1. INTRODUCCIÓN

En la actualidad, ante el aumento dramático de la población en nuestro país y en general en el mundo entero, los diferentes servicios y recursos de que se dispone tienen que ser mejor administrados. La optimización de los recursos ha alcanzado todos los niveles de la vida humana. En el caso del agua, dicha optimización adquiere gran importancia, ya que la disponibilidad del vital líquido disminuye cada vez más y por lo tanto su obtención se dificulta y encarece de manera importante. Un uso eficiente del agua implica la utilización de mejores sistemas de extracción, conducción y almacenamiento de agua; además del campo de la forma de pensar de los usuarios del recurso.Dentro de los sistemas de conducción, en el mercado existen tuberías fabricadas con grandiversidad de materiales, que dependiendo de las condiciones de operación se comportan de manera satisfactorias o no .El conjunto de las diversas obras que tienen por objeto suministrar agua a una población en cantidad suficiente, calidad adecuada, presión necesaria y en forma continua constituye un Sistema de Abastecimiento de Agua Potable.

2.- MARCO TEORICO

2.1.- Reservorios

Las instalaciones de almacenamiento de agua tratada desempeñan una función vital en el abastecimiento de agua segura, adecuada y confiable. Las escuelas, hospitales, asilos, fábricas y casas particulares dependen de un abastecimiento constante y confiable de agua segura. Si no se logra mantener la integridad estructural y sanitaria de las instalaciones de almacenamiento, se pueden producir pérdidas en la propiedad, enfermedades y muerte.

2.1.1.- Objetivos generales

Examinar los principales componentes de los tanques de almacenamiento de agua tratada, apoyados en el terreno, elevados e hidroneumáticos. Identificar los datos claves de diseño, mantenimiento y operación de los reservorios para determinar su adecuación y confiabilidad. Evaluar las prácticas y equipo de seguridad del operador en relación con los reservorios.

Reconocer los riesgos sanitarios relacionados con la capacidad, condición física y operación de los sistemas de almacenamiento, tales como volumen y presión inadecuados, contaminación por animales e insectos, corrosión, desgaste de metales y vandalismo.

2.1.2.- Recolección de datos

Para evaluar y estimar los riesgos sanitarios del almacenamiento de agua, el inspector debe recolectar los siguientes datos:

Tipo y volumen de las instalaciones de almacenamiento resultados de la última inspección normas usadas para la construcción de tanques presiones máximas y mínimas en los sitios altos y bajos del sistema número de zonas de presión en el sistema

Presiones máximas y mínimas en cada zona de presión

Documentación de la aprobación estatal para los cambios o instalación de tanques

Existencia de un modelo hidráulico del sistema

Tipo de prueba para el cloro residual.

2.1.3.- Información básica

La finalidad del almacenamiento es asegurar la disponibilidad constante de agua segura en situaciones normales y de emergencia.

Pozo de agua tratada El almacenamiento de agua tratada a menudo se inicia en la planta de tratamiento en lo que se conoce como pozo de agua clara o tratada. En el sistema de distribución, los tanques de almacenamiento generalmente se colocan sobre soportes de acero o se construyen en una elevación para que haya presión del agua. Los sistemas más pequeños suelen usar un tanque que proporciona presión, conocido como tanque hidroneumático.

Volumen y presión adecuados El servicio de agua deben proveer agua segura en todo momento en volúmenes adecuados con presión suficiente

Impacto del almacenamiento deficiente:

La presión baja, volúmenes inadecuados y la contaminación de los reservorios son el resultado de deficiencias en:

Diseño

Construcción

Operación

Mantenimiento.

Variación en la demanda de agua A lo largo del día se producen cambios significativos en la demanda de agua del sistema de distribución. Por ello, un reservorio de agua tratada actúa como una reserva o amortiguador y previene cambios súbitos en la presión de agua.

2.1.4.- Almacenamiento por gravedad

Las instalaciones (tanques) de almacenamiento por gravedad se deben colocar en un lugar elevado para mantener la presión suficiente en el sistema a fin de atender a todos los usuarios del área de servicio. Esa elevación se logra al: Montar el tanque en soportes estructurales sobre el terreno Construir el tanque en una colina o promontorio.

.

2.1.5.- Preferencia por tanques de gran diámetro

En sistemas que utilizan almacenamiento por gravedad, la presión de carga del sistema de distribución fluctúa según el nivel de agua del tanque.

Se prefieren los tanques de almacenamiento poco profundo y de mayor diámetro que aquellos profundos y de menor diámetro porque los primeros tienen más agua por metro de descenso de nivel y, por ende, son menos propensos a los cambios de presión.

2.1.6.- Materiales: Los tanques de almacenamiento se construyen usualmente con acero o concreto reforzado. Las torres de agua y tanques elevados prefabricados tienen diversas capacidades. Los tanques de concreto pre comprimido son comunes a nivel del terreno y subterráneos.

Son muy populares ya que requieren menos mantenimiento que los de acero

2.1.7.- Componentes: Además del tanque básico, los reservorios (para tanques elevados y pozos de agua clara) incluyen algunos o todos estos componente .

Cubierta o techo: Protege contra la lluvia y sustancias extrañas (aves, excrementos de aves, hojas, etc.). No debe haber ninguna brecha entre las uniones del techo y las paredes laterales.

Ventilación (con rejilla): Los tanques por gravedad deben ‘respirar’ mientras se llenan y vacían. Un orificio de ventilación obstruido puede causar daño estructural en el tanque debido a un vacío o exceso de presión. La ventilación debe tener una rejilla para evitar el ingreso de aves, insectos y mamíferos.

Tubería de rebose (con rejilla): Previene el exceso de presión y el daño estructural en el tanque y sistema de distribución si no se apagan las bombas de suministro. En el área de rebose se requiere una rejilla para evitar el ingreso de aves, insectos y mamíferos.

Tubería de entrada y salida Conexión del sistema de distribución para llenar y vaciar el tanque.

Tubería de drenaje: Vacía la instalación de almacenamiento (pero no en el sistema distribución).

Válvulas esclusas: Aísla el tanque del sistema distribución. Tapas de acceso: Para la inspección y mantenimiento. Placas de protección catódica Acceso a las varillas de protección catódica. Escaleras y pasillos Para la inspección y mantenimiento del interior y exterior.

Los pasillos interiores deben tener un piso sólido con bordes elevados para evitar que el agua se ensucie.

Cerca: Para la vigilancia y seguridad. Escala hidrométrica con flotador Para medir el nivel de agua en el tanque. Sensor ultrasónico: Para medir el nivel de agua en el tanque. Manómetro: Para medir la presión o carga ejercida por el agua. Sistema de control: Mantiene el nivel de agua en el tanque. Válvula reguladora de nivel Previene el desborde de un tanque situado en una

menor elevación, a la vez que permite el llenado de un tanque ubicado en un lugar más elevado.

Caja de válvulas: Contiene una válvula reguladora de nivel, válvula de aislamiento y válvulas de drenaje.

Sistema de alarma: Detecta niveles de agua inaceptables por ser excesivamente altos o bajos y envía señales a los operadores.

2.1.8.- Ventajas

Un sistema de almacenamiento por gravedad ofrece varias ventajas en comparación con otros sistemas (por ejempló, hidroneumáticos): mayor flexibilidad para satisfacer las demandas máximas con menor variación de presión almacenamiento en caso de control de incendios almacenamiento de uno a cinco días para satisfacer la demanda de agua uso de pozos de baja capacidad (pozos no requeridos para satisfacer la demanda máxima del sistema) dimensionamiento adecuado de las bombas para aprovechar los descuentos en las tarifas eléctricas (capacidad de bombeo durante las horas de menor demanda y costo) reducción del ciclo de encendido y apagado de las bombas.

2.2.- Riesgos sanitarios del almacenamiento por gravedad.

2.2.1. ¿El sistema de almacenamiento está diseñado para bombeo directo’ o para ‘flotación’ en el sistema de distribución?

Los sistemas de bombeo directo, a diferencia de los sistemas flotantes, tienen un tanque de almacenamiento que proporciona un tiempo de contacto adicional del cloro. También tienen mayor fluctuación en la presión de carga que los sistemas flotantes. En los sistemas flotantes, el agua tratada se envía directamente al usuario a través del sistema de distribución. Si la desinfección en la planta de tratamiento no es adecuada, puede representar un riesgo sanitario.

2.2.2. ¿La capacidad de almacenamiento es adecuada?

En sistemas de almacenamiento por gravedad, la capacidad total de almacenamiento debe ser igual a la demanda promedio diaria de uno a cinco días. El tanque de almacenamiento debe tener capacidad de reserva para superar condiciones extremas, como los cortes de electricidad, lo cual inhabilitaría a las bombas a menos que exista energía de reserva. Las instalaciones sin almacenamiento adecuado corren el riesgo de perder la presión del sistema.

2.2. 3. ¿El reservorio está sobredimensionado?

Por el contrario, los reservorios que están sobredimensionados corren el riesgo de producir agua con sabor y olor desagradables. El cloro residual se puede perder si no se usa y reemplaza el agua en forma regular.

2.2.4. ¿La capacidad de bombeo es adecuada?

La capacidad de bombeo se debe diseñar para suministrar agua que satisfaga la demanda máxima normal y posible incendio, a la vez que previene la pérdida excesiva de presión de carga en el tanque. La mayoría de sistemas pequeños no se diseñan para satisfacer la demanda de un incendio.

2.2.5. ¿La elevación del tanque es suficiente para mantener la presión de distribución en todo el sistema?

El tanque de agua se debe ubicar por encima del sistema de distribución para producir presiones mínimas de operación.

2.2.6. ¿Existe la necesidad de crear zonas de presión separadas?

Las presiones no deben exceder de 7 kgf/cm2 (100 psi) (70 m) (231 pies). En comunidades con topografía variable, los usuarios que viven en las zonas más altas podrían experimentar condiciones de presión baja si el sistema de almacenamiento por gravedad no se diseña con zonas de presión separadas. El inspector no debe asumir que por el hecho de que la capacidad de almacenamiento esté bien diseñada, realmente se use. Durante la inspección sanitaria, el inspector debe evaluar la estrategia de operación del sistema de almacenamiento.

2.2.7. ¿El operador comprende los controles?

El operador debe comprender las funciones de los sistemas de control y ser capaz de hacer ajustes menores. Debe haber un registro que indique a qué elevación y presión se controla cada fase del ciclo de bombeo y con qué presión se activan las alarmas. En el caso de válvulas reguladoras de nivel y sistemas de tanques múltiples, el operador debe poder tomar lecturas del nivel de presión y agua, y ajustar las válvulas para controlar los niveles del tanque.

2.2.8. ¿Existe una distancia mínima de subida y bajada adecuada?

Los controles automáticos de la bomba de suministro deben mantener al mínimo la distancia de subida y bajada del nivel de agua en el tanque para mantener un

Volumen adecuado de agua y una presión constante en el sistema de distribución. Sin embargo, el ascenso y descenso deben ser adecuados para prevenir un exceso de ciclos de la bomba durante las horas de mayor uso. Se puede permitir que el nivel de agua en el tanque suba lo más cerca a la tubería de rebose antes de detener las bombas de suministro. Sin embargo, el nivel máximo de agua no debe exceder ese límite a fin de evitar derrames durante la operación automática.

2.2.9. ¿Los sistemas de control son confiables y están protegidas adecuadamente?

Determine si los controles son confiables y si funcionan adecuadamente. Cada reservorio se debe equipar con un interruptor de nivel y un sistema de alarma que advierta los niveles bajos de agua y fallas en la bomba. El inspector debe verificar la correcta condición de los dispositivos de control del cableado. Verifique que haya protección adecuada contra rayos y otros factores externos.

2.2.10. ¿El indicador del nivel de agua es exacto?

Todos los tanques de almacenamiento se deben equipar con un instrumento confiable para medir el nivel de agua. El indicador de nivel más confiable es una escala hidrométrica con flotador, siempre que se mantenga adecuadamente. Los manómetros se usan para determinar el nivel de agua, pero se deben realizar chequeos visuales ocasionales del tanque para comprobar la exactitud del manómetro.

2.2.11. ¿Existe un programa de mantenimiento?

El mantenimiento de los sistemas de control requiere experiencia en controles industriales. El operador debe estar capacitado en esa área o debe contar con la ayuda de un experto para solucionar cualquier falla en el sistema.

3.- LÍNEA DE CONDUCCIÓN

Se entiende por línea de conducción al tramo de tubería que transporta agua desde la captación hasta la planta potabilizadora o bien hasta el tanque de regularización dependiendo de la configuración del sistema de agua potable.

Una línea de Conducción debe seguir, en lo posible, el perfil del terreno y debe ubicarse de manera que pueda inspeccionarse fácilmente. Esta puede diseñarse para trabajar por gravedad o bombeo.

Para que se utilice la distribución por gravedad, es necesario que la fuente de suministro, sea un lago o un embalse, este situado en algún punto elevado respecto a la ciudad, de manera que pueda mantenerse una presión suficiente en las tuberías principales. Este método es el más aconsejable si la conducción que une la fuente con la ciudad es de tamaño adecuado y está bien protegida contra roturas accidentales.

Cuando las condiciones de terreno o el gasto necesario del suministro de agua no permiten el diseño de la línea de conducción por gravedad, se utiliza el bombeo, teniendo dos variantes.

La primera es utilización de bombas, mas el almacenado de cierta cantidad de agua. En general, cuando se emplea este método, el exceso de agua se almacena en un tanque elevado durante los periodos de bajo consumo. Durante los periodos de alto consumo el agua almacenada se utiliza para aumentar la suministrada por la bomba. Este sistema permite obtener un rendimiento uniforme en las bombas y, por lo tanto es económico, ya que se puede hacer trabajar a las bombas en condiciones optimas. Por otra parte, como el agua almacenada proporciona una reserva que puede utilizarse en los casos de incendio y cuando se producen averías en las bombas, este método de operación proporciona una amplia seguridad.

La segunda opción es la de utilización de bombas sin almacenamiento, en este caso las bombas introducen el agua directamente en la tubería sin otra salida que la del agua realmente consumida. Es el sistema menos deseable, ya que una avería en la fuente de energía ocasionaría una interrupción completa en el suministro de agua. Al variar el consumo, la presión en las tuberías fluctuara fácilmente. Si las bombas se accionan eléctricamente, su punta de consumo es fácil que coincida con la de la demanda general, lo que incrementa el costo de la energía.

3.1 Consideraciones de Diseño

3.1.1 Gastos de diseño:

Normalmente se diseña para conducir el volumen de agua requerido en un día máximo de consumo, es decir, Qmax, diario.Las variaciones horarias en ese día serán absorbidas por el tanque de regularización.

Otra opción para diseñar es la tomar como base el consumo máximo por hora, Qmax,horario y omitir la construcción del tanque de regularización.

Es importante resaltar que para las líneas de conducción por bombeo, deben planearse para que operen 24 horas al día. De otra manera, deben ajustarse los gastos de diseño para satisfacer las necesidades requeridas (aumentar el gasto de conducción y, por lo tanto, el diámetro de la tubería).

3.1.2 Presiones de diseño:

Las líneas de conducción son ductos que siguen la topografía del terreno y trabajan a presión.

Al diseñar una línea de conducción por gravedad, uno debe de tener muy en cuenta el cálculo de la línea piezométrica (línea de energía) y la línea de gradiente hidráulico (presión + elevación.). Pues se debe cuidar que la línea de gradiente hidráulico se encuentre siempre por encima del eje de la tubería, evitando así presiones negativas en la línea.

Otro factor muy importante a tomarse en cuenta es la selección de la tubería para la línea de conducción, esta debe soportar la presión más alta que pueda presentarse en la línea de conducción. Generalmente la presión más alta no se presenta cuando el sistema está en operación, sino cuando la válvula de salida se encuentra cerrada y se desarrollan presiones hidrostáticas. También las presiones pueden elevarse mucho cuando se presenta un golpe de ariete (por cierre súbito de una válvula o porque una bomba deja de funcionar) que genera una sobrepresión.

4.- TUBERÍAS:

4.1Concepto y clases:

Las tuberías que comúnmente se utilizan para la construcción de líneas de conducción son: acero, fierro galvanizado, fierro fundido, asbesto-cemento, PVC, polietileno de alta densidad y cobre.

4.1.1) Tubería de acero

Diámetros comerciales: varían en 2” desde 4” hasta 24”, y a cada 6” entre 30” y 72”

Ventajas: - Tienen una vida útil prolongada cuando se instala, protege y mantiene correctamente.

- Se recomienda su uso cuando se requiera de diámetros grandes y presiones elevadas.

- Material resistente y liviano para cubrir dichas condiciones.

Desventajas: - Daños estructurales debido a corrosión son mayores que en fierro fundido debido a las paredes más delgadas de estas tubería.

- El acero se expande ¾” por cada 100 ft de largo cuando la temperatura se aproxima a los 40°C. Por lo tanto, se requiere instalar juntas que permitan tal expansión.

4.1.2) Tubería de fierro fundido:

Diámetros comerciales: 3”,4” en incrementos de 2” hasta 20”, 24” y en incrementos de 6” hasta 48”.

Largos comerciales: El largo estándar es de 12ft (4m), pero también pueden obtenerse largos hasta de 20ft (6m).

Presión: Fabricada para soportar presiones de hasta 350psi (2500 kN/m2).

Una tubería de fierro fundido puede durar más de 100 años en servicio bajo condiciones normales de operación (previniendo corrosión). La corrosión externa no es problema, generalmente, debido a los espesores de pared relativamente grandes que se manejan. Aun así, la tubería se puede encamisar con polietileno para protegerla de ambientes desfavorables. La tubería dúctil ha venido reemplazando a la tradicional de fierro fundido.

Hecha de una aleación de magnesio con hierro, de bajo contenido en fósforo y azufre.

4.1.3) Tubería de fierro galvanizado:

Tubería de fierro fundido recubierta con zinc (el principal propósito de este recubrimiento es el disminuir la corrosión.)

Diámetros comerciales de 2.5, 3, 3.5, 4, 5, 6, 8, 10 pulgadas.

Existe también la tubería de metal corrugado (galvanizado), la cual se utiliza para drenaje (alcantarillas en carreteras). El corrugado aumenta la resistencia de la tubería y permite reducir su espesor de pared.

4.1.4) Tubería de concreto

Comúnmente fabricada para proyectos específicos, así que diámetros especiales son relativamente fáciles de obtener. Disponibles en tamaños hasta de 72” (2 m).

Tubería destinada a servir líneas de alta presión, se elabora con alma de acero para resistir tensión. El refuerzo de acero se omite en la fabricación de tubería de baja presión. Tubería fabricada para resistir presiones estáticas de hasta 400 psi (2,700 kN/m2).

4.1.5) Tubería de asbesto-cemento

Tubería hacha a base de cemento Portland, sílica y fibras de asbesto.

Diámetros comerciales: 4” hasta 36” (0.1 m – 1.0 m).

Largos comerciales: Largo estándar de 13 ft (4m).

Presión: Se fabrica en diferentes “grados” para soportar presiones de hasta 200 psi (1,500 kN/m2).

Ventajas: Ligera, de fácil instalación, resistente a la corrosión.

Desventajas:

- Se ha demostrado que el asbesto es cancerígeno cuando las fibras son inaladas, pero no hay evidencia contundente de que causen algún problema si son ingeridas.

- Las fibras de asbesto pueden ser despedidas de la tubería por aguas agresivas.

- Frágil, es de fácil ruptura por equipo de excavación.

Se puede observar que dentro del listado de las diferentes tuberías que se utilizan actualmente para líneas de conducción no se describieron las características y especificaciones de todas, esto es, porque el terreno y las características de la localidad obligan a utilizan tuberías muy resistentes.

4.2. Los criterios para seleccionar el material adecuado son:

Factores hidráulicos (gastos, presiones y velocidades de diseño)

Costo

Diámetros disponibles

Calidad del agua y tipo de suelo.

También se tienen ciertas recomendaciones para la selección de tuberías:

1. La tubería de acero es muy resistente y se recomienda su uso cuando las presiones de diseño sean altas. Sin embargo su costo y el de las piezas especiales son elevados y esto elevaría mucho el costo del proyecto. Por ello se recomienda analizar otras opciones de tuberías, con la instalación de cajas rompedoras de presión.

2. Las tuberías de asbesto-cemento son resistente a la corrosión y ligeras. Estas requieren de cuidado especial en su transporte, manejo y almacenaje. El asbesto- cemento debe considerarse para diámetros intermedios de hasta 400 mm.

3. Las tuberías de plástico son ligeras y de instalación rápida, además de ser resistentes a la corrosión y tener bajos coeficientes de rugosidad.

4. Se recomienda PVC o polietileno para diámetros menores a 150 mm.

5. Cuando se requiera mayor resistencia a presiones o posibles asentamientos del terreno entonces se recomienda el fierro galvanizado, o bien acero para diámetros mayores.

5.- Análisis y diseño de Tuberías Enterradas. Modelos de Carga

Básicamente consiste en definir la magnitud y modo de transmisión de las diferentes solicitaciones a las que se verá sometida una tubería instalada en condición de enterramiento.Para efectos de este modelo se consideraran tanto la carga viva típica, así como las cargas muertas y sus efectos.Los modelos para análisis y diseño de sistemas subterráneos para conducción de agua por gravedad se pueden clasificar bajo diferentes criterios, según:- Geometría- Material o materiales que lo constituyen- Comportamiento o clasificación estructural- Metodología de instalación- Proceso de fabricación, etc.

En un sentido mecánico estricto todas las tuberías son flexibles dado que siempre experimentaran una deformación, por mínima que sea, ante la aplicación de una carga, o combinación de estas, distinta de cero. Sin embargo aquí se ha

establecido una clasificación en flexibles y rígidas, en función de si están o no en capacidad de interactuar significativamente con el material de entorno.Aquellos sistemas que se clasifican como estructuralmente flexibles es porque las funciones esfuerzo-deformación del tubo, en correspondencia con las del material en que se encuentra instalado, permiten una interacción significativa. Las rígidasse definirán entonces por contraposición, no necesariamente absoluta, a esta definición.Los modelos a emplear parten del concepto de sistema suelo-tubo, mismo que se puede definir como aquel en el cual el efecto de las cargas aplicadas, sean permanentes, temporales o accidentales, es distribuido entre los elementos que conforman el sistema resistente en función a la compatibilidad de deformaciones, las rigideces relativas y por tanto de la configuración geométrica y cinemática del conjunto.Para cada combinación de cargas se puede definir un sistema balanceado entre características del tubo, material circundante y dimensiones de la zanja. Para efectos prácticos y generales basta con definir un solo sistema que cubre la gran mayoría de los casos posibles en campo, sin que esto elimine la posibilidad de buscar alterativas que, para una condición especifica, sean mas económicas, seguras o practicas, o bien combinación de estas.El proceso se inicia con la definición de las cargas y su aplicación, escogiéndose el modelo de distribución de estas, a la vez que se determinan los factores de mayorizacion cuando hay grados de incertidumbre sobre el valor máximo, o bien determinando las magnitudes y justificando los supuestos que llevan a estas.

5.1.-Cálculo de las cargas muertas

Para el análisis y diseño de tuberías enterradas, se conocen como cargas muertas aquellas que corresponden al efecto del prisma de terreno sobre el plano superior de la tubería y a la interacción de este con el material circundante y las condiciones en que se le instalo.Las tuberías flexibles se caracterizan por poder interactuar de manera significativa con el medio circundante (pared de zanja, encamado y material de entorno, principalmente).Esto permite una interrelación a nivel casi infinitesimal del tubo y el entorno, lográndose un comportamiento estructural del sistema final que incluso supera al de tuberías muy rígidas como el caso de las tuberías de concreto reforzado.Como ya se dijo, estrictamente hablando todas las tuberías son flexibles, en menor o en mayor grado, pero para efectos prácticos se consideran flexibles aquellas que, cuando menos, pueden deformarse anularmente de un 2 a un 3% de su diámetro inicial sin sufrir daños.Con este rango de deformación se logra que, para la gran mayoría de los suelos, se genere un estado de esfuerzos capaz de sacar provecho de la densidad y calidad que todo material de entorno, para la tubería que sea, debe tener para que la instalación se considere satisfactoria.Gracias a ese mecanismo es que se logran elementos hechos de materiales de excelentes prestaciones físicas y químicas, con un peso muy favorable para su transporte y colocación.

Incluso, desde hace ya varias décadas la ACPA (American Concrete Pipe Association) ha venido efectuando investigaciones prácticas y desarrollando modelos numéricos en los que analizan el efecto benéfico que puede darse en el comportamiento de las tuberías rígidas de concreto si el entorno de instalación se hace con bien definidas condiciones. El resultado está plasmado en las más recientes versiones del Handbook de las Tuberíasde Concreto, específicamente en el ítem de SIDD (Standard Installation Direct Design).Este programa basado en análisis estructural por método de elementos finitos, en tuberías rígidas, permite sacar ventaja de la buena instalación aun en el caso de tuberías rígidas. Con las tuberías flexibles las ventajas son más evidentes y numéricamente más significativas, tal y como se demuestra con los teoremas y formulas que se presentan. Los conceptos de diseño se enfocan, para el caso de las tuberías flexibles, en:-Características del material de pared de zanja-Características del material que se colocará a los lados de las tuberías-Propiedades mecánicas de la pared del tubo y de su diámetro-Ancho de zanja-Cargas vivas y muertas actuando sobre el tubo.La capacidad estructural se cuantifica de acuerdo a lo que el sistema en conjunto aporta y no solo basándose en lo que el tubo por si solo pueda ofrecer, lo que, al fin y al cabo, solo es un eslabón de la cadena.Las tuberías flexibles desarrollan en conjunto con el entorno un estado de esfuerzos que les permite, debidamente diseñadas e instaladas, colocarlas con alturas de relleno que pueden ampliamente superar las que, usualmente, se logran con tuberías de concreto reforzadas según las normativas vigentes.La figura adjunta muestra como se da la interacción con el tubo flexible, generando un balance muy conveniente de esfuerzos.Cabe aclarar que el material de relleno colocado por encima del cuadrante superior o corona tiene muy poca influencia sobre el comportamiento estructural del tubo salvo cuando se trata de tuberías muy superficiales sometidas a cargas vivas de importante magnitud, y desde luego también por el efecto del peso volumétrico del terreno.

5.2.-Las cargas vivas: Wv

Las cargas sobre las superficies de las estructuras destinadas al transporte terrestre que pueden ser estáticas (sobre cargas) o bien dinámicas provenientes del tráfico de vehículos.

5.2.1Tipos de cargas Vivas

En el caso de tuberías enterradas, las cargas vivas pueden ser:- Autos- Camiones- Trenes- Aeroportuarias, etc.

6. Golpe de Ariete

El golpe de ariete o pulso de Joukowski, llamado así por la ingeniero ruso Nikolái Zhukovski, es junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e instalaciones hidráulicas.

Material destruido por un "golpe de ariete".

El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará siendo mitigada

progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y a la dilatación de la tubería.

Si el cierre o apertura de la válvula es brusco, es decir, si el tiempo de cierre es menor que el tiempo que tarda la onda en recorrer la tubería ida y vuelta, la sobrepresión máxima se calcula como

,

Donde:

C es la velocidad de la onda (velocidad relativa respecto al fluido) de sobrepresión o depresión,

Vo es la velocidad media del fluido, en régimen, g = 9.81m / s2 es la aceleración de la gravedad.

A su vez, la velocidad de la onda se calcula como:

Donde:

K es el módulo elástico del fluido, ro es la densidad del fluido, E es el módulo de elasticidad (módulo de Young) de la tubería que

naturalmente depende del material de la misma, e es el espesor de las paredes de la tubería, D es el diámetro de la tubería.

Para el caso particular de tener agua como fluido:

ro = 1000kg / m3

K = 2.074E + 09N / m2

Esta expresión se llega a la fórmula de Allievi:

donde se introduce una variable (lambda) que depende del material de la tubería, y a modo de referencia se da el siguiente valor: λacero = 0.5

El problema del golpe de ariete es uno de los problemas más complejos de la hidráulica, y se resuelve generalmente mediante modelos matemáticos que permiten simular el comportamiento del sistema.

Las bombas de ariete funcionan gracias a este fenómeno.

6.1. CONSECUENCIAS

Este fenómeno es muy peligroso, ya que la sobrepresión generada puede llegar a entre 60 y 100 veces la presión normal de la tubería, ocasionando roturas en los accesorios instalados en los extremos (grifos, válvulas, etc.).

La fuerza del golpe de ariete es directamente proporcional a la longitud del conducto, ya que las ondas de sobrepresión se cargarán de más energía, e inversamente proporcional al tiempo durante el cual se cierra la llave: cuanto menos dura el cierre, más fuerte será el golpe.

El golpe de ariete estropea el sistema de abastecimiento de fluido, a veces hace reventar tuberías de hierro colado, ensancha las de plomo, arranca codos instalados, etc.,

6.2. DISPOSITIVOS PARA CONTROLAR EL GOLPE DE ARIETE

Para evitar este efecto, existen diversos sistemas:

Para evitar los golpes de ariete causados por el cierre de válvulas, hay que estrangular gradualmente la corriente de fluido, es decir, cortándola con lentitud utilizando para ello, por ejemplo, válvulas de asiento. Cuanto más larga es la tubería, tanto más tiempo deberá durar el cierre.

Sin embargo, cuando la interrupción del flujo se debe a causas incontrolables como, por ejemplo, la parada brusca de una bomba eléctrica, se utilizan tanques neumáticos con cámara de aire comprimido, torres piezométricas o válvulas de muelle que puedan absorber la onda de presión, mediante un dispositivo elástico.

Otro método es la colocación de ventosas de aireación, preferiblemente trifuncionales

1. Función: introducir aire cuando en la tubería se extraiga el fluido, para evitar que se generen vacíos.

2. Función: extracción de grandes bolsas de aire que se generen, para evitar que una columna de aire empujada por el fluido acabe reventando codos o, como es más habitual en las crestas de las redes donde acostumbran a acumularse las bolsas de aire.

3. Función: extracción de pequeñas bolsas de aire, debido a que el sistema de las mismas ventosas por lado tienen un sistema que permite la extracción de grandes cantidades y otra vía para las pequeñas bolsas que se puedan alojar en la misma ventosa.

Otro caso común de variación brusca de la velocidad del flujo en la tubería se da en las centrales hidroeléctricas, cuando se produce una caída parcial o total de la demanda. En estos casos tratándose de volúmenes importantes de fluido que deben ser absorbidos, se utilizan en la mayoría de los casos torres piezométricas, o chimeneas de equilibrio que se conectan con la presión atmosférica, o válvulas de seguridad.