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Trabajo Fin de Grado

Ingeniería de las Tecnologías Industriales

Análisis Comparativo de Herramientas de Cálculo de

Instalaciones Contra Incendios

Autor: Juan Santos Rincón Moreno

Tutor: Agustín Maraver Guerrero

Dep. Ingeniería de Construcción y Proyectos de

Ingeniería

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Sevilla, 2017

Trabajo Fin de Grado

Ingeniería de las Tecnologías Industriales

Análisis Comparativo de Herramientas de

Cálculo de Instalaciones Contra Incendios

Autor:

Juan Santos Rincón Moreno

Tutor:

Agustín Maraver Guerrero

Profesor Asociado

Dep. de Ingeniería de Construcción y Proyectos de Ingeniería

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2017

Trabajo Fin de Grado: Análisis Comparativo de Herramientas de Cálculo de Instalaciones

Contra Incendios

Autor: Juan Santos Rincón Moreno

Tutor: Agustín Maraver Guerrero

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes

miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2017

El Secretario del Tribunal

Plantear nuevas preguntas, nuevas posibilidades, estudiar los viejos

problemas desde un nuevo ángulo, requiere imaginación creativa y

marca un avance real en la ciencia.

Albert Einstein

i Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Agradecimientos

A mi familia, por su apoyo incondicional.

A Agustín, por guiarme en este trabajo.

Juan Santos Rincón Moreno

Sevilla, 2017

ii Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

iii Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Resumen

La revolución informática de los últimos años ha venido acompañada de una mejora en la

eficiencia y rapidez en la resolución de problemas ingenieriles. Gracias a ello, han surgido por

un lado, una gran cantidad de programas, tanto de uso general como especializado, que

permiten solventar problemas en distintos ámbitos y, por otro, herramientas de uso habitual

como Excel que disponen de una notable capacidad de cálculo y que, con la programación

adecuada, permiten resolver muchos problemas habituales en ingeniería.

El objetivo de este Trabajo Fin de Grado es analizar y hacer uso de uno de estos programas

aplicado al cálculo de una instalación contra incendios, así como elaborar una herramienta

específica, mediante una hoja de cálculo, y establecer una comparativa entre ambos métodos

que permita tanto su validación como extraer conclusiones sobre las ventajas e inconvenientes

de cada uno de los métodos de cálculo. Posteriormente se exponen las ventajas e

inconvenientes de cada herramienta.

Tras la realización y análisis de los resultados se llega a la conclusión de que la herramienta

elaborada es válida para el cálculo de instalaciones contra incendios, al obtenerse resultados

muy aproximados a los alcanzados a través del programa comercial.

iv Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Abstract

The computering revolution that we have been through lately, has come with an improvement of the efficiency and rapidity of solving new technological problems. Thanks to this, a huge quantity of programs have appeared, as much for general as for specialised use, which allow to solve problems in many different areas and, also, widely extended tools such as Excel which have a huge calculus capacity and, with the right programming, let you solve lots of common engineering problems.

The aim of this document is to analyse and make use of one of these softwares, in order to apply it to the calculation of a fire prevention system, as well as, developing a specific tool by means of an Excel work sheet, establishing a comparative between both methods, allowing its validation and drawing conclusions about its advantages and disadvantages. After that, their advantages and disadvantages of each tool will be shown.

After the execution and analysis of the results, we conclude that the tool elaborated is capable of calculating fire prevention systems, as we obtain very closed results to the ones from the commercial program.

v Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Índice

Agradecimientos i

Resumen iii

Abstract iv

Índice v

Índice de Figuras viii

Índice de Tablas x

1 Prefacio 1

1.1. Introducción 1

1.2. Objetivo del Trabajo Fin de Grado. 1

1.3. Alcance del Trabajo Fin de Grado. 2

1.4. Justificación del Trabajo Fin de Grado. 2

2 Metodología 3

3 Normativa Utilizada 5

3.1. Necesidades de un sistema de extinción. 5

3.2. Documentos a seguir. 5

3.3. Dotaciones necesarias. 7

3.4. Definición y elementos que componen una BIE. 8

3.5. Características y distribución de la instalación de Bocas de Incendio

Equipadas (BIEs) 10

3.6. Ecuaciones y tablas necesarias para el cálculo de la instalación. 12

3.7. Sistemas de impulsión y suministro de agua 13

4 Características de los programas 15

4.1. Hipótesis Simplificativas. 15

vi Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

4.2. Ecuaciones Fundamentales. 17

4.3. Ecuaciones de Comportamiento de los elementos de la instalación. 18

4.3.1. Pérdidas por fricción. 18

4.3.2. Pérdidas menores. 19

4.3.3. Tipos de Válvulas. 20

4.3.4 Emisores. 21

4.3.5. Bombas. 22

4.3.6. Abastecimiento. 22

4.3.6. Algoritmo de análisis. 23

5 Software Utilizados 24

5.1. Hoja de Cálculo 24

5.2. EPANET 25

6 Aplicación a un Caso Práctico 28

6.1. Descripción del edificio. 28

6.1.1. Planta Sótano. 28

6.1.2. Planta Plaza. 28

6.1.3. Planta Baja. 28

6.1.4. Plantas Primera a Séptima. 28

6.2. Dotaciones necesarias en cada planta. 29

6.2.1 Planta Sótano. 29

6.2.2. Planta Baja y Superiores. 29

6.3. Reparto y colocación de BIEs. 30

6.3.1. Planta Sótano. 30

6.3.2. Planta Plaza. 30

6.3.3. Planta Baja. 31

6.3.4. Planta Primera, Cuarta, Quinta, Sexta y Séptima. 32

6.3.5. Planta Segunda y Tercera. 32

7 Comparación de Resultados 34

7.1. Cálculo en EPANET 34

vii Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

7.1.1. Cotas. 34

7.1.2. Diámetros. 34

7.1.3. Longitudes. 35

7.1.4. Longitud más longitud equivalente de cada tramo por pérdidas de

accesorios. 36

7.2. Simulación. 36

7.2.1. Selección de la bomba. 36

7.2.2. Tablas comparativas. 38

7.2.2.1. Nodos. 38

7.2.2.1. Tuberías. 40

7.3. Diferencias comparativas. 42

7.3.1. Curva altura-caudal. 42

7.3.2. Modelado tuberías. 42

7.3.2. Modelado bomba y accesorios. 42

8 Modificaciones y Comprobaciones 44

8.1. Instalación de válvulas reguladoras de presión. 44

8.2. Modelado con coeficiente de emisión. 45

8.3. Modelado con bomba exacta. 45

9 Grupo Contra Incendios y Sistema de Abastecimiento 48

9.1. Tipos de configuraciones. 48

9.2. Cálculo del NSPH. 49

9.3. Descripción del grupo de presión y depósito. 51

10 Conclusiones 54

10.1. Conclusiones. 54

10.1.1. Validación de resultados. 54

10.1.2. Ventajas y desventajas de la Hoja respecto al programa comercial. 55

10.2. Propuestas de mejora. 56

Referencias I

ANEXO I: Esquema de la instalación II

viii Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Índice de Figuras

Figura 1. Diagrama de una boca de incendios equipada. 9

Figura 2. Esquema suministro de agua y sistema de abastecimiento de la instalación. 13

Figura 3. Estructura de la instalación con malla abierta. 16

Figura 4. Estructura de la instalación con malla cerrada. 16

Figura 5. Diagrama colocación de BIEs Planta Sótano. 30

Figura 6. Diagrama colocación de BIEs Planta Plaza. 31

Figura 7. Diagrama colocación de BIEs Planta Baja. 31

Figura 8. Diagrama colocación de BIEs Plantas Primera, Cuarta, Quinta, Sexta y

Séptima. 32

Figura 9. Diagrama colocación de BIEs Plantas Segunda y Tercera. 32

Figura 10. Cota de cada nodo. 34

Figura 11. Diámetro de cada tubería. 35

Figura 12. Longitud de cada tubería. 35

Figura 13. Longitud real +longitud equivalente de cada tubería. 36

Figura 14. Catálogo resumen de bombas en función de su altura manométrica y caudal

total. 37

Figura 15. Curvas de la bomba seleccionada. 38

Figura 16. Resultados EPANET. 38

Figura 17. Esquema del modelado del sistema de abastecimiento y suministro en

EPANET. 43

Figura 18. Resultados tras la instalación de válvulas reguladoras de presión. 44

Figura 19. Esquema bomba en aspiración. 48

Figura 20. Esquema bomba en carga. 49

ix Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Figura 21. Relación entre NPSH disponible y requerido. 51

Figura 22. Esquema del conjunto de bomba seleccionado. 51

Figura 23. Esquema disposición del depósito. 52

Figura 24. Depósito. 53

x Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

Índice de Tablas

Tabla 1. Relación entre coeficientes de pérdidas y el material. 12

Tabla 2. Relación de longitudes equivales para cada accesorio y diámetro. 13

Tabla 3. Ecuaciones para el cálculo de las pérdidas por fricción. 18

Tabla 4. Ecuaciones coeficientes de rugosidad para cada material. 18

Tabla 5. Longitudes equivalentes. 19

Tabla 6. Coeficientes de pérdidas en los accesorios en función del diámetro. 20

Tabla 7. Relación de coeficientes de descarga en función del diámetro equivalente. 21

Tabla 8. Numeración de BIEs por planta. 33

Tabla 9. Resultados en los nodos. 40

Tabla 10. Resultados en las tuberías. 41

Tabla 11. Resultados tras la instalación de válvulas reguladoras de presión. 45

Tabla 12. Resultados con bomba exacta. 47

Tabla 13. Variación de la tensón de vapor del líquido según la temperatura de bombeo.

50

1 Departamento de la Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería

1 Prefacio

1.1. Introducción

Desde el principio de los tiempos el hombre ha utilizado el fuego, pero éste además de

su carácter beneficioso, tanto a nivel doméstico como industrial, puede ser

tremendamente destructor por los siniestros que puede ocasionar.

Este hecho, se puso especialmente de manifiesto cuando el hombre empezó a vivir en

ciudades y se constató que estas estaban predispuestas a los incendios que

normalmente comenzaban de forma localizada y que luego se extendían afectando a

grandes zonas (en algunos casos a la ciudad completa) de las mismas con los

consiguientes daños tanto personales como materiales.

Esta circunstancia se ha puesto más en relevancia con la construcción de grandes

edificaciones y su continua modernización, que ha venido acompañada de una serie de

riesgos y problemas, en cuanto a la protección pasiva, la detección, y el control y

extinción de los incendios a los que tanto desde el punto de vista de la normativa

legalmente aplicable como a la establecida por las regulaciones específicas que, en

este sentido, establecen las compañías de seguros.

En este sentido, y en el ámbito del control y extinción de los incendios, existen

actualmente diversos sistemas de extinción que se adecuan tanto a las características

del edificio como a las del uso del mismo, con el objetivo único de sofocar y apagar el

fuego, en caso de producirse, lo antes posible. De forma que no se produzcan ni daños

personales ni materiales.

En este trabajo fin de grado, se plantea un problema real en un edificio, en el que hay

que implantar un sistema de instalación contra incendios y dentro, e las mismas, se va

a analizar la instalación de Bocas de Incendio Equipadas y para su diseño y cálculo se

ha planteado la comparación de dos herramientas de cálculo.

Por un lado, hoy en día, existe una gran variedad de empresas que comercializa hojas

de cálculo. Para la resolución de este Trabajo Fin de Grado se ha escogido Microsoft

Excel, por ser la más sencilla, común y extendida.

Por otro lado, a la vez que se han ido mejorando y potenciando las hojas de cálculo, se

han creado programas específicos, basados en esa misma idea de cálculo

automatizados y capaces de resolver una gran diversidad de problemas hidráulicos. Uno

de ellos es EPANET, que ha sido el programa seleccionado para resolver el cálculo de

la instalación planteado en el Trabajo Fin de Grado y que es capaz de resolver problema

de instalaciones hidráulicas.

1.2. Objetivo del Trabajo Fin de Grado.

El objetivo de este Trabajo Fin de Grado, es, primeramente, es analizar y hacer uso de

un programa especializado en el Cálculo de Instalaciones Hidráulicas, como las de una

instalación de Bocas de Incendio Equipadas, así como elaborar una herramienta


específica, mediante una hoja de cálculo, y establecer una comparativa entre ambos

métodos que permita tanto su validación como extraer conclusiones sobre las ventajas

e inconvenientes de cada uno de los métodos de cálculo. Posteriormente se exponen

las ventajas e inconvenientes de cada herramienta.

Por otro lado, el propósito de este documento es presentar el Trabajo de Fin de Grado

del alumno Juan Santos Rincón Moreno para la obtención del título de Graduado/a en

Ingeniería de las Tecnologías Industriales en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería

de la Universidad de Sevilla.

1.3. Alcance del Trabajo Fin de Grado.

Este trabajo trata del cálculo de una instalación de extinción de incendios, en concreto

una instalación de Bocas de Incendio Equipadas, ahondando en el método de trabajo

que se sigue habitualmente en la ingeniería. Para éste son totalmente imprescindibles

dos elementos hoy en día: el dominio y manejo del marco de la normativa legal y el uso

de herramientas informáticas propias y comerciales para la resolución de problemas,

comparándose los resultados obtenidos y evaluando las diferencias entre las

herramientas.

Se va a realizar un problema ingenieril con mucha aplicación y similitud al de cualquier

otro tipo de instalación industrial, pudiéndose extender la ética y estructura de trabajo

que se va a seguir en éste proyecto a otros que puedan realizarse en un futuro.

1.4. Justificación del Trabajo Fin de Grado.

Con la realización de este proyecto se afianzarán los contenidos estudiados en la

materia de Ingeniería Fluidomecánica, haciéndose especial hincapié en el bloque de

Instalaciones Hidráulicas, así como en el conocimiento y estudio de toda la normativa

específica de Protección Contra incendios aplicada al caso que nos ocupa. Además, se

mejorará el manejo de una herramienta tan importante hoy en día para el desempeño

del trabajo de un ingeniero como es Microsoft Excel y se trabajará con un programa

comercial de cálculo de Instalaciones, ampliamente usado en el sector para realizar

proyectos de este tipo.


2 Metodología

La metodología a seguir para la consecución del Trabajo Fin de Grado, cuyo objetivo,

conviene recordar que, es la comparación de distintas herramientas de cálculo en un

proyecto real ingenieril, ha sido:

Elaborar una hoja de cálculo en Excel para realizar una validación de datos

comparándolos con el programa comercial y con otra hoja de cálculo realizada para un

Trabajo Fin de Carrera similar y adaptada al problema. Para concluir, se realiza un

análisis de las ventajas e inconvenientes de cada caso.

Este estudio se ha realizado en las siguientes etapas:

1. Estudio del marco normativo, que nos indique cómo se ha de realizar y calcular

la instalación. Una vez que se han establecido los elementos que rigen este tipo

de instalaciones, se procede con una explicación de nuestro caso de estudio

mediante la descripción del edificio y de las características del problema.

2. Justificación de la selección del software comercial y tablas de Excel que se van

a utilizar para solucionar este problema ingenieril:

a. Existen diversos programas de pago, como CIH bomberos, que permiten

calcular este tipo de instalaciones con gran detalle. Sin embargo, se elige

el programa EPANET, ya que, es un programa gratuito y ampliamente

aceptado y utilizado en la industria.

b. Por otro lado, se justifica la elaboración de un método de cálculo propio

y la adaptación de una hoja de cálculo, creada originalmente para

resolver un problema distinto.

3. Estudio de las herramientas objeto de análisis. Exponiendo los pasos a seguir

para la introducción de datos en los distintos métodos de cálculo, se adquieren

unas nociones básicas sobre cada programa. Se desgrana el manual del

programa comercial, con una descripción completa y detallada sobre la

utilización del software. De igual forma, se realiza una descripción de las hojas

de cálculo, explicitando su forma de uso y funcionamiento.

4. Identificación y selección de las variables de interés para el proyecto. En el caso

de instalaciones hidráulicas siempre será necesario calcular presiones y

caudales en nodos y tuberías. Éstas serán las magnitudes cuyos resultados se

cotejen en ambos softwares.

5. Cálculo y comparación de los resultados obtenidos por cada una de las vías,

este paso contiene las siguientes etapas:

a. Se recopilan los datos obtenidos por cada vía.


b. Mediante una tabla comparativa se muestran los resultados y las

diferencias porcentuales entre métodos.

c. Se observa si se cumplen los requisitos establecidos por el reglamento

para cada caso, observando si es necesaria la instalación de elementos

de regulación y control.

d. Se procede a homogeneizar lo máximo posible el cálculo.

e. Se muestra mediante un pequeño estudio de sensibilidad lo que sucede

al modificar levemente algunos parámetros.

6. Dimensionado del grupo de presión y del sistema de suministro, mediante la

ayuda de un catálogo comercial, del que se extraen los equipos y sus curvas de

comportamiento reales.

7. Conclusiones sobre los resultados obtenidos. Tras el análisis comparativo

realizado se procede a exponer las ventajas e inconvenientes de cada

herramienta.


3 Normativa Utilizada

Las condiciones de seguridad contra incendios para esta edificación quedan reguladas

fundamentalmente por los siguientes textos legales:

- Norma básica de la Edificación. Condiciones de protección contra incendios en

los edificios. NBE-CPI-96.

- Reglamento de Instalaciones de Protección Contra Incendios. Real Decreto

1942/1993 de 5 de noviembre, posteriormente modificado por Real Decreto

560/2010, de 7 de mayo. Ministerio de Industria y Energía, en el que también se

establece la obligación de considerar y cumplir la totalidad de las Normas UNE

relativas a instalaciones contra incendios.

- Reglamento de Seguridad contra Incendios en los Establecimientos Industriales.

Real Decreto 2267/2004, de 3 de diciembre, por el que se aprueba el

Reglamento de Seguridad Contra Incendios en los Establecimientos Industriales.

- Norma UNE 23500:2012. Sistema de abastecimiento de agua contra incendios.

- Norma UNE-EN 671-1 aprobada en Julio de 2013. Instalaciones fijas de lucha

contra incendios. Sistemas equipados con mangueras.

Adicionalmente, se han consultado las reglas técnicas de CEPREVEN (Centro de

Prevención de Daños y Pérdidas).

3.1. Necesidades de un sistema de extinción.

La Norma Básica de la Edificación nos dice que se debe reducir a límites aceptables el

riesgo de que los usuarios de un edificio sufran daños derivados de un incendio. Esta

norma nos indica, en su artículo 2, que debe aplicarse a los proyectos y a las obras de

nueva construcción, de reforma de edificios y de establecimientos, o de cambio de uso

de los mismos, excluidos los de uso industrial.

En nuestro caso se tienen dos usos: aparcamiento y administrativo. Entendiéndose por

ello, las definiciones descritas en el artículo de esta norma.

3.2. Documentos a seguir.

El reglamento de instalaciones de protección contra incendios (RIPCI) tiene por objeto

la determinación de las condiciones y los requisitos exigibles al diseño,

instalación/aplicación, mantenimiento e inspección de los equipos y sistemas que

conforman las instalaciones de protección activa contra incendios.

En su artículo 21 se especifican qué otros documentos se deben consultar para realizar

una instalación dependiendo del edificio en cuestión y de su uso. De tal forma que:

1. En los establecimientos y zonas de uso industrial, que se encuentran dentro

del ámbito de aplicación del Reglamento de seguridad contra incendios en

establecimientos industriales (RSCIE), la instalación de los equipos y


sistemas de protección contra incendios, incluidos en el presente reglamento

requerirá la presentación de un proyecto. Entendiéndose el ámbito de

aplicación de este reglamento a los siguientes establecimientos industriales:

- Las industrias, definidas en el artículo 3.1 de la Ley 21/1992, de

16 de julio, de Industria.

- Los almacenamientos industriales.

- Los talleres de reparación y los estacionamientos de vehículos

destinados al servicio de transporte de personas y transporte de

mercancías.

- Los servicios auxiliares o complementarios de las actividades

comprendidas en los párrafos anteriores.

Igualmente, el RSCIE nos establece en su artículo 14 los requisitos que

deben cumplir este tipo de instalaciones:

1. Todos los aparatos, equipos, sistemas y componentes de las

instalaciones de protección contra incendios de los establecimientos

industriales, así como el diseño, la ejecución, la puesta en

funcionamiento y el mantenimiento de sus instalaciones, al igual que

los instaladores y mantenedores de la instalación, cumplirán lo

preceptuado en el Reglamento de instalaciones de protección contra

incendios, aprobado por el Real Decreto 1942/1993, de 5 de

noviembre, y en la Orden de 16 de abril de 1998, sobre normas de

procedimiento y desarrollo de aquel.

2. Las condiciones y requisitos que deben cumplir las instalaciones de

protección contra incendios de los establecimientos industriales, en

relación con su seguridad contra incendios, serán los establecidos en

el anexo III, punto 9. El mismo se expone a continuación, y en él se

detallan las situaciones en las que se instalarán, características y

requerimientos para la instalación de bocas de incendios equipadas:

Se instalarán sistemas de bocas de incendio equipadas en los

sectores de incendio de los establecimientos industriales si:

a. Están ubicados en edificios de tipo A y su superficie total

construida es de 300 m² o superior.

b. Están ubicados en edificios de tipo B, su nivel de riesgo intrínseco

es medio y su superficie total construida es de 500 m² o superior.

c. Están ubicados en edificios de tipo B, su nivel de riesgo intrínseco

es alto y su superficie total construida es de 200 m² o superior.

d. Están ubicados en edificios de tipo C, su nivel de riesgo intrínseco

es medio y su superficie total construida es de 1000 m² o superior.

e. Están ubicados en edificios de tipo C, su nivel de riesgo intrínseco

es alto y su superficie total construida es de 500 m² o superior.

f. Son establecimientos de configuraciones de tipo D o E, su nivel

de riesgo intrínseco es alto y la superficie ocupada es de 5.000 m² o

superior.


Si bien en el siguiente apartado serán objeto de detalle, a continuación,

se especifican los casos en los que se requiere la instalación de bocas

de incendio equipadas, junto con sus necesidades de suministro:

* Se admitirá una BIE 25 mm como toma adicional de 45 mm, y se considerará,

a los efectos de cálculo hidráulico, como BIE de 45 mm.

El caudal unitario será el correspondiente a aplicar a la presión dinámica

disponible en la entrada de la BIE, cuando funcionen simultáneamente el

número de BIE indicado, el factor K del conjunto, proporcionado por el

fabricante del equipo. Los diámetros equivalentes mínimos serán 10 mm

para BIE de 25 y 13 mm para las BIE de 45 mm.

Se deberá comprobar que la presión en la boquilla no sea inferior a dos

bar ni superior a cinco bar, y, si fuera necesario, se dispondrán

dispositivos reductores de presión.

2. En los edificios a los que sea de aplicación el Código Técnico de la Edificación,

Documento Básico “Seguridad en caso de incendio (SI)”, las instalaciones de

protección contra incendios se atendrán a lo dispuesto en el apartado 1 anterior,

en lo relativo a la presentación del correspondiente proyecto o documentación

técnica.

El código técnico de la edificación (CTE) establece en su artículo 2.2. los edificios

que son de aplicación al Documento Básico, disponiendo que el CTE se aplicará

a las obras de edificación de nueva construcción.

En nuestro caso concreto, este será el código a aplicar, ya que como se ha

descrito previamente, se quiere realizar la instalación contra incendios a un

nuevo edificio con locales para oficinas y un aparcamiento en el sótano. Para

ello, el código técnico nos deriva a su Documento Básico “Seguridad en caso de

incendio (SI)”.

3.3. Dotaciones necesarias.

El Código Técnico de la Edificación, Documento Básico “Seguridad en caso de incendio

(SI)”, en su sección 4.1., indica la dotación con la que debe contar la instalación contra

incendios de un edificio en función de sus usos:


Con esta información, se puede ir planta por planta observando qué dotación es

requerida. Este paso, se realizará en el apartado 5, tras describir las características de

cada planta.

Sin embargo, en este Trabajo Fin de Grado sólo va a ser objeto de estudio el cálculo de

las Bocas de Incendio Equipadas. Por lo que, a partir de este momento, en lo que a la

normativa respecta se centra en éstas.

3.4. Definición y elementos que componen una BIE.

Una Boca de Incendios Equipada (BIE), es un equipo de protección y lucha contra

incendios, instalado de forma fija a una pared y alimentado a través de una instalación

hidráulica con su sistema de abastecimiento de agua.

La Instalación de Bocas de Incendio está compuesta por los siguientes elementos,

según la NBE-CPI-82, tal y como se muestran a continuación:


Figura 1. Diagrama de una boca de incendios equipada.

- Boquilla: Deberá ser de un material resistente a la corrosión y a los esfuerzos

mecánicos a los que vaya a quedar sometida su utilización.

Tendrá la posibilidad de accionamiento que permita la salida del agua en forma

de chorro o pulverizada, pudiendo disponer además de una posición que permita

la protección de la persona que la maneja. En el caso de que la lanza sobre la

que va montada no disponga de sistema de cierre, éste deberá ir incorporado a

la boquilla. El orificio de salida deberá estar dimensionado de forma que se

consigan los caudales exigidos.

- Lanza: Deberá ser de un material resistente a la corrosión y a los esfuerzos

mecánicos a los que vaya a quedar sometida su utilización. Llevará incorporado

un sistema de apertura y cierre, en el caso de que éste no exista en la boquilla.

No es exigible la lanza si la boquilla se acopla directamente a la manguera.

- Manguera: Sus diámetros interiores serán de 45 o 25 mm, y sus características

y ensayos se ajustarán a lo especificado en las siguientes Normas UNE:

o UNE 23-091181 "Mangueras de Impulsión para la lucha Contra-

Incendios. Parte 1 - Generalidades.

o UNE 23-091182 "Mangueras de Impulsión para la lucha Incendios. Parte

2A: Manguera flexible plana para Servicio ligero, de diámetros 45 y 70

mm.

o UNE 23-091182 - Mangueras de Impulsión para lucha Contra Incendios.

Parte 4: Descripción de procesos y aparatos para Pruebas y Ensayos."

La manguera de diámetro 25 mm, será de trama semirrígida no

autocolapsable, debiendo recuperar la forma cilíndrica una vez eliminada

la causa del colapsamiento. Su presión de servicio será de 15 kg/cm² con

un margen de seguridad 1:3, debiendo soportar una carga mínima de

rotura a la tracción de 1.500 kg.


- Racor: Todos los racores de conexión de los diferentes elementos de la boca de

incendios equipada estarán sólidamente unidos a los elementos a conectar y

cumplirán con las siguientes Normas UNE:

o UNE 23-400181 «Material de lucha contra incendios. Parte 1: Racores

de Conexión de 25 mm».

o UNE 23-400181 «Material de lucha contra incendios. Parte 2: Racores

de Conexión de 45 mm». Válvula: Deberá estar realizada en material

metálico resistente a la oxidación y corrosión. Se admitirán las de cierre

rápido (1/4 de vuelta) siempre que se prevean los efectos del golpe de

ariete y las de volante con un número de vueltas para su apertura y cierre

comprendido entre 2 1/4 y 3 1/2. En el tipo de 25 mm, la válvula podrá

ser de apertura automática al girarla devanadera.

- Manómetro: Será adecuado para medir presiones entre cero y la máxima presión

que se alcance en la red.

- Soporte: Deberá tener suficiente resistencia mecánica para soportar además del

peso de la manguera las acciones derivadas de su funcionamiento.

Se admite tanto el de tipo devanadera (carrete para conservar la manguera

enrollada) como el de tipo plegadora (soporte para conservar la manguera

doblada zigzag) excepto en el tipo de 25 mm, que será siempre de devanadera.

Ambos tipos de soporte permitirán orientar correctamente la manguera. Para

mangueras de 45 mm, el soporte deberá poder girar alrededor de un eje vertical.

- Armario: Todos los elementos que componen la boca de incendio equipada

deberán estar alojados en un armario de dimensiones suficientes para permitir

el despliegue rápido y completo de la manguera, excepto en el tipo de 25 mm,

en el cual no es exigible el armario.

Podrá ser empotrado o de superficie, siendo en este caso metálico. En todos los

casos la tapa será de marco metálico y provista de un cristal que posibilite la fácil

visión y accesibilidad, así como la rotura del mismo. Dispondrá de un sistema

que permita su apertura para las operaciones de mantenimiento. Su interior

estará ventilado.

3.5. Características y distribución de la instalación de Bocas de

Incendio Equipadas (BIEs)

En el RIPCI, en su Anexo I punto 5, establece todas las características y parámetros de

la BIE:

1. Los sistemas de bocas de incendio equipadas (B.I.E.) estarán compuestos por

una red de tuberías para la alimentación de agua y las B.I.E. necesarias.

Las B.I.E. pueden estar equipadas con manguera plana o con manguera

semirrígida.


2. Las BIE cumplirán lo establecido en las normas UNE 671-1 y UNE 671-2.

3. Las B.I.E. deberán montarse sobre un soporte rígido, de forma que la boquilla y

la válvula de apertura manual y el sistema de apertura del armario, si existen,

estén situadas, como máximo, a 1,50 m. sobre el nivel del suelo.

Las B.I.E. se situarán siempre a una distancia, máxima, de 5 m, de las salidas

del sector de incendio.

Para las B.I.E. con manguera semirrígida o manguera plana, la separación

máxima entre cada B.I.E. y su más cercana será de 50 m. La distancia desde

cualquier punto del área protegida hasta la B.I.E. más próxima no deberá

exceder del radio de acción de la misma. Tanto la separación, como la distancia

máxima y el radio de acción se medirán siguiendo recorridos de evacuación.

Para facilitar su manejo, la longitud máxima de la manguera de las B.I.E. con

manguera plana será de 20 m y con manguera semirrígida será de 30 m.

Considerando éste más 5 metros, como el radio de acción.

4. Para las B.I.E. con manguera semirrígida o con manguera plana, la red de B.I.E.

deberá garantizar durante una hora, como mínimo, el caudal descargado por las

dos hidráulicamente más desfavorables, a una presión dinámica a su entrada

comprendida entre un mínimo de 300 kPa (3 kg/cm²) y un máximo de 600 kPa

(6 kg/cm²).

Las condiciones establecidas de presión, caudal y reserva de agua deberán estar

adecuadamente garantizadas y son las siguientes:

• Presión y caudal. La presión mínima en la boca de salida debe ser de

2 kg/cm², por este motivo la presión de acometida a la BIE (teniendo

en cuenta la pérdida de carga que se produce en la manguera, que

ronda 1,5 kg/cm²), podrá oscilar entre 3'5 kg/cm² de mínima y 5 kg/cm²

de máxima, para un caudal mínimo de 1,66 l/s (para las BIE de 25

mm) o de 3,32 l/s (para las BIE de 45 mm).

• El número de B.I.E. que pueden estar abiertas simultáneamente es

de 2.

• Se debe considerar, a efectos de cálculo, las más desfavorables

hidráulicamente.

• Las tuberías serán de acero negro estirado con soldaduras DIN 2440.

• El caudal a suministrar por el grupo será:

1,66 l/s x 2 B.I.E.s = 3,32 l/s = 12 m3/h (Para BIE de 25 mm)

3,32 l/s x 2 B.I.E.s = 6,64 l/s = 24 m3/h (Para BIE de 45 mm)

5. Para las B.I.E. con manguera semirrígida o con manguera plana, el sistema de

B.I.E. se someterá, antes de su puesta en servicio, a una prueba de estanquidad

y resistencia mecánica, sometiendo a la red a una presión estática igual a la

máxima de servicio y, como mínimo, a 980 kPa (10 kg/cm²), manteniendo dicha

presión de prueba durante dos horas, como mínimo, no debiendo aparecer fugas

en ningún punto de la instalación.


3.6. Ecuaciones y tablas necesarias para el cálculo de la instalación.

El RIPCI establece una relación de normas UNE anexas, como la UNE 23500. Esta

norma, nos indica como calcular la pérdida de carga por fricción en la tubería, mediante

la fórmula de Hazen-Williams, que es la siguiente:

Al igual que los coeficientes para cada material:

Tabla 1. Relación entre coeficientes de pérdidas y el material.

Y los coeficientes de reducción de carga, que modelan cada válvula y accesorio como

una longitud equivalente de tubería, los cuales deberán ser agregados a la longitud real.


Tabla 2. Relación de longitudes equivales para cada accesorio y diámetro.

3.7. Sistemas de impulsión y suministro de agua

Para el caso de BIEs, están catalogadas como de categoría III, por lo que, necesitan

recibir el suministro desde un depósito colocado junto a la bomba y siguiendo el

siguiente esquema:

Figura 2. Esquema suministro de agua y sistema de abastecimiento de la

instalación.


El depósito será de tipo A o B, tal y como se indica en la figura, presentando el depósito

del primer tipo mejores condiciones de resistencia y durabilidad mecánica y corrosiva.

Igualmente, existen distintos tipos de configuraciones respecto a la disposición del

depósito, encontrando disposiciones con o sin foso de aspiración y con o sin codo en la

tubería de aspiración.

En lo relativo al sistema de bombeo contará con:

- Uno o varios grupos de bombeo principales, encargados de proporcionar el

caudal exigido, que será en los sistemas con BIEs de 25 mm, de 200 l/min,

siendo el doble para las BIEs de 45 mm.

- Una bomba mantenedora de presión (bomba Jockey), que asegura una presión

constante en toda la instalación.

- Valvulería, instrumentación, tuberías, etc.

- Un cuadro de control.

Adicionalmente, deberá instalarse un sistema de cebado automático para cada bomba.

Consistirá en un pequeño depósito de 100 litros (por ser de riesgo leve) colocado a un

nivel más alto que el de la bomba y conectado por un tubo, junto a una válvula de

retención. Se mantendrán llenos de agua en todo momento.


4 Características de los programas

Dado que se van a comparar dos programas distintos de cálculo de instalaciones será

necesaria una comparativa de las hipótesis y consideraciones que realiza cada

programa para garantizar que se procede de igual manera.

En cuanto al programa comercial, EPANET, lo primero que llama la atención es su

interfaz gráfica, la cual nos ayuda a ir introduciendo datos. Sin embargo, la geometría

que se elabore, no tiene ninguna incidencia en los cálculos, ya que, los coeficientes de

pérdidas y accesorios han de ser introducidos manualmente, como se explica

posteriormente. Por ello, con la elaboración de un simple boceto será suficiente.

En la hoja de cálculo la introducción de datos es totalmente diferente. Es necesario

verificar que los datos introducidos van en consonancia con lo que se va obteniendo en

EPANET.

4.1. Hipótesis Simplificativas.

Hay una serie de hipótesis y simplificaciones que son comunes, tanto en EPANET, como

en la hoja de cálculo. Son las siguientes:

En cuanto al flujo, considera que:

- Es unidimensional en el sentido del eje de conducción.

- La invariabilidad temporal de las variables relacionadas con el flujo. Es decir, no

hay regímenes transitorios, las tuberías están siempre llenas.

- Hay una distribución uniforme de la velocidad y presión en las secciones

transversales.

Respecto al fluido:

- Incomprensible.

- Newtoniano.

- Homogéneo

- Monofásico.

Respecto a las conducciones:

- Homogeneidad y constancia del material, así como, de la sección y el diámetro.

Sin embargo, la principal diferencia entre ambas herramientas radica en el método de

cálculo de cada una de ellas. El programa comercial, tiene una potente base de cálculo

fundamentada en métodos numéricos, y, por tanto, consigue unos resultados muy

precisos. Aunque la hoja de cálculo no tiene esa potencia operativa, haciendo una

simplificación puede considerarse correcta. Este es uno de los puntos principales del

trabajo: corroborar y comprobar que se puede llegar a una solución válida mediante una

aproximación.


En la hoja de cálculo, se considera matemáticamente la instalación como una estructura

en árbol (figura 3). Es decir, se van acumulando los cálculos de las pérdidas en las

tuberías y accesorios, nodo a nodo, desde la bomba hacia las plantas superiores.

Figura 3. Estructura de la instalación con malla abierta.

Esta consideración es posible realizarla debido al tipo de configuración que tiene la

instalación. En el caso de una instalación, en la que sus tuberías describieran una

poligonal cerrada (figura 4), no sería posible predecir la dirección del flujo y, por tanto,

no se podrían calcular las pérdidas producidas, al no poder ir arrastrando los resultados

de un nodo a otro. Sin embargo, este problema también puede tener solución, si se

divide esa malla en dos ramales y se considera que la pérdida de carga en cada ramal

es la misma. Esa es la única forma de conseguir que el caudal esté en equilibro en el

punto en el que se divide la malla.

Figura 4. Estructura de la instalación con malla cerrada.


En esta instalación existe una malla en la planta sótano; no obstante, no tiene influencia

en el cálculo global. Debido a que se realiza el cálculo de la instalación para la situación

más desfavorable hidráulicamente, alimentando únicamente las dos BIEs de la última

planta, la séptima. Por tanto, se puede considerar que al no circular caudal por la planta

sótano, no habrá pérdidas en la instalación y, consecuentemente, la presión que se

tendría en todos los nodos de dicha planta, será la misma.

4.2. Ecuaciones Fundamentales.

En lo relativo a las ecuaciones utilizadas, ambos métodos de cálculo se basan en las

ecuaciones de conservación de la masa y la energía.

De tal manera que aplicando la ecuación de continuidad en los nudos, la cual dice que:

la suma algebraica de los caudales entrantes ha de ser igual a la de los caudales

salientes.

∑𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = ∑𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

Para la energía, se utiliza la ecuación de Bernoulli: “la energía por unidad de peso del

fluido en la sección aguas arriba (𝐸1), más la energía por unidad de peso cedida al

mismo a través de elementos activos, tales como bombas (ℎ𝑏) en el trayecto de 1 a 2

es igual a la energía por unidad de peso en la sección aguas abajo (𝐸2) más las pérdidas

de energía por unidad de peso entre las secciones 1 y 2 (ℎ1⟶2)”.

𝐸1+ℎ𝑏=𝐸2+ℎ1⟶2

La energía por unidad de peso en una determinada sección consta de tres

componentes:

𝐸 =𝑝

𝛾+ 𝑍 +

𝑣2

2𝑔

donde:

𝑝

𝛾: altura de presión.

Z: cota geométrica.

𝑣2

2𝑔: altura cinética.


4.3. Ecuaciones de Comportamiento de los elementos de la

instalación.

4.3.1. Pérdidas por fricción.

Es producida por la rugosidad interna de la tubería. Existen tres vías para calcularla:

- Método de Hazen-Williams: Se utiliza sólo para agua y conducciones de aguas

residuales. Desde su descubrimiento en 1902 es el método más implementado.

En nuestro caso, será utilizado en la hoja de cálculo y en el programa comercial,

ya que así figura especificado en la norma UNE.

- Método de Darcy-Weisbach: Sirve para todo tipo de líquidos y regímenes y es el

más exacto teóricamente.

- Método de Chezy-Manning: Para canales y tuberías de gran tamaño.

Todos estos métodos siguen una fórmula, con la estructura:

ℎ𝐿 = 𝐴 𝑄𝐵

En la siguiente tabla, se muestran los valores de los parámetros A y B.

Tabla 3. Ecuaciones para el cálculo de las pérdidas por fricción.

Siendo los coeficientes de rugosidad los siguientes:

Tabla 4. Ecuaciones coeficientes de rugosidad para cada material.

Con el método de Darcy-Weisbach, dependiendo del régimen de trabajo de la

instalación, el programa utiliza distintas expresiones, debido a que el factor de fricción

varia. Por ello, se tiene:


- Régimen laminar (Re < 2000): Utiliza la fórmula de Hagen-Poiseuille.

- Régimen turbulento (Re > 4000): Utiliza la aproximación de Swamee y Jain de

la ecuación de Colebrook-White.

- Régimen transitorio (2000 < Re > 4000): Utiliza la interpolación cubica del ábaco

de Moody.

4.3.2. Pérdidas menores.

En la hoja de cálculo, se tiene la opción de poder ir introduciendo, uno a uno, los

diferentes accesorios de cada tramo. Teniendo, cada uno de ellos, asignada una

longitud equivalente (estos datos vienen especificados en la segunda hoja Excel del

archivo) que hay que sumar a la longitud real de la tubería. Son los siguientes:

Tabla 5. Longitudes equivalentes.

Mientras, el programa comercial ofrece dos posibilidades: Por un lado, se puede rellenar

el espacio dentro de las características de cada tubería destinado a el coeficiente de

pérdidas, dependiendo del accesorio que corresponda (siguiendo la tabla que se

muestra a continuación); o bien, utilizar el método de las longitudes equivalentes, al

igual en la tabla de Excel, modelando cada accesorio como una longitud extra de tubería

que habrá que añadir a la medida real. Ambas opciones serán calculadas y evaluadas.


Tabla 6. Coeficientes de pérdidas en los accesorios en función del diámetro.

(El programa calcula estas pérdidas, multiplicando el valor de la constante por 𝑣2

2𝑔⁄ )

Concluyendo, este apartado es proclive a producir diferencias, al estar realizando el

cálculo mediante dos métodos distintos.

4.3.3. Tipos de Válvulas.

Son elementos de regulación y control de caudal y presión. Están situados en puntos

específicos de la red y EPANET contempla las siguientes:

- Válvula reductora de presión: Como su nombre indica, reduce y limita la presión

en un punto determinado. Tiene tres estados en los que trabajar.

- Válvula sostenedora de presión: Para mantener una presión determinada en un

punto. El programa contempla distintos tipos de funcionamiento dependiendo de

su estado.

- Válvulas de rotura de carga: Fuerzan a que la caída de presión en la válvula sea

siempre de un valor determinado. El caudal que la atraviesa puede ir en ambas

direcciones.

- Válvula controladora de caudal: Limita el flujo a un caudal específico.

- Válvula reguladora por regulación: Regulan el coeficiente de pérdidas según su

apertura.

- Válvulas de propósito general: Se utilizan para modelar turbinas, pozos de

aspiración o válvulas para reducir el caudal y controlar el flujo inverso.

En la hoja de cálculo, únicamente se considera la válvula reductora de presión, al ser la

única necesaria e imprescindible para este caso. Al igual que para el programa

comercial, se utilizará a la entrada de las BIEs que tengan una presión superior a la

dictada por la norma (5,5 kg/cm²).


4.3.4 Emisores.

Los emisores son los puntos por los cuales el fluido abandona la instalación. Es decir,

la boca de salida de las BIEs.

EPANET utiliza la siguiente fórmula:

𝑄 = 𝐾√10.2 𝑃

Siendo:

Q ≡ Caudal [l/min]

P ≡ Presión [MPa]

K ≡ Coeficiente de descarga. Este valor viene especificado en la norma UNE 671-1, para

diámetros de 10 mm de boquilla.

Y ≡ Exponente de la presión. Para el caso de la BIE será 0.5.

Tabla 7. Relación de coeficientes de descarga en función del diámetro

equivalente.

Como se observa, en nuestro caso, el coeficiente valdrá 42. Sin embargo, para

transformarlo a las unidades que se están usando se tiene que:

𝐾𝐵𝐼𝐸 =42

60 ∗ √10.2= 0.2192

𝐿

𝑠 ∗ √𝑚𝑐𝑎

Una vez se inserta el valor del coeficiente de descarga en el nodo correspondiente, el

programa cambia automáticamente la apariencia del nodo. Transformándose de un

círculo a un rombo.

En el caso de la hoja de cálculo, este cálculo se realizará mediante una estimación,

considerando la pérdida de carga en la manguera de 1,5 kg/cm². Esta estimación está

recogida en la normativa.


4.3.5. Bombas.

Son los elementos encargados de aportar energía al fluido. Sus características más

importantes son el caudal y la carga. El programa relaciona ambas mediante la curva

característica de la bomba, la cual es posible crear y modificar.

El caudal fluye unidireccionalmente dentro de la bomba y el programa no permite que

ésta trabaje fuera de su rango, desconectándola en tal caso y mostrando un mensaje

de error.

El programa utiliza distintos tipos de curvas características de una bomba en función del

número de puntos que se ingresen. Así, se diferencian tres tipos:

- Curva de un solo punto: Se ingresan los valores de altura y caudal en el punto

de funcionamiento de la bomba.

- Curva de tres puntos: Punto de caudal mínimo, punto de diseño y punto de

caudal máximo. Obteniendo una función de la forma:

ℎ𝐺 = 𝐴 − 𝐵𝑞𝐶 - Curva multipunto: Con 4 o más puntos. El programa hace una interpolación de

todos ellos para hallar la gráfica.

El dimensionado de la bomba en Excel funciona de forma distinta:

1. Se calculan las pérdidas acumuladas en cada tramo y se identifica la máxima.

2. La presión necesaria de la bomba será la mayor pérdida sumada a la presión

mínima requerida en el manómetro, 35 m.c.a.

3. De esta forma, sabiendo que el caudal requerido está establecido por

normativa, se tienen los dos parámetros necesarios para determinar las

características de la bomba.

En el caso de Excel no será necesario utilizar una curva, ya que las bombas de

instalaciones contra incendios trabajan en una zona muy determinada de dicha curva,

siempre en torno al punto de funcionamiento, que es precisamente el punto que se

calcula con el programa. Este punto se situará siempre alrededor del caudal requerido

para cada tipo de BIE: para las de 25 mm de diámetro, 12 𝑚3

ℎ⁄ y para las de 45 mm,

25 𝑚3

ℎ⁄ , y la altura geométrica correspondiente.

4.3.6. Abastecimiento.

En el caso de la tabla de Excel, se considera que se dispone de una fuente inagotable

de abastecimiento, que proporciona de forma continua y a una presión constante el

caudal impuesto a la instalación.

EPANET cuenta con elementos distintos para modelar el abastecimiento: Tanques y

depósitos:


- Depósitos: Representan el mismo modelo que se ha implementado en Excel.

Una fuente infinita y sus parámetros más importantes son: su altura y su calidad

inicial, para realizar, por ejemplo, análisis de la calidad de una depuradora.

Aunque los depósitos, nunca van a verse influidos por lo que suceda en el resto

de la instalación, el programa permite mediante patrones temporales, observar

la evolución del nivel del depósito y su presión en función del tiempo.

- Tanques: Son nudos con capacidad de almacenamiento y en los que el volumen

almacenado puede variar temporalmente. Para su dimensionamiento, se debe

considerar su cota, diámetro y valores mínimos y máximos iniciales que limitan

su capacidad de operación.

4.3.6. Algoritmo de análisis.

En este punto es donde se encuentra la mayor diferencia entre ambos métodos de

cálculo. El programa comercial, EPANET, tiene una capacidad de cálculo y computación

muy superior a la que pueda tener una humilde hoja Excel.

El funcionamiento de la hoja de cálculo es sencillo. Va calculando la pérdida de cada

tramo de instalación (tuberías, accesorios y altura manométrica), sumándolas y

acumulándolas, según el nodo de origen y destino. Para calcular la presión en el

dispositivo hay que suponer que se coloca un grupo de un determinado caudal y presión,

por lo que la presión en el dispositivo será la diferencia entre la presión acumulada y la

del grupo. Este será el único parámetro iterativo de la hoja. Posteriormente, habrá que

buscar en un catálogo de bombas cual es la más apropiada para cumplir dichos

requerimientos calculados de caudal y presión.

Por su parte, EPANET sigue el método iterativo conocido como Método del Gradiente

para resolver las ecuaciones de continuidad y pérdidas existentes en una red hidráulica.


5 Software Utilizados

Las herramientas que se estudiarán para solucionar el problema son: la hoja de cálculo

de Excel y Epanet 2.0.

- Hoja de cálculo desarrollada en Excel: Se trata de una herramienta diseñada

para poder calcular cualquier tipo de instalación hidráulica. Está compuesta de

tres hojas: la primera de ellas es la principal, en ella se introducen los datos y se

hayan los resultados. La segunda contiene parámetros auxiliares, las longitudes

equivalentes, para modelar válvulas y accesorios. Finalmente, la tercera, vuelve

a ser auxiliar y en ella se encuentran los valores para la constante C según cada

material.

- EPANET: Es un programa comercial, gratuito y de dominio público desarrollado

por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos. Realiza análisis

a sistemas para la distribución de agua potable, además de ser capaz de hallar

caudales en redes de tuberías o de calcular la concentración de contaminantes

y calidad del agua, en función de unas condiciones iniciales.

5.1. Croquis de la instalación.

Para comenzar a trabajar con la instalación es necesario la realización de un croquis

preciso de ella. Identificando todos y cada uno de los nodos y puntos significativos.

Procediendo de esta forma, se crea una pequeña guía que ayuda y simplifica la

realización de los siguientes pasos, detallados a continuación para cada herramienta.

5.2. Hoja de Cálculo

Esta Hoja de cálculo objeto de análisis, ha sido desarrollada y adaptada para el cálculo

de una instalación de bocas de incendio equipadas.

Para el diseño de una instalación en la Hoja se seguirán los siguientes pasos:

1. Abrir la hoja de cálculo.

2. Introducir mediante una lista desplegable, en la primera hoja (a partir de ahora,

principal), los datos que se piden relativos al tipo de material y al diámetro de la BIE.

3. A continuación, se puede comenzar a rellenar la tabla en sí:

- Se comienza estableciendo y escribiendo los nodos de origen y destino entre las

tuberías de la instalación. Es fundamental usar exactamente los mismos

caracteres para denominar a un nodo. Esta es la forma que utiliza el programa

para contabilizar las pérdidas acumuladas.


- Introducir el diámetro de cada uno de los tramos en la tercera columna de la

hoja. Los diámetros están normalizados y en la segunda hoja se indican las

distintas medidas existentes.

- En la cuarta columna, debe alojarse la longitud real de cada tramo de tubería.

- Se pasa a completar las columnas relativas a los accesorios, válvulas u

obstáculos de cada tramo. Mediante listas desplegables se clica en los que

correspondan e introduce la cantidad de cada uno de ellos existente, los cuales

están asociados a una longitud equivalente de tubería.

- A continuación, se incluyen los caudales en la novena columna, que depende

del diámetro de las BIEs. Si son de 25 mm, el caudal en el grupo se pondrá

automáticamente a 200 l/min y si son de 45 mm a 400 l/min. Para el resto, hay

que proceder de tal forma que se alimenten a las dos BIEs más desfavorables

(las de la última planta), con la mitad del caudal que sale del grupo a cada una.

Mediante esta columna, se está trazando el recorrido del fluido y se indica donde

se encontrarán las pérdidas.

- Finalmente, hay que anotar los incrementos o decrementos de altura que se

producen en ese tramo del nodo de origen al de destino. Es conveniente recalcar

que, por normativa, las BIEs pueden estar colocadas a una altura máxima de 1,5

metros sobre el suelo. Si se sitúan todas a una misma altura no se obtienen

variaciones de este parámetro en el recorrido de las tuberías sobre una misma

planta y el incremento será nulo, de tal manera que se pueda establecer la cota

cero de nuestra instalación en cualquier punto.

Es recomendable rellenar la plantilla en orden ascendente y consecutivo del flujo, es

decir, desde la bomba hacia los emisores o BIEs. Así, se puede ir viendo cómo se van

acumulando las pérdidas, signo inequívoco de que se está introduciendo el nombre de

los nodos correctamente.

5.3. EPANET

Pasos a seguir para la utilización de éste programa comercial:

1. Abrir el programa.

2. “Se Pincha” en proyecto>>predeterminado para hacer que el programa

establezca automáticamente las etiquetas de identificación (ID) a cada elemento.

También, se pueden modificar las opciones de visualización del plano y de la

adición de objetos. Para ello, se selecciona en ver>>opciones y se adapta y

modifica a conveniencia del usuario.

Finalmente, hay que asegurarse que las dimensiones son las correctas antes de

comenzar a dibujar la instalación, seleccionando ver>>dimensiones.

3. Dibujar una representación de la red del sistema. Se realizará a partir del croquis

de la instalación elaborado en el que se han identificado los nodos, tuberías,


válvulas, bombas y un reservorio de agua (o aljibe). Estos iconos están

colocados en la parte superior de la pantalla del programa, en la barra de

herramientas. En este paso, hay que reseñar que no es necesario que las

tuberías estén conectadas de una forma geométricamente perfecta, el programa

sólo necesita un boceto.

Primero, se comenzaría colocando los depósitos; a continuación, se sitúan los

nodos de la instalación, que se unen mediante tuberías, bombas y válvulas. Es

importante fijarse en el sentido en el que se conectan estos nodos, ya que

determinarán el signo de parámetros como el caudal.

El programa incluye la opción de importar la descripción de la red mediante

archivo de texto o AutoCad.

4. Editar las propiedades de los objetos de la instalación. Tales como su longitud,

diámetro o coeficiente de pérdidas. “Pinchando” sobre los distintos objetos, se

despliega el editor de propiedades de cada uno y de esta forma se pueden ir

introduciendo sus parámetros uno a uno.

El programa ofrece la opción de establecer valores predeterminados de todas

las propiedades citadas. Simplemente haciendo click en proyecto>>

predeterminado>>propiedades se pueden modificar fácilmente.

5. Describir cómo trabaja el programa. En nuestro caso, se introducen cual es el

tipo de comportamiento de la bomba, su curva. En el menú buscador, se busca

la opción curva y se edita acorde a las necesidades de la instalación. Una vez

creada, hay que asignar la curva a cada bomba, desplegando de nuevo el editor

de propiedades.

6. Determinar las opciones de análisis, seleccionando proyecto, opciones de

análisis y, en nuestro caso, sólo se necesita manipular las opciones hidráulicas.

Como las unidades, ecuaciones de pérdidas (Hazen-Williams, como dice la

norma para nuestro caso) y otra serie de constantes y opciones.

7. Iniciar un análisis hidráulico. Clicando sobre el icono comenzará el proceso.

Sin este paso no se podrá obtener ningún tipo de resultado. Adicionalmente, el

programa permite realizar análisis temporales, proporcionando cómo

evolucionan variables como la calidad del agua (si se tuviera una planta

potabilizadora), el volumen de un depósito o el consumo de energía de una

bomba.

8. Obtener los resultados, los cuales pueden ser expuestos de muchas y variadas

formas y opciones, escogiendo según nos interese:

o Por un lado, es posible la visualización de los resultados

sobreimpresionados en el esquema de la instalación. “Pinchando” en la

opción del mapa del buscador, que aparece a la derecha de la pantalla.

Mostrando la variable deseada, tanto en los nodos, como en las tuberías

y abriendo un recuadro en el que nos permite escoger intervalos y colores

con los que mostrar los resultados.


o Por otro lado, se puede realizar una tabla con todos los resultados,

permitiéndose, de nuevo, escoger las variables y ordenar los resultados

según cada parámetro. Para ello, sólo hay que clicar en el icono de tabla

, que aparece en la barra de herramientas superior. El programa

también permite filtrar los resultados a enseñar en la tabla (en la opción

filtros) en función de los que interese.


6 Aplicación a un Caso Práctico

6.1. Descripción del edificio.

Se ha propuesto realizar una instalación contra incendios en un edificio que constará

de: un sótano con aparcamiento, una planta baja con oficinas y siete plantas con

oficinas. A continuación, se describe brevemente cada planta:

6.1.1. Planta Sótano.

Es la segunda planta bajo rasante. Ocupa la práctica totalidad de la parcela, con

una superficie aproximada de 8000 m².

Aparcamiento para unos 250 vehículos.

Rampas para acceso de vehículos y escaleras para acceso peatonal.

Zonas técnicas asociadas a las instalaciones comunes.

6.1.2. Planta Plaza.

Se trata de la primera planta bajo rasante; en ella se construyen locales, con

una superficie aproximada de 1000 m².

6.1.3. Planta Baja.

En este nivel sólo se construye la zona correspondiente al edificio de oficinas,

que cuenta con los siguientes usos:

Cuatro locales para oficinas comerciales, con uso asimilable al

administrativo, con una superficie aproximada de 200 m² cada uno de

ellos.

Locales técnicos y auxiliares.

Zona de recepción y núcleo de escaleras de acceso al resto de plantas.

En total, esta planta cuenta con una superficie total de unos 1000 𝑚2

aproximadamente.

6.1.4. Plantas Primera a Séptima.

Al igual que en la planta baja, en estos niveles sólo se construye la zona

correspondiente al edificio de oficinas, que cuenta con los siguientes usos:

Cinco locales para oficinas, con uso asimilable al administrativo, con una

superficie global aproximada de 800 m² por planta.

Aseos comunes, masculinos, femeninos y de minusválidos.


Pasillos de acceso a locales de oficinas y núcleo de escaleras de acceso

al resto de plantas.

Las plantas segunda y tercera difieren en cuanto a su distribución, aunque

poseen los mismos elementos, pero girados 180º respecto al eje horizontal.

La superficie total construida del edificio es:

8000 m² del sótano.

3200 m² de la planta plaza.

1000 m² de la planta baja.

800 m² x 7 plantas = 5600 m².

Sumando se obtienen 17.800 m² de superficie total construida.

6.2. Dotaciones necesarias en cada planta.

6.2.1 Planta Sótano.

Es la planta en la que se sitúa el aparcamiento, lo que le obliga a cumplir unos

requerimientos distintos al resto de plantas. Las instalaciones de protección contra

incendios previstas en este caso son las siguientes:

Instalación de Detección de Incendios.

Instalación de Bocas de Incendio Equipadas, (BIEs).

Hidrantes exteriores (Rociadores)

Instalación de Alarma.

Sistemas de Extintores Portátiles.

Instalación de Alumbrado de Emergencia y Señalización.

Extracción forzada de humos.

6.2.2. Planta Baja y Superiores.

El resto del edificio está dedicado a oficinas de uso administrativo con una superficie

construida (sumando todas las plantas) de 7800 m². Necesitarán estar provistas de

los siguientes elementos:

Instalación de Detección.

Instalación de Alarma.

Instalación de Bocas de Incendio Equipadas, (BIEs).

Columna seca.

Instalación de Alumbrado de Emergencia y Señalización.


6.3. Reparto y colocación de BIEs.

Una vez se ha descrito el edificio, se procede a colocar y distribuir las BIEs, de forma

que se cumpla lo expuesto en el apartado 3 de normativa:

6.3.1. Planta Sótano.

Figura 5. Diagrama colocación de BIEs Planta Sótano.

Se van colocando las BIEs una a una y de forma que se cubra toda el área con su radio

de acción de 25 metros (círculo azul).

6.3.2. Planta Plaza.


Figura 6. Diagrama colocación de BIEs Planta Plaza.

Se coloca la BIE, de tal forma que la distancia a la salida del sector de incendio sea

menor de 5 metros (círculo blanco) y que con los 25 metros de radio de acción se cubra

toda el área requerida (círculo azul).

6.3.3. Planta Baja.

Figura 7. Diagrama colocación de BIEs Planta Baja.

Esta planta, al encontrarse a ras de suelo y tener un mayor número de salidas de sector

de incendio, necesitará de igual forma, un mayor número de BIEs. En concreto cinco.


6.3.4. Planta Primera, Cuarta, Quinta, Sexta y Séptima.

Figura 8. Diagrama colocación de BIEs Plantas Primera, Cuarta, Quinta, Sexta y

Séptima.

Al tener la misma distribución y disposición se pueden tratar de igual manera.

Estas plantas, necesitan dos BIEs para cumplir las condiciones expuestas. Están

distribuidas como se muestra en la figura.

6.3.5. Planta Segunda y Tercera.

Figura 9. Diagrama colocación de BIEs Plantas Segunda y Tercera.


De nuevo dos plantas con la misma distribución, en esta ocasión con una sola BIE se

cumplen los requisitos, como se ve en imagen.

Resumiendo, el número y numeración de BIEs por planta será el siguiente:

Planta Nº BIEs (Numeración)

Sótano 15 (1 a 15)

Planta Plaza 1 (33)

Planta Baja 5 (16 a 20)

Primera 2 (21 a 22)

Segunda 1 (23)

Tercera 1 (24)

Cuarta 2 (25 a 26)

Quinta 2 (27 a 28)

Sexta 2 (29 a 30)

Séptima 2 (31 a 32)

Tabla 8. Numeración de BIEs por planta.


7 Comparación de Resultados

7.1. Cálculo en EPANET

Tras introducir todos los datos en el programa, comprobar que son correctos y realizar

una depuración de errores, se puede iniciar la simulación del programa.

Se realiza la simulación con el software comercial utilizando dos métodos. Por un lado,

el método de las longitudes equivalentes y, por otro, el de los coeficientes de pérdidas,

para posteriormente compararlos.

Hay que recordar que las unidades utilizadas serán:

- Presión en [m.c.a.]

- Caudal en [l/s]

7.1.1. Cotas.

Figura 10. Cota de cada nodo.

7.1.2. Diámetros.


Figura 11. Diámetro de cada tubería.

7.1.3. Longitudes.

Figura 12. Longitud de cada tubería.


7.1.4. Longitud más longitud equivalente de cada tramo por

pérdidas de accesorios.

Figura 13. Longitud real +longitud equivalente de cada tubería.

7.2. Simulación.

7.2.1. Selección de la bomba.

Se realiza la simulación en EPANET, suponiendo una bomba de acuerdo al

cálculo en la hoja Excel. En la parte de abajo de la hoja se muestran estos

valores. Para escoger un valor normalizado de la bomba se deberá coger aquel

valor superior al obtenido y que sea múltiplo de 5. En este caso, se tratará con

una bomba de 90 m.c.a. y 12 𝑚3

ℎ⁄ . Con estos datos, se puede buscar en un

catálogo de cualquier marca comercial, en este caso Ebarra, y seleccionar la que

cumpla los requisitos.


Figura 14. Catálogo resumen de bombas en función de su altura manométrica y

caudal total.


Figura 15. Curvas de la bomba seleccionada.

Una vez, ha sido elegida la bomba, se escogen tres puntos con los que el

programa EPANET trazará la curva de altura-caudal. Hay que realizar un cambio

de unidades e introducir los datos en las unidades escogidas: altura en metros y

caudal en litros por segundo.

Altura (m) Caudal (l/s)

92 0

86 6.944

70 11.666

Figura 16. Resultados EPANET.

7.2.2. Tablas comparativas.

7.2.2.1. Nodos.

ID/ Nodo Dest. EPANET/EXCEL

Cota (m)

Caudal (l/s)

Presión manómetro

(m.c.a.) EPANET Long. Equivalente

Presión manómetro

(m.c.a.) Coeficiente

pérdidas

Presión manómetro

(m.c.a.) EXCEL

Depósito 0 -3.33 0.00 0.00 0.00

INTERMEDIO1 0 -3.33 -0.92 -0.56 0.00

INTERMEDIO2/AUX 0 -3.33 90.13 90.48 88.81

6 0 0 88.94 88.68 88.81

7 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 7 0 0 88.94 88.68 88.81

8 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 8 0 0 88.94 88.68 88.81

9 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 9 0 0 88.94 88.68 88.81


11 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 10 0 0 88.94 88.68 88.81

12 0 0 88.94 88.68 88.81

13 0 0 88.94 88.68 88.81

14 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 13 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 14 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 12 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 11 0 0 88.94 88.68 88.81

16 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 15 0 0 88.94 88.68 88.81

17 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 2 0 0 88.94 88.68 88.81

1 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 1 0 0 88.94 88.68 88.81

2 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 5 0 0 88.94 88.68 88.81

3 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 4 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 3 0 0 88.94 88.68 88.81

5 0 0 88.94 88.68 88.81

BIE 6 0 0 88.94 88.68 88.81

SUBIDA 0 0 3.33 88.41 88.19 88.28

SUBIDA 1 5.4 3.33 82.50 82.37 82.37

27 5.4 0 82.50 82.37 82.37

BIE 33 5.4 0 82.50 82.37 82.37

SUBIDA 2 10.8 3.33 76.59 76.46 76.46

18 10.8 0 76.59 76.46 76.46

BIE 18 10.8 0 76.59 76.46 76.46

19 10.8 0 76.59 76.46 76.46

177 10.8 0 76.59 76.46 76.46

BIE 16 10.8 0 76.59 76.46 76.46

BIE 17 10.8 0 76.59 76.46 76.46

20 10.8 0 76.59 76.46 76.46

BIE 19 10.8 0 76.59 76.46 76.46

BIE 20 10.8 0 76.59 76.46 76.46

SUBIDA 3 15.7 3.33 71.22 71.10 71.09

21 15.7 0 71.22 71.10 71.09

BIE 21 15.7 0 71.22 71.10 71.09

BIE 22 15.7 0 71.22 71.10 71.09

SUBIDA 4 20.6 3.33 65.85 65.73 65.73

BIE 23 20.6 0 65.85 65.73 65.73

SUBIDA 5 25.5 3.33 60.48 60.36 60.36

BIE 24 25.5 0 60.48 60.36 60.36

SUBIDA 6 30.4 3.33 55.11 55.00 54.99

22 30.4 0 55.11 55.00 54.99

BIE 25 30.4 0 55.11 55.00 54.99

BIE 26 30.4 0 55.11 55.00 54.99

SUBIDA 7 35.3 3.33 49.74 49.63 49.62


23 35.3 0 49.74 49.63 49.62

BIE 27 35.3 0 49.74 49.63 49.62

BIE 28 35.3 0 49.74 49.63 49.62

SUBIDA 8 40.2 3.33 44.37 44.27 44.25

24 40.2 0 44.37 44.27 44.25

BIE 29 40.2 0 44.37 44.27 44.25

BIE 30 40.2 0 44.37 44.27 44.25

SUBIDA 9 45.1 3.33 39.01 38.98 38.89

25 45.1 3.33 38.69 38.69 38.57

BIE 31 45.1 1.66 37.23 37.32 37.12

BIE 32 45.1 1.66 36.42 36.51 36.31

Tabla 9. Resultados en los nodos.

7.2.2.1. Tuberías.

ID Longitud (m)

Diámetro

(mm)

Accesorios Velocidad

(m/s)

Pérdida unitaria (m.c.a./

m)

ID Longitud (m)

Diámetro (mm)

Accesorios

Velocidad

(m/s)

Pérdida unitaria (m.c.a./

m)

1 1 50,80 Entrada normal/

Válvula de retención

doble clapeta

1,64 0,078 36 0,88 31,75 0,00 0,000

2 1 50,80 Válvula de retención

doble clapeta/ Válvula de retención

liviana

1,64 0,078 37 5,40 50,80 Té paso directo

1,64 0,078

3 19,39 50,80 2 Codo 90º/Té lateral

0,00 0,000 38 0,74 50,80 Té lateral 0,00 0,000

4 37,41 76,20 3 Codo 90º/Té lateral

0,73 0,011 39 0,31 50,80 Té lateral 0,00 0,000

5 11,38 50,80 Codo 90º/Té bilateral

0,00 0,000 40 0,43 50,80 Té paso directo

0,00 0,000

6 7,16 31,75 Té lateral 0,00 0,000 41 9,34 50,80 Té bilateral

0,00 0,000

7 17,00 50,80 Té paso directo

0,00 0,000 42 2,46 50,80 Té bilateral

0,00 0,000

8 9,25 31,75 Té lateral 0,00 0,000 43 4,39 31,75 Té lateral 0,00 0,000


0,00 0,000 44 12,71 50,80 Té bilateral

0,00 0,000


11 21,39 50,80 Té paso directo/Codo

90º

0,00 0,000 46 4,40 31,75 Té lateral 0,00 0,000

12 10,09 31,75 Té lateral/Codo

90º

0,00 0,000 47 4,90 50,80 Té paso directo

1,64 0,078



0,00 0,000 48 0,59 50,80 Té lateral 0,00 0,000


0,00 0,000


0,00 0,000


0,00 0,000 51 4,90 50,80 Té paso directo

1,64 0,078

17 10,27 50,80 Té lateral 0,00 0,000 52 0,73 50,80 Té lateral/ Codo 90º

0,00 0,000

18 1,02 31,75 Té lateral 0,00 0,000 53 4,90 50,80 Té paso directo

1,64 0,078

19 9,16 31,75 Té paso directo/ Codo

45º

0,00 0,000 54 0,73 50,80 Té lateral/ Codo 90º

0,00 0,000


0,00 0,000 55 4,90 50,80 Té paso directo

1,64 0,078

21 17,03 31,75 Té paso directo/ Codo

45º

0,00 0,000 56 0,59 50,80 Té lateral 0,00 0,000


0,00 0,000


0,00 0,000


0,00 0,000 59 4,90 50,80 Té paso directo

1,64 0,078

25 17,00 31,75 Té salida bilateral/ Codo

45º

0,00 0,000 60 0,59 50,80 Té lateral 0,00 0,000

26 14,67 50,80 Té salida bilateral

0,00 0,000 61 4,48 31,75 Té bilateral

0,00 0,000

27 11,29 31,75 Té lateral/ Codo 90º

0,00 0,000 62 8,27 31,75 Té bilateral

0,00 0,000


1,64 0,078



0,00 0,000 65 4,48 31,75 Té bilateral

0,00 0,000


0,00 0,000 66 8,27 31,75 Té bilateral

0,00 0,000


1,64 0,078


0,00 0,000 68 0,59 50,80 Té lateral 1,64 0,078


1,64 0,078 69 4,48 31,75 Té bilateral

2,11 0,214

35 6,10 50,80 Té lateral/ Codo 90º

0,00 0,000 70 8,27 31,75 Té bilateral

2,11 0,214

Tabla 10. Resultados en las tuberías.


7.3. Diferencias comparativas.

Como se puede observar los resultados son muy parecidos. Pero analicemos el

porqué de dichos resultados.

7.3.1. Curva altura-caudal.

Las presiones en el manómetro de la BIE varían del orden de 11/13 centésimas

de m.c.a., lo que representa un error del 0.3% en las BIEs más desfavorables, y

que se va arrastrando desde la salida de la bomba. Lo que lleva a pensar que

esta variación está provocada por la curva de altura-caudal de la bomba, ya que

tiene una cierta incertidumbre a la hora de tomar los puntos que la constituyen.

Para observar la sensibilidad de este dato, se modifican uno de los puntos en un

metro.

Altura (m) Caudal (l/s)

91 0

86 6.944

70 11.666

Con esta pequeña modificación, la diferencia en el valor de la presión en cada

nodo se dispara hasta 60 centésimas de m.c.a., representando un error de un

1,65%, superior al 0,3% anterior. Aunque a efectos prácticos de la instalación,

sigue siendo un valor aceptable.

7.3.2. Modelado tuberías.

Escogiendo el método de las longitudes equivalentes, en ambos casos, se

garantiza que las pérdidas de carga sean iguales. Con lo cual los resultados

serán más parejos que al modelar EPANET con los coeficientes de pérdidas.

7.3.2. Modelado bomba y accesorios.

Se estima la longitud real desde el depósito hasta el punto en el que comienza

la bomba, INTERMEDIO1, como 1 metro y la misma distancia desde

INTERMEDIO2, hasta AUX. En estos dos pequeños tramos, se sitúan las

válvulas que controlan y regulan el caudal, evitando transitorios y sobrepresiones

bruscas y elevadas. En la figura a continuación, se puede ver el esquema

ampliado de esta parte de la instalación, el cual se aplica a ambos métodos de

cálculo.


Figura 17. Esquema del modelado del sistema de abastecimiento y suministro en

EPANET.


8 Modificaciones y Comprobaciones

8.1. Instalación de válvulas reguladoras de presión.

Una vez obtenidos los resultados, se observa que la presión en las BIEs situadas entre

las plantas sótano y la cuarta, superan la presión establecida por la norma que impide

que la presión en el manómetro sea superior a 55 m.c.a. Para evitar este problema, se

coloca una válvula de regulación de presión a la entrada de cada BIE, de tal forma que

se impone una presión de tarado de dichos 55 m.c.a. La presión en cada BIE y el

esquema de la instalación quedarían de la siguiente manera:

Figura 18. Resultados tras la instalación de válvulas reguladoras de presión.

Nº BIE Presión

manómetro

(m.c.a.)

EXCEL

Presión tras

válvula

(m.c.a.)

Nº BIE Presión

manómetro

(m.c.a.)

EXCEL

Presión

tras válvula

(m.c.a.)

1 88.81 55 18 76.46 55

2 88.81 55 19 76.46 55

3 88.81 55 20 76.46 55

4 88.81 55 21 71.09 55

5 88.81 55 22 71.09 55

6 88.81 55 23 65.73 55

7 88.81 55 24 60.36 55

8 88.81 55 25 54.99 **

9 88.81 55 26 54.99 **

10 88.81 55 27 49.62

11 88.81 55 28 49.62

12 88.81 55 29 44.25


13 88.81 55 30 44.25

14 88.81 55 31 37.12

15 88.81 55 32 36.31

16 76.46 55 33 75.83 55

17 76.46 55

Tabla 11. Resultados tras la instalación de válvulas reguladoras de presión.

** Las BIEs 25 y 26 están muy cerca de la presión de límite que pueden aceptar, estando

en el caso del cálculo de EPANET incluso por encima, por ello, se colocará una válvula

reguladora de presión.

El objetivo de esta limitación, aparte de por las razones mecánicas obvias de resistencia

de la tubería, es asegurar que una persona no preparada e inexperimentada, pueda

tener la capacidad y fuerza necesaria para manejar la manguera y extinguir el fuego.

8.2. Modelado con coeficiente de emisión.

Una de las comprobaciones a realizar es corroborar que la suposición que hace la

norma, al respecto de la pérdida de carga a lo largo de la manguera de la BIE, es

correcta. Como ya se ha comentado en el apartado correspondiente, por una parte, el

RIPCI nos impone que la presión dinámica en el orificio de salida o en punta de lanza

ha de ser, como mínimo, de 2 kg/cm². Mientras que, el RT2-CEPREVEN, nos indica que

la presión mínima residual en el orificio de salida o manómetro, debe ser de 3,5 kg/cm².

Por lo que se deduce que las pérdidas en la manguera se estiman en 1,5 kg/cm² y eso

es lo que se va a intentar corroborar en este apartado.

Tal y como se calcula en el apartado 6, para una BIE de 25 mm, se tiene una

𝐾𝐵𝐼𝐸=0,2192. De tal forma, utilizando el programa EPANET, sólo se tiene que introducir

este valor, en las dos BIEs más desfavorables de nuestra instalación, en la casilla de

“coeficiente de emisión”, obteniendo los siguientes resultados:

Nº BIE Presión manómetro

(m.c.a.)

Presión punta de lanza

(m.c.a.)

Diferencia

(m.c.a.)

31 37.23 22.60 14.63

32 36.42 20.77 15.65

Como puede observarse, los resultados se aproximan a la estimación considerada de

15 m.c.a.; de hecho, si se realiza la media entre del resultado en ambas BIEs, se

obtienen 15.14 m.c.a. De esta forma, se ha comprobado que la estimación realizada es

correcta y asegurando la presión en el manómetro, se puede afirmar que la presión en

punta de lanza lo es igualmente.

8.3. Modelado con bomba exacta.

Los resultados obtenidos en la instalación se hallan tras hacer un

sobredimensionamiento en la elección de la bomba. Debido a que no hay bombas para

todas las presiones, se escoge la bomba que proporciona una presión más similar, por


encima siempre, de la obtenida. En este caso, se escoge una bomba con 90 m.c.a. y

12 𝑚3

ℎ⁄ .

Sin embargo, en este apartado, se va a calcular mediante Excel el caso hipotético de

una bomba que proporcione justamente la presión calculada. Al ser una hipótesis, no

existe una curva de comportamiento de la bomba, por lo que, no podrá calcularse en el

programa comercial de EPANET.

En la siguiente tabla, se muestra la comparativa de los resultados obtenidos si la presión

que proporciona la bomba es de 90 o 88,70 m.c.a.

ID/ Nodo

Dest.

Presión

manómetro

(m.c.a.)

Real/Sobred

im.

Válvula

BIE

(m.c.a.)

Variación

porcentual

(%)

ID/ Nodo

Dest.

Presión manómetro

(m.c.a.)

Real/Sobredim.

Válvu

la

BIE

(m.c.

a.)

Variación

porcentual

(%)

Depósito 0.00/0.00 0 BIE 33 81.07/82.37 55 1.58

INTERMEDI

O1

0.00/0.00 0 SUBIDA

2

75.16/76.46 1.70

INTERMEDI

O2/AUX

87.51/88.81 1.46 18 75.16/76.46 1.70

6 87.51/88.81 1.46 BIE 18 75.16/76.46 55 1.70

7 87.51/88.81 1.46 19 75.16/76.46 1.70

BIE 7 87.51/88.81 55 1.46 177 75.16/76.46 1.70

8 87.51/88.81 1.46 BIE 16 75.16/76.46 55 1.70

BIE 8 87.51/88.81 55 1.46 BIE 17 75.16/76.46 55 1.70

9 87.51/88.81 1.46 20 75.16/76.46 1.70

BIE 9 87.51/88.81 55 1.46 BIE 19 75.16/76.46 55 1.70

11 87.51/88.81 1.46 BIE 20 75.16/76.46 55 1.70

BIE 10 87.51/88.81 55 1.46 SUBIDA

3

69.79/71.09 1.83

12 87.51/88.81 1.46 21 69.79/71.09 1.83

13 87.51/88.81 1.46 BIE 21 69.79/71.09 55 1.83

14 87.51/88.81 1.46 BIE 22 69.79/71.09 55 1.83

BIE 13 87.51/88.81 55 1.46 SUBIDA

4

64.43/65.73 1.98

BIE 14 87.51/88.81 55 1.46 BIE 23 64.43/65.73 55 1.98

BIE 12 87.51/88.81 55 1.46 SUBIDA

5

59.06/60.36 2.15

BIE 11 87.51/88.81 55 1.46 BIE 24 59.06/60.36 55 2.15

16 87.51/88.81 1.46 SUBIDA

6

53.69/54.99 2.36

BIE 15 87.51/88.81 55 1.46 22 53.69/54.99 2.36

17 87.51/88.81 1.46 BIE 25 53.69/54.99 2.36

BIE 2 87.51/88.81 55 1.46 BIE 26 53.69/54.99 2.36

1 87.51/88.81 1.46 SUBIDA

7

48.32/49.62 2.62

BIE 1 87.51/88.81 55 1.46 23 48.32/49.62 2.62

2 87.51/88.81 1.46 BIE 27 48.32/49.62 2.62

BIE 5 87.51/88.81 55 1.46 BIE 28 48.32/49.62 2.62

3 87.51/88.81 1.46 SUBIDA

8

42.95/44.25 2.94

BIE 4 87.51/88.81 55 1.46 24 42.95/44.25 2.94


BIE 3 87.51/88.81 55 1.46 BIE 29 42.95/44.25 2.94

5 87.51/88.81 1.46 BIE 30 42.95/44.25 2.94

BIE 6 87.51/88.81 55 1.46 SUBIDA

9

37.59/38.89 3.34

SUBIDA 0 86.98/88.28 1.47 25 37.27/38.57 3.37

SUBIDA 1 81.07/82.37 1.58 BIE 31 35.82/37.12 3.50

27 81.07/82.37 1.58 BIE 32 35.01/36.31 3.58

Tabla 12. Resultados con bomba exacta.


9 Grupo Contra Incendios y Sistema de Abastecimiento

Como ya se ha comentado previamente es imprescindible la elección de una bomba y

su curva correspondiente para realizar cualquier simulación en EPANET. En este

apartado se describen las características de esa bomba, además de la relación que

debe guardar con el resto de la instalación y el sistema de abastecimiento de agua. La

elección se ha tomado teniendo en cuenta la normativa de obligado cumplimiento en

territorio nacional, la UNE 23500-2012.

9.1. Tipos de configuraciones.

Primeramente, es necesario comentar los dos tipos de configuraciones normalizadas

que puede seguir nuestro sistema de abastecimiento: funcionamiento en aspiración y

en carga.

- Funcionamiento en aspiración: Cuando el depósito se sitúa a una cota menor

que la de la bomba.

Figura 19. Esquema bomba en aspiración.

- Funcionamiento en carga: Cuando el depósito se sitúa a una cota superior a la

de la bomba, como es nuestro caso.


Figura 20. Esquema bomba en carga.

9.2. Cálculo del NSPH.

Sin embargo, para analizar qué tipo de configuración se va a implantar, se debe calcular

uno de los parámetros fundamentales, junto a la altura geométrica y el caudal de

impulsión para poder proceder a la selección del grupo de presión, el NPSH disponible

(Net Positive Suction Head o Altura neta de succión positiva, en español). Este

parámetro expresa la diferencia entre la presión del líquido a bombear por el eje

impulsor y la tensión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo. Se define

mediante la siguiente fórmula:

𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 105 ∗(𝑃′ − 𝑇𝑣)

𝜌 ∗ 𝑔+ 𝑍 − 𝐻𝑎𝑐

donde,

𝐻𝑎𝑐= Altura geométrica [m]. Expresa la diferencia de cota vertical entre la salida del

depósito y la bomba.

Z= Pérdidas de carga en la aspiración [m].

𝑇𝑣= Tensión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo [bar]. En la siguiente tabla

pueden observarse sus valores.


Tabla 13. Variación de la tensión de vapor del líquido según la temperatura de

bombeo.

Suponiendo que la temperatura sea de 20ºC.

𝑃′= Presión del gas ejercida sobre el nivel del líquido en la aspiración. Si el

recipiente está sometido a la presión atmosférica, valdrá 1 bar.

𝜌= Densidad del fluido, en este caso, agua= 1000 𝑘𝑔

𝑚3⁄

g= Aceleración de la gravedad=9.8 𝑚𝑠2⁄

Sustituyendo y tomando los datos de la simulación realizada en Excel, se pretende

colocar la salida del depósito a la misma cota que la de la bomba, obteniendo:

𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 = 105 ∗(1.02 − 0.002338)

1000 ∗ 9.8− 0.281 = 10.1

Igualmente, se define el NPSH requerido, que, en este caso, es un valor que viene dado

por las características de la bomba: el modelo, el tamaño y las condiciones de servicio.

Debe venir definido por el fabricante.

Este parámetro está relacionado con el fenómeno de la cavitación, por el cual, en algún

punto de la corriente, la presión se hace tan pequeña como la de vapor. El fluido

reacciona y cambia de fase produciéndose micro cavidades llenas de vapor en el interior

de la corriente. Para que no se produzca, se debe conseguir que:

𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 > 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 + 0.5.


Figura 21. Relación entre NPSH disponible y requerido.

Recordando la curva del 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 de la bomba que se supuso (figura 15), se

obseva que tiene un valor de 1, por lo que se cumple sobradamente el requisito. La

suposición realizada fue correcta.

9.3. Descripción del grupo de presión y depósito.

Buscando en el catálogo comercial de la factoría Ebarra, habíamos encontrado que el

modelo AF-U12 ENR 40-250/18,5 satisfacía las condiciones mínimas necesarias. La

norma nos establece que el grupo ha de estar formado por la combinación de un grupo

eléctrico junto con una bomba Jockey, con las dimensiones y características

especificadas a continuación:

Figura 22. Esquema del conjunto de bomba seleccionado.


- Bomba eléctrica ENR 40-250 de 18,5 kW. Se trata de una electrobomba

centrífuga normalizada de un escalón y una entrada movida por un motor

trifásico.

- Bomba auxiliar Jockey B/25 de 1,85 kW. Se trata de una bomba accionada

eléctricamente.

- Un cuadro eléctrico, que será el encargado del control, maniobra y protección de

los distintos elementos que componen la instalación contra incendios.

- Depósito: La norma nos impone que el sistema debe estar capacitado para

proveer suministro durante una hora y a una presión mínima de 35 m.c.a. en las

BIEs más desfavorables.

Por tanto, si se necesita proporcionar un caudal de 12 𝑚3

ℎ⁄ , durante una hora,

se requerirá un depósito de al menos 12 𝑚3 para nuestro caso y BIEs de 25 mm

de diámetro.

Se coloca un depósito como se muestra en la siguiente figura:

Figura 23. Esquema disposición del depósito.

siendo:

N el nivel normal de agua

X el nivel más bajo de agua y se situará al mismo nivel que están las BIEs, es

decir, 1,5 m sobre el suelo.

D el diámetro de la tubería de aspiración

A la dimensión mínima entre el tubo de aspiración y el nivel más bajo del agua

B es el tubo de aspiración y el fondo del depósito

La zona rayada entre X y N, representa la capacidad efectiva del depósito y

tendrá dicho valor citado de 12 𝑚3 .

Con los condicionantes expuestos, se instala el siguiente depósito, dispuesto de forma

horizontal:


Figura 24. Depósito.

Cuyas dimensiones son:

L=4100 mm

D=2000 mm

El depósito irá dispuesto sobre un foso de hormigón armado que deberá construirse.

Por último, la norma nos obliga a que la tubería de aspiración tenga un diámetro mínimo

de 65 mm, concretamente, con nuestras necesidades de caudal, se instalará una tubería

de aspiración de un metro de longitud del modelo DN-65.


10 Conclusiones

10.1. Conclusiones.

Con la elaboración de este documento se perseguían dos objetivos:

Validar los resultados obtenidos mediante la hoja de cálculo, comparándolos con

los hallados a través del programa comercial EPANET. Además de comparar

dos métodos distintos y alternativos de modelado de instalaciones hidráulicas.

Exponer las ventajas e inconvenientes de utilizar la Hoja de Cálculo frente a un

programa comercial de cálculo de instalaciones hidráulicas.

10.1.1. Validación de resultados.

Para llevar a cabo este proceso, se ha realizado un análisis comparativo entre los

resultados obtenidos mediante el programa comercial y la Hoja de Cálculo de Excel. Se

evalúa la principal magnitud del problema, como es la presión en cada nodo de la

instalación (ya que el caudal es un dato impuesto para cumplir con la normativa, en la

situación que nos ocupa, la más desfavorable).

Concretamente, en la tabla 9, se muestran los resultados obtenidos:

- Por un lado, se ha calculado la instalación vía EPANET, usando dos métodos

distintos de modelado: el método de las longitudes equivalentes y el método de

los coeficientes de pérdidas.

- Por otro lado, se realiza el mismo cálculo haciendo uso de la Hoja Excel

elaborada, que utiliza el método de las longitudes equivalentes.

En ambos casos se obtuvieron unos resultados muy similares.

- Entre los distintos métodos calculados mediante EPANET, se obtienen unas

variaciones de 0.26 m.c.a. en los nodos situados a la salida de la bomba, pero

que se reducen hasta 0.09 m.c.a. en los nodos situados a mayor cota. De tal

forma, esta variación no constituye un error significativo ni inadmisible.

- Al comparar los resultados obtenidos por los dos procedimientos de EPANET,

con los obtenidos por la hoja Excel, se llega a un resultado en el que la

desviación es incluso menos apreciable. Variaciones de 0.11-0.13 m.c.a.,

apenas representan una variación del 0.3% del total. Siendo esta pequeña

desviación arrastrada desde los primeros nodos, a la salida de la bomba y no

viéndose incrementada conforme fluye hacia nodos superiores.

Finalmente, tras este análisis, se puede concluir que los resultados obtenidos gracias a

la hoja de cálculo de Excel son válidos, respecto a EPANET, al estar muy próximos

entre sí, y que las diferencias obtenidas se deben a pequeñas variaciones en el

modelado. Analizando los resultados, se observa que la principal fuente de error se halla

en el modelado de la bomba y sus nodos cercanos, que constituyen un punto crítico.


Sin embargo, no se puede afirmar que estos resultados son los exactos, para ello, se

necesitaría poder comparar estos dos programas respecto a una referencia, realizando

una calibración. Siguiendo este razonamiento, tampoco puede afirmar qué herramienta

proporciona unos resultados más aproximados.

10.1.2. Ventajas e inconvenientes de la Hoja respecto al programa

comercial.

Las ventajas del uso de la Hoja de cálculo respecto a un programa convencional, como

EPANET, son las siguientes:

En EPANET, se han de ir revisando uno por uno los valores y parámetros

que toma por defecto, los cuales se encuentran algo escondidos en la

pestaña de opciones hidráulicas. Este programa, también otorga unos

valores por defecto a las características de cada nodo y tubería, lo cual

constituye un arma de doble filo que obliga a revisar y cerciorarse de que

los datos introducidos son los correctos.

Por el contrario, en la parte superior de la hoja principal de Excel ya se

muestra el material de la tubería y su constante para introducir en la

fórmula la Hazen-Williams, además de estar indicadas las unidades de

cada magnitud en la cabecera.

La flexibilidad y capacidad de adaptación que se encuentra en la hoja de

cálculo es incomparable a la que se puede encontrar en cualquier

programa comercial enfocado al cálculo de instalaciones hidráulicas. En

Excel, se puede modificar, agregar y adaptar a nuestras necesidades

cualquier funcionalidad, nueva o existente. Por el contrario, los

programas comerciales tienen una serie de funcionalidades limitadas e

inmodificables que fueron elaboradas por una empresa.

Siguiendo con el razonamiento del apartado anterior, se llega a otra

conclusión, y es que en un programa comercial no es posible conocer

cómo funciona, cómo realiza sus cálculos y opera. En los manuales,

apenas se da una breve idea e introducción sobre ello. En el caso de que

hubiera algún error en las fórmulas o parámetros característicos, se

podría estar validando algo que no es cierto sin darnos cuenta y sin poder

remediarlo, al no ser posible acceder al código del programa.

En la hoja Excel, basta con situarse en una celda para conocer cómo se

ha realizado una operación, siendo así más clara y transparente.

A pesar de la aparente sencillez de la hoja de cálculo –pues se está

realizando una aproximación, no se están utilizando métodos numéricos

y se está suponiendo una estructura en árbol- es posible obtener buenos

resultados, muy similares a los de un programa comercial con toda su

complejidad.


Los inconvenientes del uso de la hoja de cálculo frente al programa EPANET, son las

siguientes:

EPANET incluye un entorno gráfico, en el que se dibuja un boceto de la

instalación hidráulica, haciendo la introducción de datos del problema

más sencilla e intuitiva. Mientras que la hoja está pensada para ir

introduciendo uno a uno cada nodo de la instalación, por lo que

necesitará de una mayor comprensión y conocimiento para poder

manejarla con soltura.

EPANET es un programa más completo, al permitir no sólo realizar los

cálculos hidráulicos de una instalación, si no también calcular la calidad

de su agua, la concentración de un componente, la energía consumida y

el coste que tendría, amén de evaluar estos elementos a lo largo del

tiempo. Sin olvidar que es capaz de mostrar éstos mediante gráficas,

combinando los parámetros que se deseen.

La hoja de cálculo no hace uso de métodos numéricos, con lo cual no se

pueden resolver instalaciones que no sigan estructuras en árbol sin tener

que realizar una aproximación, cosa que si es posible en EPANET.

10.2. Propuestas de mejora.

Gracias a la flexibilidad y capacidad de manipulación que ofrece la hoja de cálculo, se

podría mejorar y adaptarla para futuros proyectos destinados al cálculo de instalaciones,

haciendo de ella un programa más completo. Pero no sólo para instalaciones

hidráulicas; si se quisiera se podría adaptar esta tabla para el cálculo eléctrico,

sustituyendo la presión por el voltaje, el caudal por la intensidad, los accesorios por las

resistencias y los cables por las tuberías.

Sin embargo, enfocando el caso que nos atañe, de una instalación contra incendios, se

podrían realizar las siguientes propuestas:

Ampliar el abanico de problemas que puede resolver (no sólo para el caso

instalaciones contra incendios). Para ello, sería necesario hacer uso de la

herramienta de macros, que incluye Excel, para poder modelar instalaciones

en la que existan elementos, tales como bombas, depósitos o tanques, que

evolucionen a lo largo del tiempo.

Usar las ecuaciones de mecánica de fluidos para resolver el problema de una

forma exacta y sin aproximaciones para cualquier tipo de fluido y régimen.

De esta forma, se conseguiría una mejor aproximación, sustituyendo el

método de las longitudes equivalentes.

Por último, se podría contemplar la elaboración de un presupuesto de los

recursos materiales y energéticos, a la vez que se realiza el cálculo

hidráulico.

I

Referencias

[1] https://exceltotal.com

[2] Wikipedia.

[3] Catálogo de Bombas de Ebarra.

[4] US Enviromental Protection Agency. Traducción del grupo multidisciplinar de

modelación de Fluidos de la Universidad Politécnica de Valencia, «EPANET 2. Manual de

Usuario».

[5] Castillo, A. Tedde, C. Martínez, I. Segura, F. «Instalación Contra Incendios».

[6] Maraver Ceballos, Abel. «Proyecto de Fin de Carrera. Desarrollo de una Metodología y

una Herramienta de Cálculo de Instalaciones de Transporte de Fluidos». 2014.

[7] Moreno Díaz, Luna. «Trabajo de Fin de Grado. Desarrollo de una Metodología y

Herramienta de Cálculo de Instalaciones Eléctricas de Baja Tensión». 2015.

https://exceltotal.com/

II

ANEXO I

ESQUEMA DE LA

INSTALACIÓN

III

Índice de Planos

Plano 1. Planta Sótano. IV

Plano 2. Planta Plaza. V

Plano 3. Planta Baja. VI

Plano 4. Planta Primera. VII

Plano 5. Planta Segunda. VIII

Plano 6. Planta Tercera. IX

Plano 7. Planta Cuarta. X

Plano 8. Planta Quinta. XI

Plano 9. Planta Sexta. XII

Plano 10. Planta Séptima. XIII

Plano 11. Esquema general de la instalación. XIV

II

JUNIO 2017

ingeniería de las tecnologías industriales -...

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