Diseño de Conducciones y Redes de Distribución

8/15/2019 Diseño de Conducciones y Redes de Distribución

1/38

P á g i n a | 1

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL | UNIVERSIDAD NACIONAL JOSE FAUSTINO SANCHEZ CARRION

1.1.- Definición

Sea una tubería AD como la mostrada en la Figura 1.1. Se observa una bifurcación iniciándose

en B y concluyendo en C. Se generan 2 ramales BMC y BNC.

Las tuberias BMC y BNC están en paralelo, las dos tiene los mismos extremos entonces las dos

tienen la misma energía. Se cumple que:

Energía disponible en BMC = Energía disponible en BNC.

La diferencia de energía entre B y C es la energía disponible. La energía disponible determina,

de acuerdo a la naturaleza del contorno y del fluido, las caracteristicas del escurrimiento. La

energía disponible se transforma en energía de velocidad, de presión y elevación. En un

conducto horizontal muy largo con velocidad relativamente pequeña se puede considerar que

la energía disponible da lugar entegramente a la pérdida de carga continua.También se podría

presentar mas de 2 tuberías, en la que cada una de ellas tendría diferente diametro, longitud y

rugosidad.

En la Figura 1.2 se muestra la línea pizométrica(L.P) en un sistema en paralelo. Ya que las

tuberías tienen la misma energía disponible, sucederá lo mismo con la pérdida de carga.

1.- Sistema de Tuberías en Paralelo

Figura 1.1

Figura 1.2

iseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 01: Sistema de Tuberías en Paralelo


2/38

P á g i n a | 2


En la Figura 1.3 se muestra se muestra un sistema de 5 tuberías en paralelo, donde se cumplirán

las siguientes ecuaciones:

•La pérdida de carga en todas las tuberías es numéricamente igual.

ℎ = ℎ = ℎ = ℎ = ℎ = ℎ

•La suma de los gastos parciales de cada tubería es igual al gasto total Q de la tubería AB

y CD.

= + + + +

• La ecuación de la continuidad se debe verificar en los puntos B y C.

1.2.- Procedimiento para resolver ejercicios

Cálculo de las tuberías en paralelo.- Se presentan básicamente 2 casos, suponiendo que se

conocen las siguientes características de las tuberías:

• Diámetro• Longitud• Rugosidad• Propiedades del fluido

Caso 1.- Se conoce la energía disponible ℎ entre B y C y se trata de calcular el gasto en cadaramal.

Este primero corresponde al caso general de cálculo de tuberías. Se puede proceder por ejemplo,

con la ecuación de Darcy o con cualquier otra, al cálculo del gasto en cada ramal. Se

recomienda el siguiente procedimiento.

Combinamos la ecuación de Darcy: ℎ = . .

Donde:

− ℎ : pérdida de carga en el tramo considerado− : coeficiente de Darcy

Figura 1.3

Ecuación 1.1

Ecuación 1.2

Ecuación 1.3

Diseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 01: Sistema de Tuberías en Paralelo


3/38


4/38

P á g i n a | 4


Caso 2.- Se carga el gasto total y se trata de determinar su distribución y la pérdida de carga.

Para este caso se empieza por aplicar la ecuación de descarga a ambos ramales y se obtiene así la relación entre y . Combinando con la ecuación de continuidad se obtiene un sistema dedos ecuaciones con dos incógnitas. Halland así los gastos parciales.

Otro método podría ser el de plantear ecuaciones de descarga para cada ramal y luego sumarlas.

= ∑ . ℎ

Esta ecuación permite la resolución inmediata del sistema, pues ℎ o es un dato.

Un caso particular sería el de un sistema de conducción el cual tiene una ramificación, pero los

ramales no concurren en un punto sim embargo la energia en las bocas de descarga de los

ramales es equivalente:


Ecuación 1.10

Figura 1.4


5/38

P á g i n a | 5


EJEMPLO

= 3.477 ℎUsaremos:

− ℎ : pérdida de carga en el tramo considerado (m)

− : coeficiente de Darcy

− : diámetro (m)

− : Longitud (m)



6/38

P á g i n a | 6


2.- El problema de los tres reservorios

2.1.- Definición

En la siguiente figura 2.1 se pueden observar tres estanques ubicados a diferentes niveles y queestán comunicados entre sí por un sistema de tuberías que concurren en un punto P.

Los valores de corresponden a las cotas piezométricas. En los estanques corresponden a la

elevación de la superficie libre. Para el nudo , representa la suma de la elevación

topográfica del punto más la altura correspondiente a la presión.

Usualmente los datos son:

• Diámetros de cada ramal• Longitud de cada ramal• Rugosidades de cada ramal•

Cotas piezométricas (elevación de la superficie libre).Se pide:

• Gasto en cada ramal• Cota piezométrica del punto .

El sentido del escurrimiento en cada tubería depende de la diferencia entre la cota piezométrica

del nudo y la del estanque respectivo.

La cota Piezométrica del punto .no puede ser superior a la de los tres reservorios, porque el

punto se comportaría como alimentador.

La cota Piezométrica del punto .no puede ser inferior a la de los tres reservorios, porque elpunto se comportaría como desagüe.

La cota Piezométrica del punto determinará el sentido del escurrimiento en cada ramal.

Figura 2.1

Diseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 02: El problema de los tres reservorios


7/38

P á g i n a | 7


En la figura 2.2 mostraremos un caso particular donde la cota del punto está por encima de los

estanques 1 y 2, pero debajo del estanque 3. El sentido del escurrimiento viene dado por estas

cotas.

Para este caso la ecuación es: + =

Con esto observamos que el estanque 3 es el alimentador.

2.2.- Procedimiento para resolver ejercicios

Conociendo los datos:

• Diámetros de cada ramal• Longitud de cada ramal• Rugosidades de cada ramal• Cotas piezométricas (elevación de la superficie libre).

Se sugiere el siguiente método.

1.- Suponer un valor para la cota piezométrica del punto P.2.- Calcular las energías disponibles en cada tramo. Corresponden a las pérdidas decarga , y .3.- Determinar el sentido del flujo en cada ramal y plantear tentativamente la ecuaciónde la continuidad.

4.- Calcular el gasto en cada tubería por medio de la ecuación 1.6: =

.

5.- Esta ecuación toma para cada tubería la forma: = .

6.- En forma general la ecuación sería: = .Calcular K se hace con tanteos y reemplazos sucesivos.

7.- Se verifica la ecuación de continuidad en el nudo.

Diseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 02: El problema de los tres reservorios

Figura 2.2


8/38

P á g i n a | 8


8.- Si la ecuación, no se verifica, hay que hacer nuevos tanteos empezando desde elprincipio.9.- Con el propósito de no aumentar el número de tanteos conviene auxiliarse con ungráfico:

+ =

Como en un tanteo cualquiera lo más probable es que esta ecuación no se verifique, setiene un erro, este es:

− ( − )

El gráfico será:

Con esto queda verificada la ecuación de continuidad y se obtiene los gastos en cada ramal.

2.3.- Caso particular.- Problema de los cuatro reservorios.

2.3.1.- Definición.- Este método se basa aproximaciones sucesivas.

Se podría hacer por ejemplo, iniciar el cálculo suponiendo una cota piezométrica en el nudo .

Esto determina el flujo en los ramales 1 y 2.

Luego calcular la cota piezométrica en .

Evidentemente que el flujo entre y es igual a +

La pérdida de carga se calcula por ejemplo con la ecuación 1.5: = . . .

.

La forma genérica de esta ecuación es: ℎ = .

Donde: y dependen de la ecuación particular empleada (Chezy, Darcy, Hazen y Williams,

entre otras).

iseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 02: El problema de los tres reservorios

Figura 2.3

− ( − )

• Cada punto de la curva corresponde a untanteo.

• Los puntos se unen con una curva suave

• La intersección con el eje verticalsignifica que: − ( − ) =


9/38

P á g i n a | 9


3.- Bombeo de un reservorio a otros dos

3.1.- Definición

En la figura se muestra un reservorio alimentador 1, una tubería de succión 1, una bomba B, una

tubería de impulsión 2, que se divide en las tuberías 3 y 4 para alimentar dos estanques.

Considerando que se conoce los diámetros, longitudinales y coeficientes de rugosidad de cada

tubería, así como las elevaciones de los estanques y la potencia de la bomba, se trata de calcular

el gasto en cada ramal. Se sugiere el siguiente método.

1. Suponer un valor para el gato impulsado por la bomba ( = = ).

2. Calcular la pérdida de carga ℎ en la tubería 1.

3. Calcular la cota piezométrica a la entrada de la bomba.

4. Calcular la energía teórica suministrada por la bomba, a partir de la ecuación 4-2,

= 76

es la energía en metros, es la potencia en HP, es el peso específico del fluido

en kg*g/ y es el gasto en /s.

Figura 3.1: Bombeo de un reservorio a otros dos

5. Calcular la cota piezométrica a la salida de la bomba.= +

6. Calcular la pérdida de la carga ℎ en el tramo 2.

7. Calcular la cota piezométrica del nudo P.

= − ℎ

Diseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 03: Bombeo de un reservorio a otros dos


10/38

P á g i n a | 10


8. Calcular la energía disponible ℎ para el tramo 3.

ℎ = −

9. Calcular el gasto en la tubería 3 aplicando una ecuación de la forma.

= ℎ

10. Aplicar los pasos 8 y 9 a la tubería 4.11. Verificar si se cumple la ecuación de continuidad en el nudo.

= +

Caso contrario reiniciar el cálculo suponiendo otro valor para el gasto impulsado por la

bomba.

Para no aumentar el número de tanteos se recurre a un método gráfico similar al descrito en el

apartado anterior.

3.2.- Problema Propuesto 3.1:

En el sistema mostrado en la figura hay una bomba que suministra a la corriente una potencia de

40 HP. Calcular el gasto en cada tubería. Considerar = 0,02 en todas las tuberías. (Para los

efectos del problema considerar para la bomba una eficiencia del 100 %).

Figura 3.2: Ejemplo de Bombeo de un reservorio a otros dos



11/38

P á g i n a | 11


RESOLVIENDO:

La pérdida de carga en las tuberías 1 y 2 viene dada por la ecuación 5-3

ℎ = 0,0827

La ecuación de descarga en las tuberías 3 y 4 viene dada por la ecuación 5-4

= 3,477 ℎ

Reemplazando datos de cada tramo se obtiene

ℎ = 14,67 = 0,0188ℎ

ℎ = 107,63 = 0,0326ℎ

Iniciaremos el cálculo suponiendo un gasto = 100 / (en la bomba).

La pérdida de carga en el tramo 1 es

ℎ = 14,67 =0,15m

La cota piezométrica a la entrada de la bomba es 99,85 m.

La energía teórica suministrada por la bomba es

= 76 = 76 ∗ 401000 ∗ 0,1

= 30,40

La cota piezométrica a la salida de la bomba es 130,25 m.

La pérdida de carga en el tramo 2 es:

ℎ = 107,63 = 1,08

La cota piezométrica en el nudo resulta ser 129,17 m.

LA energía disponible (que suponemos se consume íntegramente en fricción) en el tramo 3 es

ℎ = 129,17 − 125 = 4,17

Y el gasto resultante es

= 0,0188ℎ = 38,4 /



12/38

P á g i n a | 12


La energía disponible para el tramo 4 es 9,17 m y el gasto resultante es

= 0,0326ℎ = 98,7 /

Para que se verifique la ecuación de continuidad se requeriría que

= +

O bien,

− ( + ) = 0

Sin embargo encontramos que para el gasto supuesto

− ( + ) = −37,1 /

Como la ecuación de continuidad no ha quedado verificada debemos proseguir con los tanteos

Hacemos un nuevo cálculo con = 110 / y obtenemos

− ( + ) = 8,9 /

Hacemos un nuevo tanteo con = 108 / y obtenemos

− ( + ) = −1,2 /

Con = 108,7 / se obtiene,

− ( + ) = 2,1 /

Llevando estos valores a un gráfico se obtiene finalmente = 108,3 / . Redondeando losvalores (l/s) se obtiene.

= 108 / = 24 / = 84 /

Figura 3.3: Ejemplo de Bombeo de un reservorio a otros dos

− ( + )



13/38

P á g i n a | 13


4.- Tuberías con dos o más ramales de descarga independiente

4.1.- Definición

Sea un estanque alimentador del que sale una tubería de longitud , diámetro y coeficiente

de resistencia . Esta tubería se divide en los ramales 2 y 3. Se conoce la elevación delestanque y las cotas de descarga. Se trata de calcular el gasto en cada ramal.

Figura 4.1: Tuberías con ramales de descarga independiente

El método de cálculo sugerido es el siguiente

1. Suponer una cota piezométrica en el punto P.

2. Calcular las energías disponibles para cada tramo.3. Calcular el gasto en cada tubería. Se puede usar la ecuación de Darcy.

= 3,477 ℎ

O bien otra ecuación de la forma

= ℎ

4. Verificar si se cumple la ecuación de continuidad en el nudo

= +

5. Caso contrario repetir el procedimiento y/o recurrir a un gráfico auxiliar hasta encontrarel valor de la cota piezométrica del punto P necesaria para satisfacer la ecuación de

continuidad.

Diseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 04: Tuberías con dos o más ramales de descarga independiente


14/38

P á g i n a | 14


5.- Formula De Hazen Williams

5.1. Estas ecuaciones expresadas de la siguiente forma en unidades métricas

Donde:

Quizá, para los que conocemos un poco el tema, la expresión anterior no es algo “familiar” así

que, si consideramos que la aplicación de esta ecuación es para el cálculo de las Pérdidas porFricción en tuberías completamente llenas de agua (a presión) y utilizando la ecuación decontinuidad para expresarla en función del caudal conducido (Q) así como el diámetro(D) yLongitud(L) de la tubería, tendremos la expresión más conocida para las pérdidas por friccióntotales (hf):

En la bibliografía relacionada con el tema de la Mecánica de Fluidos e Hidráulica (así como enla mayoría de las normativas vigentes en cada país sobre el tema de Abastecimiento de Agua)encontrarás valores del Coeficiente de Fricción de Hazen-Williams en función del material yrevestimiento interno de la tubería o conducción. En esta tabla te presentamos algunos valoresen tuberías fabricadas con materiales de uso común:

V: Es la velocidad media en la sección del flujo [m/s].C: Coeficiente de Fricción de Hazen-Williams.R: Radio hidráulico (Área mojada/Perímetro mojado) [m].S: Pendiente de fricción o Pérdida de Energía por unidad de longitud de conducción

[m/m]

Diseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 05: Fórmula de Hazen Williams


15/38

P á g i n a | 15


Dado su carácter empírico, hay que decir que la Ecuación de Hazen-Williams tiene suslimitaciones, resultantes por supuesto, de los ensayos y pruebas realizados por sus creadores allápor los años 1.930. Entre otras destacan:

Sólo puede ser utilizada para el cálculo de las Pérdidas por Fricción en sistemas que conducenagua a temperaturas “normales” (entre 18°C y 30°C, por ejemplo) y bajo condiciones de flujo

turbulento (El caso típico en las aplicaciones para sistemas de Abastecimiento de Agua).

No es aplicable para Tuberías extremadamente rugosas, es decir, no debería utilizarse paracoeficientes de fricción muy bajos (menos a 60).

No debería utilizarse para diámetros inferiores a los 50 mm (2”), aun cuando su uso es aceptadopara el diseño de Instalaciones Sanitarias en edificaciones, donde predominan diámetrosinferiores a dicho valor.

La utilización del principio de Energía, conjuntamente con cualquiera de las Ecuaciones para elCálculo de las Pérdidas por Fricción es útil en el Diseño de Sistemas de Abastecimiento deAgua para:

Determinar el Diámetro de Tuberías en Sistemas abastecidos por Gravedad. Este es el caso deldiseño de aducciones entre una fuente de agua y un centro poblado. Generalmente conoceremosel caudal a conducir (dependiente de la demanda) y el desnivel (Diferencia de cota) y Distanciaexistente entre el punto de inicio y el punto final de la conducción, lo cual depende enteramentede las condiciones topográficas. Estableciendo el material para la tubería (lo cual depende de

aspectos diferentes al hidráulico), podremos conocer el coeficiente de fricción, con lo cual laúnica incógnita es el diámetro. El despeje de la Ecuación de Energía, incluyendo el término dePérdidas por Fricción, nos llevará al diámetro requerido para conducir el caudal requerido.



16/38

P á g i n a | 16


5.2.- En la figura siguiente se presenta el esquema de una tubería simple entre dos estanques.Determinar el Diámetro Nominal de la tubería de Acero, sin recubrimiento interno, necesariapara conducir un caudal de diseño de 455 l/s.

En problemas como este, plantearemos la Ecuación de Energía, despreciando el término deCarga de Velocidad, entre el punto de inicio de la Tubería, a la salida del Tanque 1 (el de mayordiámetro en la figura), y el Punto de llegada, a la entrada al tanque 2. Introduciremos laecuación de Pérdidas por Fricción de Hazen-Williams:

de la tubería, ni la altura de agua sobre ella, en su encuentro con los estanques pues el balance serealiza en función de la Altura Piezométrica en cada uno de ellos, correspondiente a la elevacióndel agua suministrada como dato (Hest1 y Hest2).

Al despejar el diámetro de esta ecuación obtendremos D= 0,426 m.



17/38

P á g i n a | 17


6.- Diseño De Una Conducción

6.1.- Esencialmente el problema de un diseño de tuberías consiste en encontrar el diámetromás adecuado para transportar un gasto dado. La selección del diámetro implica un estudio deVelocidades, Presiones y Costo.

Las velocidades excesivas deben evitarse. No solo pueden destruir la tubería por erosión, si notambién hay la posibilidad del golpe de ariete.

Las presiones pueden ser negativas o positivas .Deben evitarse, pues dan lugar a discontinuidaden el escurrimiento y a cavitación.

Tampoco se puede aceptar cualquier presión positiva. Las tuberías, según el material de queestán hechas, soportan determinadas presiones. La máxima presión admisible forma parte de ladescripción técnica de la tubería.

El costo es muy importante. Las condiciones a y b pueden satisfacerse con más de un diámetro.Debe escogerse el más económico .Este concepto será analizado más adelante.

Por cierto que en el diseño de una conducción debe tenerse en cuenta los diámetros comerciales

disponibles: Hay otros factores que intervienen como la calidad de agua y otros, que escapan alos alcances de este curso

La tubería AB une los dos estanques Se trata de determinar el diámetro que debe tener,conociendo la carga

Disponible H y el gasto Q.

El dibujo muestra el perfil de la tubería de acuerdo al terreno Sobre el que debe apoyarse.

Se ha trazado aproximadamente la línea de gradiente hidráulico Y como se observa en el dibujo,se anticipa la presencia de presión negativa en N y quizá una presión muy fuerte en M (positiva)

Diseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 06: Diseño De Una Conducción


18/38


19/38


20/38

P á g i n a | 20


Diseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 06: Diseño De Una Conducción


21/38

P á g i n a | 21


7.1.- Diseño

Todos los canales deberán diseñarse de manera que tengan la necesaria capacidad de

conducción de agua. Los canales se diseñan utilizando fórmulas que establecen

relaciones entre la capacidad de conducción y la forma, el gradiente efectivo o pérdida

de carga, y la rugosidad de las paredes. La fórmula comúnmente utilizada en que se

incluyen todos estos factores es la ecuación de Manning:

= ∗ ∗

7.2.- Planificación de la forma del canal

Frecuentemente, los canales sin revestir de las explotaciones agrícolas tienen unasección trasversal trapezoidal determinada por:

• la anchura (b) de su fondo horizontal;• el coeficiente de pendiente (z:1) de sus paredes en ángulo;• la altura máxima del agua (h);• la sobreelevación* (f ) para evitar los desbordamientos.

7.3.- Selección de la pendiente lateral de un canal trapezoidal

La pendiente de las paredes de un canal trapezoidal se expresa normalmente a través de

un coeficiente, por ejemplo 1,5:1. Este coeficiente representa el cambio de la distancia

horizontal (en este caso 1,5 m) por metro de distancia vertical. La pendiente lateral se

puede expresar también haciende referencia al ángulo formado con la línea vertical, en

grados y minutos.

Donde

v = velocidad del agua en el canal;

n = coeficiente de rugosidad de las paredes del canal;

R = radio hidráulico del canal;

S = pendiente efectiva.Ecuación 7.1

Figura 7.1

7.- Diseño de canales de conducción

Diseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 07: Diseño de Canales de Conducción


22/38

P á g i n a | 22


7.4.- Determinación de la velocidad máxima del caudal en los canales

En los canales abiertos, la velocidad del agua varía de acuerdo con la profundidad y con

la distancia de las paredes del canal. En las proximidades del fondo y de los márgenes,

el agua corre con llenor rapidez. Al diseñar los canales, lo que interesa normalmente es

la velocidad medía del agua en toda la sección trasversal del canal.

La velocidad media máxima admisible en un canal para evitar la erosión depende del

tipo de suelo o del material de revestimiento.

Tipo de suelo o de materia l de revest imiento Pendientes laterales co n

una incl inación no superíor a

Arena ligera, arcilla húmeda 3:1 18° 20’

Tierra suelta, limo, arena limosa, légamo arenoso 2:1 26° 30’

Tierra normal, arcilla grasa, légamo, légamo de grava,

légamo arcilloso, grava

1.5:1 33° 40’

Tierra dura o arcilla 1:1 45°

Capa dura, suelo aluvial, grava firme, tierra compactadura

0.5:1 63° 30’

Revestimiento de piedras, hormigón armadomoldeado in situ,bloques de cemento

1:1 45°

Membrana de plástico sumergida 2.5:1 22° 30’

Figura 7.2

Cuadro 7.1 : Pendientes laterales de canales tra ezoidales en varíos suelos



23/38


24/38


25/38

P á g i n a | 25


7.6.- Coeficiente de rugosidad del canal

El coeficlente de rugosidad (n) expresa la resistencia a la corriente de agua creada porlos lados y el fondo de un canal. Cuanto mayor es el valor de n, mayor es la rugosidadde las paredes del canal y mayor es la dificultad encontrada por el agua para deslizarsepor el canal.

En el Cuadro 7.3. se resumen los valores del coeficiente de rugosidad en diversascondiciones. Se indica también, para su utilización en ulteriores cálculos, su valorrecíproco (1 ÷ n).

Condiciones del caudal de agua n 1/n

CANALES DE TIERRA SIN REVESTIR

Tierra limpia y uniforme; canales recién ultimados 0.017 58.82

Curvatura suave, en légamo o arciIla sólidos, con depósitos de

fango, sin crecimiento de vegetación, en condiciones normales

0.025 40.00

Hierba corta, pocas malezas 0.024 41.67

Malezas densas en aguas profundas 0.032 31.25

Suelo accidentado con piedras 0.035 28.57

Mantenimiento escaso, malezas tupidas en loda la altura delcaudal

0.040 25.00

Fondo limpio, arbustos en los taludes 0.070 14.29

CANALES REVESTIDOS

Ladrillos de mortero de cemento 0.020 50.00

Hormigón, piezas prefabricadas, sin terminar, paredes rugosas 0.015 66.67Hormigón, acabado con paleta, paredes lisas 0.013 76.92

Ladrillos, paredes rugosas 0.015 66.67

Ladrillos, paredes bien construidas 0.013 76.92

Tablas, con crecimiento de algas/musgos 0.015 66.67

Tablas bastante derechas y sin vegetación 0.013 76.92

Tablas bien cepilladas y firmemente fijadas 0.011 90.91

Membrana de plástico sumergida 0.027 37.04

CONDUCCIONES

ELEVADAS/CANALETAS/ACUEDUCTOS

Hormigón 0.012 83.33

Metal liso 0.015 66.67

Metal ondulado 0.021 47.62

Madera y bambú (lisos) 0.014 71.43

Cuadro 7.3 : Coeficiente de rugosidad (Manning) en canales abiertos y conducciones elevadas



26/38


27/38

P á g i n a | 27


• Determinando primero la capacidad de conducción del canal y luego, conayuda del gráfico, determinando las características más adecuadas.

Ejemplo

Si el canal debe tener una capacidad de conducción de Q = 425 m 3 /h, excavarse en un

suelo pedregoso (n = 0,035) con pendiente lateral de 1:1 y tener una pendiente S = 0,1por ciento, utilice el Gráfico 8. Siguiendo la línea Q = 400 m3 /h, elija un valor de fondorelativamente ancho (por ejemplo, 1,50 m) y determine el punto A en Q = 425 m 3 /h. Apartir de este punto, determine la altura del agua = 0,30 m en la escala izquierda.

7.8.- Acueductos sencillos

1. Los acueductos se utilizan en las explotaciones piscícolas para transportar el agua por

encima del nivel del suelo, por ejemplo cuando un canal de alimentación debe pasar porencima de un pequeño canal de desagüe.

2. Se puede construir un acueducto sencillo de tablas de madera, con refuerzostransversales también de madera y soportes de madera a intervalos regulares. La seccióntrasversal es normalmente rectangular. La velocidad media máxima admisible no deberápasar de 1,5 m/, utilizando un coeficiente de rugosidad n = 0.014. Por ello (1 ÷ n) =71.43.

3. Otra posibilidad consiste en utilizar tambores de metal de 200 litros partidos en dosmitades, soldados o atornillados entre sí y fijados a una plataforma construida conmadera o piedras.

4. Las láminas metálicas acanaladas se pueden ensamblar fácilmente en sentidolongitudinal con juntas asfálticas flexibles y puntos de soldadura para formar unacueducto semicircular semejante a los construidos con conducciones elevadasprefabricadas de hormigón o de material plástico para el riego. Los soportes pueden sersemejantes a los descritos en el caso de los medios tambores metálicos.

Figura 7.6



28/38

P á g i n a | 28


7.8.- Tubos y Sifones

7.8.1.- Tubos

Cuando el agua conducida en canales abiertos debe pasar por debajo de caminos uotros obstáculos, se puede utilizar una tubería corta. Debe ser lo bastante fuerte parasoportar el peso de los vehículos que pasan sobre ella. Se utilizan frecuentementetuberías prefabricadas de hormigón, sumergidas al menos 60 cm por debajo de lasuperficie. Deberá prestarse especial atención a estos dos aspectos:

• calidad de las juntas entre los distintos tramos de tubería; y• calidad de las conexiones finales entre la tubería y la sección de canal abierta a

uno y otro lado del obstáculo.

Ejemplo

Caudal de agua (l/s)

Diámet ro in teríor d e la

tu be ría (cm )

Velocidad del agua (m/s)

120-140 40 1.00

230 60 0.80

480 80 0.95

Figura 7.7


Figura 7.8

Cuadro 7.4 : Características de tuberías cortes en cruces con carreteras


29/38

P á g i n a | 29


7.8.2.- Sifones

Cuando los estanques no cuentan con estructuras de entrada o salida, el agua puede pasar porencima del dique a través de un sifón.

Un sifón es un dispositivo poco costoso que se puede desplazar a diferentes puntos de laexplotación piscícola, según las necesidades. Puede hacerse fácilmente con un trozo demanguera plástica o de caucho flexible. Si la longitud total del sifón es relativamente corta, porejemplo si se trata de hacer pasar el agua desde un canal de abastecimiento poco profundo a unestanque pequeño, se puede hacer también un sifón rígido, más duradero, con uno de estosmétodos:

• doblando un trozo de tubo de plástico;• doblando láminas de metal galvanizado hasta darles la forma de tubos, soldando

cuidadosamente todas las juntas para que cierren herméticamente y soldando luegotodos los trozos en forma de V truncada;

• cortando y uniendo (con cemento o cemento disolvente, mediante soldadura, etc.) untubo de metal o de cloruro de polivinilo.

Para que comience a funcionar el sifón, recuerde que tiene antes que llenarlo de agua. Sitúe laparte de descarga del sifón al lleno 25 cm por debajo del punto de toma. Mantenga la toma

sumergida bajo el agua y deje que el agua corra por el sifón previamente rellenado. Para lograr

buenos resultados, se necesita cierta práctica, especialmente si el diámetro del sifón es grande

La capacidad de descarga de agua de un sifón depende de estos dos factores:

• el diámetro interior del tubo;• la altura de caída, o diferencia de elevación entre la superficie del agua en el nivel

superíor y la superficie del agua en el extremo más bajo (si la salida del sifón estásumergida), o el centro de la salida del sifón (si el agua fluye libremente).

•

7. Se puede estimar la capacidad de descarga de agua del sifón (en l/s) utilizando los Figura11 y 12 a partir de esas dos medidas.


Figura 7.9 Figura 7.10


30/38

P á g i n a | 30


Ejemplo

El diámetro interno de su sifón es de 5 cm y la altura de caída de 21 cm. Utilizando el Gráfico11, se observa que la capacidad de descarga de agua es igual a aproximadamente 2,5 l/s.

El diámetro interno del sifón mide 18 cm y la altura de caída es de 27,5 cm. Con

el Figura 12 se puede estimar que la capacidad de descarga de agua equivale a

35 l/s.

Diametrointerior delsifón (cm)

Altura de presión(cm)

5 7.5 10 12.5 15 17.5 20

4 0.75 0.91 1.06 1.18 1.29 1.40 1.49

5 1.17 1.43 1.65 1.85 2.02 2.18 2.33

6 1.68 2.06 2.38 2.66 2.91 3.14 3.36

7 2.29 2.80 3.24 3.62 3.96 4.28 4.58

8 2.99 3.66 4.23 4.72 5.18 5.59 5.98

9 3.78 4.63 6.35 5.98 6.55 7.07 7.56

10 4.67 5.72 6.60 7.38 8.09 8.73 9.34


Figura 7.11

Figura 7.12

Cuadro 7.4 : Caudal a través de pequeños sifones con baja altura de


31/38

P á g i n a | 31


8.- Consideraciones prácticas para el diseño de canales

8.1.- Definición

A nivel de parcela, lo más generalizado es encontrarnos con canales de tierra de sección

trapezoidal, por lo cual las recomendaciones que se proporcionan estarán orientadas más a este

tipo de canales.

Figura 8.1: Elementos geométricos de un canal

El diseño de un canal implica darle valor numérico a las siguientes especificaciones técnicas:

• Q = caudal en / .

• v = velocidad media del agua en m/s.

• S = pendiente en m/m.

• n = coeficiente de rugosidad.

• Z = talud.

• b = ancho de solera en m.

• y = tirante en m.

• A= área hidráulica en

• B.L. = H – y = borde libre en m.

• H = profundidad total desde la corona al fondo del canal en m.

• C = ancho de corona en m.

Para Caudal (Q)

Para el diseño de una canal a nivel parcelario, el caudal tiene que ser un dato de partida, que se

puede calcular con base en el módulo de riego (l/s/ha), la superficie que se va a regar (ha) y el

caudal que resulta de las perdidas por infiltración durante la conducción.

En el caso de que el canal sirva para evacuar excedentes de las aguas pluviales, el caudal de

diseño se calcula tomando en cuenta las consideraciones hidrológicas.

Diseño de Conducciones y Redes de DistribuciónCapítulo 08: Consideraciones prácticas para el diseño de canales


32/38

P á g i n a | 32


En cualquiera de los casos, por lo general, lo que se busca es encontrar las dimensiones del

canal, para conducir el caudal determinado de acuerdo con las necesidades de uso del proyecto,

sea para riego, drenaje, hidroeléctrico, o uso poblacional.

Velocidad media de los canales (v)

La velocidad media se puede determinar por medio de la fórmula de Manning:

= 1

Las velocidades en los canales varían en un ámbito cuyos límites son: la velocidad mínima (que

no produzca depósitos de materiales sólidos en suspensión “sedimentación”) y la máxima (que

no produzca erosión en las paredes y el fondo del canal. Las velocidades superiores a los valores

máximos permisibles, modifican las rasantes y crean dificultades en el funcionamiento de las

estructuras del canal. A la inversa, la sedimentación debido a las bajas velocidades, provoca

problemas por embancamiento y disminución de la capacidad de conducción, y origina mayores

gastos de conservación.

Se han encontrado muchos resultados experimentales sobre estos límites, para canales alojados

en tierra, en general están comprendidos entre 0,30 y 0,90 m/s.

Tabla 8.1: Proporciona el rango de velocidades máximas recomendadas en función de las

características del material en el cual están alojados.

Características de los suelos Velocidades máximas (m/s)

Canales en tierra franca 0.60Canales en tierra arcillosa 0.90

Canales revestidos con piedra y mezcla

simple

1.00

Canales con mampostería de piedra y

concreto

2.00

Canales revestidos con concreto 3.00

Canales en roca:

Pizarra 1.25

Areniscas consolidadas 1.50

Roca dura, granito, etc. 3 a 5



33/38

P á g i n a | 33


Pendiente admisible en canales de tierra (S)

La pendiente, en general debe ser la máxima que permita dominar la mayor superficie posible

de tierra y que, a la vez, dé valores para la velocidad que no causen erosión del material en el

que está alojado el canal, ni favorezca el depósito de azolve (lodo o basura que obstruye un

conducto).

La pendiente máxima admisible para canales de tierra varían según la textura; en la tabla 8.2 se

muestran las pendientes máximas recomendadas en función del tipo de suelo.

Tabla 8.2: Pendiente admisible en función del tipo de suelos.

Tipo de suelo Pendiente (S) (°/ )

Suelos sueltos 0,5 - 1,0

Suelos francos 1,5 – 2,5

Suelos arcillosos 3,0 – 4,5-Durante el diseño no necesariamente se deben tomar estos valores máximos.

-Cuando las velocidades resultan erosivas, reducir la pendiente produce una sensible

disminución de la velocidad.

Taludes (Z)

Los taludes de definen como la relación de proyección horizontal a la vertical de la inclinación

de las paredes laterales.

La inclinación de las paredes laterales depende en cada caso particular de varios factores, peromuy particularmente de la clase de terreno en donde están alojados.

Mientras más inestables sea el material, menor será el ángulo de inclinación de los taludes.

Tabla 8.3: Se indican los valores de los taludes recomendados para distintos materiales.

Características de los

suelos

Canales poco

profundos

Canales profundos

Roca con buenas

condiciones

Vertical 0,25 : 1

Arcillas compactas o

conglomerados

0,5 : 1 1 : 1

Limos arcillosos 1 : 1 1,5 : 1

Limoso – arenoso 1,5 : 1 2 : 1

Arenas sueltas 2 : 1 3 : 1



34/38


35/38

P á g i n a | 35


Ancho de solera (b)Resulta muy útil para cálculos posteriores, fijar de antemano un valor para el ancho de solera,

plantilla o base, con lo cual se pueden manejar con facilidad las fórmulas para calcular en frente.

Una formula práctica de fijar el ancho de solera, se basa en el caudal, y se muestra en la

Tabla 8.5

Caudal Q

(m3 /s)

Canales poco

profundos

(m)Menor de 0,100 0,30

Entre 0,100 y 0,200 0,50

Entre 0,200 y 0,400 0,75

Mayor de 0,400 1,00



36/38

P á g i n a | 36


Para canales pequeños, el ancho de solera estara en funcion del ancho de la pala de la

maquinaria disponible de la construccion.

Tirante (y)

Una regla empírica general usada en los estados unidos, establece el valor máximo de la

profundidad de los canales de tierra según la siguiente relación:

= 12

√

Y en la India

=3

Donde:

= tirante hidráulico (m).

A = área de la sección transversal ( )

Otros establecen que:

=3

Donde:

b = ancho de solera o base.

También puede usarse las relaciones:

Figura 8.2: Elementos de un canal

a. Sección de máxima eficiencia hidráulica:

= 22

→ =2 (2)



37/38

P á g i n a | 37


b. Sección de mínima infiltración:

= 42

→ =4 (2)

c. Valor medio de las dos anteriores:= 3

2 → =

3 (2)

Área hidráulica (A)

Se obtiene usando la relación geométrica:

= ( + )

Una vez calculado el ancho de solera, talud y tirante. También se obtiene usando la ecuación decontinuidad:

=v

Conocidos el caudal y la velocidad.

Borde libre (B.L.)

En la determinación de la sección transversal de los canales, resulta siempre necesario dejar

cierto desnivel entre la superficie libre del agua para el tirante normal y la corona de los bordos,

como margen de seguridad, a fin de absorber los niveles extraordinarios, que puedan presentarse

por encima del caudal de diseño del canal:

B.L. = H – y

Una práctica corriente para canales en tierra, es dejar un borde libre o resguardo igual a un

tercio del tirante, es decir:

B.L. =

Mientras que para canales revestidos, el borde libre puede ser la quinta parte del tirante, es

decir:

B.L. =

Existen también otros criterios prácticos para designar el valor del borde libre.



38/38

Diseño de Conducciones y Redes de Distribución

Documents

Transcript of Diseño de Conducciones y Redes de Distribución