UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER
BIBLIOTECA EDUARDO COTE LAMUS RESUMEN TESIS DE GRADO AUTORES JOHANA MARLENE JAIMES PÉREZ Y WILLIAM OMAR PÉREZ SILVA____________________________________________________________ FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL PLAN DE ESTUDIOS _DE INGENIERIA CIVIL____________________________ DIRECTOR GUSTAVO ADOLFO CARRILLO SOTO________________________ TÍTULO DE LA TESIS “EXCEL, MACROS Y VISUAL BASIC APLICADOS EN HIDRAULICA, HIDROLOGIA Y ESTRUCTURAS HIDRAULCAS”______________ RESUMEN Este proyecto presenta como producto final el primer software elaborado en Excel, Macros y Visual Basic, el cual se conoce como HIDRACALC-2005. Una herramienta dirigida a estudiantes que están viendo o han visto las asignaturas de hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas permitiendo solucionar en forma analítica, práctica y sencilla problemas relacionados con las asignaturas mencionadas.
CARACTERISTICAS PAGINAS_114_PLANOS_____ILUSTRACIONES_______CD ROM
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“EXCEL, MACROS Y VISUAL BASIC APLICADOS EN HIDRÁULICA, HIDROLOGÍA Y ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS”
JOHANA MARLENE JAIMES PÉREZ WILLIAM OMAR PÉREZ SILVA
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA PLAN DE ESTUDIOS DE INGENIERÍA CIVIL SÁN JOSÉ DE CÚCUTA 2005
“EXCEL, MACROS Y VISUAL BASIC APLICADOS EN HIDRÁULICA, HIDROLOGÍA Y ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS”
JOHANA MARLENE JAIMES PÉREZ WILLIAM OMAR PÉREZ SILVA
Proyecto de grado presentado para optar al título de Ingenieros Civiles DIRECTOR GUSTAVO ADOLFO CARRILLO SOTO Ingeniero Civil MSc.
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA PLAN DE ESTUDIOS DE INGENIERÍA CIVIL SÁN JOSÉ DE CÚCUTA 2005
A DIOS, por servirme de guía y orientación en todos los momentos, por haberme dado la sabiduría, la fortaleza, el empeño, y la fuerza necesaria para alcanzar las metas, y superar los obstáculos de la vida. A mis padres, Oneximo Jaimes B. y Yamile Pérez P. quienes gracias a su esfuerzo, dedicación, compromiso y apoyo incondicional siempre me acompañaron en este camino por ser cada día mejor y sobresalir a las adversidades. A mis hermanos Oneximo H., Yamile y Yesid L., personas en quienes me apoyo, con quienes comparto mis tristezas y alegrías. A mi novio William que siempre me llena de amor y con su ternura ha estado conmigo en las buenas y en las malas para lograr este sueño juntos.
Johana Marlene
A DIOS, por haberme dado la sabiduría y la fuerza necesaria para alcanzar las metas, y superar los obstáculos de la vida A mis padres, Nelson Omar y Gladis Zoraida quienes gracias a su esfuerzo y apoyo incondicional siempre me acompañaron en este camino para ser cada día mejor y sobresalir a la adversidades A mis hermanos Dennys Lorena y Nelson David, fuente de inspiración y alegría que acompañan los momentos de mi vida A mi novia Johana con quien comparto mi vida incondicional y que siempre ha estado conmigo en las buenas, en las malas brindándome fortaleza para salir adelante y así lograr este sueño juntos.
William Omar
AGRADECIMIENTOS Los autores expresan sus agradecimientos a: Gustavo Adolfo Carrillo Soto, Ingeniero Civil, Director del proyecto , por su interés y valiosa orientación en la elaboración del proyecto. Fernando Ortega Rincón Ingeniero Civil, profesor del Departamento de Hidráulica, Fluidos y Térmicas, por su asesoría para la elaboración del proyecto. Los profesores, por compartir sus conocimientos y formar en nuestro ser un buen profesional. Los compañeros de estudio, por compartir Universidad.
buenos momentos
y experiencias en la
La Universidad Francisco de Paula Santander, por habernos permitido alcanzar a través de ella este gran sueño.
CONTENIDO pg. INTRODUCCIÓN
21
1. PROBLEMA
22
1.1 TÍTULO
22
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
22
1.2.1 Definición del problema.
22
1.2.2 Formulación del problema.
22
1.3 JUSTIFICACIÓN
23
1.4 OBJETIVOS GENERAL Y ESPECÍFICOS
23
1.4.1 Objetivo general.
23
1.4.2 Objetivos específicos.
23
1.5 DELIMITACIONES
24
1.5.1 Alcances.
24
1.5.2 Limitaciones.
24
2. MARCO TEÓRICO
26
2.1 ANTECEDENTES
26
2.2 BASES TEÓRICAS
27
2.3 MARCO CONCEPTUAL
29
2.4 MARCO LEGAL
31
3. METODOLOGÍA
32
3.1 POBLACIÓN
32
3.2 OBJETIVOS INTRUCCIONALES
32
3.3 RECOLECCIÓN Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN
32
3.4 HERRAMIENTAS DE PROGRAMACIÓN
33
3.4.1 Herramientas de diseño gráfico.
33
3.4.2 Lenguaje de desarrollo.
33
3.4.3 Herramienta de base de datos.
33
3.5 PROCEDIMIENTO PARA EL DESARROLLO DEL SOFTWARE
33
3.5.1 Introducción.
33
3.5.2 Planteamiento de la idea.
34
3.5.3 Definición del tipo de programa.
34
3.5.4 Etapas de diseño.
34
3.6 DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA
34
3.6.1 Distribución del programa.
35
3.6.2 OBJETIVO
36
3.7 MAPA DE NAVEGACIÓN
36
3.7.1 Descripción del mapa de navegación.
36
4. DISEÑO
41
4.1 DISEÑO DE LA BASE DE DATOS
41
4.2 DISEÑO DE LAS HOJAS
41
4.2.1 Presentación y menú principal.
41
4.2.2 Hidráulica.
42
4.2.3 Hidrología.
50
4.2.4 Estructuras hidráulicas.
54
4.3 DIAGRAMAS DE FLUJO MÁS UTILIZADOS PARA LA ELABORACIÓN DE HIDRACALC
62
5. MANUAL DEL INSTRUCTOR
76
5.1 REQUERIMIENTOS MÍNIMOS DEL SISTEMA
76
5.2 INSTALACIÓN DE HIDRACALC-2005
77
5.3 EJECUCIÓN DE HIDRACALC-2005
77
6. MANUAL DEL USUARIO
78
6.1 INTRODUCCIÓN
78
6.2 FUNCIONES DE LOS BOTONES PARA EL MANEJO DE HIDRACALC2005
78
6.3 MANEJO DEL LIBRO DE HIDRÁULICA
79
6.3.1 Cálculo de los elementos geométricos y manejo de opciones para determinar el Yc, Yn, n equivalente y Sc en los distintos canales.
79
6.3.2 Energía y Momentun
81
6.3.3 Diseño de canales.
82
6.3.4 Flujo gradualmente variado.
86
6.4 MANEJO DEL LIBRO DE HIDROLOGÍA
87
6.4.1 Evaporación.
87
6.4.2 Estadística hidrológica y Análisis de frecuencia.
88
6.5 MANEJO DEL LIBRO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS
90
6.5.1 Capacidad para un vaso fluvial.
90
6.5.2 Presas de gravedad y de tierra.
92
6.5.3 Vertedero de Cimacio.
96
6.5.4 Variación de niveles.
99
7. CONCLUSIONES
101
8. RECOMENDACIONES
102
BIBLIOGRAFÍA
103
ANEXOS
104
LISTA DE FIGURAS pg. Figura 1. Mapa de navegación
37
Figura 2. Ventana del menú principal
41
Figura 3. Ventana para seleccionar la asignatura a evaluar
42
Figura 4. Presentación de los diferentes canales
42
Figura 5. Cálculo de elementos geométrico en un canal rectangular
43
Figura 6. Cálculo de elementos geométricos en un canal trapezoidal
43
Figura 7. Cálculo de elementos geométricos en un canal triangular
43
Figura 8. Cálculo de elementos geométricos en un canal circular
44
Figura 9. Cálculo de Energía y Momentun
44
Figura 10. Cálculo de profundidad crítica
45
Figura 11. Cálculo de profundidad normal
45
Figura 12. Cálculo del n equivalente
46
Figura 13. Cálculo de pendiente crítica
46
Figura 14. Presentación para el diseño de canales
47
Figura 15. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal rectangular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima
47
Figura 16. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la sección hidráulica óptima
48
Figura 17. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal triangular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima
48
Figura 18. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal circular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima
49
Figura 19. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la velocidad máxima permisible
49
Figura 20. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la fuerza tractiva
50
Figura 21. Cálculo de perfiles en flujo gradualmente variado, para el canal rectangular, trapezoidal y triangular
50
Figura 22. Grafica de evaporación
51
Figura 23. Datos de entrada del programa de evaporación
51
Figura 24. Resultados del programa de evaporación por los distintos métodos
52
Figura 25. Datos de entrada de estadística hidrológica y análisis de frecuencia
52
Figura 26. Parámetros estadísticos y métodos de solución
53
Figura 27. Solución tipo I y tipo II para distribución de valores extremos
53
Figura 28. Solución tipo I y tipo II para distribución normal y log-normal
53
Figura 29. Solución para distribución Log-Pearson
54
Figura 30. Solución tipo I y tipo II para distribución de valores extremos con el uso de factores de frecuencia
54
Figura 31. Presentación para el cálculo de un vaso fluvial
54
Figura 32. Datos de entrada para la capacidad de un vaso
55
Figura 33. Resultados del cálculo para la capacidad de un vaso para el año más seco
55
Figura 34. Modelos de presas de gravedad y tierra
55
Figura 35. Primer modelo de presa de gravedad
56
Figura 36. Segundo modelo de presa de gravedad
56
Figura 37. Tercer modelo de presa de gravedad
56
Figura 38. Solución embalse vacío para los tipos de presas de gravedad
57
Figura 39. Solución embalse lleno para los tipos de presas de gravedad
57
Figura 40. Primer modelo de superficie de falla para la presa de tierra
58
Figura 41. Segundo modelo de superficie de falla para la presa de tierra
58
Figura 42. Datos de entrada para la presa de tierra
59
Figura 43. Análisis de la estabilidad de la presa de tierra
59
Figura 44. Análisis de la estabilidad de la cimentación y cálculo del ritmo de flujo de la presa de tierra
60
Figura 45. Datos de entrada par el vertedero de Cimacio sin control
60
Figura 46. Datos de entrada par el vertedero de Cimacio con control
60
Figura 47. Resultados del Vertedero de Cimacio para la relación He/Ho = 1
61
Figura 48. Resultados del Vertedero de Cimacio para las diferentes relaciones de He/Ho
61
Figura 49. Cálculo de la longitud real para el Vertedero de Cimacio con controles
61
Figura 50. Datos de entrada para el cálculo de variación de niveles
62
Figura 51. Tabla de resultados para la variación de niveles
62
Figura 52. Funciones de los botones para el manejo de hidracalc-2005
78
Figura 53. Defina el tipo de canal
79
Figura 54. Esquema de la entrada de datos
79
Figura 55. Esquema de los resultados
79
Figura 56. Elija la opción
80
Figura 57.Ver rugosidades
80
Figura 58.Método para calcular el n equivalente
80
Figura 59. Energía o Momentun
81
Figura 60. Opción Energía o Momentun
81
Figura 61. Textboxt
82
Figura 62. Opción y método para diseñar
83
Figura 63. Datos de entrada método sección hidráulica óptima
83
Figura 64. Cuadro de solución para diseño utilizando el método de la sección hidráulica óptima
84
Figura 65. Datos de entrada método velocidad máxima permisible
84
Figura 66. Cuadros de repuestas para diseño utilizando el método de la velocidad máxima permisible
85
Figura 67. Datos de entrada para diseño utilizando el método de la fuerza tractiva
85
Figura 68. Cuadro de verificaciones para diseño por el método de la fuerza tractiva
86
Figura 69. Método de integración grafica
86
Figura 70. Intervalos de flujo gradualmente variado
86
Figura 71. Tipo de perfil
87
Figura 72. Método del paso directo
87
Figura 73. Datos de entrada del programa de evaporación
87
Figura 74. Método de Balance de Energía
88
Figura 75. Método Aerodinámico
88
Figura 76. Método Combinado o Penman
88
Figura 77. Método de Priestley –Taylor
88
Figura 78. Tipo de solución para el análisis estadístico
88
Figura 79. Datos de entrada del programa Estadística
88
Figura 80. Resultados del programa Estadística
89
Figura 81. Parámetros estadísticos de distribución de valores extremos
89
Figura 82. Métodos de solución para el análisis estadístico
89
Figura 83. Cuadros de respuestas para el método de Análisis de frecuencia con factores de frecuencia y distribución de valores extremos
90
Figura 84. Opciones de entrada para calcular la capacidad del vaso
90
Figura 85. Datos de entrada para el cálculo la capacidad del vaso
91
Figura 86. Resultados para el cálculo de la capacidad del vaso
91
Figura 87. Botones para evaluar la capacidad de un vaso para los cuatro años mas secos
92
Figura 88. Modelos de presas
92
Figura 89. Datos de entrada para las presas de gravedad
93
Figura 90. Cuadros de respuestas para el análisis del embalse vacío
93
Figura 91. Resultados para el cálculo de embalse lleno
94
Figura 92. Datos de entrada para la presa de tierra
95
Figura 93. Datos de entrada de las dovelas analizadas
95
Figura 94. Tabla de resultados de la presa de tierra
95
Figura 95. Análisis de la estabilidad de la cimentación y ritmo de flujo
cálculo de la línea y 96
Figura 96. Presentación de los vertederos de Cimacio sin controles con pilas y sin pilas, con sus respectivas opciones
96
Figura 97. Datos de entrada del vertedero de Cimacio
97
Figura 98. Primera parte de la solución de vertedero de Cimacio
97
Figura 99. Corrección por efecto de lavadero aguas abajo
98
Figura 100. Análisis del vertedero de cimacio con las consideraciones de diferentes relaciones de He/Ho
98
Figura 101. Cálculo de la longitud real del vertedero de Cimacio sin controles con pilas
99
Figura 102. Datos de entrada para el cálculo de la variación de niveles
99
Figura 103. Tipo de solución para el cálculo de la variación de niveles
100
Figura 104. Resultados de la ejecución del programa de Variación de niveles
100
LISTA DE FLUJOGRAMAS pág. Flujograma 1. Cálculo de elementos geométricos para el trapecio
63
Flujograma 2. Estadística hidrológica y análisis de frecuencia solución tipo normal
64
Flujograma 3. Cálculo de la capacidad para un vaso fluvial
67
Flojograma 4. Vertedero de cimacio sin controles
69
Flujograma 5. Vertedero de cimacio sin controles
71
Flujograma 6. Variación de niveles
73
LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A. Valores para el diseño de los diferentes temas analizados en el software
105
Anexo B. Programa HIDRACALC-2005 (Excel)
114
INTRODUCCIÓN Este proyecto presenta el diseño y elaboración de un software, aplicado a la solución de problemas de manera analítica en la línea de aguas, del programa académico de ingeniería civil, como son: Hidráulica, Hidrología y Estructuras Hidráulicas, que permitirá agilizar el proceso de calculo y mejorar en parte la calidad académica de los estudiantes y docentes utilizando herramientas tecnológicas que ofrece la multimedia, en este caso uno de las aplicaciones de Office el “Excel”, manipulado por Macros y Visual Basic. Por ende este proyecto trata la organización y/o reorganización de saberes de una ciencia o disciplina, presentados y difundidos en forma novedosa y didáctica, definición que corresponde a la modalidad de tesis sistematización del conocimiento. Siendo este proyecto elaborado por estudiantes de ingeniería civil como requisito para obtener el título de Ingenieros civiles.
21
1. PROBLEMA 1.1 TÍTULO EXCEL, MACROS Y VISUAL BASIC APLICADOS EN HIDRÁULICA, HIDROLOGÍA Y ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La falta de conocimientos en lenguajes de programación y manejo de software para aplicarlos a la solución de problemas de manera analítica en la Facultad de Ingeniería Civil por parte de los estudiantes. 1.2.1 Definición del problema. La Facultad de Ingeniería Civil en su línea de aguas actualmente no cuenta con un paquete de software que contenga programas propios adaptados al contenido de cada una de las asignaturas mencionadas; gran parte de este problema se debe al desinterés relacionado con lenguajes de programación y la falta de manejo de software por parte de los estudiantes, que se conforman solo con copiar software elaborados por otros autores y no tienen la iniciativa de entender la estructura de dicho programa, ni crear sus propios programas. Otro factor es que en nuestro programa académico de la Universidad Francisco de Paula Santander hasta algunos docentes han sido indiferentes ante la actitud pasiva de lado de los estudiantes hacia la programación, conduciendo a: la ineficiencia y lentitud en el desarrollo de parciales, trabajos y exámenes, que podrían ser de mejor calidad y dar mejores resultados si se contarán con ayudas de software que optimicen en parte el rendimiento académico de los estudiantes. 1.2.2 Formulación del problema. ¿Cuenta la universidad Francisco de Paula Santander, con los equipos y aulas necesarias, para gestionar cursos de manejo de software, que despierte el interés de docentes y estudiantes a la participación de estos ? Si existen los equipos y aulas suficientes para realizar cursos, ¿ Cuenta la universidad con las licencias necesarias y aspectos legales para el manejo de los diferentes software? 22
¿El programa académico de Ingeniería Civil en su línea de aguas, cuenta con suficientes programas que sirvan como herramientas y ayudas técnicas en la solución de proyectos y trabajos para elevar en parte el nivel académico de los estudiantes? Si existen programas, ¿Estos tienen la estructura adecuada y los recursos suficientes adaptados a los contenidos del programa de cada materia? 1.3 JUSTIFICACIÓN El Departamento de Fluidos y Térmicas dentro de sus líneas de investigación, preocupado frente a la indiferencia y la poca importancia que se le ha prestado a la creación de software, desea que el nivel académico de los estudiantes universitarios en especial de la facultad de ingeniería, se vinculen al proceso de evolución acorde a la tecnología de punta que se esta utilizando en la actualidad, con el fin de mejorar la eficacia de los estudiantes en el desarrollo de actividades como parciales, trabajos y exámenes, que conllevan al mejoramiento de estos y al mismo tiempo están a la par de la velocidad del mundo cambiante y la competencia del mercado. Actualmente el estudiantado y el departamento de fluidos y térmicas no cuentan con un software que permita en forma ágil y práctica desarrollar problemas relacionados con el plan de trabajo de cada asignatura, es por eso que se desarrollo un software con base en la plataforma de la hoja de cálculo “Excel” manipulado por Macros y Visual Basic que permita resolver y agilizar estos procesos. 1.4 OBJETIVOS GENERAL Y ESPECÍFICOS 1.4.1 Objetivo general. Ofrecer un Software, para que a través de sus distintas herramientas permita agilizar en forma práctica y sencilla el análisis, diseño y cálculo mediante la solución analítica a problemas aplicados en hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas del programa académico de Ingeniería civil en la UFPS. 1.4.2 Objetivos específicos. Para dar cumplimiento al diseño del programa se ejecutaron los siguientes objetivos específicos: •
Recolectar la información necesaria de las distintas áreas para el desarrollo de algoritmos que se utilizan en la solución de problemas para el montaje del programa. 23
•
Analizar y organizar la información recolectada para cada área
•
Utilizar los diferentes elementos que ofrece la multimedia como son: sonidos, gráficas, imágenes y animaciones para el montaje definitivo del software.
•
Diseñar e implementar el entorno del software para que la interacción con el usuario sea agradable.
•
Ofrecer a los estudiantes y docentes un software en Excel que permita solucionar en forma práctica y sencilla problemas relacionados con las distintas áreas.
1.5 DELIMITACIONES 1.5.1 Alcances. La aplicación describe los alcances para los temas en cada una de las siguientes asignaturas: •
Hidráulica: Canales Abiertos y sus Propiedades, Energía y Momentun, Flujo Crítico, Flujo Uniforme, Rugosidades, Pendiente Crítica, Diseño de Canales y Flujo Gradualmente Variado.
•
Hidrología: Estadística hidrológica y análisis de frecuencia, Evaporación
•
Estructuras Hidráulicas: Capacidad para un vaso fluvial, Presas de gravedad y tierra, Vertedero de Cimacio y Variación de niveles.
1.5.2 Limitaciones. Durante el desarrollo del proyecto se prevé de algunas limitaciones descritas a continuación: •
El usuario debe tener unos conocimientos básicos en las asignaturas de hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas para hacer un buen uso del software.
24
•
El software esta diseñado con requerimientos mínimos del sistema para su buen funcionamiento, como es una amplia memoria Ram y el paquete de Office XP Professional.
•
El usuario solo podrá realizar los análisis para las asignaturas y temas con que fue diseñado el software.
25
2. MARCO TEÓRICO 2.1 ANTECEDENTES Con la evolución y el desarrollo de la tecnología, se ha visto la necesidad de utilizar software para agilizar el análisis y estudios de proyectos aplicados en ingeniería. A continuación se presentan algún software aplicados en la línea de aguas: Diseño de alcantarillados PAVCO S.A es un programa elaborado en Excel que realiza el diseño hidráulico del alcantarillado pluvial, sanitario y combinado, diseña la cimentación y calcula cantidades de obra para sacar presupuestos. Es un programa donde las variables de entrada pueden ser variadas excepto el tipo tubería, ya que esta restringido a materiales PAVCO. HiCalc es un paquete de software pensado para resolver rápidamente flujos en canales abiertos de sección rectangular, trapezoidal y circular; que resuelve (en régimen estacionario) Flujo Uniforme, Flujo Gradualmente Variado, Flujo Rápidamente Variado, Conservación de la energía, Conservación de la cantidad de movimiento y Calcula los principales parámetros hidráulicos (Rh, Sf, Fr, v, etc.) para unas condiciones dadas (tirante y caudal). Este programa fue creado por el Ingeniero Juan Sanguinetti perteneciente a una empresa uruguaya que comenzó sus actividades en 1994 realizando proyectos relacionados con Ingeniería Civil e Ingeniería de Tránsito, su denominación actual ISTEC Ingeniería (investigación, soporte técnico y consultoría). HCanales para Windows, Versión 1.0, es un programa desarrollado en el instituto tecnológico de Costa Rica, que representa una herramienta de suma importancia para el diseño de canales y estructuras hidráulicas. Autor: Máximo Villón Béjar I.T.C.R - Ingeniería Agrícola 1994.
26
2.2 BASES TEÓRICAS El mundo de la alta tecnología nunca hubiera existido de no ser por el desarrollo del ordenador o computadora, toda la sociedad utiliza estas máquinas, en distintos tipos y tamaños para el almacenamiento y manipulación de datos. Los equipos informáticos han abierto una nueva era en el desarrollo ingenieril, tecnológico y científico, gracias a las técnicas de automatización que ofrecen los software para aumentar la velocidad en el análisis y diseño de diferentes aplicaciones. La computadora es un dispositivo electrónico capaz de recibir un conjunto de instrucciones y ejecutarlas realizando cálculos sobre los datos numéricos, o bien compilando y correlacionando otros tipos de información. La informática combina los aspectos teóricos y prácticos de la ingeniería, electrónica, teoría de la información, matemáticas, lógica y comportamiento humano. Los aspectos de la informática cubren desde la programación y la arquitectura informática hasta la inteligencia artificial y la robótica. Un programa es una secuencia de instrucciones que indican al hardware de un ordenador qué operaciones debe realizar con los datos. los programas pueden estar incorporados al propio hardware, o bien pueden existir de manera independiente en forma de software. El hardware es la parte física, es decir, todo lo que podemos ver: teclado, la caja que aloja la CPU, monitor, impresora, mouse, circuitos internos. El software es el conjunto de programas que permiten la comunicación del computador con el usuario. El software se subdivide en software del sistema, software de aplicación y software de desarrollo. Software del sistema lo conforman programas tales como sistemas operativos, compiladores e intérpretes y entornos operativos. Software de aplicación corresponde a los programas con los que se interactúa con la máquina como son procesadores de palabras, hojas de cálculo, graficadores, gestores de bases de datos, integrados (Office) y especializados (Autocad, Project Choice).
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Software de desarrollo empleado en el desarrollo de aplicaciones científicas y comerciales, tales como la nómina de una empresa, el procesamiento de calificaciones de un colegio, etc. Aplicación de lenguajes de programación los lenguajes de programación permiten comunicarse con los ordenadores o computadoras. Una vez identificada una tarea, el programador debe traducirla o codificarla a una lista de instrucciones que la computadora entienda. Un programa informático para determinada tarea puede escribirse en varios lenguajes. Excel es un programa que nos permite diseñar y realizar tablas de cálculo de dos dimensiones, esto es haciendo operaciones con los números situados en columnas y en filas. Un programa de este tipo contiene textos, números y fórmulas de cálculo. Los programas de hoja de cálculo pueden incluir también utilidades de macros; algunas se pueden utilizar para crear y ordenar bases de datos. Visual Basic para aplicaciones apareció por primera vez como parte de Excel en la versión 5, convirtiéndose en un entorno de desarrollo completo y compartido por todas las aplicaciones de Microsoft Office. Los programas de hoja de cálculo cuentan por lo general con capacidades gráficas para imprimir sus resultados. También proporcionan un buen número de opciones de formato tanto para las páginas y el texto impreso como para los valores numéricos y las leyendas de los gráficos. Macros en aplicaciones de ordenador o computadora, es un conjunto de pulsaciones de teclas, acciones o instrucciones grabadas y ejecutadas mediante una simple pulsación de tecla o una instrucción. En un lenguaje de programación, tal como el lenguaje C o ensamblador, una macro es un nombre que define un conjunto de instrucciones que serán sustituidas por la macro cuando el nombre de ésta aparezca en un programa (proceso denominado expansión de macros) en el momento de compilar o ensamblar el programa. Las instrucciones de macros se pueden guardar en el programa mismo o en un archivo separado que el programa pueda identificar. Excel para la creación de macros utiliza el leguaje Basic. Visual Basic es el lenguaje de programación más popular de mundo. Es un producto con una interfaz gráfica de usuario para crear aplicaciones para Windows basado en el lenguaje Basic y en la programación orientada a objetos. La palabra Visual hace referencia al método que se utiliza para crear la interfaz gráfica de usuario. En lugar de escribir numerosas líneas de código para implementar una interfaz se utiliza el ratón para arrastrar y colocar objetos prefabricados al lugar deseado dentro de un formulario. La palabra Basic hace referencia al lenguaje Basic (Beginners All-Purpose Symbolic Instruction Code).
28
Con la aparición del sistema operativo Windows 95 de la compañía Microsoft, la programación en Visual Basic se ha popularizado más que nunca. Estudiantes, profesionales y personas que trabajan en una amplia variedad de campos técnicos, utilizan Visual Basic para desarrollar programas en Windows. Los profesionales del mundo de la economía utilizan Visual Basic para escribir macros en las aplicaciones integradas de Office. 2.3 MARCO CONCEPTUAL En la ingeniería se busca la calidad. La ingeniería de software es la producción de calidad. Por ende se desea que los sistemas de software sean rápidos, fiables, fáciles de usar, legibles, y estructurados. Pero estos adjetivos describen dos tipos de cualidades diferentes. Por una parte, se consideran cualidades tales como la velocidad o la facilidad de uso, cuya presencia o ausencia en un software puede ser detectada por sus usuarios. Estas propiedades se denominan factores de calidad externos. Otras cualidades aplicables a un software, como legibilidad y estructuración son factores internos, perceptibles sólo por profesionales de la informática que tienen acceso al código fuente. En última instancia, solo importan los factores externos. Definiremos ahora el más importante de los factores externos de calidad. Corrección es la capacidad de los productos software para realizar con exactitud sus tareas, tal y como se definen en las especificaciones. Si un sistema no hace lo que se supone que debe hacer, poco importa el resto de consideraciones que hagamos sobre él. A continuación se definen los demás factores que son complemento de corrección para lograr la calidad de software. Robustez es la capacidad de los sistemas software de reaccionar apropiadamente ante condiciones excepcionales. La robustez complementa la corrección. Extensibilidad es la facilidad de adaptar los productos de software a los cambios de especificación. Reutilización es la capacidad de los elementos de software de servir para la construcción de muchas aplicaciones diferentes. 29
Compatibilidad es la facilidad de combinar unos elementos de software con otros. Eficiencia es la capacidad de un sistema software para exigir la menor cantidad posible de recursos hardware, tales como tiempo de procesador, espacio ocupado de memoria interna y externa o ancho de banda utilizado en los dispositivos de comunicación. Portabilidad es la facilidad de transferir los productos software a diferentes entornos hardware y software. Facilidad de uso es la facilidad con la cual las personas con diferentes formaciones y aptitudes pueden aprender a usar los diferentes productos software y aplicarlos a la resolución de problemas. También cubre la facilidad de instalación, de operación y de supervisión. Funcionalidad es el conjunto de posibilidades que proporciona un sistema. Oportunidad es la capacidad de un sistema de ser lanzado cuando lo usuarios lo deseen, o antes. Verificabilidad es la facilidad para preparar procedimientos de aceptación, especialmente datos de prueba y procedimientos para detectar fallos y localizar fallos durante las fases de validación y operación. Integridad es la capacidad de los sistemas software de proteger sus diversos componentes (programas, datos, etc...) contra modificaciones y accesos no autorizados. Reparabilidad es la capacidad para facilitar la reparación de los defectos. Economía junto con la oportunidad, es la capacidad que un sistema tiene de completarse con el presupuesto asignado o por debajo del mismo. Interfaz es el diseño visual del entorno para que la interacción con el usuario sea agradable.
30
2.4 MARCO LEGAL El consejo superior universitario mediante el acuerdo Nº. 065 de Agosto 26 de 1996, establece el estatuto estudiantil de la Universidad Francisco de Paula Santander. Dicho consejo reglamenta el artículo 140 del estatuto estudiantil de la Universidad Francisco de Paula Santander mediante el acuerdo Nº. 069 de Septiembre 5 de 1997. El artículo 140 establece las modalidades de trabajo de grado, por las cuales un alumno pueda adoptar para cumplir con este requisito de graduación. Esta reglamentación básica de requisitos para trabajos de grado, se hace necesaria, con el objetivo primordial de establecer criterios institucionales, en el cual el comité curricular de cada plan de estudio elaborara las normas y procedimientos específicos, que reglamentan internamente el trabajo de grado como elemento curricular. El concejo superior universitario, a propuesta del consejo académico, aprobó en la sección del 5 de septiembre de 1997, expedir el acuerdo que reglamenta el artículo 140 del estatuto estudiantil, mediante el literal c. del artículo 2. Literal c. Sistematización del conocimiento: Es la organización y/o reorganización de saberes de una ciencia o disciplina, presentados y difundidos en forma novedosa y didáctica.
31
3. METODOLOGÍA 3.1 POBLACIÓN Esta orientado a estudiantes o egresados con conocimientos mínimos del manejo del computador, mouse, teclado, y Excel; al igual, haber visto las asignaturas mencionadas anteriormente o por lo menos estar viendo alguna de ellas. 3.2 OBJETIVOS INTRUCCIONALES Mediante el uso de este programa el estudiante logrará: •
Reforzar los conocimientos adquiridos en los cursos de hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas de manera fácil y entendida, mediante la comparación de las respuestas y verificaciones obtenidas por la ejecución del programa con las realizadas manualmente.
•
Familiarizarse con el ambiente computacional, ya que éste se ha convertido en una herramienta fundamental para el desarrollo de las actividades diarias de las personas.
•
Presentar el manejo de Excel manipulado por macros y códigos de programación en Visual Basic
3.3 RECOLECCIÓN Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN Encaminados al cumplimiento del objetivo general que es ofrecer un Software, para que a través de sus distintas herramientas permita agilizar en forma práctica y sencilla el análisis, diseño y cálculo mediante la solución analítica a problemas aplicados en hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas, fue necesario la recolección de información del los docentes que dictan cada asignatura, de los apuntes de clase, trabajo y parciales desarrollados.
32
Esta información fue analizada y procesada para la obtención de un listado de datos de entrada y así obtener soluciones analíticas. Estos datos son presentados en la plataforma Excel manipulado por macros y mediante herramientas de visual Basic las cuales ejecutan el programa siguiendo la secuencia de un código. 3.4 HERRAMIENTAS DE PROGRAMACIÓN Para el desarrollo e implementación de este programa se hizo necesaria la utilización de las siguientes herramientas. 3.4.1 Herramientas de diseño gráfico. Son componentes importantes para el impacto gráfico del programa, ya que permite un entorno agradable y novedoso al usuario final. Los programas de edición de imagen vienen en general con modelos conectados que permiten trazar, retocar y de otra manera filtrar imágenes para lograr efectos visuales. En este proyecto se utilizaron: Paint Windows, Microsoft Photo Editor, Presto PageManager y la barra de herramientas de dibujo intrínseca de Excel. 3.4.2 Lenguaje de desarrollo. La herramienta de programación utilizada para la generación del código fue Visual Basic. 3.4.3 Herramienta de base de datos. Se utilizó Excel por su sencillez en el manejo, por ser la más accesible, por tener la mayoría de la gente conocimientos en su manejo, y para presentar las demás aplicaciones y diversidad de procesos que se pueden desarrollar en el. 3.5 PROCEDIMIENTO PARA EL DESARROLLO DEL SOFTWARE 3.5.1 Introducción. Todos aquellos que llevan cierto tiempo en el mundo del PC han visto que la evolución de los software ha sido paralela al propio PC. Microsoft Excel es una herramienta eficaz para analizar y presentar información. Una de las propiedades más importantes es su lenguaje de macros, amplio y flexible de todos los programas de hoja de cálculo. Además presenta aplicaciones de Visual Basic desde la versión 5 convirtiéndose en un entorno de desarrollo completo, consistente con la versión independiente de Visual Basic y compartido por todas la aplicaciones de Microsoft Office. 33
Quien desee programar una hoja de cálculo en código Visual de forma profesional debe estar consciente que la programación es una tarea ardua y compleja. Este proyecto se centra básicamente en las siguientes actividades que al integrarlas constituyen el software. 3.5.2 Planteamiento de la idea. Teniendo en cuenta que en nuestro plan de estudios existe un vacío en el ámbito de la programación y manejo de software, se abordó la idea de hacer un programa en Excel, manipulado por macros y Visual Basic; se creó un bosquejo de la idea general que se fue perfeccionando poco a poco para tener un esquema claro u objetivo del programa y finalmente se estudio la sintaxis del lenguaje de programación que se eligió realizando rutinas sencillas y variedad de pruebas. 3.5.3 Definición del tipo de programa. HIDRACALC-2005 es un software de desarrollo académico porque se emplea para aplicaciones ingenieriles en las áreas de hidráulica, hidrología y estructura hidráulicas procesando unos datos de entrada para llegar a una solución analítica. 3.5.4 Etapas de diseño. Durante el proceso de desarrollo se tienen en cuenta las siguientes etapas: I ETAPA: se definió el entorno, colores de fondo, fuente y tipo de letras. II ETAPA: se definieron los libros y hojas de trabajo. III ETAPA: se crearon los escenarios, hipervínculos, cuadros, gráficas, botones y base de datos para cada hoja. IV ETAPA: se creó el código de programación en Visual Basic 3.6 DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA El resultado de este proyecto es HIDRACALC-2005, dirigido a estudiantes y egresados con conocimientos básicos en las asignaturas de hidráulica hidrología y estructuras hidráulicas. HIDRACALC-2005 tiene las características de resolver analíticamente problemas 34
relacionados con los siguientes temas: Canales Abiertos y sus Propiedades, Energía y Momentun, Flujo Crítico, Flujo Uniforme, Rugosidades, Pendiente Crítica, Diseño de Canales, Flujo Gradualmente Variado, Estadística hidrológica, Análisis de frecuencia, Evaporación, Capacidad para un vaso fluvial, Presas de gravedad y tierra, Vertedero de Cimacio y Variación de niveles; tiene la virtud de manejarse muy fácilmente, guiado por mensajes de alerta, para la corrección de datos de entradas erróneos no acordes con la realidad o modelos de diseños, se deja copiar para exportarlo a otra hojas de cálculo que pueden servir como informes de profesionales, se ajusta a la cantidad de datos y cálculos requeridos por el usuario, es de fácil desplazamiento entre los distintos temas y su instalación es sencilla ya que es uno de los paquetes de Office. HIDRACAL-2005 contiene: un menú principal en el cual se muestran las tres asignaturas a evaluar, mediante las cuales se llegan a los diversos contenidos de cada una de ellas; después del tema seleccionado, se procede a escoger el tipo de solución y modelo a evaluar, seguido de la entrada de datos con sus respectivos esquemas gráficos en los cuales se representan las variables de los datos de entrada, seguidamente se ejecuta el programa, se presentan cuadros de resultados y verificaciones; después si se desea, se ejecuta el botón borrar y se regresa al menú principal para continuar con la selección de temas o salir del programa. 3.6.1 Distribución del programa. El programa consta de tres libros en Excel que hacen referencia a las asignaturas de hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas; cada uno con diferentes hojas mediante las cuales se presentan los temas a evaluar. Los libros con sus respectivas hojas son los siguientes: •
Hidráulica: Canales Abiertos y sus Propiedades Energía y Momentun Flujo Crítico Flujo Uniforme Rugosidades Pendiente Crítica Diseño de Canales Flujo Gradualmente Variado
•
HIDROLOGÍA: Estadística hidrológica y análisis de frecuencia Evaporación 35
•
Estructuras Hidráulicas: Capacidad para un vaso fluvial Presas de gravedad y tierra Vertedero de Cimacio Variación de niveles
3.6.2 OBJETIVO. Ingresar al software “HIDRACALC-2005”, escoger la materia a evaluar, seleccionar el tema y encontrar una solución analítica al problema. 3.7 MAPA DE NAVEGACIÓN HIDRACAL-2005 permite explorar todas las opciones que lo componen como se bóxer en la Figura 1. 3.7.1 Descripción del mapa de navegación. Conformado por tres libros: Hidráulica Hidrología Estructuras hidráulicas Se continúa con la descripción de cada opción mediante las cuales se interactúa en los temas de cada asignatura. Hidráulica: •
Canales Abiertos y sus Propiedades: en esta hoja se calculan los elementos geométricos de secciones de los canales rectangular, trapezoidal, triangular y circular, que son los más comunes en la práctica profesional.
36
Figura 1. Mapa de navegación HIDRACALC - 2005
PRESENTACIÓN ACERCA DE HIDRACALC
MENÚ PRINCIPAL SALIR
HIDRÁULICA
HIDROLOGÍA
ESTRUCTURA HIDRÁULICAS
Canales Abiertos y sus Propiedades
Estadística hidrológica y análisis de frecuencia
Capacidad para un vaso fluvial
Energía y Momentun
Evaporación
Presas de gravedad y tierra
Flujo Crítico
Vertedero de Cimacio
Flujo Uniforme
Variación de niveles
Rugosidades Pendiente Crítica Diseño de Canales Flujo Gradualmente Variado
•
Energía y Momentun: se calculan las tablas de energía o fuerza específica para los canales mencionados anteriormente; tiene la utilidad de usar autofiltro para ordenar de menor a mayor la columna de energía o fuerza; además es aplicable en el cálculo de profundidades críticas, profundidades alternas y secuentes prácticas para solucionar fenómenos locales como es la caída y resalto hidráulico; es una hoja práctica ya que el usuario define la cantidad de cálculos que necesite y el incremento de profundidades para evaluar la energía y fuerza con que se construye cada curva. Considera los coeficientes de Coriolis y Boussinesq para la distribución no uniforme de velocidades en una sección de canal. 37
•
Flujo Crítico: es una sección especifica para el cálculo de profundidad crítica perpendicular a la sección transversal del canal y al nivel de referencia, basada en la ecuación del número de Froude; calcula la energía específica mínima, velocidad crítica teniendo en cuenta el coeficiente de Coriolis; disponible para los 4 canales ya mencionados.
•
Flujo Uniforme: calcula profundidades normales basándose en la ecuación de Manning, la energía específica, la velocidad y el numero de Froude; disponible para los 4 canales ya mencionados.
•
Rugosidades: calcula el n equivalente para una sección simple, se utiliza en la ecuación de Manning para el cálculo de caudales o profundidades normales; presenta las 3 opciones para calcular el n: Horton-Einstein, Pavlovskii y Lotter; también calcula la velocidad y el número de Froude; disponible para los 4 canales ya mencionados.
•
Pendiente Crítica: como su nombre lo indica calcula la pendiente crítica en un canal que hace que la profundidad normal y crítica sean iguales, prácticas en la vida profesional para el diseño de canales, también calcula la velocidad y el número de Froude; disponible para los 4 canales ya mencionados.
•
Diseño de Canales: en esta hoja se pueden diseñar canales no erosionables y canales erosionables que se socavan pero no sedimentan. Para el diseño de canales no erosionables se utiliza la metodología de la sección hidráulica óptima, disponible para los 4 canales ya mencionados; y para canales erosionables, el método de la velocidad máxima permisible y Fuerza tractiva, estos dos disponibles solo para el canal trapezoidal. Es una hoja que contiene hipervínculos a otra donde se encuentran todas la gráficas necesarias para el diseño de canales.
•
Flujo Gradualmente Variado: en esta sección se estudia el flujo permanente cuya profundidad varía de manera gradual a lo largo de la longitud del canal, para la solución de este tema se utiliza la metodología de integración gráfica y paso directo calculando independientemente la tabla para cada una de ellas, está disponible para canales rectangulares, trapezoidales y triangulares; es una hoja práctica ya que el usuario define la cantidad de cálculos que necesite y el incremento de profundidades desde una profundidad inicial hasta una final que se han determinado por el tipo de perfil evaluando la profundidad crítica y normal. En esta hoja existen hipervínculos a todas las gráficas necesarias para definir el tipo de perfil.
38
HIDROLOGÍA: •
Estadística hidrológica y análisis de frecuencia: el programa presenta dos tipos de solución, una normal y la otra log-normal; es una hoja práctica ya que el usuario define la cantidad de datos que necesita evaluar para obtener los diferentes parámetros estadísticos que posteriormente serán utilizados por los distintos métodos como son: distribución de valores y análisis de frecuencias con factores de frecuencia.
•
Evaporación: es una hoja que calcula la evaporación por medio de diferentes métodos como son: balance de energía (considera la radiación como mayor fuente de evaporación), aerodinámico (considera el viento como mayor fuente de evaporación), combinado (tiene en cuenta la radiación neta, el viento y es apropiado para aplicarse a áreas pequeñas con información climatológica apropiada) y Priestley-Taylor (se aplica en áreas grandes donde se considera que el segundo término de la ecuación del método combinado es aproximadamente el 30% del primero).
Estructuras Hidráulicas: •
Capacidad para un vaso fluvial: el análisis se basa en la simulación de un vaso para un período de tiempo determinado en un registro extremadamente bajo, el cual se selecciona o puede hacerse para un registro prolongado. En esta hoja se puede evaluar: el año más seco al igual que los cuatros años consecutivos más secos ( si se desea se pueden evaluar dos y tres años consecutivos más secos). Para el estudio del año más crítico, la capacidad del vaso se calcula sumando todos los valores presentes en la necesidad de almacenamiento para cada año, cuando se presentan más de un año consecutivo se utiliza la gráfica de curva masa proveniente de la relación año versus aportaciones acumuladas considerando el factor de evaporación, factor de precipitación, área del embalse, gasto, evaporación, precipitación, demanda y compromisos.
•
Presas de gravedad y tierra: para el análisis se partió del estudio de cuatro modelos de presas, los tres primeros modelos son presas de gravedad y el último es una presa de tierra. Se realizó la evaluación considerando el embalse vacío y lleno, verificando la estabilidad de la presa por deslizamiento y volcamiento, teniendo en cuenta los efectos del sismo, la supresión y los esfuerzos aguas abajo, considerando una longitud del plano asumido de 1m. Para la presa de tierra se calcula la estabilidad de la presa, al igual que la estabilidad de la cimentación calculada mediante la resistencia a cortante establecida por la ecuación de Coulomb.
39
•
Vertedero de Cimacio: se realizó el análisis para vertederos de Cimacio con y sin controles; la pérdida de entrada se evaluó por medio de la ecuación de Manning; el programa presenta las diferentes gráficas necesarias para la ejecución del mismo, realiza la evaluación de corrección por efecto de lavaderos, para posteriormente calcular el valor del ancho del vertedero y los diferentes valores de He y Cs, necesarios para el calculo de la ecuación polinómica de cuarto grado para el estudio de variación de niveles. En el vertedero de cimacio con controles se calcula la longitud neta y la longitud real del vertedero.
•
Variación de niveles: para su análisis se parte del ingreso de una elevación de tanteo, de un valor de incremento sobre la elevación de tanteo, de los datos de un hidrograma, del error máximo permitido entre la elevación en el vaso y la elevación de tanteo y de un almacenamiento total. El programa funciona internamente tomando la elevación del vaso calculada y reemplazándola en la elevación de tanteo repitiendo el ciclo por fila hasta que la elevación de tanteo y la elevación del vaso sean aproximadamente iguales. Para el calculo de los respectivos Cs de las diferencias entre la elevación de tanteo y la elevación asumida para cada fila, se piden los coeficientes de una ecuación polinómica de cuarto grado, ya que durante el análisis de diferente problemas, esta curva se ajusta satisfactoriamente a la tendencia de los suministro con R2 superiores a 0.99. El programa se puede ejecutar por dos formas, paso a paso o definitivo; si su opción es paso a paso, durante la ejecución, el programa evalúa cada fila verificando si la elevación de tanteo con la elevación del vaso presenta una diferencia en valor absoluto menor al valor ingresado en los datos de entrada; en el caso de presentar diferencias en valor absoluto mayor o igual al valor ingresado en los datos de entrada, el programa toma la elevación del vaso hallada y la reemplaza en la elevación de tanteo en la fila evaluada, iterando hasta que su diferencia en valor absoluto sea menor al valor ingresado en los datos de entrada. Al realizar cada iteración el programa presenta Msgbox que indican el número de iteraciones en cada fila, mostrando en la tabla las respectivas elevaciones asumidas con su observación, ya sea alta, baja o correcta, al ser la observación correcta el programa evalúa la siguiente fila tomando como base la elevación de tanteo calculada más el respectivo incremento que fue suministrado como dato de entrada; si su opción es definitiva, el programa presenta la solución inmediata de la tabla, presentando una diferencia en valor absoluto entre la elevación de tanteo y la elevación en el vaso menor al valor ingresado en los datos de entrada, con observaciones correctas, ya que internamente el programa realiza todas las iteraciones necesarias para llegar a la solución completa del problema.
40
4. DISEÑO 4.1 DISEÑO DE LA BASE DE DATOS Para cumplir el objetivo general del proyecto se buscó una conexión entre el interés que despierta al alumno los cálculos en Excel complementado con macros y Visual Basic para encontrar soluciones analíticas a problemas aplicados en las asignaturas ya mencionadas. (Véase el Anexo B). Para ingresar los datos se creó una aplicación de Visual Basic y Excel donde se pueden manipular con facilidad, y estos su vez pueden ser exportados a otras hojas de cálculo en Excel con todas sus aplicaciones. 4.2 DISEÑO DE LAS HOJAS A continuación se ilustran las hojas de cálculo correspondientes a cada libro: 4.2.1 Presentación y menú principal. En las figuras que aparecen a continuación se muestra la presentación de las ventanas del menú principal como aparece en el programa. Figura 2. Ventana del menú principal
41
Figura 3. Ventana para seleccionar la asignatura a evaluar
4.2.2 Hidráulica. Para el manejo en lo que concierne a hidráulica se muestra la ventana de los diferentes canales. Figura 4. Presentación de los diferentes canales
42
Figura 5. Cálculo de elementos geométrico en un canal rectangular
Figura 6. Cálculo de elementos geométricos en un canal trapezoidal
Figura 7. Cálculo de elementos geométricos en un canal triangular
. 43
Figura 8. Cálculo de elementos geométricos en un canal circular
Figura 9. Cálculo de Energía y Momentun
44
Figura 10. Cálculo de profundidad crítica
Figura 11. Cálculo de profundidad normal
45
Figura 12. Cálculo del n equivalente
Figura 13. Cálculo de pendiente crítica
46
Figura 14. Presentación para el diseño de canales
Figura 15. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal rectangular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima
47
Figura 16. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la sección hidráulica óptima
Figura 17. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal triangular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima
48
Figura 18. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal circular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima
Figura 19. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la velocidad máxima permisible
49
Figura 20. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la fuerza tractiva
Figura 21. Cálculo de perfiles en flujo gradualmente variado, para el canal rectangular, trapezoidal y triangular
4.2.3 Hidrología. En las figuras que aparecen a continuación se muestra la presentación de las ventanas del menú principal para el manejo de hidrología.
50
Figura 22. Grafica de evaporación
Figura 23. Datos de entrada del programa de evaporación
51
Figura 24. Resultados del programa de evaporación por los distintos métodos
Figura 25. Datos de entrada de estadística hidrológica y análisis de frecuencia
52
Figura 26. Parámetros estadísticos y métodos de solución
Figura 27. Solución tipo I y tipo II para distribución de valores extremos
Figura 28. Solución tipo I y tipo II para distribución normal y log-normal
53
Figura 29. Solución para distribución Log-Pearson
Figura 30. Solución tipo I y tipo II para distribución de valores extremos con el uso de factores de frecuencia
4.2.4 Estructuras hidráulicas. En las figuras que aparecen a continuación se muestra la presentación de las ventanas del menú principal para el manejo de estructura hidráulicas. Figura 31. Presentación para el cálculo de un vaso fluvial
54
Figura 32. Datos de entrada para la capacidad de un vaso
Figura 33. Resultados del cálculo para la capacidad de un vaso para el año más seco
Figura 34. Modelos de presas de gravedad y tierra
55
Figura 35. Primer modelo de presa de gravedad
Figura 36. Segundo modelo de presa de gravedad
Figura 37. Tercer modelo de presa de gravedad
56
Figura 38. Solución embalse vacío para los tipos de presas de gravedad
Figura 39. Solución embalse lleno para los tipos de presas de gravedad
57
Figura 40. Primer modelo de superficie de falla para la presa de tierra
Figura 41. Segundo modelo de superficie de falla para la presa de tierra
58
Figura 42. Datos de entrada para la presa de tierra
Figura 43. Análisis de la estabilidad de la presa de tierra
59
Figura 44. Análisis de la estabilidad de la cimentación y cálculo del ritmo de flujo de la presa de tierra
Figura 45. Datos de entrada par el vertedero de Cimacio sin control
Figura 46. Datos de entrada par el vertedero de Cimacio con control
60
Figura 47. Resultados del Vertedero de Cimacio para la relación He/Ho = 1
Figura 48. Resultados del Vertedero de Cimacio para las diferentes relaciones de He/Ho
Figura 49. Cálculo de la longitud real para el Vertedero de Cimacio con controles
61
Figura 50. Datos de entrada para el cálculo de variación de niveles
Figura 51. Tabla de resultados para la variación de niveles
4.3 DIAGRAMAS DE FLUJO MÁS UTILIZADOS PARA LA ELABORACIÓN DE HIDRACALC En el diagrama que se muestra a continuación presenta los procesos que se utilizan para la elaboración de hidaracalc.
62
Flujograma 1. Cálculo de elementos geométricos para el trapecio
Inicio
b, z, y
A = (b + z y) y
P = b + 2 y (1 + z2) 1/2
R=A/P
T=b+2zy
D=A/T
Área = A Perímetro mojado = P Radio hidráulico = R Ancho superficial = T Profundidad hidráulica = D
Fin
63
b = Base z = Talud y = Profundidad
Flujograma 2. Estadística hidrológica y análisis de frecuencia solución tipo normal
N = número de datos
Inicio
N, Tr
i = 1, N
Ingrese los valores de X
A=0
i
i = 1, N
Sumatoria = A
Media= A/N X
A = A+X
Media
2
64
Continuación. Flujograma 2. Estadística hidrológica y análisis de frecuencia solución tipo normal
2
C=0
Sumatoria = C
i = 1, N
G=0 X
i = 1, N
D = X-Media
D
X
C = C+D
E = (X-Media)2
E
G = G+E
65
3
Continuación. Flujograma 2. Estadística hidrológica y análisis de frecuencia solución tipo normal
3
Sumatoria = G
J=0
Sumatoria = J
i = 1, N
A, C, G, J,
X
S 2= (1/(N-1))*G S = ( S 2)^0.5 CV = S / Media CS = N* J/(N-1)*(N-2)*S^3
F = (X-Media)^3
F S2 S CV CS
J = J+F
Seleccione el método a evaluar
Fin
66
Flujograma 3. Cálculo de la capacidad para un vaso fluvial
Inicio
Q =Gasto E = Evaporación P = Precipitación D = Demanda C = Compromisos Fe = Factor de evaporación Fp = Factor de precipitación A = Área Comp = Compromisos Ne = Necesidad Esc = Escurrimiento Prec = Precipitación N = Número de datos máximos a ingresar ( contador )
Fe, Fp, A,
3 Q, E, P, D, C
N=0
N =12
SI
Fin
NO Gasto = Q*2592000 Demanda = D*2592000 Evaporación = E*Fe*A*10 Prec = P*Fp*A*10 Comp = C*2592000
Gasto Demanda Evaporación Prec
SI
Comp < Gasto
Comp
NO
1
2
67
Continuación. Flujograma 3. Cálculo de la capacidad para un vaso fluvial
1
2
Esc = Gasto-Comp-Evaporación +Prec Ne = Esc - Demanda
Comp = Gasto Esc = Gasto-Comp-Evaporación +Prec Ne = Esc - Demanda
Esc
Esc Comp
Ne = Ne*-1
SI
Ne < 0 NO
Ne = Ne*-1
SI
Ne < 0
NO
Ne
Ne= 0
Ne Ne= 0
N = N+1
N = N+1
Ne Ne
3
3
N = N+1 N = N+1
3 3
68
Flujograma 4. Vertedero de cimacio sin controles Primera parte Inicio
He, L’, P, n, Q
3 C
H = He+P q = C*He^(1.5) Va = q / H ha = Va^2/(2*32.2) B = 0.1*ha S = (Va*n / (1.486*H^(2/3)))^2 Ho = He – (B+ (L’* S)) C = P/ He
Ingrese los valores de Co y Ci/Cv
Co, Ci/Cv
Ci = Ci/Cv * Co Hd+d/He = Ho+P / Ho
Ingrese el valor de la relación hd/He
2 1
69
H = ( He+P ) B = ( 0.1* ha ) C= ( P/ He ) E1= Diferencia máxima. entre hvd y hd E2 = Diferencia máxima entre Cs y C
Continuación. Flujograma 4. Vertedero de cimacio sin controles 1 hd/He
hd = hd/He * Ho d = (Ho+P) – hd Vd = q / d hvd = Vd^2/ 2 *32.2
SI
lhvd-hdl >= E1
Ingrese de nuevo el valor de la relación hd/He
NO Ingrese el valor de la relación Cs/C
2
Cs/C
Cs = Cs/ C * Ci
SI
lCs – Cl >=E2
Ingrese el valor de C presente en los datos de entrada.
NO L = Q / ( Cs * (Ho)^ 1.5)
Fin
70
3
Flujograma 5. Vertedero de cimacio sin controles Segunda parte Inicio B = hd+d D = He+P A = Ho E = Ci C = hd+d/Ho b = Número máximo de datos a ingresar (Contador).
Ho, Ci, P, n, L
b=0
2 He/Ho, C/Co,
SI Fin
b=7 NO A = Ho * He/Ho
E = C/Co * Ci B=A+P C=B/A
Ingrese el valor de la relación Cs/Ci
Cs/Ci
1
71
Continuación. Flojograma 5. Vertedero de cimacio sin controles 1
Cs = Cs/Ci * Ci q = Cs * A^ 1.5 Va =q / B ha = Va^ 2 / (2*32.2) S =(Va*n / (1.486*(B)^1.5))^2 Pérdida total = 0.1*ha +
b = b +1
A, E, B, C, Cs, q, Va, ha, S, Pérdida total, Carga bruta, Descarga total
2
72
Flujograma 6. Variación de niveles
Elev = elevación de tanteo Inc = incremento Almc = almacenamiento L = longitud G.max = gasto máximo A = primer coeficiente B = segundo coeficiente C = tercer coeficiente D = cuarto coeficiente E = quinto coeficiente A.almc = aumento de almacen. A.Total = almacenamiento total Elev.Vaso = elevación del vaso T = tiempo Q = caudal Error = Diferencia máxima entre la elevación del vaso y la elevación de tanteo
Inicio
T0, T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T10, T11. Q0, Q1, Q2, Q23, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, Q10, Q11, Almc, L, Inc, Elev, A, B, C, D, E
T12= T1-T0 T13 = T2-T1 T14=T3-T2 T15= T4-T3 T16 = T5-T4 T17=T6-T5 T18= T7-T6 T19 = T8-T7 T20=T9-T8 T21=T10-T9 T22=T11-T10
T12, T13, T14, T15, T16, T17, T18, T19, T20, T21, T22
Q12 = (Q0 + Q1)/24 Q13 = (Q1 + Q2)/24 Q14 = (Q3 + Q2)/24 Q15 = (Q4 + Q3)/24 Q16 = (Q5 + Q4)/24 Q17 = (Q6 + Q5)/24 Q18 = (Q7 + Q6)/24 Q19 = (Q8 + Q7)/24 Q20 = (Q9 + Q8)/24 Q21 = (Q10 + Q9)/24 Q22 = (Q11 + Q10)/24
1
73
Continuación. Flujograma 6. Variación de niveles 1 2 Q12, Q13, Q14, Q15, Q16, Q17 ,Q18, Q19, Q20, Q21, Q22
Elevación = Elev + Inc H = Elevación - Elev Cs = A*H^4+ B*H^3+ C*H^2+ D*H+ E
n=0 i = 12
G.max n = Cs*L*H^1.5 Gmedio = G.max n/ 24 A.almc n = Qi- Gmedio A.Total = Almc n + A.almc Elev Vaso
Elv, Elevación , G.max n, Gmedio, A.almc n, A Total Elev Vaso
lElev.Vaso-Elevl >=Error
SI
Elev.VasoElev < 0 NO
NO
SI
Obs = Baja
Elev = Elev.Vaso
Obs = Alta
n =n+1 i=i+1
Elev = Elev.Vaso
3
2 74
2
Continuación. Flujograma 6. Variación de niveles 3 5 n =12
SI Fin
NO Elevación = Elev.Vaso + Inc
4 H = Elevación- Elev Cs = A*H^4+B*H^3+C*H^2+D*H+E G.max n = Cs*L*H^1.5 G.medio = G.max n + G.max (n-1) /24 A.almc n =Qi - Gmedio A.Total = Almc n-1+ A.almc Elev.Vaso = 7.0971*Ln(A.Total)+250.54
Elevación, G.max n, Gmedio, A.almc n, A.Total, Elev.Vaso
lElev.Vaso-Elevl >=Error
SI
Elev.Vaso-Elev <0 NO
NO n =n+1 i =i + 1
Obs = Baja
Elev = Elev.Vaso
Obs = Alta
4 5
Elev = Elev.Vaso
4
75
5. MANUAL DEL INSTRUCTOR 5.1 REQUERIMIENTOS MÍNIMOS DEL SISTEMA •
PC multimedia
•
Microsoft Windows 98, Windows NT 4, Windows Millennium Edition, Windows 2000 o Windows XP.
•
Microsoft Office XP Professional o superior esta versión.
•
Teclado, mouse
•
Monitor SVGA
•
Configuración regional del equipo de la siguiente forma: Símbolo decimal: Número de dígitos decimales: 2 Número de dígitos en grupo: 123,456,789 Símbolo de separación de miles: Símbolo de signo negativo: Formato de número negativo: -1.1 Mostrar ceros a la izquierda: 0.7 Separador de lista: Sistema de medida: Métrico
76
5.2 INSTALACIÓN DE HIDRACALC-2005 El proceso de instalación puede llevarse a cabo de la siguiente manera: • • • • • •
Introduzca en la unidad de CD-ROM el disco de HIDRACALC-2005 De click en el menú inicio Busque acceso directo al explorador de Windows Seguidamente busque la carpeta de HIDRACALC-2005 en la unidad de CD-ROM Luego de encontrarla déle copiar Pegue la carpeta al disco duro
5.3 EJECUCIÓN DE HIDRACALC-2005 Antes de abrir el programa HIDRACALC-2005, debe verificar que el nivel de seguridad presente en las ayudas de Visual Basic se encuentre en nivel bajo o medio, ya que en nivel alto el programa no podrá ejecutar las macros; en caso de estar en nivel bajo, al abrir el programa no se presenta ningún mensaje de información; al estar en nivel medio de seguridad, se presenta el siguiente mensaje: “Algunas macros pueden contener virus, siempre es más seguro deshabilitarlas, pero si las macros son de confianza y las deshabilita, Habilitar macros
puede perder funcionalidad” entonces de click sobre el botón poder abrir el programa. Es recomendable seleccionar nivel de seguridad medio.
para
Busque HIDRACALC-2005 en el archivo donde fue guardada y de doble click sobre él, habilite los macros y posterior a ello saldrá otro mensaje donde se solicita la contraseña Sólo lectura
para acceso de escritura, entonces de click sobre el botón esto es con el fin de conservar el estado original del programa, ya que de esta forma no se podrán guardar cambios sobre el mismo archivo. Ahora esta listo para hacer uso de HIDRACALC-2005.
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6. MANUAL DEL USUARIO 6.1 INTRODUCCIÓN En este manual se describen los aspectos más importantes y relevantes para la utilización de HIDRACALC-2005, mostrando los pasos adecuados para hacer un buen uso de este programa, las opciones para trasladarse de una hoja a otra o desplazarse en la misma, la descripción de la función de cada botón y los formatos en que se visualizan la entrada de datos y los resultados. 6.2 FUNCIONES DE LOS BOTONES PARA EL MANEJO DE HIDRACALC-2005 Figura 52. Funciones de los botones para el manejo de hidracalc-2005 Este botón traslada al usuario hasta la hoja del menú principal del programa. Este botón pone en marcha la corrida del programa que este utilizando, le avisará al usuario si tiene datos erróneos de entrada como son números negativos, caracteres, o números que no se encuentran en rangos establecidos.
Este botón continúa el proceso que se ha interrumpido por un mensaje que solicita el ingreso de nuevos datos.
Este botón borra, ya sea, los resultados o los datos de entrada en cada caso.
Devuelve al usuario al lugar de origen de donde fue trasladado por un hipervínculo, es práctico para regresar de sitios donde se han mirado curvas de calibración, gráficas entre otros.
Da una inducción de quienes elaboraron y para que sirve el software.
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6.3 MANEJO DEL LIBRO DE HIDRÁULICA 6.3.1 Cálculo de los elementos geométricos y manejo de opciones para determinar el Yc, Yn, n equivalente y Sc en los distintos canales. Para el cálculo de los elementos geométricos de debe tener en cuenta los procesos que se muestran a continuación: El usuario debe definir a cual de los cuatro canales desea calcular los elementos geométrico; se ubica con el mouse sobre el canal y le da click para ser trasladado a su destino. Figura 53. Defina el tipo de canal
En todo el libro de hidráulica, los números se digitan en los TextBox y posteriormente se da click en el botón ejecutar para dar solución al ejercicio. Figura 54. Esquema de la entrada de datos
De esta forma se visualiza la mayoría de los resultados en las hojas del libro de hidráulica. Figura 55. Esquema de los resultados
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El usuario escoge dando click sobre el tipo de canal que desea resolver, esto se hace para cada tema. Figura 56. Elija la opción
Ubicado en la hoja de flujo uniforme, este botón superpone sobre la imagen del canal que esta analizando, una lista con valores del coeficiente de manning más utilizados en la práctica profesional, para salir de click en el botón salir y así regresa a la imagen anterior. Figura 57.Ver rugosidades
Cuadro ubicado en la hoja rugosidades. Define el método por el cual desea calcular el n equivalente, ya sea para el canal rectangular, trapezoidal o triangular. Figura 58. Método para calcular el n equivalente
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6.3.2 Energía y Momentun. Para el cálculo de los elementos geométricos de debe tener en cuenta los procesos que se muestran a continuación: En la casilla N° de cálculos el usuario define la cantidad de filas que desea obtener, En la casilla incremento se define el valor en que aumentan las profundidades siendo la primera el valor del mismo, hasta completar el número de cálculos definidos por el usuario. Figura 59. Energía o Momentun
El usuario define cual de las dos tablas desea calcular; si selecciona energía, se cambian automáticamente las 3 últimas columnas de la figura anterior por las tres siguientes: . El botón Buscando Y2 o Y2’ solo se habilita después de ejecutar el programa, y este a su vez sirve para habilitar la siguiente figura: Figura 60. Opción Energía o Momentun
El TextBoxt que se encuentra ubicado al lado del botón Calc..., contiene el valor de energía o fuerza a buscar; necesarias para calcular profundidades alternas o secuentes, el valor usted lo puede conocer de la siguiente forma: en la casilla número de cálculos explicada anteriormente digite 1, y en la de incremento el valor de la profundidad inicial para el ejercicio, así obtendrá el valor de Energía o Fuerza inicial que se copia automáticamente a la casilla que esta al lado del botón Calc... después de oprimir el botón Buscando Y2 o Y2’. Se recomienda calcular el valor del Yc en la hoja flujo crítico para saber si se encuentra por encima del Yc o por debajo. Si desea una aproximación de 2 decimales, digite en la casilla N° de cálculos un valor por encima de 100 dependiendo del promedio de profundidades en la que esta trabajando, por ejemplo: si su Yc es 1.98 m, y su Y1 es 1.7 m, indica que su Y2 81
estará en un promedio de 0.4 - 0.5 por encima del Yc, entonces bastará con estimar 250 cálculos con un incremento de 0.01 para llegar a 2.5 m. En el caso de que la profundidad inicial este por encima del Yc solo bastará calcular incrementos hasta el Yc, ya que el valor a buscar se encuentra por debajo de él. La casilla Y1 devuelve el valor de la profundidad para la cual el % E o F es cero y en la tabla la resalta en color gris; la casilla Y2 o Y2’ devuelve el valor de la segunda profundidad, ya sea alterna o secuente, está es calculada con un % E o F inferior a 0.1 y son resaltadas todas sus aproximaciones en la tabla con color gris. Cuando los 2 valores son iguales se presenta flujo critico o no ha definido bien el valor máximo de cálculos para el caso. Ahora ubique el Mouse sobre el titulo usar autofiltro y de clic, así obtendrá los valores de cualquier columna ordenados de menor a mayor, práctico para revisar y encontrar el Yc, Y1 y Y2, % E o F, velocidades, energía, fuerza entre otros. Figura 61. Textboxt
% ∆ Eo F
%∆ EoF
6.3.3 Diseño de canales. Para el diseño de canales se debe tener en cuenta los procesos que se muestran a continuación: Ubicado en la hoja de diseño estos cuadro definen el tipo de revestimiento del canal que se desea diseñar y su respectivo método de diseño. Al dar click sobre canales erosionables se habilita el método de la velocidad máxima permisible y fuerza tractiva, inhabilitando la sección hidráulica óptima; Luego seleccione la sección transversal de canal.
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Figura 62. Opción y método para diseñar
Para el método de sección hidráulica óptima el valor de z para un canal trapezoidal es tan 30° y para un canal triangular es 1, por lo tanto solo necesita ingresar los datos de caudal, pendiente y rugosidad, de click sobre el botón ejecutar y así se obtendrá los resultados de el siguiente cuadro. Figura 63. Datos de entrada método sección hidráulica óptima
Después de ejecutar por primera vez el ejercicio y si se cumplen los valores de verificación para velocidad y número de Froude, se procede a ingresar el valor de la base constructiva y se pulsa sobre el botón calcular que aparecerá al lado de esta casilla; esta acción verificará de nuevo los parámetros de velocidad y número de Froude; después se debe ingresar el valor del borde libre y de click en el botón diseñar que aparecerá debajo de la casilla del borde libre si se cumplen las condiciones anteriores, así obtendrá los elementos geométricos definitivos de la sección transversal, prácticos para sacar cantidades de obra, profundidades de excavación, ancho total del canal, etc.
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Figura 64. Cuadro de solución para diseño utilizando el método de la sección hidráulica óptima
Las palabras en color azul contienen hipervínculos a otra hoja donde se muestran tablas con valores recomendados por distintas entidades como U.S. Bureau of Reclamation y la URSS utilizados para diseñar. El cuadro de sinuosidad es opcional, si el canal no se considera sinuoso no seleccione ninguna de las tres alternativas. Ingrese los datos y pulse el botón ejecutar. Figura 65. Datos de entrada método velocidad máxima permisible
Antes de correr el programa el botón diseñar, calcular, calc... y la casilla que está a su izquierda se encuentran ocultos, pero posteriormente irán apareciendo de la siguiente forma: primero aparece el botón calc... con su casilla, que sirve para ingresar el factor de corrección a la velocidad por profundidad, el factor se puede leer pulsando sobre la palabra factor que lo conducirá a una curva de calibración; luego se da click en calc... para obtener los nuevos elementos geométricos, de esta forma aparecerá el botón calcular, que después de haber ingresado el valor de la base constructiva se debe presionar para recalcular nuevamente los elementos geométricos y parámetros hidráulicos; si se cumplen las 84
verificaciones, aparecerá el botón diseñar que basta con dar click en él después de ingresar el borde libre para obtener la geometría total del canal. Figura 66.Cuadros de repuestas para diseño utilizando el método de la velocidad máxima permisible
Al igual que en el método anterior las palabras en color azul contienen hipervínculos a otra hoja donde se muestran tablas con valores recomendados por distintas entidades como U.S. Bureau of Reclamation y la URSS utilizadas para diseñar. El cuadro de sinuosidad es opcional, si el canal no es considerado sinuoso no seleccione ninguna de las tres alternativas. En el cuadro SELECCIONE EL MATERIAL, al escoger gruesos no cohesivos, automáticamente se cambia el máx. por el D25; al seleccionar cohesivos, se cambia el Ks por KL y se oculta la casilla de °. Después de ejecutar el programa se procede a ingresar el valor de la base por construcción, se da click en el botón calcular y se obtienen los nuevos elementos geométricos que servirán para realizar las respectivas verificaciones. Figura 67. Datos de entrada para diseño utilizando el método de la fuerza tractiva
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Después de tener la base constructiva se da click sobre KL que está en color azul para leer de la curva de calibración su valor; después se pulsa verificar para obtener los valores presentes en la figura, mediante los cuales, el programa le avisará si su diseño es correcto. Si se cumple ingrese el valor del borde libre y de click sobre el botón diseñar para obtener la geometría total del canal. Figura 68. Cuadro de verificaciones para diseño por el método de la fuerza tractiva
6.3.4 Flujo gradualmente variado. Para el flujo gradualmente variado se deben ejecutar las siguientes funciones: Figura 69. Método de integración grafica
Figura 70. Intervalos de flujo gradualmente variado
Antes de definir el rango de cálculos se debe establecer el tipo de perfil con que está trabajando para no tener resultados equívocos; el perfil puede definirlo calculando el Yc y Yn en las anteriores hojas y ayudándose de las gráficas que puede observar dando click sobre el cuadro “tipo de perfiles”. Defina muy bien su rango para hacer un buen uso del programa, ya que esté, internamente define el incremento de Y teniendo en cuenta el valor inicial, final y el número de cálculos establecidos por el usuario. Seleccione el método y tenga en cuenta el mensaje de información cuando utilice paso directo para dar un buen uso del mismo. 86
Figura 71. Tipo de perfil
También, al seleccionar el método del paso directo se cambian automáticamente la últimas cinco columnas de la tabla anterior por las siguientes: Figura 72. Método del paso directo
6.4 MANEJO DEL LIBRO DE HIDROLOGÍA 6.4.1 Evaporación. El siguiente cuadro muestra las variables de entrada para el cálculo de la evaporación. Figura 73. Datos de entrada del programa de evaporación
Al ejecutar el programa se halla la evaporación teniendo en cuenta cuatro modelos de estudio para este fenómeno. Los métodos evaluados son los siguientes:
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Figura 74. Método de Balance de Energía
Figura 75. Método Aerodinámico
Figura 76. Método Combinado o Penman
Figura 77. Método de Priestley –Taylor
6.4.2 Estadística hidrológica y Análisis de frecuencia. En este programa se presentan dos opciones según el tipo de solución: una solución normal y otra logarítmica. Figura 78. Tipo de solución para el análisis estadístico
Figura 79. Datos de entrada del programa Estadística
88
Después de escoger el tipo de solución, se procede a ingresar el número de datos y el periodo de retorno utilizado para los cálculos del estudio de los diferentes métodos de la distribución. Luego se ejecuta el programa, el cual crea la tabla con el respectivo número de datos y pide el ingreso de los valores de X a analizar. En el caso de escoger la solución logarítmica, ingrese los valores de X sin sacar logaritmo de los datos, ya que el programa automáticamente los calcula y los ubica en la misma posición en que fueron escritos Después de ingresar los valores de x, se da click en el botón continuar mediante el cual se calculan: Figura 78. Resultados del programa Estadística
Figura 79. Parámetros estadísticos de distribución de valores extremos
Seguidamente se escoge el método a evaluar, el cual lo dirige a la ventana donde se encuentran la solución de estos. Figura 82. Métodos de solución para el análisis estadístico
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Cada método presenta 2 tipos de solución, tipo I y tipo II excepto el caso de la distribución Log-Pearson. En caso de que se este trabajando con un tipo de solución normal, solo se obtendrán los valores pertenecientes al cuadro tipo I, en caso de una de solución tipo logarítmica, se calculan solo los valores pertenecientes a la tabla tipo II y en el caso de que la Distribución sea Log-Pearson, esta solo se evalúa cuando la solución es logarítmica. A continuación se presentan dos modelos de tipos de resultados, uno es para Análisis de frecuencia con factores de frecuencia y el otro es distribución de valores extremos. Figura 83. Cuadros de respuestas para el método de Análisis de frecuencia con factores de frecuencia y distribución de valores extremos
Variables tipo I y tipo II obtenidas por el método de distribución de valores extremos
Variables tipo I y tipo II obtenidas por el método de Análisis de frecuencia con factores de frecuencia
6.5 MANEJO DEL LIBRO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS 6.5.1 Capacidad para un vaso fluvial. En este programa se presentan dos opciones según el tipo de solución: una solución normal y otra logarítmica. Figura 84. Opciones de entrada para calcular la capacidad del vaso
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En esta hoja se presentan dos opciones: para el año más seco y para los cuatro años consecutivos más secos. Al seleccionar cualquiera de las dos opciones se presenta una tabla para ingresar los datos de entrada. Se debe tener en cuenta que para el análisis de los cuatro años consecutivos más secos, se muestran cuatro tablas iguales a la del año más seco con sus respectivas soluciones. Los datos de entrada para el programa son los siguientes: Figura 85. Datos de entrada para el cálculo la capacidad del vaso
La tabla de resultados al correr el programa es la siguiente: Figura 86. Resultados para el cálculo de la capacidad del vaso
La tabla de resultados presente, es obtenida mediante la solución de la capacidad para el año más seco; En el caso de presentarse más de dos años consecutivos secos, en la tabla de resultados no se presenta la columna de necesidad de almacenamiento, sino en vez de ésta, se presenta una columna de escurrimiento acumulado, mediante la cual se calcula la capacidad del vaso. Para el cálculo de la capacidad del año más seco se toma el valor obtenido de la sumatoria de las necesidades de almacenamiento de los meses del año evaluado La tabla de resultados para los cuatro años consecutivos más secos, presenta la columna de escurrimiento acumulado necesaria para realizar la gráfica “Curva masa” (Aportaciones acumuladas Versus años más secos), mediante la cual, se calcula la capacidad del vaso. La gráfica de la capacidad es presentada al dar click en el botón cual también se ilustra la línea de demanda de la región estudiada. 91
en la
Se debe tener en cuenta que el programa para el calculo de la capacidad del vaso para los cuatro años consecutivos más secos, cuenta con dos botones ejecutar, uno para el primer y segundo año y el otro para el tercer y cuarto año. Se pueden evaluar desde dos años más secos hasta cuatro años consecutivos más secos. Figura 87. Botones para evaluar la capacidad de un vaso para los cuatro años mas secos
En este programa se consideraron como máximo 4 años consecutivos más secos, por lo que es una cantidad apropiada para el diseño de los embalses. 6.5.2 Presas de gravedad y de tierra. Para el análisis de las presas de tierra y gravedad, se partió de 4 modelos de presas; siendo las 3 primeras de gravedad y la última de tierra. Los cuatro modelos de presas son: Figura 88. Modelos de presas
Para el análisis de cada modelo de presa, se debe dar click sobre la presa a analizar, el cual lo conduce a su modelo para ingresar los datos de entrada. El programa presenta los gráficos de los diferentes modelos de presas con la respectiva nomenclatura, para identificar los datos a ingresar, ya que cada presa tiene una geometría diferente variando los datos de entrada.
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Figura 89. Datos de entrada para las presas de gravedad
El análisis de la presa se realiza en dos etapas: una cuando el embalse está vacío y la otra cuando el embalse está lleno. Para el embalse vacío se calcula: Figura 90. Cuadros de respuestas para el análisis del embalse vacío
Esfuerzos máximos, mínimos de la presa y esfuerzo del concreto
Fuerza ejercida por la presa
X trazo y excentricidad Gráfica de esfuerzos generados por la presa
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Para el embalse lleno: Figura 91. Resultados para el cálculo de embalse lleno
Tabla 7. Momentos que producen el volcamiento
Tabla 6. Momentos que impiden el volcamiento
fuerzas generadas por el efecto del sismo
Efecto de la subpresión
Factores de seguridad contra el deslizamiento y volcamiento
Factor de seguridad contra el deslizamiento considerando el efecto del sismo
Esfuerzos máximos, mínimos de la presa y esfuerzo del concreto
Esfuerzos aguas abajo
Gráfica de esfuerzos
En el análisis de la presa de gravedad se consideran las verificaciones de estabilidad de la presa frente a deslizamiento y volcamiento, se comparan los esfuerzos generados por la presa con los que resiste el concreto y se verifican si se presentan esfuerzos negativos que generan tensiones en el concreto, al igual que si la presa se encuentra sobre diseñada. 94
En el programa de la presa de tierra, se muestran dos presas de igual geometría, cada una con distinto tipo de superficie de falla y su respectiva nomenclatura para identificar los datos que se ingresan al programa. Los datos de entrada a ingresar son los siguientes: Figura 92. Datos de entrada para la presa de tierra
Figura 93. Datos de entrada de las dovelas analizadas
Obteniendo como resultado: Figura 94. Tabla de resultados de la presa de tierra
Para el calculo de la línea de flujo, se deben ingresar los valores de “ X,” siendo estos las distancias existentes desde el foco hasta el punto A ubicado en la lámina de agua, así se obtienen los valores de “Y” para conocer la trayectoria de la lámina de agua por el interior de la presa.
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Figura 95. Análisis de la estabilidad de la cimentación y cálculo de la línea y ritmo de flujo
El programa verifica la estabilidad de la presa y la cimentación. Para el análisis de la cimentación, se consideró el esfuerzo generado por la presa en el centro de esta para desplazar el material de la cimentación hacia afuera y el esfuerzo a cortante que resiste la cimentación ante esta fuerza. Para el análisis del cálculo del ritmo de flujo se evalúa si el valor hallado es superior a 0.01, alertándolo que este valor debe ser inferior a 0.01. El número de datos a ingresar para el análisis de la presa de gravedad como máximo es de 17 dovelas, teniendo en cuenta que el valor mínimo de dovelas a analizar debe ser ocho. 6.5.3 Vertedero de Cimacio. El programa presenta dos opciones. una para vertedero de cimacio con controles y la otra para vertederos de cimacio sin controles, como se muestra en la figura. Figura 96. Presentación de los vertederos de Cimacio sin controles con pilas y sin pilas, con sus respectivas opciones
96
Para el análisis de cada vertedero se debe escoger la opción que hace referencia a cada uno, la cual los dirige a su respectiva entrada de datos. En la entrada de datos siempre habrá un valor de 1 en las relaciones He/Ho y C/Co, por ser estas la base del análisis para los demás cálculos de la tabla al final del programa. Los datos de entrada del programa son los siguientes Figura 97. Datos de entrada del vertedero de Cimacio 1
1
La solución del ejercicio se realiza por partes: I Parte: Figura 98. Primera parte de la solución de vertedero de Cimacio
Al ejecutar el programa, se hallan los valores desde He+P, hasta la relación P/Ho, continuando con un mensaje que pide la introducción de los valores de Co y de Ci/Cv, para oprimir el botón continuar y seguir ejecutando el programa calculando los valores desde Ci hasta la relación d+hd/He; así saldrá otro mensaje mediante el cual se pide el valor de la relación hd/He y con ella realizar los demás cálculos, verificando si hvd es aproximadamente igual a hd (con una diferencia en valor absoluto menor o igual al error asignado en la entrada de datos entre hvd y hd), en caso de no cumplir el programa le pide que ingrese de nuevo la relación hd/He hasta que sean aproximadamente iguales.
97
Los datos necesarios para ingresar al programa se encuentran dando click en la opción II Parte. Corrección por efecto de lavadero aguas abajo. Con el mismo botón continuar, si se cumple la igualdad anterior (hvd aproximadamente igual a hd), el programa pide el valor de la relación Cs/C y así calcula un Cs, el cual debe ser aproximadamente igual al C asumido al inicio del programa, admitiendo una diferencia en valor absoluto menor o igual error asignado en la entrada de datos entre Cs y C, en caso de no serlo se de debe ingresar un nuevo valor de C, ya que el programa automáticamente borra el C asumido al inicio del programa y se detiene, teniendo que volver a calcular todo como se explicó anteriormente. Figura 99. Corrección por efecto de lavadero aguas abajo
III Parte. Los resultados obtenidos en la parte I y II hacen referencia a la relación He/Ho=1. Por lo tanto se realizan diferentes análisis para las distintas relaciones de He/Ho, mediante los cuales se calculan los valores de He y Cs necesarios para el estudio de la variación de niveles. Figura 100. Análisis del vertedero de cimacio con las consideraciones de diferentes relaciones de He/Ho
Durante la ejecución del programa para el cálculo de la tabla anterior, se pide ingresar los datos de la columna Cs/Ci, los cuales se pueden buscar pulsando la opción “Gráficas”. Después de ingresar los valores Cs/Ci, de click en el botón continuar para terminar de llenar la tabla. Los datos de entrada para vertederos de cimacio sin controles, difieren a los de vertedero de cimacio con controles, en que se deben incluir los factores de Ka y Kp, los cuales dependen del tipo de pilote a utilizar y el grado de curvatura de los muros. El proceso de cálculo es 98
igual al anterior incluyendo para su cálculo otras variables como la longitud neta y la longitud real del vertedero, calculadas por medio de la entrada de los datos de diámetro y el número de pilas. Los datos de entrada a suministrar al programa, después de ser ejecutado de la misma forma que el programa para vertedero de Cimacio sin control, es el diámetro y número de pilas a instalar para posteriormente calcular la longitud neta y la longitud real. Figura 101. Cálculo de la longitud real del vertedero de Cimacio sin controles con pilas
6.5.4 Variación de niveles. Este programa toma como referencia los datos de elevación de tanteo, un incremento sobre esta elevación, un almacenamiento total, los datos de un hidrograma, el error máximo permitido entre la elevación en el vaso y la elevación de tanteo y los coeficientes de una ecuación polinómica de cuarto grado que se ajuste al vertedero evaluado; por lo cual, se debe tener en cuenta la tendencia de los valores de Cs y He por que difieren en su comportamiento según las características de cada vertedero, por tal motivo cuando la curva de calibración de cuarto grado no se ajuste a las características del vertedero evaluado no se debe utilizar este programa. Los datos de entrada del programa se muestran en la siguiente figura: Figura 102. Datos de entrada para el cálculo de la variación de niveles
Para la ejecución del programa se presentan dos opciones, definitivo o paso a paso; al seleccionar definitivo y dar click en el botón ejecutar, se presenta la tabla con todos los resultados; si selecciona solución paso a paso, se presenta una a una las iteraciones por fila 99
necesarias para llenar la tabla, mostrando las respectivas observaciones en cada iteración y las elevaciones de tanteo asumidas. Figura 103. Tipo de solución para el cálculo de la variación de niveles
Tabla de resultados: Figura 104. Resultados de la ejecución del programa de Variación de niveles
Al calcular la primera fila, el programa verifica si los valores de elevación en el vaso y la elevación de tanteo presentan un diferencia mayor o igual al valor ingresado en los datos de entrada, en caso de serlo, internamente se reemplaza el valor de la elevación en el vaso por la elevación de tanteo, iterando hasta que la diferencia sea menor al valor ingresado en los datos de entrada y su observación sea correcta. Con base en la elevación de tanteo correcta, se incrementa su valor según el incremento establecido por el usuario para el análisis de la siguiente fila y repetir el mismo procedimiento para las demás filas.
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7. CONCLUSIONES Con la creación de HIDRACALC-2005 se dotó al plan de estudios de Ingeniería Civil de una herramienta práctica que permite a los estudiantes tener un adiestramiento previo para el desarrollo de las prácticas y refuerzo de conocimientos en las áreas de hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas. El programa para diseño de canales permite al usuario realizar de una manera rápida distintas aproximaciones, para seleccionar la solución óptima según criterios hidráulicos, constructivos, económicos etc. Es importante que el usuario antes de utilizar el programa para el cálculo de perfiles, haya definido el tipo de perfil de flujo gradualmente variado, dado que una suposición equívoca del rango de valores para la profundidad de la lámina de agua “ y ”, conduce a resultados que difieren del perfil correcto o resultados sin sentido, haciendo un mal uso del programa. Si en el análisis de una presa se encuentra que esta falla por deslizamiento y no por volcamiento no indica que sea estable, ya que el primer paso para que se produzca el volcamiento es el deslizamiento. Al elaborarse este software en Excel se construye una herramienta recursiva, ya que los programas no están limitados para lo que fueron diseñados, sino también se pueden utilizar todas la herramientas de Excel, como es copiar en nuevos libros, construir curvas de calibración por datos obtenidos con los programas, etc. Es importante recordar que ningún software está totalmente terminado, ni es absolutamente a prueba de errores de donde se abre la posibilidad de nuevos proyectos de grado, incluso interactuando con alumnos de ingeniería de sistemas. Este proyecto permitió a los autores explorar otras técnicas que resultan eficaces al momento de crear una herramienta para facilitar, agilizar análisis y aplicaciones en distintas áreas de la ingeniería, conocimiento invaluable para el futuro ejercicio profesional.
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8. RECOMENDACIONES Institucionalizar el software como herramienta de apoyo para el aprendizaje en el salón de clase. Se recomienda el uso extensivo de HIDRACALC-2005 por parte de los alumnos de las respectivas asignaturas, a fin de detectar posibles errores de funcionamiento, para ser reportados a los autores y/o al director del proyecto y así implementar sus correcciones. Incluir otras asignaturas que permitan cubrir la formación básica de los ingenieros civiles en Universidad Francisco de Paula Santander. Explorar nuevas técnicas de programación, para fortalecer los programas existentes, por ejemplo en el manejo de la memoria, la presentación gráfica, animaciones entre otros y así generar nuevos software. Mejorar y adaptar el contenido de las asignaturas de computación I y computación II, a fin de incentivar a los estudiantes para aplicar estas herramientas en el desarrollo de su formación básica como ingenieros. Implementar en nuevas versiones un auto instalador ( Setup.exe )
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BIBLIOGRAFÍA CAMARGO BARÓN, Amparo. Manual de informática educativa. San José de Cúcuta: Litografía Universidad Francisco de Paula Santander, 1997. 84 p. FLOYD E., Dominy. Diseño de presas pequeñas. México: Continental, 1995. 92 p. HALVORSON, Michael. Aprenda Microsoft Visual Basic 6.0 ya. España: Mc Graw Hill, 1999. 84 p. JACOBSON, Reed. Excel 2002 Macros y Visual Basic para aplicaciones. Madrid: Mc Graw Hill, 2002. 150 p. MEYER, Bertrand. Construcción de software orientado a objetos. Buenos Aires: Prentice Hall, 1996. 151 p. RAY E LINSLEY, Max A. y KOHLER, JOSEPH L.H, Paulos. Hidrología para ingenieros. Santa Fé de Bogotá: Mc Graw Hill, 1998. 78 p. VEN TE CHOW, Ph. D. Hidráulica de canales abiertos. España: Mc Graw Hill, 1994. 175 p. --------. Hidrología aplicada. España> Mc Graw Hill, 1994. 194 p.
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ANEXOS
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Anexo A. Valores para el diseño de los diferentes temas analizados en el software
Velocidades máximas permisibles recomendadas por Fortier y Scobey y los valores correspondientes de fuerza tractiva unitaria covertidos por el U.S. Bureau of Reclamation (para canales rectos de pendiente pequeña, después de envejecimiento)
Pendientes laterales apropiadas para canales construidos en diferentes clases de materiales.
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Datos de los Estados Unidos y de la URSS sobre velocidades permisibles en suelos no cohesivos
Curvas que muestran los datos de la URSS sobre velocidades permisibles
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Curva de la URSS que muestra correcciones por profundidad para velocidades permisibles tanto en materiales
Ángulos de reposo para materiales no cohesivos ( U.S. Bureau of Reclamation).
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Fuerzas tractivas unitarias permisibles recomendadas para canales en materiales no cohesivos (U.S Bureau of Reclamation).
Fuerzas tractivas unitarias permisibles recomendadas para canales en materiales cohesivos convertidas de los datos de la URSS sobre velocidades permisibles.
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Fuerzas tractivas unitarias máximas en términos de wyS.
Clasificación de los perfiles de flujo en flujo gradualmente variado
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Tipo de perfiles de flujo en canales prismáticos.
Ejemplos de perfiles de flujo
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Perfiles de flujo gradualmente variado en un canal prismático largo con un quiebre en la pendiente de fondo
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Coeficientes de descarga para las crestas de Cimacio en pared vertical .
Coeficientes de descarga para una cresta de Cimacio con paramento de aguas arriba inclinado. .
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Efectos de los factores de aguas abajo en la capacidad de los vertederos
Relación de los coeficientes de descarga debida al efecto del lavadero
113
Anexo B. Programa HIDRACALC- 2005 (Excel)
Este anexo es un programa elaborado en hoja de cálculo Excel como se muestra a continuación y se puede observar con un vínculo externo en la hoja de cálculo.
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