147

5.3.2. Dimensionamiento y Herramientas de Diseño Optimizado

5.3.2.1. Objetivos Generales

En este taller, el modelador contara con un modelo elaborado previamente, en el cual

ya se encuentran planeado el sistema hidráulico, es decir el trazado de las líneas de

conducción y distribución de las tuberías que abastecerán de agua a los sectores y/o

turnos de riego del proyecto Condor 1.

En este caso hemos usado una fotografía aérea de Google Earth que nos permite

conocer el terreno de la zona agrícola, sobre la que se ha trazado el sistema de riego,

así como un plano de fondo en formato (DXF).

El punto de partida de su trabajo será el archivo Ejemplo2_Condor1.WTG, que tiene ya

parte de los datos ingresados. Usted deberá redimensionar una parte del sistema

basada en un conjunto de criterios y restricciones que se le darán.

Durante el proceso, deberá ingresar las demandas en los nodos, y con los diámetros de

las tuberías ya asignadas, deberá comparar los costos con las nuevas tuberías que se

asigne a medida que realice los cambios.

IMPORTANTE: WaterCAD soporta gran cantidad de formatos de fondo (DXF, SHP,

BMP, JPG, etc.). De otra parte la integración de MicroStation con Google Earth le

permitirá fácilmente integrar sus proyectos con las imágenes aéreas de esta aplicación

mundialmente reconocida.

5.3.2.2 Objetivos Específicos del Taller.

Después de completar este taller, usted deberá ser capaz de realizar en WaterCAD lo

siguiente:

Configurar escenarios y alternativas basado en diferentes condiciones de

demanda.

Rediseñar manualmente un Modelo.

Evaluar el cumplimiento de las restricciones hidráulicas.

Valorar los costos de su diseño

Usar Darwin Designar para la estimación de costos y para encontrar una

solución óptima (Demostración)

5.3.3. Descripción del problema

El sistema de riego del proyecto Condor1 de la figura, recibe agua de un reservorio R-1,

con una cota de superficie libre del agua de 126.50 m este alimenta a los sectores y

148

turnos de riego por una tubería matriz de conducción de 250 mm (tubería P-1, P-2, P-3,

P- 4, P-23 y P-24).

Red Hidráulica Proyecto Condor1

(Se adjunta plano para mayor detalle)

Los nodos J-1 hasta J-22 representan los nodos de demandas por turnos,

adicionalmente se debe conocer que en algunos casos mas de un nodo el resto la

demanda de un turno, el restante de los nodos son simplemente puntos de cambio de

diámetro o cambio de dirección.

Las tuberías y sus diámetros ya ingresados deberán tomarse como iniciales y/o

referenciales para el diseño, puesto que es tomado del planteamiento original del

proyecto en referencia.

OBJETIVO: Dimensionar las tuberías del sistema de riego del proyecto Condor1 para

que cumplan con las siguientes restricciones de presión mínima, máxima y velocidad:

Presiones objetivo en m H2O:

Escenarios de demanda MIN MAX

Demanda Total 15.0 50.0

Turno_1 20.0 50.0

Turno_11 20.0 50.0

Adicionalmente se recomienda que la velocidad en las tuberías este en el rango de 0.6

a 3.0 m/s.

5.3.3.1 Proceso de insertar una imagen área como fondo (Background)

Para insertar la foto en el modelo, diríjase (si está activa) a la ventana Background

Layers o acceda a ella a través del Menú View/Background Layers. Haga Click en el

botón Nuevo e inserte el archivo Ejemplo2_Imagen_Condor1.JPEG que encontrara en

su directorio de archivos C:\Diplomado RT Huacho 2012\Curso

149

WaterCAD\03_Talleres Inicio, las propiedades de la fotografía deben ser las

siguientes:

5.3.4. Datos de demanda

La tabla siguiente representa ordenadamente la asignación de demanda

correspondiente a los nodos y turnos del sistema, como se puede apreciar existen un

total de once turnos ( I, II, …XI), por ejemplo el Turno I está dado por la demanda del

nodo J-1, el Turno II esta dado por la demanda de los nodos J-2 y J-3 y con ese mismo

criterio es la asignación de las demandas de los siguientes nodos y turnos siendo el

total de la demanda de 401.62 l/s.

Caudales en (l/s) de Nodos y Turnos de Riego

NODO Demanda TURNO Demanda

l/s l/s

J-1 27.78 I 27.78

J-2 28.25 II 40.97

J-3 12.71

J-4 22.78 III 38.17

J-5 15.39

J-6 21.84 IV 35.62

J-7 13.78

J-8 13.89 V 36.63

J-9 22.74

J-10 13.63 VI 37.71

150

J-11 14.34

12 9.74

J-13 14.14 VII 36.35

J-14 22.21

J-15 22.19 VIII 38.09

J-16 15.90

J-17 20.77 IX 40.70

J-18 19.93

J-19 10.07 X 36.10

J-20 26.03

J-21 11.25 XI 33.51

J-22 22.26

TOTAL 401.62 TOTAL 401.62

5.3.5. Creación de Alternativas de Demanda (Guía)

En esta sección, crearemos tres alternativas de demanda y sus respectivos escenarios,

como se indica a continuación.

1. Como primera medida vamos a

renombrar el escenario existe

(Base) con el nombre “Demanda

Total / Turnos”.

2. Para este escenario, verificamos en

las opciones de cálculo Base para

régimen permanente (Steady

State/ EPS), que se trata de un

cálculo hidráulico básico

(Hydraulics Only) y que el tipo de

análisis es en Estado Estático.

3. Cree una primera alternativa

denominada “Demanda Total /

Turnos” modificando o

renombrando la alternativa

existente “Base Average-Daily”.

151

4. Para asignar las demandas de este escenario, iremos al centro de control de Demandas (Demand Control Center), que se encuentra como opción en el menú tolos o simplemente haga click en

el botón. 5. Para ingresar los valores de

demanda, en el botón New, seleccione Initialize Demands for All Elements.

6. Asegúrese de ordenar la tabla y que las unidades estén en litros por segundo. Haciendo click derecho en la columna de demanda (Base Flow) y seleccionando Units and Formatting…

7. Finalmente introduzca los valores de demanda dados tal y como lo indica la figura, asegúrese que la demanda esté asignada desde el nodo J-1 hasta el J-22.

8. Teniendo la Alternativa “Demanda Total /

Turnos” seleccionada, haga click derecho y seleccione Child Alternative, para crear una nueva alternativa hijo con el nombre “Turno - 1”.

9. Haga doble click en esta alternativa y modifique manualmente los valores de demandas para los nodos J-2 hasta al J-24 asignándole un consumo de cero.

10. Repita los mismos pasos anteriores (8 y 9) para crear la demanda “Turno 2”, y los siguientes hasta “Turno 11”. Utilice siempre “Demanda Total / Turnos” como la Alternativa de Demanda padre

Le recomendamos discutir con su compañero de trabajo el esquema de creación de

más alternativas y escenarios. Esto es una buena manera de afianzar conocimientos y

de evaluar los conceptos aprendidos hasta ahora.

152

5.3.6. Datos de Costos Directos Asociados a Tuberías

Antes de comenzar a crear los escenarios y a dimensionar las tuberías, se suministra a

continuación la función de costos directos que se asociara posteriormente en el diseño

optimizado para las tuberías de PVC de este modelo.

Estos mismos valores harán parte de los datos requeridos para la optimización usando

el modulo Darwin Designer, que hace uso de algoritmos genéticos.

Material

Diámetro Nominal

(mm)

Diámetro Interior (mm)

Hazen Williams Factor C

Costo Unitario (S/. /m)

PVC 63 58.40 140 12.76

PVC 75 69.40 140 13.83

PVC 90 83.40 140 18.40

PVC 110 102.0 140 23.68

PVC 140 129.8 140 35.08

PVC 160 148.4 140 41.57

PVC 200 185.4 140 60.96

PVC 250 231.8 140 78.69

PVC 315 292.2 140 108.58

PVC 355 329.2 140 128.25

PVC 400 371.0 140 151.46

153

5.3.7 PRIMERA PARTE: Bases para el Diseño Manual de la Red

Ahora queda el modelador liberado a su criterio técnico para crear las Alternativas y

Escenarios y Dimensionar las Tuberías. Este proceso puede ser realizado de varias

maneras; en la figura interior observara un esquema de escenarios y alternativas

propuestos pero de ninguna manera es un modelo único a seguir.

Al final de este ejercicio encontrara una tabla adjunta para llevar un registro de los

cambios realizados. En nuestro caso específico el alumno debe anotar los resultados,

pero recuerde que puede imprimir los reportes originados por WaterCAD V8XM o

exportar las FlexTables a Excel para llevar este mismo registro.

1. Asegúrese de crear una alternativa

física con cada diseño ensayado y un

escenario para cada simulación para

poder evaluar como los costos

cambian en cada simulación.

2. Recuerde al momento de combinar

escenarios y Alternativas, aplicar las

restricciones de diseño planteados en

el objetivo de este taller.

5.3.7.1. Aplicación de la herramienta Color Coding.

Como una manera ágil de visualizar las presiones resultantes del modelo, vamos a

hacer uso del nuevo administrador de simbología de elementos.

154

3. Si la ventana no se encuentra activa,

diríjase al menú principal

View/Element Simbology o

simplemente haciendo click en el

botón de la barra de

herramientas.

4. Expanda la categoría Junction y

observe que ya ha sido creada una

anotación (Label). Teniendo

seleccionada esta categoría Junction

haga click derecho en el Mouse y

seleccione la opción New/Color

Coding.

5. En el campo field Name escija el parámetro Pressure y haga click en el botón

<Calculate Range>. En menú desplegable Options de la sección derecha, escoja

“Color and Size”. Seguidamente haga click en el botón New y agregue en la tabla los

rangos de presión que tienen interés en el diseño que realizamos.

6. Haga click en primero en <Apply>, luego en <OK> y observe las ventajas en

visualización de la Red que ofrece esta convención por colores en nodos;

especialmente para identificar los puntos críticos del sistema.

155

5.3.7.2 Pistas básicas del procedimiento manual de diseño:

- Observe que se cumplan las restricciones de presión impuestas en el ejercicio en

todos los nodos. Tan importante es cumplir la restricción de presión mínima como

la restricción de presión máxima.

- Si su primera alternativa de diámetro no cumple las restricciones, evalué en los

reporte tabulares las tuberías con mayor y menor velocidad de flujo y/o la mayor o

menor pendiente del gradiente de fricción.

- Tan pronto obtenga una alternativa de diámetro que responda a las restricciones de

presión bajo los esquemas de demanda “Turno 1” y “Turno 11” exporte el reporte

tabular de tuberías a una hoja de cálculo Excel.

- En Excel a partir de la función de costos directos para PVC, calcule el valor que

tendría el nuevo sistema que Ud. Propone.

- Llene la tabla de resultados que aparece al final de esta hoja para cada uno de los

escenarios que cumplan la totalidad restricciones.

5.3.8. SEGUNDA PARTE: Diseño Optimizado usando Darwin Designer

A continuación el instructor del curso, presentará para este mismo modelo una

demostración en clase del diseño optimizado usando el Módulo de Darwin Designer.

Preste atención a la metodología a seguir y compare los costos del diseño optimizado y

automático con su trabajo de diseño manual.

156

5.3.9 Tabla de Resultados

Tubería Esc.1 Esc.2 Esc.3 Esc.4 … Esc.8 Esc.9 Esc.10 Esc.11

Diámetros

P-1

P-2

P-3

P-4

P-5

P-6

P-7

P-8

P-9

P-10

P-11

P-12

P-13

P-14

P-15

P-16

P-17

P-18

P-19

P-20

P-21

P-22

P-23

P-24

Demanda Escenario

Caudal (l/s)

Presión Mínima

Velocidad Máxima (m/s)

Costo Total

Cumple?

P-7

P-8

P-9

157

5.3.10 Discusión

Explique por qué usted ha seleccionado las tuberías que finalmente eligió para cambiar

el diámetro?.

Es claro que los nodos J-23, J-24 y J-25 tienen problemas al cumplir la restricción de

presión mínima y máxima, ¿fue correcto ignorarlas?

Con respecto a la solución generada por Darwin Designer, que objeciones o

recomendaciones tendría para hacer desde el punto de vista de una buena ingeniería?