trabajo final sanitaria xavier

Diseño de una red de acueducto y tanque de almacenamiento

Diseño de una red de acueducto y tanque de almacenamiento 2010

SANITARIA

DISEÑO RED DE ACUEDUCTO Y TANQUE DE ALMACENAMIENTO

PROYECTO FINAL

Presentado por:XAVIER DAVID ARIZA CHAMORRO

MARIA JOSE MERCADO DIAZALEJANDRA MARCELA SILVA DIAZ

Presentado a:ING. BENJAMÍN ÁLVAREZ

UNIVERSIDAD DE CARTAGENAFACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA CIVILVII SEMESTRE Junio de 2010

Tabla de contenido

INTRODUCCION............................................................................................................................5

OBJETIVOS......................................................................................................................................6

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MARCO TEORICO..........................................................................................................................7

REDES DE DISTRIBUCION......................................................................................................7

Redes Ramificadas......................................................................................................................7

Redes Malladas..........................................................................................................................8

Redes Mixtas............................................................................................................................10

CONSIDERACIONES DE DISEÑO........................................................................................12

Especificaciones Generales Sobre las Redes.............................................................................12

Períodos de Diseño...................................................................................................................12

Tipos de Redes.........................................................................................................................13

Configuración de la Red de Distribución..................................................................................13

Elementos de la Red.................................................................................................................15

PROCEDIMIENTO........................................................................................................................19

ZONA ASIGNADA........................................................................................................................21

CALCULO DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN............................................................................23

POBLACIÓN, DOTACIÓN Y DEMANDA..............................................................................23

Nivel De Complejidad...............................................................................................................23

Consumo Per Cápita o Demanda Bruta....................................................................................24

Dotación neta mínima y máxima..............................................................................................24

Demanda..................................................................................................................................27

Caudal de Incendios..........................................................................................................30

CÁLCULO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO...........................................................31

DISEÑO DE LA RED CON EL SOFTWARE EPANET............................................................40

ANÁLISIS DE TUBERIAS........................................................................................................41

ANALISIS DE LOS NODOS....................................................................................................43

ACCESORIOS...............................................................................................................................47

CONCLUSIONES..........................................................................................................................49

Tabla de Figuras

Figura 1. Red Ramificada....................................................................................................................8Figura 2. Red Mallada.........................................................................................................................9

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Figura 3. Red Mixta..........................................................................................................................10Figura 4. Componentes de una Red de Distribución........................................................................11Figura 5. Período de Diseño para Redes Matrices............................................................................12Figura 6. Períodos de Diseño para Redes Secundarias y Terciarias..................................................13Figura 7. Diámetros Mínimos de las Redes......................................................................................14Figura 8. Localización de Válvulas en una Red de Distribución........................................................16Figura 9. Esquema de un Hidrante...................................................................................................17Figura 10. Plano de la Zona Asignada...............................................................................................21Figura 11. Foto Satelital de la Zona Asignada...................................................................................22Figura 12. Asignación del Nivel de Complejidad según el RAS 2000.................................................23Figura 13. Dotación Neta según el Nivel de Complejidad.................................................................24Figura 14. Efecto del Clima en la Dotación Neta..............................................................................25Figura 15. Porcentajes máximos de pérdidas según Nivel de Complejidad......................................26Figura 16. Coeficiente K1 según el Nivel de Complejidad.................................................................28Figura 17. Coeficiente K2 según el Nivel de Complejidad.................................................................28Figura 18. Hidrantes en la Red de Distribución................................................................................31Figura 19. Curva de Distribución Horaria.........................................................................................36Figura 20. Método de la Curva Integral para Volumen del Tanque..................................................37Figura 21. Trazado de la Red............................................................................................................40Figura 22. Chequeo de la Red de Distribución para Presiones y Velocidades..................................44Figura 23. Chequeo de la Red de Distribución y Diámetros.............................................................45Figura 24. Chequeo de la Red de Distribución y Pérdidas por Longitud...........................................46

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INTRODUCCION

El agua es un componente fundamental de todos los organismos y un recurso sin el cual el desarrollo y mantenimiento de la vida sobre el planeta no hubiese sido posible. Este recuso es muy escaso. Pues se estima que de toda el agua del planeta solo el 0.003% corresponde al agua dulce utilizable para el consumo, ya que el resto es saldada, congelada o está en el suelo.

El bienestar de una comunidad se desarrolla en base al suministro de agua en cantidad y calidad suficiente para atender las necesidades de su población. Esto implica el diseño de sistemas de captación, aducción, desarenador, tanque de almacenamiento y redes de distribución, obras estas que implican un planeamiento, diseño y control de las diferentes infraestructuras para atender estas necesidades.

El propósito de esta proyecto final de SANITARIA I, es diseñar la red de distribución de agua (red de acueducto) y el tanque de almacenamiento conceptual y técnicamente de acuerdo con las necesidades de la región en estudio y en congruencia con las leyes y reglamentaciones que se tienen en el país.

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OBJETIVOS

Diseñar una red de acueducto a base de un sistema a gravedad que cumpla con las condiciones de diseño sobre presiones mínimas y velocidades límite establecidas por la norma en la zona de la ciudad de Cartagena designada.

Ubicar y calcular el tanque de almacenamiento y compensación que abastecerá la red de acueducto de la zona designada.

Disponer y ubicar los elementos hidráulicos como hidrantes y válvulas en la red diseñada.

Desarrollar destrezas en el programa informático EPANET para el cálculo del comportamiento hidráulico de una red de distribución de agua a presión a través de la modelización de redes tanto de tipo mallado.

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MARCO TEORICO

REDES DE DISTRIBUCION

La red de distribución de agua está constituida por un conjunto de tuberías, accesorios y estructuras que conducen el líquido hasta las tomas domiciliarias o hidrantes públicos. A los usuarios (domésticos, públicos, industriales, comerciales) la red deberá proporcionarles el servicio las 24 horas de cada uno de los 365 días del año (Demanda Máxima Horaria), en las cantidades adecuadas y con una presión satisfactoria.

Las redes de distribución de agua según su estructura en planta pueden ser:

Redes Ramificadas

Las redes de distribución ramificadas, tienen como característica que el agua discurre siempre en el mismo sentido.

Las redes ramificadas se componen esencialmente de tuberías primarias, las cuales se ramifican en conducciones secundarias y éstas, a su vez, se ramifican también en ramales terciarios.

Las redes ramificadas deben ser utilizadas en núcleos urbanos de 1.000 habitantes como máximo y de configuración urbana lineal.

Las arterias tendrán una longitud máxima de 1.000 m y seguirán el eje de los núcleos. Los distribuidores tendrán una longitud máxima de 300 m. (ramales ciegos).

El sistema ramificado reúne las siguientes ventajas:

· Ser el más sencillo de calcular, ya que al estar definido el sentido de circulación del agua, puede precisarse con exactitud, el caudal que circulará por cada tubería, lo cual facilita, enormemente, el cálculo de los diámetros.

· Resulta a primera vista más económico.

Sus inconvenientes son:

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· Una rotura puede originar el entorpecimiento e incluso el corte general, de la casi totalidad, de la distribución.

· Los extremos o finales de la ramificación presentan el inconveniente de que en ellos el agua queda estancada y se hace necesario, para evitar contaminaciones, efectuar frecuentes descargas (ya sea por medio de bocas de riego o llaves de descarga).

· La economía que resulta del menor desarrollo (menor número de kilómetros de la red) es más bien aparente que real, ya que en este caso será necesario contar con diámetros mayores, puesto que la alimentación de cada tramo no se verifica más que por un solo lado.

Redes Malladas

En las redes malladas, las tuberías principales se comunican unas con otras, formando circuitos cerrados y se caracterizan por el hecho de que la alimentación de las tuberías puede efectuarse por sus dos extremos indistintamente, según se comporten las tuberías adyacentes, de manera que el sentido de la corriente no es siempre, forzosamente, el mismo.

La separación máxima entre los lados opuestos de una malla será de 900 m. y la mínima de 250 m. La superficie máxima de una malla será de 30 Ha y la mínima de 9 Ha. Cada malla abastecerá un máximo de 1.500 viviendas y a un mínimo de 500. Cuando el núcleo tenga menos

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Figura 1. Red Ramificada


de 500 viviendas se dispondrá una sola malla. Los distribuidores estarán conectados entre si, y/o a las arterias.

La red quedará dividida en sectores mediante llaves de paso, de manera que, en caso necesario, cualquiera de ellos pueda quedar fuera de servicio y de este modo facilitar las operaciones de limpieza y de mantenimiento que son necesarias efectuar con carácter periódico.

El sistema mallado, tiene las siguientes ventajas:

· Libertad en el sentido de la circulación del agua.· Mejor repartición de la presión.· Mayor seguridad en el servicio, ya que una avería en un punto determinado no acarrea, como en el caso anterior, un corte de suministro, pues el agua puede conducirse por otras tuberías de la malla, dejando aislado el tramo en reparación.

Los inconvenientes son los siguientes:· Para el cálculo de la red, es necesario establecer, de antemano y por hipótesis, el sentido en el que circulará el agua.

· El montaje de la red, resulta más caro que cuando se trata de un montaje de red ramificada.

Figura 2. Red Mallada

Redes Mixtas

Es evidente que también puede adoptarse un sistema mixto, o sea, distribución en malla en el centro de la población y ramificada para los barrios extremos.

En las redes mixtas, únicamente se instalan distribuidores ciegos cuando la trama urbana lo requiera, como pueden ser los fondos de

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saco y los puntos de consumo aislados, su longitud no será mayor de 300 m. ni podrán abastecer a más de 200 viviendas.

El buen funcionamiento y la razonable duración de una red de distribución obligan a que los valores de la Presión, en la misma, queden dentro de límites recomendables (30 a 45 m.c.a).

Figura 3. Red Mixta

Dentro de cualquier red podemos distinguir los siguientes componentes:

Elemento: Componente de la red, como puede ser un tramo de una conducción, una válvula, una bomba, de tal manera que se tenga un comportamiento hidráulico muy bien definido.

Línea: Conjunto de elementos de una red conectados entre dos puntos, a los cuales se les puede asociar una ecuación constitutiva que permita caracterizar el comportamiento global de los elementos que constituyen la línea. Es decir, una relación entre el caudal circulante y la diferencia de alturas piezométricas existente entre ambos extremos de la línea.

Nudo: Cada uno de los extremos de una línea. O bien, punto de la red en la que se conectan dos o más líneas. A su vez los nudos los podemos clasificar como:

a. Nudos Fuente: Punto de la red que recibe un aporte externo de caudal

b. Nudos de Consumo: Punto de la red en el que se realiza una extracción de caudal.

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c. Nudo de Conexión: Punto en el que no existe ninguna aportación o extracción de caudal, o lo que es lo mismo, sólo existe una transferencia de caudal entre dos o más líneas.

Figura 4. Componentes de una Red de Distribución

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Especificaciones Generales Sobre las Redes

La velocidad mínima en la red para evitar sedimentación, deberá ser de 0.30 m/seg y la máxima dependerá del material del cual está fabricada la tubería, sin embargo, se recomienda que no sobrepase los 2.5 m/seg, para evitar fenómenos como el golpe de ariete.

Las tuberías de la red principal deben ubicarse cerca de los grandes consumidores y de las áreas de mayores consumos específicos. Las áreas de mayor consumo deben servirse de los conductos principales y las de menor

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consumo deben servirse de los conductos secundarios, formando en lo posible redes malladas.

Las conexiones domiciliarias se conectarán en las redes secundarias.

Las tuberías secundarias deben formar circuitos cerrados siempre que:

El área por abastecer sea mayor a 1 km2

La distancia promedio entre las tuberías secundarias paralelas sea mayor de 250 m.

La distancia entre la tubería secundaria que se ubica más próxima al límite del área a abastecer y el perímetro de esta área sea igual o mayor que 150 m

Períodos de Diseño

Para todos los niveles de complejidad, los proyectos de redes de distribución de acueducto deberán ser analizados y evaluados teniendo en cuenta el periodo de diseño basado en la metodología de costo mínimo.

Figura 5. Período de Diseño para Redes Matrices

Figura 6. Períodos de Diseño para Redes Secundarias y Terciarias

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Tipos de Redes

Dependiendo de la topografía del terreno, la localización de las vías y la distribución urbanística de las viviendas, las redes pueden ser trazadas como:

Tipo ramificado

Son redes en las cuales existe un tramo principal y del se desprenden ramificaciones que terminan en puntos ciegos o en pequeñas mallas. Este tipo de trazado se utiliza cuando la topografía no permite la interconexión entre ramales, o debido a que el desarrollo de las zonas a alimentar adopta esta configuración.

Tipo mallado

En estas redes, por la configuración del desarrollo urbanístico, es posible la interconexión de las tuberías, permitiendo la formación de un circuito cerrado que facilite un servicio más eficiente y continuo.

Configuración de la Red de Distribución

Las redes malladas están constituidas por tuberías, que pueden ser clasificadas de acuerdo con la cantidad de caudal que transporta. Estas pueden ser:

• Redes matrices o troncales• Redes principales• Redes secundarias o de relleno

Cada una de ellas constituirá mallas que alimentan a las clasificadas en orden descendente.

Para la configuración de las mallas principales se pueden adoptar los siguientes criterios:

• Tramos no mayores de 500 m• Diámetros mayores de 10”.• No se alimentarán servicios domiciliarios desde estas tuberías.

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Figura 7. Diámetros Mínimos de las Redes

La Red debe diseñarse para que preste un servicio continuo y eficiente, por lo cual este deberá soportarse para cuando se presenten las condiciones más desfavorables. Cuando se presente la condición de máxima demanda horaria, la red debe ser capaz de transportar el caudal exigido, manteniendo las condiciones de presiones y velocidades admisibles.

Adicionalmente, es necesario conocer la respuesta hidráulica de la red ante eventualidades, como cuando se presentan incendios, debido a la demanda instantánea de grandes cantidades de agua. El diseño debe estar ajustado al criterio de costo mínimo, sin embargo deben evaluarse las siguientes opciones:

a. Para el nivel de complejidad bajo, el caudal de diseño será el caudal máximo horario (QMH).

b. Para los niveles de complejidad medio y medio alto el caudal de diseño será el mayor entre el caudal máximo horario (QMH) mas el caudal de incendio o el caudal medio diario (Qmd) mas el caudal de incendio.

c. Para el nivel de complejidad alto, el caudal de diseño es el caudal máximo horario (QMH).

El trazado de la red se hará bajo las zonas verdes o andenes, la profundidad mínima a la clave no será inferior a 1m, al especificar la profundidad a la clave

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de la tubería, se tendrá en cuenta las dimensiones de las válvulas de operación de la red.

Los conductos se ubicaran a una distancia horizontal libre mínima de 1.5m de los colectores de alcantarillado de agua residuales o combinados a 1m de los colectores de aguas lluvias. Estos se colocaran por encima de los colectores de alcantarillado a una distancia libre vertical mínima de 0.30m y en todos los cruces las tuberías de acueducto irán por encima de las tuberías de alcantarillado.

Elementos de la Red

Tubería: Son conductos que cumplen la función de transportar agua. Se suele elaborar con materiales muy diversos en función de consideraciones técnicas y económicas. Suele usarse el hierro fundido, acero, latón, cobre, plomo, hormigón, polipropileno, PVC, polietileno de alta densidad (PEAD).

Tanque De Almacenamiento: Los tanques de almacenamiento se utilizan para compensar las variaciones de consumo, mantener las presiones, proporcionar agua necesaria para necesidades urgentes tales como la extinción de incendios o en caso de averías accidentales. Estos, representan el enlace entre la red de distribución y el sistema de provisión. Con el fin de mantener unas presiones adecuadas en la red de distribución.

Válvulas: La red de distribución debe proveerse de válvulas de compuerta o mariposa que deben ubicarse de tal forma que permitan aislar un sector o una zona de servicio. Si se aísla parte del sistema, debe poder mantenerse el servicio de agua en el resto de la población.

Para el nivel bajo de complejidad solo será suficiente prever una única válvula en la tubería que alimenta toda la red de distribución de agua potable. Deben instalarse válvulas de corte por lo menos cada 1500m. En todos los puntos de empate, entre tuberías de distinto diámetro, la válvula debe colocarse en la tubería de diámetro menor.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Polietileno

http://es.wikipedia.org/wiki/PVC

http://es.wikipedia.org/wiki/Polipropileno

http://es.wikipedia.org/wiki/Hormig%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Plomo

http://es.wikipedia.org/wiki/Cobre

http://es.wikipedia.org/wiki/Lat%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero

http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro_fundido

http://es.wikipedia.org/wiki/Hierro_fundido

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua


Figura 8. Localización de Válvulas en una Red de Distribución

Hidrantes: El sistema de hidrantes consiste en una red de tuberías conectadas a un sistema de bombeo o suministro de agua. A esta red se conectan gabinetes internos, los cuales están provistos de válvulas de control, mangueras, llaves para hidrantes.Los diámetros mínimos de los hidrantes contra incendios, colocados en la red de distribución, dependen del nivel de complejidad del sistema:

a. Para los niveles de complejidad bajo y medio el diámetro mínimo es de 75mm (3”).

b. Para los niveles de complejidad medio alto y alto, los diámetros mínimos corresponden a 10mm (4”), para sectores comerciales e industriales, o zonas residenciales con alta densidad.

c. Para las zonas residenciales con densidades menores a 200Hab/Ha, el diámetro mínimo corresponde a 75mm (3”).

Los hidrantes deben instalarse en tuberías con un diámetro mínimo de 75mm (3”) y a una distancia entre ellos de 300m. Cada hidrante debe llevar su propia válvula de pie para aislarlo de la red. Serán ubicados preferiblemente en las esquinas, en las intersecciones de dos calles y sobre la acera y deberán descargar como mínimo un caudal de 5lps. Se recomienda un radio de acción de los hidrantes de 500m y para el diseño de la red se recomienda un hidrante funcionando en uso simultáneo, por cada 25000 habitantes. En áreas comerciales, industriales o residenciales con una densidad superior a 200Hab/Ha, los hidrantes deben tener una capacidad mínima de 20lps.

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Figura 9. Esquema de un Hidrante

Las acometidas individuales deben permitir la conexión adecuada a la vivienda y su operación del prestador de servicios. Los accesorios para hacer la instalación son los siguientes:

a. Unión de empalme entre la acometida y la tubería de distribución.

b. Registro de incorporación.c. Coupling o acople roscado a la tubería flexible.d. Tubería flexible para la conexión.e. Registro de corte.f. Medidor domiciliario de consumo de agua.g. Caja de andén o caja de pared para proteger el medidor y el

registro de corte.h. Válvula de cheque.

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HORA 0 - 1 1 - 2 2 - 3 3 - 4 4 - 5 5 - 6 6 - 7 7 - 8 8 - 9 9 - 10 10 - 11 11 - 12

% del QMH 45% 48% 55% 70% 85% 95% 100% 95% 85% 75% 65% 60%

HORA 12 - 13 13 - 14 14 - 15 15 - 16 16 - 17 17 - 18 18 - 19 19 - 20 20 - 21 21 - 22 22 - 23 23 - 24

% del QMH 75% 85% 80% 70% 65% 63% 68% 65% 55% 50% 47% 46%


PROCEDIMIENTO

Diseñar la red de acueducto y el tanque de almacenamiento de la zona de la ciudad de Cartagena que se muestra en la figura, teniendo en cuenta las siguientes consideraciones:

1. El Plan de Ordenamiento Territorial ha definido la densidad de población permitida para el desarrollo en la zona y la población asentada en ese sector se indican de acuerdo con la siguiente tabla:

Grupo N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Densidad 350 250 300 275 360 320 280 330 310 270Estrato 3 4 5 6 2 4 5 6 3 5

2. Indique la localización del tanque de almacenamiento y compensación de la forma que más le convenga a su proyecto y para el cálculo del volumen del tanque tenga en cuenta que la variación horaria del consumo se muestra en la siguiente Tabla:

3. Deberá entregar los siguientes documentos:

Memoria que contenga:

o Población resultante de diseño de acuerdo con la tabla que se ha defino para el POT

o Cálculo y asignación de la población y los caudales de diseño, de acuerdo con las densidades y estratos.

o Plano de construcción de la red y detalles. Esquema operativo de caudales y presiones.

o Consideraciones de diseño.o Calculo de los diámetros (optimizados según costo mínimo).o Verificación de velocidades y presioneso Calculo del volumen de almacenamiento y compensación del

Tanqueo Conclusiones.

Plano de construcción y cuadro de despiece que contenga la ubicación de válvulas, hidrantes y demás accesorios.

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Esquema del funcionamiento hidráulico de la red principal, que indique los flujos y su dirección, presiones en los nudos, caudales de salida y demás aspectos de interés.

Recomendaciones:

Utilice para el diseño de la red la aplicación informática estudiada EPANET.

En las memorias indique la referencia de la norma RAS 2000, que aplica para cada caso específico en que defina un criterio de diseño.

En el plano de curvas de nivel en caso de que no estén definidos los valores, asigne un valor de 12m a la cota más maja y tenga en cuenta que la distancia vertical entre las curvas consecutivas es 1m.

Se indican las coordenadas en las dos esquinas extremas del plano. Para cargarlo en EPANET utilice la pestaña “View”, “Backdrop” y señale “Load” y luego vaya al archivo que contiene el plano y cárguelo. Para determinar las dimensiones de los tramos de manera automática, en la ventana View>>Dimension>>, ingrese las coordenadas de la parte inferior de la gráfica y de la parte superior. Luego en la ventala Proyject>>Defaultts>>Properties>>, coloque la opción Auto – Lengt, en posición “on”. De esta manera la aplicación calculará las longitudes de los tramos.

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ZONA ASIGNADA

La zona asignada para el diseño de la red de distribución corresponde a os barrios La María y San Francisco. Se encuentra enmarcada en las faldas del Cerro de La Popa y en inmediaciones con la Ciénaga de la Virgen, este emplazamiento define su topografía característica de elevaciones con cotas de 116 hasta zonas bajas a nivel del mar.

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Figura 10. Plano de la Zona Asignada


Según el Plan de Ordenamiento Territorial de la Ciudad de Cartagena esta Zona permite una densidad poblacional de 330 hab/hec para el desarrollo y la población asentada.

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Figura 11. Foto Satelital de la Zona Asignada


CALCULO DE LA RED DE DISTRIBUCIÓN

POBLACIÓN, DOTACIÓN Y DEMANDA

Debe establecerse el procedimiento que debe seguirse para la evaluación de la población, la dotación bruta y la demanda de agua del sistema de acueducto con el fin de determinar la capacidad real que un componente en particular o que todo el sistema debe tener a lo largo de un período de diseño determinado.

Las prescripciones establecidas deben aplicarse a los cuatro niveles de complejidad del sistema para así poder determinar a qué nivel corresponde nuestra red.

Nivel De Complejidad

Para hallar el nivel de complejidad se utilizo la cantidad de habitantes existentes en la zona de estudio, que se determino con la densidad de los habitantes que especifica el POT según los estratos.

Estrato 6 Densidad de Población 330 hab/hecÁrea poblada de los Barrios La María y San francisco 41.96 hec

Población de Diseño 13848 hab

Tomando como base lo especificado en el RAS en el capitulo A.3 y en el Capitulo B.2:

Figura 12. Asignación del Nivel de Complejidad según el RAS 2000

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Y a partir de los resultados obtenidos por los cálculos anteriores, la población de diseño corresponde a 13848 habitantes, lo cual hace referencia según la tabla A.3.1 a un Nivel de Complejidad Medio Alto.

Consumo Per Cápita o Demanda Bruta

Unidad de consumo por habitante por día. En una ciudad, el consumo de agua debe ser detallado por clases de usuarios como son el consumo domestico, industrial, comercial y publico. Además, se debe tener en cuenta una cierta cantidad dada por desperdicios o pérdidas y por conexiones fraudulentas.

La dotación neta corresponde a la cantidad mínima de agua requerida para satisfacer las necesidades básicas de un habitante sin considerar las pérdidas que ocurran en el sistema de acueducto. Cuando se multiplica la población que va a ser servida por la dotación se obtienen la demanda total de agua; por tal razón la evaluación de la dotación es tan importante como la proyección de la población.

Dotación neta mínima y máxima

La dotación neta depende del nivel de complejidad del sistema y sus valores mínimo y máximo se establecen de acuerdo con la tabla B.2.2.

Figura 13. Dotación Neta según el Nivel de Complejidad

Según nuestro nivel de complejidad, es decir el nivel medio alto nos corresponde una dotación mínima de 130 l/hab-dia, sin embargo a este valor se le deben realizar una serie de correcciones que son:

La dotación neta obtenida puede ajustarse teniendo en cuenta estudios socioeconómicos del municipio, el costo marginal de los servicios y el efecto del clima en el consumo.

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En los niveles de complejidad medio alto y alto puede incrementarse la dotación neta para cierto tipo de consumidores por encima del 20%.

Teniendo en cuenta el clima predominante en el municipio, el diseñador puede variar la dotación neta establecida anteriormente teniendo en cuenta la tabla B.2.3.

Figura 14. Efecto del Clima en la Dotación Neta

Según esto tenemos que:

dneta=( 130 lhab×dia

×0.2)+( 130 lhab×dia )

dneta=26 l

hab×dia+ 130 lhab×dia

= 156 lhab×dia

Las pérdidas correspondientes a el agua no contabilizada está representada en fugas técnicas, malas mediciones, fugas, roturas y fraudes, esto lo asume la empresa que presta el servicio. Este consumo corresponde al 25% según la tabla B.2.4 del consumo doméstico, comercial e industrial.

Figura 15. Porcentajes máximos de pérdidas según Nivel de Complejidad

La tabla anterior expresa los valores máximos admisibles de las pérdidas técnicas. Sin embargo a la luz del Artículo 6º de la Resolución 1795 de la CRA,

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todos los sistemas de acueducto están comprometidos a realizar esfuerzos para disminuirlas al máximo pues el nivel máximo de agua no contabilizada que se aceptará para el cálculo de los costos de la prestación del servicio de acueducto será del 30%. De otro lado la Ley 373 de junio de 1997, por la cual se establece el programa para uso eficiente y ahorro del agua, invita a hacer esfuerzos ingentes para reducir las pérdidas de los sistemas de acueducto en el territorio nacional.

La Dotación Buta debe establecerse según la siguiente ecuación:

El porcentaje de pérdidas técnicas para determinar la dotación bruta no debe ser superior al porcentaje de pérdidas establecido en la tabla B.2.4.Para efectos del cálculo de la dotación bruta puede adoptarse un porcentaje de pérdidas más alto al establecido, siempre y cuando se justifique económicamente que no resulta factible reducir las pérdidas al valor admisible. En este caso, el sistema de acueducto debe complementarse con un programa de reducción de pérdidas que tenga como meta el valor que resulte menor entre el establecido en la tabla B.2.4 y el que determine la CRA.

dbruta=

130 lhab×dia1−0.25

=173.33lhab×dia

Demanda

Caudal medio diario

El caudal medio diario, Qmd, es el caudal medio calculado para la población proyectada, teniendo en cuenta la dotación bruta asignada. Corresponde al promedio de los consumos diarios en un período de un año y puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

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Qmd=13848 x 173.33

86400=27.78 lps

Caudal máximo diario

El caudal máximo diario, QMD, corresponde al consumo máximo registrado durante 24 horas durante un período de un año. Se calcula multiplicando el caudal medio diario por el coeficiente de consumo máximo diario, k1.(Véase B.2.7.4).

El caudal máximo diario se calcula mediante la siguiente ecuación:

QMD=27.78 lps∗1.2=33.33 lps

Coeficiente de consumo máximo diario - k1

El coeficiente de consumo máximo diario, k1, se obtiene de la relación entre el mayor consumo diario y el consumo medio diario, utilizando los datos registrados en un período mínimo de un año. En caso de sistemas nuevos, el coeficiente de consumo máximo diario, k1, depende del nivel de complejidad del sistema como se establece en la tabla B.2.5.

Figura 16. Coeficiente K1 según el Nivel de Complejidad

Caudal máximo horario

El caudal máximo horario, QMH, corresponde al consumo máximo registrado durante una hora en un período de un año sin tener en cuenta el caudal de incendio. Se calcula como el caudal máximo diario multiplicado por el coeficiente de consumo máximo horario, k2, (véase B.2.7.5) según la siguiente ecuación:

QMH=33.33 lps∗1.45=48.33lps

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Coeficiente de consumo máximo horario con relación al consumo máximo diario - k2

El coeficiente de consumo máximo horario con relación al consumo máximo diario, k2, puede calcularse, para el caso de ampliaciones de sistema de acueducto, como la relación entre el caudal máximo horario, QMH, y el caudal máximo diario, QMD, registrados durante un período mínimo de un año, sin incluir los días en que ocurran fallas relevantes en el servicio.En el caso de sistemas de acueductos nuevos, el coeficiente de consumo máximo horario con relación al consumo máximo diario, k2, es función del nivel de complejidad del sistema y el tipo de red de distribución, según se establece en la tabla B.2.6.

Figura 17. Coeficiente K2 según el Nivel de Complejidad

Dotación Neta Mínima (l/hab-

dia)

Corrección (%)

Dotación Neta

(l/hab-dia)

Dotación Bruta

(l/hab-dia)

130 25 156 208Tabla 1. Resultados generales Dotación

Qmd (lps) QMD (lps) QMH (lps)44.8 53.82 78.04

Tabla 2. Resultados generales Caudales

NODOArea (m2) Area (ha)

Poblacion (habitantes) Qmd (lps) QMD (lps)

QMH (lps)

64 11774 1.1774 389 0.78 0.94 1.3666 13521 1.3521 446 0.90 1.07 1.5672 5111 0.5111 169 0.34 0.41 0.5973 12255 1.2255 404 0.81 0.97 1.4174 4373 0.4373 144 0.29 0.35 0.5076 5223 0.5223 172 0.35 0.41 0.6077 7641 0.7641 252 0.51 0.61 0.8878 7601 0.7601 251 0.50 0.60 0.8879 9502 0.9502 314 0.63 0.75 1.0981 6909 0.6909 228 0.46 0.55 0.80

27


82 6946 0.6946 229 0.46 0.55 0.8083 6570 0.657 217 0.43 0.52 0.7684 8618 0.8618 284 0.57 0.68 0.9986 5198 0.5198 172 0.34 0.41 0.6087 5372 0.5372 177 0.36 0.43 0.6288 3878 0.3878 128 0.26 0.31 0.4589 1362 0.1362 45 0.09 0.11 0.1690 3758 0.3758 124 0.25 0.30 0.4393 5471 0.5471 181 0.36 0.43 0.6394 12577 1.2577 415 0.83 1.00 1.4595 12149 1.2149 401 0.80 0.97 1.4096 6085 0.6085 201 0.40 0.48 0.7097 8226 0.8226 271 0.54 0.65 0.95

100 4149 0.4149 137 0.27 0.33 0.48101 1062 0.1062 35 0.07 0.08 0.12

1 5504 0.5504 182 0.36 0.44 0.632 9384 0.9384 310 0.62 0.75 1.083 5935 0.5935 196 0.39 0.47 0.685 7773 0.7773 257 0.51 0.62 0.906 11651 1.1651 384 0.77 0.93 1.348 11393 1.1393 376 0.75 0.91 1.319 16020 1.602 529 1.06 1.27 1.85

10 4784 0.4784 158 0.32 0.38 0.5513 6482 0.6482 214 0.43 0.51 0.7514 6725 0.6725 222 0.45 0.53 0.7715 27999 2.7999 924 1.85 2.22 3.2318 31421 3.1421 1037 2.08 2.50 3.6225 6034 0.6034 199 0.40 0.48 0.7026 2052 0.2052 68 0.14 0.16 0.2427 2608 0.2608 86 0.17 0.21 0.3036 2957 0.2957 98 0.20 0.23 0.3438 4437 0.4437 146 0.29 0.35 0.5141 8324 0.8324 275 0.55 0.66 0.9642 7991 0.7991 264 0.53 0.63 0.9251 8153 0.8153 269 0.54 0.65 0.9452 6739 0.6739 222 0.45 0.54 0.7853 7198 0.7198 238 0.48 0.57 0.8354 9125 0.9125 301 0.60 0.72 1.0561 3093 0.3093 102 0.20 0.25 0.3662 7581 0.7581 250 0.50 0.60 0.87

105 5076 0.5076 168 0.34 0.40 0.58107 9936 0.9936 328 0.66 0.79 1.14108 10439 1.0439 344 0.69 0.83 1.20109 10251 1.0251 338 0.68 0.81 1.18110 4444 0.4444 147 0.29 0.35 0.5111 7153 0.7153 236 0.47 0.57 0.8216 14002 1.4002 462 0.93 1.11 1.6117 5393 0.5393 178 0.36 0.43 0.62

Tabla 3. Caudales por Nodo Según Área Aferente

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Caudal de Incendios

Demandas mínimas contra incendios para los niveles medio alto y alto de complejidad

La demanda mínima contra incendios debe estimarse teniendo en cuenta las siguientes especificaciones:

1. Para zonas residenciales densamente pobladas, edificios multifamiliares, comerciales e industriales de municipios con una población entre 12.500 y 20.000 habitantes, un incendio se considerará servido por un hidrante y las zonas residenciales unifamiliares serán servidas por un hidrante en uso simultáneo con una descarga mínima de 5 L/s.

En nuestra área de estudio de nivel de complejidad medio alto de estrato 6, según lo que especifica el RAS sobre Hidrantes, estos deben colocarse por lo menos cada 200 m.

Según lo anterior en nuestra zona deben ubicarse 5 hidrantes con una descarga mínima de 5 L/s.

Figura 18. Hidrantes en la Red de Distribución

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CÁLCULO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO

Un tanque de compensación tiene la función de almacenar agua y compensar las variaciones entre el caudal de entrada y el consumo a lo largo día. Por tanto, durante la concepción, el diseñador debe establecer las necesidades de demanda y las variaciones del consumo, a lo largo del día, de la red de distribución, para definir la magnitud del almacenamiento requerido. Así mismo, debe determinar las zonas de presión en la red de distribución, y fijar los niveles de agua requeridos para mantener los valores establecidos en ella.

Un tanque de compensación se considera necesario para las siguientes actividades:

a. Suministrar agua potable a los consumidores en la cantidad necesaria.

b. Suministrar suficiente agua en caso de ocurrir situaciones de emergencia, tales como incendios, interrupciones por daños en la aducción, conducción o estaciones de bombeo (Volumen de emergencia).

c. Compensar las variaciones de los consumos que se producen durante el día (Volumen de compensación).

d. Mantener presiones de servicio adecuada en la red de distribución.

Además, el diseñador debe conocer los siguientes puntos en la etapa de conceptualización:

Curva de demanda del sistema de distribución La reserva total necesaria para cada zona de presión. La localización en planta. El número de módulos y la definición de las etapas de ejecución. Cota de los niveles de agua. Cota de los niveles máximo y mínimo de agua. Cota de rebose. Funcionamiento de otros componentes del sistema de

abastecimiento tales como estaciones de bombeo, planta de tratamiento, red de distribución, tanques existentes.

Para el nivel de complejidad medio alto la red de distribución necesita mínimo un tanque de compensación.

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El Caudal de diseño que debe proveer el tanque es el caudal máximo horario (QMH), teniendo en cuenta la variación del consumo que se entrega a la zona que está abasteciendo, es decir que para nuestro caso corresponde a 48.33 lps

Con este valor se procedió a realizar las curvas características teniendo en cuenta el concepto de costo mínimo, además de una forma aproximada a través de graficas se pudo determinar el valor del volumen del tanque, esto de la siguiente manera:

HORAS%

demanda

Q ENTRADA

(Lps)

Q SALIDA

(Lps)

SUMINISTRO HORARIO (Lt)

∑ SUMINISTRO HORARIO (Lt)

CONSUMO HORARIO

(Lt)

0-1 45% 33.33 48.34 120005.6 120005.6 78303.71-2 48% 33.33 48.34 120005.6 240011.2 83523.92-3 55% 33.33 48.34 120005.6 360016.8 95704.53-4 70% 33.33 48.34 120005.6 480022.4 121805.74-5 85% 33.33 48.34 120005.6 600028 147906.95-6 95% 33.33 48.34 120005.6 720033.6 165307.76-7 100% 33.33 48.34 120005.6 840039.2 174008.17-8 95% 33.33 48.34 120005.6 960044.8 165307.78-9 85% 33.33 48.34 120005.6 1080050.4 147906.9

9-10 75% 33.33 48.34 120005.6 1200056 130506.110-11 65% 33.33 48.34 120005.6 1320061.6 113105.311-12 60% 33.33 48.34 120005.6 1440067.2 104404.912-13 75% 33.33 48.34 120005.6 1560072.8 130506.113-14 85% 33.33 48.34 120005.6 1680078.4 147906.914-15 80% 33.33 48.34 120005.6 1800084 139206.515-16 70% 33.33 48.34 120005.6 1920089.6 121805.716-17 65% 33.33 48.34 120005.6 2040095.2 113105.317-18 63% 33.33 48.34 120005.6 2160100.8 109625.118-19 68% 33.33 48.34 120005.6 2280106.4 118325.519-20 65% 33.33 48.34 120005.6 2400112 113105.320-21 55% 33.33 48.34 120005.6 2520117.6 95704.5

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21-22 50% 33.33 48.34 120005.6 2640123.2 87004.122-23 47% 33.33 48.34 120005.6 2760128.8 81783.823-24 46% 33.33 48.34 120005.6 2880134.4 80043.7

2880134.4 2865913.736

Caudal medio por Hora = 119413.0724lts/h

∑ CONSUMO HORARIO (Lt)

DEFICIT HORARIO

(Lt)

∑ DEFICIT HORARIO

(Lt)

paralela superior paralela inferior78303.7 41701.95 41701.95 267132.47 17520.82

161827.6 36481.70 78183.65 387138.07 137526.42257532.0 24301.13 102484.78 507143.67 257532.02379337.7 -1800.08 100684.70 627149.27 377537.62527244.6 -27901.30 72783.40 747154.87 497543.22692552.3 -45302.11 27481.28 867160.47 617548.82866560.4 -54002.52 -26521.24 987166.07 737554.42

1031868.2 -45302.11 -71823.35 1107171.67 857560.021179775.1 -27901.30 -99724.65 1227177.27 977565.621310281.1 -10500.49 -110225.14 1347182.87 1097571.221423386.4 6900.32 -103324.82 1467188.47 1217576.821527791.3 15600.73 -87724.09 1587194.07 1337582.421658297.4 -10500.49 -98224.58 1707199.67 1457588.021806204.3 -27901.30 -126125.89 1827205.27 1577593.621945410.8 -19200.90 -145326.78 1947210.87 1697599.222067216.5 -1800.08 -147126.87 2067216.47 1817604.822180321.7 6900.32 -140226.54 2187222.07 1937610.422289946.9 10380.48 -129846.06 2307227.67 2057616.022408272.4 1680.08 -128165.98 2427233.27 2177621.622521377.7 6900.32 -121265.66 2547238.87 2297627.222617082.1 24301.13 -96964.52 2667244.47 2417632.822704086.2 33001.54 -63962.98 2787250.07 2537638.422785870.0 38221.78 -25741.20 2907255.67 2657644.022865913.7 39961.86 14220.66 3027261.27 2777649.62

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Superhabit 102484.7824Deficit -147126.8656

Volumen del Tanque 249611.648Volumen del Tanque x 1.2 299.53

Tabla 4. Calculo de Volumen del tanque.

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0 5 10 15 20 25 300%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

Curva de Distribucion Horaria

HORAS

% Q

MH

Figura 19. Curva de Distribución Horaria

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0 5 10 15 20 25 300.0

500000.0

1000000.0

1500000.0

2000000.0

2500000.0

3000000.0

3500000.0

Método De La Curva Integral

consumo vs tiemposuministro vs tiempoinf vs tiemposup vs tiempo

HORAS

VOLU

MEN

Lt

s

Figura 20. Método de la Curva Integral para Volumen del Tanque

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En la grafica anterior por medio aproximaciones se trazaron rectas tangentes a los puntos más alejados de la curva de consumo promedio para así calcular el volumen del tanque, luego se aplico la fórmula para hallar el caudal de incendios, a partir de ello se obtuvo entonces:

Volumen Requerido Para Incendio

P1384

8 Qi= 0.23

m3/seg

Con este valor se determino el volumen de incendio para así poder escoger el mayor de los dos, es decir el volumen del tanque estará dado por el mayor de los volúmenes entre el regulador y el volumen de incendio, en este caso corresponde al volumen de incendio:

V regulador (m3)

299.5

V incendio (m3)1656

Ahora el volumen total del tanque es: 1656 m3

Con este valor y suponiendo valores de base y longitud cuadrados de 20m hallamos el valor de la altura del tanque necesaria:

h (m )=Volumendel TanqueArea delTanque

h (m )=1656m3

400m2=¿4.14 m

Con estos valores ya determinados se calculo el diámetro del desagüe, el área del desagüe y posteriormente a partir de la siguiente formula el tiempo de vaciado:

Ø desagüe (m) 0,1Área de desagüe

(m2)0,007

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Tiempo y caudal de vaciado

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El tiempo de vaciado del tanque calculado con la ecuación B.9.2 debe ser menor que 8 horas. Dicha ecuación es válida, para tanques con área superficial constante a lo largo de su altura. El coeficiente m debe estar entre 0.50 y 0.60.El caudal máximo de salida agua durante el vaciado debe ser menor que el caudal máximo de entrada de aire en el sistema de ventilación. El sistema de alcantarillado receptor del desagüe del aunque debe tener la capacidad suficiente para transportar el caudal producido en el vaciado del tanque.

T= 2×0.00785m2×√4.14m0.55×0.00785m2×√2×9.81m / s2

=7 .3196 s

1. Presiones de la Red de Distribución

Presiones mínimas en la red

La presión mínima en la red depende del nivel de complejidad del sistema, tal como se especifica a continuación:

Figura 19. Presiones mínimas para una red de Distribución.

Es decir que para el nivel de complejidad medio alto la presión mínima en KPa corresponde a 147.2 y en metros columna de agua 15.

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DISEÑO DE LA RED CON EL SOFTWARE EPANET

Luego de familiarizarnos con la topografía de la zona de estudio, cargamos el plano en EPANET y procedemos al trazado de la red de distribución y a la ubicación del tanque de almacenamiento.

Insertamos en primer lugar los componentes no lineales del sistema (depósitos y nudos) y a continuación añadimos las tuberías para unir todo. Introducimos las características correspondientes de cada elemento como en el caso de los nudos: demanda y cota; y las tuberías: tipo de material, rugosidad y diámetro

Se verifica que las presiones y velocidades especificadas en el RAS se cumplan luego de correr el programa

Figura 21. Trazado de la Red

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ANÁLISIS DE TUBERIAS

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40


ANALISIS DE LOS NODOS

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Figura 22. Chequeo de la Red de Distribución para Presiones y Velocidades

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Figura 23. Chequeo de la Red de Distribución y Diámetros

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Figura 24. Chequeo de la Red de Distribución y Pérdidas por Longitud

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ACCESORIOS

Nodo Descripción del Accesorio

64 Tee66 Tee72 Unión 75 mm73 Cruz + Hidrante74 Tee76 Tee77 Cruz78 Union79 Codo de 9081 Tee + Hidrante82 Union83 Tee84 Tee86 Cruz87 Unión89 Codo de 9090 Codo de 9094 Unión95 Unión+Hidrante96 Codo de 9097 Cruz

100 Unión101 Codo de 90

1 Unión2 Unión3 Codo de 906 Unión8 Tee9 Tee + Hidrante

10 Codo de 9013 Codo de 9014 Unión15 Codo de 90

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18 Codo de 9025 Unión26 Unión27 Codo de 9036 Tee51 Unión52 CRUZ 7553 Unión54 Unión62 Codo de 90

105 Codo de 90107 Codo de 90108 Tee109 Unión110 Tee11 Tee16 Unión + Hidrante17 Codo de 90

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CONCLUSIONES

Aprovechando las alturas que la topografía del Cerro de La Popa brinda a la zona de estudio se debe ubicar el tanque allí para garantizar casi de inmediato que todos los nodos son abastecidos por la carga correspondiente a la diferencia de altura y que nuestro sistema funcione por conducción a gravedad.

La red de distribución de agua potable llega a los consumidores por medio de una serie de tuberías de PVC, con rugosidad 100, y con diámetros de 75 mm y otras de 100 mm, que forman una red de distribución mallada. Donde en cada nodo queda representada la demanda de caudal del área aferente a cada uno y del cual se alimentaran las redes de menor rango que terminaran por completar el sistema al llevar el agua directamente al grifo de las casas.

En cumplimiento con la normatividad vigente, la red de distribución debe permitir entregar al consumidor agua potable en cantidad suficiente, limpia, en forma constante y con una presión adecuada. Nuestra red mantiene las presiones admisible en cada nodo entre 15 m y 70 m y las velocidades en las tuberías varían entre 0.3 m/s y 2.5 m/s. Debido a la lejanía de una de las tuberías (Rojo en plano) las velocidades en ella son muy bajas y por tanto no cumplen con los requisitos de velocidad. Podemos considerar dos opciones para la solución de ese tramo y son: adjudicarle el caudal correspondiente a los nodos de sus extremos a nodos más debajo de la red, a cota similar, que si cumplan las condiciones por lo que la malla se reduciría o en su defecto eliminar solo la tubería que tenemos con problema de velocidad lo que nos daría como resultado un sistema mixto al mezclar las mallas con dos ramales que resultan de eliminar esa tubería que los unía.

La topografía también nos causo problemas pues, si bien el tanque merecía altura considerable por zonas de la malla con cotas altas, también teníamos el otro extremo de las cotas más bajas lo que causaba una sobre presión en esas zonas, así como bajas velocidades después de que el flujo perdiera su energía al recorrer las pequeñas elevaciones que también se encuentran en nuestra zona.

En la realidad los barrios La María y San Francisco son barrios subnormales de la ciudad de Cartagena y su proceso de urbanización ha obedecido a invasiones y no a un Plan de Ordenamiento Territorial. Los asentamientos en la

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falda de la popa se ven afectados por los deslizamientos de esta formación y las zonas que se muestran en el plano como habitado al margen de la Vía Perimetral cuentan con problemas de asentamientos pues son suelos orgánicos. Por todo lo anterior, a pesar de ser un supuesto y de considerar la zona como estrato 6, las áreas poblacionales las restringimos solo a las zonas donde las personas y edificaciones no correrían ningún riesgo.

En tanto al proceso de cálculo y diseño podemos concluir que al verificar las presiones y las velocidades estamos haciendo es verificando el criterio de diseño del costo mínimo pues al mantener estos valores en los márgenes permitidos estaríamos trabajando con los diámetros menores que son los de menor precio.

Los accesorios con T, codos, uniones, cruz, etc., son ubicados en toda la red para garantizar la dirección del flujo. Las válvulas son elementos importantes en el funcionamiento de una red pues nos permiten aislar zonas de otras para corregir algún daño sin afectar las condiciones de caudal de otras.

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