Trabajo Final Hidraulica Conclusiones
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METODO DE HARDY CROSS
HIDRAULICA DE
TUBERIAS
MIGUEL FELIPE POVEDA CASTAÑO
INGENIERIA CIVIL
V SEMESTRE
CORPORACION UNIVERSITARIA MINUTO DE DIOS
ZIPAQUIRA
2011
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MEJORAMINETO DE PROBLEMA PROPUESTO
Dentro del estudio de la hidráulica de los conductos forzados o funcionando
bajo presión, uno de los temas más interesantes se refiere al análisis del
balance hidráulico y determinación de presiones en las redes abiertas y
cerradas de tuberías. El problema adquiere mayor relevancia cuando se
adicionan algunos condicionamientos como los que se refieren al costo de las
tuberías y su minimización, lo cual comprende aspectos de optimización;
siempre que sea posible este será la meta que buscará el ingeniero en el
desempeño de sus actividades profesionales.
No obstante de la existencia de diferentes procedimientos de cálculo y
programas computacionales al presente, la mayoría se restringen al cálculo de
caudales y pérdidas de carga en los tramos en redes hidráulicas, así como la
determinación de cotas piezométricas y presiones disponibles en los nudos.
La tendencia actual es la de utilizar métodos que permitan optimizar el costo de
la redes hidráulicas, que a su vez implica la utilización de diámetros mínimos.
Generalmente, al realizar el balance hidráulico y la determinación de los
diámetros óptimos, éstos últimos dan resultados que no siempre se aproximan
a los diámetros comerciales disponibles. Esta dificultad es superada tomando
en consideración la sustitución de la tubería de diámetro no comercial de
longitud “L”y diámetro no comercial “D”, por dos tuberías de diámetros
comerciales, dispuestas en serie, de longitudes “L1” y “L2” y diámetros “D1” y“D2”, pero, que cumplirán la condición: L = L1 + L2
Además, debe tomarse en cuenta que “una tubería puede ser reemplazada por
otras dos tuberías dispuestas en serie, si éstas tuberías conducen el mismo
caudal con la misma pérdida de carga (que resulta ser la suma de las pérdidas
de carga provocada por ambas tuberías) que la primera”.
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Métodos de Resolución:
El estudio del diseño de redes hidráulicas, agrupa los diferentes métodos así:
a) Métodos de Verificación
b) Métodos de Diseño o Dimensionamiento
a) En este grupo se consideran los métodos de Hardy Cross, Matricial, Newton
Rapasen, etc. Dichos métodos solo sirven para verificar, si los diámetros
adoptados dan lugar a caudales y presiones razonables, sin contemplar
aspectos económicos como el costo de las tuberías.
b) Aquí, los métodos incluidos se caracterizan por estudiar diseños con algún
criterio económico y a través de ciertas condiciones en cada malla o anillo de la
red permiten hallar los diámetros de los diferentes tramos. Entre estos métodos
se citan a: recosido simulado, algoritmos genéticos, heurísticos y de
programación dinámica.
Es evidente que a través del tiempo, los diferentes investigadores han
formulado diferentes hipótesis y métodos que consideran un cierto criterio
económico, pero que no presentan una base matemática sólida de respaldo,
que asegure que el diseño realizado sea el óptimo.
Antes de la era computacional actual, el cálculo de redes daba lugar a tareas
prolongadas y reiterativas, limitando considerablemente las posibilidades de
evaluar y confrontar diferentes alternativas. Esta limitación era más notoria en
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el caso de grandes redes, que requieren imperativamente un diseño óptimo,
por la gran influencia en el costo del sistema.
En la actualidad, dado el uso generalizado de los equipos de computación, las
dificultades que representaban anteriormente: la resolución de sistemas de
ecuaciones, los procesos iterativos y otros tipos de cálculo engorrosos, han
sido superados ampliamente, por lo cual muchos métodos que implicaban
muchas operaciones en el pasado, ahora se resuelven planteando modelos
matemáticos complementados con programas computacionales, que
simplifican el análisis y la evaluación de diferentes alternativas.
Es imprescindible el estudio de nuevos métodos de optimización para el cálculo
de redes hidráulicas, no solo por lograr bajar los costos en la construcción de
sistemas de agua potable, sino porque es un deber de quienes logran alguna
formación académica contribuir con algún aporte en el desarrollo de la ciencia,
como una retribución por el beneficio recibido en su profesionalización.
LAS TUBERÍAS DE ACUEDUCTO
Las tuberías instaladas en las redes de acueducto de las ciudades y municipiosdel país están fabricadas en materiales diversos como asbesto-cemento,
concreto-acero, hierro, acero, cobre y plástico.
Para identificar y clasificar la tubería se deben tener en cuenta las
características de cada una de ellas, pues están relacionadas con las funciones
que cumplen en la red de acueducto.
La correcta selección de la tubería garantiza la calidad de la instalación y su
reparación.
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Características principales a considerar:
- Material
- Longitud de cada tubo
- Diámetros ( ø ) en pulgadas (“)(1) comerciales
- Relación entre el diámetro exterior y el espesor (RDE)
- Presión de trabajo
Requerimientos para la selección de las tuberías de acueducto:
- Caudal a transportar
- Resistencia a la presión interna
- Resistencia a las cargas externas
- Facilidad de mantenimiento
- Resistencia a la corrosión y a la oxidación
- Resistencia a las incrustaciones
- Resistencia a las corrientes eléctricas erráticas
- Vida útil y costos
- Estanqueidad
En el cuadro siguiente
encontrará un resumen de las
tuberías con algunas de las
características comerciales
como los diámetros usuales en
pulgadas, longitud en metros y
algunas propiedades según los
materiales de su fabricación.
Léalo y analícelo. Pero
devuélvase a este cuadro
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cuantas veces necesite, especialmente cuando estudie otros aspectos de la
tubería de acueducto.
(1) ø Símbolo empleado para indicar diámetro
( “) Significa pulgadas
Clases de tuberías según el material, diámetro y longitudes
(Presentación comercial usual)
Clases de tuberías según el material, diámetro y longitudes (Presentación
comercial usual)
Tipos de tubería según el
material
Diámetro en pulgadas Longitud en metros
Asbesto-cemento o AC 2,3,4,6,8,10,12, 14, 16, 18, 20,
24, 28.
4
Cloruro de polivinilo o PVC 1/2, 3/4, 1, 1i/4, 2, 21/2, 3, 4, 6,
8, 10, 12.
6
Plástico flexible PF + UAD 1/2, 3/4. Rollo 90Cobre 3/8, 1/2, 3/4, 1,11/4,11/2, 2 Rollo 90 o más
Cilindro de Acero y Concreto
ACCP
10 en adelante sobre pedido
hasta 78
5y10
Hierro acerado o lámina de
acero H.A
1i/a, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12. En
adelante sobre pedido
5y10
Hierro fundido H.F 3, 4, 6,8,10, 12, 14, 18, 24, 30, 6
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36.
Hierro Dúctil - H.D 4,6,8,10, 12, etc. 6y12
Hierro Galvanizado H.G 1/8, 1/4, 3/8, 1/2, 1i/2, 3/4, 1,
1i/4, 2, 2i/z, 3,4, 6,8, 10, y 12.
6
Polietileno de alta densidad 1/2 a 8. 100
Fibra de vidrio 10 en adelante (Importación) 6
TUBERÍAS MÁS USADAS Y CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES
Tuberías de asbesto cemento o fibra-cemento a.c.
Esta tubería se utilizó masivamente en Colombia entre 1945 y 1975 en las
redes de acueducto, pues se fabrican en gran variedad de diámetros.
En Colombia se producen hoy en día para tres usos:
- Para redes de acueducto
- Para alcantarillado
- Para ductos telefónicos
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Características de la tubería de Asbesto-Cemento A.C. para acueductos a
presión.
La unión de estos dos materiales, asbesto y cemento, produce una tubería con
las siguientes características:
· Presenta una superficie interior lisa que facilita el paso del agua
· Es inmune a la oxidación metálica pero presenta acartonamiento( ), en
terrenos agresivos, es decir con alto contenido de sulfatos (suelos ácidos).
· Se Han encontrado adherencias internas considerables ocasionadas por
residuos Del sulfato de aluminio utilizado Como coagulante.
· Presenta buen comportamiento ante el golpe de ariete
· Presenta buen comportamiento en casos de movimientos sísmicos
· Es totalmente inmune a las Corrientes eléctricas erráticas. Por no ser
conductor es inmune a la perforación de las paredes del tubo por esta causa.
· Su manejo y la instalación requieren cuidado por ser una tubería frágil a los
golpes o caídas.
El costo del transporte es menor que el de las tuberías metálicas por ser más
livianas.
Clases de tuberías de asbesto-cemento,
según la presión de prueba y la presión de
trabajo
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Tubo
clase
Color de la banda
de identificación
Presión de
prueba (kg/cmz)
Presión de
trabajo
(kg/cma)
10 AZUL 10 5.0
15 ANARANJADO 15 7.5
20 ROJO 20 10.0
25 VERDE 25 12.5
30 NEGRO 30 15.0
Para su compresión debemos aclarar los siguientes conceptos:
Presión de
trabajo
Es la presión de diseño; es decir, la presión
máxima que calcularon los ingenieros cuando
diseñaron el acueducto en una zona específica de
éste: conducción, distribución, impulsión. (Incluye
sobrepresión por golpe de ariete).
Presión de
prueba
Está determinada por el fabricante y generalmente
es el doble de la presión de servicio del
acueducto, o sea de la presión de trabajo.
Presión de
rotura
Es la presión máxima en la cual se rompe el tubo
La unión normal para instalación de tubería es la Etermatic. La unión de
reparación recomendada es la Gibault (También se utiliza Etermatic sin caucho
central).
Rotulamiento
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La Tubería de Asbesto-Cemento viene rotulada con una o dos bandas de color
que identifican su clase, la fecha y el lote de producción. Tales aspectos se
deben tener en cuenta al inspeccionar las tuberías antes de llevarlas a la obra.
Igual ocurre con todas las tuberías para acueducto que venimos estudiando.
Hace algunos años los fabricantes cambiaron (disminuyeron) los espesores de
las tuberías de j 8” en adelante disminuyendo el diámetro exterior, por lo cual
se debe verificar si la tubería y uniones requeridas para una reparación son las
adecuadas. La tabla antigua tiene una sola banda y la tabla nueva dos bandas.
Transporte
En lo posible, estas tuberías deber ser transportadas en camiones con
barandas que permitan el cargue y descargue lateral.
Deben ir sobre plataformas de tal manera que los tubos se puedan colocar
uniformemente, sin que sobresalgan más de un cuarto de su longitud.
En lo posible no se deben usar volquetes, así sea para viajes cortos. Por
ningún motivo utilice el volteo de estos vehículos para descargar la tuberíadirectamente al suelo.
Se recomienda descargar las tuberías tan cerca de la zanja como sea posible,
colocándola del lado opuesto donde va a depositar la tierra excavada, en caso
de que la zanja no esté abierta.
Almacenamiento
Conviene que el piso esté nivelado.
Se pueden sobreponer, sin que los montones sean muy altos. Almacene la
tubería donde no vaya a sufrir golpes, la tropiecen o se ruede. Al hacerlo
manéjela con cuidado y siga las instrucciones contenidas en la cartilla guía que
suministra el proveedor.
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MODO DE DESCARGA
Clases Color
CONCLUSIONES
Al tomar en cuenta todas las variables a la hora de diseñar una red de
alcantarillado en el ejercicio propuesto se hizo:
– Se mantuvieron los caudales iniciales y se supuso que estos eran
requerimientos inamovibles en el diseño a realizar.
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– Al calcular la presión requerida mínima en c/u de los puntos como de
1.5 kg/cm2 se optó por que esta fuera la presión en el diseño de la red.
– Teniendo en cuenta la longitud de cada uno de los tramos de la tubería y
que esta bajo tierra soportando cargas se optó por una tubería de
ASBESTO-CEMENTO CLASE 10 PORTLAND 5 KG /CM2 gracias a su
resistencia a la compresión además por la facilidad de instalación y
mantenimiento.
– La característica lisa de la parte interna de la tubería la hace óptima para
el transporte de agua fría.
– Debido a que soporta el 5 kg/cm2 de presión de fuerza es óptima
porque en el diseño se busca que resista mínimo el doble de la presión
requerida en obra.
– Es resistente al golpe de ariete
– Presenta buen comportamiento en casos de movimientos sísmicos
debido a la amenaza intermedia de la zona (Zipaquirá)
– Es inmune a las corrientes eléctricas erráticas que se presentan debido
a la longitud de tramos que se requieren.