Distribución de Presión en una Sección de Canal La presión en cualquier punto de la sección transversal del flujo en un canal con pendiente baja puede medirse por medio de la altura de la columna de agua en un tubo piezométrico instalado en el punto. Al no considerar las pequeñas perturbaciones debidas a la turbulencia, etc., es claro que el agua en esta columna debe subir desde el punto de medición hasta la línea de gradiente hidráulico hid ráulico o superficie de agua. Por consiguiente, la presión en cualquier punto de la sección es directamente proporcional a la profundidad del flujo por debajo de la superficie libre e igual i gual a la presión hidrostática correspondiente a esta profundidad. En otras palabras, la distribución de presiones a lo largo de la sección transversal del canal es igual a la distribución hidrostática de presiones; es decir, la distribución es lineal y puede representarse mediante una línea AB (Figura 3-10). Esto se conoce como “ley hidrostática de distribución d istribución de presiones.”
FIGURA 3-10 Distribución de presiones en canales a flujo paralelo. En efecto, la aplicación de la ley de hidrostática a la distribución de presiones en la sección transversal de un canal es válida solo si los filamentos de flujo no tienen componentes d e aceleración en el plano de la sección transversal. Este tipo de flujo se conoce como flujo paralelo, es decir, aquel cuyas líneas de corriente no tienen curvatura sustancial ni divergencia. En consecuencia, no existen componentes de aceleración apreciables normales a la dirección del flujo, las cuales perturbarían la distribución hidrostática de presiones en la sección transversal de un flujo paralelo. En problemas reales el flujo uniforme es prácticamente un flujo paralelo. El flujo gradualmente variado también puede considerarse como flujo paralelo, debido a que el cambio en la profundidad de flujo es tan suave que las líneas de corriente corriente no tienen curvaturas apreciables ni divergencia; es decir, la cu rvatura y la divergencia son tan pequeñas que el efecto de las componentes de aceleración en el plano de la sección transversal es insignificante. Por consiguiente, para propósitos prácticos, la ley hidrostática de distribución de presiones es aplicable tanto al f lujo gradualmente variado como al flujo uniforme.
Si la curvatura de las líneas de corriente es sustancial, el flujo es conocido teóricamente como flujo curvilíneo. El efecto de la curvatura es el de producir unas componentes de aceleración apreciables o fuerzas centrífugas perpendiculares a la dirección del flujo. Por consiguiente, la distribución de presiones en la sección transversal se diferencia de la hidrostática si el flujo curvilíneo ocurre en un plano vertical. Este flujo curvilíneo puede ser convexo o cóncavo (Figuras 3-11 y 3-12). En ambos casos la distribución de presiones no lineal se representa por ABI en lugar de la distribución recta AB, que ocurriría si el flujo fuera paralelo.
FIGURA 3-11 Distribución de presiones en canales a flujo convexo. Se supone que todas las líneas de corriente son horizontales en la sección bajo consideración. En el flujo cóncavo las fuerzas centrífugas apuntan hacia abajo reforzando la acción de la gravedad; luego, la presión resultante es mayor que la presión hidrostática de un flujo paralelo. En el flujo convexo las fuerzas centrífugas apuntan hacia arriba en contra de la acción de la gravedad; en consecuencia, la presión resultante es menor que la presión hidrostática de un flujo paralelo. De manera similar, cuando la divergencia de las líneas de corriente es tan grande como para desarrollar componentes de aceleraciones apreciables normales al flujo, la distribución hidrostática de presiones será perturbada consecuentemente.
FIGURA 3-12 Distribución de presiones en canales a flujo cóncavo. Sea c la desviación de una presión hidrostática hs en un flujo curvilíneo (Figuras 3-11 y 3-12). Luego la presión real o altura piezometrica es h = hs + c
Si el canal tiene un perfil longitudinal curvo, la presión centrífuga aproximada puede calcularse mediante la ley de aceleración, de Newton, como el producto de la masa del agua que tiene una altura d y un área transversal de 1 pie^2, es decir, γ·d/g, y la aceleración centrífuga V^2/r; o
donde: γ = peso unitario del agua g = aceleración de la gravedad V = velocidad del flujo r = radio de curvatura. La corrección en la altura de la presión es, por consiguiente:
Para calcular el valor de c en el fondo del canal, r es el radio de curvatura del fondo, d es la profundidad del flujo y, para propósitos prácticos, V puede suponerse igual a la velocidad promedio del flujo. Es claro que c es positivo para el flujo cóncavo, negativo para el flujo convexo y cero para el flujo paralelo. En un flujo paralelo la presión es hidrostática y la altura de presión puede representarse por la profundidad del flujo y. Para propósitos de simplificación, la altura de presión de un flujo curvilíneo puede representarse por ' α y, donde ' α es un coeficiente de corrección que tiene en cuenta el efecto de la curvatura. El coeficiente de corrección se conoce como coeficiente de distribución de presiones. Como este coeficiente se aplica a una altura de presión, también puede llamarse específicamente coeficiente de presión. Puede demostrarse que el coeficiente de presión se expresa por:
donde Q = caudal total. y = profundidad de flujo. Con facilidad puede notarse que ' α es mayor que 1 para flujo cóncavo, menor que 1 para flujo convexo e igual a 1 para flujo paralelo. Para perfiles curvilíneos complicados, la distribución de presiones totales puede determinarse de manera aproximada por el método de la red de flujo o, con mayor exactitud, mediante ensayos en modelo.
En el flujo rápidamente variado el cambio de la profundidad de flujo es tan rápido y abrupto que las líneas de corriente poseen una curvatura y una divergencia sustanciales. En consecuencia, la ley hidrostática de distribución de presiones no se aplica de manera estricta para el flujo rápidamente variado. Generalmente el flujo en estudio es paralelo o gradualmente variado, por consiguiente el efecto de la curvatura de las líneas de corriente no será considerado (es decir que, se supondrá que ' α =1) a menos que el flujo se describa de manera especifica como curvilíneo o rápidamente variado.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA REDES DE DISTRIBUCIÓN: Válvulas e Hidrantes.
a) Válvulas
La red de distribución debe estarprovista de válvulas tipo compuertacon vástago no deslizante, provistas de cabezal superior estándar para todos los diámetros, operablesm ediante llave “T”. Las válvulas deben colocarse, en lasintersecciones de las mallas principales,de tal manera que formen cuarteles cuyo desarrollo no debe pasar los siguientes valores: 1500 m en poblaciones menores y de baja densidad de habitantes (menor de250hab/h a). - 800 m en poblaciones con densidad mayor de 250 hab/ha Debe colocarse una válvula en los puntos en que exista un ramal de derivación importante. En poblaciones hasta de 1000 habitantes, puede proveerse sólo unaválvula a la entrada de la población, excepto en los casos en los que se tenga quedefinir áreas de consumo o zonas de presión diferenciada. En los puntos bajos de la red se instalarán válvulas de purga o desagüe y sediseñaran las obras necesarias para su adecuado desagüe. No se permitirá puntosmuertos en la red, debiendo terminar necesariamente en válvulas con drenaje. En los puntos altos de la red se instalarán las ventosas correspondientes. Todas lasválvulas deben complementarse y protegerse con cajas de mampostería, hormigón, ometálicos, con tapa a nivel de la rasante. b) Hidrantes
Los hidrantes deben instalarse en tuberías de un diámetro mínimo de 75 mm [3”] y auna distancia máximo entre ellos, de 500 m. cada hidrante llevará su propiaválvula para aislarla de la red. Se ubicarán de preferencia en las esquinas, ointersección de dos calles, sobre la acera, para un mejor acceso.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA REDES DE DISTRIBUCIÓN: Ubicaron de Tuberías.
Las tuberías de la red de distribución se colocarán en los costados Sur y Este de las calles a 1.0 m del cordón de la acera (o un tercio de la calzada si se ha estado empleando con anterioridad este criterio) y a una profundidad mínima de 0.80 m. en vías con tráfico vehicular, y a 0.50 m en área rural, medidas desde la rasante a la corona del tubo. Como se muestra en la figura 6.1.
FIG. 6.1 UBICACIÓN DE LA TUBERÍA La separación entre tos tuberías de agua potable y alcantarillado será de 3 m en planta. De no poder cumplirse con esta condición, se colocarán los tuberías en zanjas separadas a una distancia de 1.50 m, debiendo colocarse la tubería de agua potable a 0.30 m como mínimo por encima de la de alcantarillado.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA REDES DE DISTRIBUCIÓN: Ubicaron de Tuberías. Las tuberías de la red de distribución se colocarán en los costados Sur y Este de las calles a 1.0 m del cordón de la acera (o un tercio de la calzada si se ha estado empleando con anterioridad este criterio) y a una profundidad mínima de 0.80 m. en vías con tráfico vehicular, y a 0.50 m en área rural, medidas desde la rasante a la corona del tubo. Como se muestra en la figura 6.1.
FIG. 6.1 UBICACIÓN DE LA TUBERÍA La separación entre tos tuberías de agua potable y alcantarillado será de 3 m en planta. De no poder cumplirse con esta condición, se colocarán los tuberías en zanjas separadas a una distancia de 1.50 m, debiendo colocarse la tubería de agua potable a 0.30 m como mínimo por encima de la de alcantarillado.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA REDES DE DISTRIBUCIÓN: Velocidades y Presiones. VELOCIDADES -La velocidad máxima en la red de distribución será de 2 m/s. -La velocidad mínima en ningún caso será menor de 0.30 m/s. PRESIONES Durante el período de la demanda máxima horaria, la presión dinámica en cualquier punto de la red no será menor a: En poblaciones rurales menores, a 5000 habitantes: 5 m.c.a. En poblaciones de 5000 a 15000 habitantes: l0 m.c.a. En poblaciones de áreas urbanas:20 m.c.a. La presión máximo estática no será en ningún caso mayor a 70 m.c.a. Las áreas que estén ubicadas en terrenos altos y que requieran mayores presiones para ser abastecidas, deben tener, en lo posible, sistemas separados de presión, debiendo mantenerse las presiones por medio de bombeo o tanques elevados.
CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA REDES DE DISTRIBUCIÓN: Caudales de Diseño y Diametros Minimos.
CAUDALES DE DISEÑO La red se calculará para el consumo máximo horario en toda su extensión o para el caudal máximo diario mas la demanda contra incendio aplicada sucesivamente en distintos puntos de la red, utilizando para el diseño el valor mayor resultante. La tuberías principales se calcularan con el caudal acumulado que les corresponda, a partir del caudal determinado tal como se indica en el párrafo anterior. Para el cálculo de la red de distribución se considerará la zona urbana actual, de acuerdo con sus densidades actuales y probables. DIAMETROS MINIMOS En poblaciones urbanas mayores de 5000 habitantes el diámetro mínimo será de 50 mm *2”+. En poblaciones urbanas menores a 5000 habitantes se aceptara como diámetro mínimo 38 mm *1 1/2”+.
En poblaciones menores a 5000 habitantes, en el área rural, el diámetro mínimo en sistemas cerrados será de 1”, aceptándose ramales de 3/4” TUBERÍAS DE ADUCCIÓN: Anclajes. En el diseño de líneas de aducción colocadas sobre soportes, se presentan con frecuencia cambios de dirección tanto horizontal como verticales, las cuales provocan un desequilibrio entre las distintas fuerzas actuantes que intentarán desplazar la tubería. A fin de evitar estos posibles desplazamientos se diseñan anclajes especiales, capaces de absorber el desequilibrio de las fuerzas que puedan ocurrir en cualquier cambio en el trazado de la tubería. En la foto 5.2 se ve dos tipos de anclajes en T y en terminación En tuberías de aducción deben preverse los anclajes de seguridad necesarios, ya sea de hormigón (ciclópeo, simple o armado) o metálicos, en los siguientes casos: a) En tuberías expuestas o la intemperie que requieran estar apoyadas en soportes, o adosadas a formaciones naturales de rocas (mediante anclajes metálicos). b) En los cambios de dirección tanto horizontales como verticales de tramos enterrados o expuestos, siempre que el cálculo estructural lo justifique.
FOTO 5.2 ANCLAJE EN “T” (Izq.) Y EN CODO (Der.)
TUBERÍAS DE ADUCCIÓN: reductoras de Presión.
Estaciones
Si en el perfil aparecen depresiones muy profundas, puede ser económico colocar depósitos intermedios llamados cajas rompedoras de presión, que tienen por objeto romper la línea piezométrica, reducir la altura de presión y establecer un nuevo nivel estático que dará lugar a tuberías de menor espesor y por consiguiente, de menor costo (Figura 5.5). Su empleo se recomienda también cuando la calidad de las tuberías, válvulas y accesorios de la tubería de aducción no permiten soportar altas presiones, así como para mantener las presiones máximas de servicio dentro de una red de distribución.
FOTO 5.1 CONSTRUCCION
DE UNA CAMARA ROMPE PRESION
Las estaciones reductoras de presión pueden estar basadas en el uso de válvulas reductoras de presión, en la foto 5.1 se muestra la construcción de una cámara reductora de presión con diferentes accesorios también se muestra la válvula reductora de presión (accesorio verde)
FIG. 5.5
Depósito intermedio o caja rompedora de presión para romper la línea piezométrica
http://www.ingenierocivilinfo.com/2010/02/distribucion-de-presion-en-una-seccion.html http://hidrostaticafisica2.blogspot.com/p/aplicaciones.html http://ofi.mef.gob.pe/bp/ConsultarPIP/frmConsultarPIP.asp?accion=consultar&txtCodigo=267702
