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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas

¿Qué es WaterCAD? WaterCAD es una herramienta para diseño y análisis de sistemas complejos de conductos forzados. Su interfaz gráfica facilita el modelamiento de redes, incluyendo accesorios típicos de una red. Puede usar WaterCAD para:   

 

 

Ejecutar un análisis de sistemas de distribución de agua compuestas por tubos, bombas, tanques, válvulas de control y otros. Simulación para analizar el comportamiento del sistema cuando varié la demanda. Simulación para determinar la calidad del agua tomando en cuenta las fuentes de agua, permanencia del agua en la red, persistencia de elementos químicos de desinfección a lo largo de la red. Análisis de flujo contra incendios en la red, para determinar el comportamiento del sistema en condiciones de emergencia. Analizar diversas alternativas, considerando diversos escenarios (¿Qué pasaría si..?), en los que se tome en cuenta consideraciones hidráulicas, propiedades físicas de los materiales, condiciones de operación, condiciones iniciales, flujo contra incendios, costos, alternativas de calidad de agua, entre otras, mediante un Administrador de Escenarios, que permite evaluar las diversas alternativas. Calibrar su modelo (con la asistencia de Darwin Calibrator) usando algoritmos genéticos. Conectar su modelo a GIS

El entorno de trabajo 

Existen dos productos: Como un Add On de Autocad, en el que se modela la red directamente en la superficie de terreno en la que será construida, con la ventaja de tener acceso directo a las herramientas de dibujo propias de Autocad



En modo Stand-Alone en el que se interactúa directa y dinámicamente con la red, a la vez que se utilizan menos recursos de hardware, pues no se necesita ejecutar simultáneamente AutoCAD. A continuación se muestra el entorno Stand Alone

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El panel de dibujo, es donde se dibujan los elementos de la red, se editan los datos y se muestran los resultados.



Los menús, las barras de herramientas y las barras de desplazamiento tienen la misma funcionalidad que en Autocad u otros programas que corren bajo Windows.

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Panel de Capas (Layers): , que muestra tanto las capas del proyecto como las capas de apoyo. Este panel puede mostrarse / ocultarse con la siguiente secuencia: View  Layers.



Panel de Capas del Proyecto: Muestra una lista los componentes del modelo ordenados en capas, con la funcionalidad de controlar su visibilidad en el panel de dibujo. Existe capas para: Elementos de etiquetado, Elementos de anotaciones dinámicas, Flechas de Flujo, Símbolos, Anotaciones gráficas, Anotaciones de cota (Spot Elevation).



Muestra todos los elementos de segundo plano (background) asociados con el proyecto: Dibujos de Autocad (DXF), ArcGis (SHP) u otros. Tiene la funcionalidad de adicionar, remover, editar capas. Cuando una capa de segundo plano figura en este panel, también se puede controlar su visibilidad en el panel de dibujo



La barra de estado (Status Pane): Que muestra las coordenadas, el sistema de unidades usado (SI = Sistema Internacional o US= Sistema Inglés).

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Modelando y Analizando una Red en Estado Estático (Steady State) WaterCAD permite modelar muy fácilmente una red mediante un esquema o un modelo a escala del sistema. Cuando se crea el modelo a partir de un esquema de la red, las longitudes de los tubos se ingresan en forma manual. En cambio cuando se lo hace a partir de un modelo a escala, las longitudes son tomadas automáticamente de los elementos dibujados en dicho modelo. Para este primer ejemplo a desarrollar, se modelará y analizará la red mostrada, utilizando las dos modalidades: Para una parte se tomará un dibujo a escala, mientras que otra parte será modelada a partir de un esquema, de modo que se requerirá el ingreso manual de longitudes.

En este modelo teórico, se simula una ampliación de red existente, mediante un reservorio (R-1), que se conecta a una bomba (PMP-1), a través de una tubería (P-1), desde la cual se proporciona flujo al sistema. Simplificando la red de esta manera, se puede aproximar el cálculo de las presiones que serán suministradas al sistema al conectarse bajo un rango de demandas. Los elementos de la red, se etiquetan automáticamente conforme se van creando:  P-1, P-2,P-3...P10: Tubos (Pipes)  R-1: Reservorio  J1, J2, J3...J6: Empalme de tubos (Junction)  T-1: Tanque (Tank)

1.- CREANDO UN PROYECTO Ej. 1.

Elija un nuevo dibujo. Se da la posibilidad de especificar la configuración del proyecto. Elija SI (Yes)

Ej. 2. Se inicia el Project Setup Wizard   

Project Title: Título del proyecto, se recomienda que sea descriptivo. Project Engineer: Ingeniero del proyecto. Comments: Puede incluir un comentario sobre la naturaleza del proyecto. Este un lugar apropiado para anotar consideraciones de diseño y mantener un historial sobre el desarrollo del proyecto. Puede modificar posteriormente esta información desde File -> Project Summary

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas Ej. 3. El siguiente paso consiste en especificar:  Presure Friction Method: Permite seleccionar el método que se usará para determinar las pérdidas de carga: Hazem-Williams, Darcy-Weisbach, Manning.  Liquid: Que líquido cunducirá la red.  Imput modes:  Coordinates: Las coordenadas pueden mostrarse en formato XY, o Norte-Este.  Settings: Configura si las condiciones de control se ingresan en términos de gradiente hidráulico (Hidraulic Grade), o de presiones (Pressure).  Tank Levels : Elegir si la altura del tanque será especificada en término de cotas(Elevations): altura sobre la cota de referencia cero, o de niveles dentro del tanque (Level). 

Round Pipe Lengths to the nearest: Longitud de redondeo para la tubería. Un valor de 1, llevará a redondear una longitud de 36.4m a 36 .00m ; mientras que un valor de 0.5, redondeará 36.40 m. a 36.50 m. Este valor de redondeo es el que se muestra en el editor o en las Tablas Flexibles (Flex Table), y no implica que el valor del elemento de dibujo que representa la tubería se ajustará al redondeo. Nota: Estos valores pueden ser modificados en Tools -> Options -> Projects

Ej. 4.

En el siguiente paso el asistente permite configurar escalas y anotaciones: Drawing Scale: Puede configurar la escala que desea usar para la impresión desde el mismo WaterCad, la misma que dependerá de las características del dispositivo de impresión tales como el tamaño de papel que este pueda manejar el dispositivo, … Puede elegir entre el modo Schematic ( croquis sin escala) o Scaled, si en el modelo se tienen las longitudes REALES de las tuberías.





Schematic—El modelo será impreso sin utilizar escala, por lo que lo que se imprima será un esquema del mismo, así por ejemplo, las longitudes de los tubos, no corresponden a ninguna escala. Scaled—Las longitudes de las tuberías son impresas según lo que se haya dibujado en el panel y de acuerdo a la escala indicada. En este caso, del plano impreso y usando un escalímetro, se pueden medir las longitudes de los tubos modelados. o HOR—Horizontal Scale controla la escala horizontal de la vista en planta. o VER—Vertical scale controla la escala vertical predeterminada, para las vistas en corte, por ejemplo para el dibujo de perfiles topográficos, lineas de gradiente , etc

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Annotation Multipliers: Controla el tamaño de los símbolos, etiquetas y anotaciones. Deberá ajustarse de acuerdo a la escala escogida 







Symbol Size – El número que ingrese, incrementará o disminuirá el tamaño del símbolo que representa un reservorio, una bomba, una válvula, etc. Un valor de 2 duplica el tamaño del símbolo. Puede tomar como referencia que los símbolos tienen un tamaño aproximado de 1 unidad abstracta. Text Height – Factor por el que se multiplica el tamaño del texto asociado a un símbolo (Label = etiqueta). El tamaño del texto que el programa selecciona automáticamente es de aproximadamente 2.5 mm. También deberá ser ajustado con este factor de acuerdo a la escala elegida. Annotation Height – Factor por el que se multiplica el tamaño del texto con el que se muestran las anotaciones que se hagan sobre el modelo. El tamaño predeterminado es de 2.5 mm. Una escala de 1.0 mm = 500 mm, por ejemplo, da como resultado que el tamaño el texto sea de aproximadamente 2.5 mm x 500 = 1,250 mm = 1.25 m. Pipe Text – Seleccionando Align Text with Pipe se alinea el texto con la tubería.

Nota: Estos valores pueden ser modificados en Tools -> Options -> Drawing o haciendo doble clic en la línea de estado al símbolo de las unidades (SI)

Ej. 5.

Finalmente el asistente brinda la posibilidad de asignar valores predeterminados para los elementos de la red, los mismos que serán los que tendrán al momento de ser incluidos en el proyecto

Así por ejemplo para las tuberías puede elegir que valores estará predeterminados para: el material, diámetro, valor del coeficiente de Hazen, etc.

2.- ESQUEMATIZANDO LA RED (LAYOUT) Ej. 6.

En Background Layers, utilice el botón Insert, para insertar el dibujo de intercambio de AutoCAD :CICS_LECCION1.DXF

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas Ej. 7.Utilice los siguientes parámetros de inserción para el dibujo de referencia:

Ej. 8.Con el botón de Zoom Extents, puede visualizar el dibujo que servirá de referencia para la esquematización de la red.

Ej. 9.Ubicando el reservorio R-1: Elija de la barra WaterCAD Layout , el botón correspondiente a Reservorio e insértelo un punto semejante al mostrado en el esquema Nota: Si el tamaño del símbolo no es el apropiado, puede utilizar Tools  Options  Drawing para modificar el factor de visualización tanto para símbolos como para anotaciones.

Ej. 10.De modo semejante ubique la bomba (PUMP) : PMP-1

Ej. 11.

Incluya la válvula reductora de presión PRV-1 , en el modelo

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas Ej. 12.En forma análoga esquematice las uniones (Joins): J-1, J-2, .. J-6

Ej. 13.Esquematice el tanque

Ej. 14.Esquematizar las tuberías (Pipe) P-1, P-2, ... P-10 :

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3.- INGRESANDO INFORMACIÓN PARA LOS ELEMENTOS DEL MODELO Hay muchas maneras de acceder a las propiedades de un accesorio, la forma más directa es hacerle un 2-clic. Ej. 15.DATOS PARA EL RESERVORIO: Haga un doble clic sobre el reservorio R-1 y elija la etiqueta General. Asigne la elevación correspondiente. Puede acceder al administrador de zonas, haciendo clic en el botón mostrado en el esquema siguiente:

Ej. 16.DATOS PARA EL TANQUE: Haga doble clic en el Tanque T-1 y elija la etiqueta General

En la etiqueta Section, llenar los parámetros relacionados con la geometría del tanque elevado. Para el ejercicio ingrese los valores mostrados:

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas Ej. 17.DATOS PARA LA BOMBA PMP-1

PAG 104

(a)

(b) Clic en Add, para definir las características de la bomba a utilizar. Considere colocar como nombre que recuerde el tipo de bomba que esta definiendo.

(c) Elija como Head definition: Standar (3 point). Luego haga clic derecho en Design y escoja Design Propierties para cambiar de unidades a litros por minuto

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Las características acá señaladas, son las que se especifican en el gráfico siguiente

Ej. 18.

Definición de la válvula reductora de presión:

 Elevation: Cota de la válvula.  Diameter: Diámetro de la válvula.  Minor Loss Elements : Pérdidas locales por elementos como codos, uniones , …  Settings: La configuración de la válvula puede hacerse por gradiente o presiones, en este caso, aguas debajo de la bomba, la presión no excederá de 390 Kilo pascales = 39.77 mca.

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas Ej. 19. LOS DATOS PARA LAS UNIONES (JOINS) SE MUESTRAN EN EL CUADRO ADJUNTO:

GENERAL UNION (Junction) J-1 J-2 J-3 J-4 J-5 J-6

ELEVATION (m) 184 185 184 183 185.5 165

DEMAND ZONE Zona1 Zona1 Zona1 Zona1 Zona1 Zona1

TOTAL

DEMAND (l/min) 38 31 34 38 350 356 847 l/min

Nota: Puede modificar las unidades de caudal (Flow), haga clic derecho en donde debe ingresar la demanda y escoja  Base Flow Properties

Ej Los datos para la junta 1 (J-1), para elevación y demanda se muestran a continuación:

Ej. 20.

Puede reportar los datos ingresados: Report  Tables  Junction Report:

Ej. 21.

A continuación especificaremos longitudes para los tubos:  P-1: Que une el reservorio R-1 con la bomba PMP-1, como ambos son usados para simular la conexión a un sistema existente, tiene una ubicación ficticia y nos interesa

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas asignarles una longitud mínima para minimizar en este tramo las pérdidas de carga, razón por la cual se asigna además un diámetro de 1,000 mm.  P-7, P-8, P-9, P-10 : Tanto los nudos J-5, J-6, como el reservorio R-1, tienen también una posición aproximada y representan la conexión con la red existente. Por lo tanto sus longitudes deberán ser especificadas. A manera de ejemplo se muestra el ingreso de datos para P-1

Datos de los tubos: TUBO P-1 P-2 P-3 P-4 P-5 P-6 P-7 P-8 P-9 P-10

MATERIAL Dúctil Iron (Hierro dúctil) Dúctil Iron (Hierro dúctil) Dúctil Iron (Hierro dúctil) PVC Dúctil Iron (Hierro dúctil) Dúctil Iron (Hierro dúctil) PVC Dúctil Iron (Hierro dúctil) Dúctil Iron (Hierro dúctil) Dúctil Iron (Hierro dúctil)

DIÁMETRO (mm) 1000 150 150 150 150 150 150 150 150 150

Longitud definida Por el usuario (m) 0.01 50.50 555.50 336.50 521.50 343.50 400 500 31 100

Una manera alternativa de ingresar/editar la información ingresada es elegir, el ícono de Reportes Tabulares (Flex Tables), en la barra de herramientas mostrada:

Elija Pipe Report:, se mostrará una tabla en la que puede editar las propiedades asignadas a cada tubo, en una ventana similar una hoja de cálculo. Las celdas sombreadas (amarillo) no son editables.

Haciendo clic derecho sobre el título de cualquier columna, puede ordenar (Sort), puede ordenar la información que aparece en la columna

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De manera semejante puede reportar los valores asignados a los nudos (Junction), tanques, válvulas, reservorios.

4.- ANÁLISIS DE ESTÁTICO DE LA RED Un análisis ESTÁTICO (Steady-State), difiere de un análisis de DINÁMICO (Extended Period) en que no se consideran patrones de demanda.  Para hacer un análisis Steady-State, haga clic en el botón GO, con lo que se accederá a la ventana Scenario: Base, Steady-State

Asegúrese de que tiene marcada esta opción

 Haga clic en el botón de GO, de esta caja de diálogo para analizar el modelo. Cuando los cálculos se hayan completado, se mostrarán en el Tab Results :

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas  Revise los resúmenes mostrados para tener una idea de los resultados obtenidos. Si el Tab Results, tiene color: o Verde: Cálculo realizado en forma satisfactoria. o Amarillo: Indica Advertencia (Warning). o Rojo: Falla en el cálculo (Failure)  Al hacer 2-clic en la bomba, puede ver el caudal suministrado (Flow Supplied): 1,238 l/min.

 Recuerde que del análisis de las demandas en los nudos el caudal demandado (Flow Demanded) era de : 847 l/min.

5.- ETIQUETANDO LOS ELEMENTOS DE LA RED Al hacer un modelamiento y análisis de la red, se pueden ver en el panel de dibujo, diversos elementos: Etiquetas, anotaciones, Flechas de flujo, símbolos de control, anotaciones gráficas … Su visualización en el panel de dibujo depende de la activación o no de la caja de chequeo correspondiente en la respectiva capa del proyecto

Mientras que su tamaño se controla a través de factores (multipliers) los que se pueden modificar mediante Tools  Options  Drawing :

 ETIQUETAS (LABELS) : Permiten identificar a un elemento dentro de la red:

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas Así tenemos por ejemplo que:  Los reservorios son etiquetados (label) como R-1, R-2 …  Las tuberías (Pipes) como: P-1, P-2, ….  Las bombas (Pump) como : PMP-1, PMP-2…  Los nudos o uniones (Join) como: J-1, J-2 …..  FLECHAS DE DIRECCIÓN DE FLUJO (Flow Arrow) : Indican la dirección del flujo en la red:  ANOTACIONES (ANNOTATION) : Para cada electo de la red, puede mostrar anotaciones referidas a: caudales, presiones, materiales, y otros parámetros relacionados con las características de la red. Las anotaciones se diseñan mediante un asistente, para lo elija Tools  Element Annotation o hacer click en el ícono mostrado: 

Ej. Diseñando anotaciones para Uniones (Pressure Junction): Tome en cuenta que el check, controla la visibilidad de la anotación, por lo que se recomienda que elija el tipo de elemento cuya anotación va a configurar. Posteriormente puede seleccionar otros previamente configurados y hacer click directamente en el botón Finish:



Configure la anotación y elija los elementos a los que se les asociará las anotaciones: Todos, o un conjunto de selección (Selection Set).

 Attributes: Atributo o propiedad del elemento: Longitud, Velocidad, Área, caudal ….  Mask: Estilo de la anotación. Consta de Prefijo: L=, Velocidad = … y Parámetros reemplazables: %v (Valor del atributo), %u (unidad).

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas  Los botones de Insert y Delete, insertan o eliminan atributos, Puede reordenar los atributos usando las flechas ubicadas en la parte inferior derecha de esta ventana Haga clic en Next. 

Se mostrará un resumen de las opciones de escogidas para la anotación.



Se mostrarán las anotaciones según el estilo diseñado y para los elementos que haya elegido.

Nota: Puede mover las anotaciones arrastrándolas con el Mouse, para una mejor visibilidad, pero puede realizar esta operaciones en programas como Autocad, después de hacer la exportación respectiva.



Ej. Diseñando anotaciones para Uniones (Pressure Pipe). Elija el tipo de elemento para el que va a diseñar las anotaciones: Pressure Pipe y haga click en el botón Next.

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Configure la anotación y elija los elementos a los que se les asociará las anotaciones: Todos, o un conjunto de selección (Selection Set).

 Attributes: Caudal demandado en el nudo (Demand calculated) Haga clic en Next. 

Se mostrará un resumen de las opciones de escogidas para la anotación.



Se mostrarán las anotaciones según el estilo diseñado y para los elementos que haya elegido.

Nota: En la pantalla inicial del asistente, cada check, controla la visibilidad de las anotaciones. Para visualizar las previamente configuradas, seleccione la caja de chequeo correspondiente y haga click directamente en el botón FINISH.

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6.- REPORTES BÁSICOS DE ANÁLISIS DE LA RED En acápites posteriores, aprenderemos a personalizar los reportes, por el momento, hagamos uso de los reportes predeterminados disponibles:  INVENTARIO DEL PROYECTO (Report  Project Inventory) :

 Tabla de Tuberías (Report  Tables  Pipe Report: )

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas  Reporte de Tabla de uniones (Report  Table  Junction Report)

7.- EXPORTANDO INFORMACIÓN A AUTOCAD El intercambio de información con Autocad se hace vía archivos DXF (Drawing Exchange Format). Para exportar el modelo a Autocad elija File  Export  DXF file

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PRACTICA: Modelar la red mostrada esquemáticamente en el siguiente gráfico:

1. Propiedades del Reservorio R1: Elevación = 2,120

2. Propiedades de los tubos (Pipes)

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CICS – COMPUTACIÓN WaterCAD – Manuel Fernández Vargas 3. Propiedades de las uniones (Junctions):

4. Realice un Análisis estático de la red:

5. Configurar las anotaciones de los tubos para mostrar: Diámetro (Diameter), Longitud (Length, Velocidad (m/s), Descarga (l/s)

6. Configurar las anotaciones de los nudos, de manera que se muestre:

7. Ver en vista previa un reporte de Tuberías

8. Ver en vista previa un reporte de juntas (Junctions)

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