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Diseño de tubería a conducción
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26/06/2015
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Transporte de agua:
Flujo libre (agua cruda) Aducción
Presión (agua tratada) Conducción
CONDUCCION (PT -- Tanque de almacenamiento)
Se debe tener en cuenta la posición del trazado de la tubería
en relación a la línea piezométrica.
Texto para estudio: Elementos
de diseño para Acueductos por
Ricardo López Cualla
CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
a) Tubería por debajo de la línea piezométrica
Posición óptima de la tubería.
Limpieza en puntos bajos (evacuar sedimentos)
Ventosas: expulsión de aire acumulado
Ptubo > Patm
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
b) Lámina coincidente con la línea piezométrica
Tubería que fluye a tubo lleno o parcialmente lleno (orificio en
parte superior del tubo no provoca salida de agua)
No tiene problemas desde el punto de vista hidráulico
Diseño Aducción, canales de riego
CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
c) Tubería por encima de la línea piezométrica
P efectiva negativa entre A y B (bolsas de aire).
P entre A y B < Patm. Caudal disminuye. No se pueden
instalar ventosas.
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
d) Tubería por encima del plano piezométrico - estático
Tubería por encima del PPE y por debajo de este mas la
presión atmosférica total, se constituye un sifón (condiciones
precarias)
requiere equipo necesario para cebar el sifón cada vez que
entre aire en la tubería.
CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
e) Tubería por encima del plano estático de presión absoluta
Imposible flujo por gravedad, requiere bombeo
requiere equipo necesario para cebar el sifón cada vez que
entre aire en la tubería.
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
CRITERIOS DE DISEÑO:
• Carga estática disponible (dif de niveles)
• Capacidad para transportar el QMD
• Diámetros económicos (capacidad de transporte, presiones
iguales o menores que la Ptrabajo)
• Material de tubería (soporte Phidrostáticas)
• Estructuras complementarias necesarias (ventosas, purgas,
cámaras rompe presiones)
CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
CARACTERISTICAS FISICAS Y ACCESORIOS DE LA
CONDUCCION FORZADA:
Trazado y Profundidad
• En lo posible terrenos de propiedad pública, en terrenos
privados establecer servidumbre
• Analizar alternativas de trazado optimización (longitud,
diámetro, accesorios y condiciones del suelo)
• Evitar zonas de deslizamiento, inundaciones o de alto N.F.
• Tubería enterrada a una distancia mínima de 0.6 m, y en
terrenos con altas cargas mínimo 1m.
• Línea piezométrica por encima de la tubería, a 2m mínimo
entre esta y la clave (cota sup. de tubo)
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
CARACTERISTICAS FISICAS Y ACCESORIOS DE LA
CONDUCCION FORZADA:
Válvulas de purga
• Válvulas instaladas lateralmente en todos los puntos bajos
para impedir obstrucción, facilitar limpieza. (1/4 de D)
CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
ACCESORIOS DE LA CONDUCCION FORZADA:
Ventosas
• Válvulas de expulsión o admisión de aire, funcionamiento
automático, en puntos altos, siempre que la P en dicho punto
sea < que la Patm.
• Expeler el aire durante su
llenado
• Expulsar el aire q se
acumula en los puntos
altos
• Admitir aire en el caso de
operación de válvula de
purga, (puede crear
presiones negativas en la
tubería)
• Entre 1/12 y 1/8 de D
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
ACCESORIOS DE LA CONDUCCION FORZADA:
Válvulas de control o de corte
• Se debe colocar al inicio y al final de la conducción, en un
d=D.
En acueductos de gran
D, se colocarán válvulas
intermedias, espaciados
como máximo cada 1000
m
Se construyen para resistir diferentes
presiones de trabajo. Existen varias
clases de tuberías, de acuerdo a las
especificaciones de construcción.
Presión máxima de trabajo, Diámetro
comercial, etc
Tipos y Materiales de las Tuberías
a presión:
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Materiales de las Tuberías a presión:
• Hierro: HF o HD
Muy durable y puede tener una vida útil de 100 años. Es
susceptible a la tuberculización (incrustaciones de óxido),
reducen la sección hidráulica, incrementan la rugosidad.
CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Materiales de las Tuberías forzadas:
• Acero:
Soporta altas presiones de trabajo, liviano, vida útil de 50
años. Es atacada externamente por suelos ácidos o alcalinos,
es susceptible a la tuberculización (incrustaciones de óxido),
reducen la sección hidráulica, incrementan la rugosidad.
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Materiales de las Tuberías forzadas:
• Concreto:
Sin refuerzo de acero para presiones bajas, por lo general
refuerzo de varillas o cilindro de acero revestido interna y
externamente con mortero, vida útil de 75 años. Gran
resistencia a cargas externas y presión interna. Susceptible
al deterioro por suelos ácidos
CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Materiales de las Tuberías forzadas:
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Materiales de las Tuberías forzadas:
• Plástico (PVC; GRP; PE):
Son fabricadas en materiales sólidos o fibras reforzadas,
polivilino de cloruro (PVC), poliéster reforzado con fibra de
vidrio (GRP) o polietileno de alta densidad (PE,). Son
livianas, fácil manejo, resistentes a la corrosión, baja
rugosidad relativa, se acomoda al terreno, gran resistencia a
cargas externas.
CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Materiales de las Tuberías forzadas:
Características de tubos de PVC (tipo biax)
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Modificación del trazado
Cambiar el alineamiento
horizontal de la tubería,
longitud de tubería mucho
mayor, costos altos.
Cambiar clase de tubería
(material), en caso de
requerir presiones altas.
Construcción de cámaras
de presión
Modifica la línea
piezométrica, presión igual
a la atmosférica, reducir
presión en puntos críticos
CAMARAS ROMPE PRESION
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Especificaciones de diseño de la Línea de Conducción.
Período y caudal de diseño
Presión de diseño
Pdiseño < Ptrabajo de la tubería
Pdiseño = 1,3 x máx( P estática, P golpe de ariete)
Estática máxima x 1,3 (factor de seguridad),
Sobrepresión por golpe de ariete no sobrepase la presión
estática máxima
CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Especificaciones de diseño de la Línea de Conducción.
Velocidades mínima y máxima
Vmín = 0,6 m/s.
Vmáx= depende material de la tubería, en general se
recomienda máx 6 m/s (verificar con sobrepresión de golpe
de ariete)
Revisar Numeral 5.2.4 pag 110 a 120
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Especificaciones de diseño de la Línea de Conducción.
Diámetro mínimo de la tubería
Anclajes o muertos
En los cambios de alineación de tubería (h o v), se generarán
esfuerzos que deben ser absorbidos por los anclajes, (h
ciclópeo o armado).
CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Dimensiones de las Zanjas
Hmín = 0,6 -1.0 m
Hierro F = 0,6 m
PVC= 0,8 m
Dependerá de la carga
esperada
Ancho de zanja=D + 0,3 (0,5)m
B< 1,5 D
Tubería debe asentarse sobre
material de relleno (arena,
grava), exento de materia
orgánica
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CAPITULO 8. TRANSPORTE DE AGUA CONDUCCIONES
Diseño hidráulico de tubería. Ecuación de Darcy-Weisbach
Modelo matemático desarrollado por los Ings. Henry Darcy y
Julius Weisbach, a finales de los 20, basado en desarrollo
matemático de la física clásica, el que mejor describe, la
perdida de energía en una tubería, lo complementan
Reynolds y otros
f depende de Re y de la rugosidad
relativa (ks/D)
ks es rugosidad absoluta y
depende del material. Re está en
función de la viscosidad
cinemática v= m/r
Diseño hidráulico de tubería. Ecuación de Darcy-Weisbach
Se recurre al
Gráfico de Moody
Flujo Laminar Re<2000;
f = 64/Re
Flujo Turbulento
Re>4000;
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DIAGRAMA DE MOODY
EJERCICIO
Una tubería de 13 km de longitud conduce 0,3 m3/s de agua
a una planta hidroeléctrica, el diámetro del tubo es de 14
pul, su rugosidad relativa es de 0.0004. calcúlese la pérdida
de carga a una temperatura de 30oC
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Ecuación de Hazen Williams
Ecuación de fácil utilización
Q = 0,2785 C D2,63J0,54
Ecuación de Hazen Williams
Pérdida de carga, J
Se busca igualar la
pérdida de carga total
con el desnivel máximo
que ofrece el terreno,
con el fin de que D mas
pequeño, por lo tanto
más económico.
J = N1 - _N2
L1+L2+L3
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Ecuación de Hazen Williams
Pérdidas de carga localizadas
Estas pérdidas corresponden a los
accesorios: entrada, salida, válvulas
y codos.
hf = k V12 (entrada, salida, válvulas)
2g
hf = 0,25 V2 f (cambio de dirección) 2g 90
La suma de todas las pérdidas locales
debe restarse a la perdida de carga
disponible por nivel (H)
Ecuación de Hazen Williams
Golpe de Ariete
Efecto de choque violento o
sobrepresión súbita producida sobre las
paredes del conducto a presión, al
modificarse de manera instantánea el
movimiento del fluido (cierre repentino
de válvula)
Lámina contigua a la válvula se
comprime y convierte su energía de
velocidad en energía de presión, causa
dilatación de tubería y dilatación
elástica de la lámina, y así aguas
arriba.
La onda de sobrepresión en la última
lámina, tiende a salir de la tubería con una
con una V, igual pero en sentido contrario (-
V), extremidad inferior cerrada, produce una
depresión interna de las láminas y genera
una onda de sobrepresión aguas abajo
www.youtube.com/watch?v=cmaBA1Phyll
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Ecuación de Hazen Williams
Golpe de Ariete
Ecuación de Hazen Williams
Golpe de Ariete
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Medidas para evitar el golpe de
ariete Limitación de la velocidad en las tuberías.
Cierre lento de válvulas y registros,
construcción de piezas que no permitan
la obstrucción muy rápida.
Empleo de válvulas y dispositivos
mecánicos especiales, válvulas de alivio.
Utilización de tuberías que puedan
soportar sobrepresiones ocasionadas por
el golpe de ariete.
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Combinación de tuberías
Perfil de combinación de tuberia
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TALLER
Determinar el diámetro de la tubería de PVC que conduce
un caudal de diseño, siendo que la población es de 58000
hab, con una tasa de crecimiento de 1,5% y dotación de 150
l/hab, desde un tanque desarenador hasta el tanque de
almacenamiento con una longitud de 750 m. El nivel de
agua en el desarenador es 92,5 y la cota de descarga en el
almacenamiento es de 74. Determine la cota piezométrica
final.
Problema
Determinar el diámetro de la tubería de acero que conduce
un caudal máximo diario de 350 l/s desde el tanque
desarenador hasta el tanque de almacenamiento con una
longitud de 1500 m. En la abscisa 1200 se tiene una cota de
imber de la tubería de 66,5. Se ha previsto una válvula
intermedia en la abscisa 800 a la cota 81. El nivel de agua
en el desarenador es 98 y la cota de descarga en el
almacenamiento es de 69.
Tomando en consideración los accesorios a colocar, calcular
la perdida de carga y determinar si el diámetro de la tubería
cambia por las perdidas adicionales por los accesorios.
Determine el Golpe de ariete y compruebe la presión de
trabajo para la tubería escogida.