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CAPITULO 3

PRESIONES

1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Para la operacin de los sistemas de distribucin de agua es suficiente considerar que la presin en un punto especfico de la red es la magnitud sea-lada por un manmetro colocado directamente sobre la tubera que pasa por ese punto, mas o menos la distancia vertical existente entre la clave de la tubera y el centro del manmetro. Por ejemplo, en la figura 1 la precin en el punto A sera de 23 m con una lectura del manmetro igual a 20 m y en el punto B sera de 20 m con una lectura del manmetro de 22 m.

Dada la forma como se usan normalmente los valores de la presin en las actividades de operacin y mantenimiento de los sistemas de agua potable, lo mas indicado es expresar sus cifras en altura de columna de agua utilizando como uni-dad para ella el metro.

Las magnitudes sealadas por el manmetro pueden representar cuatro si-tuaciones diferentes: (1) presiones "esi:aticas" que corresponden a los casos en que el agua no circula en la red, estando llenas sus tuberas. Ellas equi-valen en columna de agua a la diferencia entre las cotas correspondientes al plano de carga y a la llave del tubo en el punto considerado. (2) Presiones "dinmicas", que son las obtenidas cuando el agua est circulando dentro de las tuberas. (3) sobre-presiones, que son la parte de la presin dinmica que exce-de a la esttica cuando sta es menor que ella. (4) presiones negativas, que son valores de la presin dinmica inferiores a la presin at~osfrica.

Se denomina cota piezomtrica de un punto del sistema de distribucin a la suma de la cota de l mas la de la presin expresada en columna de agua. Cuando esta presin se refiera a la esttica, la cota piezomtrica para todos los puntos sera la altura del plano de carga. La diferencia de cotas piezom-tricas entre dos puntos consecutivos se denomina "prdida de carga". La prdida de carga entre dos puntos sera equivalente a la diferencia de presiones, cuando esos dos puntos se encuentran sobre un mismo plano horizontal.

La determinacin de la presin en un punto del sistema requiere el empleo de un manmetro solamente. La de las cotas piezomtricas necesita, adems, co-nocer con mayor o menor precisin, segn sea el caso, la cota del punto conside-rado. En estas condiciones, para el. estudio de las presiones debe disponerse, por lo menos, de un plano acotado de la localidad, que bien puede ser el de re-planteo de alcantarillado.

2. REGIMEN DE PRESIONES

El conjunto de valores que adoptan las presiones en los diferentes puntos del sistema de distribucin constituye el "rgimen de presiones" en l. Los ele-mentos que intervienen en su establecimiento son bsicamente dos: las "presiones de servicio" y las "presiones de trabajo". Accidentalmente se presentan, adems, las sobre-presiones y las presiones negativas (ver la figura 2).

- Lectura del manmetro - Altura del manmetro

Presin en

A

h = 2 m

- 25 -

Figura 1

20 m +3 m 23 m

h = 3 m

B

- Lectura del manmetro -Altura del manmetro

Presin en @

22 m -2 m 20 m

- 26 -

Figura 2

REGIMEN DE PRESIONES EN UN SISTEMA DE DISTRIBUCION

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Sobre-.. ;presiones

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:DEFICIENTES .

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l

:PRES 1 ONES 'DE ;TRABAJO

- 27 -

2.1 Presiones de servicio

Se llaman presiones de serv1c1o a las dinmicas cuyos valores sean mayo-res que cero pero inferiores a la esttica. Son normales cuando igualan o supe-ran a un valor mnimo que se considera suficiente para abastecer directamente a las conexiones domiciliarias y son deficientes cuando estn por debajo de ese valor mnimo.

Si las presiones de serv1c1o son normales (ver figura 3), las conexiones domiciliarias no necesitan tanques ni sistemas de bombeo. Si a unas horas son normales y a otras deficientes, pueden abastecerse por intermedio. de un tanque individual y si a todas horas son deficientes, necesitan una cisrerna y una bom-ba.

2.2 Presiones de trabajo Las estructuras que constituyen el sistema de distribucin estn someti-

das en todos sus puntos a las presiones estticas y dinmicas que actan sobre ellas, por consiguiente, los valores de estas presiones no deben ser superiores a la que se utiliz para su fabricacin. En la practica, y con la finalidad de unificar conceptos, se denomina (1) presin de trabajo a la que resulte de agre-garle (ver figura 4) a la esttica, en el punto considerado, una sobre-presin igual al SO% de ella~ Esto equivale, en otros trminos, a considerar la presin de trabajo como la mxima a la cual estn sometidas las estructuras en cada pun-to del sistema y a hacerla igual a una presin dinmica que sea 1.5 veces la es-ttica. (2) Presin de prueba, es la presin a la cual el fabricante debe ensa-yar la estructura cuando termine de fabricarla sin que se presente ninguna falla en ella. (3) Coeficiente de seguridad es la relacin entre las presiones de prueba y de trabajo. Generalmente se adopta 2 como valor de el. Por ejemplo, si la esttica en un punto es de 70 m, la presin de trabajo debe considerarse que es de 105m (150 lb/p/g2). Empleando un coeficiente de seguridad igual a 2, la presin de prueba debe ser 210m (300 lb/p/g2). 2.3 Sobrepresiones

Las sobre-presiones son valores superiores a la esttica que se presentan en forma instantnea como consecuencia de la produccin de golpes de ariete. Las teoras existentes y las correspondientes frmulas referentes a este fenme-no son adecuadas para el caso de tuberas aisladas, pero no se ha encontrado to-dava un procedimiento practico que permita aplicarlas cuando se trata de redes de distribucin. Su calculo se hace, por esta razn, a base de estimaciones. En todo caso, las sobre-presiones deben evitarse en cuanto sea posible y, como no es facilinstalar equipos de proteccin en las redes, las medidas para contra-rrestarlas se reducen prcticamente a recomendaciones sobre operacin.

Las causas que originan el golpe de ariete en. los sistemas de distribucin son muy variadas. Las principales pueden ser las siguientes en los abastecimien-tos por gravedad:

HPResaltado

PRESI y

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Figura 3 REGIMEN DE PRESIONES EN UN SISTEMA DE DISTRIBUCION

PRESION NORMAL A TODAS HORA

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--

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ON NORMAL A UNAS HORAS DEFICIENTE A OTRAS

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6 a.m. 6 p.m. 6 a.m.

PRESION DEFICIENTE A TODA - HORA

Necesita cisterna v bombeo PREJ!t- 'f'l M/NJ ~A c.>n:a, 1rtu-wH

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- 29 -

Figura 4

. . .. , .. , ..... _ - - : Sobre-

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.. p res i n - p

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ESTA TI CA +

+

PRESION ESTATICA PE

SOBREPRESION = PRESION DE TRABAJO

=

--'

PRESION DE

TRABAJO PT

PRESION DE TRABAJ~COEFICIENTE DE SEGURIDAD = PRESION DE PRUEBA

PT ~ x K =

- 30 -

- Operacin de vlvulas

- Operaciones de hidrantes

Equipos y aparatos en las conexiones domiciliarias.

En el caso de las vlvulas, la produccin del golpe de ariete depende de la velocidad con que se opere. Una recomendacin sobre el tiempo mnimo para cerrarlas se da en la figura 5 (basada en la tabla que trae el Manual de Armco 1). Sin embargo, es conveniente tener en cuenta que, en las vlvulas de compuerta, al cerrarlas la reduccin del gasto no solamente no es uniforme, sino que el 90% de l se sucede en el 10%, ms o menos, del total de vueltas al final del cierre. La figura 6 muestra una grfica de ese fenmeno determinada con pitmetro en la red de Bogot. El 10% del total de vueltas puede considerarse como un punto cr-tico en la operacin de vlvulas e indica que lo ms conveniente es emplear, en las vueltas finales del cierre, el mismo tiempo que se recomienda para el total de la vlvula. Este es un punto fundamental en el entrenamiento del personal de operadores.

En la operacJ.on de hidrantes el cierre rpido orJ.gJ.na golpes de ariete y deben tomarse precauciones similares a las de las vlvulas. En las normas AWWA se especifica que el paso de las roscas del vstago se disee en tal forma que al operarlo normalmente no se produzca una sobrepresin superior a la de la carga esttica cuando sta es de 60 psi (42 m) o mayor. Para valores de ella menores de 60 psi, la sobrepresin no debe sobrepasar las 60 psi.

Como recomendacin de gran importancia para prevenir los golpes de ariete est la de evitar en toda forma la operacin de los hidrantes por personal no adiestrado. Solo el cuerpo de bomberos, debidamente entrenado, y el personal del servicio de agua, deben maniobrarlos. Las sobrepresiones en hidrantes derivados de tubos de menor dimetro son mayores que las originadas en las grandes tuberas debido a la magnitud de la velocidad en ellas.

En las instalaciones interiores, las principales causas de golpe de arie-te que se reflejan en el sistema de distribucin son:

1

- Bombas conectadas directamente a las tuberas principales. Las fallas de la corriente elctrica cortan bruscamente el flujo.

- Vlvulas de cierre rpido, como flotadores, en los suscriptores de dime-tro grande.

- Aparatos de fluxmetro, sobre todo cuando su funcionamiento es frecuente y con probabilidad de sucederse simultneamente con otros varios.

AWWA INTERNATIONAL. Manual de aprovechamiento de aguas. 1941.

- 31 -

Figura 5

CURVA BASADA EN LA TABLA PUBLICADA EN EL MANUAL DE ARMCO PARA VALVULAS DE COMPUERTA SIN ENGRANAJES

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- 32 -

Figura 6

PORCENTAJE DE VUELTAS ABIERTAS

50 1

1

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1 l ! 1 J ' 1 ! ! 1 1 ; '

10 20 50 100

- 33 -

En todos estos casos es conveniente imponer a los suscriptores el empleo de dispositivos contra golpes de ariete.

2.4 Presiones negativas

Las presiones negativas son tambin de tipo accidental en los sistemas de distribucin y, lo mismo que en el caso de las sobrepresiones, deben evitarse en todas las formas.

Los principales casos que dan origen a las presiones negativas son:

- Las tuberas en sifn, cuando la lnea de niveles piezomtricos corta el perfil de ellas.

- Cuando al desocuparse una tubera la rata de entrada del aire es menor que la de salida del agua.

Cuando el equipo de bomberos produce una succin sobre la red que hace bajar la presin residual de ella por debajo de la atmosfrica. En el caso de los sifones, se necesita colocar una ventosa que permit~ la

salida del aire cuando la lnea se est llenando peroqque no lo deje entrar cuan-do haya una presin negativa. As no se rompe el sifn y el servicio se mantie-ne. (Ver figuras 7A y 7B).

El efecto del vaca que se sucede al desocuparse una tubera es similar al que producen los mbolos mostrados en las figuras 7c y 7d. En la 7c como el orificio A es pequeo, se originar un vaco. En cambio, en la 7d el movimiento del mbolo no ocasionar fenmenos de vaco. Por esta razn en las redes es ne-cesario que en las partes altas de las lneas de alimentacin existan ventosas (figura 7e) con orificios suficientemente grandes que permitan una fcil circu-lacin de aire y eviten las presiones negativas.

Durante la operacin de los hidrantes en casos de incendio, cuando las mquinas de los bomberos succionan de la red, es necesario que sobre el hidrante quede una presin residual positiva para evitar la produccin de vacos. Adems, conviene que esta presin no sea inferior a 10 m a fin de prevenir, hasta donde sea posible, los problemas que pueden presentarse en las conexiones domiciliares con los aparatos sanitarios situados a la altura del segundo y tercer pisos. Este aspecto debe estar contemplado en la reglamentacin local sobre el uso de hidrantes.

3. PRESIONES MINIMAS DE SERVICIO

Para que las presiones de servicio se consideren normales, es indispensa-ble que ellas sean superiores a un valor mnimo capaz de atender dos clases de

requer~m~entos: (1) los de los edificios y domicilios de la poblacin, y (2) los del servicio contra incendios. Cuando sean inferiores, las presiones sern defi-cientes porque el sistema no est en condiciones de atender debidamente una de las dos condiciones o ambas.

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- 34 -

Figura 7 PRESIONES NEGATIVAS

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- 35 -

3.1 Servicio para Edificios

La presin necesaria para el abastecimiento de los domicilios en una po-blacin es la que permite atender suficientemente la demanda en los orificios mas altos de ellos. Su valor depender, pues, de:

La altura de las construcciones La magnitud de la demanda instantnea rnax~rna Las prdidas de carga desde la tubera principal hasta los puntos mas ele-

vados.

Corno la altura de los edificios es variable en toda ciudad, para estable-cer los valores mnimos de la presin es necesario determinar la predominante a fin de que las construcciones hasta ese nivel se sirvan directamente y las dems lo hagan por intermedio de un bombeo interior. Esto puede ser en el total de la poblacin o por zonas. En los pequeos ncleos urbanos es suficiente una estima-cin global. En las grandes ciudades conviene discriminar, por lo menos, secto-res comerciales y residenciales. Los desarrollos modernos de vivienda multifami-liar pueden obligar a sectorizar, a su v~z, stos ltimos.

La magnitud de la demanda y las prdidas de carga son funcin de cada edi-ficacin y de los criterios que se adopten para el diseo de su instalacin. Por esta razn es conveniente dividir la presin necesaria para el servicio domici-liar en tres alturas:

La del orificio La correspondiente a la pres~on mnima sobre el orificio La que se requiere para compensar las prdidas de carga.

Para estimaciones de tipo general, corno son las que se trata de hacer, puede utilizarse corno altura del orificio la de 3 m por cada planta de la edifi-

cac~on. La presin rnrnirna sobre l vara segn el tipo de aparato, pero es po-sible aceptar la de 6 m (8 psi) que es la rnrnirna adoptada por el Uniforrn Plurnbing Code Cornrnittee para instalaciones sin fluxrnetro. Las prdidas de carga en dife-rentes diseos oscilan alrededor del 20%.

En estas condiciones, para la construccin de una planta se tiene:

Altura edificio 3 m Presin orificio 6 m Prdidas de carga 2 m

T o t a 1 11 m

La curva A de la figura 8 da los valores hasta diez plantas.

- 36 -

Figura 8

PRESION DE LA RED EN METROS

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1

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~:!nimal para 4 ~j __ 4_p_i_so_r~-~~++r----~~--~-+----~ 1 T,R. ::amp Pa-r-a jouen 3r-------~~~~r+------~~--~~~~-~~~--~

3 pij'os con 20 # sobre orif"cio ms alto

MI~IMA RES! NCI~L ACEPTABLE PARA oos Pl. r;TAs 1~! ____ _u_J __ ~-+~~-------rl ------~~------~

1 OL_ ______ J_ _____ _L _____ ~~-----~---~ e l 20 30 40 50

- 37 -

El libro "Fontaneras y saneamiento" de Rodrguez Avial hace este tipo de estimacin, agregando simplemente 5 m a la altura del edificio. Los resultados obtenidos dan origen a la curva B de la figura 8.

El "Hanual Uralita" estima para la primera y segunda planta una altura de 4 m y 3.25 para las restantes, con prdidas de carga entre 3 y 5 m, llegando a las siguientes cifras que se encuentran representadas en la curva C.

Planta y piso 12 m 20 piso 16 m 30 piso 19 m 40 piso 22 m so piso 26 m 60 piso 29 m 70 piso 32 m so piso 35 m

y que, como se ve, corresponden bastante bien con la estimacin que hicimos al principio.

De acuerdo con es~as consideraciones, y si se adopta la curva A, puede aceptarse una presin de servicio mnima de 10 a 11 m para edificaciones de una planta y de 15 m para construcciones de dos plantas, lo cual lo confirman las siguientes autoridades: (1) El "Distribution manual", AWWA-M, ,que establece que una presin de 20 psi (14 m) ha sido ms o menos aceptada por la industria del agua como la mnima para los servicios residenciales y es suficiente para sumi-nistrar el flujo mnimo en la segunda planta. Sin embargo, consideran que una de 30 psi (21 m) sera ms aconsejable. (2) Las "Normas para diseo y construc-cin de acueductos para pequeas poblaciones", ingenieros Rivas y Kollar del Ser-vicio Cooperativo Interamericano, en que se considera que las edificaciones en estos casos nunca pasan de dos plantas y aceptan una presin mnima de 10 m.

Por otra parte, el problema de las presiones mnimas debe dividirse en dos casos, el de las ciudades y el de las pequeas localidades. En las primeras es indispensable considerar por lo menos tres sectores:

Residenciales, en los que predominan construcciones de dos plantas Residenciales con alturas medias de cuatro plantas Comerciales, en los cuales puede aceptarse hasta seis plantas como pro-

medio.

Los de la primera categora necesitan presiones mnimas de servicio entre 15 y 20 m. Los segundos, 25 m y los terceros no menos de 35 m.

En pequeas localidades es suficiente considerar una presin mnima de 10 a 15 m. Las edificaciones que superen estas alturas necesitan bombeo interno. Para corroborar estas cifras, se pueden citar los criterios siguientes:

- 38 -

- Para sectores residenciales Turneaure y Russell, Fair y Geyer, Steel, y Flint Weston y Bogart aceptan presiones entre 25 y 40 psi (18 y 28 m)

para sectores residenciales con no ms de cuatro pisos.

En cambio.Thomas R. Camp sostiene que "la experiencia muestra que para zonas residenciales se logra un caudal adecuado si la presin no se reduce por debajo de 35 psi (25 m)".

Para sectores comerciales Turneaure y Russell aceptan de 30 a 45 ps1 (24 a 31m), Fair y Geyer de 60 a 75 psi (42 a 53 m), Steel dice que presiones

inferiores a SO psi (35 m) no pueden servir a seis plantas y que las menores de 30 psi (21 m) no pueden servir cuatro pisos. Esto ltimo lo sostienen tambin Babbit y Doland.

En estas condiciones se puede concluir que:

La presin mnima de servicio no debe ser inferior a 15 m.

De acuerdo con la clasificacin que se estableci, los valores mnimos para condiciones normales en las ciudades, cuando no sea necesario zoni-

ficar, pueden ser:

SECTOR Presin mnima de servicio Presin mnima

esttica ____________________________ ,_ _________________________ ~---------------------

Sector Residencial I Sector Residencial II Sector Comercial

15 25 35

20 30 40

Los edificios que sobrepasen las alturas especificadas deben utilizar bom-beos interiores.

En las ciudades, cuando sea necesario zonificar, no es posible, por razo-nes econmicas, utilizar en los puntos altos, lmites de servicio y lneas

divisorias, presiones de servicio mayores de 15 m con estticas de 20 m. En los puntos bajos de cada zona pueden emplearse los valores normales. Esto implica que los edificios en los sectores altos, que tengan tres pisos y ms, deben estar provistos de bombeo individual.

En ciudades de crec1m1ento rpido sometidas peridicamente a restriccio-nes del servicio, es indispensable especificar en todas partes bombeos

interiores para edificios de ms de tres plantas, especialmente en los multifa-miliares. La razn de esta medida estriba en que, durante las pocas de raciona-miento aumentan las demandas mximas y bajan, por tanto, las presiones de servi-cio.

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En pequeas localidades pueden emplearse presiones mnimas entre 10 con estticas de 15 y 20 m, respectivamente.

3.2 Servicio contra incendios

15 m

El servicio de agua destinado a la extincin de incendios requiere que en el punto A (figura 9) se disponga de una presin AB suficiente para vencer la prdida de carga DE a lo largo de la manguera y obtener as una cebeza CD capaz de dar en la boquilla el gasto necesario de acuerdo con el dimetro de sta.

Esta presin AB, si la manguera se conecta directamente al hidrante~ es lo que se denomina "presin residual" en la red de distribucin y se define como la presin que queda en la red al sacar una determinada cantidad de agua simul-tneamente con la demanda mxima domiciliar, medida en un sitio prximo al hi-drante que esta funcionando.

Su valor es en funcin de lo siguiente:

Gasto Altura de los edificios Dimetro de la boquilla Dimetro de la manguera Longitud de la manguera.

Es decir, que en una misma ciudad vara con el sector, las construcciones, man-gueras y equipos de que se disponga para el servicio contra. i"Q.cendios.

Hasta ahora el abastecimiento de agua para estas conflagraciones se ha ve-nido atendiendo en dos formas fundamentales que definen las presiones residuales: (1) conectando directamente la manguera al hidrante. En este caso la presin re-sidual es igual a la de alimentacin (ver figura 9). (2) Dotando a los bomberos con carros bombas que se conectan al hidrante, entonces los equipos porttiles generan la presin de alimentacin y, por tanto, la presin residual sera sola-mente la que se necesite para las prdidas de carga y la velocidad en la parte de la succin (ver figura 10).

La primera forma tiene la ventaja de no requerir equipos especiales de bomberos. Por este motivo se recomienda en pequeas poblaciones pero, en cambio, necesita presiones residuales elevadas en la red.

La segunda funciona con presiones mnimas residuales pero obliga a dispo-ner de una dotacin ms compleja para el servicio de incendios.

Con el fin de emplear la primera, evitando en parte el problema de las al-tas presiones en la red, se han ideado y utilizado en algunas ciudades dos siste-mas:

- Cuando el abastecimiento se hace por bombeo, figura 11, se utilizan dos equipos de bombas, uno para servicio normal y otro para casos de incendio.

As, las presiones altas solo se presentan accidentalmente.

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- 40 -

Figura 9

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~IOJiDE ~ ).~I~ENTACJON ~ = Pl'tESI01i RESIDUAL

/\ De;-~.. __.--.., ~~ . 1 1 / ~ Y::vUERAj ~: f'lE:SJOJ\ SN ~-i---------...,_-..,..ji_~...,.-.....,___ . J.' 30J'JILLA ~ ~--~-- -

Figura 10

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\['\" : (J \~ Pl't~ION .... --"': ...... --~-- : DE ALD

- 41 -

Figura 11

e . ~ :: ..... ..... . o

CABEZA DINANICA ~RIMPULSION I ,;~AEN ,CASO D>' ~ DIOS ~

1 ' ~~BEZA J2~A DENAI-:ICA -PARfMPULSION : ~ --NORM_JERVIClO

Figura 12

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PRESION .. RESIDUAL . PARA ~N~-

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1

EN LA

- 42 -

- En los sectores de gran valor, especialmente comerciales e industriales, se emplean dos redes diferentes (figura 12), una de alta presin para in-

cendios y otra de baja para servicio domiciliar. Con cualquiera de las dos formas fundamentales que se trabaje en una ciu-

dad es posible atender las demandas de incendio, fraccionndolas en varios cho-rros que sumados den en total el valor de ellas.

La manera de establecerlos consiste en unir entre s varios tramos de man-guera, cuya longitud standard es de 50 pies (15.24 m) cada uno, para formar un conjunto como el de la figura 13. All se indican adems las frmulas tomadas de "Hidraulics for firemen" para calcular la presin en el punto A y el alcance ver-tical del chorro con mangueras de 2.5" que son las mas usadas.

La tabla 1 da el gasto de los chorros en ~/s y su alcance vertical medido en pisos de edificio, de acuerdo con las presiones disponibles y las longitudes de manguera empleadas.

La practica norteamericana usa dos chorros standard, uno de 250 gpm (15 ~ps aproximadamente) y otro de 175 gpm (11 ~ps aproximadamente). El primero se utiliza especialmente en sectores comerciales y el segundo en los residenciales. La presin necesaria, como puede observarse en la tabla 1, depende de la longitud de la manguera, es decir, de la distancia del hidrante al punto de icnendio. Si stos se encuentran muy alejados, la presin sera grande. Cuando las mangueras se conectan directamente, no es conveniente una presin inferior a 60 psi (42 m) en zonas residenciales y a 70 psi (50 m) en las comerciales. Subindolas hasta 80 psi (56 m) o 135 psi (95 m) se logra una distancia ms adecuada entre hidran-tes.

En Colombia las normas del Instituto de Fomento Municipal establecen para poblaciones de menos de 20,000 habitantes, chorros de 5 ~ps (80 gpm) con presio-nes residuales de 20 m en sectores residenciales y 6 ~ps (95 gpm) con presiones residuales de 30 m para zonas comerciales e industriales.

Segn la tabla 1, con esta especificacin se pueden atender incendios en casas de. dos pisos usando mangueras hasta de 200 m conectadas directamente a la red sin sobrepasar las presiones de servicio.

Las normas para acueductos depequeas poblaciones de Rivas-Kollar consi-deran ratas de 5 tps (80 gpm) con 10 m de presin solamente para poblaciones mayo-res de 2,000 habitantes y en su zona central. Ellas permiten, por tanto, atender casas de un piso con mangueras de 200 m y hasta de dos pisos con 100 m.

De acuerdo con estas consideraciones puede decirse que:

- Empleando mangueras de 2.5" y 50 m de longitud, conectadas directamente al hidrante, con chorros standarc de 250 gpm para zonas comerciales y 175 gpm

para las residenciales, las presiones mnimas seran de 50 m y 30 m, respectiva-mente. Con las normas de INSFOPAL, de 80 gpm para poblaciones pequeas, se baja-ra hasta 20m (ver figura 14).

- 43 -

Tabla 1

GASTO DE CHORROS

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Figura 13

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- 45 -

Figura 14

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- 46 -

Empleando carros-bombas la pres1on mnima para incendios puede ser la mis-ma del servicio domiciliar (figura 14 a).

- Con diferencias de nivel muy grandes pueden utilizarse mangueras directa-mente a lps hidrantes en pequeas poblaciones con las normas de INSFOPAL

y con las presiones de servicio domiciliar. En grandes ciudades es indispensable usar carros-bombas para los puntos altos.

4. PRESIONES MAXIMAS

Los valOres mximos de la presin en las redes de distribucin se determi-nan por:

Las necesidades de los domicilios ms altos Las demandas pe.ra incendio.

4.1 Edificios altos

En el interior de los edificios las presiones sobre los aparatos es conve-niente que no sobrepasen determinado valor. Louis S. Nielsen recomienda un m-ximo de 70 psi (50 m), Rodrguez Avial dice que en ningn punto de la instala-cin la presin debe ser mayor de 40 m, Svend Plum aconseja 60 psi (42 m) y esta-blece que para evitar presiones excesivas los edificios altos se dividan en zo-nas de 10 a 15 pisos.

De acuerdo con esto, se ve que al servicio domiciliar no le convienen pre-sines superiores a 50 m, que son capaces de atender las demandas en los orificios ms altos de edificios hasta de 13 plantas. Valores mayores requieren el uso de vlvulas reductoras de presin y dispositivos para proteccin contra golpes de ariete.

Por otra parte, obligara a emplear especificaciones altas en los apara-tos de servicio, tales corno calentadores, etc., que elevaran los costos de ins-talacin interior.

4.2 Servicio contra incendios ' Para el servicio de incendios, corno vimos en el punto anterior, en los

sectores comerciales si se emplean mangueras de 2.5" de 200 m de largo, un cho-rro de 250 gprn requiere una presin residual de 135 pii (95 m), lo que da una esttica su~erior a lOO m.

Una presin de esta naturaleza no es conven!ente en ninguna forma. La ex-periencia ensea que con valores superiores a 60 m los daos en la red son fre-cuentes, los escapes superficiales y subterrneos mayores, los cuidados de insta-lacin ms estrictos y los costos iniciales y de mantenimiento mucho ms grandes. Esto lo confirman diversos autores corno Fair y Geyer quienes recomiendan de 60 a

- 47 -

Figura 14 a

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- 48 -

75 psi (43 a 52 m), Thomas R. Camp que no considera aconsejable presiones como 95 psi (70 m) y se refiere al uso de carros-bombas para evitarlas, Flint, Weston y Bogert anotan que presiones superiores a 70 m incrementan las fugas y someten las distribuciones a grandes esfuerzos, Babbit y Doland consideran que ms de 100 psi (70 m) necesita tuberas de mayor especificacin y tambin gran cuidado en la construccin y mantenimiento, Tourneaure y Russell opinan que las mximas presiones son cuestin de economa que debe comparar los costos mayores de tube-ra y daos con los beneficios que puedan obtenerse, observan que en presiones superiores a 130 psi (90 m) los problemas de roturas y daos son grandes y debe considerarse como un lmite que ojal nunca se sobrepase en ninguna parte del sis-tema de distribucin. Finalmente, la AWWA, en su manual "~Jater works practice", citado por Thomas R. Camp y por Steel, recomienda una presin normal esttica de 60 a 75 psi (42 a 52 m) con las siguientes ventajas:

Abastece edificios de diez plantas

Permite el uso directo de hidrante, lo cual hace ms rpida la accin de los bomberos

Se obtiene un margen mayor para las fluctuaciones de presin.

En su "Distribution manual", publicado en 1961 dice que las presiones nor-males en las redes bajo condiciones medias de flujo deben oscilar entre SO y 80 psi (35 y 56 m) y recomienda no emplear las mayores de 100 psi (70 m).

Estas referencias y la prctica nuestra en los sistemas de distribucin per-miten concluir que las presiones estticas mximas recomendables, desde puntos de vista tcnicos y econmicos, no deben ser superiores a 60 o 75 m.

Cuando en sectores comerciales muy densos se encuentre conveniente emplear presiones para incendios muy altas, sin utilizar carros-bombas que puedan compli-car y entrabar las maniobras, lo mejor es establecer redes especiales para incen-dios.

5. ZONIFICACION

Como se ve, el rgimen de presiones en un sistema de distribucin depende de dos factores:

Necesidades del servicio Cond~ciones topogrficas de la localidad.

Las necesidades del servicio obligan por una parte a seleccionar "presio-nes mnimas" capaces de atender dos clases de requerimientos: los de los edifi-cios y domicilios de la poblacin y los del servicio contra incendios.

Por otra parte, consideraciones adicionales, especialmente de carcter eco-nom1.co, exigen que en ningn punto de la red la esttica exceda de determinado va-lor denominado "presin mxima".

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La presin m~n~ma debe verificarse en el sistema de distribucin en tal forma que todos sus puntos tengan una pres~on por lo menos igual a ella a la ho-ra pico de la demanda. En cambio, la mxima debe presentarse cuando no haya flu-jo y la red est llena de agua. 5.1 Topografas tpicas

El establecimiento de estas condiciones en una poblacin viene a combinarse con su topografa, dando como resultado que en los puntos ms elevados la presin esttica no debe ser inferior a la mnima, aumentada de un valor que depende de las prdidas de carga en el sistema para la hora de mayor consumo. En cambio, en los ms bajos el valor esttico no debe ser superior a la presin mxima especifi-cada. Por ejemplo, en una poblacin como la indicada en la figura 15 en que A y B representan el punto ms alto y el ms bajo, respectivamente, la esttica en A ser AH1 y si J es la prdida de carga a la hora de pico, la presin AP1 no debe ser inferior al valor m correspondiente a la mnima especificada. En cambio, pa-ra el punto B la esttica BH2 no debe ser superior a la presin mxima M.

El anlisis de un caso como el d~ la figura 15 hace ver que la posicin del tanque para una poblacin alimentada por gravedad debe quedar fijada por dos condiciones:

- No debe ser inferior su cota de rebose a la del punto ms alto de la po-blacin, aumentada de la pres~on mnima y de un valor estimado como pr-

dida de carga, es decir A+ m+ J.

No debe ser superior a la cota del punto ms bajo adicionada con la presin mxima especificada, es decir B + M.

Estas dos condiciones solo pueden cumplirse cuando

A - B 2 M - (m + J)

y, por consiguiente, en los diseos de los sistemas por gravedad pueden presen-tarse cuatro topografas tpicas y, en algunos casos, combnaciones de ellas. Las cuatro tpicas son:

Poblaciones con pendiente en un solo sentido y tales que

A - B < M - (m + J) -figura 16- Poblaciones con pendiente en un solo sentido pero en las cuales

A - B > M (m + J) -figura 17- Poblaciones con pendientes y contrapendientes tales que

B < A > M - (m + J) -figura 18- Poblaciones con pendientes y contrapendientes pero en las cuales

A - B > M - (m + J) -figura 19-

- 50 -

Figura 15

A-B..- Jo! - (m .. J)

Figura 16

B CASO a)

A-B .:;. Jol - (m+J)

Figura 17

- 51 -

Figura 18 f~--- ----~----------

! 1 1 -~-1 J----------1 p-i

- 52 -

El primer y tercer casos pueden resolverse con un solo tanque que, situado en un punto cuya cota no sea mayor que B + M, permita servir el punto A y no so-brepasar la condicin de mxima presin. El tercer caso requiere establecer dos o ms planos de _carga a base de:

- Zonificar la poblacin de tal manera que se cumpla en cada zona la condi-cin de lmite de presiones

Emplear varios tanques o uno solo y vlvulas reductoras de presin o c2ma-ras de quiebre.

Pero siempre es posible no sobrepasar la maxlma presin M. El cuarto caso es el ms complicado. No puede, a psear de la zonificacin, evitarse que tenga puntos con presin superior a la mxima especificada y las soluciones que se adop-tan son tendientes todas a reducir este problema nicamente en las tuberas de distribucin, quedando las lneas matrices con presiones limitadas tan solo por las condiciones topogrficas. Es un caso similar al de los sifones en las tube-ras de conduccin.

5.2 Ejemplo 1: Pendientes en un solo sentido Es el caso de la figura 20, en que la pendiente general de la poblacin

tiene un solo sentido y cuyos niveles varan entre las cotas 630 y 710.

Si se especifica una presin mnima de 15 m y una mxima de 60, ser nece-sario establecer dos zonas de servicio. Empleando tanques para cada una y asu-miendo una prdida de carga de 5 m entre el tanque y el punto mas alto, se llega a los siguientes resultados:

Cota del punto ms alto Presin mlnlma Prdida de la carga Cota del tanque A Presi6n mxima Cota de la divisoria Presin mnima Prdida de carga Cota del tanque B Presin mxima Cota de la divisoria

710 m Lmite superior del servicio 15

5

730 - TA 60

670 Divisoria 15

5 690 - TB

60 630 Divisoria

En esta forma, situando un tanque como el A en la cota 730 y otro como B en la 690, los puntos ms elevados de cada zona tendrn presiones de 15 m en las horas de mayor demanda y en ninguna parte la presin esttica pasar de 60 m. Si no se utiliza la zonificacin, habr sectores con presiones estdticas de lOO m.

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Figura 20

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' 1'-

.. .... ....

.. J

1

- 54 -

5.3 Ejemplo 2: Pendiente y contrapendiente Se refiere el caso de la figura 21, o sea al de una poblacin que tiene

puntos con cota 700 en el sector norte, en el sur llega a 670 y en el centro baja hasta 610.

Adoptando presiones de 15 m m1n1ma y 50 mxima y fijando como lmite su-perior de servicio en el norte la cota 700 y en el sur la 670, se puede emplear en aquel sector un tanque T1 por encima de la 700 y otro en el sur, T2, arriba de 670 que pueden unirse entre s con una lnea como T1BT2. La zonificacin del servicio sera utilizando vlvulas reductoras de presin:

- Sector norte

Cota punto ms alto Presin m1n1ma Prdida de carga Cota del tanque T1 Presin mxima Divisoria Presin m1n1ma Prdida de carga Cota piezomtrica A.Ab. V.R.P.B-1 Presin mxima Divisoria Presin mnima Prdida de carga Cota piezomtrica A.Ab. V.R.P.C-1

- Sector sur

Cota punto ms alto Presin mnima Prdida de carga Cota tanque T2 Presin mxima Divisoria

m

700 Lmite superior del servicio 15

5

720 Tanque T1 50

670 Divisoria zonas A y B 15

5 690 VRP - B.1

50 640 Divisoria zonas B y C

15 5

660 VRP- C.1

670 Lmite superior del servicio 15

5 690 Tanque T2

50 640 Divisoria zonas C y D

Se ve que las tuberas de distribucin locales no van a tener presiones estticas superiores a 50 m en ninguna zona. En cambio, la lnea de serv1c1o general T1BT2 en la zona C llegar a valores hasta de 110 m y en la B de 80 m. Por esta razn esa tubera no debe emplearse como lnea de servicio local. En cambio, podrn derivarse directament de ella tuberas de servicio local en la A y en la D. Para las zonas B y C toda la distribucin debe ha~erse por inter-medio de las vlvulas reductoras B1 y C-1, respectivamente.

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- _: T~l~:;:"UL

. 69C.

- 55 -

Figura 21

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'

- 56 -

La zonificacin puede obtenerse empleando tanques para cada zona, cmaras de quiebre de presin o vlvulas reductoras. El sistema que da diseos mas sen-cillos es el de las vlvulas reductoras, pero estos aparatos son mecanismos deli-cados que requieren personal idneo para calibrarlas y mantenerlas. Por esta ra-zn no son recomendables en ninguna forma para poblaciones pequeas y su uso debe limitarse a las grandes ciudades donde se disponga de medos adecuados para ope-rarlas. La figura 22 da una idea del funcionamiento de estos dispositivos.

5.4 Conclusiones

El anlisis de como se combinan las presiones con la topografa del lugar permite llegar a las siguientes conclusiones:

Las presiones estticas en los sistemas de distribucin dependen fundamen-talmente de la topografa del lugar.

- Para que en una ciudad las presiones estticas se mantengan dentro de de-terminados lmites, mximo y mn~mo, es necesario que:

Se especifiquen estos lmites antes de hacer los diseos Al disear el sistema de abastecimiento se zonifique la red de acuerdo con

ellos.

A pesar de la zonificacin, hay casos de topografa~ como el indicado en el ejemplo 2, en que el control de las presiones estticas dentro de cier-

tos lmites se puede lograr solamente para las tuberas de distribucin locales de cada zona, pero las lneas matrices tendrn presiones estticas cuya magnitud depender de los desniveles topogrficos del terreno y se encontrarn, por consi-guiente, fuera de toda especificacin.

- En un sistema existente en el cual no se tuvo en cuenta la zonificacin para su diseo inicial o se hizo con especificaciones muy amplias y, sobre-

todo, si se emplearon tanques con niveles que no se amoldan a otras ms restrin-gidas, las consideraciones de orden tcnco.pueden hacer recomendable su modifi-cacin, pero los costos de estas reformas pueden ser de tal magnitud que los pun-tos de vista econmicos indiquen la conveniencia de continuar con presiones est-ticas elevadas.

- Para una poblacin dada la zonificacin es funcin e la diferencia entre las presiones mxima y mnima especificadas. Aumentando la mxima o dismi-

nuyendo la mnima se puede reducir el nmero de zonas o hacerlas innecesarias en algunos casos. La fijacin de los lmites es, pues, un problema de orden econ-mico dentro de las consideraciones tcnicas. Es posible que subiendo la mxima presin se reduzca el costo de la zonificacin pero se aumente, en cambio, el de las tuberas, el de mantenimiento y el de las instalaciones internas de los edi-ficios.

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Figura 22

A - CON PISTON HUECO B - CON DIAFRAGMA

BAJA PRESION

1. VALVULA DE AGUJA

2. PILOTO

Ps ALTA PRESlON

PA

C - CON PISTON SOLIDO

OPERACION

a - Cuando la presin P8 > E, domina al resorte y cierra la vlvula piloto.

b -Con el piloto cerrado Pe= PA por-que no hay flujo entre las dos c-maras.

e - La diferenci2 de superficies hace que la vlvula se cierre.

d - Cuando P6 < E el resorte abre el piloto y pasa agua de A a B por la cmara C.

e - La prdida de carga producida por la vlvula de aguja hace que Pe < PA y la vlvula se abre