Proyecto de Hidrálica

54
DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC PROYECTO DE HIDRÁLICA CRISTIAN ANDRES MENDOZA SANDOVAL RANDY MARCELA SOTO PEREZ JUAN CARLOS PALENCIA ORTIZ UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA CIVIL HIDRÁULICA, GRUPO A

description

analisis de un canal

Transcript of Proyecto de Hidrálica

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

PROYECTO DE HIDRÁLICA

CRISTIAN ANDRES MENDOZA SANDOVAL

RANDY MARCELA SOTO PEREZ

JUAN CARLOS PALENCIA ORTIZ

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA CIVIL

HIDRÁULICA, GRUPO A

CÚCUTA – NORTE DE SANTANDER

2014

PROYECTO DE HIDRÁLICA

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

PROYECTO CANAL SAN NICOLAS III

CRISTIAN ANDRES MENDOZA SANDOVAL 1111307

RANDY MARCELA SOTO PEREZ 1111381

JUAN CARLOS PALENCIA ORTIZ 1111362

Presentado a:

ING. GUSTAVO ADOLFO CARRILLO SOTO

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS

INGENIERÍA CIVIL

HIDRÁULICA, GRUPO A

CÚCUTA – NORTE DE SANTANDER

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC TABLA DE CONTENIDO

1) Carta de presentación2) Visión 3) Misión 4) Valores5) Estrategia6) Organización interna de la empresa7) Introducción8) Objetivos 8.1. Objetivo general 8.2. Objetivos específicos9) Marco teórico 9.1. Tipos de flujo 9.2. Regímenes de Flujo 9.3. Flujo en canales abiertos 9.4. Geometría del canal 9.5. Eficiencia en canales abiertos 9.6. Energía en canales abiertos 9.7. Interpretación en canales abiertos 9.8. Perfiles de superficie libre 10) obtención de datos 10.1. Procedimiento de medición 10.2. Proceso 10.3. En la oficina 11) localización del canal 12) corte transversal del Canal San Nicolás III 13) cálculos 14) curva de calibración 15) conclusiones 16) recomendación 17) anexos 18) bibliografía

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC San José De Cúcuta, 24 de mayo del 2014

IngenieroGustavo Adolfo Carrillo Soto.

Cordial saludo

Nos es grato dirigirnos a Ud. Para enviarle nuestra carta de presentación con el fin de presentar a nuestra Firma DISEÑOS DE INGENIERIA CIVIL JMC especializada en Ingeniería, Construcción, Supervisión y Gerencia de Proyectos.

En desarrollo de nuestras funciones como Firma, durante el mes de mayo del año en curso, realizamos análisis hidráulico al canal san Nicolás III localizado en la Avenida 2 con calle 4 del municipio de los patios.

Resultado de las revisiones y evaluaciones de la firma, se concluye que el canal se construyó por necesidad de la comunidad buscando evacuar las aguas lluvias que bajan de la montaña que se ubica detrás de las torres de tierra linda y san nicolas III.

En este orden de ideas DISEÑOS DE INGENIRIA CIVIL JMC consulto de manera exhaustiva un tramo de 74 metros de longitud del canal Y de esta forma verifica su pendiente, y realizar sus respectivos cálculos hidráulicos, con respecto a la sección transversal del canal, analizado para así concluir con una curva de calibración ´sintética´ o teórica.

Agradezco la atención recibida, cualquier aclaración o duda en referencia al informe con gusto será atendida.

Atentamente.

DISEÑOS DE INGENIERIA CIVIL JMC.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC MISION

DISEÑOS DE INGENIERIA CIVIL JMC somos una empresa de servicios integrales de ingeniería y construcción, orientada a satisfacer las necesidades de nuestros clientes, ofreciéndoles servicios de alta calidad y respetuosos con el medio ambiente, además dando a nuestros empleados la posibilidad de desarrollarse profesionalmente, y todo ello maximizando la rentabilidad de la empresa.

VISION

DISEÑOS DE INGENIERIA CIVIL JMC quiere ser protagonista en el negocio de la construcción, contribuyendo al desarrollo de nuestros clientes a través de la ejecución de proyectos exitosos, basados en la calidad del servicio, con un equipo de trabajo comprometido con la excelencia, que se desempeña en un entorno que fomenta el desarrollo profesional y personal.

VALORES

• ORIENTACIÓN AL CLIENTE: ofreciéndoles la excelencia en la prestación de servicios.

• INTERÉS POR LAS PERSONAS: creando un ambiente óptimo de trabajo y asegurando la oportunidad de desarrollo profesional.

• INNOVACIÓN: apostamos por la mejora continua y la innovación para alcanzar la excelencia en nuestros trabajos.

• SOSTENIBILIDAD: basamos nuestro proyecto empresarial en criterios de responsabilidad económica social y medio ambiental.

• BÚSQUEDA DE RESULTADOS: fijamos objetivos y planes de trabajo para asi obtener una rentabilidad creciente y sostenible.

• RESPONSABILIDAD SOCIAL: estamos en contacto permanente con la sociedad, lo cual nos permite conocer sus necesidades y trabajar para ayudar a satisfacerlas. De esta forma destinamos parte de nuestros beneficios a acción social.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC ESTRATEGIA

Mejora continua de nuestros productos y servicios a través del manejo de información de vanguardia en tecnología y procesos ecológicos de ahorro de recursos, así como en capacitación y desarrollo de nuestro capital humano

para la creación de soluciones.

ORGANIZACIÓN INTERNA DE LA EMPRESA

JUAN CARLOS PALENCIADirector general

RANDYSOTO CRISTIAN MENDOZA Dirección de ingeniería Director financiero

Dirección General: Busca cumplir los acuerdos de la junta administrativa, vigilar el cumplimiento de los programas y normas de la empresa, coordinar las direcciones, formular los diferentes tipos de proyectos entre otros.

Dirección Financiera: Busca obtener los resultados necesarios, formular el programa anual financiero, dirigir las labores administrativas de su área.

Dirección de ingeniería: Logística, planificación y control: gerencia de proyectos de estudios de ingeniería, gerencia de proyectos inspección.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

MARCO TEORICO

TIPOS DE FLUJO

El flujo en canales abierto puede clasificarse en muchos tipos y distribuirse de diferentes maneras. La siguiente clasificación se hace de acuerdo con el cambio en la profundidad del flujo con respecto al tiempo y al espacio.

FLUJO PERMANENTE Y NO PERMANENTE: tiempo como criterio. Se dice que el flujo en un canal abierto es permanente si la profundidad del flujo no cambia o puede suponerse constante durante el intervalo de tiempo en consideración.

EL FLUJO ES NO PERMANENTE si la profundidad no cambia con el tiempo. En la mayor parte de canales abiertos es necesario estudiar el comportamiento del flujo solo bajo condiciones permanentes. Sin embargo el cambio en la condición del flujo con respecto al tiempo es importante, el flujo debe tratarse como no permanente, el nivel de flujo cambia de manera instantánea a medida que las ondas pasan y el elemento tiempo se vuelve de vital importancia para el diseño de estructuras de control. Para cualquier flujo, el caudal Q en una sección del canal se expresa por Q=VA. Donde V es la velocidad media y A es el área de la sección transversal de flujo perpendicular a la dirección de este, debido a que la velocidad media está definida como el caudal divido por el área de la sección transversal.

FLUJO UNIFORME Y FLUJO VARIADO: espacio como criterio. Se dice que el flujo en canales abiertos es uniforme si la profundidad del flujo es la misma en cada sección del canal. Un flujo UNIFORME puede ser permanente o no permanente, según cambie o no la profundidad con respecto al tiempo. El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. El establecimiento de un flujo uniforme no permanente requeriría que la superficie del agua fluctuara de un tiempo a otro pero permaneciendo paralela al fondo del canal.

El flujo es VARIADO si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo VARIADO PUEDE SER PERMANENTE O NO PERMANENTE es poco frecuente, el término "FLUJO NO PERMANENTE" se utilizara de aquí en adelante para designar exclusivamente el flujo variado no permanente.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente varia o gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias compartida mente cortas; de otro modo, es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la caída hidráulica.

A.- flujo permanente

1) flujo uniforme

2) flujo variado

a) flujo gradualmente variado

b) flujo rápidamente variado

B.- flujo no permanente

1) flujo uniforme no permanente "raro"

2) flujo no permanente (es decir, flujo variado no permanente)

a) flujo gradualmente variado no permanente

b) flujo rápidamente variado no permanente

REGIMENES DE FLUJO: en un canal el efecto combinado de la viscosidad y la gravedad puede producir cualquiera de 4 regímenes de flujo, los cuales son:

subcrítico-laminar súper critico-laminar subcrítico-turbulento supercrítico-turbulento

FLUJO EN CANALES ABIERTOS

 El flujo de canales abiertos tiene lugar cuando los líquidos fluyen por la acción de la gravedad y solo están parcialmente envueltos por un contorno sólido. En el flujo de canales abiertos, el líquido que fluye tiene superficie libre y sobre él no actúa otra presión que la debida a su propio peso y a la presión atmosférica. El flujo en canales abiertos también tiene lugar en la naturaleza, como en ríos, arroyos, etc., si bien en general, con secciones rectas del cauce irregulares. De forma artificial, creadas por el hombre, tiene lugar en los canales, acequias, y canales de desagüe. E n la mayoría de los casos. Los canales tienen secciones

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC rectas regulares y suelen ser rectangulares, triangulares o trapezoidales. También tienen lugar el flujo de canales abiertos en el caso de conductos cerrados, como tuberías de sección recta circular cuando el flujo no es a conducto lleno. En los sistemas de alcantarillado no tiene lugar, por lo general, el flujo a conducto lleno, y su diseño se realiza como canal abierto. 

NUMERO DE FROUDE:

El número de Reynolds y los términos laminar y turbulentos no bastan para caracterizar todas las clases de flujo en los canales abiertos.

El mecanismo principal que sostiene flujo en un canal abierto es la fuerza de gravitación. Por ejemplo, la diferencia de altura entre dos embalses hará que el agua fluya a través de un canal que los conecta. El parámetro que representa este efecto gravitacional es el Número de Froude, puede expresarse de forma adimensional. Este es útil en los cálculos del resalto hidráulico, en el diseño de estructuras hidráulicas y en el diseño de barcos.

L - parámetro de longitud [m] v - parámetro de velocidad [m/s] g - aceleración de la gravedad [m/s²]

El flujo se clasifica como:

Fr<1, Flujo subcrítico o tranquilo, tiene una velocidad relativa baja y la profundidad es relativamente grande, prevalece la energía potencial. Corresponde a un régimen de llanura.

Fr=1, Flujo crítico, es un estado teórico en corrientes naturales y representa el punto de transición entre los regímenes subcrítico y supercrítico.

Fr>1, Flujo supercrítico o rápido, tiene una velocidad relativamente alta y poca profundidad prevalece la energía cinética. Propios de cauces de gran pendiente o ríos de montaña.

FLUJO PERMANENTE Y UNIFORME

El flujo uniforme permanente es el tipo de flujo fundamental que se considera en la hidráulica de canales abiertos. La profundidad del flujo no cambia durante el intervalo de tiempo bajo consideración. En el caso especial de flujo uniforme

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC y permanente, la línea de alturas totales, la línea de altura piezométricas y la solera del canal son todas paralelas, es decir, son todas iguales sus pendientes.

La característica principal de un flujo permanente y uniforme en canales abiertos es que la superficie del fluido es paralela a la pendiente del canal, es decir, dy/dx = 0 o la profundidad del canal es constante, cuando la pendiente final (Sf) es igual a la pendiente inicial (So) del canal. Estas condiciones se dan comúnmente en canales largos y rectos con una pendiente, sección transversal y un revestimiento de las superficies del canal homogéneo, caso tipito en regadíos. En el diseño de canales es muy deseable tener este tipo de flujo ya que significa tener un canal con altura constante lo cual hace más fácil diseñar y construir. Las condiciones de flujo permanente y uniforme solo se pueden dar en canales de sección transversal prismáticas, es decir, cuadrada, triangular, trapezoidal, circular, etc. Si el área no es uniforme tampoco lo será el flujo. La aproximación de flujo uniforme implica que la velocidad es uniforme es igual a la velocidad media del flujo y que la distribución de esfuerzos de corte en las paredes del canal es constante.

Bajo las condiciones anteriores se pueden obtener las siguientes relaciones, denominadas relaciones de Chezy–Manning, para la velocidad V y el caudal Q:

Dónde:

K: Valor constante según las unidades a utilizar.Ac: Área de la sección del Canal.

Rh: Radio hidráulico de la sección.

So: Pendiente del Fondo del Canal.

n: Coeficiente de Manning

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

En la tabla anterior se observan los valores para el coeficiente de Mannig (n) donde, como se mencionó k vale 1.0 y 1.49 para el sistema internacional (SI) y el británico respectivamente, n se denomina coeficiente de Manning y depende del material de la superficie del canal en contacto con el fluido.En muchos canales artificiales y naturales la rugosidad de la superficie del canal, y por lo tanto el coeficiente de Manning, varia a lo largo del perímetro mojado de este. Este es el caso, por ejemplo, de canales que tienen paredes de concreto armado y con un fondo de piedra, el caso de ríos en épocas de bajo flujo la superficie es completamente de piedras y en épocas de crecidas parte del rió fluye por la ladera del rió, compuesto generalmente por piedras, arbustos, pasto, etc. Por lo tanto, existirla una rugosidad efectiva que debe ser una combinación de las distintas rugosidades existentes. Una forma de solucionar este tipo de problemas es dividir el canal tantas secciones como tipos de materiales de pared existan y analizar cada división en forma aislada. Cada una de las secciones tendría su propio perímetro mojado Pi, un área Ai y coeficiente de Manning ni. Los Pi no deben incluir los límites imaginarios entre las distintas secciones generadas al dividir la superficie original. Este método también es conocido como “Método de superposición para perímetros no uniformes”.

GEOMETRIA DEL CANAL

Un canal con una sección transversal invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático. De otra manera, el canal es no prismático; un ejemplo es un vertedero de ancho variable y alineamiento curvo. Al menos que se indique específicamente los canales descritos son prismáticos.

El trapecio es la forma más común para canales con bancas en tierra sin recubrimiento, debido a que proveen las pendientes necesarias para la estabilidad.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC El rectángulo y el triángulo son casos especiales del trapecio. Debido a que el rectángulo tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos para materiales estables, como mampostería, roca, metal o madera. La sección transversal solo se utiliza para pequeñas asqueas, cunetas o a lo largo de carreteras y trabajos de laboratorio. El círculo es la sección más común para alcantarillados y alcantarillas de tamaño pequeño y mediano.

Los elementos geométricos de una sección de canal son propiedades que estarán definidas por completo por la geometría de la sección y la profundidad del flujo del canal. Estos elementos son muy importantes para el estudio de los flujos en canales abiertos y las expresiones mas características son las siguientes:Rh= Ac/PDonde Rh es el radio hidráulico en relación al área mojada (Ac) con respecto su perímetro mojado (P).Yc = Ac/bLa profundidad hidráulica D es relación entre el área mojada y el ancho de la superficie.

EFICIENCIA EN CANALES ABIERTOS

Se conoce que los sistemas de canales abiertos se diseñan con el fin de trasportar líquidos desde un lugar determinado hasta otro con una altura de cota menor a la inicial, manteniendo un caudal o una razón de flujo constante bajo la influencia de la gravedad al menor precio posible. Debido a que no es necesario la aplicación de energía al sistema el costo de construcción se traduce al valor inicial una vez comenzados los trabajos, traduciéndose en el tamaño físico de la obra, por tal razón para una longitud establecida el perímetro de la sección representara también el costo del sistema; por lo cual debe mantenerse al mínimo para no incrementar los costos y los tamaños de la sección. Debido a lo anteriormente mencionado, la eficiencia de un canal tiene relación con encontrar un área de paso (Ac) mínima para transportar un caudal (Q) dado, con una pendiente del canal (So) y coeficiente de Manning (n) dados.

Por lo cual, escribiendo el radio hidráulico como Rh = Ac/P la ecuación de caudal se puede reescribir de la siguiente forma:

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC Despejando el área (A)

Donde la cantidad entre paréntesis es constante. La ecuación anterior indica que un área de paso mínima está asociada a un perímetro mojado mínimo y por lo tanto las necesidades de excavación como de material, para cubrir las superficies del canal, son mínimas, influyendo directamente en los costos de construcción como se mencionó anteriormente.

La forma con el perímetro mínimo por unidad de área es el círculo, por lo tanto tomando en cuenta la mínima resistencia del flujo en esta sección, la mejor sección transversal para un canal abierto es el semicírculo. Sin embargo en el campo de la construcción resulta más económico construir un canal con lados rectos como las secciones trapezoidales o rectangulares en vez de un semicírculo, lo que lleva a analizar cuál de las diferentes secciones a utilizar es la más conveniente para el sistema.

Secciones Rectangulares:

Criterio para mejor sección transversal hidráulica (para canal rectangular):

Canales Trapezoidales

Para canales trapezoidales se toman los mismos criterios para la sección hidráulica más eficiente:

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

Como conclusión se puede decir que la mejor sección transversal hidráulica para un canal abierto es la que tiene el máximo radio hidráulico o, proporcionalmente, la que tiene menor perímetro mojado para una sección transversal especifica. 

ENERGIA EN CANALES ABIERTOS

En hidráulica se sabe que la energía total d el agua en metros-kilogramos por kilogramos de cualquier línea de corriente que pasa a través de una sección de canal puede expresarse como la altura total en pies de agua, que es igual a la suma de la elevación por encima del nivel de referencia, la altura de presión y la altura de velocidad.

Energía de un flujo gradualmente variado en canales abiertos.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC Por ejemplo, con respecto al plano de referencia, la altura H de una sección 0 que contiene el punto A en una línea de corriente del fluido de un canal de pendiente alta, puede escribirse como:

De acuerdo con el principio de conservación de energía, la altura de energía total en la sección 1 localizada aguas arriba debe de ser igual a la altura de energía total en la sección 2 localizada aguas abajo más la pérdida de energía hf entre las dos secciones, ver figura.

Esta ecuación es aplicable a flujos paralelos o gradualmente variados. Para un canal de pendiente pequeña, esta se convierte en

ENERGIA ESPECIFICALa energía específica en una sección de canal se define como la energía de agua en cualquier sección de un canal medida con respecto al fondo de este.

O, para un canal de pendiente pequeña y =1, la ecuación se convierte en

La cual indica que la energía específica es igual a la suma de la profundidad del agua más la altura de velocidad. Para propósitos de simplicidad, el siguiente análisis se basará en un canal de pendiente pequeña. Como V=Q/A, puede escribirse como E=y+Q2/2gA2. Puede verse que, para una sección de canal y caudal Q determinados, la energía específica en una sección de canal sólo es función de la profundidad de flujo.Cuando la profundidad de flujo se gráfica contra la energía para una sección de canal y un caudal determinados, se obtiene una curva de energía específica, como se muestra en la siguiente figura. Esta curva tiene dos ram as, AC y BC. La rama AC se aproxima asintóticamente al eje horizontal hacia la derecha. La rama BC se aproxima a la línea OD a medida que se extiende hacia arriba y hacia la derecha. La línea OD es una línea que pasa a través del origen y tiene un ángulo de inclinación. Para un canal de pendiente alta, el ángulo de inclinación de la línea OD será diferente de 45°. En cualquier punto P de esta curva, la ordenada representa la profundidad y la abscisa representa la energía

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC específica, que es igual a la suma de la altura de presión "y" y la altura de velocidad V2/2g. Ven Te Chow (1994).

Curva de energía especifica

La curva muestra que, para una energía específica determinada, existen dos posibles profundidades, la profundidad baja y1 y la profundidad alta y2. La profundidad baja es al profundidad alterna de la profundidad alta, y viceversa. En el punto C, la energía específica es mínima. Por consiguiente, en el estado crítico es claro que las dos profundidades alternas se convierten en una, la cual es conocida como profundidad crítica yc. Cuando la profundidad de flujo es mayor que la profundidad crítica, la velocidad de flujo es menor que la velocidad crítica para un caudal determinado y, por consiguiente, el flujo es subcrítico. Cuando la profundidad de flujo es menor que la profundidad crítica, el flujo es subcrítico. Por tanto, y1 es la profundidad de un flujo supercrítico y y2 es la profundidad de un flujo supercrítico. Ven Te Chow (1994)

INTERPRETACION DE FENOMENOS LOCALES

En los canales abiertos es muy común apreciar cambios en el estado del flujo, (de supercrítico a subcrítico, o viceversa, tales cambios se dan con un correspondiente cambio en la profundidad del flujo. Si el cambio ocurre de forma rápida, a lo largo de una distancia considerablemente corta, el flujo es rápidamente variado y se conoce como Fenómeno Local.

Dentro de este tipo de fenómenos encontramos la caída hidráulica y el resalto hidráulico:

1. Caída Hidráulica: un cambio rápido en la profundidad de un flujo de nivel alto a un nivel bajo, resultará en una depresión abrupta de la superficie del agua. Por lo general este fenómeno es consecuencia de un cambio brusco de

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC pendiente o de la sección transversal del canal. En la región de transición de la caída, suele aparecer una curva invertida que conecta las superficies del agua antes y después de dicha caída. El punto de inflexión de la curva, indica la Posición aproximada de la profundidad crítica para la cual la energía es mínima y el flujo pasa de ser subcrítico a supercrítico.

Cuando existe una discontinuidad en el fondo de un canal plano, ocurre una caída hidráulica especial, conocida como caída libre. A medida que la caída avanza en el aire en forma de lámina, no existirá curva invertida en la superficie del agua hasta que esta choque con algún obstáculo en la elevación más baja. Es sabido que si no se añade energía externa, la superficie del a gua buscará siempre la posición más baja posible, la cual corresponde al menor contenido de disipación de energía. Si la energía específica en una sección localizada aguas arriba es E, como se muestra en la curva, la energía continuará disipándose en el recorrido hacia aguas abajo hasta alcanzar una energía mínima Emín. La curva indica que la sección crítica (sección de energía mínima) debe ocurrir en el borde de la caída. La profundidad en el borde no puede ser menor que la profundidad crítica debido a que una disminución adicional en la profundidad implicaría un incremento en la energía específica lo cual es imposible a menos que se suministre energía externa compensatoria.

Interpretación de Caída libre mediante una curva de energía específica.

Por otro lado, es importante mencionar, a modo de aclaración que, si el cambio en la profundidad de flujo desde un nivel alto a un nivel bajo se da de forma gradual, este se convierte en un flujo gradualmente variado, el cual tiene una curva inversa prolongada en la superficie del agua, sin embargo este fenómeno no es considerado local.

2. Resalto Hidráulico: este fenómeno ocurre cuando el cambio de profundidad del flujo es desde un nivel bajo a un nivel alto. Si el cambio de profundidad es pequeño, se denominará resalto ondulatorio, puesto que el agua no subirá de manera abrupta y obvia, sino que pasara de un nivel a otro, a través de una serie de ondulaciones que van disminuyendo gradualmente de tamaño. Si por el contrario el cambio de profundidad es grande, se conoce como resalto

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC directo. Este involucra una pérdida de energía relativamente grande mediante la disipación en el cuerpo turbulento de agua dentro del resalto. En consecuencia el contenido de energía en el flujo después del resalto es considerablemente menor que el contenido antes del mismo.

Interpretación de Resaltó o Hidráulico mediante la curva de energía específica.

RESALTO HIDRAULICO O SALTO HIDRAULICO

El resalto hidráulico es el ascenso brusco del nivel del agua que se presenta en un canal abierto a consecuencia del retardo que sufre una corriente de agua que fluye a elevada velocidad. Este fenómeno presenta un estado de fuerzas en equilibrio, en el que tiene lug ar un cambio violento del régimen de flujo, de supercrítico a subcrítico.

Este involucra una pérdida de energía relativamente grande mediante disipación en el cuerpo turbulento de agua dentro del resalto. En consecuencia, el contenido de energía en el flujo después del resalto es apreciablemente menor que el de antes del mismo. 

La profundidad antes del resalto es siempre menor que la profundidad después del resalto. La profundidad antes del resalto se conoce como profundidad inicial y1, y después del resalto se conoce como profundidad final y2.

Para flujo supercrítico en un canal horizontal, la energía de flujo se disipa a través de la resistencia a la fuerza de fricción a lo largo del canal, dando como

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC resultado un descenso en la velocidad y un incremento en la profundidad en la dirección del flujo. El resalto hidráulico se formará en el canal si el número de Froude F1 del flujo, la Profundidad de flujo y1 y la profundidad y2 aguas abajo satisfacen la ecuación de razón de profundidades:

El número de Froude siempre es mayor que la unidad antes del resalto y menor que la unidad después de él.

Si F1 > 1 Flujo Supercrítico

Si F2 <>

FLUJO NO UNIFORME DE VARIACIÓN GRADUAL

Los Flujos en un canal se caracterizan por la velocidad media, aun cuando exista un perfil de velocidad en una sección dada. El flujo se clasifica en una combinación de continuo o discontinuo, y de uniforme o no uniforme.

Los flujos no uniforme de variación rápida que sucede en tramos relativamente cortos o en transiciones de canales abiertos y Los flujos no uniforme de variación gradual, donde la superficie del agua se mantiene continuamente tranquila, la diferencia entre los dos es que en el flujo de variación rápida, las pérdidas son a menudo son ignoradas si consecuencias severas, mientras que en el flujo de variación gradual, es necesario incluir las pérdidas provocadas por esfuerzos cortantes distribuidos a lo largo del canal. El esfuerzo cortante es el mecanismo que ofrece mayor resistencia al flujo.

En tramos relativamente cortos, llamados transición, es cuando hay un cambio rápido de profundidad y de velocidad este tipo de flujo se denomina flujo de variación rápida, pero también a lo largo de tramos mas extensos de un canal es posible que la velocidad y la profundidad no varíen con rapidez, sino más bien que cambien lentamente. En este caso la superficie se considera como continua y el régimen se llama flujo de variación gradual, algunos ejemplo de este tipo de flujo son el agua de rechazo creada por un dique colocado en un

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC río, y el abatimiento de una superficie de agua conforme se aproxima a una catarata.

PERFILES DE SUPERFICIE LIBRE

Los flujos con superficie libre probablemente sea el fenómeno de flujo que con más frecuencia se produce en la superficie de la tierra. Las olas de los océanos, las corrientes de los ríos y las corrientes de agua de lluvia son ejemplos que suceden en la naturaleza. Las situaciones inducidas por los humano incluyen flujos en canales y alcantarillas, escurrimientos sobre materiales impermeables, tales como techos, lotes de estancamiento y el movimiento de las olas en los puertos.

En todas las situaciones el flujo se caracteriza por una interfaz entre el aire y la capa superior del agua, la cual se denomina superficie Libre. En la superficie libre, la presión es constante y en casi todas las situaciones, ésta es la atmosférica. En ese caso la línea piezométrica y la superficie libre del líquido coinciden. En general la altura de la superficie libre no permanece constante: puede variar de acuerdo con las velocidades del fluido.

Para diseñar y construir un sistema de canal hay que basarse en la profundidad del flujo proyectada a lo largo del canal, para ello es necesario tener en cuenta la profundidad del flujo y la geometría del canal, así como también conocer las características generales de los perfiles de superficie para flujos de de variación gradual que no solo dependen de la pendiente del fondo si no que también de la profundidad del flujo, por lo tanto un canal abierto incluye secciones de distintas pendientes de fondo So, asi como varios tramos de diferentes perfiles de superficie, por ejemplo la forma de perfil de superficie en un tramo es de pendiente decreciente es diferente a un tramo de pendiente ascendente .

En el perfil de superficie se presenta el balance entre el peso del líquido, la fuerza de fricción y los defectos inerciales.

A los perfiles superficiales de líquido a diferentes pendientes se les designa una letra indicando le pendiente del canal y un número que denota la profundidad del flujo relativa a las profundidades critica (yc) y normal (yn).

La pendiente del canal se clasifica en suave (M), critica(C), profunda (S), horizontal (H) y adversa (A) cuando yn. > yc, la pendiente del canal es suave, y si yn. < 0,(pendiente negativa).

Cuando un canal abierto tiene pendiente adversa el líquido fluye cuesta arriba.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC En los perfiles de superficiales de líquido hay que tener en cuenta que la clasificación de un tramo del canal depende tanto de la razón del flujo, como de la sección transversal del canal y la pendiente del flujo del canal. Antes de evaluar la pendiente se necesita calcula la profundidad crítica yc y a la profundidad normal yn: así tener en cuenta que muchas situaciones se presenta que cuando un tramo del canal que se clasifica por tener una pendiente suave para cierto flujo, puede tener una pendiente profunda para otro.

ALGUNOS PERFILES REPRESENTATIVOS DE SUPERFICIES

Un sistema de cana abierto está compuesto de algunos tramos de diferentes pendientes con conexiones conocidas como transiciones, por lo tanto, el perfil global de la superficie de flujo se define como un perfil continuo compuesto de perfiles individuales.

En la figura en la parte a y b se puede observar los flujos subcrítico o también denominado flujo lento, el nivel efectivo del agua en una sección determinada está condicionado a la condición de contorno situada aguas abajo.

podemos observar en la parte c de la figura un flujo supercrítico o también denominado flujo veloz, el nivel del agua efectivo en una sección determinada está condicionado a la cond ic ión de con to rno  situada aguas a r r iba , donde el canal abierto que cambia de una pendiente inclinada a una menos inclinada ,se nota que la velocidad del flujo en la parte menos profunda es más lenta.

en la parte final de la figura se ve como un flujo de pendiente suave cambia a pronunciada y se vuelve supercrítico. el cambio en la pendiente está acompañado por una disminución suave del flujo.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

BIBLIOGRAFIA

1) http://mecanicafluidos7mo.blogspot.com/2008/04/flujo-en-canales-abiertos.html

2) “MECANICA DE LOS FLUIDOS E HIDRAULICA” Ranald Giles, Cheng Liu. Serie Shaum.

3) “DISEÑO DE CANALES” Informe de la Universidad de Navarra, España.4) “HIDRÁULICA DE LOS CANALES ABIERTOS”. VEN TE

CHOW. EDITORIAL DIANA. MÉXICO. (33-37 Pp.)5) “HIDRÁULICA”. E. RUSSELL, GEORGE. EDITORIAL CECSA. MÉXICO.

(325-328 Pp.)6) “WIKIPEDIA” La enciclopedia libre.

7) Ven Te Chow, 1994: “Hidráulica de canales abiertos”. Mac Graw Hill.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC ANEXOS

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC FOTOS DE NUESTRO COMPAÑERO JUAN CARLOS PALENCIA

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC LOCALIZACION DEL CANAL SAN NICOLAS lll

El canal se encuentra localizado en la Avenida 2 con calle 4, el cual se encuentra en inmediaciones de los barrios san Nicolás III y tierra linda; en el municipio de los patios, norte de Santander, Colombia.

FIGURA 1. Localización del canal: san nicolas III

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC CORTE TRANSVERSAL DEL CANAL SAN NICOLAS III

El corte transversal en el canal se hizo en el punto con localización geográfica 7°48’54.81’’ N, 72°30’35.78’’ O. El cual se encuentra a una altura de 443,674 metros sobre el nivel del mar, con esta cota iniciamos nuestra cartera de nivelación compuesta.

PUNTO V+

VISTA INTERMEDIA V- HI COTA

DISTANCIA DEL CENTRO DEL CANAL

BM 1,28 447,78 446,51 2,525 445,255 1,62 3,06 444,72 1,23 3,48 444,3 0,64 3,98 443,8 05 3,48 444,3 0,66 3,047 444,733 1,27 2,75 445,03 1,68 2,64 445,14 1,69 3,125 444,655 1,210 3,606 444,174 0,611 4,106 443,674 012 3,606 444,174 0,613 3,21 444,57 1,214 2,95 444,83 1,615 3,04 444,74 1,616 3,365 444,415 1,217 3,835 443,945 0,618 4,335 443,445 0

19 3,835 443,945 0,620 3,6 444,18 1,221 3,51 444,27 1,6

Tabla 1: cartera de nivelación simple.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC Los estudios topográficos fueron realizados el pasado viernes 2 de mayo del 2014, en el cual participamos los integrantes CRISTIAN MENDOZA Y RANDY SOTO, con la ayuda de un compañero de otro grupo ya que nuestro compañero JUAN PALENCIA tenía 2 previos ese día y se le dificultaba asistir a la realización de la topografía. Pero nuestro compañero JUAN PALENCIA realizo la práctica con el grupo del otro compañero que nos ayudó.

FIGURA 2. CORTE TRANSVERSAL DEL CANAL

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

OBTENCION DE DATOS

PROCEDIMIENTO DE MEDICIÓN

En el campo empleamos equipos de medición topográfica como:

Mira Nivel Decámetro Jalones Trípode

PROCESO:

Toma de fotografías de la sección del canal a trabajar Instalación del equipo topográfico , y nivelación de los instrumentos Tomamos las medidas de la nivelación simple, con la utilización de la

mira, el nivel, los jalones y la cinta. Hallamos las profundidades del respectivo canal. Ya teniendo los resultados y hecha la cartera de campo, desmontamos

los equipos de topografía.

OFICINA:

Después de tener los datos en campo procedimos a analizar los datos topográficos, sacando las diferentes alturas del terreno y realizando la sección transversal del canal dividiéndolo en figuras geométricas comunes (triángulos y rectángulos) para así sacar sus áreas y sus perímetros; teniendo estos datos se analiza que -n- Manning se va a trabajar tanto para concreto como para tierra, ya teniendo eso comenzamos a utilizar la ecuación de Manning, los datos de las caudales con diferentes alturas se grafica la curva de calibración sintética con el fin de hallar la ecuación con ayuda de la línea de tendencia, con eso hallamos la ecuación que define el caudal a determinada altura del canal.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

INTRODUCION

La ingeniería civil es la disciplina de la ingeniería profesional que emplea conocimientos de cálculo, mecánica, hidráulica y química para encargarse del diseño, construcción y mantenimiento y solución de problemas ingenieriles de las infraestructuras emplazadas en el entorno, incluyendo carreteras, ferrocarriles, puentes, canales, presas, puertos, aeropuertos, diques y otras construcciones relacionadas por esto nosotros los ingenieros civiles debemos de ser los principales encargados de aplicar o utilizar nuestros conocimientos adquiridos para dar soluciones optimas o satisfactorias a los problemas que se presenten.

En la elaboración de este proyecto de hidráulica de canales abiertos tenemos como bases teóricas y practica todo lo visto en la materia para poder analizar cómo funciona el canal san Nicolás III ubicado en el municipio de los Patios.

Al realizar este proyecto se busca obtener información de la capacidad de transportar caudal bajo distintas condiciones ambientales.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

•Estudiar el comportamiento del canal a diferentes alturas de la lámina de agua.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

•Conocer el caudal por medio de la altura de la lámina de agua y encontrar su caudal de desbordamiento.

•Establecer o realizar la curva de calibración para nuestro canal.

•Realizar un análisis batimetría para el estudio del canal tomando en cuenta LOS TIPOS DE TERRENO Y determinar EL N DE MANNING para dicho canal.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

CALCULOS

area Z n

1 0,8235 0,045

2 1,2474 0,045

3 1,5 0,045

4 1,5384 0,045

semicírculo - 0,013

AREA CON Ymàxima RADIO DEL TUBO

SEMICIRCULAR:

Radio interno: 0.50 Radio esterno: 0.60

PENDIENTE DEL CANAL:

S= 0.012 ò 1.2%

A1 0,01189958A2 0,25175037

A3 0,276

A4 0,05199792

A5 0,83287528

Material -n-Concreto 0.013

Escavado con vegetación

0.045

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

CALCULOS POR SECCIONES:

1) SECCION 1: Área 5 Y P5

SOLO SEMICIRCULO

CANAL SEMICIRCULA

RY Do δ θ A P

0,1 12,4980915

41,2870022

20,0408752

80,6435011

1

0,2 12,2142974

41,8545904

4 0,11182380,9272952

2

0,3 11,9823131

72,3185589

60,1981683

61,1592794

8

0,4 11,7721542

52,7388768

10,2933698

11,3694384

1

0,5 11,5707963

33,1415926

50,3926990

81,5707963

3

AREA Y PERIMETRO SEMICIRCULO+ RECTANGULO SUPERIOR

Y A-SEC-1 P-SEC-10,1 0,04087528 0,643501110,2 0,1118238 0,92729522

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC 0,3 0,19816836 1,159279480,4 0,29336981 1,369438410,5 0,39269908 1,570796330,6 0,51269908 1,770796330,7 0,63269908 1,770796330,8 0,75269908 1,770796330,9 0,87269908 1,770796331 0,99269908 1,77079633

1,1 1,11269908 1,770796331,16 1,18469908 1,77079633

2) SECCION 2: AREA 1+ AREA 2 (TRIAGULO + CUADRADO)

DATOS PARA ESA SECCION

SECCION2

Y A1 A2 P1 P2

0,6 0 0,006237 00,1598751

6

0,7 0 0,024948 00,3197503

3

0,8 0 0,056133 00,4796254

9

0,9 0 0,099792 00,6395006

5

1 4,1175E-050,1557503

7 0,007692 0,7833883

1,1 0,004982170,2097503

7 0,030768 0,7833883

1,16 0,011899580,2517503

70,0519979

2 0,7833883

3) SECCION 3 : A3 (CUADRADO + TRIANGULO) Y A4

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

Y0,60,70,80,91

1,11,16

DATOS DE LAS AREAS Y PERIMETROS DE LAS AREAS Y SU N EQUIVALENTE

Y A-SEC-1 P-SEC-1 A-SEC-2 P-SEC-2 A-SEC-3 P-SEC-3 P1*nc^2 P2*nt^20,1 0,04087528 0,64350111 0 0 0 0 0,00010875 00,2 0,1118238 0,92729522 0 0 0 0 0,00015671 00,3 0,19816836 1,15927948 0 0 0 0 0,00019592 00,4 0,29336981 1,36943841 0 0 0 0 0,00023144 00,5 0,39269908 1,57079633 0 0 0 0 0,00026546 00,6 0,51269908 1,77079633 0,006237 0,15987516 0,0075 0,18027756 0,00029926 0,000323750,7 0,63269908 1,77079633 0,024948 0,31975033 0,03 0,36055513 0,00029926 0,000647490,8 0,75269908 1,77079633 0,056133 0,47962549 0,0675 0,54083269 0,00029926 0,000971240,9 0,87269908 1,77079633 0,099792 0,63950065 0,12 0,72111026 0,00029926 0,00129499

SECCION 3A3 A4 P3 P4

0,0075 0 0,18027756 00,03 0 0,36055513 0

0,0675 0 0,54083269 00,12 0 0,72111026 00,18 0,007692 0,72111026 0,180277560,24 0,030768 0,72111026 0,36055513

0,276 0,05199792 0,72111026 0,46872167

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC 1 0,99269908 1,77079633 0,15579155 0,7910803 0,187692 0,90138782 0,00029926 0,00160194

1,1 1,11269908 1,77079633 0,21473255 0,8141563 0,270768 1,08166538 0,00029926 0,001648671,16 1,18469908 1,77079633 0,26364995 0,83538622 0,32799792 1,18983192 0,00029926 0,00169166

CAUDAL DEL CANAL RESPECTO A LA PROFUNDIDAD DE LAMINA DE AGUA

CALCULOS FINALES DEL CANALY A P Q V

0,1 0,04087528 0,64350111 0,05483387 1,341492380,2 0,1118238 0,92729522 0,22999887 2,056797010,3 0,19816836 1,15927948 0,51433453 2,595442290,4 0,29336981 1,36943841 0,88507069 3,016911320,5 0,39269908 1,57079633 1,31320893 3,344059090,6 0,52643608 2,11094905 1,0560692 2,006072970,7 0,68764708 2,45110178 1,23420796 1,79482760,8 0,87633208 2,79125451 1,52320877 1,738163880,9 1,09249108 3,13140723 1,89900897 1,73823751 1,33618263 3,46326444 2,36483815 1,76984651

1,1 1,59819963 3,66661801 2,99585106 1,874516181,16 1,77634695 3,79601446 3,44487088 1,9393007

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

CURVA DE CALIBRACION

Q=F(Y)

Y Q0,1 0,054833870,2 0,229998870,3 0,514334530,4 0,885070690,5 1,31320893

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

Y Q0,1 0,0548338

70,2 0,2299988

70,3 0,5143345

30,4 0,8850706

90,5 1,3132089

30,6 1,05606920,7 1,2342079

60,8 1,5232087

70,9 1,8990089

71 2,3648381

51,1 2,9958510

61,16 3,4448708

8

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

Y Q0,6 1,05606920,7 1,234207960,8 1,523208770,9 1,899008971 2,364838151,1 2,995851061,16 3,44487088

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

CURVA DE CALIBRACION

Y=F(Q)

Q Y0,05483387 0,10,22999887 0,20,51433453 0,30,88507069 0,41,31320893 0,51,0560692 0,61,23420796 0,71,52320877 0,81,89900897 0,92,36483815 12,99585106 1,13,44487088 1,16

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

Q Y0,0548338

70,1

0,22999887

0,2

0,51433453

0,3

0,88507069

0,4

1,31320893

0,5

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

CONCLUSIONES

• Al realizar el proyecto se puede ver las dificultades que presenta el canal la vegetación y los materiales granulares y arenoso que se encuentran alrededor del canal y dentro de este para ellos se utilizó la ecuación de n de Manning con la pretensión de que sea tomado en cuenta ya que este afecta la rugosidad del canal.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC • La estimación de la curva de calibración es un factor muy cambiante y posee ciertas incertidumbres debido a que posee factores que lo más probable es que cambien con el tiempo, debido al caudal cambio climáticos y del terreno o en la sección del canal por lo tanto se requiere tener en cuenta las mismas y unos estudios previos se utilizó la ecuación y el método de Manning para los futuros interesados en el tema.

• Investigando se concluyó que el canal hasta el momento no ha sufrido de ningún desbordamiento ni daños en las sección del mismo.

• El canal en su trayecto posee vegetación y algunos pocos sedimentos por lo tanto se utilizaron algunos n de Manning tomados de las tablas que se encuentran en el libro de ven to chow.

DISEÑOS DE ING. CIVIL JMC

RECOMENDACIONES