diseño de estructuras hidráulicas_c

8/18/2019 Diseño de Estructuras Hidráulicas_c

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DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS

CAPITULO I: INTRODUCCION

1.1. Definicionesa) Obras Hidráulicas. Son estructuras destinadas a trabajar con agua y soportar la acción de estas-

Los proyectos de obras hidráulicas se basan en el estudio del comportamiento del agua enreposo o en movimiento.

b) Los proyectos Hidráulicos o de aprovechamiento hidráulico, se define como el conjunto deactividades destinadas a satisfacer requerimientos de agua en sus múltiples necesidades delhombre. De acuerdo al Plan Nacional de Ordenamiento de los Recursos Hidráulicos, se tiene lassiguientes demandas:

• Demanda de agua para uso poblacional.• Demanda de agua para uso agropecuario (riego y drenaje).• Demanda para Generación Hidroeléctrica.• Demanda para abastecimiento a la industria y minería. • Desarrollo de pesca y acuicultura. • Usos recreativos. • Para lavado de sales

c) Las funciones de las estructuras en obras hidráulica son diversas: desde salvar un claro como enlos puentes; alcantarillas, contener un empuje como en los muros de contención y de defensaribereña, tanques o silos; almacenar agua como en las presas; generar energía eléctrica como

sucede en la infraestructura hidroeléctrica; etc.

d) Sistema. La Teoría General de Sistemas (Bertalanffy), se fundamenta en los principios básicosde las organizaciones. El enfoque sistémico permitió comprender a una organización comoun conjunto de subsistemas que interactúan y se relacionan. Cada sistema y subsistemadesarrollan una serie de acontecimientos que parte con una entrada y culmina con una salida.Lo que ocurre entre la entrada y la salida constituye la esencia del subsistema y se conoce comoproceso.

e) Se denomina diseño estructural al proceso ordenado que se debe seguir para dimensionar yproporcionar adecuadamente cada uno de los elementos resistentes de una estructura, de modo

que cumpla satisfactoriamente la función para la que fue proyectada, buscando en todo caso quela estructura sea razonablemente segura, económica y funcional, dentro del nivel deconfiabilidad elegido.

f) Dimensionamiento es entendido como la determinación de las características geométricas de loselementos estructurales y la cantidad y posición del acero estructural


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1.2. Naturaleza de los Aprovechamientos Hidráulico

CONOCIMIENTO

MULTIDISCIPLINARIO:

- Ciencias Sociales

- Ciencias Naturales

- Ingeniería

1. DEMANDA Y DH PRESENTE Y FUTURA

¿Cuánta

agua es

necesaria en

el presente

y futuro?

¿Cuánta

impureza estolerable?

Incertidumbre en

las proyec. de

demandas

futuras, beneficios

y costos

EM N

Incertidumbre

en la calidad


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- Hidrología

Descriptiva e

Inferencial.

- Técnicas de

Transferencia

de Información

Hidrológica.

¿Qué vol. y

calidad de

agua se

dispone?

¿Cuál es el

potencial

hidráulico de la

zona?

Incertidumbre

en la consistencia

espacial y temporal

de datos hidro-

meteorológicos

Falta de datos,

aforos y registros

DISPONIBILIDAD

HIDRÁULICA

CONOCIMIENTO

MULTIDISCIPLINARIO

INTEGRADOS:

Estudios e

Investigaciones de

campo y laboratorio.

En gabinete lograr

diseños eficientes,

seguros y de bajo costo.

2. TAMAÑO Y CAPACIDAD DEL SISTEMA

¿Qué

tamaño y

capacidad

tendrá el

sistema?

Condicionantes:

Demanda, tecnología,

localización y financiación

Incertidumbre en la elección

del tamaño adecuado

Riesgos de sub dimensiona-

miento y sobredimensiona-

miento

Incertidumbre en las cargas

que soportaría

Condicionante dela disponi-

bilidad y calidad hidráulica

D > DH

Optimización en el Espacio

EM N


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- Distribución deFrecuencias y Curvas

de Persistencias.

- Análisis de eventos

extremos.

- Balances Hidrológicos

Complejos.

- Hidrología Estocástica.

¿Cuáles

son los

volúmenes y

escurrimientoesperados?

Incertidumbre en conocer

la avenidas máximas ymínimas


las avenidas prolongadas

Optimización en el Tiempo

DISPONIBILIDAD

HIDRÁULICA

¿Cuáles

son los

volúmenes y

gastos

máximos y

mínimos?


las avenidas prolongadas

Condicionantes:

Disponibilidad hidráulica

superficial y subterránea,

extensión y calidad de

datos

1.3. Características Generales de los Aprovechamientos Hidráulicos.

• Inversión inicial elevada.• Las obras de aprovechamiento hidráulico son irreversibles (no se puede solucionar el

problema de sub y sobredimensionamiento).• Los Aprovechamientos Hidráulicos requieren de una larga Maduración.• Requieren de estudios con alto grado de confiabilidad.

• Deben ser proyectadas para ser seguras, eficientes.• En la etapa de ejecución requieren de mayor control y supervisión.


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1.4. SISTEMAS DE APROVECHAMIENTO HIDRÁULICO.

Los distintos requerimientos de agua por el hombre para satisfacer sus necesidades como dedisponer de agua para su alimentación, para riego de sus cultivos, en la generaciónhidroeléctrica, en la industria, etc, son satisfechas mediante el desarrollo de una infraestructurahidráulica conformada por los mismos subsistemas y componentes desde la captación hasta el

final de la conducción, defiriendo solamente en las obras de uso. El carácter sistémico de lasobras desarrolladas para cualquier uso señalado líneas arriba, es denominado como obras deaprovechamiento hidráulico.

Estas obras de aprovechamiento están constituidas por los subsistemas (partes) siguientes: Obras de captación. Obras de conducción Obras de uso.

Cada uno de estos subsistemas está constituido por los componentes siguientes:

Obras principales. Obras de protección. Obras de confiabilidad

Los cuales se aprecia en el esquema hidráulico siguiente:

OBRAS PRINCIPALES

Es el eje principal del sistema de aprovechamiento, conformado desde la bocatoma en las obras decaptación, pasando por la línea de conducción hasta llegar a las obras de uso. Sin estas obras de uso noes posible lograr el objeto para lo cual ha sido proyectado el sistema. Las características más notoriasde las estructuras principales es su importancia dentro del sistema, lo que indica que son fundamentalese insustituibles en el sistema de aprovechamiento hidráulico.

OBRAS DE PROTECCIÓN.Son obras externas a las estructuras principales, proporcionan resguardo de un posible daño o riesgo


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externo a las estructuras principales.

OBRAS DE CONFIABILIDAD.

Son estructuras inherentes a las estructuras principales y proporcionan mayor confiabilidad alfuncionamiento del sistema de aprovechamiento hidráulico, sean estos con fines de dotación de agua

para consumo humano, para proyectos de riego o de generación hidroeléctrica, etc


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1.5. ESTRUCTURAS PRINCIPALES Y COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DEAPROVECHAMIENTO HIDRÁULICO

a) Obras de captaciónPueden ser de distintos tipos, de acuerdo al tipo de la fuente (DH y la demanda), envergadura,localización geográfica. En cuanto a la derivación del curso de un río, mediante una tomaconvencional, en general debe disponer de las siguientes estructuras:

Presa -vertedor de demasías: azud Compuerta de fondo Ventana de admisión Rejilla de entrada.


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PARTES DEL SISTEMA

COMPONENTES DE LOS SUBSITEMASPRINCIPAL PROTECCI N (externos al principal) CONFIABILIDAD (inherentes al principal)

CAPTACI N Ventana de admisiónCanal de conexión.

Presa-vertedor de demasías: azud (*)Muros de encausamiento. Azud.Obras de disipación de energía cinéticaCompuerta de fondo

Espigones de desvío, muros de encausamiento, estructuras contrasocavación, protección contra inundaciones.

Rejilla de entrada.Vertedor lateral de regulaciónDesripiador.Desarenador

CONDUCCI N Obras de conducciónpor gravedad:Canal de conducción.Sifones invertidos.

Puente acueducto. Alcantarillas.

Obras de conducciónpor tuberíasTuberías de conducción.Puentes aéreos.

Obras de conducción por gravedad:Canoas.Pasarelas peatonales y carrozables.Obras de protección hidrometeorológicos: Muros de defensa

ribereña, losas (tapas) de protección, estabilidad de taludes:banquetas estabilizadoras, zanjas de coronación, enrocados,drenajes subterráneos.

Estas obras serán proyectadas en función al tipo de instalación de latubería: enterradas o superficiales.

Obras de conducción por gravedad:

Vertedores laterales de demasías Aliviaderos laterales de prevención contra

derrumbes (emergencia), desripiador,desarenador, juntas de contracción, juntasde dilatación.

Obras de conducción por tuberías:Válvulas de expulsión de aire.Válvulas de purgaCámaras rompe presiónVálvulas reductoras de presión.

USO Reservorio con cámarade carga.Tuberías: primarias,secundarias, terciarías.Hidrantes.

Válvulas de expulsión de aire, válvulas depurga, reductor de presión y/o CRP,medidores, etc.

Rev01 (*) El Azud de acuerdo a autores como Torres Herrera y otros, puede considerarse como una obra principal, es decir como parte del bocal o bocatoma, sobre todopara el funcionamiento de la captación en la época de estiaje donde es necesario elevar el nivel del agua para la derivación.


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1.6. ESTUDIOS BÁSICOS.

Se denominan también estudios previos para el diseño. Al respecto, las distintas normativasemitidas por cada sector de acuerdo a la línea de inversión: Riego (MINAG), Abastecimientode Agua y Saneamiento (MVC), CCHHH (MEM) no son excluyentes, son válidasprincipalmente en lo referido a las obras de captación y conducción y la mayoría está

contenida en el Reglamento Nacional de Edificaciones.

En lo referido a las “Normas para los Estudios de Ingeniería Básica” de la Norma S.010(numeral 4.5) del RNE, señala las pautas que se debe tener en cuenta para los estudios deingeniería básica, indicando que “El propósito de los estudios de ingeniería básica esdesarrollar información adicional para que los diseños definitivos puedan concebirse con unmayor grado de seguridad”, siendo entre estos:

a. Estudios hidrológicos.b. Estudios geológicos y geotécnicos.c. Estudios topográficos.d. Estudios de Impacto ambiental.e. Estudios de vulnerabilidad a desastres naturales frecuentes en al zona

El diseño definitivo de una obra de aprovechamiento hidráulico de acuerdo a la mencionadanorma consistirá en dos documentos:

El estudio definitivo. El expediente técnico.

Asimismo, los documentos a presentarse en el estudio definitivo se señala en el numeral5.1.2.1, igualmente lo documentos que debe contener el expediente técnico se señala en elnumeral 5.1.2.2 de la misma norma, entre estos:

Memoria descriptiva. Especificaciones técnicas. Análisis de costos unitarios. Metrados y presupuestos. Formulas de reajuste de precios. Otros que la administración considere de importancia. Planos a nivel de ejecución de obra, dentro de los cuales, sin carácter limitante debe

incluirse:- Planimetría general de la obra.- Diseños hidráulicos.- Planos estructurales, mecánicos, eléctricos y arquitectónicos de ser el caso.Planos de obra generales

1.7. PLANTEAMIENTO Y ESQUEMA HIDRÁULICO.

El objetivo inicial del proyecto de aprovechamiento hidráulico para satisfacer una determinadademanda, de por si señala ciertas características del proyecto, si a esto adicionamos lalocalización geográfica de la fuente, información topográfica e hidrológica, podemos efectuar elplanteamiento hidráulico del sistema, que consiste en señalar tentativamente o definitivamente laspartes y componentes del sistema a proyectar, lo que permitirá orientar adecuadamente losestudios definitivos y los estudios básicos complementarios durante el estudio. Es de señalar queel planteamiento definitivo es el resultado de ajustes pertinentes durante las etapas del estudio.

El esquema hidráulico es la representación gráfica y/o simbólica del sistema propuesto medianteel planteamiento hidráulico. Dicho de otro modo, el planteamiento hidráulico va acompañado deuna representación gráfica o simbólica del sistema llamado esquema hidráulico.


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1.8. CARACTERIZACIÓN SISTÉMICA DE LOS APROVECHAMIENTOSHIDRÁULICOS. PARTES Y COMPONENTES.

La característica fundamental de los Aprovechamientos Hidráulicos es su carácter eminentementesistémico conformado por un conjunto de subsistemas que interactúan y se relacionan entre sí.En este caso se trata de las obras que deben funcionar en contacto con el agua cumpliendo undeterminado objetivo en la satisfacción de distintas necesidades del hombre y en ese propósitolas obras de captación y conducción están conformados por los mismos componentes adecuadosa las características propias de cada proyecto, utilizándose en su cálculo y diseño los mismosprincipios teóricos y aplicativos de la hidráulica y otra disciplinas, diferenciándose solamente enlas obras de uso que tienen distintas características, pero que, no obstante ello, para sudimensionamiento se debe utilizar los mismos principios de la hidráulicas y otras disciplinasseñaladas.En consecuencia, las obras de aprovechamiento para cualquier uso están conformadas por lasmismas obras a excepción de las obras de uso o de entrega.

1.9. DISEÑO HIDRÁULICO Y ESTRUCTURAL: CONSIDERACIONESGENERALES, ETAPAS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL.

Diseño hidráulico

Principios y ecuaciones fundamentales en hidráulicaPROCESO PRINCIPIO O LEY QUE LO

RIGEECUACIÓN EN LA

HIDRÁULICATransferencia de Masa Conservación de la materia ContinuidadTransferencia de cantidadde movimiento

2da Ley de NewtonEcuaciones constitutivas delfluido

1. Cantidad de movimientoe impulso.2. Navier Stokes o ecuacióngeneral del movimiento.

Transferencia de calor Primera ley determodinámica oconservación de la energía

BernoulliEnergía

Fuente: José Antonio Masa- Hidráulica Fluvial

Diseño estructural

Se denomina diseño estructural al proceso ordenado que se debe seguir para dimensionar yproporcionar adecuadamente cada uno de los elementos resistentes de una estructura, de modoque cumpla satisfactoriamente la función para la que fue proyectada, buscando en todo caso quela estructura sea razonablemente segura, económica y funcional, dentro del nivel de confiabilidadelegido.

En el diseño de elementos estructurales de concreto armado, es preciso conocer las relacionesque existen entre las características de los elementos de una estructura (dimensiones , refuerzos,etc), las solicitaciones exteriores (cargas) que debe soportar y los efectos que dichassolicitaciones producen en la estructura; es decir, es necesario conocer las características Acción –Respuesta de la estructura o elemento estructural estudiado, necesario para establecer unabase racional de diseño.


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Así mismo, si queremos determinar las características geométricas y su refuerzo del elementoestructural, las relaciones de Acción Respuesta de la estructura se puede extender en forma deuna cadena de Acción – Respuesta, de la siguiente manera:

Requisitos básicos para un diseño estructural

Seguridad Implica tres factores: Resistencia Ductilidad Rigidez

Economía. Implica diseñar una estructura del menor costo posible o permisible y de la mayor

seguridad y durabilidadFuncionalidad.

Implica proyectar una estructura que sea compatible con el uso para la que fueproyectada.

Estética.Factibilidad de ejecución

Relación suelo - estructura

El conocimiento de la respuesta del suelo a la cargas de la superestructura de cualquier tipo deobra, son condiciones esenciales en el diseño de las cimentaciones. Esta respuesta en formade presiones de contacto, debe reflejar que la cimentación cumpla las condiciones, siguientes:

Que el asentamiento total no exceda una permisible. Que los asentamientos relativos o diferenciales entre los diferentes elementos de la

estructura sean los mínimos posibles.


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Para lograr las consideraciones anteriores, es necesario que las cargas se transmitan a un suelode suficiente resistencia y que dichas cargas se repartan sobre un área suficientemente grande,dimensionado adecuadamente, de tal manera que la respuesta del suelo en forma de presión decontacto hacia arriba, sea mínimo.

Desde luego, lograr estas características de la cimentación, requiere del conocimiento de la carga

de la superestructura a la cimentación, las propiedades geotécnicas y de las condicionesgeológicas del suelo.

Etapas de diseño estructural

EstructuraciónEtapa en la que se define la disposición de los elementos que conforman la estructura; es decir,en el caso de edificaciones, se define el esqueleto resistente de la estructura, igualmente en elcaso de las obras hidráulicas se definen los elementos principales, las de protección y deseguridad.

Dimensionamiento previo

Etapa donde previamente definido los materiales a usarse, se designan a cada uno de loselementos de la estructura ciertas dimensiones aproximadas acordes a su uso que permitanlograr su diseño, las que pueden ser afinadas mediante cálculo posterior. Para lograr un buendiseño, lo ideal es que dichas dimensiones sean las definitivas, aspecto que no siempre se da enalgunos elementos.

Determinación de las solicitaciones exteriores o cargasEn esta etapa de diseño, de acuerdo a las condiciones de uso, ubicación y características de laestructura, se determinan todas las cargas que han de incidir sobre esta, en su vida útil.

Análisis estructuralEtapa en la cual para cada elemento de la estructura, se efectúa la predicción del comportamiento

de la estructura a través de las acciones internas como las cargas axiales, momentos flectores,esfuerzos cortantes y de torsión, determinados mediante métodos de análisis y para lascondiciones más desfavorables de carga. Del mismo modo se resuelven las deformaciones enciertos puntos de la estructura para chequear su tolerancia.

Cálculo de los elementos de refuerzoEtapa del diseño en que de tratarse de una estructura sin refuerzo (madera, acero, etc.) severifica si las dimensiones adoptadas son adecuadas para resistir las solicitaciones exterioresreflejadas en las acciones interiores con un apropiado factor de seguridad; en el caso de ser unaestructura reforzada, en esta etapa se calculan las cuantías de refuerzo y su disposición dentro dela estructura.

Planos estructurales

En esta etapa, en láminas a una escala adecuada, se detalla las dimensiones, disposición ycolocación de los distintos elementos estructurales y de todos sus refuerzos. Estas láminas debenacompañarse con un pliego de especificaciones, donde se consignan todas las informaciones quepermitan lograr en la etapa de ejecución una estructura como la proyectada.


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CAPITULO III: ESTRUCTURAS DE CAPTACION – BOCATOMAS

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