CONDUCTOS A SUPERFICIE_obras hidraulicas

1. UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENERIA
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
CONDUCTOS A SUPERFICIE
LIBRE
3° clase
Ing. Alejandro Zapata
chafazg@gmail.com

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2.3.1 Elementos Cinéticos

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2.3.1 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

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2.4. Métodos para el diseño hidráulico de los canales
El diseño de los canales se debe efectuar teniendo en cuenta los tipos de
flujos siguientes:
Flujo Uniforme
Cuando permanecen constantes el tirante, la velocidad media el gasto y la
pendiente hidráulica del tramo.
Flujo Variado Continuo
Cuando son constantes el tirante, la velocidad medía, el gasto. y la
pendiente hidráulica.
Flujo Variado Discontinuo
Cuando el gasto es variable de sección a sección.
Flujo Transitorio
Cuando el gasto varía con el tiempo.

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Las dimensiones de la sección y su pendiente determinan el estado de flujo
del agua en cada sección
En la hidráulica, entre los estados de flujo de un líquido se distinguen los de
un flujo subcrítico, crítico y supercrítico. La medida para definir estos
estados es el número de Froude Fr, que se define como la relación entre la
velocidad del flujo V y la velocidad de las ondas gravitacionales (celeridad):

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Cuando el número de Froude es menos que 1.0. se habla de un
flujo subcrítico, que es un flujo de velocidad baja y tranquila. En el
estado subcrítico las ondas gravitacionales pueden propagarse en
dirección aguas arriba. porque la celeridad es suficientemente
grande para vencer la velocidad del flujo.
Cuando el número de Froude es mayor a 1.0, el flujo es
supercrítico, con una alta velocidad y que se conoce como rápido y
hasta torrencial. En el estado supercrítico es imposible que una
onda gravitacional se propague hacia aguas arriba, porque la
celeridad es menor que la velocidad del flujo.
Cuando el número de Fronde es igual a 1.0, el flujo es crítico.

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La transición del estado subcrítico a supercrítico es un proceso
gradual y generalmente tranquilo. La aceleración del agua genera
un gradual aumento de la velocidad y una consecuente reducción
del tirante.
Por definición la aceleración de subcrítico a supercrítico pasa por el
estado crítico.
Contrariamente, el cambio del estado supercrítico al estado
subcrítico es un proceso turbulento. Obligatoriamente pasa por un
resalto hidráulico en el que la energía cinética se convierte en
energía potencial. La intensidad del resalto y la propagación de
eventuales ondulaciones en el canal aguas abajo dependen del
número de Froude del flujo supercrítico.

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2.4. Métodos para el Diseño hidráulico de Canales
Existen varios métodos dentro de ellos podemos indicar:
- Método del Ing. Enrique Góngora Pareja (Tablas)
- Método del Ing. Lizandro Mercado (Nomogramas)
- Fórmula de Chezy
- Fórmula de Manning
La formula de Manning es la mas conocida y aplicada
mundialmente la cual desarrollaremos en los siguientes ítems

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La fórmula de Chezy

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La fórmula de Chezy…
Resulta la fórmula de Chezy para canales. sólo aplicable cuando
el régimen es uniforme:

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2.5. Ecuaciones de la Hidrodinámica aplicadas a Canales
El flujo uniforme sólo es posible en un canal de sección
transversal constante, mientras si en un canal se presentan
secciones transversales diferentes, el flujo es variado y puede
presentarse en una corriente acelerada o en un remanso.
Las ecuaciones a aplicarse en los canales con flujo uniforme. es
decir cuando son constantes el tirante normal, la velocidad media,
la pendiente hidráulica y el gasto se Indican a continuación.

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2.5.1 Principio de Continuidad o de Conservación de la Masa
Que expresa que para un escurrimiento uniforme el caudal es constante
en dos secciones de área y velocidad diferentes si no existen
aportaciones ni extracciones, del mismo.
Q = V1 x A1 = V2 x A2

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2.5.2 Ecuación de la energía o Teorema de Bernoulli
El principio de conservación de la energía se expresa así: Para un tramo la
energía de entrada debe ser Igual a la energía en la sección de salida su
ecuación es:

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2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimiento
Según esta ecuación: La variación de la cantidad de movimiento de una
masa de agua que fluye a través de un tramó de canal en la unidad de
tiempo es Igual al Impulso resultante de las fuerzas actuantes sobre ella.
Siendo su expresión la siguiente:

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2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimiento
La ecuación anterior tiene los factores que se indican a continuación:
P1 y P2 Resultantes de las presiones que actúan sobre el cuerpo Ubre del agua,
W Peso de la masa de agua del tramo
 Angulo que determina la pendiente geométrica
Ff 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.

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2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimiento
El valor del coeficiente de Boussinesq se calcula a partir de la formula de
cantidad de movimiento donde:
Cantidad de Movimiento CM1 = ƿ Q V
En un punto cualquiera δQ = V δ A
Cantidad 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 se
utilizan las velocidades medias y se tiene un valor aproximado. CM =  CM1

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2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimiento
El valor del coeficiente de Boussinesq se calcula a partir de la formula de
cantidad de movimiento donde:
Cantidad de Movimiento CM1 = ƿ Q V
En un punto cualquiera δQ = V δ A
Cantidad 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 se
utilizan las velocidades medias y se tiene un valor aproximado. CM =  CM1
Por tanto

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2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimiento
El coeficiente de Boussinesq se relaciona con el coeficiente de Coriolis
mediante la ecuación siguiente:
Para casos prácticos α==1
Para tuberías se tiene α=2  = 4/3
En el cuadro siguiente se dan los valores de y para diferentes tipos de conductos.

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2.5.3 Ley de Impulso o Cantidad de movimiento
La ley del Impulso es de gran utilidad para problemas en los cuales se
desconocen las pérdidas que ocurrirán en un tramo, dado que las fuerzas
son externas y pueden ser calculables sólo para fenómenos locales.

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LECTURAS
Tarea N° 03:
Con la hoja electrónica desarrollada, para un Q=200 l/s, SO=2 O/OO;
n=0.016, b=0.4 m se le pide responder a las siguientes preguntas:
1.¿Cuál es la sección de canal mas eficiente entre un canal rectangular
y uno trapezoidal (z=0.5) y por que?
2.¿Cuál es la sección de canal mas eficiente entre un canal
semicircular (b=Diámetro) y uno trapezoidal (z=0.5) y por que?

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LECTURAS
Temas para el control de Lectura 02:
1. ¿Qué es la velocidad máxima de erosión?
2. ¿Qué es la velocidad minima de sedimentación?
3. ¿Qué es la Máxima Eficiencia Hidráulica?
4. ¿Qué es el Bordo libre?