UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA CIVIL INSTITUTO DE INGENIERIA SANITARIA PROYECTO DE INVESTIGACION SOFTWARE PARA DISEÑO DE SISTEMAS DE AGUA PARA EDIFICIOS INVESTIGADOR: ING. GREGORIO CARVAJAL S.
El presente proyecto constituye un análisis de diseño de sistemas de agua potable en edificios ayudado por un software y una computadora, tiene como objetivo principal introducir ideas básicas en la generación de software actuales que han revolucionado la ingeniería y se han convertido en una herramienta indispensable. Esto no quiere decir que todos los resultados obtenidos a través de ellos estén exentos de errores, al contrario, un mal manejo del programa o la introducción de datos incorrectos pueden distorsionar todo el análisis. Lo importante del presente proyecto es poder entender los sistemas de distribución de agua potable en edificios, hacer que éstos se adecuen a la realidad y más que nada optimizar el costo. Todo esto, no puede ser logrado sin antes tener conceptos claros de los métodos de análisis, así como conocimientos básicos del manejo de ordenadores. 1.- INTRODUCCION Con la aparición de los microordenadores de gran potencia y el abaratamiento de los mismos, gran parte de los profesionales y medianas empresas han penetrado con avidez en el mundo de la informática. Ahora ya es posible, sin necesidad de grandes máquinas, introducir, modificar y manipular los datos con absoluto control sobre ellos. La capacidad interactiva para manejar, de forma directa y rápida, extensos y variados archivos es un objetivo hecho realidad. Gran parte de las actividades de la ingeniería están relacionados con el cálculo, y estas a su vez con el procesamiento de datos, por esta y muchas razones la computadora se ha convertido en una herramienta imprescindible para el ingeniero. En el pasado los procedimientos numéricos fueron desechados por el ingeniero, ya que estos implicaban el manejo de grandes cantidades de información, con ésta gran cantidad de tiempo para su procesamiento. Hoy en día se ha resuelto en gran parte el problema, gracias a la rapidez y precisión
con que pueden ser procesados y obtenidos enormes cantidades de resultados numéricos. El ingeniero civil, necesita adquirir cierta habilidad en el manejo y conocimiento de las computadoras, no solo para ser capaces de efectuar análisis más precisos y más rápidos, sino también para tener en cuenta factores que por tradición los científicos de su especialidad no consideraron en el pasado. Es el software el que hace de la computadora una herramienta útil y puede considerarse hoy como una tecnología más. Una gran diversidad de programas diseñados para tantos, como específicos problemas se hayan planteado, se ha introducido en nuestro medio. La mayor parte de estos traen consigo tecnologías y normas generalmente inadecuadas a nuestro medio y podría argumentarse que relativamente muy pocos ingenieros trabajan en programación en computadoras propiamente. Por otra parte los trabajos sanitarios constituyen una parte considerable del volumen general de construcción de obras industriales, edificios públicos y viviendas. En los edificios de diverso destino se instalan sistemas de abastecimiento de agua fría y caliente. Para fines sociales y domésticos, para apagar incendios, y también para satisfacer las necesidades tecnológicas de la producción. A menudo las instalaciones sanitarias domiciliarias son ejecutadas con criterio empírico y muchas veces, sin la pericia y conocimiento que se requieren para ejecutarlas en forma apropiada. La dificultad de contar con una entidad que supervise y controle la ejecución de tales instalaciones, deja normalmente esta tarea como secundaria y no le da la importancia que tiene, de ahí que, en numerosas instalaciones se cometen errores tanto en diseño como en la instalación misma, originando defectos que a la larga son difíciles de detectar y reparar. La intención de este trabajo es de poder concluir con un estudio completo de los sistemas de tuberías de agua potable, mediante un programa de cálculo automático, para la misma. 2.- OBJETIVOS El objetivo general del presente proyecto es diseñar un software destinado al cálculo y diseño de sistemas de suministro de agua, tanto en lo que se refiere a edificios como a viviendas. El objetivo del software es facilitar el proceso de cálculo, acortando en gran manera el tiempo de ejecución y aumentando la precisión de los resultados. Los objetivos específicos son:
Aprovechar el advenimiento de las computadoras las cuales se ajustan bastante en la solución de problemas de ingeniería, y, quizás, a la vez son los más accesibles al ingeniero. Aprovechar las propiedades del lenguaje de programación Visual C para el diseño del software, ya que este lenguaje proporciona una ejecución bastante rápida, otra de las características, tal vez la más importante del lenguaje es su potabilidad. La cual significa que se puede adaptar el software escrito para un tipo de computadora a otro tipo. 3.- METODOLOGIA Los sistemas de gestión de base de datos nacieron de la necesidad de obtener unas técnicas de control sencillo y absoluto que permitieran actuar con rapidez y que al mismo tiempo estuvieran al alcance de un gran número de usuarios. Una base de datos es un conglomerado de información útil, clasificada de una forma específica y que puede ser gestionada y organizada por medio de un sistema informatizado. La información almacenada en una base de datos se compone de datos alfanuméricos formados con caracteres alfabéticos, letras o símbolos especiales y datos numéricos utilizados para operaciones de cálculo. Dichos datos se encuentran ínter relacionados en una tabla de dos dimensiones compuestas de filas y columnas. Las filas se denominan registros, identificados por un número y se componen de una determinada cantidad de campos (columnas) especificados por un título y una longitud. ejemplo: Numero CORD.X CORD.Y CORD.Z Artefacto o Nudo Nudo Nudo [m] [m] [m] accesorio Izquierda derecha 5ª 11.5 2.4 3.1 I 5h 5k Para el proyecto se crearon dos bases de datos, una base de datos para almacenar los datos de entrada y otra para almacenar los resultados obtenidos del procesado de dichos datos, las cuales describimos a continuación: Se debe tener mucho cuidado en la organización de los datos, ya que estas siguen un criterio específico, esto no quiere decir que necesariamente se deba seguir este criterio, puesto que el programa acepta el ingreso de datos
en forma aleatoria. Para mejor comprensión explicaremos la misma por medio de un ejemplo. PANTALLA PRINCIPAL DEL SOFTWRE La pantalla principal muestra el entorno sobre el cual se trabajará, en esta pantalla se muestra además la barra de menú principal del software, las mismas son: Archivo, Cálculo, Resultados, Gráficos. Además se muestra la pantalla de edición, con la base de datos para el ingreso de información. La base de datos esta compuesta por ocho campos, las mismas son: NUMERO, NODO, Coordenadas X,Y,Z, tipo de artefacto, relación con otros nodos.
MENU ARCHIVO La pantalla del menú Archivo, contiene los submenus : Nuevo Proyecto, Abrir Proyecto, Guardar Proyecto y Salir. Nuevo Proyecto.- Crea una base de datos para un proyecto nuevo Abrir Proyecto.- Abre un proyecto existente Guardar Proyecto.- Almacena la información del proyecto en forma de archivo Salir.- Sale del programa 3.1.- ENUMERACION DE NUDOS Considerando que un sistema de agua potable en edificios se asemeja a un árbol se recomienda proceder a enumerar los nudos a partir de cualquier terminal de las diferentes ramas, la enumeración será en forma ascendente, esto por razones de orden y para poder utilizar la opción copia de bloques.
3.2.- BASE DE DATOS PARA NUDOS Esta base de datos esta compuesta de n registros y siete campos especificados por numero de nudo, coordenada en el eje x, coordenadas en eje y, coordenadas en eje z, accesorio o artefacto en el nudo, unión nudo izquierda y unión nudo derecha. Las coordenadas (x,y,z) se definen con respecto a un origen de coordenadas que se da el mismo usuario, este origen de coordenadas no tiene ninguna restricción por lo cual el usuario debe utilizar su propio criterio para elegirla, pudiendo estar el sistema de distribución de agua potable en cualquiera de los octantes del sistema de coordenadas cartesianas. En cuanto a la designación de artefacto o accesorio, esta se refiere a la designación de sí en un nudo se encuentra un artefacto o accesorio, las cuales serán elegidas por medio de una barra de iconos ubicadas en la parte superior de la base de datos. Finalmente nudo izquierda y nudo derecha se refieren a las uniones del nudo en cuestión con otro u otros nudos. 3.3.- BASE DE DATOS PARA LOS RESULTADOS Esta base de datos es creada por la computadora, explicaremos detalladamente como va creando cada uno de los campos: 3.3.1.- CAMPO (LONGITUD).- En este campo se almacena las longitudes de cada una de las diferentes barras del sistema de distribución de agua potable, la cual se calcula utilizando la siguiente fórmula: L = (X2-X1) 2 + (Y2-Y1) 2 + (Z2-Z1) 2 siendo: (X1,Y1,Z1) las coordenadas del nudo destino. (X2,Y2,Z2) las coordenadas del nudo origen. La red de distribución de agua de un edificio hemos de diseñarla con el método de Hunter. 3.3.2.- CAMPO (CAUDAL).- En este campo se almacenan los caudales que pasan por cada una de las diferentes tuberías, las cuales se calculan aplicando las tablas de Hunter. El programa utiliza la algebreización de dichas tablas previamente corregida para nuestro medio, que mostramos a continuación.
ALGEBREIZACION DE LAS TABLAS DE HUNTER 0 UG 100 Q = 0,083373 + 0,022533 * UG 8,31 E-5 * UG 2 100 UG 500 Q = 0,814228 + 0,007263 * UG 5,55 E-7 * UG 2 500 UG 1000 Q = 1,501666 + 0,005683 * UG 1000 UG 4000 Q = 3,194621 + 0,001013 * UG 2,66 E-8 * UG 2 3.3.3.- CAMPO (DIAMETRO).- Para el cálculo de los valores para el campo correspondiente a los diámetros, se utiliza el criterio de las velocidades límite de acuerdo a la siguiente tabla. 3.3.4.- CAMPO (VELOCIDADES).- Q 0.24 d = 0.5 0.24 Q 0.62 d = 0.75" 0.62 Q 1.25 d = 1" 1.25 Q 2.25 d = 1.25" 2.25 Q 3.47 d = 1.5" 3.47 Q 6.18 d = 2" 6.18 Q 9.65 d = 2.5" 9.65 Q 13.9 d = 3" 13.9 Q 24.7 d = 4" 24.7 Q 38.6 d = 5" 38.6 Q 55.6 d = 6" En este campo se almacenan velocidades que tiene el agua en las diferentes tuberías las cuales se calculan aplicando la ecuación de la continuidad. Q = v * A v = ( 4 * Q ) / ( * d 2 ) 3.3.5.- CAMPO (PERDIDAS).- Se refiere a las perdidas de carga por resistencia al flujo en conductos a presión. Para esto se utilizo dos fórmulas la FLAMANT y la de DARCY- WEISBACH. FORMULA DE DARCY - WEISBACH.- L v 2 h r = f d 2g
Donde: f factor de fricción, sin dimensiones; g Aceleración de la gravedad, en m/seg 2 ; h r pérdida por fricción, en m; d diámetro en m; L longitud del tubo, en m; v velocidad media, en m/seg. Colebrook y White presentaron la siguiente fórmula empírica para la zona de transición de flujo laminar a turbulento en tubos comerciales, a saber: 1 /d 2.51 = - 2 log( + ) f 3.71 R e f Para todas las tuberías, en Hydraulic Institute de los Estados Unidos de Norteamérica y la mayoría de los ingenieros consideran la ecuación de Colebrook como la más aceptable para calcular f. Como resultado de muchos experimentos, se han dado diferentes expresiones matemáticas, para el cálculo de h r, una de las fórmulas más prácticas es la de FLAMANT: 4 7/4 Q 7/4 h r = L 4m ( ) d 19/4 3.3.6.- BASE DE DATOS PARA PRESIONES Esta base de datos es creada por la computadora y esta compuesta de n registros y 2 campos especificados por nudo, presión en el nudo. La presión se calcula utilizando la ecuación de la energía. p v 2
z + + + h r = C1 2g donde: Po = Pd + ( Z2 - Z1) - hr Po = presión nudo origen Pd = presión nudo destino MENU CALCULOS La pantalla del Recálculos. menú Cálculos, contiene los submenus : Cálculos, Cálculos.- Procesa la Información almacenada en base de datos creado por el usuario Recálculos.- Realiza un nuevo cálculo de resultados, después de haber realizado cambios en la base de datos del usuario
MENU RESULTADOS La pantalla del Presiones. menú Resultados, contiene los submenús : Tramos, Tramos.- Muestra los resultados de la salida de información en la pantalla con la opción de salida por impresora. Presiones.- Muestra los resultados de la salida de información de presiones en la pantalla con la opción de salida por impresora.
SALIDA DE RESULTADOS TRAMOS Tramos.- Muestra los resultados de la salida de información en la pantalla con la opción de salida por impresora, como se muestra en figura. Los resultados mostrados, correspondes a los parámetros de: Caudal, Diámetro, Velocidad, Longitud, perdida de carga (por fricción y por accesorios). Presiones.- Muestra los resultados de la salida de información de presiones en la pantalla con la opción de salida por impresora.
SALIDA DE RESULTADOS PRESIONES Presiones.- Muestra los resultados de la salida de información de presiones en la pantalla con la opción de salida por impresora, como se muestra en la figura.
4 JUSTIFICACION DEL PROYECTO Se diseña este software debido a que en nuestro país existe una demanda de proyectos de gran magnitud, con este software se pretende realizar el análisis de diferentes alternativas de diseño, de tal forma obtener la alternativa más óptima. Se pretende también aumentar la eficiencia de los cálculos y disminuir tanto el tiempo de cálculo como los costos. 5 RESULTADOS Para el diseño del presente proyecto se requirió de más tiempo de lo que se necesitaría quizás en resolver varios casos particulares del problema. Sin embargo, este programa puede usarse todas las veces que sea necesario con un gasto de tiempo ínfimo. 6 CONCLUCIONES El software diseñado será de gran utilidad, debido al ahorro de tiempo que implica el uso del programa, el ingeniero dispondrá de tiempo adicional para analizar el problema en sus múltiples facetas y para poder ensayar diferentes soluciones y alternativas al resolver un mismo problema, haciendo variar todos los parámetros posibles y observando la influencia de estas variaciones en los resultados. Espero que los conceptos y experiencia que se haya podido expresar a través de este trabajo sirvan como iniciativa para el desarrollo de futuros trabajos dedicados a este campo.