HIDRÁULICA II
DETERMINACION DEL COEFICIENTE DE MANNING UTILIZANDO GRAVILLA, ARENA, PIEDRA PEGADA Y TIERRA COMO FONDO MEDIANTE UN CANAL A ESCALA COMO MODELO FÍSICO 1. INTRODUCCIÓN: El proyecto de investigación "Calculo del coeficiente de rugosidad de Manning utilizando gravilla, arena, piedra pegada y arcilla como fondo mediante un canal a escala como modelo físico", se encaminó a usar gravilla de río, arena de río, arcilla y piedra pegada como revestimiento, materiales colombianos que fueron aplicados a un modelo físico para calcular el coeficiente de rugosidad de estos, con el fin de compararlos con los establecidos en tablas. Se tomaron una serie de caudales apoyados de una electrobomba graduando gradu ando la entrada del flujo al modelo, unas alturas de la lámina que determinaron previamente la geometría de la sección transversal y finalmente la pendiente longitudinal del modelo que además de la velocidad de flujo le dio una velocidad al fluido transportado semejando condiciones extremas del canal. De acuerdo con los resultados se logró establecer unos datos, los cuales se pueden usar para el diseño de canales que utilicen estos coeficientes, dado que los materiales empleados son en general los más usados en obras de ingeniería como son canales de riego, de aguas lluvias, cunetas etc. Esta parte de la hidráulica es importante, ya que es el comienzo del estudio, cuyo resultado de alguna manera arrojara una importante herramienta para calcularlo, modelarlo y compararlo con lo expuesto en libros, y de esta forma contemplar los demás factores que lo afectan teniendo así una profundización en su estudio para el desarrollo de investigaciones y obras en nuestro país. Por lo tanto, la investigación realizada llego a satisfacer en un comienzo el comportamiento del valor de n, con respecto a una suposición de revestimiento para el caso de la piedra pegada, y un no revestimiento para el caso de canales en arena y en arcilla.
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2. OBJETIVOS 2.1.
Objetivo General:
Demostrar en laboratorio de acuerdo a las normas INVE 125, INEV 126 e ICONTEC32 el Coeficiente de Rugosidad de Manning utilizando como material de fondo: grava, arena, arcilla y piedra pegada como revestimiento en canales mediante un modelo Físico.
2.2.
Objetivos Específicos:
Estudiar las normas empleadas para el desarrollo del proyecto de la materia de Hidráulica II en instalaciones de la EMI, aplicando conocimientos adquiridos a través del Semestre en curso.
Examinar las pruebas de ensayo realizadas utilizando utilizando el método de prueba y error para obtener datos empíricos de mayor precisión en el ensayo.
Calificar las demostraciones con sus diferenciaciones, con el fin de de diseñar un equipo de ensayo siguiendo las normas ICONTEC-32, INVE 125, INVE 126 especificadas del presente tema, para dar a conocer un proyecto detallado y específico en las instalaciones de la EMI.
Explicar el procedimiento y las normas normas empleadas en el proyecto dando a conocer los resultados obtenidos para enriquecer el conocimiento de nuestros compañeros en la carrera de ingeniería civil.
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2. OBJETIVOS 2.1.
Objetivo General:
Demostrar en laboratorio de acuerdo a las normas INVE 125, INEV 126 e ICONTEC32 el Coeficiente de Rugosidad de Manning utilizando como material de fondo: grava, arena, arcilla y piedra pegada como revestimiento en canales mediante un modelo Físico.
2.2.
Objetivos Específicos:
Estudiar las normas empleadas para el desarrollo del proyecto de la materia de Hidráulica II en instalaciones de la EMI, aplicando conocimientos adquiridos a través del Semestre en curso.
Examinar las pruebas de ensayo realizadas utilizando utilizando el método de prueba y error para obtener datos empíricos de mayor precisión en el ensayo.
Calificar las demostraciones con sus diferenciaciones, con el fin de de diseñar un equipo de ensayo siguiendo las normas ICONTEC-32, INVE 125, INVE 126 especificadas del presente tema, para dar a conocer un proyecto detallado y específico en las instalaciones de la EMI.
Explicar el procedimiento y las normas normas empleadas en el proyecto dando a conocer los resultados obtenidos para enriquecer el conocimiento de nuestros compañeros en la carrera de ingeniería civil.
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3. MARCO REFERENCIAL 3.1.
Marco Teórico y Conceptual:
Para este proyecto de investigación se hizo necesario el uso de un modelo físico existente. Sobre el fondo de este canal a escala se colocó cada u na de las diferentes superficies, con las cuales se determinará el coeficiente de rugosidad. El uso de modelos físicos a escala reducida implica una serie de semejanzas o igualdades en las leyes geométricas, cinemática, y dinámicas que en conjunto relacionan las magnitudes físicas homólogas definidas entre ambos sistemas, el prototipo y el modelo. Dentro de las clases de canales abiertos se encuentran “canales naturales” o
artificiales. Los artificiales son los construidos por el hombre, como, por ejemplo: de irrigación, navegación, vertederos, cunetas y también los construidos en los laboratorios, vistos como modelos físicos. Para el caso de los “canales naturales” es muy importante ten er en cuenta las
irregularidades que éstos presentan. Entre estas irregularidades se tienen geológicas, morfológicas, hidrológicas, transporte de sedimentos, erosión, socavación etc., y una característica que probablemente influya bastante en el análisis matemático de éstos y son las suposiciones empíricas que se realizan de éstos basados en observaciones y experiencias. Vale la pena resaltar que también algunas de estas irregularidades también se presentan en los canales artificiales. Es importante tener en cuenta que hay ríos que también se le conoce como canales naturales, según su morfología algunos permiten la navegación, sin ser dragados ya ING. REYNALDO BARBA
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que cuentan con buena profundidad. La acción erosiva de los ríos es producto de la velocidad, del relieve y de la pendien te longitudinal, generando una serie de procesos mecánicos que en su primera etapa de transporte el material es particulado, gravas de mayor tamaño son golpeadas por otras provocando su ruptura. En la segunda y tercera etapa el material fracturado en trozos, es sedimentado en el río, teniendo influencia solamente en el proceso de sedimentación. La energía del agua en parte causa un efecto de martilleo en el fondo del río generando una mayor degradación de las gravas transformando el material en arenas, para estos casos la influencia de cauces irregulares daña la estructura de fondo creando socavación. Por otra parte, la pendiente de los ríos es también tenida en cuenta dentro de los procesos, un cambio abrupto forma saltos, cascadas o cataratas, llegando a medir 1 Km de altura aproximadamente. Cuando se generan obstáculos en el curso del río, las aguas buscan zonas más frágiles, las desgastan y forman deslizaderos o cañones. El proceso de sedimentación es el depósito en el fondo de un río o canal artificial de material en suspensión transportado por el agua. La sedimentación está regida por la ley de Stokes que manifiesta que las partículas de mayor diámetro cuya viscosidad de líquido es menor tienden a sedimentarse más rápido. A continuación, se muestran estructuras hidráulicas que producen sedimentación:
3.1.1. Desarenador Diseñado para que se sedimenten y retengan sólo partículas mayores de un cierto diámetro nominal y en general de alto peso específico (arena). ING. REYNALDO BARBA
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3.1.2. Sedimentadores o decantadores Normalmente utilizados en plantas de tratamiento de agua potable, y plantas de tratamiento de aguas servidas.
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3.1.3. Presas filtrantes Destinadas a retener los materiales sólidos en las partes altas de las cuencas hidrográficas.
Según la estructura y su finalidad la sedimentación puede ser benéfica en los casos de tratamiento de agua dentro del sistema de un acueducto y perjudicial cuando se quiere reducir el volumen de un embalse o cuando se quiere disminuir la capacidad de un canal de riego.
3.1.4. Ingeniería Fluvial La ingeniería de ríos o hidráulica fluvial profundiza su estudio en el comportamiento hidráulico de los ríos, reúne todo lo mencionado anteriormente y otros conceptos adicionales como lo son la hidráulica general y en especial la de canales que centra su atención en el transporte de fluidos, habitualmente agua y que están abiertos a la atmósfera y que basa su estudio en el comportamiento de la hidráulica de los canales, vale la pena aclarar la gran cantidad de implicaciones que genera un canal que no sea prismático, principalmente en sus valores de diseño de Profundidad Normal de Flujo (Yn) y Profundidad Crítica (Yc), que para calcularlos es necesario el Caudal (Q), la Rugosidad (n), la Sección Transversal del Canal, la Pendiente longitudinal (S), y la Gravedad (g), y como consecuencia de la irregularidad prismática del canal no obtendremos valores constantes. ING. REYNALDO BARBA
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En ese comportamiento hidráulico se tiene el COEFICIENTE DE RUGOSIDAD DE MANNING Y CHEZY. En 1889 Robert Manning presentó la ecuación durante la lectura de un artículo en el Institute of Civil Engineers de Irlanda, la ecuación se presentó de forma complicada y luego fue simplificada a = ∗ ∗ . El factor de resistencia al flujo, R el radio hidráulico. Y S la pendiente longitudinal del canal, esta ecuación fue comparada con siete ecuaciones diferentes basadas en datos experimentales de Bazin y verificadas mediante observaciones. Al aplicar las ecuaciones estas generan mayor dificultad para el cálculo del coeficiente de rugosidad ya que el conocimiento que se requiere es muy poco implicando pronosticar o estimar. De acuerdo con Ven te Chow se sugiere una guía para la determinación del coeficiente teniendo los siguientes enfoques:
Identificar los factores que afectan el coeficiente de rugosidad para tener un grado de seguridad o incertidumbre.
La revisión de datos comúnmente utilizados en canales abiertos en general.
La inspección de canales utilizados comúnmente, cuyos coeficientes se conozcan.
La determinación del coeficiente de forma analítica teniendo en cuenta la distribución de las velocidades en la sección.
Con respecto a los anteriores enfoques, se presentan a continuación factores que afectan el coeficiente de rugosidad de Manning, son los siguientes:
3.1.5. Rugosidad superficial Generada por la presencia de material granular, el cual produce un retraso en el flujo. Dependiendo si el material es fino o grueso el efecto retardador será menor o mayor respectivamente.
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3.1.6. Vegetación Se considera como una clase de rugosidad superficial donde se debe tener en cuenta que reduce y retarda la capacidad del flujo en el canal, esto depende de factores como la altura, la densidad, la distribución y el tipo de vegetación.
Foto sacada desde el puente del Urubó
3.1.7. Irregularidad del canal Se tienen las irregularidades en el perímetro mojado y en la sección transversal en su tamaño y forma a lo largo de todo el canal.
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3.1.8. Alineamiento del canal Para este caso el valor de n (coeficiente de rugosidad) depende directamente de si el canal tiene curvas con radios suaves donde el valor de n será bajo o curvas co n radios fuertes donde se aumentará el valor.
3.1.9. Sedimentación y Socavación Para el caso de la sedimentación dependerá del tipo de material depositado, donde quizá se pase de un canal muy irregular a uno relativamente uniforme donde se disminuirá n y para la socavación se tendría el efecto contrario.
3.1.10.
Obstrucción
Se pueden presentar obstrucciones de diferentes naturalezas, como troncos, pilas de puentes, donde su tamaño, forma, número y distribución podrían incrementar el valor de n.
3.1.11.
Tamaño y forma del canal
En general el factor que afectaría el valor de n es el radio hidráulico donde según la condición del canal podría aumentar o disminuir.
3.1.12.
Nivel y caudal
En la mayoría de las corrientes el valor de n disminuye cuando aumenta el nivel y el caudal.
3.1.13.
Cambio Estacional
Dependiendo en la estación en la que se encuentre las plantas acuáticas ya sea en la de crecimiento o en la inactiva en valor de n puede aumentar o disminuir respectivamente.
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3.1.14.
Material de Suspensión y carga de lecho
Estén o no en movimiento, consumen energía y perderá altura e incrementara la rugosidad aparente del canal. De acuerdo con el reconocimiento de varios factores primordiales que afectan el coeficiente de rugosidad Cowan desarrollo una expresión para el cálculo de n, que es la siguiente: = (0 + 1 + 2 + 3 + 4)5
Donde: n0 = Describe las condiciones de un canal recto, uniforme y liso en materiales utilizados comúnmente n1 = Es un valor agregado a n0 para la corrección de rugosidades n2 = Es un valor que describe los cambios de la sección tra sversal a lo largo del mismo, n3 = Valor para considerar obstáculos del flujo en el alineamiento del canal n4 = Es un valor característico de la vegetación y la descripción del flujo m5 = Valor de corrección para posibles meandros dentro del canal. Al establecer el valor de n1 se tienen cierto tipo de consideraciones como: A. Una irregularidad suave B. menor para canales artificiales bien dragados con taludes notablemente erosionados C. moderado para canales mediana a pobremente dragados, taludes con características de derrumbamiento moderado D. y severos para características de taludes muy erosionados. Por otra parte, el valor de n2 se tienen ciertas consideraciones como son: gradual, cuando hay
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variaciones en tamaño y forma de la sección progresivamente, ocasionalmente alternante, cuando hay cambios de un lado al otro en la corriente en ocasiones o alternadamente, y frecuentemente alternante, cuando hay cambios fuertemente alternados a lo largo de la sección de un lado a otro. Por otro lado, al constituir el valor de n3 se consideran características de obstrucción, producto de basuras, palos, raíces, cantos rodados de gran tamaño, y troncos caídos o atascados. Al establecer el valor de n4 se tienen en cuenta ciertas características de la vegetación como son: 1. Bajo, para consideraciones comparables crecimiento de pastizales densos o malezas flexibles y varas flexibles de palos jóvenes cuya altura no alcanza la mitad de la profundidad del flujo, 2. Medio, para consideración de pastos, malezas y plantas jóvenes con cubiertas moderadas, y crecimiento de matorrales cuya altura alcanza la mitad de la altura del flujo, 3. Alto, para consideraciones de prados y céspedes que alcanzan la altura de la lámina de agua y 4. Muy alto, para consideraciones de malezas, pastos y árboles que sobrepasan la altura de la lámina de agua. Por último, el valor de m5, considera la relación entre la longitud del canal con meandro y la longitud recta del canal. Para el cálculo del coeficiente de rugosidad n se tienen una metodología como se nombró anteriormente desarrollada con base en unas curvas que se clasifica y organiza en estas tablas (Como la publicada por el U.S Departament of Agriculture en 1955; Chow, 1959) y una serie de fotografías que muestran valores típicos del coeficiente n para un determinado tipo de canal (Ramser, 1929 y Scobey, 1939).
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Aparte de estas ayudas, se puede encontrar numerosas fórmulas para expresar el coeficiente de rugosidad de Manning en función del diámetro de las partículas, las cuales tienen la forma n = m D1/6, donde m es un factor de escala y D es un diámetro característico del material del lecho (D50, D75, D84, D90) que son, respectivamente, los diámetros correspondientes al 50, 75, 84 y 90% de la curva granulométrica del material del lecho. Meyer – Peter & Muller, 1948 Raudkivi, 1976
Simons y Senturk, 1976 Garde & Raju, 1978; Subramanya, 1982 Bray, 1979
n=0.038*D901/6 n=0.0411*D651/6 n=0.047*D501/6 n=0.0593*D500.179 n=0.0593*D500.179
Tabla 1: Ecuaciones Semi – empíricas Fuente: S.l. TE SHOW, Vente. Hidráulica De Canales Abiertos. Editorial Mc Graw Hill. 1994. p. 87-125.
3.2.
MARCO NORMATIVO
3.2.1. Normas: NORMA ICONTEC-32
AÑO 1996
I.N.V.E 125
1996
I.N.V.E 126
1996
DESCRIPCIÓN Establecerestadísticamentelasdistintas proporciones de tamaño de los agregados que intervienen en el proceso de fabricación de hormigón. El límite líquido de un suelo es el contenido de humedad expresado en porcentaje del suelo secado en el horno, cuando éste se halla en el límite entre el estado líquido y e l plástico. En este ensayo se determina el límite plástico de un suelo, y e l cálculo del índice de plasticidad si se conoce el límite liquido del mismo suelo.
Tabla 2: Normas a tomarse en cuenta Fuente: VERGARA S. Miguel A. Técnicas Alfaomega.1993. s.n. de modelación en hidráulica. S.l. TE SHOW, Vente. Hidráulica De Canales Abiertos. Editorial Mc Graw Hill. 1994. p. 87-125. ING. REYNALDO BARBA
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4. METODOLOGÍA: 4.1.
DISEÑO DE INVESTIGACIÓN:
El proyecto de investigación se realizó teniendo en cuenta los parámetros de la investigación experimental. La metodología para establecer los coeficientes de rugosidad está dada básicamente por el tipo de material, y una leve variación en el caudal y la pendiente longitudinal del canal. Por esta razón a continuación se presentan las fases que se siguieron para la realización.
Fase 1: Descripción del modelo físico existente del proyecto Se tomó un canal de 4m de largo por 0.5 m de ancho por 0.6 m de alto, paredes en acrílico y base en lámina de acero. En el fondo del canal se colocaron uno a uno los diferentes materiales para realizar los respectivos ensayos.
Fase 2: Ensayos de laboratorio: Se realizaron ensayos de laboratorio para cada una de las superficies elegidas, a los cuales se les analizó su coeficiente de rugosidad. A cada material se le hizo aforos de caudal, medición de pendientes, profundidades y se cambió nuevamente de material el fondo del canal. Para estos ensayos de laboratorio se manejó temperatura ambiente (18°- 22°C), agua potable con una densidad 998.4 Kg/m3. Una vez se tiene el modelo se plantearon los siguientes ensayos así: VARIABLES
MATERIAL
CAUDAL
PENDIENTE
ALTURA LAMINA
NOMENCLATURA
M1,M2,M3,M4
Q1,Q2 Y Q3
S1,S2 Y S3
Y1,Y2 Y Y3
Tabla 3: Variables Fuente: Elaboración Propia
En la siguiente figura se muestra el diagrama de flujo de la metodología experimental para los fondos en gravas, arenas, arcilla, piedra pegada:
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Figura 1: Diagrama de Flujo para Ensayos de laboratorio Fuente: S.l. TE SHOW, Vente. Hidráulica De Canales Abiertos. Editorial Mc Graw Hill. 1994. p. 87-125.
Duración ensayos Para cada superficie iniciamos encendiendo la motobomba, esperamos unos minutos que el flujo se estabilice, esto genera un flujo uniforme, alineamos el canal según la pendiente que se quiere trabajar, procedemos a variar el caudal 3 veces, y para cada caudal se tomó 3 pendientes y alturas diferentes, así se completan los esquemas planteados.
Realización de los ensayos: Para cada una de las superficies colocadas en el canal, se realizaron ensayos de laboratorio donde según los diagramas de flujo propuestos, se hizo el análisis correspondiente a cada una de las variables, para después comparar los resultados obtenidos del coeficiente de rugosidad de cada superficie de materiales. ING. REYNALDO BARBA
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Fase 3: Análisis de resultados: Con el coeficiente de rugosidad obtenido con el análisis de los datos tomados en los ensayos de laboratorio a cada una de las superficies se podrán comparar con los establecidos en las tablas, hechos para materiales no colombianos. El análisis del coeficiente de rugosidad con materiales colombianos ayudará a que no se llegue al error de sobreestimar o subestimar el coeficiente, facilitando el proceso de diseño del canal ya sea revestido en diferentes materiales o natural
Instrumentos En el presente proyecto de investigación se utilizó como instrumento un formato donde se registró los datos de cada una de las superficies, facilitando su análisis y proceso, (anexo A).
Variables
Identificación de Variables:
CATEGORÍA DE ANÁLISIS
VARIABLES
INDICADORES
Estudio del coeficiente de rugosidad en materiales y su comparación con los ya existentes
Materiales
Rugosidad
Caudal (Q) Pendiente (So)
Volumen Tiempo
Altura de la lámina de agua (Y) Ángulo de inclinación del canal Profundidad de la lámina
Hipótesis De los materiales: grava, arena, arcilla, y piedra pegada en Bolivia no existen registros de coeficiente de rugosidad, como consecuencia de esto se tiene que el uso de los ya existentes genera errores de sobreestimar o subestimar el coeficiente. Conociendo el valor de coeficiente de rugosidad de los materiales en Bolivia se podrá facilitar el proceso de diseño del canal ya sea revestido en diferentes materiales o natural.
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HIDRÁULICA II
5. TRABAJO INGENIERIL 5.1.
DESARROLLO:
5.1.1. Ubicación de las fuentes de material Las gravas de río fueron traídas del río Piraí ubicado en la ciudad de Santa Cruz de la Sierra-Bolivia. Fueron extraídas 3 muestras las cuales fueron:
Caracterizadas con el ensayo de granulometría.
El material de tierra o arcilla fue extraído de las colinas del Urubó, ya que los suelos de allí mayormente son arcillosos y crearon inquietud en cuanto a sus límites de Atterberg y rugosidad.
La arena de río y demás materiales fueron comprados en una ferretería
5.1.2. Ensayos de caracterización para fondos Gravas: Granulometría para agregados gruesos norma técnica colombiana para el sector de la construcción (ICONTEC 32). Se tomaron las tres muestras traídas de material del río Cuja, se realizó el cuarteo para tomar una muestra uniforme de cada uno. Se dividieron en secciones respectivamente y se pasó el material por los tamices 3”,2½”,2”, 1½,1”,3/4”,1/2,3/8”,1/4”, #4, #8, #16, #40, #60, #200.
CÁLCULOS PARA GRAVAS A continuación, se muestran los ensayos de cada uno: PESO DEL MATERIAL AN TES DEL HORNO (CUARTEO)
MUESTRAS N° DE RECIPIENTE PESO DE RECIPIENTE (gr) MATERIAL (gr) PESO TOTAL (RECIP. + MAT) (gr) 1ra Sección G-11 346 10302 10648 2da Sección G-41 364 8044 8408 3ra Sección G-7 342 10153 10495 PESO DEL MATERIAL DESPUÉS DEL HORNO
MUESTRAS N° DE RECIPIENTE PESO DE RECIPIENTE (gr) MATERIAL (gr) PESO TOTAL (RECIP. + MAT) (gr) 1ra Sección G-11 346 10233,5 10579,5 2da Sección G-41 364 7971,5 8335,5 3ra Sección G-7 342 9535,5 9877,5
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HIDRÁULICA II
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR TAMIZADO GRAVAS LAVADAS 1RA SECCIÓN
N° DE DATOS TAMIZ N° (PULG) PESO RETENIDO (GR) %RETENIDO 1 3 0 0 2 2 1/2 0 0 3 2 179 2 4 1 1/2 734 7 5 1 1072 10 6 3/4 779 8 7 1/2 1006 10 8 3/8 740 7 1RA SECCIÓN 9 1/4 921 9 10 4 692 7 11 8 1462 14 12 16 1252 12 13 40 922 9 14 60 116 1 15 200 114 1 16 FONDO 7 0 TOTAL (GR) 9996
%PASA 100 100 98 91 81 73 63 56 47 40 26 14 5 4 2 2
%RETENIDO ACUMULADO 0 0 2 9 19 27 37 44 53 60 74 86 95 96 98 98
ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR TAMIZADO GRAVAS LAVADAS 2DA SECCIÓN
N° DE DATOS TAMIZ N° (PULG) PESO RETENIDO (GR) %RETENIDO 1 3 0 0 2 2 1/2 0 0 3 2 244 3,1 4 1 1/2 891 11,2 5 1 1546 19,4 6 3/4 707 8,9 7 1/2 803 10,1 8 3/8 524 6,6 2DA SECCIÓN 9 1/4 666 8,4 10 4 479 6 11 8 1232 15,5 12 16 418 5,2 13 40 283 3,5 14 60 53 0,7 15 200 87 1,1 16 FONDO 9 0,1 TOTAL (GR) 7942
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%PASA 100 100 96,9 85,8 66,4 57,5 47,4 40,9 32,5 26.5 11 5,8 2,2 1,6 0,5 0,4
%RETENIDO ACUMULADO 0 0 3 14 34 42 53 59 68 74 89 94 98 98 100 100
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HIDRÁULICA II ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO POR TAMIZADO GRAVAS LAVADAS 3RA SECCIÓN
N° DE DATOS TAMIZ N° (PULG) PESO RETENIDO (GR) %RETENIDO 1 3 0 0 2 2 1/2 295 3,1 3 2 2246 23,6 4 1 1/2 1198 12,6 5 1 1005 10,5 6 3/4 506 5,3 7 1/2 1139 11,9 8 3/8 292 3,1 3RA SECCIÓN 9 1/4 305 3,2 10 4 264 2,8 11 8 604 6,3 12 16 565 5,9 13 40 664 7 14 60 201 2,1 15 200 232 2,4 16 FONDO 20 0,2 TOTAL (GR) 9535
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%PASA 100 96,9 73,4 60,8 50,3 44,9 33 29,9 26,7 24 17,6 11,7 4,7 2,6 0,2 0
%RETENIDO ACUMULADO 0 3,1 26,6 39,2 49,7 55,1 67 70,1 73,3 76 82,4 88,3 95,3 97,4 99,8 100
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HIDRÁULICA II
Cálculos de la primera muestra
Coeficiente de uniformidad (Cu):
Esto significa que el material es mal gradado ya que Cu<5
Coeficiente de concavidad (Cc):
De acuerdo con el rango del Cc =1, quiere decir que debe haber un balance de gruesos y finos; luego el resultado de Cc = 1. ñ á = 2½”
Lo anterior significa que por este tamiz que es el de menor abertura pasa el 100% de la muestra ñ á = 1½”
Este parámetro representa al tamiz que le sigue de mayor abertura a aquel cuyo porcentaje retenido acumulado es mayor que el 15%
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HIDRÁULICA II
Cálculos de la Segunda Muestra
Coeficiente de uniformidad (Cu):
Esto significa que el material es mal gradado ya que Cu<5
Coeficiente de concavidad (Cc)
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HIDRÁULICA II
De acuerdo con el rango de Cc =1, quiere decir que debe haber un balance de gruesos y finos; luego el resultado de Cc = 1.
Tamaño máximo absoluto= 2½”
Lo anterior significa que por este tamiz que es el de menor abertura pasa el 100% de la muestra
Tamaño máximo nominal= 1½”
Este parámetro representa al tamiz que le sigue de mayor abertura a aquel cuyo porcentaje retenido acumulado es mayor que el 15%.
Cálculos de la tercera muestra
Coeficiente de uniformidad (Cu):
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HIDRÁULICA II
Esto significa que el material es mal gradado ya que Cu<5
Coeficiente de concavidad (Cc):
De acuerdo con el rango de Cc =1, quiere decir que debe haber un balance de gruesos y finos; luego el resultado de Cc = 2 significa que faltan una serie de diámetros entre los tamaños D10 y D60.
Tamaño máximo absoluto= 3”
Lo anterior significa que por este tamiz que es el de menor abertura pasa el 100% de la muestra
Tamaño máximo nominal= 2½”
Este parámetro representa al tamiz que le sigue de mayor abertura a aquel cuyo porcentaje retenido acumulado es mayor que el 15%.
Arenas. Granulometría para agregados finos norma técnica colombiana para la construcción (ICONTEC 32). Se tomaron 860,5 gr de arena lavada a través de l tamiz 300, traída de una ferretería para determinar sus características. El material se pasó por la siguiente serie de tamices. #4, #8, #16, #30, #50, #100, #200.
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HIDRÁULICA II
CÁLCULO PARA ARENAS A continuación, se muestran los resultados del ensayo:
Material lavado en Tamiz # 200
TAMIZ 4 8 16 30 50 100 200 FONDO TOTAL
GRANULOMETRÍA ARENA DE RÍO DESPUÉS DE LAVADA PESO RETENIDO (GR) % RETENIDO % QUE PASA % ACUMULADO 59 17,9 82,1 17,9 179,5 18,4 63,7 36,3 137 14 49,7 50,3 148 15,2 34,5 65,5 125,5 12,9 21,7 78,3 131 13,4 8,2 91,8 52,5 5,4 2,9 97,1 7,5 0,8 2,1 97,9 840
Cálculo para la primera muestra Peso muestra seca = 860,5 gr HUMEDAD PMH= 937 gr ING. REYNALDO BARBA
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HIDRÁULICA II
PMS= 888,5 gr
Cálculos para la segunda muestra:
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HIDRÁULICA II
Este porcentaje de acuerdo a la norma se acepta entre un 3-5% si se pasa de este parámetro se lava la muestra después del ensayo, luego el valor calculado es adecuado porque es menor al rango o sea que la muestra no es necesario lavarla.
Este valor significa que la muestra de arena es gruesa porque su MF>3.
Arcilla Determinación del límite líquido de los suelos I.N.V.E-125. El material captado para el ensayo fue traído de las colinas del Urubó con el ánimo de utilizar este tipo de arcilla proveniente de los llanos orientales para mirar su comportamiento con el agua. Se tomaron 517,2 gr de material, humedeciendo y colocándolo en la cazuela de Casagrande trazando una ranura con dimensiones determinadas y golpes específicos para cada muestra con diferentes contenidos de humedad.
Material Pulverizado Listo Para Ensayar
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HIDRÁULICA II Material Pulverizado Listo Para Ensayar # DATOS 1 2 3 4
DETERMINACIÓN DE LOS LIMITES LÍQUIDOS DE ARCILLA #RECIPIENTE PESO RECIPIENTE (GR) #GOLPES P. MUESTRA HÚM+REC (GR) P. MUESTRA SECA+REC (GR) HUMEDAD % 26 6,87 45 22,94 18,62 37% 90 6,57 35 22,16 17,75 39% 1 6,48 25 26,98 21,01 41% 93 6,52 15 24,24 18,88 43%
= 40,2%
El suelo es capaz de absorber una cantidad de humedad del 41 por ciento antes de cambiar de estado plástico a líquido. Determinación del límite plástico e índice de plasticidad I.N.V.E-126. Se tomó una muestra muy pequeña del material arcilloso para determinar su límite plástico e índice de plasticidad, teniendo ya calculado su límite líquido. Se tomaron 7 gr de material haciéndolo rodar por las palmas de las manos llevándolo a tener unas series de fracturas debido al contenido de humedad previamente proporcionada al material. # DATOS 1 2
DETERMINACIÓN DEL LIMITE PLÁSTICO E INDICE DE PLASTICIDAD #RECIPIENTE PESO RECIPIENTE (GR) P. MUESTRA HÚM+REC (GR) P. MUESTRA SECA+REC (GR) HUMEDAD % 46 6,6 9,42 8,98 18% 15 6,41 11,01 10,26 19%
Á = 19%
El suelo se deja trabajar con una humedad del 19 por ciento antes de volverse quebradizo y erosionable. Í = 40,2 – 19 = 21,2 %
De acuerdo con este índice de plasticidad el suelo del ensayo se clasifica con base a la carta de plasticidad entre una arcilla de baja plasticidad o un limo arcilloso de baja plasticidad.
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HIDRÁULICA II
Peso Seco Para Cálculo De Límites
Realización de ensayos de laboratorio para la determinación de variables: Para cada uno de los materiales de fondo se hicieron los mismos ensayos de laboratorio variando de esta manera tres veces su pendiente, su altura de lámina de agua y un solo caudal.
Colocación Del Fomi Sobre El Modelo
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HIDRÁULICA II
Colocación del material sobre el fomi
TOMA DE DATOS Proceso Matemático de las variables por medio de Microsoft Excel: Se utilizó la hoja de cálculo de Microsoft para calcular cada uno de los coeficientes de rugosidad de Manning de cada uno de los fondos.
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HIDRÁULICA II
TOMA DE DATOS FONDO EN GRAVAS SECCIÓN 1 Y 2
Fondo En Gravas En Funcionamiento
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TOMA DE DATOS FONDO ARENA
Fondo Arena En Funcionamiento
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Toma de datos fondo Tierra:
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TOMA DE DATOS FONDO PIEDRA PEGADA:
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HIDRÁULICA II
HOJA DE CÁLCULO EXCEL FONDO GRAVA SECCIÓN 1 Y 2:
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CALCULOS Q1 Peso Fluido 5297 − 521,1 = 4776 .
Volumen Fluido =
46,85 = 0,0048 9810
Caudal 0,0048 = = 0,0039 1,22
Área Mojada Á = 0,5 ∗ 0,055 = 0,0275
Velocidad =
0,0039 = 0,142 0,0275
Perímetro mojado í = 0,50 + (2 ∗ 0,055) = 0,61
Radio Hidráulico á =
0,0275 = 0,045 0,61
Coeficiente Manning =
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1 ∗ 0,045 ∗ 0 = 0 0,42
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HOJA DE CÁLCULO EXCEL FONDO EN ARENA
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HIDRÁULICA II
CALCULO Q1 Peso Fluido 5432,8 − 521,1 = 4912 .
Volumen Fluido =
48,18 = 0,0049 9810
Caudal 0,0049 = = 0,0030 1,66
Área Mojada Á = 0,5 ∗ 0,036 = 0,018
Velocidad =
0,0030 = 0,1643 0,018
Perímetro mojado í = 0,50 + (2 ∗ 0,055) = 0,572
Radio Hidráulico á =
0,018 = 0,0314 0,572
Coeficiente Manning =
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1 = 0,0314 ∗ 0 = 0 0,1643
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HOJA DE CÁLCULO EXCEL FONDO TIERRA
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HIDRÁULICA II
CALCULO Q1 Peso Fluido 5341,2 − 521,1 = 4820
Volumen Fluido =
47,28 = 0,0048 9810
Caudal 0,0048 = = 0,0036 1,34
Área Mojada Á = 0,5 ∗ 0,031 = 0,0155
Velocidad =
0,0036 = 0,2320 0,0155
Perímetro mojado í = 0,50 + (2 ∗ 0,031) = 0,56 .
Radio Hidráulico 0,0155 = 0,0275 0,562
Coeficiente Manning =
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1 ∗ 0,02758 ∗ 0 = 0 0,2320
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HIDRÁULICA II
HOJA DE CÁLCULO EXCEL FONDO PIEDRA PEGADA
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HIDRÁULICA II
CALCULO Q1 Peso Fluido 5297 − 521.1 = 4776
Volumen Fluido =
46,85 = 0,0048 9810
Caudal 0,0048 = = 0,0035 1,35
Área Mojada Á = 0,5 ∗ 0,028 = 0,014
Velocidad =
0,0035 = 0,2526 0,014
Perímetro mojado í = 0,50 + (2 ∗ 0,028) = 0,556 .
Radio Hidráulico 0,014 = 0,02518 0,556
Coeficiente Manning =
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1 ∗ 0,02518 ∗ 0 = 0 0,2526
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5.2.
ANÁLISIS DE RESULTADOS
La rugosidad superficial (material de fondo) tuvo valores de coeficiente de rugosidad altos para las gravas, y considerablemente bajos en arena, arcilla y piedra pegada. Estos valores altos de rugosidad generaron disminución en el nivel de la lámina de agua, también influenciada por la pendiente longitudinal del canal Al haber en el material granular una mala gradación (no hay uniformidad de tamaños de agregado) y una relación de finos y gruesos iguales a uno, esto lleva a ser un valor semejante al encontrado en los libros de hidráulica de canales. Además de darle más rugosidad y un aumento en su perímetro mojado. El material arenoso con un coeficiente relativamente bajo con respecto al de las gravas, afectado con un módulo de finura mayor a tres que es una arena gruesa, produjo aumentos muy leves en su perímetro mojado y disminuciones de lámina de aguas poco notables. La arcilla con unas características en sus límites líquido, plástico e índice de plasticidad, produjeron un coeficiente un poco bajo con relación al de las arenas. Su colocación en el canal, sin compactar, produjo sedimentación excesiva, no se hizo considerable el aumento en el perímetro mojado, conservando una disminución muy poco notable en el nivel de la lámina comparado con el de las arenas. La piedra pegada cuya mezcla de mortero fue 1:3 y gravas seleccionadas al azar, presenta un coeficiente una más bajo con respecto al fondo en tierra, el acabado de esta piedra pegada fue a mano lo que llevo a tener una textura no tan rugosa, no hubo una distribución uniforme de las piedras en la mezcla como tal. No se hace apreciable el aumento en el perímetro mojado y su disminución en el nivel de la lámina de agua tiene el mismo comportamiento que los 2 fondos anteriores a él. Las velocidades: en algunos de los fondos se aprecian algunas irregularidades ya que durante el cambio en la pendiente el movimiento del canal produjo una
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HIDRÁULICA II
desestabilización del flujo luego, al tratar de medir la lámina de agua, no se esperó su estabilización a flujo uniforme como tal. Al relacionar los resultados experimentales con los valores suministrados por las expresiones semi - empíricas, se nota cierta aproximación al valor. Obtenido en laboratorio para las gravas, tomando ambas secciones como parámetros de referencia nótese que el valor calculado no sale de éste.
6. CONCLUSIONES: Después de haber realizado el ensayo, se sacó la conclusión de que las pruebas realizadas sobre el modelo de canal muestran el comportamiento que tienen los revestimientos de estos cuatro materiales actuando bajo condiciones semejantes a la realidad, sus coeficientes de rugosidad son parte fundamental en el desempeño de la estructura para la cual fue diseñada.
7. RECOMENDACIONES: I.
Se debe tener en cuenta la sedimentación del material para evitar daños en la bomba.
II.
Se debe utilizar de acuerdo a las dimensiones del modelo una bomba de una potencia adecuada para que sea evidente el nivel de la lámina de agua dentro del canal.
III.
La colocación de los fondos se debe hacer aproximadamente en la mitad del modelo para que el flujo cuando entre a este se estabilice y por ende no arrastre el material.
IV.
La colocación del material de acuerdo al criterio del director del Proyecto se debe adherir al modelo para evitar desplazamientos excesivos de material hacia el tanque de almacenamiento.
V.
Al trabajar con materiales fino como son arcillas o limos se deben compactar y darle en lo posible un buen acabado para evitar la erosión que puede producir el flujo sobre el fondo.
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8. ANEXOS
Foto de los tamices
Secado en la hornilla de dos muestras de arena
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Muestra sacada del terreno
Muestra de grava en la balanza
Tamizado por lavado, proceso para la granulometría del terreno
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Tamizado de muestra del terreno.
Extracción de muestra del terreno, se procedió con una calicata de poca profundidad, a aproximadamente 20 metros de la orilla del Río Piraí
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Preparación de las muestras, granulometría y límites de Atterberg.
Foto del terreno, fotografía tomada justo momentos antes de proceder con la calicata.
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