Cálculo de Gasto (Clase N° 4)
Para diseñar una red de tuberías, es necesario conocer la distribución del gasto de diseño en los diferentes tramos. Una forma de encontrar el gasto correspondiente a cada metro de tubería, también conocido como gasto unitario ($Q_u$), se realiza mediante el empleo de la siguiente fórmula:
Fórmula del Gasto Unitario ($Q_u$)
$$Q_u = \frac{Q_{MH}}{\text{Longitud total del sistema}}$$
El gasto unitario se expresa en $\text{lt/seg/m}$. Para obtener el gasto por tramo ($Q_t$) en una red de tubería, es necesario multiplicar el gasto unitario por la longitud del tramo en cuestión.
6. Acumulación de Gastos por Tramos
El cálculo de acumulación se realiza sumando el gasto correspondiente a la longitud del tramo más el gasto que circula para abastecer la tubería (primaria o secundaria), obteniendo así el gasto acumulado para cada tramo.
Se comienza por los tramos adyacentes al punto de equilibrio, avanzando en sentido contrario a la dirección lógica de los escurrimientos superficiales.
7. Cálculo Tentativo de Diámetros
El cálculo del diámetro de la tubería es uno de los principales objetivos del diseño hidráulico. Es necesario considerar las siguientes recomendaciones para el cálculo tentativo de diámetros:
Recomendaciones de Diseño
- La velocidad del flujo ($V$) no debe exceder el rango de $0.60 \text{ m/seg}$ a $1.20 \text{ m/seg}$.
Tomando el valor de $V = 0.60 \text{ m/seg}$, se utilizan las siguientes dos fórmulas fundamentales:
- Área ($A$) = $(\pi \cdot D^2) / 4$
- Área ($A$) = $Q / V$
Igualando las dos ecuaciones, se obtiene la fórmula para el diámetro:
Fórmulas de Diámetro
$$D^2 = \frac{4 \cdot Q}{\pi \cdot V} \quad \text{o} \quad D = \sqrt{2.12 \cdot Q}$$
Donde:
- $Q = \text{gasto que circula por el tubo en } m^3/\text{seg}$
- $D = \text{diámetro mínimo aproximado del tubo correspondiente}$
- $V = 0.60 \text{ m/seg}$
Por norma, el diámetro mínimo a utilizar, dependiendo de las condiciones de la red, será de $4”$ (cuatro pulgadas).
8. Cálculo de las Pérdidas de Carga por Fricción
Para realizar este cálculo se utiliza la fórmula de MANNING (adaptada para tuberías a presión):
Fórmula de Pérdida de Carga ($h_f$)
$$h_f = L \cdot K \cdot Q^2$$
Donde:
- $Q = \text{gasto en } m^3/\text{seg}$
- $L = \text{longitud en } mts$
- $K = \text{coeficiente de la tubería}$
El coeficiente $K$ para tuberías de asbesto cemento (A-C) tiene valores específicos dados por el fabricante o bien se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
Fórmula del Coeficiente K
$$K = 10.293 \cdot \frac{n^2}{D^{16/3}}$$
En caso de que los fabricantes de tubería proporcionen los valores de K para los diámetros efectivos de sus productos, no será necesario efectuar estos cálculos.
En esta fórmula, el coeficiente $K$ depende de la rugosidad ($n$) y del diámetro de la tubería ($D$).
Continuación del Cálculo y Determinación de Cargas (Clase N° 5)
Continuando con el proceso de cálculo de pérdidas de carga, se aplican las siguientes ecuaciones para el ajuste de la red:
- Una vez obtenida la pérdida de carga ($h_f$), se aplica la siguiente ecuación:
Fórmula de $\Delta HR$
$$\Delta HR = \frac{h_f}{Q}$$
- Se verifica que la suma de $h_f$ (en un sentido) y $h_f$ (en el sentido opuesto) sean iguales. De no ser así, se procederá a realizar una corrida de igualación (método de Hardy Cross o similar), de la cual se obtendrá una serie de valores por medio de la aplicación de la fórmula de corrección de gasto ($\Delta Q$):
Fórmula de Corrección de Gasto ($\Delta Q$)
$$\Delta Q = \frac{\sum h_f}{2 \cdot \sum (\frac{h_f}{Q})} \quad \text{representada en } \frac{m}{m \cdot lt/seg}$$
Esta expresión se aplica tantas veces como sea necesario hasta lograr que se cumpla con la siguiente especificación de tolerancia:
Tolerancia de Suma de $h_f$
$$\sum h_f \leq 0.01 \text{ m}$$
11. Cálculo de las Cotas Piezométricas
Las cotas piezométricas se calculan a partir de la cota piezométrica del punto de alimentación de la red. Se restan las pérdidas de carga por fricción acumuladas para obtener las cotas piezométricas de cada punto del circuito. Es crucial verificar el punto de equilibrio, donde la fuerza hidráulica debe ser igual en ambos sentidos.
Fórmula de la Cota Piezométrica
$$\text{COTA PIEZO} = \text{COTA DEL TANQUE} – \text{PÉRDIDA DE CARGA ACUMULADA HASTA ESE PUNTO}$$
12. Cálculo de las Cotas del Terreno
Para obtener las cotas del terreno en los puntos clave (cruceros), se realizan interpolaciones entre las curvas de nivel más próximas.
13. Cálculo de las Cargas Disponibles
La carga disponible se define como la presión existente en un punto de la tubería. Se calcula como la diferencia entre la cota piezométrica y la cota del terreno en dicho punto.
Para iniciar el cálculo de la red, es necesario seguir los pasos anteriormente expuestos, complementados con los datos proporcionados por los estudios preliminares. El primer paso fundamental es el cálculo de los gastos.
Escurrimientos Totales (Clase N° 6)
Este paso permite obtener el valor de la acumulación de gastos en el sentido positivo (sentido de las manecillas del reloj).
Considerando que la distribución de agua a la población es por gravedad, se procede a realizar la acumulación de gastos en ambos sentidos de la red.
Cálculo de Diámetros de Tubería de Agua Potable (Clase N° 7)
Fórmula de Diámetro Alternativa
$$D = \sqrt{3.286 \cdot Q}$$