Manual WaterGems

MANUAL BÁSICO

DESCRIPCIÓN BREVE En el siguiente documento se presentan las configuraciones iniciales para el dimensionamiento de redes de abastecimiento de agua potable en el software WaterGEMS GIANFRANCO VILLEGAS FLORES Manual de uso básico

DE WATERGEMS DIMENSIONAMIENTO DE REDES DE AGUA POTABLE

Configuración inicial Bentley WaterGEMS es un software un software comercial de análisis, de análisis, modelación modelación y gestión de redes a presión (sistemas de distribución o de riego) con una completa integración a entornos GIS, entornos GIS, propiedad propiedad de la Empresa de Software Bentley Software Bentley que produce soluciones para el diseño, construcción y operación de infraestructuras en diversos campos. WaterGEMS al igual que WaterCAD que WaterCAD (producto de la misma casa de Software) permiten la simulación hidráulica de un modelo un modelo computacional representado en este caso por elementos tipo: Línea (tramos de tuberías), Punto (Nodos de Consumo, Tanques, Reservorios, Hidrantes) e Híbridos (Bombas, Válvulas de Control, Regulación, etc.). No obstante, WaterGEMS agrega a las capacidades de análisis hidráulico incluidas en WaterCAD, el soporte a entornos GIS entornos GIS y la inclusión de diferentes módulos de análisis avanzado.

1 Configuración del sistema de unidades Después de abrir el software presionando dos veces clic sobre el icono, es importante configurar el sistema de unidades en el que se trabajara. En el caso de Perú se trabaja con el sistema internacional SI. Para configurar el tipo de sistema se siguen los siguientes pasos: • • •

Abrir el software WaterGEMS Seleccionar la opción Create new Project Guardar el archivo en una ruta y nombre establecido por el usuario

Para crear un proyecto nuevo seleccionar la opción Create new project

Figura 1 Pantalla inicial al abrir el software. Quick start Lessons (abre el manual de ayuda del software), Create new project (Crea (Cre a un nuevo proyecto desde cero) y Open Project exist (Abre un proyecto ya existente)

GIANFRANCO VILLEGAS FLORES

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Figura 2 Ir a la Pestaña Tools seleccionar Options y se abre una ventana.

Figura 3. En la ventana ir a la pestaña Units y seleccionar el sistema SI.


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Figura 4. Se recomienda buscar el parámetro Pressure (Presión) y cambiar las unidades kPa a mH2O.

Figura 5. Metodología de cálculo de coeficiente de fricción: Ir a la pestaña Analysis y seleccionar la opción Calculation option para configurar el tipo de cálculo para determinar el coeficiente de fricción en la tubería.


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Configuración para el cálculo de las perdidas por fricción

Figura 6. En la ventana emergente seleccionar Base calculation options (doble clic) se abre la ventana de properties calculation. En esta ventana hay tres opciones: •

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Ecuación de Manning. Es la ecuación utilizada por excelencia en el estudio del Flujo a Superficie Libre (aquél en donde el flujo está abierto a la atmósfera, como en el caso de canales y ríos). Ecuación de Darcy-Weisbach. Es una ecuación teórica utilizada para el cálculo de Pérdidas por Fricción en sistemas operando a Pres ión. Aun cuando es una ecuación completamente desarrollada en fundamentos de la física clásica, haciéndola aplicable para prácticamente cualquier tipo de fluido y en diversas aplicaciones, su uso no se ha extendido (al menos en la parte práctica) debido a lo complejo que es el cálculo del Factor de Fricción (la expresión de este factor es una ecuación implícita), siendo necesario generalmente la realización de iteraciones o el uso de métodos numéricos para lograr la resolución. Ecuación de Hazen-Williams. Esta es una ecuación empírica de extendido uso en el Campo de la Ingeniería Civil para el cálculo de las Pérdidas por Fricción en Conducciones a presión. Surge, a principios del siglo XX, como una tendencia de, precisamente, solventar lo complejo que resultaba el cálculo de estas pérdidas con la Ecuación de Darcy-Weisbach referida anteriormente.


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Selección y asignación del material de la tubería

Figura 7. Ir a la pestaña View y seleccionar la opción Prototypes y se abre una ventana.

Figura 8. En la ventana en el elemento Pipe crear nuevo y presionar dos veces clic. Se abre otra ventana con las propiedades de las tuberías. Aquí se ingresan varios parámetros preliminares para la simulación de la red de abastecimiento de agua potable.


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Figura 9. En el parámetro material seleccionarla y se abre otra ventana que contiene una lista que por defecto tiene el software. Escoger la opción PVC.

Figura 10. En el parámetro diámetro ingresar un diámetro comercial inicial. Para tener un dimensionamiento más real se recomienda ingresar los diámetros internos reales de las tuberías comerciales.


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Vinculación de archivos externos El software WaterGEMS se puede vincular con diferentes tipos de archivos DFX de software CAD, Shapefile de software GIS, JPG entre otros. En este ejemplo se vinculara una imagen de la zona donde se dibujara la red de abastecimiento de agua potable.

Figura 11. En la ventana Backgraund Layers en la opción nuevo se vincula una imagen JPG. También se puede seleccionar otro tipo de archivos.

Figura 12. Al seleccionar la imagen se abre una ventana con las propiedades de la imagen. Se aceptan estas propiedades con OK.


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Figura 13. La imagen mostrada en la hoja de trabajo es un fondo de pantalla no escalada no modificable.

Figura 14. Al comparar una referencia de escala con la medida real, se observa que no coinciden. Se dibuja una tubería y su longitud es de 226m y la imagen tiene un valor de 82m. Se aclara que una vez escalada la imagen se recomienda eliminar la tubería usada para comparar medidas. De lo contrario el software emitirá un error de no conexión de esta tubería con un tanque o embalse.


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Figura 15. Para escalar la imagen se ingresa al backgraund layers, clic derecho y editar la imagen.

Figura 16. Multiplicar las dimensiones de la imagen por el factor de escala para escalar la imagen. El factor de escala es la relación entre la distancia obtenida en la imagen y el valor de la longitud de la tubería dibujada en el área de trabajo.


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Figura 17. Como se aprecia en la imagen las medidas ya coinciden.

Dibujo de la red en el área de trabajo El software permite dibujar cualquier tipo de red, desde redes cerradas hasta redes abiertas y mixtas. También permite insertar elementos como tanques de almacenamiento, válvulas, reservorios, estaciones de bombeo, bombas y otros.

4 Dibujo de la red de tubería. En el siguiente ejemplo se dibujara una red de ci rcuito cerrado.

Figura 18. En el cuadro rojo seleccionado de rojo se escoge el primer icono Pipe.


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Figura 19. Para dibujar la red basta con dar clic en la zona donde se quiere dibujar la red. Cada tubería está determinada por un nodo de inicio y un nodo de término.

Figura 20. Para ver las propiedades de las tuberías o nodos dibujadas en el área de trabajo presionar dos veces clic sobre el elemento.


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5 Insertar tanque de almacenamiento de agua. Los tanques de agua son un elemento fundamental en una red de abastecimiento de agua potable, para compensar las variaciones horarias de la demanda de agua potable. Puesto que las plantas de tratamiento de agua potable funcionan mejor si tienen poca variación del caudal tratado, conviene mantener aproximadamente constante el caudal. Las plantas de tratamiento se dimensionan por lo tanto para que puedan producir la cantidad total de agua que la ciudad o pueblo consume a lo largo del día, y los tanques absorben las variaciones horarias: cuando hay poco consumo (como en la noche) se llenan, y cuando el consumo es máximo (como, por ejemplo, a la hora de cocinar) se vacían.

Figura 21. En la misma barra de elementos seleccionar la opción Tank e insertarlo en un lugar específico de la zona.

Figura 22. Una vez insertado el tanque de almacenamiento dibujar la tubería de unión entre el tanque y la red de distribución de a gua potable.


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Ingreso de datos geométricos de la red La geometría de la red se refiere a las coordenadas y cotas que se registran en los nodos de la red de distribución de agua potable. Estas cotas permiten al software calcular las pendientes de las tuberías.

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Ingreso de las cotas a los nodos

Figura 23. Para ingresar las cotas del terreno a los nodos se ingresa a la pestaña report/ element tables/junction.

Figura 24. En la ventana emergente se observan todos los nodos (junction) dibujados en el área de trabajo. En las celdas de elevación se ingresan las cotas respectivas.


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Figura 25. En esta ventana solo las celdas en blanco son modificables directamente.

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Ingreso de datos geométricos del tanque de almacenamiento

Figura 26. Se presiona dos veces clic sobre el elemento tank y se abre la ventana de propiedades. En esta ventana se ingresa la elevación y los niveles del tanque de almacenamiento.


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Ingreso de las demandas de consumo en los predios Para estimar el consumo de agua potable en la zona de estudio es necesario determinar el plano catastral y cuantificar el número y tipo de predios en la z ona. Una vez determinados los predios se determinan las áreas de consumo por cada nodo existente en la red.

Figura 27. Para ingresar las demandas ir a la pestaña Tools y seleccionar la opción Demand control center y aceptar.

Figura 28. En la ventana emergente seleccionar la opción Initialize demands all elements.


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Figura 29. Ingresar las demandas instaladas en cada nodo.

Validación de la red de distribución de agua El objetivo es determinar si falta ingresar datos a la red o hay problemas con la configuración.

Figura 30. Una vez ingresada toda la información se comprueba si todo está correcto. Para esto ingresar a la pestaña Analysis y seleccionar la opción Validate.


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Figura 31. El software debe indicar que no ha encontrado ningún problema en la red.

Creación de etiquetas para tuberías y nodos Para mostrar explícitamente las propiedades de los elementos se insertan etiquetas tanto a los nodos como a las tuberías. Cada etiqueta es independiente y puede registrar un código de color dependiendo de los resultados obtenidos en la simulación

Figura 32. Ir a la ventana Elements symbology clic derecho en la opción pipe y seleccionar la opción new/ Annotations.


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Figura 33. Seleccionar el tipo de etiqueta que se quiere ingresar, en el caso de las tuberías se ingresa la velocidad, diámetro y longitud. Y para el caso de los nodos, se pueden etiquetar las presiones, niveles, demandas, etc.

Figura 34. Para modificar la ubicación de las etiquetas se cambian los valores de initial offset tanto en la dirección x (izquierda- derecha) y la dirección y (de arribahacia abajo).


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Figura 35. Para insertar un color coding. Ingresar Elements symbology clic derecho en la opción pipe y seleccionar la opción new/ Color coding.

Figura 36. En la ventana emergente para el caso de tuberías seleccionar en file name/ velocity, indicar el valor máximo y mínimo y el color respectivo para cada restricción. Para valores menores al mínimo las tuberías serán de color rojo y lo mismo para valores mayores al valor máximo.


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Figura 37. Esto permite ver en forma gráfica los parámetros de la velocidad y ver que tuberías cumplen o no cumplen con las restricciones impuestas.

Figura 38. Para los nodos se hace el mismo procedimiento, la presión máxima es de 50 m H2O y la presión mínima es de 10 mH2O.


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Simulación de la red de distribución de agua potable Una vez validada la red se procede a simular la red de distribución de agua potable. La simulación aplica algoritmos matemáticos matriciales para determinar la distribución de caudales en todas las tuberías de la red. Posterior a esta simulación se determinan que tuberías cumplen o no cumplen con las restricciones hidráulicas impuestas. Las tuberías que no cumplen serán modificadas (diámetros, material etc). El objetivo es variar algunos parámetros hasta que el sistema cumpla al 100% con las restricciones impuestas. Este procedimiento se le conoce como comprobación de diseño. El software también tiene controles más avanzados para calcular y dimensionar sistemas de distribución de agua potable. Este es el caso de Darwin Designer que permite dimensionar y a la vez optimizar la red aplicando criterios económicos (la combinación más económica) y de beneficio (la combinación con mayores presiones y velocidades permitidas). Se aclara que la simulación se desarrolla considerando un flujo en régimen permanente (simulación estática). El software también permite otro tipo de simulación conocido como EPS (simulación en periodo extendido).

Figura 39. Para simular la red ir a la ficha Analysis/Compute.


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Figura 40. Al terminar el proceso de simulación se abre una ventana de lista de resultados.

Figura 41. Se observa que en el ejemplo establecido los nodos si cumplen con las presiones máximas y mínimas, pero las velocidades en las tuberías no cumplen. Para solucionar este problema es necesario ir modificando los diámetros de las tuberías hasta que todas cumplan.


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Figura 42. Red de distribución de agua potable que cumple con todas las restricciones impuestas por la norma.


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