INSTITUTO TECNOLÓGICO DE BOCA DEL RIO ING. CIVIL HIDRÁULICA II TEMA: CANALES CON SECCIÓN Y RUGOSIDAD COMPUESTA PROF: M.I. JUAN MANUEL RIQUER TRUJILLO ALUMNOS: CAMAL VARGAS JESUS IGNACIO HERNANDEZ SOSA LUIS ADRIAN HERNANDEZ RODRIGUEZ VICTOR ALFONSO LOYO CORRO GUILLERMO GENARO CRUZ CRUZ FRNACISCO JAVIER FECHA: 19 septiembre del 2013
Canal En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos — generalmente utilizada para agua— y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación. La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica, una de las especialidades de la ingeniería civil. Principales diferencias entre canales y tuberías son las siguientes:
En el canal el líquido tiene una superficie libre que está en contacto con la atmósfera; en la tubería el líquido está confinado y sometido a una cierta presión (a veces esta presión es negativa). En el canal el conducto puede ser abierto o cerrado; en la tubería el conducto es siempre cerrado. En el canal el líquido escurre en la tubería el liquido escurre porque hay un gradiente de energía.
Cuando se dice tubería queda entendido que el conducto es circular. Las Formas más comunes de canales son la trapezoidal, la rectangular, la triangular y la circular.
Canales con sección y rugosidad compuesta Un canal puede ser construido de modo que el fondo y las paredes tengan secciones diferentes. En este caso habrá dos valores para el coeficiente de rugosidad. Uno para el fondo y otra para las paredes. Se dice entonces que la rugosidad es compuesta. Es decir en canales prismáticos, la rugosidad a lo largo del perímetro mojado puede ser diferente de una parte a otra, sin embargo la velocidad media puede ser calculada con las fórmulas de flujo uniforme. Para utilizar la fórmula de Manning en este tipo de canales es necesario calcular un coeficiente de rugosidad ―n‖ equivalente para todo e l perímetro. Para determinar un coeficiente equivalente, el área mojada es dividida en N partes (divisiones verticales) en las cuales los perímetros mojados P1, P2,…, PN y los coeficientes de rugosidad n1, n2,…, nN son conocidos. Como se muestra en las sig uientes figuras:
Si cada parte de la sección tiene un coeficiente ni de Manning, entonces el problema consiste en hallar un valor de n que sea representativo de todo el perímetro. Un canal puede ser construido de modo que tenga porciones del perímetro mojado con rugosidades distintas, lo que implica diferentes valores del coeficiente de rugosidad n, para cada porción. Como ejemplo se puede mencionar el canal de la figura 2.21, con fondo de concreto y paredes de piedra. En este caso, para la aplicación de la fórmula de Manning se debe calcular un valor de n ponderado equivalente, representativo de todo el perímetro mojado de la sección.
Efecto de la rugosidad sobre la velocidad a lo largo del canal. Para medir el caudal de las corrientes y la velocidad media del flujo, la U.S. Geological Survey, divide la sección transversal en franjas verticales mediante el trazado de sucesivas verticales. En cada vertical se miden las velocidades con el correntómetro o molinete, de alguna de las siguientes formas. - Método 0.6 y . Este método tiene resultados aceptables y se usa para profundidades menores de 0.6 m. En este caso la velocidad media se asimila a la que se obtiene al medir la velocidad a 0.6 y desde la superficie o a 0.4 y desde el fondo. - Método 0.2 y – 0.8y . Consiste en medir la velocidad a 0.2 y y 0.8y de profundidad a partir de la superficie, siendo h la altura de la vertical. La velocidad media en la vertical es el promedio de ambas velocidades. Las verticales deben tener las siguientes características: - El ancho entre ellas no debe ser mayor que 1/15 a 1/20 del ancho total de la sección. - El caudal que pasa por cada área de influencia Ai, no debe ser mayor que el 10% del caudal total. - La diferencia de velocidades entre verticales no debe sobrepasar un 20%. El promedio de las velocidades medias en dos verticales consecutivas, se multiplica por el área entre las verticales para obtener el caudal en cada franja. El caudal total de la sección será la sumatoria de los caudales para todas las franjas y la velocidad media de toda la sección transversal es la relación entre el caudal total y el área total.
Calculo según la sección del canal Las expresiones que permiten su cálculo son función de la forma geométrica de la sección transversal del canal. En la siguiente tabla se resumen las secciones más utilizadas con las unidades del sistema internacional.
-Canales de sección rectangular
Área mojada: Perímetro mojado:
Donde:
L = ancho de la base del canal (en m). h = altura del nivel del líquido dentro de la sección rectangular.
-Canales de sección triangular
Área mojada: Perímetro mojado:
Donde:
siendo:
el ángulo del talud con la vertical.
-Canales de sección trapezoidal
Área mojada: Perímetro mojado:
-Canales de sección circular
Área mojada:
; o expresando el ángulo en
radianes :
...
Perímetro mojado:
; o igualmente
Donde: r = radio de la sección circular (en m); la sección mojada limitada por la cuerda c, que sostiene el ángulo al centro Φ medido en grados sexagesimales. [ cuando se expresa en radianes]
Y por tanto Radio hidraulico:
;o
igualmente
El calado que proporciona el radio hidráulico máximo (lo que significa caudal máximo a igualdad de otras variables) corresponde al valor de que hace mínima la expresión . Esta ecuación es una ecuación trascendente, con varios mínimos, que se pueden obtener resolviendo otra ecuación trascendente, la . La primera solución de esta ecuación (que es la que vale para obtener el ángulo y el calado buscados), obtenida por métodos numéricos, es y
rad,
. Por tanto,
El Radio hidraulico máximo de una conducción circular es : En el caso particular de las conducciones circulares trabajando con sección plena, es decir en presión, el radio hidráulico en función del diámetro es:
; es decir :
De lo anterior se deduce que el radio hidráulico a sección llena es el 82,2% del radio hidráulico máximo que puede proporcionar la sección circular. En la fórmula del caudal el valor del radio hidráulico interviene con un exponente de 2/3 (del término de velocidad de la Fórmula de Manning), pero interviene también la sección mojada, que depende del ángulo , con lo que el caudal que una sección circular es capaz de transportar a sección llena es aproximadamente el 93% del máximo. Este valor máximo, que es un 7,5 % mayor que el de la sección llena, se consigue cuando queda una pequeña sección superior libre (correspondiente a aproximadamente).
rad
Elementos básicos en el diseño de canales Se consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entre otros:
Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales es necesario recolectar la siguiente información básica: Fotografías aéreas, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, vías de comunicación, etc. Planos topográficos y catastrales. Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda conjugarse en el trazo de canales.
Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazo preliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios, obteniéndose finalmente el trazo definitivo. En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relieve del canal, procediendo con los siguientes pasos: a. Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotándose todos los detalles que influyen en la determinación de un eje probable de trazo, determinándose el punto inicial y el punto final. b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica, clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamiento con teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará el levantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo a criterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5 m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo a cada 20 m. c. Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo en cuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona y de la precisión que se desea: o
o
Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de 1:500. Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalas de 1:1000 a 1:2000.
Radios mínimos en canales.- En el diseño de canales, el cambio brusco de dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, y debe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores al mínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no será hidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor desarrollo.
APLICACIONES DE LOS CANALES DE FUIDOS Como sabemos un canal es un circuito de corriente de agua, el cual puede ser en dos secciones: Canal abierto Canal cerrado
Los dos tienen la finalidad de hacer circular el agua debido a la gravedad, ya que si este es cerrado y ejerce una presión dentro de él que no se la atmosférica no considera un canal de corriente. Los canales los podemos distinguir en varias formas, pero existen solo algunos tipos esenciales o básicos ya que las condiciones en las que a veces se encuentran los terrenos son muy críticas para construir otros tipos Los más básicos podemos decir que son: Rectangular Circular Trapezoidal Triangular Parabólica
Dependiendo del tipo de canal y para que se va a desarrollar es que se determinara de que estará echo, hay canales que se construyen de madera, concreto o piedras, esto parte del uso y lo que vaya a transportar. Como ya dijimos las secciones de un canal depende del uso que se le vaya dar y el material que vaya a transportar, pero las secciones siempre tienen sus características, que una de ellas y la más prudente analizar es la rugosidad. Ya que esta nos puede causar muchos problemas, como la destrucción del canal a un determinado tiempo, la perdida de material debido a la fricción del material con el que está hecho el canal, y un sin fin de daños.
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