Las redes de transporte y distribución de agua requieren cálculos hidráulicos para determinar las características de caudal y presión en uno o varios puntos de consumo y el caudal y las presiones de suministro de agua necesarios para cumplir con los requisitos de diseño. [1]
En el contexto de la seguridad contra incendios , los cálculos hidráulicos se utilizan para determinar el flujo de un medio extintor a través de una red de tuberías y a través de dispositivos de descarga (por ejemplo, boquillas, rociadores) para controlar, suprimir o extinguir incendios.
Los cálculos hidráulicos verifican que el caudal de agua (o agua mezclada con aditivos como concentrado de espuma contra incendios) a través de las redes de tuberías con el fin de suprimir o extinguir un incendio será suficiente para cumplir con los objetivos de diseño. El procedimiento de cálculo hidráulico se define en los códigos de modelo de referencia aplicables, como el publicado por la Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) con sede en EE. UU. [2] o la norma EN 12845, Sistema fijo de extinción de incendios – Sistemas de rociadores automáticos – Diseño, instalación y mantenimiento [3] .
Los cálculos hidráulicos indican que la combinación de los dos componentes principales de un sistema de protección contra incendios a base de agua cumplirá con los objetivos de diseño para controlar, suprimir o extinguir un incendio:
Los requisitos para la cantidad de agua que se debe descargar se especifican en un código modelo aplicable, como NFPA 13, NFPA 15, EN 12845, BS 9251, [4] NFPA 750 CP 52, ASIB y AS2118.1. También pueden aplicarse las normas de diseño de seguros de propiedad.
La intensidad y la extensión probables de un incendio en el interior de un edificio se indican mediante factores como el uso del edificio, la altura del mismo, los elementos que contiene y su disposición. Estas variables se comparan con las tablas y los valores expresados en los códigos modelo. Los valores de estas tablas se basan en pruebas de incendio y en el historial de pérdidas.
La disponibilidad de agua suele determinarse mediante una prueba de caudal , en la que se abren uno o más hidrantes y se miden la presión y el caudal del agua. Algunas jurisdicciones municipales de agua pueden proporcionar una estimación de los suministros de agua disponibles en función de modelos hidráulicos.
En lugares donde no es posible o práctica una conexión municipal, el agua necesaria puede extraerse de un cuerpo de agua abierto (por ejemplo, lago, estanque, río) o de un tanque de almacenamiento de agua.
Los cálculos hidráulicos determinan si la presión de suministro de agua disponible es adecuada para proporcionar el caudal de diseño del sistema de rociadores. De no ser así, se proporciona presión de agua adicional mediante una bomba contra incendios.
Las redes de tuberías de los sistemas de extinción suelen estar dispuestas en una de estas tres configuraciones: en árbol, en bucle o en cuadrícula. Todos estos tipos de sistemas utilizan grandes tuberías horizontales («tuberías principales») que suministran grandes caudales a tuberías más pequeñas («tuberías secundarias») que están conectadas a las tuberías principales. Los aspersores se instalan únicamente en las tuberías secundarias. Las tuberías principales se abastecen de agua mediante la conexión a una única tubería vertical («tubo ascendente») que, a su vez, se abastece de agua mediante la conexión a las tuberías de suministro de agua.
Los sistemas de árboles incluyen una única tubería principal con varios ramales más pequeños. Como todas las tuberías terminan en un callejón sin salida, el caudal de agua solo es posible en una dirección.
Los sistemas en bucle utilizan una tubería principal que recorre una distancia significativa dentro de un edificio y se enruta de regreso para conectarse consigo misma cerca del tubo ascendente. Las líneas secundarias se conectan a este "bucle". Se requiere menos presión de suministro de agua con esta configuración de tubería principal en bucle, ya que la caída de presión hidráulica es menor a través de la tubería principal, ya que el agua puede fluir en dos direcciones hacia cualquier rociador. Las líneas secundarias pueden terminar en un callejón sin salida o pueden conectarse en cada extremo a diferentes puntos (generalmente opuestos) en la tubería principal en bucle. En este último caso, se requiere menos presión de suministro de agua, ya que la caída de presión hidráulica es menor en la tubería secundaria, ya que el agua fluye desde ambos extremos de la línea secundaria hacia cualquier rociador.
Los sistemas de red utilizan dos grandes tuberías principales en extremos opuestos de varias líneas secundarias que están conectadas a las tuberías principales en cada extremo. Los sistemas de red proporcionan múltiples caminos para que el agua llegue a cualquier punto del sistema, lo que reduce las pérdidas de presión en el sistema.
La mayoría de las normas de diseño requieren la aplicación del método Hazen-Williams para determinar las pérdidas de presión por fricción a través de la red de tuberías a medida que el agua pasa por ella. Los sistemas de árbol y bucle son lo suficientemente simples como para que los cálculos hidráulicos se puedan realizar a mano. Debido a que los cálculos hidráulicos para sistemas en cuadrícula requieren un proceso iterativo para equilibrar el flujo de agua a través de todos los caminos posibles, estos cálculos se realizan con mayor frecuencia mediante software de computadora. En la práctica, la mayoría de los cálculos en todos los tipos de redes de tuberías se realizan mediante software de computadora. Los tamaños de los componentes de la red se pueden modificar y recalcular más fácilmente en una computadora que a través de un proceso manual.
El manual NFPA 13 de 2013 incluye un suplemento que describe parte de la teoría de aplicación y los procesos aplicados al realizar cálculos hidráulicos. [5]