Trabajo Final Hidraulica
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0 ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS ANÁLISIS DE LA OBRA DE ARTE: RÁPIDA N°01 DEL CANAL LATERAL CHACHAPOYAS DOCENTE: M.Sc. Hugo Amado Rojas Rubio ESTUDIANTES: Fournier Pais Analí Jimenez Gonzales Margarita Olórtegui Morales Samir Soriano Ipanaqué Ángel Ventura Alva Hernán CICLO: X Nuevo Chimbote, Enero de 2014.
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ESCUELA ACADÉMICO
PROFESIONAL DE
INGENIERÍA CIVIL
ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS
ANÁLISIS DE LA OBRA DE ARTE:
RÁPIDA N°01 DEL CANAL LATERAL
CHACHAPOYAS
DOCENTE:
M.Sc. Hugo Amado Rojas Rubio
ESTUDIANTES:
Fournier Pais Analí
Jimenez Gonzales Margarita
Olórtegui Morales Samir
Soriano Ipanaqué Ángel
Ventura Alva Hernán
CICLO:
X
Nuevo Chimbote, Enero de 2014.
1
PRESENTACIÓN
A menudo dentro de las obras hidráulicas principales como los canales, se
presentan situaciones como en el caso del cruce con una vía de comunicación
dependerá de la importancia de la vía de comunicación como del tamaño del canal,
para elegir si es preferible pasar el canal encima de la vía o por debajo de ella, en el
primer caso la solución será un acueducto, en el segundo caso se optara por un
sifón invertido o un conducto cubierto. Igualmente en el caso de depresiones
naturales será necesario analizar las diferentes alternativas enunciadas y decidir
por la estructura más conveniente.
Si la depresión fuera ancha y profunda y no se angostase hacia aguas arriba, podría
no ser factible un acueducto, pero si un sifón invertido. En algunos será necesario
analizar alternativas de conducto cubierto alcantarilla o sifón.
Los canales que se diseñan en tramos de pendiente fuerte resultan con velocidades
de flujo muy altas que superan muchas veces las máximas admisibles para los
materiales que se utilizan frecuentemente en su construcción.
Para controlar las velocidades en tramos de alta pendiente se pueden utilizar
combinaciones de rampas y escalones, siguiendo las variaciones del terreno.
En el presente trabajo se ilustrará la visita a una obra de arte con esta función, una
rápida, el análisis de su condición actual y se formulará una propuesta de rediseño,
fundamentando en base a conocimientos técnicos las mejoras planteadas.
El grupo de trabajo
2
ÍNDICE
PRESENTACIÓN ______________________________________________________________________ 02
ÍNDICE ______________________________________________________________________________________ 03
ANÁLISIS DE LA OBRA DE ARTE ___________________________________________________________________ 04
I. INFORMACIÓN GENERAL _________________________________________________________________ 04
II. MARCO TEÓRICO _______________________________________________________________________ 07
1. ASPECTOS GENERALES DE UN CANAL _________________________________________________ 07
2. RÁPIDA ________________________________________________________________________ 11
3. CAÍDA __________________________________________________________________ 23
4. DISEÑO ESTRUCTURAL DE OBRAS HIDRÁULICAS ____________________________________ 27
III. IDENTIFICACIÓN DE UNA OBRA DE ARTE DE UN PROYECTO EN FUNCIONAMIENTO __________________ 38
IV. REDISEÑO HIDRÁULICO DE LA OBRA DE ARTE ________________________________________________ 31
V. REDISEÑOESTRUCTURAL _________________________________________________________________ 31
VI. COMPARACIÓN ENTRE LA OBRA ACTUAL Y EL REDISEÑO _______________________________________ 31
VII. PANEL FOTOGRÁFICO __________________________________________________________________ 32
VIII. CONCLUSIONES ______________________________________________________________________ 39
IX. RECOMENDACIONES ___________________________________________________________________ 39
X. BIBLIOGRAFÍA _________________________________________________________________________ 39
XI. ANEXOS ______________________________________________________________________________ 40
3
ANÁLISIS DE LA OBRA DE ARTE:
RÁPIDA N°01 DEL CANAL LATERAL CHACHAPOYAS
I. INFORMACIÓN GENERAL:
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVOS GENERALES
Identificar las condiciones hidráulicas de la Rápida Nº 01 del Canal
Lateral Chachapoyas, y proponer un rediseño en base a los
conocimientos adquiridos sobre obras de arte.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Identificar una obra de arte con sus respectivas características
hidráulicas.
Proponer un rediseño hidráulico de la obra identificada.
Proponer un rediseño estructural para la obra de arte.
Comparar la eficiencia de diseño entre el diseño actual y el
propuesto.
2. UBICACIÓN
2.1. Departamento : Ancash
2.2. Provincia : Santa
2.3. Distrito : Chimbote
2.4. Sector : Cascajal Izquierdo
4
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3. FUENTE:
3.1. Bocatoma : La Huaca
3.2. Río : Santa
3.3. Canal : Lateral Chachapoyas
4. OBRA DE ARTE EN ESTUDIO:
Rápida Nº 01 del Canal Lateral Chachapoyas.
5. RECURSOS:
5.1. RECURSOS HUMANOS
Alumnos del curso de Estructuras Hidráulicas del X Ciclo, Escuela
Académico Profesional de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional
del Santa.
5.2. RECURSOS MATERIALES
Winchas de 5 m, y 100 m.
Cámaras fotográficas.
Cuaderno y lapiceros.
Objeto flotante.
Bordón.
Cronómetro.
Nivel de Ingeniero.
6. CLIMA
Su clima es del Tipo Tropical, Cálido. La temperatura varía de acuerdo a la
estación del año entre 18° y 35°.
7. TOPOGRAFÍA
Posee un relieve Topográfico plano inclinado.
8. GEOLOGÍA
Presenta un suelo Orgánico debido a la presencia de abundante Vegetación.
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II. MARCO TEÓRICO: a
1. ASPECTOS GENERALES DE UN CANAL
Con relación al tramo del canal en estudio, los aspectos generales a tratar
son los siguientes:
1.1. CANALES DE RIEGO POR SU FUNCIÓN
Los canales de riego por sus diferentes funciones adoptan las siguientes denominaciones:
• Canal de primer orden.
Llamado también canal madre o de derivación y se le traza siempre con pendiente mínima, normalmente es usado por un solo lado ya que por el otro lado da con terrenos altos.
• Canal de segundo orden.
Llamados también laterales, son aquellos que salen del canal madre y el caudal que ingresa a ellos, es repartido hacia los sub – laterales, el área de riego que sirve un lateral se conoce como unidad de riego.
• Canal de tercer orden.
Llamados también sub – laterales y nacen de los canales laterales,
el caudal que ingresa a ellos es repartido hacia las propiedades
individuales a través de las tomas del solar, el área de riego que
sirve un sub – lateral se conoce como unidad de rotación.
De lo anterior de deduce que varias unidades de rotación
constituyen una unidad de riego, y varias unidades de riego
constituyen un sistema de riego, este sistema adopta el nombre o
codificación del canal madre o de primer orden.
1.2. SECCIÓN TÍPICA DE UN CANAL
7
Donde:
T = Ancho superior del canal
b = Plantilla
z = Valor horizontal de la inclinación del talud
C = Berma del camino, puede ser:
0.5 m para canales de primer orden.
0.75 m para canales de segundo orden.
1.00 m para canales de tercer orden.
V = Ancho del camino de vigilancia, puede ser según:
3.00 m para canales de primer orden.
4.00 m para canales de segundo orden.
6.00 m para canales de tercer orden.
H = Altura de caja o profundidad de rasante del canal.
En algunos casos el camino de vigilancia puede ir en ambos
márgenes, según las necesidades del canal, igualmente la capa de
rodadura de 0.10 m a veces no será necesaria, dependiendo de la
intensidad del tráfico.
1.3. RUGOSIDAD
Esta depende del cauce y el talud, dado a las paredes laterales del mismo,
vegetación, irregularidad y trazado del canal, radio hidráulico y obstrucciones
en el canal, generalmente se diseña canales en tierra se supone que el canal
está recientemente abierto, limpio y con un trazado uniforme, sin embargo el
valor de rugosidad inicialmente asumido difícilmente se conservará con el
tiempo, lo que quiere decir que en la práctica constantemente se hará frente a
un continuo cambio de la rugosidad.
La siguiente tabla nos da valores de “n” estimados, estos valores pueden ser
refutados con investigaciones y manuales, sin embargo no dejan de ser una
referencia para el diseño:
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1.4 VELOCIDAD Y CAUDAL
PROCEDIMIENTO
La medida de la velocidad del flujo se realizó por medio de una metodología muy antigua con la ayuda de objetos flotantes; los materiales y el procedimiento se detallan a continuación.
MATERIALES
1. Wincha de 5m y 100 m. 2. Objetos flotantes de tamaños proporcionales. 3. Cronómetro.
En primer lugar medimos la longitud del tramo de donde se realizará la medida de la velocidad del flujo. La medida de realizó en un tramo comprendido entre dos pontones para facilitar el proceso.
En segundo lugar el grupo se divide en tres subgrupos, el primero y el segundo se colocan en ambos puentes respectivamente (o ambos puntos de análisis), y el otro encargado de observar el curso de los objetos flotantes usados para el análisis.
A continuación el primer subgrupo suelta un objeto flotante dando aviso instantáneo al segundo grupo encargado de registrar poner en alerta al segundo grupo dependiendo la cercanía del objeto.
El tercer grupo marca el tiempo, y extrae el objeto del canal.
El procedimiento se realiza cinco veces para tener un promedio y una medida con mayor criterio técnico.
1.5 BORDE LIBRE
Para dar la seguridad al canal es necesario una altura adicional
denominada Borde Libre, con objeto de evitar desbordamientos
por mala operación de compuertas, derrumbes o por olas debido
al viento que pueden poner en peligro la estabilidad del canal.
No existe una norma única para establecer el valor del borde
libre, pero por lo general varía entre el 5% y el 30% del calado, y
es tanto mayor cuanto mayor es el caudal y la velocidad en el
canal.
En canales pequeños Q 2 m3/s; se recomienda usar:
fb = 0.30 mt
9
Para canales mayores Q > 2 m3/s:
√ Donde: f b = Borde libre en mt v = velocidad del flujo m/seg d= Tirante mt La U.S. BUREAU OF RECLAMATION recomienda estimar el borde libre con la siguiente fórmula:
√ Donde: f b = Borde libre en pies C = 1.5 para caudales menores a 20 pies3/s, y hasta 2.5 para caudales del orden de los 3000 pies3/s Y= Tirante del canal en pies
1.6 FROUDE
Para evaluar el régimen de flujo, calculamos el número de Froude y comparamos con la unidad:
√
Flujo Crítico
Flujo Subcríticos
Flujo Supercrítico
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1.7 TIRANTES CRÍTICOS El tirante crítico de, es aquel para el cual la energía específica es mínima, coincidentemente con este tirante el régimen lento o subcrítico pasa a régimen rápido supercrítico. El N° de Froude determina la condición de flujo: N < 1; existe flujo subcrítico N =1; existe flujo crítico N > 1; existe flujo supercrítico Cuando el flujo está próximo a ser crítico, la superficie del agua se hace inestable, produciendo olas. Tirantes críticos para tipo de sección de canal:
Triangular:
Rectangular:
o √
Trapezoidal:
1.8 CALCULO DE LA PENDIENTE
De la ecuación de Manning despejamos el pendiente S:
√
11
2. RÁPIDA
Las rápidas se utilizan para unir dos tramos de canal cuyo desnivel
considerable se presenta en una longitud de bastante importancia en
comparación con el desnivel. Antes de decidir la utilización de una de estas
estructuras, conviene realizar un estudio económico comparativo entre una
rápida y una serie de caídas.
Elementos de una rápida, se muestran en la siguiente figura la cual está
compuesta de:
2.1 PARTES DE UNA RÁPIDA:
La transición de entrada, une por un estrechamiento progresivo la sección del
canal superior con la sección de control.
Sección de control, es el punto donde comienza la pendiente fuerte de la
rápida, manteniéndose en este punto las condiciones críticas. En la rápida
generalmente se mantiene una pendiente mayor que la necesaria para
mantener el régimen crítico, por lo que el tipo de flujo que se establece es el
supercrítico.
Canal de la rápida, es la sección comprendida entre la sección de control y el
principio de la trayectoria. Puede tener de acuerdo a la configuración del
terreno una o varias pendientes. Son generalmente de sección rectangular o
trapezoidal.
Trayectoria, es la curva vertical parabólica que une la pendiente última de la
rápida con el plano inclinado del principio del colchón amortiguador. Debe
diseñarse de modo que la corriente de agua permanezca en contacto con el
fondo del canal y no se produzcan vacíos. Si la trayectoria se calcula con el
12
valor de la aceleración de la gravedad como componente vertical, no habrá
presión del agua sobre el fondo y el espacio ocupado por el aire aumentara,
limitándose así la capacidad de conducción del canal, por lo que se acostumbra
usar como componente vertical un valor inferior a la aceleración de la
gravedad o incrementar el valor de la velocidad para que la lámina de agua se
adhiera al fondo del canal.
Tanque amortiguador, Colchón disipador o poza de disipación, es la
depresión de profundidad y longitud suficiente diseñada con el objetivo de
absorber parte de la energía cinética generada en la rápida, mediante la
producción del resalto hidráulico, y contener este resalto hidráulico dentro de
la poza. Se ubica en el extremo inferior de la trayectoria.
Transición de salida, tiene el objetivo de unir la poza de disipación con el canal
aguas abajo.
Zona de protección, con el fin de proteger el canal sobre todo si es en tierra,
se puede revestir con mampostería.
2.2 DISEÑO DE UNA RÁPIDA
Procesos:
Cálculo utilizando el análisis del flujo en un perfil longitudinal
con tramos de pendiente fuerte y calculando las curvas de
remanso. Para simplificar cálculos puede usar HCANALES.
Procedimiento indicado en este trabajo.
Procedimiento para el diseño de una rápida
a. Diseño del canal, aguas arriba y aguas debajo de la rápida
Utilizar las consideraciones prácticas, o apoyarse del programa H-
Canales.
b. Cálculo del ancho de solera en la rápida y el tirante en la sección
de control
En la sección de control se presentan las condiciones críticas, para
una sección rectangular las ecuaciones que se cumplen son las
siguientes:
√
√
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Igualando (1) y (2), resulta:
√
√
Se puede asumir que Emin = En (energía específica en el canal), para
inicio de los cálculos y realizar la verificación.
También se puede suponer un ancho de solera en la rápida, calcular
el tirante crítico en la sección de control y por la ecuación de la
energía calcular el tirante al inicio de la transición.
Para que se dé en la sección de control el tirante crítico, al aplicar la
ecuación de la energía puede requerirse que se produzca una sobre
elevación del fondo.
Existen fórmulas empíricas para el cálculo del ancho de la rápida, las
cuales son:
De acuerdo a Dadenkov, puede tomarse:
Otra fórmula empírica:
√
Por lo general, el ancho de solera con esta última fórmula, resulta de
mayor dimensión que la obtenida por Dadenkov.
c. Diseño de la transición de entrada
Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es:
14
Donde:
T1= Espejo de agua en el canal
T2= b = Ancho de solera en la rápida.
d. Cálculo hidráulico en el canal de la rápida
d.1. Cálculo de tirantes y distancias
Se pretende calcular los tirantes para los diferentes tramos
(distancias) con respecto a la sección de control.
Puede usarse:
Cualquier método para el cálculo de la curva de
remanso, recomendándose el método de tramos fijos.
Usar el proceso gráfico de esta metodología.
La ecuación utilizada es la ecuación de la energía:
E1 + ∆Z = E2 + ∆hf1-2 …… (3)
La ecuación (3), se resuelve gráficamente conforme se muestra en la
figura (2), siendo:
15
Para dibujar la figura (2), es conveniente tabular los cálculos, en una
tabla similar a la que se muestra:
Figura 2. Resolución gráfica de la ecuación
y A R V=Q/A V2/2g E ∆hf E+∆hf
Nota. En la tabla, el primer valor de y, es el y de la sección de control
yc, y el y final tiene un valor menor al yn en la rápida.
d.2. Borde Libre
El borde libre en el canal de la rápida se puede obtener utilizando la
fórmula empírica:
√
Para utilizar la fórmula es necesario determinar los tirantes de agua
y, y las velocidades ν existentes en distintos puntos a lo largo de la
rápida. Estas se pueden obtener considerando un tirante crítico en la
sección de control y mediante la aplicación de la ecuación de la
energía en tramos sucesivos. Los tirantes obtenidos se deben
considerar perpendiculares al fondo, las velocidades y las longitudes
se miden paralelas a dicha inclinación, el borde libre se mide normal
al fondo.
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e. Cálculo de la profundidad (elevación) del tanque amortiguador
e.1. Cálculo de la curva elevación (trayectoria de la
rápida) – tirante
La curva elevación (trayectoria de la rápida) – tirante es
similar a la que se muestra en la figura 3, para su cálculo
aplicar ecuación de Bernoulli despreciando pérdidas.
Figura 3. Curva I, elevación de la trayectoria en la rápida vs
tirante.
Proceso:
1. Calcular la elevación del gradiente de energía en la
sección donde se inicia la trayectoria.
2. Calcular los valores para trazar la curva elevación
(trayectoria de la rápida)-tirante (una muestra gráfica
de los cálculos se indican en la figura 4), suponer
tirantes menores que y0, calcular E y restar de la
elevación del gradiente de energía calculado en el paso
1; con los diferentes valores obtenidos se genera la
tabla:
y A V V2/2g E Elevación gradiente energía – E (elevación trayectoria en
la rápida)
Nota. El primer valor de y, es el correspondiente al tirante
inicial en la trayectoria, y los restantes valores, menores que
17
éste, puesto que en la trayectoria, el y decrece al aumentar la
velocidad.
Figura 4. Esquema de cálculo de la elevación de la trayectoria en la rápida.
3. Trazar la curva (I), esta se obtiene ploteando la
elevación de la trayectoria en la rápida vs tirante.
e.2. Cálculo de la curva: elevación – tirante conjugado
menor
La curva elevación-tirante conjugado menor es similar a la
que se muestra en la figura 5, para su cálculo realizar el
siguiente proceso:
1. Calcular la elevación del gradiente de energía en la
sección del canal después de la rápida, una muestra gráfica
de los cálculos se indican en la figura 6.
Figura5. Curva II, elevación del fondo del colchón amortiguador
vs tirante conjugado menor.
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Figura6. Esquema de cálculo de la elevación del gradiente de
energía después del resalto.
La elevación del gradiente de energía después del resalto se
calcula de la siguiente manera:
2. Elegir y1 y calcular el tirante conjugado mayor del resalto
y2
Para una sección rectangular la ecuación es:
√
Luego calcular:
3. Calcular la elevación del fondo del colchón amortiguador
de la poza:
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Los resultados se pueden tabular de la siguiente forma:
Y1 Y2 V2 V22/2g E2 Elev. gradiente energía – E2
(elevación del colchón amortiguador)
4. Trazar curva (II), ploteando la elevación del colchón
amortiguador vs tirante conjugado menor
e.3. Graficar las curvas (I) y (II) e interceptarlas
(Figura 7)
En el punto de intersección se obtiene:
Figura 7. Cálculo de la elevación del tanque del colchón amortiguador.
Elevación del tanque amortiguador
Tirante conjugado menor y1
f. Cálculo de la profundidad del colchón amortiguador
La profundidad del colchón amortiguador se calcula de la siguiente
forma:
h = elevación canal – elevación colchón
20
La salida del colchón hacia el canal puede construirse en forma
vertical, si se construye inclinado se recomienda un talud Z=2
g. Cálculo de la longitud del colchón
Para calcular la longitud del colchón puede usarse la fórmula de
Sieñchin:
Siendo K = 5 para un canal se sección rectangular.
h. Cálculo de las coordenadas y elevaciones de la trayectoria
parabólica
La trayectoria parabólica pares (x, y) de la rápida, como se muestra en
la Figura 8, se calcula dando valores horizontales de x y calculando y
con la siguiente ecuación:
Figura8, Trayectoria parabólica
Donde:
y = coordenada vertical (ordenada)
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x = coordenada horizontal (abscisa)
ѳ = ángulo formado por la horizontal y el fondo del canal de la
rápida (tgѳ = S)
vmáx = 1.5 v al principio de la trayectoria con lo cual la
ecuación se simplifica de la siguiente manera.
Para los cálculos se dan valores a x y se calcula y, siendo las
elevaciones:
Lo cual genera la siguiente tabla:
X Y Elevación
i. Cálculo de la transición de salida
Se realiza de la misma forma que la transición de entrada.
La simplificación de los cálculos para el diseño de una rápida, para el
método descrito, se puede realizar con los programas en QuickBasic
que se muestran en los listados 1, 2, 3 y 4.
Listado 1, Cálculo de la energía específica
Donde:
y = tirante
Q = caudal
V = velocidad
A = área hidráulica
b = ancho de solera
Z = talud
g = 9.81 (aceleración de
la gravedad)
L = longitud del tramo
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Listado 2, Cálculo elevación vs tirante en la rápida
Donde:
y = tirante
Q = caudal
V = velocidad
A = área hidráulica
b = ancho de solera
Z = talud
g = 9.81 (aceleración de
la gravedad)
Listado 3, Cálculo elevación vs tirante en la poza
Donde:
y = tirante
Q = caudal
V = velocidad
A = área hidráulica
b = ancho de solera
Z = talud
Listado 4, Cálculo de las coordenadas de la trayectoria parabólica
Donde:
y = coordenada vertical
(ordenada)
x = coordenada
horizontal (abscisa)
V = velocidad
A = área hidráulica
b = ancho de solera
S = pendiente de la
rápida
g = 9.81 (aceleración de
la gravedad)
23
3. CAÍDA
Las caídas son estructuras utilizadas en aquellos puntos donde es necesario
efectuar cambios en la rasante del canal, a fin de disipar energía.
Una caída se compone de las siguientes partes:
a. Transición de entrada (de ser necesario para un cambio de sección
trapezoidal a rectangular)
b. Caída, la cual es de sección rectangular, pudiendo ser vertical o inclinada
con pendiente de 1.3: 1 a 1.5: 1.
c. Pozo amortiguador o colchón disipador; es de sección rectangular y su
función es de absorber la energía cinética del agua en el pie de la caída.
d. Transición de salida.
a. DISEÑO DE UNA CAÍDA
I. Se construyen caídas verticales, cuando se necesita salvar un
desnivel de 1 m como máximo, sólo en casos excepcionales se
construyen para desniveles mayores.
II. SINAMOS, recomienda que para caudales unitarios mayores a 3000
l/sxm de ancho, siempre se debe construir caídas inclinadas,
además manifiesta que la ejecución de estas obras debe limitarse a
caídas y caudales pequeños, principalmente en canales secundarios
construidos en mampostería de piedra donde no se necesita ni
obras de sostenimiento ni drenaje.
III. Cuando el desnivel es menor igual 0.30 m y el caudal menor igual
300 l/sxm de ancho de canal, no es necesario poza de disipación.
IV. El caudal vertiente en el borde superior de la caída se calcula con la
fórmula para caudal unitario “q”.
Siendo el caudal total:
√ (Formula de Weisbach)
Ancho de caída
V. La caída vertical se puede utilizar para medir la cantidad de agua
que vierte sobre ella si se coloca un vertedero calibrado.
24
VI. Por debajo de la lámina vertiente en la caída se produce un
depósito de agua de altura yp que aporta el impulso horizontal
necesario para que el chorro de agua marche hacia abajo.
VII. Rand (1955) citado por ILRI (5) Pág. 209, encontró que la
geometría del flujo de agua en un salto vertical, puede calcularse
con un error inferior al 5% por medio de las siguientes funciones:
Donde:
Fig.1, Características De La Caída Vertical
VIII. Al caer la lámina vertiente extrae una continua cantidad de aire de
la cámara indicada en la Fig. 1, el cual se debe reemplazar para
evitar la cavitación o resonancias sobre toda la estructura.
IX. Para facilitar la aireación se puede adoptar cualquiera de las
soluciones siguientes:
25
a) Contracción lateral completa en cresta vertiente, disponiéndose de este modo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de espacio lateral para el acceso de aire debajo de la lámina vertiente.
b) Agujeros de ventilación, cuya capacidad de suministro de aire en m3/sxm de ancho de cresta de la caída es igual a:
(
⁄ )
Donde: Suministro de aire por metro de ancho de cresta Tirante normal aguas arriba de la caída Máxima descarga unitaria sobre la caída
(
)
Donde: Baja presión permisible debajo de la lámina vertiente, en metros de columna de agua. (Se puede suponer un valor de 0.04m de columna de agua) Coeficiente de pérdida de entrada (Usar Ke=0.5) Coeficiente de fricción en la ecuación de Darcy-Weishbach
Longitud de la tubería de ventilación, m.
26
Diámetro del agujero de ventilación, m. Coeficiente de pérdida por curvatura (Usar Kb=1.1) Coeficiente de pérdida por salida (Usar Kex=1.0) Velocidad media del flujo de aire a través de la tubería de ventilación
⁄ Aproximadamente 1/830 para aire a 20°C
27
4. DISEÑO ESTRUCTURAL DE OBRAS HIDRÁULICAS
Para garantizar el éxito de un proyecto, éste no debe ser enfocado como la
conjunción de especialistas que van a realizar los estudios que le son
encomendados en el tema de su dominio, las obras diseñadas con este
procedimiento, que no son casos aislados, corren el riesgo de no plasmarse con
éxito. Los especialistas, bajo el liderazgo de un Jefe o Gerente de Proyecto, deben
constituirse en un equipo que interactúa en búsqueda de la solución que integre
todas las disciplinas de manera que el resultado sea la solución más apropiada
desde el punto de vista de seguridad, funcionalidad, durabilidad, costos, programa
de tiempo de ejecución, etc, Aunque lo mencionado suene obvio, abundan los casos
en que por diversas razones, los proyectos han sido el resultado de la participación
aislada de los protagonistas, con lamentables resultados.
La participación del diseñador estructural debe otorgar la seguridad a Ias
construcciones de manera que soporten los esfuerzos a los que estará sometido
como también asegurar que la funcionalidad no se vea afectada a través de la vida
útil para la que se diseñó y que se asegure un razonable comportamiento
impermeable, Las soluciones a plantear deben estar basadas, además de su propia
especialidad, en el conocimiento de los procesos constructivos, y el estar
plenamente' consciente de las condicionantes del proyecto, incluido la ubicación
geográfica, clima, facilidades logísticas y todo aquello que ha de influir en la
adopción de las formas, materiales, y técnicas constructivas.
En el presente trabajo se presentan algunas consideraciones propias de un
proyecto estructural de las obras hidráulicas que se deberán tener en cuenta para
el diseño, supervisión y construcción de este tipo de obras.
4.1 TIPOS DE OBRAS HIDRÁULICAS
Dentro de los diversos tipos de obras hidráulicas se pueden mencionar las presas,
canales, sifones, acueductos, reservorios apoyados y elevados, tal como se puede
observar en las figuras.
28
4.2 CALIDAD DEL CONCRETO, AGRIETAMIENTO Y JUNTAS
Una de las características más importantes de las obras hidráulicas es la calidad
apropiada de los materiales que se usarán, esto muchas veces es más importante
que la misma capacidad para resistir los esfuerzos a los que estará sometida la
estructura.
De acuerdo a las recomendaciones del Comité 350 del ACI (Environmental
Engineering Concrete Structures), uno de los aspectos más importantes que debe
cumplir la dosificación del concreto está relacionado a la máxima relación
"agua/material cementante (a/c)", que es el mejor indicador para lograr concretos
de buen desempeño. Una manera de lograr esa relación "a/c" de manera indirecta
es utilizar concretos de resistencia elevada, no porque se requiera, sino más bien
debido a que al dosificar estos concretos se está garantizando que la relación "a/c"
sea baja.
Calidad de Concreto
Resistencia del Concreto
Expuesto a condiciones "Severas" f´c = 280min.
No expuesto a Condiciones Severas f´c = 245min.
29
Máxima relación a/c = 0.45
Exposición sanitaria "Normal":
- Cuando los líquidos tienen un ph > 5 o está expuesto a solución de sulfatos
con menos de 1500ppm.
Exposición sanitaria "Severa":
- Cuando los límites anteriores se exceden
Con el objeto de "lograr estructuras de concreto con un razonable grado de
impermeabilidad y para garantizar que el acero de refuerzo no tenga
recubrimientos pequeños, es necesario tener presente las siguientes dimensiones
mínimas en los elementos de concreto:
Consideraciones estructurales
Espesores mínimos de muros
- Con h > 3 m. o más 30cm
- Con h < 3 m. 15cm
Con recubrimiento de 5 cm o más 20cm
Espaciamiento máx. de refuerzo 30cm
En el Perú, gran parte de las obras hidráulicas están ubicadas en la zona de la
"Sierra", donde el clima puede ser nocivo, en esos casos es recomendable tomar en
consideración las recomendaciones del Comité 306 del ACI para climas fríos. En
general la incorporación de aire al concreto permitirá tener concretos más
impermeables; esto es especialmente importante para las zonas frías.
Clima Frío (ACI 306)
Clima frío es cuando por más de 3 días consecutivos:
- El promedio diario de temperatura del aire < 5º C
- En 12 horas al día, la temperatura del aire < 10º C
"El promedio diario de temperatura del aire es el promedio de la mayor y menor
temperaturas que ocurren durante el periodo de media noche a medio día" (Entre
12 pm y 12 m).
En climas fríos, la temperatura del concreto en el momento de su colocación
debe ser:
- Mayor a 13º C si el espesor de los elementos es menor a 30 cm
- Mayor a 10º C si el espesor está entre 30 y 90 cm
- Mayor a 7º C si el espesor está entre 90 y 180 cm
30
Colocar "Aire Incorporado"
Tamaño del agregado Aire incorporado
1 1/2" 5 1/2 %
1" ó 3/4" 6%
El concreto es un material muy bueno en cuanto a su capacidad para resistir
esfuerzos de compresión, pero en contraposición también tiene un problema que
ocasiona fuertes dolores de cabeza a los ingenieros, me refiero a que durante el
proceso de endurecimiento se contrae. Las restricciones sean de fricción contra el
suelo o porque otros elementos se lo impiden, no permiten su libre encogimiento
por lo que se generan esfuerzos importantes de tracción que muchas veces
producen agrietamientos, sobre todo cuando el proyectista no evaluó las
consecuencias de estos efectos.
Contracción de fragua del concreto
Basados en cilindros curados 28 días y luego 50 a 60% de humedad.
Las temperaturas elevadas y el proceso constructivo inadecuado pueden producir
agrietamientos. La magnitud de las grietas dependerá de las causas que las
producen.
Esfuerzos que causan agrietamiento
Tipo
Principales causas
Tiempo de aparición
Asentamiento plástico
Exceso de exudación
10 min. – 3 horas
Contracción plástica
Secado rápido
30 min. – 6 horas
31
El uso de las fibras de polipropileno u otra matriz polímera contribuye a disminuir
el espesor de grietas y fisuras, en las figuras siguientes se puede observar su
efectividad.
Agrietamiento por contracción plástica del concreto
Permeabilidad del concreto con fibras
Contracciones
térmicas
Excesivo calor y
gradiente de termperatura
1 día – 2 ó 3
semanas Contraccón
de fragua Juntas
insuficientes Varias semanas
o meses
32
La mejor forma de controlar las fisuras, además de indicar las dimensiones y
armado en los planos del proyecto, es diseñar y detallar las juntas adecuadamente;
sin embargo, es frecuente observar que esto no se da y el resultado es negativo, ya
que el pobre manejo del tema por parte del proyectista deja en libertad de acción
al Supervisor o Constructor que si no tienen la experiencia necesaria pueden tomar
decisiones inapropiadas. En algunos casos, esta es la causa de la presencia de
fisuras que afectan el resultado final del proyecto.
Juntas
Juntas de construcción
Juntas de Dilatación
Se recomienda rompe aguas> 9"
El material selIador debe permitir una deformación igual a la mitad de la
junta.
33
Espesor de Juntas de Dilatación
Rango de temperatura
Ld = 12 m Ld = 18m Ld = 24m Ld = 30m
Enterrado a 4º C ½” ¾” 7/8” 1”
Parcialmente protegido sobre terreno a 27º C
¾”
7/8”
1”
*
No protegido, como techos y
losas
7/8”
1”
*
*
Juntas de Contracción
Para losas sin armar o sub armadas, la separación recomendada es:
Para h = 10 cm Lc = 3 m
Para h = 12.5 cm Lc = 4 m
Para h = 15 cm Lc = 5 m
4.3 CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES
Hasta hace pocos años, el diseño estructural de los canales de conducción de agua,
reservorios y otras obras hidráulicas era efectuado por el método de esfuerzos
permisibles porque se consideraba que el "método de rotura" [cuyo nombre
preocupaba a los no entendidos en el diseño estructural, razón por la cual se
cambió por el denominado "cargas factorizadas" o como se le conoce en sus siglas
en Inglés LRFD (Load & Resistance Factor Design)] no ofrecía el grado de
impermeabilidad suficiente a este tipo de obras; sin embargo los factores de carga
fue. ron "calibrados" para controlar el ancho de grieta a 0.2 mm para estructuras
sometidas a severas condiciones de exposición y de 0.25 mm para otras
estructuras hidráulicas (para edificios se permite 0.4 mm para obras exteriores y
0.3 mm para obras interiores). Esto se logra con la incorporación de un
"coeficiente de durabilidad sanitario" que se multiplica por los factores
tradicionales de "carga última".
34
Diseño por cargas factorizadas
U = 1.7 H por empuje de suelos
U = 1.7 F por presión de líquidos
U = 1.4 D + 1.7 L carga muerta y viva
Multiplicar "U" por un "coeficiente de durabilidad sanitario":
- Para refuerzo en flexión 1.30 U
- Para tracción directa 1.65 U
- Para para tracción diagonal 1.30 U
- Zonas de compresión 1.00 U
Diseño por esfuerzos de trabajo
Concreto:
n=Es/Ec
fc = 0.45 f'c
Esfuerzos máximos recomendados Tracción 1,400 kg/cm2 Flexión (3/8", 1/2" y
5/8")
- Para exposición severa 1,550 kg/cm2
- Para exposición normal 1,900 kg/cm2
La cuantía mínima por contracción y temperatura está vinculada al concepto del
refuerzo requerido para controlar la fisuración producida por las fuerzas que se
originan por el efecto de contracción de fragua aunado al hecho que el terreno
presenta una restricción al libre encogimiento del concreto, por tal motivo esta
cuantía dependerá de cuán grande es el elemento sin juntas, tal como se puede
observar en la siguiente figura.
Cuantía mínima por contracción y temperatura
Cuando los elementos son gruesos, como el caso de las pequeñas presas, este
concepto se aplica a una capa superficial de 30 cm de espesor, que actúa como una
35
"piel reforzada" que confina a un núcleo de concreto sin armar. Si el refuerzo se
encuentra en una cara en contacto permanente con el terreno los valores pueden
reducir a la mitad.
Cuantía mínima en secciones gruesas de 60cm o más
50% del refuerzo en la "cara inferior" de losas en contacto con el terreno
Para el diseño se consideran las cargas que ocurren en un estado inicial de
servicio; pero a la vez, se debe prever las situaciones de servicio que en algunos
casos cambian las situaciones de trabajo. Para el diseño, además del efecto de las
presiones se debe considerar los efectos de cavitación y erosión que pueden sufrir
los elementos por las partículas en suspensión en el agua, es por esa razón que
algunas estructuras deberán ser "forradas superficialmente" con bloques de piedra
o planchas metálicas, como es usual en el caso del diseño de los "disipadores de
energía".
Situaciones de diseño
Disipadores de energía
36
Red de Flujo
Fuerzas sobre una pantalla
Ilustración de las fuerzas que obran en una presa.
Para el diseño del refuerzo longitudinal de las estructuras tipo canales de agua,
losas y otras estructuras apoyadas, cuando se hacen juntas muy espaciadas, se
debe evaluar la fuerza de tracción que se produce cuando se trata de contraer el
concreto y el terreno ofrece resistencia. Mientras que para verificar que no se
produzca deslizamiento entre el muro de contención y el terreno se utiliza los
valores mínimos de coeficientes de fricción, para el diseño del refuerzo
longitudinal de las estructuras hidráulicas se toman los valores máximos, que en
algunos casos llegan hasta "3".
37
El refuerzo calculado de esta manera para elementos de concreto con espesores
menores a 60 cm sale muy parecidos a los obtenidos por "cuantía mínima".
Refuerzo para tomar las contracciones del concreto
Coeficiente de fricción (µ)
38
III. IDENTIFICACIÓN DE UNA OBRA DE ARTE DE UN
PROYECTO EN FUNCIONAMIENTO
1. OBRA DE ARTE N° 01: TOMA LATERAL CON DADOS ROMPE PRESIÓN.
La Obra de Arte N° 01 pertenece al Canal Cascajal-Nepeña-Casma-Sechin,
aproximadamente en la progresiva 10+382, consta de una toma lateral y
dados rompe presión.
Se apreció que la construcción de la estructura no se realizó en su totalidad,
encontrándose ésta en total abandono, con presencia de acumulación de
sedimentos, malezas, etc.
Por ende, el caudal que ingresa no es controlado debido a la inexistencia de
compuertas radiales.
La toma lateral con dados rompe presión no se encuentra en
funcionamiento.
39
2. OBRA DE ARTE N° 02: CAÍDAS.
La Obra de Arte N° 02 pertenece al Canal Lateral Chachapoyas, consta de 07
caídas verticales.
Estas estructuras de arte presentan buenas condiciones, y se ubican al lado de
la trocha que conduce a Cascajal.
3. OBRA DE ARTE N° 03: RÁPIDA.
La Obra de Arte N° 03 pertenece al Canal Lateral Chachapoyas, consta de una
rápida y poza disipadora. Ubicadas al ingreso del pueblo de Chachapoyas. El
canal presenta un caudal de 1.32m3/seg, y sección rectangular.
40
4. DESCRIPCIÓN DE LA OBRA DE ARTE ESCOGIDA
La obra de arte escogida es la RÁPIDA (única) perteneciente al Canal
Lateral Chachapoyas, este canal posee una longitud de 2,323 metros
lineales, abasteciendo a 57.20 has con un volumen de 1300950.00 (m3 por
año).
El canal lateral Chachapoyas presenta en su estructura un concreto simple
f’c = 175 kg/cm2, al igual que la rápida, de resistencia de f’c = 175 kg/cm2,
además 5 puentes vehiculares de concreto armado de resistencia f´c=210
Kg/cm2, 7 tomas parcelarias, 5 entregas de desagüe, 1 entrega lateral, y 1200
m. de juntas de dilatación.
La rápida se encuentra a continuación de un puente de concreto, y antes de
una curva dentro del canal, además a una distancia aproximada de un metro
se encuentra una toma lateral, que para hacer cálculos con mayor precisión
se cerró ésta temporalmente.
5. DATOS DE LA OBRA DE ARTE ACTUAL
La estructura de arte escogida pertenece al Canal Lateral Chachapoyas,
cuyas características hidráulicas son:
Parámetros Valor
Tirante normal 0.20 m.
Espejo de agua 2.65 m.
41
Ancho de solera 2.65 m.
Área mojada 0.53 m2
Rugosidad 0.0148
Borde libre 0.86 m.
Velocidad (m/s) 2.49 m/s
Caudal (m3/s) 1.32 m3/s
Talud 0
Pendiente 1.40%
N° de Froude 1.78
Tipo de flujo supercrítico
Perímetro mojado 3.05 m.
Radio hidráulico 0.17 m.
Energía específica 0.52
Sección Transversal del Canal Lateral Chachapoyas:
La estructura de arte-RÁPIDA, tiene las siguientes características
hidráulicas:
Parámetros Valor
Espejo de agua 3.20 - 3.00 m.
Ancho de solera 3.20 - 3.00 m.
Longitud Horizontal 21.60 m.
Longitud Inclinada 21.67 m.
Pendiente promedio 8.10%
Rugosidad 0.010
Talud 0
42
IV. REDISEÑO HIDRAULICO DE LA OBRA DE ARTE
43
V. REDISEÑO ESTRUCTURAL
44
VI. COMPARACION ENTRE LA OBRA ACTUAL Y EL REDISEÑO
45
VII. PANEL FOTOGRÁFICO
FOTO 01: Vista del canal aguas arriba de la rápida, de ancho 3.10 m y
revestido de concreto.
FOTO 02: Vista de la rápida, de ancho 3.20m al inicio de la rápida y ancho
3.00m al final de la rápida.
46
FOTO 03: Vista de la parte final de la rápida y el colchón amortiguador.
FOTO 04: Vista del canal aguas arriba de la rápida y el inicio de la rápida.
47
FOTO 05: Medición del tirante en el canal aguas arriba de la rápida.
FOTO 06: Medición del tirante y borde libre en el canal aguas arriba de la
rápida.
48
FOTO 07: Medición del ancho al inicio de la rápida.
FOTO 08: Medición del ancho a lo largo del tramo de la rápida.
49
FOTO 09: Medición de la velocidad del caudal, aguas arribas de la rápida.
FOTO 10: Medición de la pendiente de la rápida.
50
FOTO 11: Medición de la pendiente de la rápida.
FOTO 12: Observamos una parte de las paredes de la rápida deteriorados,
con agrietamiento severo, ocasionado posiblemente por la presencia de
vegetación o por la mala calidad del concreto en esa sección.
51
FOTO 14: Equipo de trabajo.
FOTO 13: Se aprecia la inadecuada separación de la junta de dilatación
entre paños de las paredes de la rápida.
52
VIII. CONCLUSIONES
8.1 Conclusión General
Logramos identificar las condiciones hidráulicas de la Rápida Nº 01
del Canal Lateral Chachapoyas, observando en campo un flujo
supercrítico aguas arriba de la rápida para ello en el rediseño de la
obra de arte evaluada se propuso la puesta de una caída a 29m
aguas arriba desde el inicio de la rápida seguido de un canal cuya
pendiente propuesta es de 0.2% lo cual nos permite obtener un flujo
subcrítico aguas arriba de la rápida, en la rápida por cuestiones de
replanteo del canal aguas arriba se cambió la pendiente inicial de 8%
(medido en campo) a 6.6%, aguas abajo de la rápida se propuso las
mismas características hidráulicas del canal rediseñado aguas arriba.
8.2 Conclusiones Específicas
Identificamos todos los datos hidráulicos del canal ubicado aguas
arriba de la rápida, en la rápida no se pudo medir los tirantes
debido a la alta velocidad del agua presente en ella, aguas abajo
solo identificamos ancho y talud del canal.
Se realizó el rediseño hidráulico de la rápida Nª01 y sus canales a
las cuales enlaza obteniendo un flujo subcrítico antes y después
de ella para evitar daños en estos canales, así mismo se diseñó
una caída vertical sin obstáculos de desnivel 0.40m para disipar
la energía del agua y obtener el flujo subcrítico aguas arriba.
En el rediseño hidráulico de la rápida Nª01 se obtuvo un ancho
de pared de rápida igual al estado original de la ella.
Comparando hidráulicamente la rápidaNº01 con su rediseño se
obtiene que el tirante critico al inicio de la rápida es menor en el
rediseño por lo tanto el borde libre disminuirá ya que depende
de que tan elevado sea el tirante en la rápida, por otra parte se
presenta en el rediseño mayor velocidad debido a que los
tirantes son menores al inicial. En cuanto a la comparación
estructural de la rápida nos limita debido a falta de información
de expedientes técnicos de la zona.
53
IX. RECOMENDACIONES
Evitar flujo supercrítico aguas arriba de la rápida pues al pasar el
agua a una velocidad mayor a la recomendada produce erosión
en el canal.
En el diseño de canales, rápidas, caídas entre otras obras
hidráulicas se recomienda seguir la topografía del terreno para
evitar costos mayores.
En el caso que la longitud de la poza amortiguadora sea mucho
mayor se recomienda poner dados de concreto los cuales
absorben la energía del agua al golpear estas en ellos dando por
consiguiente un menor tamaño de resalto hidráulico.
54
X. BIBLIOGRAFIA
Libro: Hidráulica de canales Abiertos - Ven Te Chow.
Manual: Criterios de Diseños de Obras Hidráulicas para la formulación
de Proyectos Hidráulicos Multisectoriales y de Afianzamiento Hídrico –
ANA (AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA).
TESIS, DISEÑO HIDRÁULICO DE UN RÁPIDA PARA EL PROYECTO:
Construcción del canal principal de Fortaleza, distrito Congas, provincia
Ocros, Región Ancash. Autor: Julio Palomino Bendezu.
Libro: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. – Máximo Villón Bejar.
XI. ANEXOS
55
ANEXO
