Tema 10 Estructuras de Cruce y o Pase

Hidráulica Aplicada

INGENIERIA CIVIL FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURA ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

Curso: HIDRAULICA APLICADA

DOCENTE:

Ing. OMAR CORONADO ZUOLETA TEMA: 10 INTEGRANTES:

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

Contenido I.

INTRODUCC INTRODUCCIÓN IÓN ......................................... ............................................................... ........................................... ......................................... ....................3

II.

OBJETIVOS OBJETIVOS.......................................... ............................................................... ........................................... ............................................ ........................... ..... 4

III.

Estructuras de cruce y/o pase........................................................... .................................................................................... .........................5

ALCANTARILLAS ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... 5 ALIVIADEROS LATERALES ......................................................................................................... 19 SIFONES ..................................................................................................................................... 20

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HIDRAULICA APLICADA


Contenido I.

INTRODUCC INTRODUCCIÓN IÓN ......................................... ............................................................... ........................................... ......................................... ....................3

II.

OBJETIVOS OBJETIVOS.......................................... ............................................................... ........................................... ............................................ ........................... ..... 4

III.

Estructuras de cruce y/o pase........................................................... .................................................................................... .........................5

ALCANTARILLAS ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... 5 ALIVIADEROS LATERALES ......................................................................................................... 19 SIFONES ..................................................................................................................................... 20

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HIDRAULICA APLICADA


I.

INTRODUCCIÓN La hidráulica hidráulica es la rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos en función de sus propiedades específicas. Es decir, estudia las propiedades mecánicas de los líquidos dependiendo de las fuerzas a que pueden ser sometidos. Todo esto depende de las fuerzas que se interponen con la masa y a las condiciones a que esté sometido el fluido, relacionadas relacionadas con la viscosidad viscosidad de este. La ingeniería hidráulica como rama de la ingeniería civil, se ocupa de planificar, proyectar, construir y operar obras hidráulicas. Las obras hidráulicas hidráulicas tienen como función función captar, regular, controlar, transportar, distribuir, recolectar y disponer de las aguas o bien protegerse de ellas considerando criterios y normas hidrológicas e hidráulicas. En este trabajo, nos enfocaremos en consideraciones de recursos hídricos, como los medios de traslado de un f luido de unn sector hacia otro, en la cual estaremos estudiando los medios de paso como son: ALCANTARILLAS Y SIFONES, con algunas representaciones de problemas de aplicación.

3

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II.

OBJETIVOS

1) Conocer el agua como recurso hídrico y las condiciones en las que se encuentra. 2) Promover el correcto uso del recurso recurso hídrico. hídrico. 3) Plantear los modos modos de diseño de alcantarillas alcantarillas y sifones.

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III.

Estructuras de cruce y/o pase

ALCANTARILLAS A. GENERALIDADES La construcción de obras de cruce se debe usualmente a la necesidad de interceptar caminos con canales o ríos. Las alcantarillas son conductos que pueden ser de sección circular o de marco (cuadradas o rectangulares) usualmente enterradas , utilizadas en desagües o en cruces con carreteras, pueden fluir llenas o parcialmente llenas dependiendo

de

ciertos

factores

tales

como:

diámetro,

longitud,

rugosidad y principalmente los niveles de agua, tanto a la entrada como a la salida. Existen diferentes tipos de alcantarillas como: alcantarilla de tubo, alcantarillas de cajón y alcantarillas de bóveda. La elección del tipo de alcantarilla depende básicamente de dos factores: el factor económico y el tipo de suelo de cimentación.

B. ALCANTARILLAS Son estructuras menores, aunque pueden llegar a ser obras de cierta importancia, de acuerdo a circunstancias específicas. Generalmente se utilizan como pasos a través de terraplén, por lo cual quedan enterradas, detectándose su presencia por (cabezales que asoman en cada extremo por una cierta prolongación de la misma alcantarilla). Pueden ser de cuatro tipos:

a) Alcantarillas de cajón:

5

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Formadas

por

dos

paredes laterales,

tapa y fondo,

generalmente de sección constante y cartelas en las esquinas. Algunas veces no tienen relleno encima por rodantes estarán en contacto con la

lo cual las cargas

tapa; otras veces tienen

relleno encima, no mayor de unos 8 mts. A

menor tamaño del

cajón, el relleno puede ser mayor.

Imagen 1. Alcantarillas de cajón

b) Alcantarillas circulares: Son tubos enterrado, diámetros no menores de 90 cm, para facilitar Sin limpieza; Tubos de diámetros grandes son muy costosos.

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Imagen 2. Alcantarillas circulares

c) Bóvedas de mampostería: Casi siempre formadas por secciones de espesores variables y con geometría de arcos circulares 6 parabólicos.

Imagen 3. Bóvedas de mampostería

d) Alcantarillas metálicas: Formadas por chapas acanaladas, de acero galvanizado, moldeadas para formar tubos de diámetro, previsto.

7

pre

Funcionan

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como estructuras elásticas ó flexibles, por lo cual se adaptan a las presiones del relleno que soportan. El relleno mínimo sobre las alcantarillas metálicas será de 60 cm. Y pueden soportar el paso de grandes cargas rodantes sobre la calzada.

Imagen 4. Alcantarillas metálicas Fuente. http://www.academia.edu/4855162/ALCANTARILLAS-pdf-Atilio-Marcilla

C. TIPOS DE ALCANTARILLA POR EL FLUJO A LA ENTRADA Y A LA SALIDAD. Tipo I: “Salida Sumergida”

Figura 1.

La carga hidráulica “H´” a la entrada es mayor al diámetro “D”, y el tirante “Y1” a la salida, es mayor a “D”, en este caso la alcantarilla es llena:

8

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H´>D Y1>D,

concluimos Alcantarilla Llena .

Tipo II: “Salida No Sumergida”

Figura 2.

Donde debe cumplirse que: H >H´

,

1.2 ≤ H´≤ 1.5

y

Y 1< D

Tipo III: “Salida No Sumergida”

Figura 3.

H >H´ Y1 < D , 9

Entonces decimos q está parcialmente llena. HIDRAULICA APLICADA


Tipo IV: “Salida No Sumergida”

Figura 4.

H < H´ Y1 > Yc; Flujo subcrítico en la alcantarilla

Tipo V: “Salida No Sumergida”

Figura 5.

H < H´ Y1 < Yc Flujo subcrítico en la alcantarilla Flujo supercrítico en la salida.

Tipo VI: “Salida No Sumergida

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Figura 6. H < H´ Y1 < Yc Flujo supercrítico en la alcantarilla Flujo supercrítico en la salida.

En diseños preliminares rápidos se recomienda usar H´=1.5D, Los tipos I y II corresponden a flujo confinado en tuberías y los otros tipos a flujo en canales abiertos. FUENTE. MANUAL: CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HIDRICO-LIMA-DICIEMBRE-2010

D. TIPOS DE ALCANTARILLA POR SU CAPACIDAD A) Alcantarilla de un Tubo -Para caudales iguales o menores a 1.2m3 /seg. -Qmax= Di 2 (m3/seg) -Longitud. de transiciones

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Lt ≥ 4Di

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La transición de entrada no lleva protección y la protección de salida lleva una protección de enrocado con un espesor de la capa igual a 0.20m. -Longongitud. de protección Lp ≥ 3Di -Diámetro interno mínimo

Di= 0.51m

B) Alcantarilla de dos tubos Para caudales que oscilan entre 0.5m3/seg y

2.2m3/seg

Qmax= 2Di2 (m3/seg) -Longitud. de transiciones

Lt ≥ 5Di

La transición de entrada y salida llevan protección de enrocado con un espesor de la capa de roca igual a 0.25m. Hasta una altura sobre el fondo del canal de 1.2D. Lp ≥ 4Di

-Longitud. de protección en la entrada

-Longitud. de protección en la salida Lp ≥ 5Di -Diámetro interno mínimo Di= 0.51m

C) Alcantarilla de 2 Ojos Para caudales que oscilan entre 1.5m3/seg y

4.5m3/seg

-Sección del ojo= Ancho “D” x Altura “1.25D” Qmax=3.1D 2 (m3/seg) -Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de roca de 0.25m. -Longitud. de transiciones Lt = D +b

;

b=plantilla del canal

-Longitud. de protección en la entrada ; Lp =3D -Longitud. de protección en la salida -Diámetro interno mínimo

;

; Lp= 5D

Di= 0.80m

D) Alcantarilla de 3 Ojos Para caudales que oscilan entre 2.3m 3 /seg y

10.5m 3 /seg

-Sección del ojo= Ancho “D” x Altura “1.25D” Qmax=4.8 D 2 (m 3 /seg)

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-Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de roca de 0.25m. -Longitud. de transiciones

;

Lt = D +b ; b=plantilla del canal ; Lp ≥3D

-Longitud. de protección en la entrada -Longitud. de protección en la salida -Diámetro interno mínimo

;

;

Lp≥5D

Di= 0.80m

E. CRITERIO DE DISEÑO 

El diseño hidráulico de una alcantarilla consiste en la selección de su diámetro de manera que resulte una velocidad promedio de 1.25 m/seg., en ciertos casos se suele dar a la alcantarilla una velocidad igual a la del canal donde ésta será construida, sólo en casos especiales la velocidad será mayor a 1.25 m/s.



La cota de fondo de la alcantarilla en la transición de entrada, se obtiene restando a la superficie normal del agua, el diámetro del tubo más 1.5 veces más la carga de la velocidad del tubo cuando éste fluye lleno o el 20% del tirante en la alcantarilla.



La pendiente de la alcantarilla debe ser igual a la pendiente del canal.



El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mínima de terreno para caminos parcelarios es de 0.60 m y para cruces con la panamericana de 0.90 m.



La transición tanto de entrada como de salida en algunos casos se conectan a la alcantarilla mediante una rampa con inclinación máxima de 4:1.



El talud máximo del camino encima de la alcantarilla no debe ser mayor a 1.5:1.



En cruce de canales con camino, las alcantarillas no deben diseñarse en flujo supercrítico.



Se debe determinar la necesidad de collarines en la alcantarilla.



Normalmente las alcantarillas trabajan con nivel de agua libre, llegando a mojar toda su sección en periodos con caudales en periodos con caudales máximos.

13

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

Las pérdidas de energía máximas pueden ser calculadas según la fórmula:

Perd.= (Pe + Pf + Ps) Va2/2g

Donde:

Pe = Pérdidas por entrada. Ps = Pérdidas por salida. Pf = Pérdidas por fricción en el tubo. Va = Velocidad en ala alcantarilla FUENTE. MANUAL: CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HIDRICO-LIMA-DICIEMBRE-2010.

F. APLICACIÓN Se desea diseñar una alcantarilla la cual debe cruzar una vía; la alcantarilla será de fierro fundido con n= 0.012, el diseño se hará teniendo en cuenta que tanto las transiciones de salida como las de entrada sean de planos interceptados, además TE=TS. Los datos del canal son los siguientes:



Q = 800 l/s = 0.8 m 3 /s



b = 1.20 m



s = 0.6%

 z=1 

14

n = 0.025

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A

D

SOLUCION

A

B

C

D

a. Cálculo del tirante:

15



A = (b+zy)y = 1.2 Y + Y 2



P = 1+2y 1 

=1.2 +2

2 (Y )

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

R = A/P 2/3



AR

Q=

1/ 2

S n

Remplazando valores:

y = 0.39 m

b. Niveles de agua:

 N AA = N FA + Y = 100.36 + 0.39 = 100.75 m.s.n.m.  N FD = N FA – (6/1000)*18 = 100.252 m.s.n.m.  N AD = N FD + Y = 100.252 + 0.32 = 100.642 m.s.n.m. c. Carga disponible:



H D

= N AA – N AD = 100.75 -100.642 = 0.108 m

d. Selección del diámetro de la tuberia :

Si: Q = 0.8 m 3 /s = 28.25 pie 3 /s Entonces: ф t = 39” ф t = 0.991m

A= 8.296 pie 2 A= 0.771 m 2

 V t = Q/A = 0.8/0.771 = 1.038 m/s P = D = 3.113 ( Perimetro mojado )  h vt = v t2 /(2g) = 0.0549 m 

e. Longitud de tuberia “lt”



N FB = N AA - 1.5h vt - ф t – e(espesor de tubeía) N FB = 100.75 -1.5 (0.0549) – 0.991 – 0.05= 99.627



16

L t = w + 2*1.5(101.84-99.627) = 13.139 = 13.14 m

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f.

Longitud De Transicion “L” : Te= Ts L T = 3 ф t = 3(0.991) = 2.973 = 2.97 L T = 2.97

g. Cálculo De Perdida De Carga



Pérdida de carga de entrada y salida: h e y s = 1.5 h vt = 1.5 (0.0549) = 0.0823



Pérdidas por fricción: V t = ( R 2/3 S 1/2 )/n

Si:

nfºfº = 0.012

S = (V*n) 2 /R 4/3 = (1.038*0.012) 2 /(0.771/3.113) 4/3 S = 0.000024 Entonces: F = 5*L t = 0.000024*(13.140) F = 0.000315

 h total =

h e y s +

F = 0.0823 + 0.000315

 h total = 0.0826

como:

h total <

H D ( ok)

Sabiendo que: L e + L s + L t = 2.97 + 2.97 + 13.140 = 19.08 > 18 m

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Entonces habrá una nueva carga disponible:

 N AD’ = N AA – 0.006*19.08 = 100.635 m.s.n.m. 

H D’ = N AA - N A’ = 100.75 – 100.635 = 0.115

Se observa que

h total <

H D’ . (ok)

h. Dimención de la cobertura:

E = N F – ( N FB + ф t + e) = 101.84 – ( 99.627 + 0.991 + 0.05)=1.172 = 1.17 E = 1.17 (OK)

i.

Chequeo de transiciones:



N FC = N FB – S min *L t = 99.627 – 0.006*13.140 = 99.548

m.s.n.m



N FD’ =



N AD’ - Y = 100.635 – 0.39 = 100.245 m.s.n.m.

Transición de entrada: 

� −�



2.97

=

(ok)

100.36−99.627

Transición de salida 

=

� ′−�

18

= 4.052 > 4

2.97

= 4.261 > 4

(ok)

100.245 −99.548

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ALIVIADEROS LATERALES G. GENERALIDADES: Estas estructuras consisten en escotaduras que se hacen en la pared o talud del canal para controlar el caudal, evitándose posibles desbordes que podrían causar serios daños, por lo tanto, su ubicación se recomienda en todos aquellos lugares donde exista este peligro. Los cuales de exceso a eliminarse, se originan algunas veces por fallas del operador o por afluencias, que durante las lluvias el canal recibe de las quebradas, estos excesos debe descargar con un mínimo de obras de arte, buscándose en lo posible cauces naturales para evitar obras adicionales, aunque esto último depende siempre de la conjugación de diferentes aspectos locales (topografía, ubicación del vertedero, etc.).

H. ALIVIADERO ALCANTARILLA:

19

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SIFONES I. MARCO TEORICO Los sifones son estructuras hidráulicas que se utilizan en canales para

conducir el agua a través de obstáculos tales como un rio, una depresión del terreno u otro canal. Podemos diferenciar dos tipos de sifones en cuanto al principio de si funcionamiento: Sifón (normal) y Sifón invertido.

El sifón normal llamado simplemente sifón por la mayoría de 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 entre la entrada (presión atmosférica) y en el interior del conducto (presión cero o próxima a cero ) hace que el agua fluya en 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

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HIDRAULICA APLICADA


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. tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/3487/Capitulo3.pdf

J.

CONCEPTO SIFON INVERTIDO 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.

http://documents.mx/documents/diseno-de-sifon-invertido-1.html

K. PARTES DE UN SIFÓN INVERTIDO Los sifones invertidos constan de las siguientes partes:

a) Transición de Entrada y Salida Como en la mayoría de los casos, la sección rectangular es diferente a la sección adoptada en el conducto, es necesario construir una transición de 21

HIDRAULICA APLICADA


entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. En el diseño de una transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifón un poco más debajo de la superficie normal del agua; esta práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del sifón causada por la introducción del aire.

La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifón se recomienda que este comprendida entre un mínimo de 1.1h v y un máximo de 1.5 hv (hv “carga de velocidad“: v2/2g)

b) Rejilla de Entrada y Salida La rejilla de entrada y salida se acostumbra hacerla con varillas de 3/8” de diámetro o varillas cuadradas de 0.95*0.95cm2 (3/8”*3/8”) colocadas a cada 10 cm, y soldadas a un marco de 2.54*1.27cm2 (1”*1/2”). Su objeto de la rejilla de entrada es impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto y la rejilla de salida para evitar el ingreso de objetos extraños o personas

https://www.clubensayos.com/Ciencia/Teoria-De-Sifones/904588.html

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L.

CALCULO HIDRAULICO DE UN SIFON Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como sigue:

Se analizara en la posiciones 1 y 2, para lo cual se aplicara la ecuación de la energía específica:

 = � + � + � 

�

� 

∆ = �− � = (��+ ��+

� �

�

) − (��+ ��+ ) � �

Donde: z1: Carga de posición y1: carga de presión v2/2g: carga de velocidad

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ΔH: carga hidráulica http://documents.mx/documents/diseno-de-sifon-invertido-1.html

M. CRITERIOS DE DISEÑO 1.- Las dimensiones del tubo se determinaran satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida.

2.- En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un mínimo de 0.90m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.6m. Si el sifón cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30m.

3.- La pendiente de los tubos doblados no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del tubo horizontal debe ser 5%0 . Se recomienda transición de concreto a la entrada y salida cuando el sifón cruce caminos principales en sifones con ф mayor o igual a 36” y para velocidades en el tubo mayores a 1m/s.

4.- Con la finalidad de evitar desbordes aguas arribas del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% ó 0.30m como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15m a partir de la estructura.

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 1m/s, en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5m/s. y entre 3m/s a 2.5m/s en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada.

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HIDRAULICA APLICADA


6.- Las pérdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo “Cubierta Partida”, se pueden calcular rápidamente con los valores 0.4hv y 0.65 hv respectivamente.

7.- A fin de evitar remansos aguas arriba, las pérdidas totales computadas se incrementan en 10%

8.- En el diseño de la transición de entrada se recomienda que la parte superior de la cobertura 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 ó 1.1 como mínimo o también 3”.

9.- En la salida la sumergencia no debe exceder al valor (Hte) /6

10.- En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento.

11.- En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifón opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de fricción menos que el asumido en el diseño, por esta razón se recomienda usar n=0.008 cuando se calculan las pérdidas de energía.

12.- Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireaccion donde el aire podría acumularse.

13.- Con respecto a las pérdidas de cargas totales, se recomienda la condición de que estas sean iguales o menores a 0.30m.

14.- Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente. 25

HIDRAULICA APLICADA


https://www.clubensayos.com/Ciencia/Teoria-De-Sifones/904588.html

N. DISEÑO HIDRAULICO DEL SIFON INVERTIDO

Diseñar un sifón teniendo en cuenta la siguiente información:

26



Canal de tierra (n=0.025)



Camino perpendicular al canal de riego



Ancho del camino : 8.50m



Cota en el C del camino: 58.550 m.s.n.m.



Cota en los bordes del camino: 58.526 m.s.n.m.



Inclinación de cunetas y dique: 1.5:1



Profundidad de zanjas: 0.50m



Ancho del dique: 3.00m

HIDRAULICA APLICADA


DISEÑO DEL CANAL QUE CRUZA EL CAMINO: 3.1.1)CALCULO DE LA BASE (b) DEL CANAL:

Sabiendo que: 

Q=0.56 m3/s



VA=0.65 m/s



A=Q/VA=0.56/0.65=0.8615m2

Además se sabe que: 

A=by+zy2 0.8615=0.55b + 1(0.55)2 b=1m

CL 0 1 0 m + k 0

6 2 0 m + k 0

5 4 0 m + k 0

8.500

B.L=0.35 m

B.L=0.35 m

yA=0.55

yF=0.55 m

A

27

35.000 F

HIDRAULICA APLICADA


3.1.2) CALCULO DE LA PENDIENTE DEL CANAL Sabiendo que : V=

R 2 / 3 S 1 / 2 n 0.8615

2/3

1/2   S   0.65 =  2.5556 

0.025

S=1%0

28

HIDRAULICA APLICADA


3.2) DISEÑO DEL SIFON INVERTIDO: A continuación se presenta el esquema preliminar del diseño:

SIFON INVERTIDO

C L 6 2 0 + . m

e

5 e +

0 0 1 0 . + 0 e m l k

v

e

B

0

2.75

4.891

5.000

3.912

2.75

7.338

HIDRAULICA APLICADA


a. SELECION DEL DIAMETRO DEL TUBO

Asumimos una velocidad de 1.5m/s: 

A = Q/V = 0.56/1.5 = 0.37 m2= πDi2/4….……….Di=0.686m, escogemos Di = 27”= 0.6858



El nuevo valor del área será A = 0.369m 2 y la velocidad de diseño sera: V =1.52m/s; V2/ (2g) =0.118m.

b. LONGITUD DE TRANSICIONES:



Mediante el uso de la formula

T1=b+ 2zy = 1+ 2(1)*(0.55) = 2.1m ;

T2= 0.686 (diámetro del tubo)

Lt = T1 - T2 / ((2*tg(α/2)); Para α/2 = 25º; entonces Lt =1.516m 

l

Pero también la longitud de transición puede ser:

e

H

G

F E

5.000

e k

58 52

D

3.359

v m

S=0.00

C

. 0

4.25 58.550

4.25

A

4 l

k v


a. SELECION DEL DIAMETRO DEL TUBO

Asumimos una velocidad de 1.5m/s: 

A = Q/V = 0.56/1.5 = 0.37 m2= πDi2/4….……….Di=0.686m, escogemos Di = 27”= 0.6858



El nuevo valor del área será A = 0.369m 2 y la velocidad de diseño sera: V =1.52m/s; V2/ (2g) =0.118m.

b. LONGITUD DE TRANSICIONES:



Mediante el uso de la formula

T1=b+ 2zy = 1+ 2(1)*(0.55) = 2.1m ;

T2= 0.686 (diámetro del tubo)

Lt = T1 - T2 / ((2*tg(α/2)); Para α/2 = 25º; entonces Lt =1.516m 

Pero también la longitud de transición puede ser:

Lt =4* Di =2.744 De estos dos valores tomaremos el mayor , entonces Lt = 2.75 Y α/2 =14º25’ c.

NIVEL DE AGUA EN “B”

NAB=NFB+Y NAB=(NFA-3.359x0.001)+0.55 NAB=(58.386-3.359x0..001)+0.55 NAB=58.933 m.s.n.m

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HIDRAULICA APLICADA


d. COTA DE FONDO EN “C”

5 . 1

58.93

t H

A

B

C P

1

NFC= NAB – (Hte + 1.5 hv ) Donde: Hte = Di /cos(12º) = 0.701m. 1.5 hv = 1.5(Vt2/2g- VB2/2g)= 1.5(1.522/2g- 0.652/2g)=0.145m Entonces: NFC= 58.087m.s.n.m. e. COTA DE FONDO EN “D”

Si α1=12º, entonces : sen(12º) = h/(5.0) h=1.040m Luego: NFD=NFCh

NFD=57.047 m.s.n.m 31

HIDRAULICA APLICADA


f.

COTA DE FONDO EN “E”

Longitud horizontal = 10m; la pendiente en tubo (5%0). Entonces: h’=10x0.005=0.05m. Por lo tanto: NFE=NFD-h’=57.047-0.05

NFE=56.997 m.s.n.m

g. COTA DE FONDO EN “F”

Si α2=12º, entonces : sen(12º) = h/(4.0) h=0.8316 Luego: NFF=NFE + h NFF=56.997 +0.8316 NFF=57.829 m.s.n.m

32

HIDRAULICA APLICADA


h. CALCULO DE NIVEL DE FONDO EN G:

58.59

t H

F

G

H

P

NFG=NFH+7.338x0.001 NFG=58.036+7.338x0.001

NFG=58.043 i.

CALCULO DEL VALOR “P” EN LA SALIDA:



POR DIFERENCIA DE COTAS:

P=NFG-NFF P=58.043-57.829

P=0.214. 

CON LA MITAD DEL DIAMETRO DEL TUBO: P=D/2=0.6858/2=0.343m Por lo tanto se toma P=0.214 para que la cota del fondo de G coincida con la rasante del canal.

33

HIDRAULICA APLICADA


j.

INCLINACION DE LOS TUBOS DOBLADOS:



En la entrada : 4.891/(1.294) =4.702 ; 4.7:1 es más plano que 2:1 (ok).



En la salida: 3.912/(1.035) = 4.702 ; 4.7:1 es más plano que 2:1 (ok).

k. CARGA HIDRAULICA DISPONIBLE

H=NAB-NAG 58.593

l.

H=58.933-

H=0.340m.

CALCULOS DE PÉRDIDAS DE CARGA



Perdidas por entrada: 0.4hv = 0.4(0.0962) = 0.039m



Perdidas por salida: 0.65hv = 0.65(0.0962) = 0.063m



Perdidas por fricción: f(L)Vt2/(D*2g) = 0.025*19.00*1.522/(0.6858*2*9.81)=0.082



12º

Perdidas por codos: 2*(0.25* √

∗Vt2/(2g))=0.0215

90ª

Pérdidas totales = 0.21; para mayor seguridad se incrementara en un 10%, luego 1.10*0.21 =0.231m. (Pérdidas totales) Se puede deducir que las pérdidas de carga disponible menos las pérdidas totales son de: 0.340-0.231 =0.109m (lo que significa que no existe problemas hidráulicos).

34

HIDRAULICA APLICADA


m. CALCULO DE LA SUMERGENCIA A LA SALIDA:

Altura de sumergencia =y+P- Hts

=(0.55+0.214) - Hte =

Hts =Di/cos(12º) = 0.701m; entonces altura de sumergencia =0.063m, este valor no debe de exceder Hts/6 = 0.117m; como es menor entonces : Sm=0.063m. n. LONGITUD DE PROTECCION CON ENRROCADO:

L p=3Di=3*0.6858m = 2.057m; entonces usar Longitud de enrocado 2.10m o. CALCULO DE LA COVERTURA(E) E=COTA DE CAMINO -NFD-Di E=58.550-57.047-0.69 E=0.813 Observamos que este valor no cumple con lo mínimo (0.90m). por lo tanto debemos de hacer otro diseño en el cual modificaremos el ángulo de inclinación de la tubería para tratar asi de tener una longitud de cobertura mayor.

DISEÑO NUEVO UTILIZANDO EL ANGULO DE INCLINACIÓN 150 a) NIVEL DE AGUA EN “B”

NAB=NFB+Y NAB=(NFA-3.359x0.001)+0.55 NAB=(58.386-3.420x0.001)+0.55 NAB=58.933 m.s.n.m

35

HIDRAULICA APLICADA


b) COTA DE FONDO EN “C”

NFC= NAB – (Hte + 1.5 hv ) Donde: Hte = Di /cos(15º) = 0.662m. 1.5 hv = 1.5(Vt2/2g- VB2/2g)= 1.5(1.522/2g- 0.652/2g)=0.145m Entonces: NFC= 58.126m.s.n.m. c) COTA DE FONDO EN “D”

Si α1=15º, entonces : sen(15º) = h/(5.0) h=1.294m Luego: N NFD=NFC-h FD=58.126-1.294 NFD=56.832 m.s.n.m d) COTA DE FONDO EN “E”

Longitud horizontal = 10m; la pendiente en tubo (5%0). Entonces: h’=10x0.005=0.05m. Por lo tanto: NFE=NFD-h’=56.832-0.05

NFE=56.782m.s.n.m

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HIDRAULICA APLICADA


e) COTA DE FONDO EN “F”

Si α2=15º, entonces : sen(15º) = h/(4.0) h=1.035 Luego: NFF=NFE + h NFF=56.782 +1.035 NFF=57.817 m.s.n.m f) CALCULO DE NIVEL DE FONDO EN G:

NFG=NFH+7.338x0.001 NFG=58.036+7.386x0.001

NFG=58.043 g) CALCULO DEL VALOR “P” EN LA SALIDA:



POR DIFERENCIA DE COTAS:

P=NFG-NFF P=58.043-57.817

P=0.226 

CON LA MITAD DEL DIAMETRO DEL TUBO: P=D/2=0.6858/2=0.343m Por lo tanto se toma P=0.226 para que la cota del fondo de G coincida con la rasante del canal.

37

HIDRAULICA APLICADA


h) INCLINACION DE LOS TUBOS DOBLADOS:



En la entrada : 4.830/(1.294) =3.733 ; 3.7:1 es más plano que 2:1 (ok).



En la salida: 3.864/(1.035) = 3.733 ; 3.7:1 es más plano que 2:1 (ok).

i) CARGA HIDRAULICA DISPONIBLE

H=NAB-NAG 58.593

H=58.933-

H=0.340m.

j) CALCULOS DE PÉRDIDAS DE CARGA



Perdidas por entrada: 0.4hv = 0.4(0.0962) = 0.039m



Perdidas por salida: 0.65hv = 0.65(0.0962) = 0.063m



Perdidas por fricción: f(L)Vt2/(D*2g) = 0.025*19.00*1.522/(0.6858*2*9.81)=0.082



15º

Perdidas por codos: 2*(0.25* √

∗Vt2/(2g))=0.024

90ª

Pérdidas totales = 0.208; para mayor seguridad se incrementara en un 10%, luego 1.10*0.208 =0.229m. (Pérdidas totales) Se puede deducir que las pérdidas de carga disponible menos las pérdidas totales son de: 0.340-0.229 =0.111m (lo que significa que no existe problemas hidráulicos).

38

HIDRAULICA APLICADA


k) CALCULO DE LA SUMERGENCIA A LA SALIDA:

Altura de sumergencia =y+P- Hts

=(0.55+0.226) - Hts

Hts =Di/cos(15º) = 0.71m; entonces altura de sumergencia =0.066m, este valor no debe de exceder Hts/6 = 0.118m; como es menor entonces : Sm=0.066(ok) l) LONGITUD DE PROTECCION CON ENRROCADO:

L p=3Di=3*0.6858m = 2.057m; entonces usar Longitud de enrocado 2.10m m) CALCULO DE LA COVERTURA(E)

E=COTA DE CAMINO -NFD-Di E=58.550-56.832 -0.686 E=1.032>0.9 (ok)

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HIDRAULICA APLICADA

Tema 10 Estructuras de Cruce y o Pase

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