diseño de líneas de conducción (clase)

7/30/2019 Diseo de lneas de conduccin (clase)

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Conduccin de agua.

Sistema de conduccin (transmisin) de agua: es el conjunto de estructurasdestinadas a transportar el agua captada desde la fuente de abastecimientohasta la planta de tratamiento y desde este punto hasta la localidad, para suposterior distribucin.

En un acueducto, el agua se transporta de la fuente a la comunidad enconductos abiertos o cerrados, suministrndoles la energa necesaria porgravedad o bombeo.

ACUEDUCTOS

A PRESIONA SUPERFICIE

LIBRE


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Cuando el flujo es a presin, la lnea de gradiente hidrulico (lneapiezomtrica) se define mediante los meniscos de tubos piezomtricos

insertados a lo largo del conducto, conforme ste sigue la superficie delsuelo.

Cuando el flujo es libre, la lnea de gradiente hidrulico coincide con lasuperficie del agua.

Tanto en los conductos a presin y a superficie libre, el gradiente hidrulico

es una funcin de la resistencia por friccin que se presenta cuando el aguafluye a travs de una longitud dada de conducto.

La lnea de energa se genera sobre la lnea de gradiente hidrulico, a unadistancia igual a la altura de velocidad (energa cintica).

El agua en un sistema de abastecimiento se transporta ms frecuentemente

(no exclusivamente) bajo presin, mientras que el flujo de aguas residuales yotros sistemas de drenaje es, frecuentemente, libre.


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Tramos y transiciones

Debido a que en el diseo de la conduccin puede resultar convenienterealizar cambios de alineamiento (direccin), de seccin transversal(dimetro), de pendiente, o de materiales, es conveniente dividir la longitudtotal en tramos. Cada tramo estar diseado con un mismo material, y suscaractersticas geomtricas (seccin transversal, pendiente y alineamiento)se mantendrn constantes.

Un tramo se empalma con otro por medio de transiciones.


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Tipos de conduccin.

De acuerdo a la topografa existente, se obtendrn diferentes esquemas detrazados:

Tubera por debajo de la lnea piezomtrica (conduccin forzada)

En esta conduccin sedeben instalar

accesorios especialescomo vlvulas depurga en los puntosbajos para realizar laslabores de limpiezaperidicos y vlvulasde expulsin de aire(ventosas) en losuntos altos.


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Lamina de agua coincidente con la lnea piezomtrica (conduccin libre).

En este caso se trata de una tubera fluyendo a tubo lleno o parcialmente lleno.

ste no tiene problemas desde el punto de vista hidrulico, pero es raro encontrar este tipode conduccin en agua potable (generalmente se utiliza en el transporte de agua cruda).


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Tubera por encima del plano esttico de presin absoluta.

En esta situacin es imposible el flujo por gravedad por lo tanto ser necesario lautilizacin del bombeo.


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Estructuras utilizadas para la conduccin.

Canales

En los sistemas de suministro de agua, los canales pueden emplearse entre lacaptacin y el desarenador (conduccin de agua cruda).

Posteriormente dependiendo de la forma como se programe la distribucin delagua, se utilizan tuberas o combinaciones de tuberas y canales.

En la mayora de los casos los canales se construyen con algn tipo derevestimiento, de manera que el flujo se pueda conducir sin causar erosin nisedimentacin.

Para expresar las relaciones de flujo en conductos de flujo libre (conduccin

parcialmente llena) se utiliza generalmente la formula de Manning.

Q = 1/n Rh2/3S1/2 A (m3/s)


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Tuberas.

Las lneas de tubera normalmente siguen el perfil de la superficie del suelo. Lasunidades que las constituyen son tubos de hierro fundido, acero, asbestocemento, concreto reforzado y plstico (PVC).

Los tubos de hierro y acero deben protegerse contra la corrosin a travs derecubrimientos superficiales bituminosos.

En conductos a presin (conduccin totalmente llena), las relaciones de flujo seexpresan generalmente con la formula de Hazen-Williams.

Q = 0.2785 C D2.63Sf0.54 (m3/s)


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Coeficiente de rugosidad tpicos.Material de la tubera C

Acero remachado (nuevo) 110

Acero remachado (usado) 85

Acero Soldado (nuevo) 130

Acero Soldado (usado) 90

Hierro fundido (nuevo) 130

Hierro fundido (15-20 aos) 100

Hierro fundido (>20 aos) 90

Concreto (buena terminacin) 130

Concreto (terminacin comn) 120

Asbesto-cemento. 140Plstico (PVC) 150


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Todas las tuberas son construidas para resistir diferentes presiones de trabajo yaun dentro del mismo material hay diferentes especificaciones de presin.

Clases de tuberas de asbesto-cemento.

Clase Presin mxima servicio(kg/cm)

Serie de dimetros disponiblescomercialmente (Plg).

30 15 2,3,4,6,8,10,12,14,16,18,20,24

25 12.5 2,3,4,6,8,10,12,14,16,18,20,24

20 10 4,6,8,10,12,14,16,18,20,2415 7.5 6,8,10,12,14,16,18,20,24,28

10 5 6,8,10,12,14,16,18,20,24,28

Relacin dimetro-espesor (RDE) para tuberas de PVC

RDE Presin mxima de

servicio(kg/cm)

Serie de dimetros disponibles

comercialmente (Plg).21 14.06 2, 2 , 3,4,6,8,10,12

26 11.25 2, 2 , 3,4,6,8,10,12

32.5 8.79 3,4,6,8,10,12

41 7.03 4,6,8,10,12


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Seleccin de materiales.

La seleccin de materiales para lneas de tubera debe estar basada sobre las

siguientes consideraciones:1. La capacidad inicial de transporte del tubo y su reduccin con el tiempo,

definida, por ejemplo por el coeficiente C de Hazen-Williams.

2. La resistencia del tubo, medida por su habilidad para soportar la presininterna y las cargas externas.

3. La vida o durabilidad del tubo, determinada como la resistencia a la

corrosin, a la erosin, al agrietamiento y a la desintegracin.4. La facilidad o dificultad para transportar, manejar y tender el tubo bajo

diferentes condiciones de topografa, geologa y comunicacin.

5. La seguridad, economa y disponibilidad de los tamaos fabricados.

6. La disponibilidad de mano de obra entrenada en la construccin de tuberasde distintas clases.

7. Los requerimientos de mantenimiento y reparacin, prdidas de agua porfugas y otros asuntos de comportamiento y adaptabilidad del tubo.


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Requerimientos estructurales.

Estructuralmente los conductos cerrados deben de resistir un nmero de fuerzas

diferentes en combinacin o por separado:

1. La presin interna, que debe ser igual a la carga de agua total a la que elconducto puede estar sometido.

2. Presiones desbalanceadas en las curvas, contracciones y cierres.

3. Ariete hidrulico o presin interna aumentada a causa de una reduccin sbita

en la velocidad del agua.4. Cargas externas en forma de rellenos, trfico y su propio peso entre los

soportes externos (pilares o colgantes).

5. Expansin o contraccin inducida por la temperatura.


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Tipos de esfuerzos sobre los conductos cerrados:

- Tensin transversal. Es producida por la presin interna y el ariete hidrulico.

- Esfuerzo longitudinal. Producido por las curvas y cierres en los extremosmuertos y compuertas. Igual por los cambios de longitud como efecto de latemperatura.

- Esfuerzo flexionante. Producido por las cargas externas y las reacciones a lacimentacin (forma de soporte), el peso del conducto lleno y la presin

atmosfrica.

La magnitud de las cargas externas impuestas sobre los conductos tendidosdentro de zanjas o rodeados por otra forma cualquiera de tierra, dependen de:

- La naturaleza del material de la cubierta y del lecho.- El mtodo de soporte del conducto.- La anchura y profundidad de la zanja.- El mtodo de relleno.- La rigidez del conducto.


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Localizacin de los conductos.

Los conductos de abastecimiento generalmente se localizan en forma muy

similar a las carreteras, siguiendo la lnea de gradiente hidrulico.

El corte y relleno se balancean para mantener una pendiente uniforme y reducirla distancia (longitud) de la lnea de tubera.

Por economa debe seguirse la lnea de gradiente hidrulico en perfil y una lnearecta en planta; sin embargo, la ruta ms corta no siempre es la ms econmica.

Las curvas horizontales y verticales permiten efectuar cambios en direccin ypendiente en las lneas de abastecimiento, con el objeto de conservar la presin

y evitar desbalanceos en la misma.


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Profundidad de la cubierta:

La tubera de conduccin de agua potable debe instalarse enterrada con el fin deevitar cargas inadecuadas, choques o actos de vandalismo.

Para ello deben excavarse zanjas cuyo ancho y profundidad estn determinadospor el dimetro de la tubera y la carga esperada sobre la misma.

As,- El ancho puede tomarse como el dimetro del tubo ms 30 o 50 cm de

acuerdo a las especificaciones de diseo y la carga sobre la tubera.Una frmula til puede ser B = 1.5 D (B = ancho de la zanja; D = dimetro dela tubera).

- La profundidad puede adoptar como criterio general un valor mnimo de 1metro hasta la cota clave de la tubera (parte superior). Este valor puede sermodificado de acuerdo al material de la tubera y a la carga del terreno sobresta.


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Resistencia.

Los tubos pueden resistir presiones internas elevadas, segn el material de que

estn construidos.

Las lneas grandes no pueden soportar presin externas altas cuando se vacano son colocadas bajo vaco parcial.

Los tubos pueden para tolerar presiones de agua moderadamente altas y cargasexternas apreciables, siempre que se les proporcione un lecho apropiado.

Durabilidad.

Duracin aproximada de los diferentes materiales para tubos.

Material Durabilidad.

Tubo de hierro colado,recubierto.

100 aos.

Tubo de acero, recubierto. 25 a 50 aos

Tubo de acero reforzado 75 aos


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Transporte.

Cuando las lneas de tubera deben ser construidas en localizaciones abruptas e

inaccesibles su tamao y peso se vuelven importantes.

El tubo de hierro es pesado en sus tamaos grandes; el de acero esrelativamente ms ligero, pero ms largo.

La longitud normal de tendido de un tubo puede variar entre 12 pies (3.65 m) a20 30 pies (6.1 a 9.1 m).

Mantenimiento.

Las lneas de tubera debern inspeccionarse regularmente para mantenerse enbuen estado.

Todos los tamaos y clases deben vigilarse para evitar fugas o perdidas depresin; signos evidentes de falla.

Las lneas nuevas y las reparadas debern desinfectarse antes de ponerlas enservicio.


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Fugas.

Todas las tuberas debern probarse en su hermeticidad conforme se les

construye. Previamente, debe establecerse la presin de prueba.

Para hacer una prueba de fugas se asla la lnea mediante el cierre de lascompuertas y la colocacin de tapn temporal al extremo de la seccin bajoprueba. Se llena entonces el tubo con agua y se coloca bajo presin, midindoseel agua necesaria para mantener la presin mediante un contador domiciliario

ordinario. En donde no hay agua, el aire puede sustituirlo.


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Accesorios de la conduccin.

Compuertas.Las vlvulas de compuertas suele colocarse en la cima de los conductos depresin

Por razones de economa generalmente se emplean vlvulas de menor dimetroque el conducto mismo junto con las reducciones y ampliaciones necesarias.

Los conductos a gravedad se dotan comnmente de cmaras de compuertas:1. En los puntos estratgicos, para la operacin del conducto de

abastecimiento2. En aquellas partes donde es conveniente drenar la seccin.

Normalmente se instalan compuertas para limpiezas en los conductos agravedad, principalmente en los de mayor tamao.


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Vlvu las de pu rg a.

En conductos a presin, se proporcionan pequeas salidas dotadas de

compuertas, conocidas como vlvulas de purga o de limpieza, en los puntosbajos de la lnea.

Estas descargan en los canales naturales de drenado o vierten hacia una fosa.

Por seguridad se colocan en serie dos vlvulas de purga, de esta forma sereduce grandemente la posibilidad de que ambas fallen al cerrarse.

Su tamao depende de las circunstancias locales, especialmente del tiempocalculado para que la lnea se vace a las velocidades de flujo resultantes.

Vlvulas de aire.

Los conductos a presin se dotan con vlvulas de aire en todos los puntos altos.

Las vlvulas remueven automticamente:

1. El aire desplazado durante el llenado de la lnea

2. El aire desprendido del agua fluyente cuando la presin disminuyeapreciablemente.


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Pozos de Registro.

Los registros de acceso se colocan a espacios de 1000 a 2000 pies (304.8 a 610

m) sobre los conductos grandes.

Son tiles durante la construccin y sirven posteriormente para inspeccin yreparacin.

Juntas de aislamiento.Contralan la electrolisis al introducir resistencia al flujo de corrientes elctricasparasitas a lo largo de las lneas de tubera.

Juntas de expansin.

Controlan el efecto de los cambios de temperatura en la tubera, permitiendo sumovimiento.


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Anclajes.

Se emplean anclajes por una o ms de las siguientes razones:

1. Para resistir la tendencia de los tubos a separase en las curvas u otrospuntos de presin desbalanceadas.

2. Para resistir la tendencia de los tubos tendidos sobre pendientes.

3. Para restringir o dirigir la expansin y contraccin de tubos unidosrgidamente.

Otros accesorios.

1. Torres para salida de aire en la primera cima a fin de remover el aireatrapado al fluir el agua hacia la entrada de la tubera.

2. Tanques de compensacin al final de la lnea, para reducir el arietehidrulico creado por el cierre rpido de una vlvula al extremo de ella.


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3. Vlvulas para alivio de presin o torres de derrame, para mantener lapresin en la lnea bajo un valor dado, permitiendo al agua descargar al

drenaje cuando la presin asciende sobre el valor de diseo.

4. Vlvulas de retencin sobre las tuberas a presin, para prevenir el reflujocuando se paran las bombas.

5. Vlvulas de cierre automticas, impulsadas al cierre cuando la velocidad enel tubo excede de un valor predeterminado, como resultado de un accidente.

6. Vlvulas para control de altitud que cerrarn la entrada a losalmacenamientos de servicio, tanques elevados y tanques de torre antes de

que se alcancen los niveles de derrame.

7. Medidores de Venturi o de otro tipo y registradores para medir el flujo.


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Vlvula de aire

Vlvula de purga


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Vlvula de compuerta

Cmara rompe presin


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Diseo hidrulico de la lnea de conduccin

Los factores relacionados con el flujo que influencian el diseo hidrulicode los conductos son:

a) La resistencia al flujo en conexin con las presiones disponibles onecesarias.

b) Las velocidades de flujo requeridas y permisibles en relacin al costo,

limpieza y transporte de sedimentos.

En lneas de suministro largas, la resistencia por friccin (prdidas porfriccin) es el elemento dominante.

La resistencia de forma (prdidas por accesorios) es frecuentementedespreciable.


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Definiciones importantes:

Lnea de gradiente hidrulico: es la lnea que indica la presin en columna

de agua a lo largo de la tubera bajo condiciones de operacin. Lnea de impulsin: en un sistema por bombeo, es el tramo de tubera que

conduce el agua desde la estacin de bombeo hasta el reservorio. Prdida de carga unitaria (Sf): es la prdida de energa en la tubera por

unidad de longitud debida a la resistencia del material del conducto al flujo delagua. Se expresa en m/km o m/m.

Prdida de carga total (hf): representa el producto de prdida de cargaunitaria por la longitud del tramo de tubera.

Informacin bsica

Para el diseo se requiere de: Informacin de la poblacin.

Investigacin de la fuente: caudal y temporalidad; Calidad fisicoqumico y bacteriolgica. Plano topogrfico de la ruta seleccionada. Estudio de suelos (estudio geolgico) para determinar la estabilidad del terreno.


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Trazado

Se tomar en cuenta lo siguiente:

Evitar pendientes mayores del 30% para evitar velocidades excesivas.

En lo posible buscar el menor recorrido siempre y cuando esto no conllevecostos excesivos u otros aspectos.

Evitar cruzar por terrenos privados o comprometidos para evitar problemas

durante la construccin y en la operacin y mantenimiento del sistema. Si noes posible, tramitar permisos de paso (servidumbres).

Mantener las distancias permisibles de vertederos residuos slidos, mrgenesde ros, terrenos aluviales, nivel fretico alto, cementerios y otros servicios.

Utilizar zonas que sigan o mantengan distancias cortas a vas existentes o quepor su topografa permita la creacin de caminos para la ejecucin, operaciny mantenimiento.


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Evitar zonas vulnerables a efectos producidos por fenmenos naturales.

Tener en cuenta la ubicacin de las canteras para la disponibilidad de materialde sostn y zonas para la disposicin del material sobrante, producto de laexcavacin.

Establecer los puntos donde se ubicarn instalaciones, vlvulas y accesorios,

u otros accesorios especiales que necesiten cuidados, vigilancia y operacin.


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Caudal de diseo

Para el diseo de lneas de conduccin se utiliza el caudal mximo diario para el

perodo del diseo seleccionado.

Carga esttica y dinmica.

La carga esttica mxima aceptable ser de 50 m y la carga dinmica mnimaser de 1 m.

Cargas esttica y dinmica de la lnea de conduccin


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Dimetros:

Se disear para velocidades mnimas que eviten deposiciones (0.6 m/s) y

velocidades mximas que no causen erosin u otro tipo de problemas en latubera (5 m/s).

El dimetro mnimo en la lnea de conduccin es hasta de 2 (sistemasrurales).


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Dimensionamiento:

Lnea de conduccin bocatoma desarenador (planta de tratamiento)

Tipo de conduccin: flujo libre

Caudal de diseo: Q mx.D

Velocidad:Mnima: 0.6 m/sMxima: 5.0 m/s (segn el tipo de material)

Dimetro mnimo: 6 pulgadas (0.15 m)


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Ecuaciones de diseo: Q Rh2/3 S1/2 A

Q 0.312 [(D8/3 S1/2 )/n]

D 1.548 [(nQ)/S1/2]3/8

Requerimiento: la cota de salida de desarenador debe verificarse, de manera

que se cumpla que la profundidad en la cmara (desde el vertedero de excesoshasta el fondo) sea:

H d + 1.5 (V2 /2g)

diseño de líneas de conducción (clase)

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