Diseño red de distribución de agua potable para urbanizaciones

Definiciones a tomar en cuenta, urbanización, lotificación, parcelamiento

La diferenciación entre lotificación, urbanización y parcelamiento es importante en el contexto de la planificación y desarrollo de tierras. Aunque estos términos a menudo se usan indistintamente, tienen significados y aplicaciones distintos en el ámbito de la ingeniería civil y la arquitectura.

Lotificación:

• Definición: La lotificación se refiere al proceso de dividir un terreno más grande en lotes más pequeños.
• Enfoque: El enfoque principal está en la subdivisión del terreno en parcelas individuales, que luego se pueden vender o desarrollar independientemente.
• Infraestructura: En general, la lotificación no implica el desarrollo de infraestructura o servicios públicos detallados; se centra principalmente en el aspecto de subdivisión.
• Uso: Es común en áreas rurales donde no se piensa en un desarrollo a futuro.

Urbanización:

• Definición: La urbanización implica la planificación y desarrollo de un área con infraestructura y servicios completos. Incluye carreteras, sistemas de drenaje, suministro de agua, electricidad y otros servicios públicos.
• Enfoque: Se enfoca en la creación de un entorno habitable y funcional, no solo en la subdivisión de la tierra.
• Infraestructura: Incluye un desarrollo integral de infraestructura y servicios para apoyar la vida y las actividades en el área.
• Uso: Se utiliza en la creación de nuevas áreas residenciales, comerciales o mixtas, transformando terrenos rurales o subdesarrollados en áreas urbanas.

Parcelamiento:

• Definición: El parcelamiento es similar a la lotificación, pero a menudo se usa en contextos donde el enfoque está en la división de la tierra para usos agrícolas o rurales.
• Enfoque: Aunque implica la subdivisión de terrenos, suele estar más relacionado con la planificación agrícola o rural que con el desarrollo urbano.
• Infraestructura: Generalmente, no incluye el desarrollo de infraestructura urbana compleja como en la urbanización.
• Uso: Se aplica más comúnmente en la gestión y planificación de tierras rurales o agrícolas.

Mientras que la lotificación y el parcelamiento se centran en la subdivisión de la tierra en lotes más pequeños, la urbanización implica un proceso más integral que incluye el desarrollo de infraestructura y servicios para crear un entorno habitable y funcional.

A continuación proporciono un ejemplo detallado de cálculo para el diseño de una red de distribución de agua potable, específicamente enfocado en una urbanización de 50 casas. Este estudio es esencial para asegurar que la futura urbanización cuente con un suministro adecuado y eficiente de agua, un recurso vital para el desarrollo sostenible y el bienestar de los residentes.

El cálculo aborda aspectos críticos como la estimación del consumo medio diario, el consumo máximo diario y el consumo máximo horario, teniendo en cuenta factores como el número de habitantes por casa, la dotación per cápita de agua y los coeficientes de demanda. Esta metodología no solo garantiza la viabilidad técnica del suministro de agua sino que también respeta las normativas y directrices de ingeniería civil vigentes.

Este ejemplo sirve como guía para ingenieros, arquitectos y planificadores urbanos en la elaboración de proyectos similares, proporcionando un marco de referencia para la toma de decisiones en el desarrollo de infraestructuras de agua potable en entornos residenciales.

Libro de referencia en hidráulica

Para un estudio más detallado y comprensión de estas fórmulas, puede consultarse el libro “Mecánica de Fluidos” de Víctor L. Streeter. Este texto es una referencia clásica en hidráulica y ofrece una explicación amplia de los principios y aplicaciones de la mecánica de fluidos en el contexto de la ingeniería civil, incluyendo el diseño de sistemas de distribución de agua.

Puntos a tomar en cuenta en el diseño hidrosanitario

El diseño de la infraestructura hidrosanitaria para una urbanización, abarca aspectos clave como el suministro de agua potable y el manejo de aguas residuales.

Puntos principales que se deben tomar en cuenta siempre:

• Red de distribución de agua potable: Se describe la red de distribución de agua potable como un conjunto de instalaciones para transportar agua desde puntos de captación y tratamiento hasta los clientes. Se considera el caudal de demanda, la dotación de agua potable y el consumo medio diario.
• Cálculo de gasto de diseño: Se incluyen coeficientes para el consumo máximo diario y horario, además de un porcentaje para fugas.
• Consumo máximo diario y horario: Se calcula el consumo máximo diario y horario, considerando los coeficientes mencionados anteriormente y un 10% para fugas.
• Altura de tanque y material de la tubería: Se propone altura de tanque cumpliendo con los coeficientes de flujo especificados.
• Velocidades y presiones: Se establecen valores mínimos y máximos para velocidades, diámetros y presiones en la red de distribución, siguiendo las normas aplicables.
• Modelación hidráulica: Se utiliza el software WaterCad o cálculos con fórmulas para el análisis hidráulico, organizando los elementos en categorías como nudos con condiciones, nudos de conexión y tramos conectados.
• Contribución al desagüe: Se calcula considerando el caudal de agua potable consumida y un factor de gastos de diseño por infiltración.
• Diseño de colector de aguas negras: Se describe el sistema de alcantarillado convencional con componentes como red de colectores y pozos de inspección y se usa la fórmula de Manning para el cálculo hidráulico.
• Criterios de diseño para alcantarillado: Se establecen criterios como la profundidad mínima y máxima, ubicación de pozos de inspección y análisis hidráulico para asegurar el funcionamiento eficiente del sistema de alcantarillado, el cuál se explica en otro artículo el tema.

Dotación de agua por habitante recomendado

Para diseñar una red de distribución de agua para una urbanización, se suele considerar un consumo promedio de agua per cápita. Este consumo varía según la región, el nivel de vida y los hábitos de consumo de la población. Generalmente, se toma un rango de entre 100 y 250 litros por persona por día.

Sin embargo, para un diseño más preciso, se deben considerar varios factores:

• Demanda Pico: Es importante tener en cuenta los picos de demanda, como las horas de la mañana y la tarde, cuando el consumo de agua es más alto.
• Crecimiento Futuro: La red debe ser capaz de satisfacer la demanda futura, teniendo en cuenta el crecimiento poblacional y el desarrollo urbano.
• Uso del Agua: Diferenciar entre uso residencial, comercial, industrial y público.
• Normativas Locales: Revisar las regulaciones y normativas locales, que pueden establecer requisitos específicos para el diseño de redes de agua.
• Sostenibilidad: Considerar aspectos de sostenibilidad y eficiencia en el uso del agua.

Ejemplo de cálculo para urbanización de 50 casas – Red de distribución de agua potable

Datos del proyecto, cálculo para 50 casas:

• Número de casas: 50
• Habitantes por casa: 6 (asumiendo densidad máxima de población)
• Total de habitantes: 300 (50 casas x 6 habitantes/casa)
• Dotación de agua: 230 litros/habitante/día (según el tipo de clima, zona que ronda alrededor de los 22ºC)

Fórmulas para cálculo de red de distribución de agua potable

• Consumo Medio Diario (CMD):
  • Fórmula: CMD = (Total de Habitantes x Dotación de Agua) / (24 x 3600)
  • Indica: El promedio de agua consumida por día en litros por segundo, considerando el número total de habitantes y la dotación de agua por persona por día.
• Consumo Máximo Diario (CMAXD):
  • Fórmula: CMAXD = CMD x Coeficiente Máximo Diario + Fugas x CMD
  • Indica: El consumo máximo de agua en un día en litros por segundo, ajustado por un coeficiente para días de máxima demanda y un cálculo de pérdida por fugas.
• Consumo Máximo Horario (CMAXH):
  • Fórmula: CMAXH = CMAXD x Coeficiente Máximo Horario
  • Indica: El consumo máximo de agua en la hora de mayor demanda en litros por segundo, basado en el consumo máximo diario.

Cálculos

1. Consumo Medio Diario (CMD)
   • CMD = Dotación x Población
   • CMD = 230 litros/hab/día x 300 habitantes
   • CMD = 69,000 litros/día
2. Conversión a litros/segundo
   • CMD en litros/segundo = CMD / (24 horas/día x 3600 segundos/hora)
   • CMD en litros/segundo = 69,000 / 86,400
   • CMD en litros/segundo ≈ 0.7986 l/s
3. Consumo Máximo Diario (CMD Max) y Consumo Máximo Horario (CMH)
   • Para el cálculo de CMD Max y CMH, se aplica un coeficiente de variación máxima diaria y un coeficiente de variación máxima horaria, respectivamente, más un porcentaje adicional para fugas.
   • Según el proyecto se estiman estos coeficientes:
     • Coeficiente Máximo Diario = 1.2
     • Coeficiente Máximo Horario = 1.5
     • Fugas = 10%
   • CMD Max = CMD en l/s x Coeficiente Máximo Diario + 10% de fugas
   • CMD Max ≈ 0.7986 l/s x 1.2 + 0.07986 l/s
   • CMD Max ≈ 1.0383 l/s
   • CMH = CMD Max x Coeficiente Máximo Horario
   • CMH ≈ 1.0383 l/s x 1.5
   • CMH ≈ 1.5575 l/s

Resultados

• Consumo Medio Diario (CMD): 0.7986 litros/segundo
• Consumo Máximo Diario (CMAXD): 1.0383 litros/segundo
• Consumo Máximo Horario (CMAXH): 1.5575 litros/segundo

Conclusión

Estos cálculos proporcionan una estimación básica para el diseño de la red de distribución de agua potable para una urbanización de 50 casas.

Deben considerarse aspectos adicionales como la topografía del terreno, las distancias de distribución y los requerimientos específicos de presión y flujo.

Diseño del tanque para abastecimiento de 7 días

Para diseñar un tanque de almacenamiento de agua que abastezca una urbanización de 50 casas durante una semana, primero calcularemos el volumen total necesario basándonos en el consumo diario y luego determinaremos las dimensiones adecuadas del tanque.

1. Volumen total del tanque:

• El Consumo Máximo Diario (CMD) para 50 casas, como calculamos anteriormente, es de 69,000 litros.
• Necesitamos almacenar suficiente agua para abastecer durante 7 días.
• Fórmula: Volumen del tanque = CMD x número de días.
• Cálculo: Volumen del tanque = 69,000 litros/día x 7 días = 483,000 litros.

2. Dimensiones del tanque:

• Para un tanque cilíndrico, utilizaremos la fórmula del volumen de un cilindro: V = π×r²×h, donde V es el volumen, r es el radio y h es la altura.
• Supongamos un diámetro práctico para el tanque, por ejemplo, 10 metros (radio = 5 metros).
• Fórmula de la altura: h = V/(π×r²)
• Cálculo de la altura: Primero convertimos el volumen a metros cúbicos (1 litro = 0.001 m³). Entonces, h = (483,000 litros×0.001)/(π×(5m)²)
• h = 6.1497 m

3. Altura sobre el nivel del suelo:

• La altura del tanque sobre el nivel del suelo depende de la presión necesaria en la red de distribución.
• Se recomienda una altura del tanque de entre 20 y 30 metros sobre el nivel más alto de servicio para garantizar una presión adecuada en la red.

Resumen de las dimensiones del tanque:

• Volumen: 483,000 litros = 483 m³.
• Forma: Cilíndrico.
• Diámetro elegido: 10 metros.
• Altura calculada: 6.1497 m.
• Altura sobre el nivel del suelo: Entre 20 y 30 metros para la presión adecuada.

Estas estimaciones deben tener en cuenta las condiciones específicas del lugar y los requerimientos de la red de distribución de agua.

Velocidades y presiones recomendadas

Las velocidades y presiones recomendadas para el flujo de agua en un sistema de redes de distribución son las siguientes:

• Velocidad máxima: 3 metros por segundo (m/s).
• Presión estática: No será mayor de 35.2 metros de columna de agua (mca) en cualquier punto de la red.
• Presión dinámica en condiciones de demanda máxima horaria: No será menor de 11 metros de columna de agua (mca).
• Diámetro efectivo del ramal condominal: El valor mínimo será determinado por el cálculo hidráulico, adoptándose como diámetro nominal mínimo de 2 pulgadas (50 mm)​​.

Estos criterios son importantes para garantizar un funcionamiento eficiente y seguro del sistema de distribución de agua, manteniendo las velocidades y presiones dentro de rangos que eviten problemas como rupturas de tuberías, pérdidas excesivas de agua, o insuficiente suministro a los usuarios.

Normas sobre presiones para tuberías de agua potable

En cuanto a las normas internacionales, hay criterios de evaluación de transitorios de presión para tuberías de agua en diferentes códigos y estándares nacionales e internacionales.

Por ejemplo, el código alemán DVGW W303:1994 establece un factor de presión incidental máximo de 1.00, mientras que otros como ASME B31.4, IS 328, BS 8010, e ISO CD 16708:2000 especifican un factor de 1.10. Otros estándares, como el NEN 3650-1:2012 y el BS 806, tienen factores de 1.15 y 1.20, respectivamente y las publicaciones ministeriales italianas varían entre 1.25 y 1.50​​.

En algunas normas se mencionan que la presión mínima aceptable en sistemas de distribución de agua potable es comúnmente la presión atmosférica o la máxima presión del agua subterránea necesaria para evitar intrusiones en pequeñas fugas. Si el agua no es para consumo directo, se pueden permitir presiones negativas hasta el vacío completo si la resistencia de la tubería es suficiente​​.

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