C AP. AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
AGRADECIMIENTO
En primer lugar a Dios por habernos guiado por el camino de la felicidad hasta ahora; en segundo lugar a nuestros padres, por habernos dado su fuerza y apoyo incondicional que me han ayudado y llevado hasta donde estamos ahora. Por último a mis compañeros de salón porque en esta armonía grupal lo hemos logrado y al Mg. ing. HURTADO CHAVEZ, Edgar Vidal docente del área de ESTRUCTURAS HIDRAULICAS.
los los estu es tudiant diantes es..
Tema:
|diseño de canoa
1
C AP. AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
INTRODUCCION Es una estructura que permite al cruce de un canal a través de depresiones poco profunda del terreno, ríos, arroyos e incorporan condiciones e limites especiales y particulares a un canal y consiste esencialmente en un tramo de conducto soportado por encima del terreno mediante pilas y caballetes también el puente canal puede ser usado para el transporte de embarcaciones comúnmente para este tipo de puente-canales se utilizan esclusas para elevar y descender las naves a este tipo de puente canal también se le llama puente acuífero.
Tema:
|diseño de canoa
2
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
ÍNDICE AGRADECIMIENTO
01
INTRODUCCION
02
INDICE
03
Puente canal o canoa
04
El conducto de un puente canal o canoa
05
Clasificación de un puente canal
06
Puente canal de madera
07
Puente canal de conducto metálico
08
Puente canal de concreto
08
Juntas usadas en los diferentes tipos de puentes canales
09
Partes hidráulicas y estructurales
09
Partes Hidráulicas y estructurales de un puente-canal
10
Principio
11
Cálculo de la descarga mínima en las cuencas de cruce
12
Cálculo hidráulico de la canoa
13
Velocidad de flujo sobre la canoa
13
Determinando la sección de la canoa
13
Tipo de flujo en la canoa
13
Longitud de las transiciones
14
Borde libre
15
Longitud de protección a la entrada y salida de la canoa
15
Recomendaciones para la instalación
16
Solución de la canoa
17
Anexos
20
Tema:
|diseño de canoa
3
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
PUENTE CANAL O CANOA Definición El puente canal o acueducto, es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión. La depresión puede ser otro canal, un camino, una vía de ferrocarril o un dren. El puente canal es un conjunto formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, hierro, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad. Son las obras mediante las cuales es posible cruzar un canal con cualquier obstáculo que se encuentra a su paso una depresión o sobre elevación natural o artificial del terreno.
Tema:
|diseño de canoa
4
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
EL CONDUCTO DE UN PUENTE CANAL O CANOA: En un puente canal el conducto puede ser:
Cerrado.
Abierto.
En el caso de que el conducto sea cerrado y trabaje a presión, su funcionamiento será de acuerdo a las leyes del flujo en tubería a presión. El caso más frecuente es el puente canal de conducto abierto o conducto cerrado que no trabaja lleno, en este caso el funcionamiento es semejante al de un canal ordinario, es decir el agua fluye bajo la acción exclusiva de la gravedad.
Puente de canal abierto:
Tema:
|diseño de canoa
5
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Puente de canal cerrado:
C las ifi cación de un puente canal:
Según el material del que están construidos estos pueden clasificarse en: • Puente canales de madera. • Puente canal de conducto metálico. • Puente canal de concreto.
Tema:
|diseño de canoa
6
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Puente canal de madera: Las maderas más apropiadas son el cedro rojo y el ciprés que dan una vida útil hasta de 50 años. Los puentes canales de este material presentan muchas fugas cuando el uso es intermitente por el encogimiento de la madera. Son recomendables como instalaciones provisionales o cuando la lejanía de otros materiales lo hace más económico.
Puente canal de conducto metálico: Son a base de hojas de acero laminado dando una sección semicircular o circular; si todo el metal que estará en contacto con el agua es galvanizado o se protege con anticorrosivo se pueden obtener de 15 a 30 años de vida útil.
Tema:
|diseño de canoa
7
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
En los estados unidos son muy usados los puentes canales de conducto metálico y sub-estructura formada por caballetes de madera o también metálicos.
Puente canal de concreto: Son los más duraderos pero su construcción es más delicada puesto que el concreto no resiste tensiones, es fácil que se produzcan grietas en el conducto, por eso se requiere una cimentación muy firme para evitar asentamientos desiguales en las pilas. Las juntas de construcción del conducto se localizan sobre pilas y deben impermeabilizarse, cada tramo del conducto tendrá en un extremo apoyo fijo y apoyo libre en el extremo opuesto.
Tema:
|diseño de canoa
8
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Juntas usadas en los diferentes tipos de puentes canales según su material:
PARTES HIDRÁULICAS Y ESTRUCTURALES DE UN PUENTE CANAL: Así como su nombre lo dice el puente canal es un tipo de puente por lo que sus partes no difieren mucho de lo que es un puente en sí, todo hablando de términos estructurales por lo que este está constituido o está compuesto por la sub-estructura y súper-estructura. Pero en el ámbito hidráulico no difiere de lo que es un canal en si por lo que al igual que un canal estándar este comparte sus partes.
Sus partes son:
Sub- estructura: es la que soporta la súper estructura y consta de pilas, estribos y caballetes. Donde la pila debe estar cimentada sobre roca firme para evitar asentamientos diferenciales.
Súper-estructura: es la soportada por la sub-estructura la cual está compuesta por transición de entrada, compuerta, conducto, transición de salida.
Las transiciones: sirven para pasar en forma gradual de la sección del canal a la del conducto o viceversa según sea transición de entrada o
Tema:
|diseño de canoa
9
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
salida; este cambio debe ser gradual para evitar turbulencias y reducir las pérdidas de carga. Estas pueden ser de dos tipos:
Transición de entrada: esta une por un estrechamiento progresivo el canal con el puente canal, lo cual provoca un cambio gradual del agua en el canal.
Transición de salida: esta une el puente canal con el canal. Partes Hidráulicas y estructurales de un puente-canal:
La compuerta: esta es colocada al inicio del conducto tiene como función regular el gasto u obstruirlo completamente cuando sea necesario y debe operarse conjuntamente con unas vertedoras aguas arriba de la compuerta.
El conducto: es el elemento sobre el cual fluye el agua y puede ser construido con diversos materiales, las secciones transversales más usadas son la sección rectangular y la semicircular.
Conducto elevado: este generalmente tiene una sección hidráulica más pequeña que la del canal. La forma de la sección transversal, por facilidades de construcción se adopta una sección rectangular, aunque puede ser semicircular o cualquier otra forma.
Tema:
|diseño de canoa
10
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Principio: Se base en el principio hidráulico del flujo critico, que ocurre en una sección de control, la relación que existe entre la profundidad de agua y el caudal es independiente de otros factores no controlables que influyen en el flujo tales como la rugosidad del cauce. En los aforadores de flujo critico como el que se describe, la profundidad crítica se forma al contraerse la sección del flujo por las paredes divergentes del medidor. El aforador puede operar en condiciones de flujo libre o bajo condiciones de flujo sumergido. Bajo condiciones de flujo libre la profundidad crítica ocurre en la garganta de la canoa. El caudal no es afectado por las variaciones que puedan ocurrir aguas debajo de la garganta, de manera que la descarga se pueda determinar simplemente indicando la profundidad de las aguas arriba, en el aforador.
Tema:
|diseño de canoa
11
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Cálculo de la descarga mínima en las cuencas de cruce: El método racional es el más adecuado para calcular las avenidas máximas en cuencas pequeñas.
Q=0.278∗C∗i∗A Dónde: Q
=
Caudal máximo (m3/s)
C
=
Coeficiente de escurrimiento
i
=
Intensidad media de precipitación para una duración igual al
concentración de la cuenca (mm/h) A
= Tema:
Área de la cuenca drenada (km2) |diseño de canoa
12
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Cálculo hidráulico de la canoa: Se debe dimensionar la canoa en función de la avenida máxima originada por la quebrada o riachuelo que ésta evacue. El cálculo se hace para la canoa más crítica (de mayor descarga). • Velocidad de flujo sobre la canoa:
Para el efecto se utiliza la fórmula de Manning:
V= 1n ∗R ∗S El coeficiente de rugosidad para ríos varía de 0.04 a 0.06, dependiendo de la cantidad de sedimentos de arrastre y de la pendiente de la cuenca. La pendiente más recomendable es la del cauce de la quebrada. El radio hidráulico es el de la quebrada (una vez hallado el caudal de la quebrada, se calculan todos los parámetros hidráulicos de la quebrada) •
Determinando la sección de la canoa:
Se calcula con Q=V*A. El caudal es el calculado para la quebrada. Al conocerse la velocidad de flujo sobre la canoa, se calcula el área hidráulica correspondiente a la caja de la canoa.
A= QV Como el área es: A=b*y, se asume una base b que permita evacuar sin dificultad el arrastre de sedimentos y agua de la quebrada y luego se calcula Y. Se debe cuidar que Y permita el tránsito de avenidas de la quebrada sin que desborde. • Tipo de flujo en la canoa:
El caudal unitario será:
q= QB Donde: Tema:
|diseño de canoa
13
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Q
=
Caudal de avenida sobre la canoa (m3/s)
q
=
Caudal unitario (m3/s/ml)
B
=
Ancho de la canoa (m)
El Tirante crítico será:
Yc= √
Donde: Yc
=
Tirante crítico de la canoa (m)
Q
=
Caudal unitario sobre la canoa (m3/s/ml)
g
=
Aceleración de gravedad (9.81 m/s2)
Por tanto la Velocidad crítica será:
Vc= AcQ Ac=Yc∗b Donde: Vc
=
velocidad crítica sobre la canoa
Ac
=
Área crítica de la canoa
b
=
Base de la caja de la canoa
Debe cumplirse la siguiente condición:
> V
Se aplica la siguiente relación: Tema:
|diseño de canoa
14
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Lt= 1−2 2 tg 2 Donde: T1
=
Espejo de agua hacia la quebrada
T2
=
Espejo de agua en la canoa (T2 = b)
=
ángulo de transición
• Borde libre:
El borde libre es el sobre alto por encima del tirante para evitar desbordes en la canoa. Para su cálculo se asume que la altura total (H), sea 1.2Y, por tanto el bordo libre o borde libre (t), será:
t=− • Longitud de protección a la entrada y salida de la canoa:
Se calcula por:
Lp≥3 Donde: Lp
=
Longitud de protección (entrada y salida)
Recomendaciones para la instalación:
El canal debe estar limpio y libre de obstáculos aguas arriba y aguas abajo del aforador.
Instalar la canoa en un tramo recto del canal con el objeto de mantener las líneas de flujo paralelas en la sección de control.
La instalación debe ser realizada sobre una base plana y firme que no permita asentamientos de la estructura.
Tema:
|diseño de canoa
15
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
No instalar la canoa cerca de otras estructuras como puentes, alcantarillas o compuertas que puedan interferir en el flujo o producir turbulencias en el aforador.
Instalar en un lugar de fácil acceso.
Mantener periódicamente limpio y libre de vegetación las condiciones de entrada y salida de la estructura.
Tema:
|diseño de canoa
16
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Solución de la canoa En el canal de riego (x), cruza la quebrada (y) con un área de 4.5 km2, intensidad de precipitación de 2.5 mm/h, pendiente de 5% y rugosidad de 0.60; se asume un coeficiente de escurrimiento de 0.20. Se desea diseñar una canoa que permita derivar las aguas de la quebrada, hacia la margen izquierda del canal de riego. Se recomienda protección de ingreso y salida por tener la quebrada una fuerte pendiente.
Datos al 25 %:
A = 4.5 km2 i = 2.5 mm/h S = 5 % n=0.60 C =0.20 Y =1.26m
SOLUCION:
C álculo de la descarg a mínima en las cuencas de cruce:
Q
0.278.CiA
=0.278∗0.20∗2.5∗4.5 =0.6263/
Tema:
|diseño de canoa
17
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
Velocidad de flujo s obre la canoa:
n
(0.023 0.100 0.000 0.020 0.005) *1.0
n
0.058
V
1
2
1
R 3 S 2
n
/ / 1 1. 2 6 = 0.058 ∗( 2 ) ∗0.05 = 2.83 / Determinando la s ección de la canoa:
A
Q
V
= 0.2.68263 = 0.2212 = ∗ = Tema:
|diseño de canoa
18
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
= 0.2221 = 0.111 = 3 = 0.1311 =0.037 = + = 0.037+0.22 = 0.257≈0.26 Tipo de flujo en la canoa:
q
Q
b
= 0.6226 =0.313 3// E l Tirante crítico s erá:
Yc
3
q
2
g
0 . 6 26 √ = 9.81 =0.342
Tema:
|diseño de canoa
19
C AP. INGENIERÍA CIVIL
CURSO: DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS
=0.342∗2=0.684 2 =0.92 / Debe cumplirse la siguiente condición:
Y > Yc V < Vc
Long itud de las trans ici ones :
Lt
T 1
2tg
Lt
2.2
2tg
Tema:
2
22.5
T 2
2
0.503m
2
|diseño de canoa
20
