1. Seminario Web Julio 18 de 2014 Hora: 11:00 AM Venezuela (10:30 AM ET) Duraci ó n: 60 minutos Cálculos hidráulicos Sistemas de extinción a base de agua Ing. Guillermo Lozano. MSFPE, NFPA. Director de Lozano & Asociados www.lozanoasociados.net

2. ¿Por que son importantes los cálculos hidráulicamente? Es la única forma de verificar que un sistema a base de agua puede establecer una tasa de aplicación de agua al menos igual a los requerimientos mínimos establecido en los criterios de diseño, tomando en cuenta: El suministro de agua existente o proyectado El uso simultaneo de mangueras u otros sistemas Lozano & Asociados2

3. Que obtenemos con los cálculos hidráulicos Permite la selección optima de los diámetros tuberías del sistema Se determinan los Requerimientos de caudal y presión de un sistema. Verificar la capacidad (caudal y presión) del suministro de agua. Establecer el volumen de la reserva de agua (m3) Análisis de escenarios hidráulicos de incendio. Lozano & Asociados3

4. ¿Que veremos? Diseño de sistemas Requerimientos de agua Determinación de disponibilidad Capacidad (gpm y presión) en un punto determinado de la red de distribución de agua Funcionamiento combinado Sistemas y Mangueras Simultaneidad de sistemas Presentación de HIDCAL 6 Lozano & Asociados4

5. Diseño de sistemas D MA Tubería de alimentación Rociador MA - Manguito de Alimentación Estación de Control Montante Tubería Principal Válvula de alarma Válvula de control Ramal

6. Requerimientos de un sistema Caudal y Presión requerida por un sistema de protección contra incendio para establecer la tasa mínima de aplicación de agua establecida por la norma. Lozano & Asociados6

7. Disponibilidad En un sistema contra incendio, se refiere a la presión residual en el punto donde se va a conectar un sistema de protección contra incendio. Cuando se está descargando agua a través de uno o varios hidrantes. Lozano & Asociados7

8. El diseño por tablas Las Primeras Tablas de diseño Tubería Ø (pulgadas) Máximo numero de rociadores permitido PSGPFreeman 1892NFPA 13-1896 ¾111 1322 1¼1¼634 1½1½1058 2181016 2½2½282028 3484048 4115120110 6200300200 Lozano & Asociados8

9. Dimensionamiento de tuberías según NFPA 13 Desde 1896 la norma NFPA 13 a sido revisada en mas de 60 oportunidades. – Nuevas tablas de diseño en 1905 – Tres clasificaciones para las ocupaciones en 1940 – El rociador de pulverización en 1953 – CÁLCULOS HIDRÁULICOS 1966 – Aparece la metodología en la edición de 1971 – Curvas de diseño en 1973 – Reorganizada totalmente en 1991 y se establecen restricciones al diseño de sistemas por las tablas – Ampliación o modificación de sistemas existente – Sistemas de menos de 462 m 2 – Únicamente para ocupaciones de riesgo leve y ordinario Lozano & Asociados

10. Diseño por tablas NFPA 13/1896 Estación de control φ 1¼φ 1φ 1¼φ ¾φ ¾ φ 1½ φ 2 φ 2½ φ 1¼φ 1φ 1¼φ ¾φ ¾ φ 1½ φ 3 φ 6 Suministro de agua Lozano & Asociados

11. Tabla típica para riesgo ordinario

12. Ejemplo de diseño por tablas ϕ 1” ϕ 1½” ϕ 1” ϕ 1¼” ϕ 1½” ϕ 2” ϕ 2½” ϕ 3” Riesgo Ordinario Diámetro Número Rociadores 12 1¼3 1½5 210 2½20 340 4100 ϕ 3” ϕ 4”

13. Diseño hidráulico de los Sistemas de rociadores Se parte de los criterios de diseño Rociadores estándar de pulverización Rociadores para almacenamientos – CMSA (Aplicación específica modo control) – ESFR (Respuesta rápida supresión temprana) Determinamos los requerimientos para una selección determinada de tuberías Caudal (gpm) y Presión (psi) Lozano & Asociados13

14. Conceptos básicos Rociadores estándar de pulverización Densidad o tasa de aplicación de agua Representa el caudal descargado por el sistema por unidad de área. Ej: 0.19 gpm/pie 2 Riesgo Ordinario Grupo 2 Área de diseño o de aplicación. Es el área hidráulicamente mas desfavorable Ej: 2000 pie 2 Lozano & Asociados14

15. Método Densidad/Área de Diseño Los requerimientos del suministro de agua se determina utilizando: – La demanda del sistema de rociadores se obtiene de la figura 11.2.3.1.1 “Curvas Área/Densidad” – Más la demanda de mangueras (Hidrantes) según Tabla 11.2.3.1.2 – La duración el suministro según se especifica en la Tabla 11.2.3.1.2 Aplica a áreas físicas cuyo tamaño es mayor al área de diseño,

16. Áreas grandes Método Densidad/Área de Diseño

17. Área de diseño 4000 m 2 Área del Sistema Puesto de control 186 m 2

18. Lozano & Asociados18 Fig. 11.2.3.1.1 NFPA 13/2013 “Curvas Área/Densidad”

19. GL & ASOCIADOS19 Selección típica 2000 pie 2 0.19 gpm/pie 2 Riesgo Ordinario Grupo 2 Densidad Área de Diseño

20. Lozano & Asociados20 Tabla 11.2.3.1.2 Demanda para las mangueras Ocupación Mangueras interiores (gpm) Total combinado Externas e internas (gpm) Duración (minutos) Riesgo Leve50 o 10010030 Riesgo Ordinario 50 o 10025060-90 Riesgo Extra50 o 10050090-120

21. Lozano & Asociados21 Estimación de requerimientos de agua Demanda de los rociadores: Área de diseño x Densidad = Caudal 2000 pie 2 x 0.19 gpm/pie 2 = 380 gpm Incremento por cálculos hidráulicos 10-15% Caudal Rociadores = 420 gpm Requerimientos para Hidrantes 250 gpm Requerimiento total combinado 420 + 250 = 670 gpm por 90 minutos

22. Método cuarto de diseño Habitación típica 4 x 5 m Área de diseño 139 m 2 Cuarto de diseño

23. Metodología del cuarto de diseño Aplicable para todas las ocupaciones RL, RO y RE. El requerimiento de agua se basará en el cuarto que tenga la demanda de agua más grande. Se asume que abren todos los rociadores dentro del cuarto. La densidad se obtiene de la fig. 11.2.3.1.1 Todos los cuartos deben estar encerrados por paredes que tengan una resistencia al fuego, igual a la duración del suministro de agua, según la tabla 11.2.3.1.2

24. Selección densidad Método cuarto de diseño 139 m 2 (0.10 gpm/pie 2 ) RL Densida d Área de Diseño (1500 pie 2 ) 4.1 mm/min. RO-2 232 m 2 RE-1 12.2 mm/min. 4 13 (0.30 gpm/pie 2 ) (2500 pie 2 )

25. Método del cuarto de diseño 600 pie 2 Solamente en ocupaciones de Riesgo Ligero sin protección en La abertura. Se incluyen los 2 rociadores adyacentes a la abertura Riesgo Ligero Sin protección Densidad= 0.10 gpm/pie 2

26. Método del cuarto de diseño 600 pie 2 Protección en la comunicación Ocupación de RL, RO o RE con protección en la abertura.

27. Los pasillos son cuartos Pasillo con aberturas protegidas, 5 rociadores Pasillo con aberturas no protegidas, 7 rociadores

28. Procedimiento para los cálculos hidráulicos A fin de obtener consistencia en los cálculos y facilitar su revisión por parte de las autoridades que tienen competencia, la norma NFPA 13 tiene algunas reglas para la realización de los mismos. NFPA 13 – 2013 en el Art. 22.4 “Hydraulic Calculation procedures” Establece el procedimiento de calculo.

29. Formatos a utilizar Resumen de los Cálculos Cálculos Hidráulicos presentados en hojas de calculo normalizadas Grafico en papel hidráulico – Línea de disponibilidad – Línea del sistema – Disponibilidad para las mangueras externas

30. RESUMEN DE LOS CÁLCULOS HIDRÁULICOS Empresa Dirección Estado Contrato # Fecha Criterios de Diseño Clasificación de la Ocupación Tipo de sistema Densidad gpm/pie 2 Área de diseño Pie 2 Área por rociador Pie 2 Número de rociadores Calculados Caudal de las Manguerasgpm Requerimiento total de Aguagpm@ psi Disponibilidad del suministrogpm@ psi Empresa Diseñadora Dirección Nombre del Diseñador Autoridad Hoja Resumen de Cálculo

31. LOZANO & ASOCIADOS CÁLCULOS HIDRÁULICOS PROYECTO: CALCULÓ: FECHA: HOJA Nº DE: REVISÓ: FECHA: PROYECTO Nº APROBÓ: FECHA: REVISIÓN Nº REF. FLUJO (gpm ) Φ ACCESORIOS LONGITUD EQUIVALENTE PÉRDIDAS (psi/pie) PRESIÓN (psi) ELEVACIÓNNOTAS Dq63 2 Long 11,5 Pt 17,100 Acc 0,04 Pf 0,460 EQ63 Tot 11,5 Pe Eq64 2½ Long 11,5 0,062 Pt 17,560 Acc Pf 0,713 FQ127 Tot 11,5 Pe Fq65 3 Long 11,5 0,047 Pt 18,273 Acc Pf 0,541 GQ192 Tot 11,500 Pe _ Hojas con los cálculos detallados

32. Lozano & Asociados32 Gráfico en papel hidráulico Curva de disponibilidad en el punto Punto de diseño Caudal disponible Línea del Sistema P psi Q gpm 90 875

33. Procedimiento de calculo Generalidades Los cálculos hidráulicos se deben realizar hasta el punto donde las características del suministro de agua se conocen. El diámetro de tubería, el numero de rociadores por ramal, el numero de ramales por tubería principal, solo están limitados por la disponibilidad de presión del suministro de agua. El diámetro de tubería no podrá ser menor a 1 pulgada para tuberías de acero y de ¾ para tuberías de cobre y tuberías no metálicas.

34. Formula para el calculo de perdidas por fricción Ecuación de Hazen-Williams

35. Constante C de Hazen-Williams Tipo de tubería Valor de C Hierro fundido o dúctil sin revestir100 Acero Negro (Sistemas secos y preacción)100 Acero Negro (Sistema mojado y diluvio)120 Galvanizado (todos)120 Plástico (listado) todos150 Hierro fundido o dúctil revestido de cemento 140 Cobre o acero inoxidable150 Asbesto cemento140 Concreto140

36. GL & ASOCIADOS36 Caudal descargado por un rociador Depende del tamaño del orificio y de la velocidad Q = A V K = 29.84CD 2 Coeficiente de descarga del rociador

37. Coeficiente de descarga de los rociadores Lozano & Asociados37 Q = Caudal en gpm (L/min) K = Coeficiente de descarga gpm/psi ½ P = presión en psi

38. Coeficientes K típicos Tabla 6.2.3.1 NFPA 13/2013 K nominal Rango K % descarga Tamaño rosca 1.41.3 – 1.5251/2 5.65.3 5.81001/2 8.07.4 – 8.21403/4 11.211.0 – 11.52003/4 14.013.5 14.52503/4 16.816.0 – 17.63003/4 19.618.6 – 20.63501 22.421.3 – 23.54001 25.223.9 – 26.54501 28.026.6 – 29.45001 Lozano & Asociados38

39. ¿Cual K utilizar ? – En el capitulo 12 de NFPA 13-2013, Art. 12.6 se establecen los criterios siguientes para la protección de almacenamientos: Densidades de 0.20 gpm/pie2 y menores, K ≥ 5.6 Densidades 0.20 hasta 0.34 gpm/pie 2, K = 8.0 Densidades mayores de 0.34 gpm/pie 2, K ≥ 11.2 – Para las tecnologías de CMSA y ESFR El valor de K lo establece la norma y por lo general depende de la altura del almacenamiento a proteger. Lozano & Asociados39

40. El valor de P mínima – La presión requerida en el rociador mas remoto del área de diseño para descargar el caudal mínimo requerido. – Presión mínima de operación 7 psi para el rociador estándar de pulverización. – Otros rociadores como los ESFR, y rociadores de CMSA requieren presiones mayores de 7 psi y esto dependerá de la mercancía a proteger y de la altura del almacenamiento. Lozano & Asociados40

41. Caudal mínimo por rociador Para los rociadores estándar de pulverización. La norma establece la densidad y la distribución de los rociadores el área por rociador. – Densidad 0.19 gpm/pie 2 – Área por rociador 100 pie 2 Para los rociadores ESFR y CMSA, la norma establece el valor de K y la presión mínima de descarga. – K = 19.6 y P = 40 psi Lozano & Asociados41

42. Presión mínima en el rociador mas remoto Lozano & Asociados42 Para los rociadores estándar de pulverización, se calcula a partir de la K seleccionada y del caudal mínimo a descargar

43. Cambios de elevación Lozano & Asociados43 Todo cambio de elevación debe tomarse en cuenta en los cálculos hidráulicos de sistemas p en psi h en pies

44. Cambios de elevación A B h = 20 pies (— ) (+)(+)

45. Perdidas en accesorios y válvulas Lozano & Asociados 45 Cuando el agua fluye por un sistema de tuberías y consigue un obstáculo (válvula) o un cambio de dirección (te o un codo) se produce una perdida de presión y muchas veces no son menores

46. Longitudes equivalentes (pies) NFPA 13-2013 Tabla 22.4.3.1.1 Accesorios y Válvulas ½¾11¼1½22½34681012 Codo 45 0 — 11122334791113 Codo Normal 90 0 122345671014182227 Codo Radio Largo 90 0 0.5122234569131618 Te o cruz (flujo a 90 0 ) 345681012152030355060 Válvula Mariposa ————— 67101210121921 Válvula de Compuerta ————— 11123456 Válvula de retención* —— 5791114162232455565

47. Que tan importante es P v ? P T = P N + P V P N = P T - P V PNPN PVPV Q = 25 gpm P T = 18 psi P N = 18 - 0.193 = 17.81 psi K = 8Cálculo incluyendo P V Cálculo sin incluir P V

48. Mini-sistema Asignación preliminar de diámetros GL & ASOCIADOS48 D E F G Estación de control 10’ 200’ 25’ H = 20’ H 10’ Ф 1¼Ф 1Ф 1½ Ф 2 Ф 2½ Ф 3 M Densidad 0,20 gpm/pie2

49. GL & ASOCIADOS49 Caudal mínimo por rociador Se calcula en base a la densidad y al área cubierta por el rociador Densidad 0.20 gpm/pie 2 Área por rociador 100 pie 2 Q = 0.20 x 100 = 20 gpm

50. GL & ASOCIADOS50 Presión mínima en el rociador mas remoto Depende de la K seleccionada y del caudal mínimo a descargar – Q = 20 gpm – K = 5.6 P =(20/5.6) 2 P = 12.75 psi

51. GL & ASOCIADOS51 Calculo del ramal típico Caudal requerido en A de 20 gpm Rociador k = 5.6 psi Ø 1” Ø 1 ¼ ” 20 gpm 10’ DCB A

52. GL & ASOCIADOS52 ¿Cuánta agua se descarga en B? Ø 1” Ø 1 ¼ ” 10’ 21 gpm 20 gpm 41 gpm DCBA

53. GL & ASOCIADOS53 ¿Cuánta agua se descarga en C? Ø 1” Ø 1 ¼ ” 10’ 20 gpm 21 gpm 22 gpm DCBA 63 gpm

54. GL & ASOCIADOS54 Requerimientos en D Ø 1” Ø 1 ¼ ” 5’ 20 gpm 21 gpm22 gpm Ø 1½” P requerida = 17.1 psi Q requerido = 63 gpm D CBA 63 gpm 41 gpm 20 gpm

55. Mini-sistema GL & ASOCIADOS55 D E F G Estación de control 10’ 200’ 23’ 63 gpm @ 17.1 psi H = 20’ H 10’ M

56. LOZANO & ASOCIADOS CÁLCULOS HIDRÁULICOS PROYECTO: CALCULÓ:FECHA:HOJA Nº DE: REVISÓ:FECHA:PROYECTO Nº APROBÓ:FECHA:REVISIÓN Nº REF FLUJO (GPM) Φ ACCESORIOS LONGITUD EQUIVALENTE PÉRDIDAS (psi/pie) PRESIÓN (psi)ELEVACIÓNNOTAS q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe

57. LOZANO & ASOCIADOS CÁLCULOS HIDRÁULICOS PROYECTO: CALCULÓ:FECHA:HOJA Nº DE: REVISÓ:FECHA:PROYECTO Nº APROBÓ:FECHA:REVISIÓN Nº REF FLUJO (GPM) Φ ACCESORIOS LONGITUD EQUIVALENTE PÉRDIDAS (psi/pie) PRESIÓN (psi)ELEVACIÓNNOTAS D q 63 2 - Long 10 Pt 17.1 Acc 0 Pf E Q 63 Tot 10 Pe E q 2 Long 10 Pt Acc 0 Pf F Q Tot 10 Pe F q 2½ Long 10 Pt Acc 0 Pf G Q Tot 10 Pe G q 2½ Long 10 Pt Acc 0 Pf H Q Tot 10 Pe h q 3 2CN 1VA 1 VC Long 245 Pt Acc Pf M Q Tot Pe 20’ q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe

58. LOZANO & ASOCIADOS CÁLCULOS HIDRÁULICOS PROYECTO: CALCULÓ:FECHA:HOJA Nº DE: REVISÓ:FECHA:PROYECTO Nº APROBÓ:FECHA:REVISIÓN Nº REF FLUJO (GPM) Φ ACCESORIOS LONGITUD EQUIVALENTE PÉRDIDAS (psi/pie) PRESIÓN (psi)ELEVACIÓNNOTAS D q 63 2 - Long 10 Pt 17.1 Acc 00.040 Pf 0.40 E Q 63 Tot 10 Pe 0 E q 64 2 Long 10 Pt 17.50 Acc 0 Pf F Q 127 Tot 10 Pe F q 2½ Long 10 Pt Acc 0 Pf G Q Tot 10 Pe G q 2½ Long 10 Pt Acc 0 Pf H Q Tot 10 Pe h q 3 2CN 1VA 1 VC Long 245 Pt Acc Pf M Q Tot Pe q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe

59. LOZANO & ASOCIADOS CÁLCULOS HIDRÁULICOS PROYECTO: CALCULÓ:FECHA:HOJA Nº DE: REVISÓ:FECHA:PROYECTO Nº APROBÓ:FECHA:REVISIÓN Nº REF FLUJO (GPM) Φ ACCESORIOS LONGITUD EQUIVALENTE PÉRDIDAS (psi/pie) PRESIÓN (psi)ELEVACIÓNNOTAS D q 63 2 - Long 10 Pt 17.1 Acc 0 0.040 Pf 0.40 E Q 63 Tot 10 Pe 0 E q 64 2 Long 10 0.146 Pt 17.50 Acc 0 Pf 1.46 F Q 127 Tot 10 Pe 0 F q 66 2½ Long 10 Pt 18.96 Acc 0 Pf G Q Tot 10 Pe G q 2½ Long 10 Pt Acc 0 Pf H Q Tot 10 Pe h q 3 2CN 1VA 1 VC Long 245 Pt Acc Pf M Q Tot Pe q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe

60. LOZANO & ASOCIADOS CÁLCULOS HIDRÁULICOS PROYECTO: CALCULÓ:FECHA:HOJA Nº DE: REVISÓ:FECHA:PROYECTO Nº APROBÓ:FECHA:REVISIÓN Nº REF FLUJO (GPM) Φ ACCESORIOS LONGITUD EQUIVALENTE PÉRDIDAS (psi/pie) PRESIÓN (psi)ELEVACIÓNNOTAS D q 63 2 - Long 10 Pt 17.1 Acc 0 0.040 Pf 0.40 E Q 63 Tot 10 Pe 0 E q 64 2 Long 10 0.146 Pt 17.50 Acc 0 Pf 1.46 F Q 127 Tot 10 Pe 0 F q 66 2½ Long 10 0.133 Pt 18.96 Acc 0 Pf 1.33 G Q 193 Tot 10 Pe 0 G q 69 2½ Long 10 0.235 Pt 20.29 Acc 0 Pf 2.35 H Q 262 Tot 10 Pe 0 H q 3 2CN 1VA 1 VC Long 245 Pt 22.64 Acc Pf M Q Tot Pe q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe

61. LOZANO & ASOCIADOS CÁLCULOS HIDRÁULICOS PROYECTO: CALCULÓ:FECHA:HOJA Nº DE: REVISÓ:FECHA:PROYECTO Nº APROBÓ:FECHA:REVISIÓN Nº REF FLUJO (GPM) Φ ACCESORIOS LONGITUD EQUIVALENTE PÉRDIDAS (psi/pie) PRESIÓN (psi)ELEVACIÓNNOTAS D q 63 2 - Long 10 Pt 17.1 Acc 0 0.040 Pf 0.40 E Q 63 Tot 10 Pe 0 E q 64 2 Long 10 0.146 Pt 17.50 Acc 0 Pf 1.46 F Q 127 Tot 10 Pe 0 F q 66 2½ Long 10 0.133 Pt 18.96 Acc 0 Pf 1.33 G Q 193 Tot 10 Pe 0 G q 69 2½ Long 10 0.235 Pt 20.29 Acc 0 Pf 2.35 H Q 262 Tot 10 Pe 0 H q 72 3 2CN 1VA 1 VC Long 245 0.128 Pt 22.64 Acc Pf M Q 334 Tot Pe 20 q Long Pt Acc Pf Q Tot Pe

62. GL & ASOCIADOS62 Longitudes Equivalentes 2CN = 2x7 = 14 1VA = VR = 161VC = 1 Accesorios = 14 + 16 + 1 = 31

63. LOZANO & ASOCIADOS CÁLCULOS HIDRÁULICOS PROYECTO: CALCULÓ:FECHA:HOJA Nº DE: REVISÓ:FECHA:PROYECTO Nº APROBÓ:FECHA:REVISIÓN Nº REF FLUJO (GPM) Φ ACCESORIOS LONGITUD EQUIVALENTE PÉRDIDAS (psi/pie) PRESIÓN (psi)ELEVACIÓNNOTAS D q 63 2 - Long 10 Pt 17.1 Acc 0 0.040 Pf 0.40 E Q 63 Tot 10 Pe 0 E q 64 2 Long 10 0.146 Pt 17.50 Acc 0 Pf 1.46 F Q 127 Tot 10 Pe 0 F q 66 2½ Long 10 0.133 Pt 18.96 Acc 0 Pf 1.33 G Q 193 Tot 10 Pe 0 G q 69 2½ Long 10 0.235 Pt 20.29 Acc 0 Pf 2.35 H Q 262 Tot 10 Pe 0 H q 72 3 2CN 1VA 1 VC Long 245 0.128 Pt 22.64 Acc 31 Pf 35.32 M Q 334 Tot 276 Pe 8.66 20 M q Long Pt 66.62 Acc Pf Q Tot Pe

64. Mini-sistema Asignación preliminar de diámetros GL & ASOCIADOS64 D E F G 10’ 200’ 25’ H = 20’ H 10’ Ф 1¼Ф 1Ф 1½ Ф 2 Ф 2½ Ф 3 M Requerimientos Q = 334 gpm P = 66.62 psi

65. GL & ASOCIADOS65 ¿Funciona? Curva de disponibilidad en el punto M Punto de diseño Caudal disponible 600 – 334 = 266 gpm P psi Q gpm 67 334 600

66. www.lozanoasociados.net +58 241 8253577 ¿Comentarios/Preguntas? Guillermo Lozano e-mail: glozano@lozanoasociados.net PROFESSION AL MEMBER