1er. Examen Parcial de Obras Hidraulicas

Padilla Martín Owen Vásquez Nicolás Juan Carlos

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Acatlán Programa de ingeniería Civil Obras hidráulicas

Jaime Galván Domínguez Padilla Martín Owen Vásquez Nicolás Juan Carlos Solución Primer Examen Parcial Sábado 21 de abril de 2018


INTRODUCCIÓN Se denomina obra de toma al conjunto de estructuras que se construyen con el objeto de extraer el agua de forma controlada y poder utilizarla con el fin para el cual fue proyectado su aprovechamiento. De acuerdo con el aprovechamiento se proyectan obras de toma para presas de almacenamiento, presas derivadoras, plantas de bombeo y tomas directas en corrientes permanentes. En cada uno de ellos, es necesario contar con una serie de muy diversas estructuras. Entre e ́stas se encuentra los c a ́rcamos de bombeo, cuya funci o ́n es elevar el agua de una cota inferior a otra superior, con el prop o ́sito de hacer que el agua posteriormente llegue a su destino por gravedad. As í mismo, los ca ́rcamos son pieza fundamental para mitigar las inundaciones que ocurren en nuestro pa í s en relacio ́n con el drenaje sanitario y pluvial. Puesto que el objetivo b a ́sico de un c a ́rcamo es elevar el agua, estos se componen por c a ́maras, bombas y equipos auxiliares. Los ca ́rcamos de bombeo consisten b a ́sicamente de dos componentes, la estructura para interceptar y contener el agua donde se homogeniza la carga de bombeo y se encuentran el equipo complementario, y otra que sirve para proporcionar la energ í a necesaria para elevar el agua acumulada y que constituye el equipo de bombeo. El dise n ̃o de los primeros y la selecci o ́n de los segundos son b a ́sicos para el correcto funcionamiento de los ca ́rcamos. Cabe sen ̃alar que, en principio, los c a ́rcamos de bombeo deben ser concebidos como una excepci o ́n y no la regla en los sistemas de alcantarillado, dado que dificultan la operaci o ́n y la tornan m a ́s costosa en comparacio ́n con los sistemas que operan por gravedad. Sin embargo, se debe reconocer como indispensable para vencer los tramos contra pendiente o mover caudales en terrenos planos. En consecuencia, los ca ́rcamos de bombeo, al igual que su tama n ̃o y ubicacio ́n, debe atender a criterios tanto t e ́cnicos como econo ́micos. Adicionalmente se debe recordar que en todo momento se bombea agua residual y/o pluvial la cual con frecuencia contiene s o ́lidos y diversos contaminantes que ocasionan problemas adicionales de operaci o ́n. Los aspectos fundamentales de los c a ́rcamos como su clasificaci o ́n, consideraciones necesarias para su seleccio ́n y caracter í sticas generales de los c a ́rcamos convencionales y prefabricados, as í como las caracter í sticas de construcci o ́n de los mismos y los problemas ocasionados por el manejo del agua residual. Como tal el siguiente examen tiene como objetivo el Establecer los criterios para el dise n ̃o hidr a ́ulico, meca ́nico y estructural de diferentes tipos de obras de toma así como el de las obras secundaria de etas.


OBRAS HIDRÁULICAS CLAVE 21121 GRUPO 1er EXÁMEN PARCIAL (Práctico) Abril/2018

2851

Diseñe una obra de toma submarina capaz de extraer bajo condición critica de marea, un gasto de Q=30.00 m3 /s por medio de seis equipos de bombeo que serán instalados en el cárcamo. Considere que los elementos de la obra (torreta, estructura de captación, canal y cárcamo) serán hechos de concreto reforzado y tendrán un espesor t=0.30 m. El canal contara con una sección trapecial ( talud 1:1), con una longitud Lc = 200.00 m, un coeficiente de rugosidad n = 0.013 y una pendiente y ancho de plantilla con valores de So = 0.009 y b = 10.00 m. por otra parte, la tubería submarina será de acero al carbón, tendrá una longitud Lt = 800.00 m, una rugosidad absoluta = 5.00 mm (considerando una incrustación ligera) y un espesor de tubo et = 13/16” y no contará con un sistema de cloración para minimizar la incrustación. El agua marina posee una viscosidad cinemática = 1.10 x 10 -6 m2 /s. En la tabla y figura presentados a continuación se observan las características del perfil topobatimétrico y de la plataforma que se ubica por encima de la condición de pleamar que servirá para diseño de todas las instalaciones. La toma de agua tendrá una velocidad de 0.40 m/s, y tendrá lugar sobre la cota batimetría -10.01. Considere además un área efectiva de flujo en esta, del 70%.





PUNTO

CADENAM

A B C D E F G H I J K L M N O

0 – 360.00 0 – 320.00 0 – 280.00 0 – 240.00 0 – 200.00 0 – 160.00 0 – 120.00 0 – 80.00 0 – 40.00 0 – 000.00 0 + 040.00 0 + 080.00 0 + 120.00 0 + 160.00 0 + 200.00

COTA (msnmm)

1.20 1.09 1.03 0.99 0.91 0.85 0.79 0.46 0.24 0.00 -0.32 -0.81 -0.98 -1.67 -2.09 AÍ F A R G O P O T

T E ÍA T

IM R A B

PUNTO

CADENAM

A B C D E F G H I J K L M N O

0 – 240.00 0 – 280.00 0 – 320.00 0 – 360.00 0 – 400.00 0 – 440.00 0 – 480.00 0 – 52.00 0 – 56.00 0 – 600.00 0 + 640.00 0 + 680.00 0 + 720.00 0 + 760.00 0 + 800.00

Los niveles de marea característicos de sitio serán: Nivel de pleamar máxima registrada Nivel de pleamar media Nivel medio del mar Nivel de bajamar media

Npmr = + 0.833 msnmm Npm = + 0.527 msnmm Nmm = + 0.000 msnmm Nbm = - 0.284 msnmm

COTA (msnmm)

-2.55 -2.93 - 3.76 -4.14 -4.45 -5.38 -6.08 -7.26 -8.33 -8.80 -8.99 -9.25 -9.62 -9.79 -10.01 B

A

T

MI

E

T

R

AÍ


Nivel de bajamar media inferior. Nivel de bajamar mínimo registrado

Nbmi = - 0.692 msnmm Nbmr = - 0.882 msnmm

Adicionalmente se tiene que los coeficientes de perdidas por accesorios asociados a la conducción son: Entrada torreta Rejilla de entrada Codo de 90°

k=0.25 k=2.00 k=1.30

#=1 #=1 #=1

Codo de 45° Codo de 30° Entrada de hombre Salida o descarga

k=0.30 k=0.10 k=0.30 k=1.00

#=8 #=2 #=5 #=1

Analice al menos tres alternativas de arreglo de tuberías (una torreta por tubo), determine la opción mas adecuada y una vez definida la conducción, determine la capacidad de conducción de la misma para las condiciones de bajamar media inferior (critica de diseño) y de pleamar media. Solución: A) Calculo de torretas:

Área neta de flujo= 70%

   = 303 =10 / = 10/=0.40 /  =  = 0.4 / =25 

Área de obstrucción= 30%

 25  = 0.7 =35. 7143   =  = 10 . 7 / =14.2857     = 4 ⟹=4∗  =4∗14.2857 =4.265  ==13. 3 99  = 13.35.37991  =2.668 

Calculando el diámetro de la garganta

 10   = 1.2 // =8.33 / 4∗8. 3 3  =(  ) =3.257  ∴= 4.2653.2 257 =0.504  ++0. 3 +2. 6 7+0. 3 =3. 3 7  =. =10.28401+3.6.634=6. 7=6.6346

Altura de la torreta

Calculo de la torreta Considerando tres conducciones

Tubería propuesta D1=

2.235 m (88”)

D2= D3= D4=

2.337 m (92”) 2.438 m (96”) 2.54 m (100”)

1.8 ≤≤2.5 / / 4∗  =(∗) =4∗2.∗105// / =2.257 / /  4∗ 4∗10 /  =(∗) =∗1.8 / =2.66

Analizando D1 Entrada torreta Rejilla de entrada Codo de 90°

k=0.25 k=2.00 k=1.30

#=1 #=1 #=1

Codo de 45° Codo de 30° Entrada de hombre Salida o descarga

k=0.30 k=0.10 k=0.30 k=1.00

#=8 #=2 #=5 #=1

=2.∗2352 0 . 0 19=2. 1 97   2 . 1 97  = 4 =3.791  = 3.10791 / =2.6378 /


=5∗2.6378 /∗2.=1.119710−/ =  = 1.110− =5.26  10  = log(3.7∗.0052.1970.2+55.26105.74.) =.024   800  2 . 6 38 ℎ=. 0 24∗(2.197 )∗2∗9.81 // =3.0997


   0. 4 1. 2 2. 6 378 ℎ=2+0.25∗2∗9.81 +1. 3 ∗2∗9.81 + 8 ∗0.3+2∗0.1+5∗0.3+1∗1 ∗2∗9.81  Analizando D2

ℎ =0.ℎ=3.018 +0. 0 96 +1. 8 1 =1. 9 2  099 +1.92 =5.019  =2.∗3372 0 . 0 19=2. 2 99   2 . 2 99  = 4 =4.151  = 4.10151 / =2.409 /−  =5∗ 2.409 /∗2.=1.2991 10  / =  = 1.110− =5.03  10  = log(3.7∗.0052.2990.2+55.03105.74.) =.024   800  2 . 4 09 ℎ=. 0 24∗(2.299 )∗2∗9.81 // =2.47 

   0. 4 1. 2 2. 4 09   ℎ=2+0.25∗2∗9.81 +1. 3 ∗2∗9.81 + 5.1 ∗2∗9.81 

ℎ =0.ℎ=3. 018 +0. 0 96 +1. 5 1 =1. 6 2  099 +1.62 =4.72 

Analizando D3

=2.43820.019=2.4 

  ∗ 2 . 4  = 4  =4.523  = 4.10523 / =2.21 / −  =5∗ 2.21 /∗2. =1.1410  / =  = 1.110− =4.8  10  = log(3.7∗.0052.2990.2+55.03105.74.) =.023   800  2 . 2 1 ℎ=. 0 23∗( 2.4  )∗2∗9.81 // =1.91 


   0. 4 1. 2 2. 2 1 ℎ=2+0.25∗2∗9.81 +1. 3 ∗2∗9.81 + 5.1 ∗2∗9.81  Analizando D4

ℎ =0.ℎ=1. 018 +0.91 +1.096 +1. 2 6 =1. 3 8  38 =3.29  =2.∗5422.5020.019=2.502   = 4 =4.92  = 104.92 / =2.033 /−  =5∗ 2.033 /∗2.=1.5021 10  / =  = 1.110− =4.62  10  = log(3.7∗.0052.5020.2+54.64105.74.) =.023   800  2 . 0 33 ℎ=. 0 23∗(2.299 )∗2∗9.81 // =1.68 

ℎ=2+0.25∗2∗9.0.481 +1. 3 ∗2∗9.1.281 +5.1∗2∗9.2.03381

ℎ =0.ℎ=1. 018 +0. 0 96 +1. 0 7 =1. 1 8  68  +1.18 =2.87 

Analizando D5

=11/ = ./ =2.24 / =2.∗6422 0 . 0 19=2. 6 04   2 . 6 04  = 4 =5.32  = 105.33 / =1.88 / −  =5∗ 1.88 /∗2.=1.6041 10  / =  = 1.110− =4.45  10  = log(3.7∗.0052.6040.2+54.45105.74.) =.023   800  1 . 8 8 ℎ=. 0 23∗(2.299 )∗2∗9.81 // =1.44 


   0. 4 1. 2 1. 8 8 ℎ=2+0.25∗2∗9.81 +1. 3 ∗2∗9.81 +5.1∗2∗9.81 

ℎ =0.ℎ=1. 018 +0. 0 96 +. 9 2 =1. 0 3  4 4  +1. 0 3 =2. 4 7  =11/ = ./ =2.1 / = /⟹/ =  =  = .  / =   =/ /  ∗.       == =  ∗( )  + .    == =.     =  =  = Diseño de bocatoma

Calculo tirante Normal

B= B= B= B= B=

12.00 15.00

0.16 0.2

20.00

0.267

25.00 30.00

0.333 .4


= √ . = √ . =.  = 306 =5  = # / /  4 ∗ 4∗ 5  =[ ∗ ] =∗1.3 =2.21  14 ∗= .553  =2=+1 ⟹2∗2.21 =4.42 = 3 =10∗4. 4 2+ 6 1∗0. 3 =45. 7  = ∗=3. 3 15  2 2 2 = 3 ∗=13 ∗45.7 =30.47  =4∗=8. 8 4  = 2 ∗=1.105  4∗30 / =( 4∗ ) =.977 +=3. 3 15+. 9 77=4. 2 92  =.53089∗/10=5.89  =  = 5.89  =5.1 / 2 = 5.19.1 /62 = .26     =10.=45.01+.7∗589+. 2 6= 9. 1 61  4.292=196.1444  =19630 =.153 19.62 =.0012   =5.72  Λ=10.01+9.161=.849  w=2D;

1er. Examen Parcial de Obras Hidraulicas

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