clases sifon invertido- teoría, diseño y cálculo
TRANSCRIPT
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
1/20
SIFÓN INVERTIDO
FACULTAD DE
INGENIERÍA CIVIL
Y ARQUITECTURA INGENIERÍA CIVIL
42 6 DISEÑO DE OBRAS HIDRÁULICAS
Instructor: Mitchel Jara
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
2/20
SIFÓN INVERTIDO
Conducto cerrado que se eleva por encima de la línea piezométrica y en la cual la presión,
en algún punto, es inferior a la atmosférica. La presión en todos en todos los puntos en el
tubo es superior a la atmosférica.
Se emplean para conectar dos conductos o depósitos de agua pasando por un punto más
bajo entre ellos. Se utilizan en el cruce de un canal con una depresión topográfica como un
río, quebrada, un camino, un dren u otro tipo de obstáculo que convenga sortear pasando
por debajo.
2
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
3/20
SIFÓN INVERTIDO
A diferencia de los acueductos, los sifones invertidos tienen altas pérdidas de
carga por fricción. Sin embargo, sus ventajas son sus bajos costos de diseño,
construcción y mantenimiento. Esta estructura funciona por diferencia de niveles,
la cual debe absorber todas las pérdidas de carga del mismo.
La diferencia de niveles ( Δz) debe ser mayor o igual a la sumatoria de pérdidas
de carga entre una y otra cámara.
3
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
4/20
SIFÓN INVERTIDO
Los sifones invertidos medianos y pequeños (desniveles del orden de 50 m), están
compuestos generalmente por:
1. Vertedero de excedencias.
2. Desarenador.
3. Rejilla de entrada.
4. Transición de entrada.
5. Ducto.
6. Válvula de purga.
7. Transición de salida.
8. Rejilla de salida.
4
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
5/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
1. Definir la alineación vertical y horizontal del ducto, sobre la base de la
topografía. De esta definición resulta la longitud (LD) del ducto y sus cambios
de dirección o codos.
5
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
6/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
2. Sobre la base de la topografía y el punto elegido para continuar el canal luego
del sifón invertido, se predetermina la cota de la solera en el punto o cota (F).
6
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
7/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
3. Calcular la diferencia de cotas.
4. Definir la velocidad de diseño del agua en el ducto (Vd). Una velocidad
conveniente oscila entre 1.5 – 3.0 m/s. Velocidades menores obligarán a
tomar mayores precauciones en cuando a facilidades de limpieza en el ducto.
Una velocidad superior a los 3.0 m/s también obliga a tomar precauciones
contra el golpe de ariete.
7
Δz = diferencia de altura entre la Cota A y la
cota F (m).
Cota A = nivel solera en el punto A – inicio dela estructura (msnm).
Cota F = nivel de solera en el punto F – final
de la estructura (msnm).
∆ = −
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
8/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
5. Calcular el área interior necesaria del ducto.
6. Definir la forma de la sección del ducto (circular, cuadrada, rectangular u otra)
y el material con su rugosidad.
8
Ad = área del ducto (m2).
Q = caudal (m3/s).
Vd = velocidad en el ducto (m/s).
=
Cargas menores a 10 mse puede usar ductos de
hormigón armado. Si la
carga excede los 30 m es
conveniente usar ductos
de H° A°. Para cargas de
60 – 150 m más práctico
utiliza ductos de PVC.
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
9/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
7. Calcular dimensiones características de la sección elegida.
8. Seleccionar la sección comercial con las dimensiones características más
cercanas en el paso anterior.
9. Con el área calculada sobre la base del diámetro comercial, calcular la
velocidad en el ducto.
9
Circular Cuadrada Rectangular
= ∗
= =
ó =
=
La velocidad en el ducto debe ser al menos el
doble de la velocidad en el canal, no menor a
1.0 m/s y mejor si es mayor a 1.5 m/s. Es
prudente no exceder los 3 m/s.
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
10/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
10. Calcular la pérdida de carga por la rejilla de entrada con la fórmula de Kirshmmer.
11. Calcular la longitud de la transición de entrada y de salida en función del ancho del
espejo de agua del canal y dimensión característica de la sección elegida.
10
hRE = pérdida de carga por rejilla de entrada (m).
F = factor de forma; 1.79 barra circular, 2.42 barra
rectangular.
eb = espesor de la barra (m).Sb = espacio libre entre barras (m).
Vc = velocidad en el canal (m/s).
Φ = ángulo que forman barras con la horizontal.
g = aceleración de la gravedad (m/s2).
= ∗
∗
∗ ∗ (∅)
LT = longitud de transición (m).
T = ancho espejo de agua en el canal (m).
D = diámetro en caso de ducto circular (m). =
−
∗ (. °)
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
11/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
12. Calcular la pérdida de carga por la transición de entrada.
13. Calcular el nivel de agua sobre el punto B, donde se inicia la conducción entubada. Se
parte de la Cota A más el tirante normal, que resulta el nivel de agua en el punto A
(NA A).
11
hTE = pérdida de carga por transición de
entrada (m). =. ∗
−
∗
= − −
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
12/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
14. Calcular la proyección vertical del diámetro a la entrada del ducto.
15. Definir porcentaje de ahogamiento (a%) en la sección de entrada asumiendo un valor
mayor a 10% y menor que 50%.
12
DPE = proyección vertical del diámetro del ducto a la
entrada (m).
α = ángulo del ducto en su primer tramo horizontal. =
= − ∗ ( +%
)
% =
− −
∗
El ahogamiento mínimo es de 0.15 m;
un valor recomendable es 0.45 m.
El ahogamiento resulta: = − −
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
13/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
16. Calcular la pérdida de carga por entrada al ducto.
13
hE = pérdida de carga por entrada (m).
Ke = coeficiente de pérdida de entrada. = ∗
∗
FORMA DE ENTRADA Ke
Compuerta en pared delgada, contracción suprimida en los lados y en el fondo 1.000
Entrada con arista en ángulo recto 0.500
Entrada con arista ligeramente redondeada 0.230
Entrada con arista completamente redondeada (R/D = 0.15) 0.100
Entrada abocinada circular 0.004
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
14/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
17. Calcular la pérdida de carga en el ducto, de acuerdo a:
a. Sumatoria de pérdidas menores por accesorios:
14
Km = coeficiente de pérdida de accesorios.
ACCESORIO Km
Válvula de globo, completamente abierta 10.0
Válvula en ángulo, completamente abierta 5.0
Válvula de retención, completamente abierta 2.5
Válvula de compuerta, completamente abierta 0.2
Válvula de compuerta, con 3/4 de apertura 1.0 – 1.15
Válvula de compuerta, con 1/2 de apertura 5.6
Válvula de compuerta, con 1/4 de apertura 24.0
Codo de radio corto (r/D = 1) 0.9
Codo radio mediano 0.75 – 0.8
Codo radio grande (r/D = 1.5) 0.6
Codo de 45° 0.4 – 0.42
= ∗
∗
ACCESORIO Km
Retorno (curva en U) 2.2
Te en sentido recto 0.3
Te a través de la salida lateral 1.8
Unión 0.3
Ye de 45°, en sentido recto 0.3
Ye de 45°, salida lateral 0.8
Entrada recta a tope 0.5
Entrada con boca acampanada 0.1
Entrada con tubo reentrante 0.9
Salida 1.0
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
15/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
17. Calcular la pérdida de carga en el ducto, de acuerdo a:
b. Calcular el número de Reynolds:
c. Determinar el factor de fricción (f) iterando hasta cumplir la igualdad:
15
Re = número de Reynolds.
v = viscosidad cinemática (m2/s).
TEMPERATUAR (°C) 0 5 10 15 20 25 30
Viscosidad cinemática x 10-6 m2/s 1.79 1.52 1.31 1.15 1.01 0.90 0.81
= ∗
= − ∗
. ∗ +
.
∗
f = factor de fricción.
Ԑ = rugosidad absoluta del interior del
tubo (m).
MATERIAL Ԑ (x10-3m)
PVC 0.0015
Asbesto cemento 0.03
Acero 0.046
Hierro galvanizado 0.15
MATERIAL Ԑ (x10-3m)
Hierro fundido 0.15
Hierro fundido dúctil 0.25
Hormigón 0.3 – 3.0
Acero bridado 0.9 – 9.0
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
16/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
17. Calcular la pérdida de carga en el ducto, de acuerdo a:
d. Calcula la pérdida de carga por fricción en el ducto:
18. Calcular la pérdida de salida por ampliación, calculando previamente la velocidad del
flujo en el canal de salida.
16
hf = pérdida de carga por fricción (m).
Ld = longitud del ducto (m). = ∗
∗
∗
=
hs = pérdida de carga por salida (m). =
−
∗
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
17/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
19. Calcular la pérdida de carga por rejilla de salida, la velocidad de aproximación es ahora
la velocidad de salida.
17
= ∗
∗
∗ ∗ (∅) hrs = pérdida de carga por rejilla de
salida (m).
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
18/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
20. Calcular la sumatoria total de pérdidas (m).
21. Calcular la cota (msnm) de la solera del canal luego de la transición, considerando que
se desea tener el mismo tirante que en el canal de entrada.
22. Para diseñar la estructura de salida, dependiendo del camino elegido en el punto
anterior, se tendrá como tirante del canal de salida el tirante normal de entrada u otro
tirante en el punto F (Yf), asociado a la cota del nivel de agua en la salida sobre el punto
F, Cota NAF (msnm).
18
= + + + + + +
= − . ∗
= + +
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
19/20
SIFÓN INVERTIDO
Diseño hidráulico:
23. Considerando las pérdidas de salida se calcula el nivel de agua en el punto E (m).
24. Definir el porcentaje de ahogamiento del tubo de salida (%as) cuidando que la diferencia entre
tirante y el diámetro proyectado sobre la vertical DPS no exceda el valor de un sexto del
diámetro interno del ducto para que la salida trabaje con un mínimo de sumergencia o con
descarga libre, minimizando las pérdidas de carga en la tubería.
25. Proyección de vertical del diámetro del ducto será:
26. Finalmente se calcula la cota en el punto E.
19
= +
(
/) .
DPS = proyección vertical del diámetro del ducto de salida (m).
β = ángulo que forma el ducto a la salida con la horizontal. =
= − −
-
8/18/2019 Clases Sifon Invertido- teoría, diseño y cálculo
20/20
SIFÓN INVERTIDO
Ejemplo:
Dimensionar un sifón invertido entre dos canales rectangulares de ancho 0.60 m,
pendiente de 0.001 m/m con capacidad de conducir 250 l/s con un tirante normal
de 0.613 m y una velocidad de 0.679 m/s. La cota de la solera en el canal de
entrada es 2780.30 msnm. El punto de salida está situado aproximadamente en
la cota 2771.30 msnm considerando una longitud de tubería de 310 m.
20