UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

INGENIERIA HIDRAULICA

INTRODUCCIN

En la ingeniera hidrulica necesitamos obras que nos ayuden a manejar y controlar el gasto de agua en un determinado lugar. El uso de las compuertas no es una invencin moderna, sino que tiene sus orgenes hace ms de un milenio. Ya en la antigua china, se usaban sistemas para almacenar agua en distintos puntos de un ro para luego poder liberarla de una forma continua segn los requisitos de las comunidades. Tambin se han descubierto vestigios de compuertas primitivas hechas en canales de piedra por las antiguas culturas precolombinas en Amrica del sur y centro- Amrica.

Ms tarde este sistema fue trasladado a distintas regiones de todo el mundo, adaptndolo a los requisitos de cada comunidad. Un ejemplo importante, es el sistema de compuertas y canales situado en Holanda. Debido a su orografa, gran parte del pas est situado por debajo del nivel del mar y es por ello, que habitualmente sufra graves inundaciones; a travs del diseo de canales y compuertas se ingeni un modo de ir extrayendo el agua de las zonas que se encontraban por debajo del nivel del mar para poder convertirlas en reas de cultivo.

Pero de la misma forma que una compuerta permite que el agua que fluye por un determinado rio o canal se mantenga estancada, una compuerta puede ser utilizada para que un determinado emplazamiento no sea inundado por el agua, tal y como sucedera en el caso de que no existieran las compuertas.

Objetivos

Definir los conceptos generales y tipos de compuertas.

Estudiar experimentalmente el comportamiento de una compuerta como estructura hidrulica para el control de niveles y medicin de caudales.

Definir la ecuacin de patronamiento del caudal para una compuerta plana.

Observar y analizar el funcionamiento de una compuerta plana.

Analizar la fuerza dinmica resultante sobre la compuerta plana.

MARCO TEORICO1.- DEFINICIN

Las compuertas son equipos mecnicos utilizados para el control del flujo del agua y mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniera, tales como presas, canales y proyectos de irrigacin.

Una Compuerta es una placa mvil, plana o curva, que al levantarse, forma un orificio entre su borde inferior y la estructura hidrulica (presa, canal, etc.) sobre la cual se instala, y se utiliza en la mayora de los casos para la regulacin de caudales, y como emergencia y cierre para mantenimiento en los otros.

2.-APLICACIONES

Control de flujos de aguas Control de inundaciones Proyectos de irrigacin Crear reservas de agua Sistemas de drenaje Proyectos de aprovechamiento de suelos Plantas de tratamiento de agua Incrementar capacidad de reserva de las presas.

3.- ELEMENTOS

APOYOS Y BISAGRAS:

Los apoyos son los elementos sobre los cuales la compuerta descansa cuando se encuentra totalmente abierta o totalmente cerrada. Suelen ser superficies totalmente lisas y suficientemente rgidas para no deformarse con el peso de la propia estructura en las condiciones operativas impuestas. Es por ello, que el material de dichos elementos acostumbra ser hormign armado.

Las bisagras son elementos que ayudan al movimiento articular de las compuertas que estn diseadas para girar respecto de un eje; este elemento no existe en compuertas flotantes. Su diseo suele basarse en unos cojinetes situados tanto en la compuerta como en la zona de apoyo del dique, los cuales estn unidos a travs de unos pasadores de acero macizo.

ELEMENTOS DE ESTANQUEIDAD:

Los elementos de estanqueidad, son los encargados de generar un sello lo ms estanco posible entre la compuerta y la entrada del dique seco. Ya se ha comentado que la compuerta es la encargada de soportar la masa de agua principal; y estos elementos, se emplean para evitar las pequeas fugas que puedan acontecer.

ELEMENTOS DE ELEVACIN:

- Sistema por empuje hidrodinmico: la compuerta se utiliza como un cajn completamente estanco, con el que se controla su elevacin en funcin de la relacin agua/aire que se introduce en su interior.

- Sistema por pistones hidrulicos: el movimiento de la compuerta viene dado por una serie de pistones situados en puntos de la compuerta y unidos con el propio dique por el extremo opuesto.

- Sistema de cadenas: La elevacin de la compuerta se realiza mediante el uso de cadenas ancladas en los laterales de la compuerta que se mueven mediante unos sistemas situados en los laterales del dique seco.

4.- MATERIALES DE CONSTRUCCIN

Por la complejidad de las bisagras los materiales suelen ser variados, pero predomina principalmente el acero estructural en sus diversas composiciones. Para los elementos de estanqueidad el material suele ser un elastmero, el ms usual es la goma de caucho, gracias a su gran resistencia a los agentes atmosfricos y a la presin.

5.- CLASIFICACIN DE COMPUERTAS:

2. Segn el tipo de operacin o funcionamiento

Compuertas de emergenciaCompuertas Principales

Se utilizan en los eventos de reparacin, inspeccin y mantenimiento de las compuertas principales, siendo concebidas para funcionar tanto en condiciones de presin diferencial, en conductos a presin, como en condiciones de presin equilibradaSe disean para operar bajo cualquier condicin de flujo; se les llama de regulacin cuando se les conciben para controlar caudales en un canal abierto o sobre una estructura de presa, se conocen como compuertas de guarda o de cierre aquellas que funcionan completamente abiertas o cerradas.

3. De acuerdo a sus caractersticas geomtricas

Compuertas curvas o alabeadasCompuertas planas

RadialesRectangulares

TamborCuadradas

CilndricasCirculares

Triangulares

Radiales: tambin llamadas compuertas Taintor, tienen la forma de una porcin de cilindro, y giran alrededor de un pivote o eje horizontal situado en el eje longitudinal de la superficie cilndrica. Por su forma algunas veces se les llama compuerta Sector.Este tipo de compuerta se usa en vertederos de presa, en obras de captacin y en canales de riego.

Tambor: consisten en una estructura hermtica de acero, abisagrada en la cresta de rebose de un vertedero de presa, y con una forma tal que, cuando est en su posicin ms baja, ocupa un recinto dentro de la estructura de la presa, sin interrumpir el perfil de dicha cresta. Cilndricas: consisten en un cilindro de acero que se extiende entre los estribos de un vertedero de presa, en los cuales est adosada una cremallera dentada e inclinada, o de una torre cilndrica de captacin de un embalse.

Compuertas deslizantes (SLIDE GATES)

El elemento de cierre u obturacin se mueve sobre superficies deslizantes (guas o rieles) que sirven, a la vez, de apoyo y sello. Generalmente, se construyen en acero colado, y se emplean en estructuras de canales y en algunas obras de captacin, en presas o tanques de regulacin. La hoja de la compuerta o elemento de obturacin se acciona con un mecanismo elevador, a travs de un vstago o flecha de acero

4. Segn el mecanismo de izado

Compuertas rodantes (ROLLER GATES)

El elemento de cierre u obturacin se mueve sobre un tren de ruedas, rodillos o de engranajes, hasta la posicin de estanca. Se utilizan en obras de toma profunda, para casos de emergencia y de servicio, as como para cierre en mantenimiento, en conductos a presin. Ruedan a su posicin de sello debido a su propio peso y se izan con cadenas o cables por medio de gras especiales, fuera de la superficie del agua, hasta una caseta de operacin, donde se les hace mantenimiento

SLIDE GATES

ROLLER GATES

6.- Ecuaciones para el caudal de flujo a travs de compuertas

1. A travs de compuertas planas: Normalmente se considera que la estructura de la compuerta es un tablero plano vertical que se puede deslizar subiendo o bajando.

Pero para deducir la expresin, se considera el caso ms general, donde la compuerta est inclinada un ngulo respecto a la horizontal, y tiene un ancho B igual al del canal.El flujo a travs del orificio formado por el labio inferior de la compuerta y el fondo del canal puede considerarse bidimensional. Ntese que la descarga supercrtica bajo la compuerta reduce progresivamente su profundidad a lo largo de una corta distancia I, aguas abajo, hasta una seccin en donde la contraccin del chorro es completa, llamada Vena contracta.

La profundidad del flujo en la vena contracta y2, se relaciona con la abertura a, por medio del coeficiente de contraccin Cc, as:

(1)

Siendo Cc, un coeficiente de contraccin.En el caso de la compuerta de arista viva el coeficiente Cc es cercano a 0.60

Adems, para compuertas planas verticales, se ha comprobado que:

(2)

Reemplazando (1) en (2), se tiene:

(3)

Suponiendo las hiptesis de fluido incompresible, flujo permanente y uniforme, distribucin hidrosttica de presiones, lejos de la compuerta, y tensiones cortantes nulas, en paredes y fondo del canal, la ecuacin de Bernoulli expresa lo siguiente:

(4)

(5)

Por continuidad:

(6)

De donde: (7)

Sustituyendo (7) en (5) y haciendo 1= 2 = = 1, se tiene:

Distribuyendo el binomio y simplificando se tiene:

Sacando raz cuadrada:

(8)

Remplazando y2 = a x Cc en la ecuacin (1) , se tiene:

(9)

Introduciendo el coeficiente de velocidad, Cv, resulta:

(10)

(11)

Ahora, remplazando la ecuacin (11) en la ecuacin(6), se tiene:

(12)

(13)

(14)

Introduciendo el coeficiente de descarga, Cd, como:

(15)

Resulta:

(16)

2. A travs de compuertas radiales: La ecuacin para determinar el gasto a travs de compuertas radiales ser la misma deducida para compuertas planas:

Con adecuados valores de Cd. Para las compuertas radiales con descarga libre, la variacin del coeficiente de descarga depende del ngulo y de la relacin y1/a. ElEmpuje debido a la presin sobre una compuerta plana: los lquidos a fluir a travs de una compuerta, ejercen presin a lo largo del fondo del canal y sobre la pared aguas arriba de aquella, cuya distribucin y magnitud de la fuerza resultante sobre la compuerta es de inters estructural. Para ello, se considera el flujo bidimensional y permanente a travs de la compuerta plana vertical.

Se asla un volumen de control de fluido limitado por las secciones transversales (1) y (2), las paredes y el fondo del canal, la pared de la compuerta y la superficie libre del lquido, y se consideran las fuerzas externas que actan sobre l.

Dnde: F1, F2: Fuerzas debidas a la distribucin de presiones hidrostticas en las secciones 1 y 2, respectivamente. W: peso del volumen del fluido encerrado en el volumen de control. N: reaccin normal del fondo del canal. R: reaccin del empuje F que el lquido ejerce sobre la compuerta. Es la fuerza de reaccin de la compuerta sobre el volumen de control.

Realizando diferentes clculos, hallamos la fuerza terica ejercida sobre la compuerta

Fuerza terica sobre la compuerta (22)

La ecuacin (22) permite calcular la fuerza o empuje tericos que un lquido en movimiento ejerce sobre una compuerta plana vertical, con descarga libre.

6.- Compuertas en canales: 6.1.- Componentes:

Cuerpo: Elcuerpoobastidorestndaresmecanosoldado,fabricadoenunasolapieza.Construidoconperfilesplegadosparaevitarposiblesdeformacionesyaumentarlarobustez.Losperfileslateralesposeenunhuecoentodasulongitud(paradeslizarlatajadera),obtenidomediantevariospliegues(sinsoldadura),conloquesegarantizaqueelcuerponopuedatenerningunafuga.

Tajadera:Elmaterialdefabricacindelatajaderahabitualmentesueleserigualqueelquesehayautilizadoparaconstruirelcuerpo,perotambinpueden ser suministrados bajo consulta con otros materiales ocombinaciones.

3ASIENTOElcierreestndardeestetipodecompuertasserealizamediantellantaslisasdegomaqueseamarranalatajaderamediante bridas de acero inoxidable. La estanqueidad cumple con las exigencias de lanormativaDIN19569,clase5de fuga.

HUSILLOEl husillo de las compuertas CMO est fabricado en acero inoxidable 18/8. Esta caracterstica leproporcionaunaresistenciaaltayunaspropiedadesexcelentesfrentealacorrosin.El diseo de la compuerta puedeser con husillo ascendente o husillo no ascendente. Cuando lacompuertaesrequeridacon husilloascendente,sesuministraunacaperuzaqueprotegealhusillodelcontactoconelpolvoysuciedad,ademsdemantenerlolubricado

ACCIONAMIENTOSGeneralmenteestascompuertascanalCAllevanunpuenteenlapartesuperiordelcuerpodondesealojaelactuador.Cuandosenecesitequelaalturadela compuertasealamnima,elmismopuentedelimitar elmovimiento longitudinalde latajadera.Alponer enfuncionamiento el actuador, esteejerceelparoeltironecesarioenelhusilloovstago,elcualasuvezlotransmitealatajaderaeiniciaelmovimiento.

I. conclusiones

Una compuerta es una placa mvil, plana o curva, que forma un orificio y se utiliza en la mayora de los casos para la regulacin de caudales, sus aplicaciones son: Control de flujos de aguas, Control de inundaciones, Proyectos de irrigacin, Crear reservas de agua, Sistemas de drenaje, Proyectos de aprovechamiento de suelos, Plantas de tratamiento de agua, Incrementar capacidad de reserva de las presas, Conocer las frmulas ms utilizadas para disear una compuerta. Y pueden haber diferentes tipos que varan segn las condiciones de flujo aguas abajo, segn el tipo de operacin o funcionamiento, de acuerdo a sus caractersticas geomtricas, segn el mecanismo de izado.

II. BIBLIOGRAFA

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoencanales/flujo_compuertas/flujo_compuertas.html

http://fluidos.eia.edu.co/obrashidraulicas/articulos/compuertas/compuertas.html

COMPUERTAS15