ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO
CLASE 1
PERIODO DE DISEÑO
PERIODO DE DISEÑO 1.
DEFINICION
2.
FACT FA CTOR ORES ES DET DETER ERMI MIN NAN ANTE TES S
3.
SELECC CCIION DEL PE PER RIODO 3.1 Reglamentos 3.2 Ref Refere erenci ncias as 3.3 3. 3 Cr Crite iteri rios os Económ Económico icoss 3.3. 3. 3.1 1 Pe Perí ríod odo o Te Tent ntat ativ ivo o 3.3. 3. 3.2 2 Pe Perí río odo Op Opti tim mo
PERIODO DE DISEÑO 1.
DEFINICION
2.
FACT FA CTOR ORES ES DET DETER ERMI MIN NAN ANTE TES S
3.
SELECC CCIION DEL PE PER RIODO 3.1 Reglamentos 3.2 Ref Refere erenci ncias as 3.3 3. 3 Cr Crite iteri rios os Económ Económico icoss 3.3. 3. 3.1 1 Pe Perí ríod odo o Te Tent ntat ativ ivo o 3.3. 3. 3.2 2 Pe Perí río odo Op Opti tim mo
VOLUMEN RETENIDO TEMPORALMENTE
SISTEMAS DE ABASTECIMIENTO
VOLUMEN TRANSPORTADO
POR BOMBEO
DE AGUA VOLUMEN RETENIDO TEMPORALMENTE VOLUMEN TRANSPORTADO
POR GRAV GRAVEDA EDAD D
VOLUMEN DE AGUA
VOL OLU UME MEN N DE AGU GUA A
<> TAMAÑO DEL SISTEMA
PRESA : ALTURA ALTURA = ? ESPEJO DE AGUA = ? VOLUMEN = ? PRESA INTERMEDIA Laguna Antacoto - MARCA III
SIFON :
DIAMETRO = ? VELOCIDAD = ? CAUDAL = ?
SIFON QUIULACOCHA - MARCA III
VOLUMEN = ?
VOLUMEN DE AGUA ...
El diseño de las estructuras y conducciones queda determinado por la cantidad de agua que deben de conducir y/o almacenar para satisfacer la demanda de la población durante un período de tiempo. Los factores a considerarse son: 1. PERIODO DE DISEÑO 2. POBLACIÓN DE DISEÑO 3. USOS DEL AGUA - DOTACION 4. AREA DE DISEÑO 5. HIDROLOGIA DE DISEÑO 6. INVERSIÓN DE CAPITAL
PERIODO DE DISEÑO 1. DEFINICION
En una obra de ingeniería civil, es el número de años durante los cuales una obra determinada prestará el servicio para la cual fue diseñada.
El período de diseño puede definirse como el tiempo para el cual el sistema será 100% eficiente, ya sea por la capacidad en la conducción del caudal deseado o por la existencia física de las instalaciones.
Es el tiempo dentro del cual se priorizan las inversiones y se minimizan las capacidades ociosas instaladas (no genera tasa de retorno) de los elementos del sistema.
PERIODO DE DISEÑO
2. FACTORES DETERMINANTES a) Vida útil de las estructuras y equipos electromecánicos, considerándose la obsolescen_ cia, el desgaste y daños.
BOMBA HIDRAULICA
RESERVORIO APOYADO
CONCRETO ARMADO Secció Sección de Canal Tipo IV MARCA III
SIFON QUIULACOCHA MARCA III
PERIODO DE DISEÑO
2. FACTORES DETERMINANTES … b)Factibilidad
de la construcción, posibilidad de ampliaciones futuras y/o sustitución y la planeación de las etapas de construcción de la obra.
RESERVORIO ELEVADO
PTAR HUASCAR
CONCRETO ARMADO - Sección de Canal Tipo IV MARCA III
PERIODO DE DISEÑO
2. FACTORES DETERMINANTES … c) Cambios en el desarrollo
social, económico y la tendencia de crecimiento de la población.
EL AGUADOR
PANCHO FIERRO
PERIODO DE DISEÑO
2. FACTORES DETERMINANTES … d) Comportamiento
hidráulico de las obras cuando éstas no estén funcionando a su plena capacidad. RESERVORIO APOYADO
R.A.F.A.
(Reactor Anaeróbico de Flujo Ascendente)
PERIODO DE DISEÑO
2. FACTORES DETERMINANTES … e) Posibilidades de financiamiento y la tasa de interés.
La capacidad del sistema depende del costo total capitalizado.
BAHIA MIRAFLORES DESCARGA DEL EMISOR COSTANERO SAN MIGUEL 3.2 m3/s
EMISOR SUBMARINO VENECIA (1 m3/s)
“ m u uc c h h o o s d s d e l e l o o s p s p r r o ob bl l e e m as d s d e h e h o o y y
s o o n e n e l r l r e e s su u l l t t ad o d o d e l e l as s s s o ol l u uc c i i o o n ne e s s q u u e t e t o o m a m o o s a s ay e r r , y l l o o s p s p r r o ob b l l e e m as d s d e m e m aÑ an a s e e r r Án r e e s su u l l t t ad o d o d e l e l as s s s o ol l u uc c i i o on n e e s s q u ue t e t o o m a m o o s h s h o o y y” Fernando Altamirano
3. SELECCION DEL PERIODO DE DISEÑO En la práctica, se requiere adoptar una decisión para el período de diseño de acuerdo a:
3.1 Reglamentos vigentes en la zona del proyecto:
Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE) Instituto Nacional de Investigación y Normalización de la Vivienda ( ININVI ) Servicio de Agua Potable y Alcantarillado de Lima ( SEDAPAL) Dirección General de Salud Ambiental ( DIGESA) Superintendencia Nacional de Servicios de Saneamiento ( SUNASS ) Empresas prestadoras del servicio (EPS) de agua potable ( SEDA ..., EPS…)
3.2 Referencias sobre valores usados en proyectos 3.3 Criterios económicos en los que se prioriza la inversión y se minimizan las capacidades ociosas, seleccionando el período óptimo según la ingeniería del proyecto y el tipo de servicio: 3.3.1 Período Tentativo (t) 3.3.2 Período Optimo: 3.2.1 SIN DEFICIT (X1) 3.2.2 CON DEFICIT (X*1)
3.1 Reglamentos vigentes en la zona del proyecto MINISTERIO DE VIVIENDA
NORMAS Y REQUISITOS PARA LOS PROYECTOS DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO DESTINADOS A LOCALIDADES URBANAS R.S. R.S. Nº Nº 146146-7272- VI VI – – D M del 88-3-72
CAPITULO 3-II-II
DATOS BASICOS DE DISEÑO
3.II-II-1.- Períodos recomendable de las etapas constructivas. a) Para poblaciones de 2,000 hasta 20,000 habitantes se considerará de 15 años. b) Para poblaciones de 20,000 a más habitantes se considerará de 10 años. c) Los plazos se justificarán de acuerdo con la realidad económica de las localidades.
3.1 Reglamentos vigentes en la zona del proyecto ...
3.1 Reglamentos vigentes en la zona del proyecto...
SEDAPAL SERVICIO DE AGUA POTABLE Y ALCANTARILLADO DE LIMA
NUEVO REGLAMENTO DE ELABORACION DE PROYECTOS
No se indica al respecto.
3.1 Reglamentos vigentes en la zona del proyecto ... DIGESA
DIRECCION GENERAL DE SALUD AMBIENTAL –– MINISTERIO DE SALUD
NORMA TECNICA ABASTECIMIENTO DE AGUA Y SANEAMIENTO PARA POBLACIONES RURALES Y URBANOURBANO-MARGINALES
4.03. PERIODO DE DISEÑO Los períodos de diseño se determinarán considerando los siguientes factores: •
Vida útil de las estructuras de concreto y de los equipos electromecánicos.
•
Facilidad o dificultad para hacer ampliaciones de la infraestructura.
•
Crecimiento y/o decrecimiento poblacional.
•
Capacidad económica para la ejecución de las obras.
Para el diseño se tomará en cuenta los siguientes valores: a. Obras de captación
=
20 a 30 años
b. Pozos
=
20 a 30 años
c. Plantas de tratamiento, reservorios
=
20 a 30 años
d. Tuberías de conducción y de distribución
=
20 a 30 años
e. Equipo de bombeo
=
5 a 10 años
3.1 Reglamentos vigentes en la zona del proyecto... SUNASS SUPERINTENDENCIA SUPERINTENDENCIA NACIONAL DE SERVICIOS DE SANEAMIENTO
No se indica al respecto.
3.2 Referencias sobre valores utilizados en proyectos PERIODOS DE DISEÑO PARA ESTRUCTURAS HIDRAULICAS Y DE AGUAS RESIDUALES [3] TIPO DE ESTRUCTURA
CARACTERISTICAS ESPECIALES
PERIODO años
Abastecimiento de aguas
Presas y ductos grandes Pozos, sistemas de distribución y plantas de filtración
Tuberías mayores de 12” de diámetro (305 mm) Laterales y tuberías secundarias menores de 12” de diámetro (305 mm)
Difíciles y costosas de agrandar Fáciles de ampliar. Cuando el crecimiento y las tasas de interés son bajas(*)
25 - 50 20 - 25
Cuando el crecimiento y las 10 - 15 tasas de interés son altos(*) Reemplazar tuberías más 20 - 25 pequeñas es más costoso a largo plazo Los requerimientos pueden Para el cambiar rápidamente en áreas desarrollo limitadas completo
(*) La línea de división está alrededor de 3% anual. [3] “ABASTECIMIENTO DE AGUA Y REMOCION DE AGUAS RESIDUALES”, FAIR-GEYER Y OKUN.
3.2 Referencias sobre valores utilizados en proyectos … PERIODOS DE DISEÑO PARA ESTRUCTURAS HIDRAULICAS Y DE AGUAS RESIDUALES ... [3] TIPO DE ESTRUCTURA
Alcantarillado
Laterales y secundarias menores de 15” (381 mm) de diámetro
CARACTERISTICAS ESPECIALES
Los requerimientos pueden cambiar rápidamente en áreas limitadas
PERIODO años
Para el desarrollo completo
Alcantarillas principales, descargas e interceptores
Difíciles y costosas de agrandar
40 - 50
Obras de tratamiento
Cuando el crecimiento y las tasas de interés son bajas(*) Cuando el crecimiento y las tasas de interés son altos(*).
20 - 25 10 – 15
(*) La línea de división está alrededor de 3% anual. [3] “ABASTECIMIENTO DE AGUA Y REMOCION DE AGUAS RESIDUALES”, FAIR-GEYER Y OKUN.
3.2 Referencias sobre valores utilizados en proyectos … PERIODO DE DISEÑO TIPICOS [2] TIPO DE ESTRUCTURA HIDRAULICA
PERIODO
Presas y grandes conducciones
25 a 50 años
Pozos, sistemas de distribución, plantas de purificación de aguas y plantas de tratamiento de aguas residuales: Crecimiento bajo Crecimiento alto
25 a 50 años 10 a 15 años
Tuberías con diámetros mayores de 12”
20 a 25 años
Alcantarillados
40 a 50 años
[2] “DISEÑO DE ACUEDUCTOS Y ALCANTARILLADOS”, R. LOPEZ C.
3.2 Referencias sobre valores utilizados en proyectos … PERIODO DE DISEÑO - RANGO DE VALORES [1] A.
FUENTES SUPERFICIALES A.1 SIN REGULACION Deben proveer un caudal mínimo para un período de 20 a 30 años
A.2 CON REGULACION La capacidad de embalse deben basarse en registro de escorrentía de 20 a 30 años.
B.
FUENTES SUBTERRANEAS El acuífero debe ser capaz de satisfacer la demanda para una población futura de 20 a 30 años, pero su aprovechamiento puede ser por etapas, mediante la perforación de pozos con capacidad dentro de períodos de diseño (10 años).
C.
OBRAS DE CAPTACION Dependiendo de la magnitud e importancia de la obra se podrán utilizar períodos de diseño entre 20 y 40 años.
C.1 DIQUES-TOMAS C.2 DIQUES-REPRESAS
15 – 25 años 20 – 50 años
[1] “ABASTECIMIENTOS DE AGUA”, S. AROCHA R.
PERIODO DE DISEÑO - RANGO DE VALORES ... D.
ESTACIONES DE BOMBEO Se entiende por estación de bombeo a los edificios, equipos, bombas, motores, accesorios, etc.
D.1 A las bombas y motores, con una durabilidad relativamente corta y cuya vida se acorta en muchos casos por razones de un mantenimiento deficiente, conviene asignarles períodos de diseño entre 10 y 15 años.
D.2 Las instalaciones y edificios pueden ser diseñados, tomando en cuenta las posibilidades de ampliaciones futuras y con un períodos de diseño de 20 a 25 años.
E.
LINEAS DE ADUCCION Dependerá en mucho de la magnitud, diámetro, dificultades de ejecución de obra, costos, etc., requiriendo en algunos casos un análisis económico. En general, un período de diseño aconsejable está entre 20 y 40 años.
F.
PLANTAS DE TRATAMIENTO Generalmente se da flexibilidad para desarrollarse por etapas, lo cual permite estimar períodos de diseño de 10 a 15 años, con posibilidades de ampliaciones futuras para períodos similares.
3.2 Referencias sobre valores utilizados en proyectos …
PERIODO DE DISEÑO - RANGO DE VALORES ... G.
ESTANQUES DE ALMACENAMIENTO G.1 DE CONCRETO 30 - 40 años. G.2 METALICOS
20 - 30 años.
Los estanques de concreto permiten también su construcción por etapas, por lo cual los proyectos deben contemplar la posibilidad de desarrollo parcial.
H.
REDES DE DISTRIBUCION Las redes de distribución deben diseñarse para el completo desarrollo del área que sirven. Generalmente se estiman períodos de diseño de 20 años, pero cuando la magnitud de la obra lo justifique estos períodos pueden hacerse mayores: 30 a 40 años.
I.
OBRAS DE ARTE Y DEMAS EQUIPOS Y ACCESORIOS Obras de arte y demás equipos y accesorios que conforman el sistema, se les asignará períodos de diseño de acuerdo a su función y ubicación respecto a los componentes del sistema que los contiene.
[1] “ABASTECIMIENTOS DE AGUA”, S. AROCHA R.
ECONOMIAS DE ESCALA (*) La economía de escala, es la ventaja de producir a un menor costo unitario en proyectos de mayor capacidad. Es un factor a favor de ejecutar proyectos de mayor dimensión. a) Razones de la existencia de las Economías de Escala. El fenómeno se presenta en buena parte de los procesos o tecnologías productivas, en los cuales ocurre que al incrementarse la capacidad de producción se obtiene costos medios de producción (de largo plazo) menores. Tiene como concepto contrapuesto el de deseconomía de escala, situación que se presenta cuando los aumentos en la capacidad productiva elevan los costos medios de largo plazo. (*) “Cómo hacer estudios de factibilidad de proyectos y negocios”, Arturo VELASQUEZ JARA. U.P.R.P.
Razones Técnicas
C=KT
α
C: Costo del inversión total del proyecto. K: Factor de ajuste. T: Tamaño del proyecto. α: Factor de economía de escala.
Si α=1, el costo de una planta está en relación lineal con su capacidad de producción. Si α<1, se presenta economía de escala. Los estudios de economías de escala son teóricos, no incorporan características propias de la localización específica de los proyectos, en relación con el tamaño de la planta.
Se dan como referencia algunos resultados obtenidos en dichos estudios:
Industria o Proceso Automóviles Panificación Ladrillos Refinería de Petróleo Cemento Computadoras Enlatado de pescado Calzado Máquinas herramientas Periódicos Pulpa y papel
Factor de Escala 0.82 0.62 0.50-0.62 0.51-0.97 0.54-0.77 0.82 1.00 0.93 0.86 0.74 0.74-0.98
Razones Productivas
La producción en mayores volúmenes permite la especialización que es uno de los pilares de las tecnologías modernas de producción, lo que eleva la productividad de la mano de obra y por tanto disminuye sus costos. Es posible el aprovechamiento de subproductos o residuos de proceso, los cuales en pequeño volúmenes son desperdicios sin mayor valor, pero en mayores volúmenes pueden ser tratados como materia prima.
Razones de Gestión y Comercialización
Existen ahorros en la gestión y comercialización, si el proyecto presenta un mayor nivel de producción, debido a que muchos de los costos de gestión y comercialización son de tipo fijos, y su magnitud es independiente del volumen de producción. A mayor tamaño se tendrá mayor capacidad para negociar los precios de compra de insumos, así como los cargos por comercialización. Inclusive un mayor tamaño y volumen de ventas puede hacer factible el establecimiento de un sistema de comercialización propio.
b) La función de costo de largo plazo. Corresponde a la relación entre el costo unitario de producción a plena capacidad, de un proceso tecnológico, y el tamaño de la capacidad de la unidad productiva. A mayor tamaño el costo unitario de producción disminuye, este fenómeno económico explica la fusión de las empresas. La globalización interrelaciona los mercados, aprovechándose las economías de escala que llevará a un ordenamiento más eficiente de la producción mundial.
Curva de costos de Largo Plazo.
CU Costos Unitarios CU1 CU min.
En los países poco desarrollados es difícil generar proyectos de gran magnitud.
T1
Top
Tamaño o escala
c) Tamaño Mínimo y la Políticas de protección. Se considera que la viabilidad económica de un proyecto está condicionado a la posibilidad de establecer un tamaño mínimo cuyo costo unitario de producción sea igual o menor al precio internacional del proyecto.
POLITICAS PROTECCIONISTAS : consistentes en la aplicación de altos impuestos arancelarios a las importaciones, lo que al elevar artificialmente el precio del producto importado, permitía viabilizar el establecimiento de industrias protegidas con tamaños reducidos y orientadas exclusivamente al mercado interno (las industrias se mantenían ineficientes y no sumían una competitividad internacional)., ya que sus costos de operación eran mayores a los precios internacionales La tendencia actual mundial es eliminar el proteccionismo, que implica la disminución o eliminación de las tasas arancelarias.
3.3 PERIODO OPTIMO DE DISEÑO ( X1, X1* ) C r r i i t t e e r r i i o o s s e c c o o n n ó ó m i m i c c o o s s e n n l o o s s q u u e e s e e p r r i i o o r r i i z z a a l a a i n n v v e e r r s s i i ó ó n n y s e e m i m i n n i i m i m i z z a a n n l a a s s c a a p p a a c c i i d d a a d d e e s s o c c i i o o s s a a s s , s e e l l e e c c c c i i o o n n a a n n d d o o e l l p e e r r í í o d d o o ó p p t t i i m o m o s e e g g ú ú n n l a a i n n g g e e n n i i e e r r í í a d e e l l p r r o o y y e e c c t t o o y e l l t i i p p o o d e e s e e r r v v i i c c i i o o .
Se efectúa con el criterio de ¨ Sensibilidad Económica ¨. Utiliza la economía de escala, siendo la ecuación de costos:
C
=
α
kT
C =
Costo del elemento
K =
Factor de ajuste que depende de las características del insumo de la obra
T=
Tamaño del elemento (En tuberías ….. reservorio …..
a
=
diámetro Volumen)
Factor de economía de escala
r
r
α
=1
No hay economía. No existe período óptimo. El dimensionamiento queda a criterio del proyectista.
α
<1
Si hay economía. Existe un período óptimo. El elemento debe ser diseñado para el período óptimo.
α
>1
Hay des - economía. Es una solución para ese período óptimo que resulta demasiado costosa. El elemento se diseña para el tiempo en que se satisface la demanda ó habrá que propiciar otras alternativas para este elemento.
FACTOR DE ECONOMIA DE ESCALA ( a)
OBRA
FACTOR DE ECONOMIA DE ESCALA (a)
CAPTACION LINEA DE CONDUCCION, ADUCCION E IMPULSION PLANTA DE TRATAMIENTO RESERVORIOS REDES HIDRAULICAS
0.2 0.4
REDES DE ALCANTARILLADO
0.4
0.7 0.6 0.3
arocha
La determinación de la capacidad del sistema de abastecimiento de agua de una localidad debe ser dependiente de su costo total capitalizado.
Las variables que están relacionadas con el costo son diversas (tamaño de la población, materiales, horas de funcionamiento, calidad del servicio,…) por lo que no resulta recomendable usar períodos de diseño generalizados.
Los sistemas de abastecimiento se diseñan y construyen para la población futura, la cual es mayor que la población actual.
Siendo el período de diseño uno de los factores condicionante del tamaño del sistema de abastecimiento, cabe preguntarse, ¿qué dimensiones debe tener?
Economía de Escala … Cuando la empresa crece, es decir, aumenta su escala de producción, se producen ciertos ahorros que permiten disminuir el costo por unidad de producción. El crecimiento de la planta o del volumen de producción que origina ahorros o costos bajos se denomina economía de escala. Las economías de escala pueden ser internas cuando los ahorros se deben al funcionamiento interno de la empresa y externas cuando los ahorros son ocasionados por factores externos al funcionamiento de la empresa.
Donal T. Lauria (*) desarrolla un modelo matemático para analizar esta variable y considera que la demanda se incrementa linealmente con el tiempo: Caudal=D0+DTiempo
CAUDAL (l/s)
XD
D
XD
1
XD
MODELO DE DEFICIT PARA CONSTRUCCIO N INICIAL Y AMPLIACIONE S FUTURAS
XD X1D D0+YD+X1D
YD
X1
D0 X0
Y
X
Y+X1
X
Y+X1+X
X
X
Y+X1+3X Y+X1+2X
TIEMPO
En la figura se evidencia que el proyecto inicial debe satisfacer la demanda D0 y tener un exceso de capacidad para cubrir la demanda que se incrementa en un período X 1, a una razón constante igual a X1D. (*) Planning Small water supplies in Developing countries, Offce of Health Agency for InternationalDevelopment. Chapel Hill, N. C., 1972
NOTA: Revisar S. AROCHA
La expresión que determina el costo está dado por:
K ( D0
+
α
X1 D)
e
− rX
1
+
α
K ( XD )
1− e
− rX
El valor óptimo de X se obtiene derivando e igualando a cero pero es de difícil determinación, por lo que Lauria concluye que la expresión que determina el costo para un diseño con déficit: * X 1 =
2.6(1 − α )1.12 r
+
0.3(1 − α ) r
0.85
X 0
X 1 = Período óptimo de diseño SIN
DEFICIT INICIAL [años]
X 1* = Período óptimo de diseño económico con déficit inicial [años] X 0 = Período de retraso
[años]
a
=
Intercepto de la demanda con el eje de abcisas (período transcurrido para la demanda=0) Factor de economía de escala
r
=
tasa de interés anual, costo de oportunidad de capital a valores reales
EJEMPLO
PERIODO DE DISEÑO SIN DEFICIT Se desea determinar el período óptimo de diseño sin déficit para el sistema de abastecimiento de agua proyectado (r= 12 %). OBRA
COSTO
Captación
10,300
Línea de Impulsión
4,325
Red de Distribución
43,245
Reservorio
23,433
Planta de Tratamiento
35,265
