OBRAS HIDRAULICAS

OBRAS HIDRAULICAS

UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO

Alumno: Castillo Daz Juan francisco Asignatura: Obras hidrulicas

Tema:Sifones

Docente: Ing. Daniel Daz

DISEO DE SIFN INVERTIDO

INTRODUCCIN.El sifn invertido surge como solucin a la necesidad de burlar un obstculo topogrfico y conducir un fluido mediante una tubera a presin, disendose como una tubera simple. Es notable la utilidad que tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve el problema de realizar grandes tramos de canal cuya construccin demandara mayores costos elevando el monto del proyecto.Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente de canales por debajo de carreteras y vas de tren debajo de ros y quebradas, etc. Cuando existen quebradas poco anchas profundas conviene cruzadas con acueductos, pero cuando el cruce es ancho arriba y profundo en el centro muchas veces conviene proyectar un sifn invertido .Los estudios econmicos y las consideraciones topogrficas, geolgicas e hidrolgicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura.

OBJETIVOS: Conocer el funcionamiento y las caractersticas que presenta un sifn invertido. Hacer el diseo de un sifn invertido con los datos de un sifn invertido.

Definicin de Sifn:Cuando un canal debe cruzar una depresin ya sea una quebrada, un rio, un dren o un camino, etc. se proyecta un sifn invertido que puede ser seccin circular, rectangular o cuadrada que trabajara a tubo lleno.

Un sifn consta de un conducto cuya longitud queda determinada por el perfil del terreno y dos transacciones una de entrada y otra de salida, siendo generalmente de seccin trapezoidal a rectangular en la cual se encuentran anclados los tubos.En el cruce de un canal con una quebrada, el sifn se proyecta para conducir el menor gasto y lo suficientemente mente profundo para no ser socavado en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones.

Un sifn se constituye en un peligro, principalmente cuando esta cerca a centros poblados, siendo necesario el uso de rejillas pero con la desventaja de que puedan obturarse las aberturas y causar remansos

TIPOS Podemos diferencias dos tipos de sifones en cuanto al principio de su funcionamiento: Sifn (normal) y Sifn invertido.

SIFON (NORMAL) Su funcionamiento se debe a la presin atmosfrica que acta en la superficie del agua a la entrada, la diferencia de presiones gracias al vacio hace que el agua fluya en sentido ascendente y termine cayendo al otro extremo por efecto de la gravedad.

SIFN INVERTIDO

Un sifn invertido es una estructura utilizada para pasar por debajo de un obstculo, a diferencia del sifn normal este funciona nicamente por efecto de la gravedad.

ELECCIN DEL TIPO DE ESTRUCTURA.Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstculo, se puede utilizar una alcantarilla, y si el obstculo es muy grande se usa un tnel.Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstculo, se puede utilizar como estructura de cruce como puente canal o un sifn invertido o la combinacin de ambos.El puente canal se utilizara cuando la diferencia de niveles entre rasante del canal y la rasante del obstculo, permite un espacio libre suficiente para lograr el paso del agua en el caso de arroyos o ros.El sifn invertido se utilizara si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstculo.ASPECTOS GENERALES

El sifn invertido es una obra de costo relativamente elevado y presenta dificultades de limpieza y desobstruccin, razn por la cual debe ser utilizado solamente despus de un estudio comparativo con otras alternativas.

Siempre que sea posible se debe evitar el uso de sifones invertidos por los grandes inconvenientes que representa su conservacin y mantenimiento, sin embargo muchas veces no es posible resolver de otra manera el problema de paso de depresiones.

CLASES DE SIFONES

a) Ramas oblicuas: Se emplea para cruces de obstculos, para lo que se cuenta con suficiente desarrollo y en terrenos que no presenten grandes dificultades de ejecucin

Estos dos tipos se caracteriza con una o dos ramas verticales, son preferidos para emplazamientos de poco desarrollo o en caso de grandes dificultades constructivas. Debido a sus caractersticas de fcil limpieza y reducido espacio, son muy aconsejables.

d) Con cmaras de limpieza: Son aquellas se que aplican en obras de cruce de vas subterrneas.

Diseo hidrulico del sifn invertido:

El desnivel entre las gradientes de energa en la entrada y la salida algunas veces se predetermina y en otras ser igual a la suma de todas las prdidas producidas en el contorno. Las prdidas de carga importantes son:

a. En la transicin de entrada y salida b. Perdida rejilla de ingreso y salida c. Por friccin en transiciones d. Por friccin en el sifn e. En los codos o cambios de direccin f. Por cambio de seccin en la salida.

Simbologa a emplearse

Criterios de diseo para un sifn invertido

1. Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ngulos doblados y sugerencia de la entrada y salida.2. En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes se requiere un mnimo de 0.90m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelares o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.60 m. si el sifn cruza un canal revestido se considerara suficiente 0.30m de cobertura

3. La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1y la pendiente mnima del tubo horizontal debe ser 5%0 se recomienda transicin de concreto a la entrada y salida cuando el sifn cruce caminos principales en sifones con dimetro mayor o igual a 36 y para velocidades de tubo mayores a 1m/seg.

4. Con la finalidad de causar desbordes en aguas arriba del sifn debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al del diseo , se recomienda aumentar en un 50% o 0.30 m como mximo al borde libre del canal en una longitud mnima de 15 m a partir de la estructura .

5. Con la finalidad de determinar el dimetro del tubo en sifones relativamente cortos con transacciones de tierra, tanto a la entrada como a la salida se puede usar una velocidad de 1 m/seg. En sifones con tracciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/seg. Y entre 3 m/seg. a 2.5 m/seg. En sifones largos con transacciones de concreto o sin control en la entrada.

6. Las prdidas de carga por entrada y salida para las transiciones de tipo cubierta partida , se pueden calcular rpidamente con los valores 0.4hv y 0.65hv.

7. A fin de evitar remansos aguas arriba, las prdidas totales computadas se incrementan en 10%.

8. En el diseo de la transicin de la entrada se recomienda que la parte superior del sifn este ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia es conocida sello de agua y en el diseo se toma como 1.5 veces la carga de velocidad del sifn o 1.1 como mnimo o tambin 3.

9. En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6.

10. En los sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir un drenaje del tubo para su inspeccin y mantenimiento.

11. En sifones largos bajo ciertas condiciones la entrada puede no sellarse ya sea que el sifn opere a flujo parcial o a flujo lleno. Con un coeficiente de friccin menor que el sumido en el diseo por esta razn se recomienda usar n= 0.008 cuando se calculan las prdidas de energa.

12. Con la finalidad de evitar la cavitacin a veces se ubican ventanas de aireacin en lugares donde el aire podra acumularse.

13. Con respecto a las prdidas de carga totales .se recomienda la condicin de que estn sean iguales o menores a 0.30 m.

14. Cuando el sifn cruza debajo de una quebrada es necesario conocer el gasto mximo de la creciente.

15. Se recomienda los anchos de corona de la tabla A en el cruce de sifones o alcantarillas segn el tipo de camino Tabla A: ancho de corona segn el tipo de camino

Proceso de clculo de un sifn invertido1. Se tiene las caractersticas del canal que se va a conectar al sifn , caractersticas como rugosidad , pendiente , base , tirante , caudal y en base a esto se procede a los siguientes clculos 2. Calculo de velocidad del canal 3. Calculo de dimensiones del conducto , al momento de encontrar el Dimetro se debe tener en consideracin la tabla comercial de dimetros de tubera para redondear

4. Calculo de las transiciones.5. Calculo de prdidas de carga

Ejercicio 1.Disear un sifn invertido en el cruce de un canal con la panamericana, las caractersticas del cruce se presentan en la figura y las caractersticas del canal aguas arriba y aguas abajo del cruce son:

Z: 1.5Q=1m3/seg.S= 1%ob= 1mn= 0.025Y = 0.7 m

V=0.7m/seg.

La pendiente aguas arriba y aguas abajo es de S= 10/oo y las cotas segn el perfil de canal son:Km. 1+0.30=46.725 m.s.n.mKm. 1+0.70=46.443 m.s.n.m

Solucin:Con la informacin topogrfica del perfil de terreno en el cruce y en el perfil del canal, se efectuar el dimensionamiento previo de la figura adjunta, el cual si cumple con los requisitos hidrulicos necesarios, se puede aceptar como solucin al problema, o en caso contrario se har los ajustes necesarios

2. seleccin del dimetro del tuboAsumimos una velocidad de 1.5m/seg.

D= 0.92, escogemos D= 36 0.9144 m.El nuevo valor del rea ser:

Y la velocidad de diseo ser:

3. Longitud de transicinT1= b+2zy 1+2(1.5)(0.7)= 3.1T2= 0.9144 m

Escogemos:

4. Nivel de agua en 1

Del km 1+0.30 al punto 1 segn la fig. Adjunta, hay 6.41 m., luego la cota de fondo en 1 ser:46.725- (6.41 * 0.001) = 46.719 m.s.n.m El nivel del agua en 1: 46.719 + 0.7 = 47.419 m.s.n.m

5. Cota de fondo en el 2

Cota de fondo en 2:47.419 (Hle -1.5hv)

Cota de fondo en 2: 46.344 m.s.n.m

6. Cota en el fondo 3

Luego: 46.344-1.04 = 45.304Cota de fondo en 3: 45.304 m.s.n.m

7. Cota en el fondo 4

Longitud de tubo horizontal: 10 m.10 *0.005 = 0.0545.304 0.05 = 45.254Cota de fondo en 4: 45.254 m.s.n.m

8. Cota en el fondo 5

Luego: 42.254 + 0.8316 = 46.086Cota de fondo en 5: 46.086m.s.n.m

9. Clculo de P en la salida.

El mximo valor de P en la entrada debe ser 3/4D y en salida 1/2D; luego P en la salida: 0.9144/2 =0.4572 de otro lado se tiene que la cota en 6 ser: la distancia entre el punto 6 y el Km.1+0.70: 7.388 la cota e la 6 es: 46.443- 0.0074 = 46.436 m.s.n.m.

Cota 6 cota 5: 46. 436 46.086 = 0.35 m.

Escogemos el valor P =0.35 para que la cota 6 de la transicin coincida con la rasante de canal.

10. Inclinacin de os tubos doblados

A la entrada

4.7: 1 es ms rpido que 2:1, se acepta la inclinacin.

A la salida

4.7: 1igual que la entrada, se aceptamos la inclinacin.

11. Carga hidrulica disponible.

Cota 1 + tirante =46.719 + 0.7 = 47.419 m.s.n.mCota 6 + tirante =46.436 + 0.7 = 47.136 m.s.n.m.Carga disponible m= 0.283 m.

12. Calculo de las prdidas de carga .

Perdidas por entrada: 04(0.0938)= 0.037.Perdidas por salida: 0.65 (0.0938) = 0.060.Perdidas por friccin

Perdidas por codos: Pcdf:0.025L=19.0 mD = 4R = 0.9144

Para mayor seguridad las prdidas totales se incrementaran en un 10 %Luego: 1.1 *0.18 =0.198mPodemos deducir que la carga disponible menos las prdidas totales son de: 0.283 -0.198 =0.085 m.

Lo que significa que no habr problemas hidrulicas

13. Clculo de la sumergencia de salida Altura de sumergencia (0.70 +0.35) Hle

Altura de sumergencia: 1.05 0.935 = 0.115 mEste valor no debe exceder a:

Luego: 0.115 < 0.156Se acepta el valor de sumergencia puesto que es menor a la altura permisible

14. Longitud de proteccin con Enrocado

Lp= 3Di = 2.74 2.80 mEn el proyecto preliminar trazado en la fig.4.13 se considera la solucin al problema puesto que cumple con los requisitos hidrulicos.

Ejercicio 2Disear un sifn invertido en el cruce de un canal con una carretera.Z = 1.4Q = 1.4 m3/seg.S = 0.001b=0.90 m n= 0.025Y = 0.87mV = 0.8m/sV2/2g = 0.0326 m

La pendiente aguas arribas y aguas abajo es de 1 %0 y las cotas segn el perfil son:Km. 1+0.20 = 45.410 msnmKm 1 + 0.60 = 45.128 msnm.1. Asumimos un velocidad mnima de 1.5 m/s

2. Selecion del dimetro del tubo A= Q/V A= 1.4 / 1.5 A= 0.93 m2

A= *Di^2 / 4 .. D i= (4*A/ ) ^ (0.5)Di = (4*0.93/ ) ^ (0.5)D i= 1.09 m * 39.37 = 42.91 Escogemos Di = 42 = 1.07 mEl nuevo valor del rea ser:

A= *Di^2 / 4A= *1.07^2 / 4 A = 0.8992

La velocidad de Diseo ser: V= Q/A V = 1.4 / 0.8992 V= 1.57 m/seg

3. longitud de transicinT1 = b + 2ZY = 0.90 + 2*1.4*0.87 = 3.34 m T2 = 1.07 m

Lt =4*Di =4.28 mEscogemos Lt=5.124. Nivel de agua en 1

Del Km 1+0.20 al punto 1, hay 5.41 m, luego la cota de fondo en 1 ser45.410 (5.41*0.001) = 45.4056 msnmEl nivel de agua en 1: 45.4056 +0.87= 46.2756 msnm

5. Cota de Fondo 2

Cota de Fondo 2 =46.2756-(1.0939+0.1265)= 45.0422 msnm

6. Cota de Fondo en 3

Luego: 45.0422 -1.2475 = 43.7947 m.s.n.m Cota de fondo 3 = 43.7947 m.s.n.m

7. Cota de Fondo en 4

Longitud del tubo horizontal: 11m11*0.005 = 0.05543.7947-0.055= 43.7397Cota de fondo 4: 43.7397 m.s.n.m.

8. Cota de Fondo en 5

Luego: 43.7297 + 1.04 = 44.7697 Cota de Fondo 5 = 44.7697 m.s.n.m.

De otro lado se tiene que la cota en 6 ser: la distancia entre el punto 6 y el Km 1+0.60:6.388 m

La cota en 6 es = 45.128- (6.388*0.001)= 45.1216 msnmCota agua: 45.1216+0.87=45.9916msnmCalculo de P en la salida P mx. = 3/4D (entrada)P mx. = D (salida)Entonces (1.07)= 0.8025 mComprobando que no exceda: COTA 6-COTA 5= 0.35190.3519< 0.8025 okP= 0.3289 m para que la cota 6 coincida con la rasante canal

10. Inclinacin de los tubos doblados

x=5.8690

Y=4.8928

4.7:1 es mas plano que 2:1, se acepta la inclinacin.

4.7:1 igual que al de la entrada, se acepta la inclinacin.

11. carga hidrulica disponible:

Cota 1 + Tirante = 45.4056 + 0.87= 46.2756 msnmCota 6 + Tirante = 45.1216 +0.87 =45.9916 msnmCarga disponible: 46.2056-45.9516: 0.284 m

.12.Calculo de las Prdidas de Carga

Perdidas por entrada: 0.0372

Perdidas por salida: 0.0605Perdida por friccin

n=0.015V=1.57 m/segD= 1.07 mL = 22 mf= 0.025

Perdida por codo

Para mayor seguridad las prdidas totales se incrementaran en un 10%.Luego: 1.1*(0.0372+0.0605+0.0708+0.0229)=0.2105Podemos deducir que la carga disponible menos las prdidas totales es: 0.284 m 0.2105 = 0.0735 mNo habr problema hidrulico

13. Calculo de la sumergencia a la salida

Altura de sumergencia (0.80 + 0.7019)=1.5019 hte

La altura de sumergencia (0.87 +0.3519) = 1.1989- 1.0939Altura de sumergencia = 0.1280 mEste valor no debe ser a = 0-818230.1280 m> 0.1823, el valor de sumergencia se adapta puesto a que es menor que el valor mximo Altura de sumergencia: 0.1050

14. Longitud de Proteccin con encofradoLp= 3Di Lp= 3(1.07)Lp= 3.21El proyecto preliminar trazado en la figura se considera la solucin al problema puesto que cumple los requisitos hidrulicos

Anexo:

SIFONES PGINA 20