DIMENSIONAMIENTOS DE CANALES

ANÁLISIS Y METODOLOGIA EMPLEADA PARA LA RESOLUCIÓN (DATOS ENTRADA Y SALIDA, FORMULACIÓN USADA EN CADA PASO DEL DESARROLLO DEL PROBLEMA, ETC)

En el cálculo de la sección de un canal debe partirse del hecho siguiente: desde el punto de vista hidráulico hay, en principio, un número infinito de soluciones. En el caso de un canal que va a ser construido, el gasto o caudal esta dado por las condiciones de diseño; no proviene de un cálculo hidráulico, sino de la función del canal, de la naturaleza del servicio que presta y  del análisis que se ha hecho de las disponibilidades de agua. El caudal de diseño Q es un dato impuesto al que debe adecuarse al cálculo de la sección del canal.

Un canal puede servir para abastecer de agua a una ciudad, servir a una irrigación, a una central hidroeléctrica o tener un uso múltiple.

Para transportar un gasto Q podemos, dentro de las limitaciones topográficas, adoptar una determinada pendiente compatible con la naturaleza del revestimiento, que escogeremos en función de varios factores: costo, seguridad, disponibilidad de materiales, etc..

En esas condiciones podemos diseñar diversas secciones transversales.

El análisis del flujo de agua en canales es sumamente importante para el diseño de los mismos. El diseño de un canal consiste en la selección de la forma y dimensionamiento de la sección transversal de manera que cumpla con todos los requisitos de funcionamiento hidráulico.

Algunas de las consideraciones importantes que se deben considerar son:

ü  El canal se divide en tramos con flujo uniforme para su diseño.

ü  La velocidad del agua en el canal debe ser suficientemente alta para evitar la sedimentación de partículas en suspensión o en el fondo.

ü  La velocidad del agua en el canal debe ser lo suficientemente baja para evitar la erosión de las paredes y el fondo del canal.

ü  Las dimensiones iniciales del diseño deben ajustarse en algunos casos, para hacerlas más convenientes en la práctica, por lo que primero se determinan las dimensiones siguiendo las leyes de FLUJO UNIFORME y luego se definen las dimensiones definitivas.

ü   Las dimensiones finales del diseño deben evitar tener profundidades del

-        CALADO

Para el cálculo de las características hidráulicas de un canal con flujo uniforme se utiliza la ecuación de Manning.

Donde;

§  V es la velocidad normal (vn) del flujo uniforme (m/i).

§  n es el coeficiente de rugosidad (depende de las características de las paredes del canal).

§  Rh es el radio hidráulico de la sección del canal (m).

§  I es la pendiente del fondo del canal, que corresponde a las perdidas por fricción distribuidas a lo largo del tramo del canal considerado (m/m).

Si la ecuación se multiplica en ambos lados por el área, se obtiene la ecuación de Manning

expresada en función del caudal Q.

   

De la ecuación de continuidad:

La ecuación de Manning expresada en función del caudal Q está integrada por dos clases de elementos, unos hidráulicos (Q, n y i) y otros que dependen de la sección del canal (área y radio hidráulico); si se separan estos dos elementos, la ecuación se expresa de la siguiente manera:

En la ecuación el termino del lado izquierdo es el factor de flujo uniforme que depende de

elementos hidráulicos, mientras que del lado derecho, se tiene el factor de sección para flujo uniforme (depende de la geometría de la sección del canal).

El calado normal (yn) se obtiene mediante un método iterativo o “de prueba y error”.

Sin embargo debemos de tener en cuenta que todos los caudales normales que nos den los cálculos tenemos que aumentarlos, por el concepto de borde libre. Se denomina borde libre a la altura del tirante adicional que se da a fin de absober los niveles extraordinarios que puedan presentarse por encima del caudal de diseño de un canal.

 Unas de las razones por las que debemos esperar un tirante mayor son las siguientes:

©  Cuando se calcula la sección transversal de un canal hay que suponer un valor para la rugosidad, pero en el momento de la construcción y por causas que se le pueden escapar al ingeniero diseñador puede ser que la superfici tenga una mayor rugosidad. En consecuencia, se requerirá de un tirante mayor para que escurra el mismo caudal.

También puede ocurrir que con el paso de los años el revestimiento del canal se deteriore y tienda a hacerse más rugoso. Si este fenómeno fuera más intenso que el previsto, la diferencia es tomada por el borde libre.

©  Una mala operación en las compuertas de entrada al canal puede dar lugar a que ingrese a éste un caudal mayor que el de diseño.

©  A lo largo de la conducción pueden presentarse ingresos de agua no previstos.

©  Puede ocurrir una obstrucción parcial a lo largo de la conducción.

©  Por una razón u otra puede presentarse una onda en el canal. El borde libre debe absorber la altura de la ola correspondiente.

El borde libre e, pues, una seguridad que toma el ingeniero diseñador contra fenómenos que tiene una cierta probabilidad de ocurrencia.

Entonces la magnitud del borde libre depende esencialmente del grado de seguridad que se debe dar al canal como consecuencia de su importancia y de una estimación de la posibilidad que ocurra algún fenómeno extraordinario.

En consecuencia, en la determinación de la magnitud del borde libre juega un gran papel la naturaleza del terreno en que está construido el canal.

-        ÁREA HIDRÁULICA (A)

Es el área hidráulica con el menos perímetro mojado que conduce el caudal máximo.

-        PERÍMETRO MOJADO (P).

Es la longitud de la línea que se forma al intersectar el área hidráulica con la geometría del canal en dirección normal al sentido del flujo.

-        RADIO HIDRÁULICO.(Rh)

      El radio hidráulico es un parámetro importante en el dimensionamiento de canales, tubos y otros componentes de la obras hidráulicas, generalmente es representado por la letra R y expresado en metros es la relación entre:

-El área mojada en m² y el perímetro mojado en m.

                        R= A/P

-        VELOCIDAD NORMAL (V_n)

Para obtener la velocidad utilizamos la fórmula de Manning:  

-        VELOCIDAD CRITICA (V_c)

Para calcular la velocidad crítica se puede utilizar la siguiente ecuación:

Despejando la velocidad, eliminando términos y se nos queda:

Si D=A/T

La ecuación de la velocidad crítica:

-        ESPEJO DEL AGUA(T)

Anchura de la superficie libre del agua.

-        PROFUNDIDAD HIDRÁULICA (D)

Es la relación entre el área hidráulica de una sección y el ancho de la superficie libre del agua (espejo de agua en la sección). Equivale a la profundidad que tendría el agua si la sección fuera rectangular y conservara tanto el área como el ancho en la superficie.

D = A/T

-        RÉGIMEN DE FLUJO

El régimen de flujo en un tramo de canal se clasifica en función del Número de Froude (NF), el cual es una relación adimensional entre fuerzas de inercia y fuerzas de gravedad, dada por la velocidad normal y la velocidad critica del flujo. De acuerdo con el Número de Froude, el flujo puede ser supercrítico,crítico y suscritico.

El Número de Froude se calcula con la siguiente ecuación:

Donde g es la aceleración de la gravedad; v es la velocidad del flujo y D es la relación entre el área hidráulica de una sección de canal (A) y el ancho de la superficie del agua (T).

Flujo Subcrítico

En este régimen de flujo se observan las siguientes características:

a) la velocidad normal (vn) es menor que la velocidad critica (vc). La velocidad normal está dada por la ecuación de Manning, mientras que la velocidad crítica está dada por las ecuaciones anteriormente mencionadas.

b) El calado normal (y) es mayor que el calado critico (yc).

c) El Numero de Froude es menor que 1. F < 1.

Flujo Supercrítico

En este régimen de flujo se observan las siguientes características:

a) la velocidad normal (vn) es mayor que la velocidad crítica (vc).

b) El calado normal (y) es menor que el calado critico (yc).

c) El Número de Froude es mayor que 1. F > 1.

Flujo Crítico

El régimen de flujo crítico puede definirse como el estado en el cual la energía especifica E, es mínima para un caudal dado q.

De acuerdo con la ecuación de la energía de Bernoulli para canales y considerando z=0, la energía específica en un canal está dada por:

Si la pendiente del canal es pequeña α=1 por lo tanto la ecuación anterior queda como sigue:

Expresando esta ecuación en función del caudal Q, se multiplica por el área A.

Recordar que el número de Froude es igual a 1. F=1

DISEÑO PREVIO O BOCETO DE LA INTERFAZ MÁQUINA-USUARIO.

 

INSTRUCCIONES DE USO DE LA APLICACIÓN CREADA.
La aplicación consta de una hoja de portada, una hoja de instrucciones, una hoja de cálculo, una hoja de base de datos y una última hoja de ayuda.
Cuando abrimos el documento aparece la hoja de portada donde hay que pulsar el botón inicio, y simultáneamente aparecerá la hoja de instrucciones, donde se nos explica paso por paso lo que tenemos que ir haciendo, posteriormente vamos a la hoja de cálculos donde se introducirá los datos necesarios y donde se obtendrán los resultados finales.
En esta hoja existen varios tipos de recuadros de sumo interés:
Recuadro de color morado, sirve para la introducción de datos, tales como el caudal (Q), la pendiente (i), el talud (z), la rugosidad (n), el ancho de solera (b), y el calado (y),
                         el cual se obtendrá por tanteos.


Recuadro donde figuran los resultados de los cálculos correspondientes, área, perímetro mojado, radio hidráulico, espejo del agua, profundidad hidráulica, velocidad normal y                                   crítica.

Recuadro donde vemos si cumple o no el calado que tenemos que sacar mediante tanteos.


Recuadro donde nos dice en qué régimen de flujo se encuentra.

En la hoja de base de datos, podemos ver todas las formulas que se han utilizado:

Mientras que en la hoja de ayuda tenemos todos los datos necesarios como las velocidades máximas permitidas, el coeficiente de Maning, etc. Que pueden servirnos para guiarnos en los datos que debemos introducir.

PASOS A SEGUIR:

1. En la hoja de portada, pinchamos en inicio, que nos llevara a la hoja de instrucciones.

2. Leemos los pasos que debemos seguir, por si tenemos alguna duda

3. Vamos a la hoja de cálculo y nos desplazamos hasta la zona de la sección que hayamos elegido.

4. Introducimos los datos en las casillas en blanco.

5. Vemos si cumple el calado, si no cumple lo tenemos que cambiar hasta que cumpla.

6. Repetimos el proceso con otra sección si queremos comprarlas.

7. Vemos la comparación de perímetros y elegimos el más conveniente que será la que menos perímetro mojado tenga.