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Clase 02 conductos a superficie libre obras hidraulicas

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Clase 02 conductos a superficie libre obras hidraulicas

  1. 1. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE Ing. Alejandro Zapata chafazg@gmail.com UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL 2 CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE1 2.1 Generalidades 2.2 Clasificación de canales 2.3 Elementos de un canal 2.4 Métodos para el diseño hidráulico de los canales 2.5 Ecuaciones de la Hidrodinámica aplicadas a Canales 2.6 Criterios de diseño para canales de Flujo Uniforme 2.7 Criterios de diseño para Canales de Pendiente fuerte 2.8 Revestimientos empleados en Canales 2.9 Trazo de Canales 2.10 Ejemplo de diseño de canales1. Textos base: “Obras de riego para zonas montañosas”. P. Hoogendam – A. Bottega.2004 / “Irrigacion”.A. Rosell C.1993 / “Manual de riego por gravedad”. W. Olarte.1987 / “Obras de captación, Canales y Modelos Hidraulicos”. G. Sotelo A. 1996 1
  2. 2. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.1. GeneralidadesLos canales son conductos abiertos en los cuales el agua circuladebido a la acción de la gravedad y sin ninguna presión. pues lasuperficie libre del líquido está en contacto con la atmósfera.Los sistemas de conducción y distribución de agua en los proyectosde riego como en parte de los de abastecimiento de agua potable oen la derivación de las aguas de una central hidroeléctrica y en loscauces naturales pueden estar conformados por conductos abiertosque fluyen bajo la acción de la gravedad y se denominan "Canales", opor conductos cerrados que fluyen parcialmente llenos como losTúneles y otros conductos cerrados. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.1. Generalidades…Los cauces naturales donde se incluyen los ríos. arroyos y torrentesestán comprendidos dentro de las leyes del flujo de conductos asuperficie libre; en estos casos algunos parámetros como larugosidad del cauce son difíciles de estimar y en otros casos los flujosson muy cambiantes por la naturaleza del cauce. pendientes ydiversidad de materiales que conforman su prisma principal.En el caso de los canales artificiales sus secciones se definen en sudiseño. sus cursos tienen diferentes secciones y pendientes lo queimplica cambio de velocidades, rugosidades y en algunos casoscambio de régimen con el cual fluyen. 2
  3. 3. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.1. GeneralidadesCuando las corrientes que discurren en los canales tienen fuertespendientes se les denomina Rápidas y se caracterizan por laaireación espontánea que transforma el agua en una mezcla de aguay aire. las características del flujo en este tipo de escurrimiento difierede los flujos lentos. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.2. Clasificación de canalesLos canales pueden clasificarse según:a. La función que cumplen en los sistemas, es decir en:Canal de Derivación:Es el canal que conduce las aguas desde la toma hasta el punto Inicial dereparto de las aguas.Canal Madre o Principal:Es el canal que recorre por los puntos más altos del terreno por regar ydesde él cual se Inicia la distribución mediante los canales secundarios.Canales de Distribución:Llamados secundarios y laterales son los que llevan las aguas a las áreasde riego y finalmente a las parcelas 3
  4. 4. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Canal de madre Canal de derivación principal Canal de distribución UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.2. Clasificación de canales……b. De acuerdo a su origen, es decir en:Canales NaturalesSon los cursos de agua existentes en forma natural comoconsecuencia del escurrimiento de la lluvia, varían desde un pequeñoriachuelo. arroyo a un gran río; se incluye entre estos loscauces subterráneos que llevan agua a superficie libre.Canales ArtificialesSon los construidos por el hombre tales como: loscanales de navegación, túneles. canales para proyectos de riego eirrigación como los. pequeños canales y conductos empleados enmodelos reducidos. 4
  5. 5. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Canal artificial Canal natural UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.2. Clasificación de canales…c. Según su sección transversal, es decir en:...Canales RectangularesSon los que adoptan secciones cuadradas y rectangulares se utilizan enconductos cubiertos, transiciones, estructuras menores.Canales TrapezoidalesSon los más empleados y sus taludes varían de acuerdo a la geologíaque atraviesan.Canales TrapezoidalesSon utilizados en modelos y en algunos arroyos naturalescon objeto de incrementar el tirante para una mejor determinaciónde la altura. 5
  6. 6. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.2. Clasificación de canales…c. Según su sección transversal, es decir en:...Canales CircularesSon utilizados para trabajar parcialmente llenos se emplean en túneles,conductos cubiertos, alcantarillas. y desagües.Canales SemicircularesSon utilizados en canales prefabricados y para pruebas de laboratorio.Canales HerrajeLlamados también Horse Shoe, se utilizan en túneles, alcantarillas yconductos cerrados. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.3. Elementos de un canalEl diseño hidráulico de los canales se define en función de trestipos de elementos:- Elementos Geométricos- Elementos Cinéticos- Elementos DinámicosLos dos primeros elementos definen la forma del canal, lossegundos las condiciones de flujo y los terceros su movilidad. 6
  7. 7. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2.3.1 Elementos Geométricos en general Detalle Unidad Variable Tirante normal m y Ancho en el fondo m b Talud del canal s/u z Area mojada de la seccion m2 A = y (b+yz) Perimetro mojado m P 2 1/2 = b + 2 y (1+z ) Relacion fondo tirante s/u x = b/y Ancho de la superficie m B = b + 2 yz Tirante medio m D = A/B Tirante critico m YC En flujo uniforme MS = A*R Modulo de seccion En flujo critico MS = A*D Pendiente geometrica de fondo m/m SO = Tan  Talud de las escarpas s/u ZT Bordo libre o freeboard m fB 7
  8. 8. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2.3.1 Elementos Geométricos de secciones mas comunes UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2.3.1 Elementos Cinéticos 8
  9. 9. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2.3.1 Elementos Dinámicos Detalle Unidad Variable Coeficiente de rugosidad s/u n Perdida de carga por friccion m hf En un tramo "L" del canal Pendiente hidraulica s/u S = hf / L UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.4. Métodos para el diseño hidráulico de los canalesEl diseño de los canales se debe efectuar teniendo en cuenta los tipos deflujos siguientes:Flujo UniformeCuando permanecen constantes el tirante, la velocidad media el gasto y lapendiente hidráulica del tramo.Flujo Variado ContinuoCuando son constantes el tirante, la velocidad medía, el gasto. y lapendiente hidráulica.Flujo Variado DiscontinuoCuando el gasto es variable de sección a sección.Flujo TransitorioCuando el gasto varía con el tiempo. 9
  10. 10. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE 10
  11. 11. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL 11
  12. 12. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.4. Métodos para el Diseño hidráulico de CanalesExisten varios métodos dentro de ellos podemos indicar:- Método del Ing. Enrique Góngora Pareja (Tablas)- Método del Ing. Lizandro Mercado (Nomogramas)- Formula de Chezy- Formula de ManningLa formula de Manning es la mas conocida y aplicadamundialmente la cual desarrollaremos en los siguientes ítems UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRELa fórmula de Chezy 12
  13. 13. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRELa fórmula de Chezy…Resulta la fórmula de Chezy para canales. sólo aplicable cuandoel régimen es uniforme: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.5. Ecuaciones de la Hidrodinámica aplicadas a CanalesEl flujo uniforme sólo es posible en un canal de seccióntransversal constante, mientras si en un canal se presentansecciones transversales diferentes, el flujo es variado y puedepresentarse en una corriente acelerada o en un remanso.Las ecuaciones a aplicarse en los canales con flujo uniforme. esdecir cuando son constantes el tirante normal, la velocidad media,la pendiente hidráulica y el gasto se Indican a continuación. 13
  14. 14. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.5.1 Principio de Continuidad o de Conservación de la MasaQue expresa que para un escurrimiento uniforme el caudal es constanteen dos secciones de área y velocidad diferentes si no existenaportaciones ni extracciones, del mismo. Q = V1 x A1 = V2 x A2 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.5.2 Ecuación de la energía o Teorema de BernoulliEl principio de conservación de la energía se expresa así: Para un tramo laenergía de entrada debe ser Igual a la energía en la sección de salida suecuación es: 14
  15. 15. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoSegún esta ecuación: La variación de la cantidad de movimiento de unamasa de agua que fluye a través de un tramó de canal en la unidad detiempo es Igual al Impulso resultante de las fuerzas actuantes sobre ella.Siendo su expresión la siguiente: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoLa ecuación anterior tiene los factores que se indican a continuación:P1 y P2 Resultantes de las presiones que actúan sobre el cuerpoUbre del agua,W Peso de la masa de agua del tramo Angulo que determina la pendiente geométricaFf Fuerzas externas (fricción y otras resistencias)ɤ Peso volumétrico del agua. Coeficientes de corrección para la utilización de las velocidades medias llamadas coeficientes de Boussinesq.V1 y V2 Velocidad antes y después del cambio.Q Caudal o gasto. 15
  16. 16. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoEl valor del coeficiente de Boussinesq se calcula a partir de la formula decantidad de movimiento donde:Cantidad de Movimiento CM1 = ƿ Q VEn un punto cualquiera δQ = V δ ACantidad de Movimiento CM = ʃ ƿ ((V δA) V)  CM = ƿ ʃ (V2 δA)Este sería el valor exacto de la cantidad de movimiento, pero para simplificar seutilizan las velocidades medias y se tiene un valor aproximado. CM =  CM1 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoEl valor del coeficiente de Boussinesq se calcula a partir de la formula decantidad de movimiento donde:Cantidad de Movimiento CM1 = ƿ Q VEn un punto cualquiera δQ = V δ ACantidad de Movimiento CM = ʃ ƿ ((V δA) V)  CM = ƿ ʃ (V2 δA)Este sería el valor exacto de la cantidad de movimiento, pero para simplificar seutilizan las velocidades medias y se tiene un valor aproximado. CM =  CM1Por tanto 16
  17. 17. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRE2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimientoEl coeficiente de Boussinesq se relaciona con el coeficiente de Coriolismediante la ecuación siguiente:Para casos prácticos α==1Para tuberías se tiene α=2  = 4/3En el cuadro siguiente se dan los valores de y para diferentes tipos de conductos. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL PREGUNTAS ???? 17
  18. 18. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL2. CONDUCTOS A SUPERFICIE LIBRETarea N° 02:1. ¿Realizar una hoja electrónica que permita definir las características geométricas del canal, A, P, R?En excel a mi correo chafazg@gmail.comNombre del archivo: 040512_Codigo_Apellido_T2.xls UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVILLECTURASTemas para el control de Lectura:1. ¿Qué es la velocidad máxima de erosión?2. ¿Qué es la velocidad minima de sedimentación?3. ¿Qué es la Máxima Eficiencia Hidráulica? 18
  19. 19. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Preguntas????UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENERIA CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL 19

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