valores de celeridad para los distintos tramos de tuber�a

 

El valor que nos interesa manejar, debido a la explicaci�n anterior es de a=399,401m/s

Tiempo de cierre de la v�lvula y tiempo de parada de la bomba. Cierre lento y cierre r�pido. Se define el tiempo (T) como el intervalo entre el inicio y el t�rmino de la maniobra, sea cierre o apertura, total o parcial, ya que durante este tiempo se produce la modificaci�n del r�gimen de movimiento del fluido. Este concepto es aplicable tanto a conducciones por gravedad como a sistemas de bombeo, conoci�ndose en el primer caso como� tiempo de cierre de la v�lvula y como tiempo de parada en el segundo. El tiempo de cierre de una v�lvula puede medirse con un cron�metro, es un tiempo f�sico y real, f�cilmente modificable,� por ejemplo, con desmultiplicadores, cambiando la velocidad de giro en v�lvulas motorizadas, etc.

 

Por el contrario, en el caso de las bombas, el tiempo de parada no puede medirse de forma directa y es m�s dif�cil de controlar.

Puesto que �es la longitud de la tuber�a, y �es la velocidad de propagaci�n de la onda de presi�n, �ser� el tiempo que tarda la onda de presi�n en dar una oscilaci�n completa.

Por lo tanto si �la maniobra ya habr� concluido cuando se produzca el regreso de la onda de presi�n y tendremos un Cierre r�pido, alcanz�ndose la sobrepresi�n m�xima en alg�n punto de la tuber�a. Sin embargo si , se tratara de un Cierre lento y ning�n punto alcanzar� la sobrepresi�n m�xima, ya que la primera onda positiva reflejada (descompresi�n) regresa antes de que se genere la nueva onda negativa (compresi�n).

�CIERRE RAPIDO

�CIERRE LENTO

Como a mayor tiempo �menor sobrepresi�n, si podemos controlar �limitaremos en gran medida los problemas en tuber�as, siendo �ste el caso de los abastecimientos por gravedad.

En el caso de estudio el valor de este tiempo seria:

De lo que podemos concluir que si la v�lvula al final del trayecto de conducci�n de agua se cierra antes de los 19, se considera un cierre r�pido; y un tiempo m�s prolongado acortar�a el valor de la sobrepresi�n del ariete.

Valor de la sobrepresi�n por golpe de ariete. Ecuaciones de Michaud y Allieve. Una vez conocido el valor del tiempo T y determinado el caso en el que nos encontramos (cierre lento o cierre r�pido), el c�lculo del golpe de ariete se realizar� de la forma siguiente:

 

Para cierre R�pido

Se utiliza la ecuaci�n de Allieve, la cual calcula el valor m�ximo del golpe de ariete que puede producirse en una conducci�n. Como se observa en la expresi�n este valor es independiente de la longitud de la tuber�a.

Se calcula el valor m�ximo de presi�n que puede producirse por el efecto de ariete.

Donde:

�Sobrepresi�n debida a golpe de ariete seg�n Allieve (m.c.a.)

Celeridad (m/s)

Velocidad del fluido (m/s)

Gravedad (m/s²)

 

 

 

Para cierre Lento

Se utiliza la ecuaci�n de Michaud, en donde ese involucra la longitud de la tuber�a y tambi�n el tiempo de cierre de la v�lvula, pero no toma en cuenta la compresibilidad del agua ni la elasticidad de la tuber�a, por cuanto no aparece el termino de celeridad.

Donde:

�Sobrepresion debida a golpe de ariete seg�n Michaud (m.c.a.)

�Longitud de tuberia (m)

Velocidad del fluido (m/s)

Gravedad (m/s�)

�Tiempo de cierre (s)

El valor de sobrepresi�n resulta ser el mismo, pues en este caso estamos utilizando el valor del tiempo cr�tico, al tener la posibilidad de manipular este tiempo, por ser las v�lvulas manuales, se evidencia entonces que al mayorar dicho tiempo la sobrepresi�n disminuye; por ejemplo en un cierre que dure 30 s:

Representando gr�ficamente las ecuaciones de Allievi y de Michaud, se observa que, si la conducci�n es lo suficientemente larga, las dos rectas se cortan en un punto, denominado punto cr�tico. La longitud del tramo de tuber�a regido por la ecuaci�n de Michaud se conoce como longitud cr�tica (Lc), y su valor se obtiene, l�gicamente, igualando las f�rmulas de Michaud y Allievi.

Excepto en el caso de ser la pendiente hidr�ulica mayor del 50% (), en que se recomienda considerar la sobrepresi�n de Allievi en toda la conducci�n, el valor as� calculado lo soportar� el tramo de tuber�a de longitud , siendo . La velocidad del fluido ser� tomada a partir del di�metro calculado.

La pendiente en nuestro caso es del 3,5% (.

Figura 8. L�neas de presiones para un sistema de conducci�n por gravedad [5]

Entonces tendr�amos como longitud critica:

Si �, se trata de una impulsi�n (conducci�n) corta, que se corresponder�a con un cierre lento, calcul�ndose el golpe de ariete mediante la f�rmula de Michaud.

Si�entonces la impulsi�n (conducci�n) es larga y el cierre r�pido, siendo el valor del golpe de ariete el dado por Allievi desde la v�lvula hasta el punto cr�tico y por Michaud en el resto.

 

 

 

Tabla 16. Condiciones para cierre lento o cierre r�pido.

Fuente: Golpe de ariete, Escuela Universitaria de Ingenier�a T�cnica Agr�cola de ciudad Real

Para la conducci�n de San Vicente de Lacas, �(5991,015 m <3780,74 m) se tiene una impulsi�n corta con cierre lento, utilizando la ecuaci�n de Michaud, donde f�cilmente se puede manipular el tiempo de cierre� de la v�lvula.

Las presiones est�ticas que se muestran en la tabla 21 corresponden a la columna de agua que soporta la tuber�a; en el caso del tramo 5, al tener un valor muy elevado el material de P.V.C. no satisface las necesidades. Se propone el seccionamiento de este tramo de tuber�a en tres partes de manera que el sector inicial y final soporte presiones moderadas y el sector intermedio sea el de alta presi�n. Ver figura 10.

Los puntos donde se deber�a hacer el cambio del material de la tuber�a deben ubicarse a una diferencia de altura no mayor a 100 m (dado que es la presi�n de trabajo de la tuber�a considerando un margen de seguridad del 21,4%; aunque tomando como analog�a la ubicaci�n de los rompe presiones, existen referencias de que estos no se deben ubicar a un Δz mayor a 70 m) desde TRP#4 y desde el tanque reservorio, respectivamente como punto P1 y P2; estos seccionar�an al tramo 5 en tramo 5A, 5B y 5C.

 

La Tabla 18 muestra comparativamente los puntos propuestos y puntos actuales, cambio de material de tuber�a en el tramo 5.

La ubicaci�n del punto P1 propuesto en comparaci�n con el existente tiene una diferencia de apenas 2,25 m por lo que se da como aceptado. Mientras que la ubicaci�n del punto P2 actual est� excediendo el valor que se propone al utilizar la tuber�a de P.V.C. para presi�n que se ha seleccionado. Se propone en este caso, que el punto P2 se ubicara a 284,57 m aguas arriba, conforme a la pendiente topogr�fica del sector, asegurando que la diferencia de alturas es de 100 m como se propone en el punto P2m.

De esta manera quedar�a demostrado que, el material de la tuber�a en los tramos 5A y 5C, funcionar� correctamente con aquel que se seleccion� anteriormente (P.V.C. para alta presi�n).

Para el tramo 5B se selecciona tuber�a de acero bajo la norma ASTM A53, Los tubos ordenados bajo esta especificaci�n son productos que se obtiene por laminaci�n en caliente de un tocho de acero estructural y se destinan para usos a presi�n media, alta y mec�nicos y son tambi�n aceptables para usos comunes en l�neas de fluidos poco corrosivos como vapor, agua, gas y aire. Son adecuados para soldado y para operaciones de conformado que involucren enrollado, doblado y formaci�n de bridas seg�n su tipo.

 

Tabla 17. Verificaci�n mediante la presi�n de trabajo de la tuber�a seleccionada

 

Tabla 18. Comparaci�n de los puntos propuestos y puntos actuales, cambio de material de tuber�a para el tramo 5

 

 

 

 

Figura 9. Esquema Tramo 5 instalaci�n actual de la tuber�a

Figura 10. Esquema Tramo 5, puntos propuestos de cambio de material de tuber�a

Seg�n el cat�logo de tubos de acero para conducci�n de fluidos COVAL, el cual se encuentra en el Anexo K, se selecciona el di�metro de la tuber�a. Con las siguientes caracter�sticas:

 

Tabla 19. Cat�logo de selecci�n de di�metros de tuber�a

Fuente: Coval.com (2010). Tubos de acero para instalaciones de gas y conducci�n de fluidos

Con lo cual se tendr�a una conformaci�n de los tramos de la tuber�a de la siguiente manera:

 

Tabla 20. Tipos de tuber�as para los distintos tramos de conducci�n.

El anexo C se indica el esquema de tuber�a actual de conducci�n, y en el anexo G se muestra el sistema de conducci�n con la tuber�a propuesta.

22.��        Comparaci�n de datos. La tabla 25 cita comparativamente los resultados obtenidos en la evaluaci�n hidr�ulica.

De lo que se puede evidenciar que existen dos datos a los cuales objetamos:

 

• El primero es que el Tramo 2 puede ser de un di�metro nominal de 75 mm, dada su longitud de 1671,92 m, el valor econ�mico economizado seria significativo.

 

• Y segundo, el punto de cambio de material de la tuber�a, del Tramo 5B al Tramo 5C, se lo deber�a ubicar a 284,57 m aguas arriba, de tal manera que el Δz entre este punto y el tanque de distribuci�n no sea mayor a 100m y la presi�n de trabajo de la tuber�a seleccionada posea un margen de seguridad del 22% aproximadamente.

 

Red de distribuci�n del agua potable en la comunidad

La comunidad San Vicente de Lacas cuenta con un sistema de distribuci�n de circuito cerrado, esta caracter�stica es beneficiosa cuando se conduce agua tratada con presencia de cloro libre, debido a que no existen puntos de estanqueidad o ramales que permanezcan inactivos, cuando el usuario no requiera de agua, y el nivel de cloro libre en dichos lugares no tiende a elevarse.

La figura 12 muestra un croquis de la tuber�a para la distribuci�n de la comunidad. Para una mejor administraci�n t�cnica y econ�mica de este sistema, San Vicente de Lacas se encuentra dividido en 8 sectores, delimitados por los ramales de la tuber�a que se hallan instalados por los distintos caminos que comunican los sectores de la comunidad. En la figura 13 se presenta esta distribuci�n sectorizada.

 

Tabla 21. Comparaci�n tuber�a actual y propuesta por evaluaci�n hidr�ulica

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 11. Croquis tuber�a para la red de distribuci�n de agua San Vicente de Lacas

Fuente. Memoria t�cnica proyecto de potabilizaci�n de agua para la comunidad 2006

 

Figura 12. Sectores de la red de distribuci�n San Vicente de Lacas.

Fuente. Memoria t�cnica proyecto de potabilizaci�n de agua para la comunidad 2006.

Esta acci�n lim�trofe colabora en la determinaci�n de las Redes o sectores para valores de monitoreo de cloro residual, como se indica en la figura 14.

La determinaci�n de los sectores se la realiza en base a la proporci�n que tiene la comunidad y la longitud de la tuber�a que circula y limita a cada uno de los sectores

 

Figura 13. Redes para monitoreo de cloro residual

 

Conclusiones

���������� El �C�digo ecuatoriano para el dise�o de la construcci�n de obras sanitarias� NORMA CO 10.7 � 602. Perteneciente al c�digo ecuatoriano de la construcci�n, es el documento gu�a para el dimensionamiento de sistemas de agua potable y disposici�n de excretas. Poseedor de bases legales, se convierte en el marco en donde debe encajar toda obra de esta naturaleza dada su elevada importancia por la directa relaci�n con la salud de la poblaci�n.

���������� En la determinaci�n de la Dotaci�n de consumo para la comunidad, fue necesario adaptar los par�metros de la norma a un dato estad�stico que se pose�a, dado que este �ltimo valor se lo obtiene de un consumo real de la poblaci�n. Tambi�n se hace necesario determinar el error que posee este valor debido a que se lo adquiere de un instrumento de medici�n.

���������� El caudal obtenido mediante el estudio regido a la NORMA CO 10.7 � 602� para el dise�o de la conducci�n, es de 4,1 l/s; mientras que el dato con el cual fueron dimensionadas las tuber�as de conducci�n es de 5,2 l/s. Es decir que las tuber�as debieron haber sido dise�adas para un 21% menos del caudal original y, aparentemente tener un di�metro menor. A pesar de esta l�gica sugesti�n, al momento de seleccionar los di�metros de la tuber�a comercialmente disponibles, tan solo el Tramo 2 es el que difiere de tama�o, teniendo actualmente un di�metro de 90 mm frente a un di�metro propuesto por la evaluaci�n de 75 mm. Esto se debe a que en la selecci�n de los di�metros comerciales es necesario adoptar un di�metro inmediato superior pues dif�cilmente encajar� un valor obtenido por ecuaciones al valor que nos ofrece el fabricante.

���������� El Tramo 2 puede ser de un di�metro nominal de 75 mm, dada su longitud de 1671,92 m, el valor econ�mico economizado ser�a significativo.

���������� Teniendo en cuenta que el par�metro de mayor inter�s en la evaluaci�n hidr�ulica es el dimensionamiento de la conducci�n y, mediante una valoraci�n estimada por la cantidad de datos congruentes entre los valores actuales de dise�o y los que se obtiene mediante la Norma, se presume de un 80% de similitud

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Referencias

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MIDUVI. Norma t�cnica ecuatoriana CO 10.7-602. C�digo ecuatoriano para el dise�o de la construcci�n de obras sanitarias.� Ecuador: MIDUVI, 2005.

WEINBERG, H. The Occurrence of Disinfection By-Products (DBPs) of Health Concern in Drinking Water: Results of a Nationwide DBP Occurrence Study. Estados Unidos: Academic Press, 2002.

Y�NEZ, M. Planta de tratamiento de agua port�til. Seminario purificaci�n de agua en el sector Rural. Ecuador: ESPOCH 12-14 mayo 2011.

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CRANE. Flujo de fluidos en v�lvulas, accesorios y tuber�as. 1era Ed. M�xico: McGraw-Hill, 1988.

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� 2023 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).