Escrito de Canales
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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
Hidráulica de Canales
1er Parcial.
Evidencia #1
Diseño de un canal abierto.
Myriam Fernanda Torres Solano
Matrícula: 160055 Grupo: 003
Catedrático:
M.C. David Clemente López Pérez
Cd. Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León.
Jueves 17 de septiembre del 2015.
Índice
Introducción………………………………………..……………………….…1
Descripción del problema……………………………………………….......2
Procedimiento……………………………………..…………………………..3
Formulas…………………………………………………………………..……8
Memoria de Cálculos………………………………….................................9
Registro de Resultados……………………………..………………………..11
Conclusiones……………………………………….……………………….…12
Referencias………………………………………………….…………………13
Introducción
Por definición, un canal abierto es un conducto para flujo el cual tiene una
superficie libre, es decir, una de las fronteras está expuesta a la atmosfera. La
superficie libre es una interface entre dos fluidos de diferente densidad. En el caso
de la atmosfera, la densidad del aire es mucho más baja que la densidad de un
líquido como el agua, además la presión es constante.
En el caso de los fluidos en movimiento, este fenómeno es causado generalmente
por efectos gravitacionales y la distribución de presiones en un flujo es
generalmente hidrostática. Los flujos en los canales abiertos son casi siempre
turbulentos y no son afectados por tensión superficial; sin embargo, en muchos
casos de importancia práctica, algunos flujos son de densidad estratificada. El
interés en la mecánica del flujo de canales abiertos radica en su importancia hacia
la civilización. Sin excepción, uno de los requerimientos primarios para el
desarrollo, mantenimiento y avance de la civilización es el suministro de agua.
Las condiciones de flujo en canales abiertos se complican por el hecho de que la
posición de la superficie libre puede cambiar con el tiempo y con el espacio, y
también por el hecho de que la profundidad de flujo, el caudal y las pendientes del
fondo del canal y de la superficie libre son interdependientes. En canales abiertos
de la superficie varía desde la correspondiente a metales pulidos utilizados en
canaletas de prueba hasta la correspondiente a lechos rugosos e irregulares en
ríos. Además la rugosidad en un canal abierto varia con la posición de la superficie
libre.
Los canales abiertos pueden se clasificados como artificiales o naturales. La
terminología canal natural se refiere a todos los canales que han sido
desarrollados por procesos naturales y que no han tenidos una mejoría
significativa por parte de los humanos. La categoría de canales artificiales incluye
todos los canales que han sido desarrollados por el esfuerzo humano. El canal
artificial por lo general es un canal largo con pendiente suave, construido sobre el
suelo, que puede ser no revestido o revestido con piedras, concretos, cemento,
madera o materiales bituminosos. Dentro de esta categoría están los canales de
navegación, canales de fuerza e irrigación, cunetas y acequias de drenaje.
Las propiedades hidráulicas de estos canales pueden ser controladas hasta un
nivel deseado o diseñadas para cumplir unos requisitos determinados. La
aplicación de las teorías hidráulicas acanales artificiales producirán, por tanto,
resultados bastante similares a las condiciones reales y, por consiguiente, son
razonablemente exactos para propósitos prácticos de diseño.
Descripción del problema.
- Se quiere realizar el proyecto de un canal artificial de forma geométrica,
ubicado en el municipio de Apodaca, Nuevo León. El objetivo es
rediseñar y recubrir de concreto un canal natural cuya longitud se
extiende sobre un terreno natural entre las colonias Lomas del Pedregal
y Real de Apodaca.
o Características del terreno que se busca modificar:
Longitud de sección: 414.71 m
Pendiente promedio: -1.5%
Apodaca es conocida por ser un área plana, sin mucha pendiente.
El nombre del canal es Camino a Charco Blanco.
Procedimiento
1. Ubicación del canal.
Por medio del programa Google Earth y al descargar la ruta que nos fue
asignada pudimos obtener desde la localización hasta la inclinación promedio
de nuestro terreno natural.
Con la localización que nos generó el programa de Google Earth, se procede a
descargar la carta topográfica dentro de la cual se encuentra nuestro proyecto. Por
medio de un mapa digital en que se buscaba el perfil y su extensión se obtuvo el
código de la carta.
Una vez que se encuentra la carta en el catálogo de la Inegi se procede a
descargarla para poder trabajar con ella en los siguientes pasos.
2. Obtención de curvas de nivel.
En el programa Global Mapper, se ingresan las cartas de la inegi, asi como el
vector de nuestra ruta para juntar nuestras curvas de nivel con la ruta.
Una vez georreferenciado nuestro vector con las cartas, se procede a insertar una
imagen exportada de Google Earth para revisar que esta correcta nuestra
localización de nuestros datos.
Obtenemos las curvas de nivel por medio de Global Mapper y se procede a
convertir nuestro documento en formato .DWG para poder trabajar con él en
AutoCAD más adelante.
3. Trazo del perfil y secciones del canal.
Una vez exportados nuestros datos al programa AutoCAD, por medio de las
funciones de CivilCAD se genera una triangulación basada en las curvas de nivel
que obtuvimos en Global Mapper.
Curvas de nivel. 1
Triangulación 1
Una vez obtenida nuestra triangulación, pasamos a poner estaciones en nuestro
perfil con cadenamientos. Una vez obtenidos los cadenamientos, por medio de
Altimetría en CivilCAD, obtenemos nuestro perfil y trazamos la línea de rasante.
Con la línea rasante y el trazo de nuestro canal con sus dimensiones correctas,
podemos realizar los cortes por secciones de nuestro proyecto, procurando que
siempre que sean muchos más cortes que terraplenes. Esto se puede comprobar
con la curva masa que nos proporciona automáticamente AutoCAD al trazar el
proyecto.
Nota: La rasante debe de tener la inclinación que usamos al calcular nuestras
dimensiones del canal para que nuestro perfil sea útil.
Fórmulas utilizadas en cálculos.
Fórmulas generales.
𝑄 = 𝐴𝑉 𝑄 =
𝐴
𝑛𝑅
23𝑆
12
𝑉 =𝑄
𝐴 𝑅ℎ =
𝐴
𝑃
Canal Trapezoidal.
𝐴 = (𝑏 + 𝑘𝑦)𝑦 𝑃 = 𝑏 + 2𝑦√1 + 𝑘2
Canal Rectangular.
𝐴 = 𝑏 ∙ 𝑦 𝑃 = 𝑏 + 2𝑦
Nomenclatura
Q = gasto del canal, en m3/s. A= área hidráulica del canal, en m2.
P= Perímetro mojado del canal, en m. V= velocidad de la corriente del agua, en m/s.
Rh = Radio hidráulico del canal, en m. n = coeficiente de rugosidad de Manning, ad.
S= pendiente promedio del canal, ad. b= base de la sección del canal, en m.
y= tirante hidráulico del canal, en m. k= pendiente del canal, ad.
Memoria de Cálculos.
Por medio de la formulas vistas en el parcial se pudo dimensionar el canal. Hay
muchos métodos para obtener las dimensiones de un canal, pero en este caso se
optó por el siguiente:
1. Se realizó una hoja de cálculo en Excel donde en base a una Y y una B
propuestas se verificaba si el canal era viable para un gasto lógico para
nuestra sección.
Datos.
Q=12.5 m3/s S= 0.022 k= 1 Y= 0.7 m H=0.84 m n=0.017
2. Se procedió a por medio de iteraciones buscar una B que diera un gasto
aproximado al propuesto y se obtuvo lo siguiente para ambos casos
trapecial y rectangular:
3. Finalmente se realizó una comparación de ambos perfiles y se escogió el
más eficiente para este caso.
- Debido a que abarca un gasto mayor con el mismo tirante y base,
además de una velocidad prácticamente igual, se procedió a escoger el
perfil trapezoidal.
4. Obtuvimos el No de Froude para determinar el tipo de flujo en el canal.
𝐷 =𝐴
𝑏 + 2𝑘𝑦= 0.57435
𝐹𝑟 =𝑉2
√𝑔𝐷ℎ
=5.49642
√(9.81 ∗ 0.57435)= 2.31 > 1 → 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜
Registro de Resultados
Al finalizar los cálculos para darle dimensiones al canal obtenemos lo siguiente:
Con la sección transversal siguiente:
H Y B T AH PH R V Q Fr
0.84 m 0.7 m 2.5 m 4.16 m 2.24 m2 4.47 m 0.50 m 5.496 m/s 12.31m3/s 2.315
Conclusiones
El trazo de un canal depende de muchos factores que si uno falla el perfil que se
está proponiendo puede volverse inútil. Al realizar las iteraciones para la obtención
de la base correcta para nuestro canal, además de evaluarlo en ambos canales,
trapezoidal y rectangular, nos da una idea de cómo funciona la eficiencia en
canales abiertos y como la figura afecta no solo el aprovechamiento de espacio,
sino que, dependiendo del material, puede generar un canal más erosionable o
una velocidad más o menos favorable.
El uso de un canal de geometría trapezoidal fue el más efectivo para mi caso,
pues la velocidad no era más alta que el límite máximo para el concreto, de
manera que el flujo más veloz no erosiona las paredes de mi canal. El uso de
concreto para revestir las paredes es específicamente porque este es el que
aguanta velocidades mayores y de esta manera el área de nuestro canal no tiene
que ser tan alta como para reducir esta velocidad y no tener que adaptarse a un
material más rugoso.
Al comparar mi canal con el de otros pude ver como mi sección por tener una
inclinación más baja, aunque pusiera las mismas dimensiones que otros, mi gasto
siempre iba a ser menor porque mi flujo no tendría el empuje que genera una
pendiente pronunciada. El trazo de curvas de nivel en mi terreno requirió ser más
cerrado debido a que mi terreno tenia variaciones de altura eran muy pequeñas. Al
estar localizado en Apodaca, una zona “plana”, y no en las faldas de un cerro, mi
gasto se volvía varias veces menor que el de alguien con una inclinación de un
cerro.
Por el hecho de que mi canal pasa por debajo de una vialidad, casi en su punto
más bajo, es recomendable agregar un conducto para que los coches sigan
transitando por encima de este tramo.
El área que me era indicada por Google Earth era muy ancha pero no muy alta,
por lo que el tirante y la base tenían que ser muy diferentes para que mi canal
fuese funcional. Al realizarla curva masa se observó que ya aguas abajo, el canal
se incorporaba al nivel mucho más por lo que hay espacios en que será necesario
hacer terraplén. Además, si al final este canal no se continúa con una inclinación
corre el peligro de desbordarse o erosionarse al choque en la parte de abajo, por
lo que es importante no solo cortar el canal con una pared, para evitar fallas.
.
Referencias.
- Título: Hidraulica de Canales
Autor: Ven Te Chow
Editorial: McGraw Hill ; 3ra Ed.
Paginas Consultadas: 1-3, 9-10
- Título: Hidraulica de Canales Abiertos
Autor: French
Editorial: LIMUSA.
Paginas Consultadas: 1