UNIVERSIDAD NACIONAL
PEDRO RUIZ GALLO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
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INTRODUCCIÓN
Los sifones son estructuras hidráulicas que se utilizan en canales para conducir el agua a través de obstáculos tales como ríos, una depresión del terreno u otro canal. Hay varios tipos de sifones, entre ellos el de desagüe de aparatos sanitarios, en aparatos electrodomésticos, como descargador de seguridad en canales, para atravesar depresiones en terrenos, para alimentar surcos de riego, etc. En el siguiente informe se describirá cada uno de ellos con su funcionamiento, instalación y forma de uso.
Uno de estos trabajos consiste en el “Diseño Hidráulico de un Sifón Invertido”, para ello se cuenta con información complementaria que será detallada más adelante.
Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir el agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica en la que está ubicado un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.
Para el desarrollo del diseño lo primero que se hará es determinar un esquema preliminar del sifón y luego ya mostrar un esquema definitivo
II.
MARCO TEORICO
Descripci ón y funci onamiento
Los sifones son estructuras hidráulicas que se utilizan en canales para conducir el agua a través de obstáculos tales como un río, una depresión del terreno u otro canal. Podemos diferenciar dos tipos de sifones en cuanto al principio de su funcionamiento: Sifón (Normal) y sifón invertido.
1. Sifón Normal
El sifón normal llamado simplemente sifón por la mayoría de los autores, conduce el agua pasando sobre el obstáculo como se ilustra en la figura (a), y su funcionamiento se debe a la presión atmosférica que actúa en la superficie del agua a la entrada; para iniciar su funcionamiento es necesario producir el vacío en el interior del conducto, entonces la diferencia de presión en la entrada (Presión atmosférica) y en el interior del conducto(Presión cero o próxima a cero) hace que el agua fluya en el sentido ascendente al llegar a la cresta A, el agua cae por gravedad hacia la rama derecha dejando un vacío en la cresta lo que hace que el flujo sea continuo mientras no se introduzca aire en el conducto, por esta razón la entrada al sifón debe estar siempre ahogada. Un ejemplo muy común de este tipo de sifones es el empleado por los agricultores para aplicar el agua a los surcos a través del bordo del canal.
2. Sifón Invertido
Llamado así por su posición respecto al sifón normal, conduce el agua pasando bajo el obstáculo. El principio de su funcionamiento es diferente, en este tipo el agua fluye exclusivamente por la acción de la gravedad, por el principio de los vasos comunicantes, el agua trata de alcanzar el mismo nivel en las dos ramas. Se ve que este tipo de sifón no es necesario producir el vacío dentro del conducto. El sifón invertido es el más usado en canales principalmente para cruzar cauces naturales, en la figura (b) se muestra esquemáticamente un sifón de este tipo. Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente de canales por debajo de carreteras y vías de tren debajo de ríos y quebradas, etc.
o
Un sifón invertido completo consta de las siguientes partes: 1. Depósito de azolves. 2. Limitador de gasto. 3. Transición de entrada. 4. Compuerta de entrada. 5. Conducto. 6. Válvula de purga. 7. Transición de salida.
Tipos de sifones
Los principales tipos de sifones son los que se indican a continuación. a) Ramas oblicuas b)Pozo vertical c)Ramas verticales d)Con cámaras de limpieza
1. Tipo a: Se emplea para cruces de obstáculos para lo que se cuenta con suficiente desarrollo, y en terrenos que no presentan grandes dificultades de ejecución. 2. Tipos b y c: con una o dos ramas verticales son preferidos para emplazamientos de poco desarrollo o en caso de grandes dificultades constructivas. Sus características de fácil limpieza y reducido espacio, los hacen muy aconsejables. 3. Tipo d: Con cámaras de limpieza, tiene su aplicación en obras de cruce de vías subterráneas (metros). El sifón invertido es una obra de costo relativamente elevado y presenta dificultades de limpieza y desobstrucción, razón por la cual debe ser utilizado solamente después de un estudio comparativo con otras alternativas.
CRITERIOS DE DISEÑO 1.
Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo de doblados de la entrada y salida.
2.
En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un mínimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.60 m. si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30m de cobertura.
3.
En el caso particular del cruce con una quebrada o río de régimen caudaloso, deberá hacerse un estudio de profundidad de socavación para definir la profundidad en la que deberá cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que estas sea afectada.
4.
La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5 ‰.
5.
Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida se puede usar una velocidad de 1 m/s, en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos puede usar 1.5 m/s y entre 3 a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada.
6.
Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “cubierta partida” se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv respectivamente.
7.
En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, este ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseño se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifón como mínimo o también 3¨.
8.
En la salida la sumergencia no debe exceder el valor de Hte/6.
En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento. 10. En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere a flujo parcial o flujo llenos, con un coeficiente de fricción menor que el sumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n= 0.008 cuando se calcula las pérdidas de energía. 9.
11.
Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse.
12.
Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente.
13.
Se debe considerar un aliviadero de demasías y un canal de descarga inmediatamente aguas arriba de la transición de ingreso.
14.
Se recomienda una tubería de aeración después de la transición de ingreso.
15.
Se debe analizar la necesidad de incluir válvulas rompe presión en el desarrollo de la conducción a fin de evitar el golpe de ariete, que podría hacer colapsar la tubería (solo para grandes caudales).
16.
Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseño hidráulico.
17.
Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubería ahogada) a la entrada y salida del sifón, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubería.
III. CALCULO HIDRAULICO DE UN SIFÓN
Se analizará en las posiciones 1 y 2, para lo cual se aplicará la ecuación de la energía específica:
Se debe cumplir que la ∆ H debe ser mayor a la suma de todas las pérdidas que se
generen en el sifón. Las principales pérdidas de carga que se presentan son: A. Pérdidas por transición de entrada y salida
V: velocidades en entrada y salida a las transiciones del canal. B. Pérdi das en la rejilla
donde:
K: coeficiente de perdida en la rejilla : Área neta de paso entre rejillas :Área bruta de la estructura y su soporte dentro del área hidráulica. : Velocidad a través del área neta de la rejilla dentro del área hidráulica.
C. Pérdi das de entrada al con duct o
D. Pérdidas por fr icción en el conducto o bañil Podemos utilizar la formula de Manning o la de Darcy Weisbach E. Pérdidas por cambio de dirección o codos.
Δ: Ángulo
de deflexión.
K C: Coeficiente para codos comunes: 0.25 .
Se debe cumplir que la carga hidráulica disponible todas las cargas locales.
debe ser mayor que la suma de
F. Velocidades
Para obtener una buena auto-limpieza en el sifón, el objetivo fundamental de un proyecto consiste en garantizar una condición de escurrimiento tal que por lo menos una vez por día propicie la auto-limpieza de las tuberías a lo largo del periodo de proyecto Para esto, es necesaria la determinación minuciosa de los caudales de Aguas Residuales afluente al sifón. Para obtener una buena auto-limpieza en el sifón, la velocidad del líquido en su interior debe ser como mínima de 0.90 m/s. que además de impedir la sedimentación del material solido (arena) en la tubería, es capaz de remover y arrastrar la arena ya depositada. Si la velocidad igual a 0.90 m s es capaz de arrastrar la arena sedimentada en la tubería la ocurrencia de valores de velocidad superiores a 0.90 m/s. por lo menos una vez al día. con mayor razón producirán la auto-limpieza del sifón impidiendo así la fonación de depósito; de material solido que puede obstruir la tubería. La velocidad máxima, es función de las características del material del sifón y de la carga disponible, de un modo general la misma no debe ser mayor a 3.0 ó 4.0m/s .
G. Diámetro mínimo:
Considerando que para Tuberías de menor dimensión es mayor la posibilidad de obstrucción, es recomendable que el diámetro mínimo del sifón tenga un valor similar al fijado para los colectores, esto es. 150 mm (6"). Por lo tanto, se recomienda un diámetro de 150 mm como diámetro mínimo. BIBLIOGRAFÍA:
Autoridad Nacional del Agua: “Criterio de diseño de obras hidráulicas” Máximo Villón: “Diseño de Estructuras Hidráulicas” GALERÍA FOTOGRÁFICA:
Se realizó una visita al Canal Taymi, precisamente en el Km 43, ubicado en el distrito de Pítipo, con la finalidad de localizar las estructuras hidráulicas encomendadas para la exposición. Se logró encontrar sifones, y un disipador de energía. A continuación, se muestra lo visto en el mencionado canal.
Se puede observar mínimamente un sifón, con tubería de concreto de aproximadamente 50 cm de diámetro, esto en el kilómetro 43+000.
Construcción de Sifones
