02. Memoria Descriptiva Del Calculo

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    26-Jan-2016

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RESUMEN

37

RESUMEN El presente trabajo de aplicacin profesional, consiste en proponer el diseo de la Infraestructura de Abastecimiento de Agua potable para la Localidad de San Luis-Ancash, es un sistema de agua de flujo por gravedad, cuya fuente de energa es la accin de la gravedad sobre el agua, es decir, se usa la energa que brinda el desnivel del terreno para transportar el agua. Todas las estructuras conformantes del proyecto han sido diseadas haciendo uso de las ecuaciones Fsicas y Matemticas ya investigadas de la hidrulica de tuberas y mtodos de diseo en concreto armado recomendados por el ACI, las normas indicadas en el Reglamento Nacional de Edificaciones (RNE) y textos especializados indicados en las referencias bibliogrficas, asumindose para ello parmetros bajo consideraciones prcticas de criterios ingenieriles y de funcionabilidad de las estructuras.

En el numeral II (Marco Terico), se resume los conceptos tericos y principios fundamentales, as como las ecuaciones que rigen los sistemas de abastecimiento de agua potable por gravedad. Se detalla los antecedentes para el desarrollo del presente trabajo, mediante la ecuacin fundamental de flujo en tuberas como es la ecuacin de Bernoulli, la ecuacin de Darcy Weisbach, la ecuacin fundamental de diseo de Hazen y Williams, as como los principios fundamentales que rigen el diseo de tuberas en circuitos cerrados (Mtodo iterativo de Hardy Cross). Tambin se detallan los conceptos de cada una de las estructuras que conforma un sistema de agua potable por gravedad, las consideraciones de diseo tales como: determinacin del perodo de diseo, poblacin futura, el estudio de la demanda de agua de la poblacin as como los criterios de diseo recomendados por el RNE tales como: presiones de servicio, dimetros mnimos de tubera, velocidades de diseo y otros.

En el numeral III (Materiales y Metodologa) materiales: se muestra los materiales, equipos, instrumentos y herramientas necesarios para la ejecucin de la presente tesis.

Metodologa: Se desarrolla el diseo hidrulico, anlisis estructural y diseo en concreto armado por el mtodo de rotura, de cada una de las estructuras que componen el sistema.

Las estructuras diseadas del sistema han sido divididas en tres etapas claramente definidas:

Diseo Hidrulico.

Ha consistido en determinar las caractersticas geomtricas e hidrulicas de las estructuras tales como: Reservorio circular de 165 m3 de capacidad, lnea de aduccin, red de distribucin en circuito abierto y en circuito cerrado y Cmara rompe presin tipo 7.

En el diseo hidrulico de la tubera de la lnea de conduccin y red de distribucin, se ha empleado la ecuacin de Hazen y Williams, ecuacin que nos ha permitido determinar las caractersticas geomtricas e hidrulicas del flujo en las tuberas. La aplicacin de la ecuacin de Bernoulli nos ha permitido determinar las presiones en cada tramo de la tubera (el lugar geomtrico de stos puntos de presin se denomina Lnea de Gradiente Hidrulica). Para el caso del diseo de tuberas en circuito cerrado se ha aplicado las ecuaciones y principios para tuberas en redes cerradas como es el caso del mtodo de Hardy -Cross con correccin de Caudales.

Anlisis Estructural.

El anlisis estructural, implica fundamentalmente la determinacin de los parmetros de diseo estructural tales como diagramas de fuerza axial, fuerza cortante, momento flector y reacciones de una seccin completamente definida. Esto es posible por medio de un modelamiento y simulacin estructural en el programa SAP 2000.

El modelamiento ha consistido en la idealizacin de las estructuras, la estructura debe concebirse como un sistema o conjunto de partes y componentes que se combinan ordenadamente para cumplir una funcin dada buscando la optimizacin del sistema bajo el criterio de minimizar los costos y maximizar los beneficios.

Diseo en Concreto Armado

El diseo en concreto armado por el mtodo de rotura implica dimensionar una seccin capaz de resistir los resultados de simulacin estructural obtenida en el programa SAP 2000 tales como diagramas de fuerza axial, fuerza cortante, momento flector y reacciones.

Se adjunta en los anexos los resultados del anlisis de laboratorio de calidad de agua de las fuentes de abastecimiento, los diseos hidrulicos de cada una de las estructuras, Anlisis Estructural, Diseo en Concreto Armado por el mtodo de rotura.

CAPITULO I

INTRODUCCION1.1.- Generalidades.

El abastecimiento de agua potable para las localidades requieren contar con infraestructura que cubra las necesidades de almacenamiento y servicio de consumo a travs de una red instalada en al rea donde se encuentra asentada la poblacin; tcnicamente la infraestructura concerniente debe responder a los requerimientos que las caractersticas geogrficas que el lugar presenta, por ello y antes de efectuar las construcciones correspondientes es imperioso contar con el diseo de la infraestructura de las diferentes partes que compone cada sistema de abastecimiento de agua tal que se pueda minimizar los costos y maximizar los beneficios.

Actualmente los programas informticos constituyen una herramienta de mucha importancia para planear, disear y operacionalizar actividades que requieren precisin en sus clculos, en tiempos relativamente cortos.

El presente trabajo incluye el planeamiento y clculo de los diferentes indicadores considerados para el diseo del abastecimiento de agua potable, por tanto considera el diseo arquitectnico, hidrulico, estructural y tendido de las redes de distribucin para el abastecimiento de agua potable, se incluye las normas establecidas para cada caso, afn de optimizar su funcionamiento. CAPITULO II MARCO TEORICO

2.1.- ANTECEDENTES DEL ESTUDIO2.1.1.- Antecedentes En el informe de Evaluacin del Decenio del Abastecimiento de Agua Potable en el Per: 1 999 - 2 001 de la OPS se sostiene que al concluir el ao 2 000 se alcanz la cobertura de servicio de agua potable en 62, 40% de la poblacin, a nivel nacional; en el mbito urbano lleg al 67,20% y en el rural al: 28, 30% (20).

El censo de 2 005 registra que la cobertura de abastecimiento de agua potable con instalaciones dentro de la casa fue del: 60, 35%; en el mbito urbano alcanz el 88,70% y en el rural el 11,30%(20). Para el departamento de Huancavelica registra que la red pblica instalada para las viviendas es del: 71, 70 % y el abastecimiento de agua en el distrito de Huancavelica al 75, 18 % de las conexiones domiciliarias. (20)2.1.2.- Reservorio.

Es la infraestructura que almacena agua para abastecer la demanda requerida por determinada poblacin, a fin de que satisfaga las necesidades y preste seguridad de consumo a los que requieren el servicio, as sostienen Agero, Nez (1,10). Un sistema de agua potable requerir de un reservorio cuando el rendimiento admisible de la fuente sea menor que el gasto mximo horario.

La importancia del reservorio radica en garantizar el funcionamiento hidrulico del sistema de agua potable y mantener el flujo constante del agua en la red, para garantizar el servicio, en funcin de las necesidades proyectadas y el rendimiento admisible de la fuente.Grafico N 01.- Esquema General de un Sistema de Agua Potable por gravedad

Fuente: Agero

2.3.- DISEO PARA UN SISTEMA DE AGUA POTABLE: CONSIDERACIONES BASICAS2.3.1.- Perodo de diseo recomendado para un sistema de agua potable El periodo de diseo es la vida til probable de la infraestructura de abastecimiento de agua potable, durante ese periodo permanecer en estado eficiente de capacidad de servicio, al respecto Agero (1), sostiene que el periodo de diseo puede definirse como el tiempo en el cual el sistema ser 100% eficiente, ya sea por capacidad en la conduccin del gasto deseado o por la existencia fsica de las instalaciones.

Para el Ministerio de Salud y la Direccin General de Salud Ambiental el periodo econmico de los componentes de un sistema de abastecimiento depende de:

Vida til de las estructuras de concreto

Facilidad o dificultad para hacer ampliaciones de la infraestructura.

Crecimiento o decrecimiento de la poblacin.

Capacidad econmica para la ejecucin de las obras.

Ambas entidades recomiendan el periodo de diseo: 20 aos.

2.3.2.- Estimacin de poblacin de diseo.

En la estimacin de la poblacin futura de servicio, se utilizan diferentes mtodos para su clculo, Saldarriaga (16) presenta tres mtodos el: mtodo analtico, mtodo comparativo y el mtodo racional, de ellos el que se emplea con mayor frecuencia es el: mtodo analtico, porque en l se toma en cuenta la poblacin censada y los intervalo de tiempo en que estos han sido medidos, emplea:

a.- El Mtodo aritmticoP f = Pa*(1+r*t)

Ecuacin

2.4Donde:

Pf: poblacin futura.

Pa: poblacin actual.

r : coeficiente o tasa de crecimiento anual.

t : perodo de diseo elegido en aos.

b.- Mtodo geomtrico.

Pf = Pa * (1 + r) ^tEcuacin

2.5.Donde:

Pf: Poblacin futura.

Pa: Poblacin actual.

r : Coeficiente o tasa de crecimiento anual.

t : Perodo de Diseo elegido en aos.

c.- Mtodo de la parbola de 2 gradoPf = A + B*t + C*t^2Ecuacin

2.6Donde:

Pf: Poblacin Futura.

A, B, C: Constantes que se hallan por mtodos estadsticos.

2.5.- DISEO DEL RESERVORIO.

2.5.1 Diseo hidrulico.

2.5.1.1.- Caudal promedio diario anual (Qm) Considerado en el acpite: 2.3.3.4, permite estimar el caudal de alimentacin requerida durante el ao, tal que el volumen represado cubra el consumo total de la poblacin futura durante el periodo de diseo.

2.5.1.2.- Tipos de reservorio

Apoyado, cuando se ubica sobre el terreno.

Elevado, cuando se ubica sobre estructura de soporte.

2.5.1.3.- Forma del reservorio Garca (21), recomienda hacer uso del diseo circular, por presentar la relacin: rea/permetro, ms eficiente.

2.5.1.4.- Ubicacin del reservorioSegn el RNE (12), los reservorios se deben ubicar en areas libres y una vez construidos, debern contar con cerco perimetral que impida el libre acceso a las instalaciones.

2.5.1.5.- Dimensionamiento hidrulico del reservorio circular.

Agero y el RNE (1,12), sostienen que el dimensionamiento hidrulico consiste en la determinacin de las dimensiones del reservorio para poder almacenar el volumen requerido de agua, denominado tambin volumen de almacenamiento.

2.5.1.5.1.- Altura de agua (H).

La altura de agua sobre la pared del reservorio circular, es directamente proporcional a su dimetro, como 1 es a 2, es decir, as lo recomienda Agero (1), la altura de agua (H) del reservorio, esta fijada por la siguiente expresin.

Ecuacin

2.11 Donde:

H: Altura de agua sobre la pared del reservorio.

D: Dimetro del reservorio.

2.5.1.5.2.- Dimetro del reservorio (D)

Para Agero (1), El dimetro del reservorio se obtiene a partir de la ecuacin:

Ecuacin

2.12Donde:

D: Dimetro del reservorio (m).

V: Volumen de almacenamiento del reservorio (m3).

2.5.1.5.3.- Borde libre (BL)Segn Agero y el REE (1, 13), el borde libre se determina aproximadamente con el 8% - 10% de la altura de agua; es decir:

BL = 0.1H (m)

Ecuacin

2,13BL = 0.08H (m)

Ecuacin

2,14Donde:

H: Altura de agua sobre la pared del reservorio (m)2.5.1.5.4.- Altura total de la pared del reservorio (Ht) Para Agero y el RNE, REE (1, 12, 13), La altura total de la pared del reservorio se calcula mediante la ecuacin:

Ecuacin

2.15

2.5.1.5.5.- Contra flecha de cpula esfrica (f) Segn Agero, RNE, Rivera (1, 12, 15), la contra flecha, de la cpula esfrica se determina a partir de las siguientes ecuaciones:

Ecuacin

2.16

Ecuacin

2.17Donde:

Rcup : Radio de Cpula Esfrica (m).

: Angulo de Apertura de Cpula. ( Vu

Ecuacin

2.42W = wuH2

Ecuacin

2.43wu = (Fac. Carga) (Fac. Sanit)

Ecuacin

2.44Donde:Vc: Cortante de servicio (Kg)

Vu: Cortante ultimo (Kg)

fc: Resistencia del concreto (Kg/cm2)

b : 100 cm por metro lineal.

d : Peralte efectivo de la seccin (cm).

Fact. Carga: Factor de carga viva (1.7)

Fact. Sanit.: Factor sanitario para flexin (1.30)

W: Carga ltima amplificado

wu: Factor ltimo de amplificacin

H: altura de agua (m)

El mayor cortante se presenta cerca de la base del reservorio, en caso de no cumplirse las verificaciones, se puede aumentar el espesor de las paredes, o reforzar por corte. En caso de ser necesario el refuerzo por corte, para su clculo se deber aplicar el coeficiente de 1.30 para corte, segn la siguiente ecuacin:

Ecuacin:

2.45Donde:

( : 0.60, Factor para corte en zonas de riesgo ssmico.

Vu: Cortante ultimo (Kg)Vs: Cortante de servicio (Kg)2.5.2.6.- Diseo de la cimentacin del reservorio. Segn Calavera, PCA, REE, Rivera y Harmsen(3,10,13,15,7), el diseo de la cimentacin, comprende el diseo de la zapata y la placa circular de la cimentacin.

a) Diseo de la zapata.La zapata debe ser diseada atendiendo sus elementos y los esfuerzos que en l se generan:

a.1.- Verificacin del ancho.Segn Calavera, PCA, REE, Rivera y Harmsen (3,10,13,15,7), la capacidad portante neta de la zapata se determina mediante el dimensionamiento de sus elementos:

Ecuacin

2.46

Ecuacin

2.47Donde:

b : Ancho de la zapata (cm)Rz : Reaccin no amplificada (Kg)t : Carga admisible del terreno (Kg/cm2)t : Peso especfico del terreno (Kg/cm3)

ht : Altura del terreno sobre la zapata. (cm)

c : Peso especfico del concreto.(Kg/cm3)

hz : Altura de la cimentacin.

a.2) Verificacin por corte del taln.

Segn Calavera, PCA, REE, Rivera, Harmsen (3,10,13,15,7), sostienen que si el taln de la zapata es menor o igual a su altura ( ) no se produce corte en el taln; el cortante ltimo se calculara con la siguiente ecuacin.

Ecuacin

2.48

Ecuacin

2.49

Ecuacin

2.50Donde:

Vu : Cortante ltimo (Kg)Vc : Aporte del concreto (Kg)qsn : Capacidad portante neta (Kg/cm2)m : Taln de la zapata (cm)b: 100, por metro lineal (cm)d: Peralte de la Zapata: (cm)a.3) Traccin.

Segn Calavera, PCA, REE, Rivera y Harmsen(3,10,13,15,7), sostienen que la traccin se obtiene partir de la reaccin horizontal (Rx) y aplicando la siguiente relacin:

Ecuacin

2.51Donde:

T u: Traccin ltima en la base (Kg)R x: Reaccin ltima en base por metro lineal (Kg/m)D: Dimetro de reservorio (m)El rea del acero se calcula mediante la siguiente ecuacin:

Ecuacin

2.52Donde:

As: rea del refuerzo (cm2)Tu : Traccin ltima (Kg).fy : Fluencia del acero (Kg/cm2)( : 0.90, Para miembros en Flexo-traccinSe debe verificar la cuanta de la seccin mediante:

Donde:

( = cuanta del acero.a.4) Flexin.

Segn Calavera, PCA, REE, Rivera, Harmsen (3, 10,13,15,7), sostienen que la placa circular de la cimentacin resiste determinado momento cuando se...