7/18/2019 Canales Con Seccion y Rugosidad Compuesta

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 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE BOCA DEL RIO 

ING. CIVIL

HIDRÁULICA II

TEMA: CANALES CON SECCIÓN Y RUGOSIDAD

COMPUESTA

PROF: M.I. JUAN MANUEL RIQUER TRUJILLO

 ALUMNOS:

CAMAL VARGAS JESUS IGNACIOHERNANDEZ SOSA LUIS ADRIAN

HERNANDEZ RODRIGUEZ VICTOR ALFONSO

LOYO CORRO GUILLERMO GENARO

CRUZ CRUZ FRNACISCO JAVIER

FECHA: 19 septiembre del 2013

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Canal

En ingeniería se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos —generalmente utilizada para agua— y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a laatmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación. La descripción delcomportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la hidráulica y su

diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica, una de las especialidades de laingeniería civil. 

Principales diferencias entre canales y tuberías son las siguientes:

En el canal el líquido tiene una superficie libre que está en contacto con laatmósfera; en la tubería el líquido está confinado y sometido a una cierta presión(a veces esta presión es negativa).

En el canal el conducto puede ser abierto o cerrado; en la tubería el conducto essiempre cerrado.

En el canal el líquido escurre en la tubería el liquido escurre porque hay ungradiente de energía.

Cuando se dice tubería queda entendido que el conducto es circular. LasFormas más comunes de canales son la trapezoidal, la rectangular, la triangular y lacircular.

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Canales con sección y rugosidad compuesta

Un canal puede ser construido de modo que el fondo y las paredes tengan seccionesdiferentes. En este caso habrá dos valores para el coeficiente de rugosidad. Uno para elfondo y otra para las paredes. Se dice entonces que la rugosidad es compuesta. Es decir en canales prismáticos, la rugosidad a lo largo del perímetro mojado puede ser diferente

de una parte a otra, sin embargo la velocidad media puede ser calculada con las fórmulasde flujo uniforme. Para utilizar la fórmula de Manning en este tipo de canales es necesariocalcular un coeficiente de rugosidad ―n‖ equivalente para todo el perímetro. Paradeterminar un coeficiente equivalente, el área mojada es dividida en N partes (divisionesverticales) en las cuales los perímetros mojados P1, P2,…, PN y los coeficientes derugosidad n1, n2,…, nN son conocidos. Como se muestra en las siguientes figuras:

Si cada parte de la sección tiene un coeficiente ni de Manning, entonces el problemaconsiste en hallar un valor de n que sea representativo de todo el perímetro.Un canal puede ser construido de modo que tenga porciones del perímetro mojado conrugosidades distintas, lo que implica diferentes valores del coeficiente de rugosidad n,para cada porción. Como ejemplo se puede mencionar el canal de la figura 2.21, con

fondo de concreto y paredes de piedra. En este caso, para la aplicación de la fórmula deManning se debe calcular un valor de n ponderado equivalente, representativo de todo elperímetro mojado de la sección.

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Efecto de la rugosidad sobre la velocidad a lo largo del canal.

Para medir el caudal de las corrientes y la velocidad media del flujo, la U.S. GeologicalSurvey, divide la sección transversal en franjas verticales mediante el trazado desucesivas verticales. En cada vertical se miden las velocidades con el correntómetro omolinete, de alguna de las siguientes formas.

- Método 0.6y . Este método tiene resultados aceptables y se usa para profundidadesmenores de 0.6 m. En este caso la velocidad media se asimila a la que se obtiene almedir la velocidad a 0.6y desde la superficie o a 0.4y desde el fondo.

- Método 0.2y  – 0.8y . Consiste en medir la velocidad a 0.2y y 0.8y de profundidad a partir de la superficie, siendo h la altura de la vertical. La velocidad media en la vertical es elpromedio de ambas velocidades.

Las verticales deben tener las siguientes características:

- El ancho entre ellas no debe ser mayor que 1/15 a 1/20 del ancho total de la sección.

- El caudal que pasa por cada área de influencia  Ai, no debe ser mayor que el 10% delcaudal total.- La diferencia de velocidades entre verticales no debe sobrepasar un 20%.

El promedio de las velocidades medias en dos verticales consecutivas, se multiplica por elárea entre las verticales para obtener el caudal en cada franja. El caudal total de lasección será la sumatoria de los caudales para todas las franjas y la velocidad media detoda la sección transversal es la relación entre el caudal total y el área total.

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Calculo según la sección del canal 

Las expresiones que permiten su cálculo son función de la forma geométrica de la seccióntransversal del canal.

En la siguiente tabla se resumen las secciones más utilizadas con las unidades delsistema internacional.

-Canales de sección rectangular    Área mojada:

  Perímetro mojado:

Donde:

  L = ancho de la base del canal (en m).

  h = altura del nivel del líquido dentro de la sección rectangular.

-Canales de sección triangular 

   Área mojada:

  Perímetro mojado:

Donde: siendo: el ángulo del talud con la vertical.

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-Canales de sección trapezoidal

   Área mojada:

  Perímetro mojado:

-Canales de sección circular 

   Área mojada: ; o expresando el ángulo en

radianes : ...

  Perímetro mojado: ; o igualmente

Donde: r = radio de la sección circular (en m); la sección mojada limitada por la cuerda c,que sostiene el ángulo al centro Φmedido en grados sexagesimales. [ cuando se

expresa en radianes]

  Y por tanto Radio hidraulico: ; o

igualmente

El calado que proporciona el radio hidráulico máximo (lo que significa caudal máximo aigualdad de otras variables) corresponde al valor de que hace mínima la expresión

. Esta ecuación es una ecuación trascendente, con varios mínimos, que se

pueden obtener resolviendo otra ecuación trascendente, la . La primera

solución de esta ecuación (que es la que vale para obtener el ángulo y el calado

buscados), obtenida por métodos numéricos, es rad,

y . Por tanto,

El Radio hidraulico máximo de una conducción circular es :En el caso particular de las conducciones circulares trabajando con sección plena, es

decir en presión, el radio hidráulico en función del diámetro es:

; es decir :

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De lo anterior se deduce que el radio hidráulico a sección llena es el 82,2% del radio

hidráulico máximo que puede proporcionar la sección circular. En la fórmula del

caudal el valor del radio hidráulico interviene con un exponente de 2/3 (del

término de velocidad de la Fórmula de Manning), pero interviene también la sección

mojada, que depende del ángulo , con lo que el caudal que una sección circular es

capaz de transportar a sección llena es aproximadamente el 93% del máximo. Este valor máximo, que es un 7,5 % mayor que el de la sección llena, se consigue cuando queda

una pequeña sección superior libre (correspondiente a rad

aproximadamente).

Elementos básicos en el diseño de canales 

Se consideran algunos elementos topográficos, secciones, velocidades permisibles, entreotros:

Trazo de canales.- Cuando se trata de trazar un canal o un sistema de canales esnecesario recolectar la siguiente información básica:

Fotografías aéreas, para localizar los poblados, caseríos, áreas de cultivo, víasde comunicación, etc.

Planos topográficos y catastrales.

Estudios geológicos, salinidad, suelos y demás información que pueda conjugarseen el trazo de canales.

Una vez obtenido los datos precisos, se procede a trabajar en gabinete dando un trazopreliminar, el cual se replantea en campo, donde se hacen los ajustes necesarios,obteniéndose finalmente el trazo definitivo.En el caso de no existir información topográfica básica se procede a levantar el relieve delcanal, procediendo con los siguientes pasos:

a. Reconocimiento del terreno.- Se recorre la zona, anotándose todos los detalles queinfluyen en la determinación de un eje probable de trazo, determinándose el puntoinicial y el punto final.

b. Trazo preliminar.- Se procede a levantar la zona con una brigada topográfica,clavando en el terreno las estacas de la poligonal preliminar y luego el levantamientocon teodolito, posteriormente a este levantamiento se nivelará la poligonal y se hará ellevantamiento de secciones transversales, estas secciones se harán de acuerdo acriterio, si es un terreno con una alta distorsión de relieve, la sección se hace a cada 5m, si el terreno no muestra muchas variaciones y es uniforme la sección es máximo acada 20 m.

c. Trazo definitivo.- Con los datos de (b) se procede al trazo definitivo, teniendo encuenta la escala del plano, la cual depende básicamente de la topografía de la zona yde la precisión que se desea:

o  Terrenos con pendiente transversal mayor a 25%, se recomienda escala de1:500.

o  Terrenos con pendiente transversal menor a 25%, se recomienda escalasde 1:1000 a 1:2000.

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  Radios mínimos en canales.- En el diseño de canales, el cambio bruscode dirección se sustituye por una curva cuyo radio no debe ser muy grande, ydebe escogerse un radio mínimo, dado que al trazar curvas con radios mayores almínimo no significa ningún ahorro de energía, es decir la curva no seráhidráulicamente más eficiente, en cambio sí será más costoso al darle una mayor longitud o mayor  desarrollo. 

APLICACIONES DE LOS CANALES DE FUIDOS

Como sabemos un canal es un circuito de corriente de agua, el cual puede ser en dossecciones:

  Canal abierto  Canal cerrado

Los dos tienen la finalidad de hacer circular el agua debido a la gravedad, ya que si estees cerrado y ejerce una presión dentro de él que no se la atmosférica no considera uncanal de corriente.

Los canales los podemos distinguir en varias formas, pero existen solo algunos tiposesenciales o básicos ya que las condiciones en las que a veces se encuentran losterrenos son muy críticas para construir otros tipos

Los más básicos podemos decir que son:  Rectangular   Circular   Trapezoidal  Triangular   Parabólica

Dependiendo del tipo de canal y para que se va a desarrollar es que se determinara deque estará echo, hay canales que se construyen de madera, concreto o piedras, estoparte del uso y lo que vaya a transportar.

Como ya dijimos las secciones de un canal depende del uso que se le vaya dar y elmaterial que vaya a transportar, pero las secciones siempre tienen sus características,que una de ellas y la más prudente analizar es la rugosidad. Ya que esta nos puedecausar muchos problemas, como la destrucción del canal a un determinado tiempo, laperdida de material debido a la fricción del material con el que está hecho el canal, y unsin fin de daños.

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Problemas

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