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RED DE TUBERIAS EN EPANET

Presentado por: SOFIA DUQUE OCAMPO - 1094965150

Presentado a: Ing. Gabriel Lozano Sandoval, M.Sc, Ph.D Docente encargado de la asignatura hidroinformática

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL FACULTAD DE INGENIERÍA UNIVERSIDAD DEL QUINDÍO ARMENIA 2019

HIDROINFORMATICA EPANET

INTRODUCCION Debido a la gran demanda del recurso hídrico que se ha generado en la actualidad, se ha vuelto completamente necesario el uso de herramientas de investigaciones que permitan mejorar nuestro conocimiento del movimiento y destino del agua potable y sus respectivos contribuyentes en una red de agua. Para suplir esta necesidad, uno de los programas más utilizados es EPANET, el cual permite realizar análisis hidráulicos de redes de tuberías a partir de las características físicas de las tuberías y dinámicas de los nudos (consumos) para obtener la presión y los caudales en nodos y tuberías respectivamente. Adicionalmente, EPANET permite el análisis de calidad de agua a través del cual es posible determinar el tiempo de viaje del fluido desde las fuentes (depósitos y embalses), hasta los nodos del sistema. Entre los elementos que puede simular el programa se encuentran fundamentalmente tuberías, nodos, depósitos, embalses y adicionalmente permite utilizar elementos más complejos como bombas y válvulas. En el presente trabajo se plantea un ejemplo sencillo del uso y resultados del software, para comprender mejor sus comandos y los beneficios para usarlo a futuro.

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CONTENIDO 1.

REDES DE TUBERIAS EN EPANET.................................................4 1.1. RED DE TUBERIA....................................................................4 1.2. RED DE TUBERIA EN PVC.......................................................9 1.3. RED DE TUBERIA EN PEAD...................................................12 1.4. RED DE TUBERIA EN ASBESTO CEMENTO............................15 1.5. RED DE TUBERIAS DE HIERRO FUNDIDO.............................17 2. ANALISIS DE RESULTADO...........................................................20 3. CONCLUSIONES.........................................................................21

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1. REDES DE TUBERIAS EN EPANET 1.1. RED DE TUBERIA El ejemplo que se presenta en clase, consiste en el desarrollo de una red dada por el ingeniero Gabriel Lozano, la cual consta de un tanque que abastece el sistema, ocho tuberías y seis nodos. En la imagen a continuación, puede observar un bosque del sistema que se debe realizar en el software EPANET.

Imagen 1. Esquema del ejemplo. Fuente: Ing. Gabriel Lozano.

Al entrar a EPANET, se procede a diseñar un esquema lo más parecido al mostrado en la Imagen 1. Esto se hace introduciendo inicialmente el tanque que abastece la red, con el comando “Anadir Embalse”. Después, se procede a colocar los seis nodos correspondientes, con el comando “Añadir nodo caudal”. Una vez hecho esto, se procede a terminar el diseño de la red con la Facultad de Ingeniería FACULTAD DE INGENIERIA

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colocación de las tuberías con el comando “Añadir tubería”, conectando todos los puntos introducidos anteriormente.

A continuación, se presenta una imagen, con el diseño logrado al seguir el procedimiento ya mencionado.

Imagen 2. Diseño de la red de distribucion. Fuente: EPANET.

Ya con este diseño logrado, se procede a caracterizar cada uno de los elementos de la red de distribucion. Estas caracteristicas fueron dadas en clase y son las que se presentan a continuacion, agregando ademas que la rugosidad tomada para las tuberias es de 0.15. Tabla 1. Parametros de diseño de las tuberias. Longit Diametro Rugosid Tuberia ud (mm) ad 1

1000

356

0.15

2

500

254

0.15

3

500

153

0.15

4

500

254

0.15

5

500

153

0.15 Facultad de Ingeniería

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6

500

102

0.15

7

500

204

0.15

500

204

0.15

8

Fuente: Ing. Gabriel Lozano

Tabla 2. Parametros de diseño de los nodos y en tanque. Nodo 1 2 3 4 5 6 TANQU E

Qd(L/s) 20 30 20 30 30 70

Cota 35 30 25 30 25 20

200

50

Fuente: Ing. Gabriel Lozano

Ya con el diseño y las características del sistema se procede a correr el programa, para así ver su comportamiento y analizar la funcionalidad de la red de distribución, obteniendo los siguientes resultados.

Imagen 3. Red de distribucion Fuente. Epanet. Facultad de Ingeniería FACULTAD DE INGENIERIA

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La siguiente tabla, presenta los valores de las presiones en los nodos y el tanque que se obtienen una vez corrido el programa. Según la norma RAS, las presiones en los nodos son aceptables, siempre y cuando no sean menores a 10 m.c.a y así cumplir con los criterios exigidos.

Tabla 3. Datos caracteristicos de los nodos.

Fuente: Epanet.

Como se pudo apreciar en la tabla, ninguna de las presiones se encuentra en los parametros recomendados, por lo tanto, se requiere cambiar el diseño o los diametros de las tuberias. La grafica a continuacion, es una representacion del comportamiento de las presion en los nodos

Grafica 1. Distribucion de presion en los nodos Fuente. Epanet.

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Una vez establecido el comportamiento de los nodos, se procede a realizar el respectivo análisis en las tuberías, para las cuales se debe tener en cuenta el tipo de material. Para este primer caso, se evaluará el comportamiento de la velocidad, dependiendo de los valores arrojados, sin tener en cuenta el material.

Tabla 4. Datos caracteristicos de las tuberias.

Fuente: Epanet.

Como se puede apreciar en la Tabla 4, las velocidades que se presentan en las tuberias, en general son bajas y casi las mismas, siendo la mayor la velocidad de la tuberia 1, lo cual puede ser debido a que es la mas larga y tiene una pendiente mayor. Según la norma RAS título d, la velocidad mínima como criterio de diseño permitida en el colector es 0,75 m/s y la máxima es de 10m/s. Para este caso, ambos criterios se cumplen. En las graficas que se muestran a continuacion se puede apreciar el comportamiento de las velocidades y las perdidas unitarias de energia.

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Grafica 2. Distribucion de velocidades en las tuberias. Fuente. Epanet.

Grafica 3. Distribucion de perdidas. Fuente. Epanet.

1.2. RED DE TUBERIA EN PVC Las tuberías en PVC provienen del policloruro de vinilo, que es un polímero termoplástico, lo cual implica que a temperatura ambiente los materiales presentan características más rígidas que cuando la temperatura es aumentada. Entre sus características principales se encuentra su gran resistencia a todo lo que sea eléctrico, así como también al fuego. Entre los puntos a favor de las tuberías PVC se encuentra su capacidad para hacer fluir fácilmente los deshechos que normalmente se arrojan. Esto se debe a que los tubos y las conexiones que se dan entre ellos tienen una superficie bastante lisa, lo cual a su vez impide por completo que se produzcan obstrucciones o atascamientos. Otra de las ventajas de las tuberías PVC es su peso ligero y sus distintas longitudes.

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Teniendo en cuenta esto, se procede a realizar el mismo diseño de red de tuberías hecho anteriormente con la diferencia de que en este caso, van a ser tuberías de PVC, lo que significa que su rugosidad va a cambiar de 0.15, el cual era el que se tenía, a 0.0015mm. A continuación, se muestra el esquema de la red de tuberías en PVC.

Imagen 4. Red de distribucion de tuberia en PVC. Fuente: Epanet.

Ya con el programa corriendo, se realiza el mismo análisis que se hizo en el primer diseño, obteniendo lo siguiente: Tabla 5. Datos caracteristicos de los nodos.

Fuente: Epanet.

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Grafica 4. Distribucion de presion en los nodos Fuente: Epanet.

Según lo establecido al inicio, las presiones no deben ser menores a 10 m.c.a, pero al igual que el ejemplo anterior, las presiones no cumplen, por lo tanto, se sugiere un rediseño de la red o cambio de diametros para generar un aumento de las presiones. Tabla 6. Datos caracteristicos de las tuberias.

Fuente: Epanet.

Grafica 5. Distribucion de velocidades en la tuberias. Fuente: Epanet.

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Grafica 6. Distribucion de perdidas. Fuente: Epanet.

Las velocidades se encuentran entre los parámetros establecidos por la norma RAS, además de que se puede apreciar que estas no son muy distintas a las presentadas en el ejemplo inicial. 1.3. RED DE TUBERIA EN PEAD El polietileno de alta densidad es el polímero sintético de mayor producción en el mundo. Tiene la característica de ser incoloro, inodoro, no ser tóxico y se obtiene a baja presión. Las tuberías de polietileno se emplean en instalaciones de riego en tuberías primarias, como secundarias y terciarias. Se fabrican a partir de polietileno, que es un material que se obtiene del etileno mediante procesos de polimerización. El empleo de tuberías de polietileno está muy difundido, debido a las ventajas que presenta con respecto a otro tipo de tuberías, entre las que podemos destacar su ligereza, flexibilidad, resistencia al paso del tiempo y a la formación de incrustaciones, así como la posibilidad de instalación a la intemperie. Como contrapartida, el precio de las tuberías de polietileno suele ser mayor que el de las tuberías de PVC para los mismos diámetros y presiones de funcionamiento. Ahora, se procede a realizar el mismo diseño de red de tuberías con la diferencia de que en este caso, van a ser tuberías en PEAD, lo que significa que su rugosidad va a ser de 0.01mm. A continuación, se presenta lo obtenido gracias a EPANET.

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Imagen 5. Red de distribucion de tuberia en PEAD. Fuente: Epanet.

Lo primero a analizar, van a ser los nodos y sus respectivas presiones. Tabla 6. Datos caracteristicos de los nodos.

Fuente: Epanet.

Grafica 7. Distribucion de presion en los nodos. Fuente: Epanet.

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Al igual que el ejemplo anterior, las presiones no cumplen, por lo tanto, se sugiere un rediseño de la red o cambio de diametros para generar un aumento de las presiones. A continuacion, se hace el respectivo analisis en las tuberias. Tabla 6. Datos caracteristicos de las tuberias.

Fuente: Epanet.

Las velocidades se encuentran entre los parámetros establecidos por la norma RAS, además de que se puede apreciar que estas son las mismas presentadas en el ejemplo realizado con las tuberías de PVC.

Grafica 8. Distribucion de velocidades. Fuente: Epanet.

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Grafica 9. Distribucion de perdidas. Fuente: Epanet.

1.4. RED DE TUBERIA EN ASBESTO CEMENTO El asbesto se conforma por un grupo de minerales que se da naturalmente en forma de conjunto de fibras. Estas fibras se encuentran en el suelo y las rocas en muchas partes del mundo. Están hechas principalmente de silicio y oxígeno, aunque también contienen otros elementos. La tubería A.C.P. se fabrica por enrollado a presión de una mezcla de asbesto y cemento portland en capas múltiples, siendo sometidas a fraguado mediante procesos especiales. La tubería presenta interiormente una superficie muy lisa, lo cual permite usar coeficientes de rugosidad menores y consecuentemente mayor capacidad de transporte. Por otra parte, es un material inerte a la corrosión, lo cual resulta ventajoso respecto a las otras clases de tuberías mencionadas. Acerca de los riesgos para la salud como resultado de la presencia de asbesto en el agua potable, los resultados después de varios años de investigación con animales de laboratorio a los cuales se les administró, a lo largo de toda la vida una gran cantidad de asbesto (varios miles de millones de fibras de asbesto por día) que se les incorporó a la dieta, de manera consistente no demostró tener un incremento en la incidencia de tumores gastrointestinales, o en cualquier otro cambio patológico en la vía gastrointestinal. Ahora, se procede a realizar el mismo diseño de red de tuberías que se ha venido haciendo, con la diferencia de que, en este caso, van a ser tuberías asbesto de cemento, lo que significa que su rugosidad

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va a ser de 0.011mm. A continuación, se presenta lo obtenido gracias a EPANET.

Imagen 6. Red de distribucion de tuberia en asbesto de cemento. Fuente: Epanet.

A continuacion, se hace el respectivo analisis en las tuberias. Tabla 8. Datos caracteristicos de los nodos.

Fuente: Epanet.

Grafica 10. Distribucion de presion en los nodos. Fuente: Epanet. Facultad de Ingeniería FACULTAD DE INGENIERIA

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Al igual que el ejemplo anterior, las presiones no cumplen, por lo tanto, se sugiere un rediseño de la red o cambio de diametros para generar un aumento de las presiones. A continuacion, se hace el respectivo analisis en las tuberias. Tabla 9. Datos caracteristicos de las tuberias.

Fuente: Epanet.

Grafica 11. Distribucion de velocidades en las tuberias. Fuente: Epanet.

Grafica 12. Distribucion de perdidas. Fuente: Epanet.

Las velocidades se encuentran entre los parámetros establecidos por la norma RAS, además de que se puede apreciar que estas son Facultad de Ingeniería FACULTAD DE INGENIERIA

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las mismas presentadas en el ejemplo realizado con las tuberías de PVC y PEAD. 1.5. RED DE TUBERIAS DE HIERRO FUNDIDO La tubería de hierro fundido es fabricada mediante la fundición de lingotes de hierro, carbón cocke y piedra caliza. La presencia de láminas de grafito en la tubería le da cierta resistencia a la oxidación y a la corrosión, pero, asimismo, la hace frágil. Es un material de gran durabilidad bajo condiciones de instalación apropiadas. Su condición de material frágil limita su utilización, principalmente en redes de distribución, donde la colocación de tuberías en zanjas es indispensable. Como último ejemplo, se realiza el mismo diseño de red de tuberías que se ha venido haciendo, pero en este caso, van a ser tuberías hierro fundido, lo que significa que su rugosidad va a ser de 0.13mm. A continuación, se presenta lo obtenido gracias a EPANET.

Imagen 7. Red de distribucion de tuberia en hierro fundido. Fuente: Epanet.

A continuacion, se hace el respectivo analisis en las tuberias. Tabla 9. Datos caracteristicos de los nodos.

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Fuente: Epanet.

Grafica 13. Distribucion de presion en los nodos. Fuente: Epanet.

Al igual que en los casos anteriores, las presiones no cumplen, por lo tanto, se sugiere un rediseño de la red o cambio de diametros para generar un aumento de las presiones. Cabe agregar que en este caso, las presiones disminuyeron considerablemnte. A continuacion, se hace el respectivo analisis en las tuberias. Tabla 9. Datos caracteristicos de los nodos.

Fuente: Epanet.

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Grafica 14. Distribucion de velocidades en las tuberias. Fuente: Epanet.

Grafica 15. Distribucion de perdidas. Fuente: Epanet.

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2. ANALISIS DE RESULTADO La velocidad de un fluido a través de una tubería es algo que se debe analizar pues si esta es demasiado alta se presentan problemas de desgaste de las paredes por fricción la cual puede destruir la película de inhibidor que en algunos casos protege la pared de la tubería dejándola expuesta a la corrosión o si la fricción es muy alta se puede presentar desgaste de la tubería por abrasión ; por otra parte si la velocidad es demasiado baja se pueden presentar problemas de depositacion de sólidos y esto reduce el tamaño de la tubería. Para todos los casos que se analizaron, las velocidades obtenidas gracias a EPANET están entre los rangos establecidos por la norma RAS, lo por que no va haber problemas de desgaste del material o de solidos estancados, por lo tanto, si este fuera el único factor a analizar, la red de tuberías no requeriría cambio en ninguno de los casos establecidos. Según lo establecido en la norma, la presión estática no será mayor de 50 m.c.a en cualquier punto de la red. En condiciones de demanda máxima horaria, la presión de debe ser menor de 10 m.c.a. Con respecto a lo anterior, en todos los casos, estas fueron bajas, aunque en algunos más que otros, especialmente en los que la rugosidad era más alta. Para la solución de este tipo de problemas es recomendable cambiar los diámetros hasta tener las presiones deseadas y con las cuales el sistema de red de tuberías funciones eficientemente. Cabe agregar que las tuberías de PVC y PEAD presentaron valores de presiones y velocidades casi iguales, porque en términos de uso, ambos son opciones viables si se desean estos resultados, aunque en términos económicos, las tuberías PEAD son más costosas.

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3. CONCLUSIONES 

Con los resultados del análisis hidráulico con EPANET, los constructores y urbanizadores pueden trazar y diseñar mejor la red de distribución de agua potable en un área su abastecimiento en tiempo y forma en zonas urbanas y áreas rurales, así como su disponibilidad.



El EPANET, ofrece un prediseño, que pueden contraponerse con la norma RAS en función de las características y mediciones planteadas con el esquema establecido. Todo ello, con vista a garantizar el suministro y consumo de agua potable en forma efectiva; así como contribuir al desarrollo de actividades humanas de primer orden en un área específica, cumpliendo con todas las especificaciones que se establecen en la norma.



En los trabajos de ingeniería que se realicen en el sitio, pueden irse actualizando los datos y planos elaborados con el EPANET, a fin de ofrecer un mejor seguimiento y monitoreo de las variables hidráulicas evaluadas (altura y velocidades de los flujos de agua; orientación y dirección del agua; características del sistema de tuberías; condiciones del terreno, y otros). Permitiendo medir y evaluar, por ejemplo, la calidad química de aguas de consumo, y a su vez, se abona a la salud pública y problemas sanitarios que se generen de la falta de sistema de alcantarillado, o sobresaturación de los mismos.



Con los resultados del EPANET, los constructores y urbanizadores pueden diseñar y evaluar el sistema de tuberías de alcantarillados más óptimo y viable previo a ejecutar los trabajos de ingeniería.

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