Diseohidraulicodeunsifon 150615102434 Lva1 App6891

7/24/2019 Diseohidraulicodeunsifon 150615102434 Lva1 App6891

1/95

DISEO HIDRAULICO DE

UN SIFON.

Ing: Giovene Prez Campomanes

Huaraz, 14 de junio del 2015


2/95

1.Introduccion

2

En el presente taller Diseo hidrulico de un

sifndesarrollaremos los siguientes temas:Iniciaremos con una breve revisin de conceptos,

bsicos: tuberas, ecuacin de energa, ecuacin de

continuidad, transiciones, Numero de Froude,

acueducto, diferencias entre acueductos y sifones,posteriormente expondr todo sobre sifn, susaplicaciones, criterios para su diseo; Diseo de un

sifn, concluyendo con una practica dirigida,

conclusiones finales y una evaluacin final.


3/95

2. Conceptos generales

3

Tuberas:Se denomina tuberas a los conductosque escurren agua completamente llenos y bajo

presin.


4/95

4


5/95

5

Salida y entrada sumergida


6/95

6

La ecuacin de la energa:

ht= hp+hs

hp=fLV2/(D*2*g)

hs=KV2/2g


7/95

7

Lneas de gradiente hidrulico y de energa:

La ecuacin de energa en su forma general nos da

dimensiones de longitud.

La Lnea de Gradiente Hidrulico es la suma de la

carga potencial ms la carga de presin:P/+ z

La Lnea de Gradiente de Energa est formado por

la suma total de energa en el punto analizado:V ^2/ 2g +P/+ z.


8/95

8


9/95

9

A medida que la velocidad se acerca a cero, laLGH y la LGE se acercan una a la otra. As, en undepsito, esas lneas son idnticas y estn en la

superficie.

La LGE y la LGH tienen una pendiente

descendente en la direccin del flujo a causa dela prdida de carga en la tubera. Cuanto mayores la prdida por unidad de longitud, mayor es la

pendiente.


10/95

10


11/95

11

Transicin: La transicin en un canal es unaestructura diseada para cambiar la forma de un

canal o rea de la seccin transversal del flujo.Bajo condiciones normales de diseo, e instalacinprcticamente todos los canales y canaletasrequieren de algn tipo de estructura de

transicinhacia o desde los cursos de agua.


12/95

12


13/95

13

La funcin de dicha estructura es evitar

excesivas perdidas de energa, eliminar lasondas transversales, otras turbulencias ysuministrar seguridad y curso de agua.

Cuando la transicin est diseada para

mantener las lneas de corriente suaves ycasi paralelas y para minimizar las ondas

estacionarias, se puede utilizar en eldiseo lateora del flujo gradualmente variado.


14/95

14


15/95

Los tipos ms comunes de transicin son

transicin de entrada y salida entre canal y

canaleta, transiciones de entrada y salida entre

canal y tnel y transiciones de entrada y entrecanal y sifn invertido.

Si el cambio en profundidad o ancho es muy

rpido, el flujo puede hacerse rpidamentevariado y pueden suceder ondas estacionarias.

15


16/95

16


17/95

Transiciones entre canal y sifn invertido:Se recomienda los siguiente:

En el diseo de una transicin de salida, es

deseable generalmente tener laparte superior dela abertura del sifn ligeramente debajo de la

superficie normal de agua a la entrada. Estaprctica minimiza la posible reduccin de lacapacidad del sifn causada por la introduccinde airedel sifn.

La profundidad de la sumergencia de la partesuperior de la altura del sifn es conocida comosello de agua.

17


18/95

18


19/95

19

Despus de que se ha determinado elsello de aguase calcula, la velocidad en el muro cabezal, y la

cada total en la superficie del agua, despreciandolas prdidas de friccin, es tomado como 1.1 hv,.

Un perfil de la superficie suave se asumientonces, tangente a la superficie del agua en el

canalen el inicio de la transicin y pasando a travsdel punto en el muro determinado por el clculo

aguas arriba dado.


20/95

20

El diseo de una estructura de salida, la pendiente

del fondo nonecesita ser tangente a la pendientedel conducto cerrado en el muro, como era el caso

de la entrada a menos que la velocidad del sifnsea alta y la pendiente de transicin seaempinada.


21/95

21


22/95

22

Nmero de froude: Se aplica en flujos desuperficie libre, donde existen fenmenos

ondulatorios. Las formaciones de ondas dependenespecialmente de las fuerzas gravitacionales.

Debemos saber que:

F= 1: Flujo critico.

F< 1: flujo subcritico.

F> 1: Flujo supercrtico.

De donde: (F=Numero de Froude).


23/95

23

3.Acueducto:

Es un conducto que fluye como canal encima de un

puente diseado, para resistir la carga de agua y supropio pesopara atravesar una va de transporte o paracruzar una depresin o curso de agua no muy profunda.

Desde el punto de vista de la estructura civil, los

acueductos pueden ser de dos tipos:

Acueducto sobre una estructura de soporte (puente).

Canal cuyas paredes y base forman parte

estructural del puente


24/95

24


25/95

25

3.1 Criterios de diseo:

Estas obras constan de transicin de entrada ytransicin de salida, siendo siempre rectangular laseccin de la canoa.

La energa de la canoa debe ser en lo posibleigual a la energa del canal, para lo cual se trata de

dar velocidades en la canoa igual a la del canal,

desprecindose las perdidas de carga en este caso,

normalmente suele drse a las transiciones,ngulos de 12 30.


26/95

26

Lapendiente en la seccin de la canoa, debeajustarse lo mas cercano posible a lapendiente

del canala fin de evitar cambios en la rasante.

Se recomienda disear considerando un tiranteen la canoa igual al del canal.

La condicin de flujo en la canoa debe ser

subcritico.


27/95

27


28/95

28

Cuando el nivel de la superficie libre del agua es

mayor que la rasante del obstculo, se puede

utilizar como estructura de cruce un puentecanal ( acueducto) o un sifn invertido.

El puente canal se puede utilizar cuando la

diferencia de niveles entre la rasante del canaly la rasante del obstculopermite un espaciolibre suficiente para lograr el paso.


29/95

29


30/95

30

3.2 Elementos hidrulicos de un puente canal:

Transicin de entrada

Conducto elevado( canal, canoa).

Transicin de salida


31/95

31

Tipo de transicin Ke Ks

Curvado 0.1 0.2

Cuadrado cilndrico 0.15 0.25

Simplificado en lnea recta 0.2 0.3

Linea recta 0.3 0.5

Extremos cuadrados > 0.3 0.75

Valores de Ke y Ks, segn el tipo de transicin


32/95

32


33/95

33

Es unaestructura que cruza el desnivel por medio

de un conducto que se desplace por debajo delaccidente topogrfico, lo cual dar lugar a laconfiguracin de un sifn invertido.

4 Sifn:


34/95

34

4.1 Aplicaciones:

Como estructuras de conduccin.

Como estructuras de proteccin, en este caso se

emplean para dar pase a las aguas de lluvia o

excesos de agua de un canal por debajo de otrocanal.


35/95

35


36/95

36

El canal, por medio de los sifones, incorporarestructuras que trabajarn bajo presin.

Los sifones pueden ser construidossuperficiales o enterrados. Las estructurassuperficiales se apoyan sobre el suelo, en

trincheras, tneles o galeras, los cualespermiten una mejor accesibilidad.

Las estructuras enterradas son ms simples y

normalmente de menor costo, ya que no cuentancon soportes, pero su desventaja est asociadaal mantenimiento, por cuanto su accesibilidadresulta ms complicada.


37/95

37


38/95

Aliviaderos en forma de sifn: tiene lassiguientes ventajas:

Permiten pasar grandes caudales conpequeas dimensiones.

Seconectan y desconectan automticamentesin tener partes mviles.

Permiten regular los tirantes con una exactitud de

10 a 20 cm.

Un gran caudal que comienza a fluir subidamente a

travs de un sifn produce una onda que requiere

de costosas estructuras de disipacin de energa.

38


39/95

39


40/95

40


41/95

41


42/95

42

La magnitud de la velocidad media en el conductoque conforma el sifn, puede variar entre 2 a 4 m/s.

La velocidad de flujo est asociada tambin al tipo de

material del conducto; Zurita considera los siguientesvalores:

Conductos de fbrica 1.0 a 1.5 m/s

Tubos de hormign 1.5 a 2.5 m/s

En todos los casos se deber incorporar elementosque permitan la limpieza peridica de los sedimentosque se acumulen en los sectores bajos a consecuencia

de las reducidas velocidades de flujo que se presenten

durante la operacin del sistema.


43/95

43Transiciones de entrada y salida

4 2 Sifones invertidos:


44/95

44

4.2 Sifones invertidos:

Es una estructura utilizada para atravesar

depresiones o vas de comunicacin cuando elnivel de la superficie libre de agua del canal mayores mayor que la rasante del crucey no hay espaciopara lograr el paso de vehculos o el paso del agua.


45/95

45

La diferencia entre el sifn invertido y el acueducto

reside en que la seccin del sifn se apoyadirectamente en las laderas de la depresin, encambio el acueducto conserva su rasanteapoyado en la estructura del puente.

Los acueductos pueden tener la mismagradiente, pero conviene aumentarla un poco conel objeto de disminuir la seccin del acueducto y

por lo tanto su peso y su costo.

En el sifnla perdida de carga que se produceen el extremo es funcin del dimetroy por lo

tanto se determina con un calculo econmico.


46/95

46


47/95

47


48/95

48

los sifones pueden ser de tubera de un solodimetro decrecientes haciaabajo.

Un dimetro menor es capaz de soportar unapresin mayor sin necesidad de aumentar elespesor de las paredes.

El sifn puededestruirse en un terremoto, pero lamayora de las piezas son de acero que pueden

volver a emplearse.

El sifn necesita en su construccin de gente

especializada y de equipos de elevacin(gruas,

polispastos) y probablemente de suelda.


49/95

49


50/95

50

Las secciones mas recomendadas en los sifones

invertidos son:

Seccin rectangular:Con una relacin H/B =1.25 y con una seccin mnima de H = 1.0

metros y B = 0.80 metros.

Seccin circular :Con un dimetro mnimo de30, pueden ser en algunos casos proyectarse

bateras de conductos circulares


51/95

51

Transiciones con un ngulo de 12 30 tanto en el


52/95

52

Transiciones con unngulo de 12 30 , tanto en elingreso y a la salida se instalan rejas.


53/95

53

4 3 Para el diseo de los sifones invertidos


54/95

54

4.3 Para el diseo de los sifones invertidosindican:

Cruce de carreteras

Cruce de vas frreas

Cruce con canal o dren

Cruce de ros y arroyos

4 4 P t d if i tid


55/95

55

4.4 Partes de un sifn invertido:

Consta de las siguientes partes:

Desarenador

Desage de excedencias

Compuerta de emergencia y rejilla de entrada

Transicin de entrada

Conducto o Barril

Registros para limpieza y vlvulas de purga

Transicin de salida


56/95

56


57/95

57

4 5 Criterios de diseo:


58/95

58

4.5 Criterios de diseo:

Cuandoel caudal por conducir es grande y supera

un conducto de 6.00 metros de dimetro se diseauna batera de sifones.

Paracargas pequeas entre 0 y 5 metros, se prefiere

las secciones cuadradas y rectangulares.

Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo

los requerimientos de cobertura, pendiente de tubo,

ngulos de doblados y sumergencia de la entrada ysalida.


59/95

59

Si el sifn cruza un canal revestido se

considera suficiente 0.30 m de cobertura.

Las perdidas de carga por la entrada y salida

para las transiciones tipo cubierta partida, se

pueden calcular rpidamente con los valores0.4hv y 0.65 hvrespectivamente.

La pendiente de los tubos doblados no debe ser


60/95

60

La pendiente de los tubos doblados, no debe ser

mayor a 2:1 y la pendiente mnima del tubo

horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda

transicin de concreto a la entrada y la salidacuando el sifn cruce caminos principales.

Con la finalidad de evitar desbordes aguasarriba del sifn debido a la ocurrencia fortuita decaudales mayores al de diseo, se recomiendaaumentar en un 50% o 0.30 m como mximoal

borde libre del canal en una longitud mnima de 15m a partir de la estructura.


61/95

A fin de evitar remansos aguas arriba las


62/95

62

A fin de evitar remansos aguas arriba, lasperdidas totales computadas se incrementanen 10%.

En el diseo de la transicin de entrada se

recomienda que la parte superior de la abertura

del sifn, este ligeramente debajo de la superficie

normal del agua, en el diseo se toma 1.5 veces

la carga de velocidad del sifn o 1.1 como

mnimo o tambin 3.

En sifones relativamente largos se proyectan


63/95

63

Ensifones relativamente largos, se proyectanestructuras de aliviopara permitir un drenajedel tubo para su inspeccin y mantenimiento.

En sifones largos bajo ciertas condiciones la

entrada puede no sellarse ya sea que el sifn

opere a flujo parcial o flujo lleno, con un

coeficiente de friccin menor que el asumido en

el diseo, por esta raznse recomienda usar n= 0.008. Cuando se calculan las perdidas de

energa.


64/95

64

Con la finalidad deevitar la cavitacin a vecesse ubica ventanas de aireacin en lugares

donde el aire podra acumularse.

Cuando el sifn, cruza debajo de unaquebrada, es necesario conocer el gasto

mximo de la creciente.

Para obtener una buena autolimpieza en el sifn

invertido, la velocidad del lquido en su interior

debe ser como mnimo de 0,90 m/s, que,adems de impedir la sedimentacin del material

slido en la tubera, es capaz de remover y

arrastrar los slidos ya depositados.


65/95

65

Un criterio de dimensionamiento alternativo, que

est siendo adoptado con xito en Brasil, es el de

garantizar una velocidad igual o superior a 0,60m/s para el caudal medio, a lo largo de todo elperodo de proyecto. Este criterio, da resultados

prximos a aquellos obtenidos por el uso del

anteriormente expuesto.

La velocidad mxima es funcin de lascaractersticas del material del sifn y de la carga

disponible, pero de un modo general se aconsejaque la mismano supere 3,0 m/s

En el cruce de un canal con una quebrada, el sifn


66/95

66

se proyecta para conducir el menor gasto y losuficientemente profundo para no ser socavado,

en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones unsifn constituye un peligro, principalmente.

Cuando est cerca de centros poblados, siendo

necesario el uso de rejillas pero con ladesventajade que puedan obturarse las aberturasy causar remansos.

Las dimensiones del tubo se determinansatisfaciendo los requerimientos de cobertura,pendiente en el suelo, ngulos de doblados y

sumergencia de la entrada y salida.


67/95

67

Cuando el sifn cruza debajo de una quebrada, esnecesario conocer el gasto mximo de la

creciente.

Con la finalidad de evitar desbordes aguas arriba del

sifn debido a la ocurrencia fortuita de caudalesmayores al de diseo, se recomienda aumentar enun 50% 0.30 m como mximo al borde libre delcanal en una longitud mnima de 15 m a partir de la

estructura.

Con respecto a las prdidas de cargas totales, serecomienda la condicin que sean iguales omenores a 0.30 m.


68/95

68

Con la finalidad de determinarel dimetro del tuboen sifones relativamente cortos con transiciones

de tierra, tanto en entrada como salida, se puede usaruna velocidad de 1 m/seg. En sifones con transicionesde concreto igualmente cortos se puede usar 1.5

m/seg y para sifones largos con transiciones de

concreto con o sin control de entrada entre 3 a

2.5m/seg.


69/95

DONDE

69


70/95

Existen tambin otras frmulas para calcular la

altura mnima:

,el modelo de Polikouski y Perelman

siendo,vt la velocidad media en la tubera delsifn y D el dimetro de la tubera en metros.

70


71/95


72/95

72

La simbologa a emplearse:

: Longitud transicin de entrada

: longitud transicin de salida

: longitud del sifn

: velocidad del canal de entrada

: Velocidad del canal de salida

: Velocidad en el sifn: Pendiente del sifn

: Pendiente del canal

: Aceleracin de la gravedad

a Perdidas de carga en las transiciones de entrada y salida:


73/95

73

a. Perdidas de carga en las transiciones de entrada y salida:Las perdidas de carga en las transiciones son:

Donde :kt : 0.1 en la transicin de entradakt :0.2 en la transicin de salida

b. Perdidas de carga en las rejillas:Se calcula segn Kirschmer:

De donde:Kr : coeficiente que depende de la forma de la reja

: ngulo que hace la reja con la horizontal

s : espesor de la reja

b : luz entre rejas


74/95

74

Para rejillas completamente sumergidas se emplea la formula de Creager:


75/95

75

Siendo:

Donde:ag = rea bruta de la estructura de rejillasan= rea neta de paso entre rejillas

V = velocidad neta a travs de rejillas.

c. Perdida de carga en la entrada y salida:

De donde:h3 = prdida de carga por entrada al conducto

v = Velocidad del agua en el barril

Ke = Coeficiente que depende de la forma de entrada

d. Perdida de carga de friccin en el sifn:


76/95

76

VALORES DE KeCompuerta en pared delgada - contraccin suprimida en

lados y en el fondo 1

Para entradas con arista en ngulo recto 0,5

Para entrada con arista ligeramente redondeada 0,23

Para entradas con arista completamente redondeada R/D =

0,15 0,1

para entrada abocinada circular 0,004

g

R= radio hidrulico

L = longitud total del conducto

v = velocidad del agua en el conductoS = pendiente de la lnea de energa

e. Perdida de carga debida a codos y cambios de direccin:

: ngulo de deflexin del sifn


77/95

77

f. Perdidas ampliacin: segnBorda;la perdida de carga es:

SegnArcher:


78/95

4 7 DISEO DE UN

SIFON INVERTIDO

78

PROCEDIMIENTO DE CALCULO


79/95

79

PROCEDIMIENTO DE CALCULO

1. Calcular las dimensiones del canal:2. Calcular las dimensiones del conducto:2.1Si se conoce el caudal , y suponiendo una velocidad, aplicando la ecuacin

de continuidad se tiene:

2.2Definir el tipo de seccin transversal del conducto:

Circular Cuadrada

Rectangular

2.3 Calcular las dimensiones:

Si la seccin es circular :

2.4 Recalcular v :

3. Calcular las transiciones:


80/95

80

3.1 Calcular la transicin exterior de trapezoidal a rectangular:

De donde:

= Longitud transicin exterior

T = espejo del aguat = D = dimetro del conducto

3.2 Calcular la longitud de la transicin interior de rectangular a

circular.

De donde:

= Longitud transicin interior

D = Dimetro del conducto

4. Calcular la carga disponible:


81/95

g p4.1 Calcular la diferencia de cotas

4.2 Calcular las perdidas totales aproximadas:

: Sumatoria de las perdidas totales.

Para una tubera llena.

Para lo cual:

81

4.3 Si ; no hay problema para continuar los clculos:


82/95

5. Clculos en el sifn:5.1 Calculo de

Aplicar la ecuacin de la energa entre 1 y 2 :

De donde debe ser positiva.

5.2 Calcular el % de ahogamiento a la salida del sifn:

Verificar que el % de ahogamiento >= 10 %.

82

5.3 Calculo de


83/95

Aplicando la ecuacin de la energa entre 3 y 2 :

De donde:

y3 = D ( aprox.)

Z3 = Z2

5.4 Calculo de la ecuacin de la energa entre 4 y 3 :

83

Z4-Z5 = diferencia de cotas de los puntos 4 y 3

y4 = y3 = D


84/95

y4 y3 D

v4= v3 = v 0 velocidad en el conducto

5.5 Clculos de y5 , he:

Donde :

Z5 = Z4

y4 = D.

84

5 6 Calculo del % de ahogamiento en la entrada del sifn


85/95

5.6 Calculo del % de ahogamiento en la entrada del sifn

85

Verificar que el % de ahogamiento >= 10 %.

5.7 Calculo de y6 y hte :

Aplicando la ecuacin de la energia entre 6 y 5 :

De donde:Z6-Z5 = es la diferencia de cotas entre estos puntos

Debemos considerar que es positivo.


86/95

5.8 Calculo de las perdidas totales:

De donde:= perdidas totales

= perdidas en las entradas

= perdidas en la entrada ( reduccin)

= perdidas de friccin en el conducto= perdida en los codos

= perdida en la salida ( ampliacin).

= perdida por la transicin de salida.

5.9 debemos comparar con elSi , el conjunto de perdidas es absorbido por la diferencia de

cotas.

Si realizar cambios, los cambios que pueden realizarse son:

dimetro de la tubera y manejo de las cotas86

EL VALOR DE Ke, PARA LAS DIFERENTES CONDICIONES DE ENTRADA


87/95

87

TIPO DE ENTRADA VARIACION PROMEDIO

Para entradas con aristas rectangularesinstaladas al ras en los muros de cabeza

verticales

0,43-0,70 0,5

Para entradas con aristas redondeadas

instaladas al ras en muros de cabezaverticales r/D >= 0,15

0,08 -0,270 0,1

Para tubo de concreto de espiga o de

campana instalado al ras en el muro de

cabeza vertical

0,10 -0,33 0,15

Para tubos de concreto salientes con

extremos de espiga o campana0 0,2

Para tubos de acero o de metal ondulado 0,5-0,9 0,85


88/95

88

DATOS PARA LA SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIAS


89/95

89

Transicin de TierraVmax= 1,06 m/s

Transicion de ConcretoVmax= 1,52 m/s Tuberas

Caudal (m3/s) Caudal (m3/s) Dimetro ( pulg.) Dimetro ( cm.) rea ( m2)

0 -0,076 0-0,11 12 30,48 0,073

0,077 - 0,112 0,111-0,173 15 38,1 0,114

0,123 - 0,176 0,174-0,249 18 45,72 0,164

0,177 - 0,238 0,250-0,340 21 53,34 0,223

0,239-0,311 0,341-0,445 24 60,96 0,292

0,312-0,393 0,446-0,564 27 68,58 0,369

0,394-0,487 0,565-0,694 30 76,2 0,456

0,488-0,589 0,695-0,841 33 83,82 0,5520,590-0,699 0,842-1,00 36 91,44 0,656

0,700-0,821 1,001-1,175 39 99,06 0,771

0,822-0,954 1,176-1,362 42 106,68 0,894

0,955-1,096 1,363-1,563 45 114,3 1,026

1,097-1,246 1,564-1,778 48 121,92 1,167

1,247-1,407 1,779-2,008 51 129,54 1,318

1,408-1,578 2,009-2,251 54 137,16 1,4781,579-1,756 2,252-2,509 57 144,78 1,646

1,757-1,946 2,510-2,781 60 152,4 1,824

1,947-2,146 63 160,02 2,011

2,147-2,356 66 167,64 2,207

2,357-2,574 69 175,26 2,412

2,575-2,803 72 182,88 2,626


90/95

5 PRACTICA DIRIGIDA

90

Un canal trapezoidal de ancho de solera de 1m ,


91/95

91

talud 1, en la tierra(n=0.025), esta trazado con una

pendiente de 0.5 oo y conduce un caudal de 1 m3/s.

En cierto tramo de su perfil longitudinal como semuestra en la figura.

Realizar el diseo hidrulico del sifn invertido(l=80

m).

Un canal trapezoidal de ancho de solera de 2m ,


92/95

92

talud 1.5, en la tierra(n=0.025), esta trazado con una

pendiente de 0.5 oo y conduce un caudal de 5 m3/s.

En cierto tramo de su perfil longitudinal como semuestra en la figura.

Realizar el diseo hidrulico del sifn invertido(L=150

m).

6 Conclusiones finales


93/95

6. Conclusiones finales

93

El sifn, consiste en un brusco descenso del

conducto hasta la cota necesaria, luego un tramohorizontal bajo esa obstruccin y finalmente un

ascenso hasta la cota del terreno.

La existencia deaire en el interior del conducto,ya sea durante su operacin en rgimen odurante un proceso de llenado puede originar

efectos de sobrepresin.

Se recomienda monitorear el funcionamiento del


94/95

94

Serecomienda monitorear el funcionamiento delsistema de tuberas,, registrndose los niveles deoperacin caractersticos y verificndose su

compatibilidad con las condiciones de borde

existentes en el sistema.

La importancia delconocimiento de la mecnicade fluidos en el diseo de las obras de arte, yen nuestro caso en el diseo hidrulico de un

sifn.


95/95

FIN DE LA EXPOSICION

Diseohidraulicodeunsifon 150615102434 Lva1 App6891

Documents

Transcript of Diseohidraulicodeunsifon 150615102434 Lva1 App6891