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FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

ESTRUCTURAS COMPLEMENTARIAS EN CANALES

INTEGRANTES: BENITES VALVERDE, GERSON SAMIR. BENITES VALVERDE, JORDAN NÉSTOR. CAMPOS ELORREAGA, DIANA. FLORES LLIHUA, ANGIE RUTH. GUAYAN VARGAS, LOURDES NOEMÍ. REYES CAMPOS, DEILER. SILVA LEZAMA, ESTEFANI. VARGAS ROJAS, NAYELI

DOCENTE:

HERRERA VILOCHE, ALEX ARQUIMEDES Trujillo – Perú 2019

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL- OBRAS HIDRAULICAS

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1. TRANSICIONES Las transiciones son estructuras que empalman tramos de canales que tienen secciones transversales diferentes en forma o en dimensión. Por ejemplo, un tramo de sección rectangular con uno de sección trapezoidal, o un tramo de sección rectangular de ancho b1 con otro rectangular de ancho b2, etc. Las transiciones funcionan mejor cuando los tramos que se van a empalmar son de baja pendiente, con régimen subcritico; en este caso las perdidas hidráulicas por cambio de sección son relativamente pequeñas. Cuando la transición se coloca en tramos de alta pendiente, en régimen super crítico, las perdidas hidráulicas son altas y no son cuantificables con buena precisión, lo cual hace que los cálculos hidráulicos no resulten aceptables. En esta circunstancia es recomendable diseñar la transición con ayuda de un modelo hidráulico. La transición en un canal es una estructura diseñada para cambiar la forma o el área de la sección transversal del flujo. En condiciones normales de diseño e instalación prácticamente todos los canales o canaletas requieren una estructura de transición desde los cursos de agua y hacia ellos. la función de una estructura de este tipo es evitar pérdidas de energía excesiva, eliminar ondas cruzadas y otras turbulencias y dar seguridad a la estructura y al curso del agua.

FIGURA: transición de un canal

2. USOS: Las transiciones se emplean en las entradas y salidas de acueductos, sifones invertidos y canalizaciones cerradas, así como en aquellos puntos donde la forma de la sección transversal del canal cambia repentinamente. Cuando se cambia de una sección a otra, se tienen perdidas de carga, si ese cambio se hace bruscamente las pérdidas son muy grandes. Algunas de las causas que ocasionan las pérdidas de carga, son: la fricción, el cambio de dirección, el cambio de velocidad y el cambio de pendiente.

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La variación del perfil trae como consecuencia la variación de las velocidades para el agua y por lo tanto la forma de las paredes, el fondo o ambos. Hinds propone que el perfil calculado de la superficie del agua sea regular y sin quiebres en todo lo largo de la transición, en su principio y fin.

3. TIPOS DE TRANSICIÓN: De acuerdo a su forma, las transiciones se pueden considerar de 3 tipos: 3.1. TRANSICIONES BIPLANARES O A BASE DE PLANOS: Las transiciones biplanares, denominadas también a base planos, son aquellas que están formadas por dos planos, que, según la figura, uno de ellos es el que va de la iniciación de la transición (talud del canal, línea AB), hasta terminar en un punto (C) en la parte inferior del término de la transición, este plano es ABC. El otro plano es el que principia en un punto (A) al inicio de la transición y termina en la línea formada por uno de los lados de la transición (línea DC) al final de esta, el plano es ADC, para su trazo este tipo de transiciones no requieren de cálculo alguno.

En las transiciones biplanares se hace un cálculo hidráulico sencillo para obtener las pérdidas de cargas: 

Perdida de carga por transición de entrada: 𝑉𝑒 2 2𝑔

Perdida de carga por entrada = 𝐾𝑡𝑒 (

−

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

Donde: Ve= carga de velocidad en la estructura. Vc= carga de velocidad en el canal. Kte= coeficiente de perdida de carga en transición de entrada = 0.3 𝑉𝑒 2

Perdida de carga por entrada = 0.3 ( 2𝑔 − 

Perdida de carga por transición de salida: 4

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL- OBRAS HIDRAULICAS 𝑉𝑒 2

Perdida de carga por salida = 𝐾𝑡𝑠 ( 2𝑔 −

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

Donde: Ve= carga de velocidad en la estructura. Vc= carga de velocidad en el canal. Kts= coeficiente de perdida de carga en transición de entrada = 0.5 𝑉𝑒 2

Perdida de carga por salida = 0.5 ( 2𝑔 −

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

3.2. TRANSICIONES REGLADAS La transición reglada es aquella que está formada por líneas rectas, colocadas a igual distancia desde el inicio hasta el fin de la transición, estas líneas van tomando su verticalidad a medida que disminuye la sección, según se observa en la figura. Para su trazo, este tipo de transiciones no necesitan de cálculos complicados.



Perdida de carga por transición de entrada: 𝑉𝑒 2 2𝑔

Perdida de carga por entrada = 𝐾𝑡𝑒 (

−

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

Donde: Ve= carga de velocidad en la estructura. Vc= carga de velocidad en el canal. Kte= coeficiente de perdida de carga en transición de entrada = 0.2 𝑉𝑒 2

Perdida de carga por entrada = 0.2 ( 2𝑔 − 5

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

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

Perdida de carga por transición de salida: 𝑉𝑒 2

Perdida de carga por salida = 𝐾𝑡𝑠 ( 2𝑔 −

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

Donde: Ve= carga de velocidad en la estructura. Vc= carga de velocidad en el canal. Kts= coeficiente de perdida de carga en transición de entrada = 0.3 𝑉𝑒 2

Perdida de carga por salida = 0.3 ( 2𝑔 −

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

3.3. TRANSICIONES ALABEADAS La transición alabeada es aquella que está formada por curvas suaves, generalmente parábolas, por lo que requiere un diseño más refinado de las anteriores, siendo esta la transición que presenta las mínimas perdidas de carga.

Longitud en transición alabeada de sección trapezoidal a rectangular 

Perdida de carga por transición de entrada: 𝑉𝑒 2

Perdida de carga por entrada = 𝐾𝑡𝑒 ( 2𝑔 −

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

Donde: Ve= carga de velocidad en la estructura. Vc= carga de velocidad en el canal. Kte= coeficiente de perdida de carga en transición de entrada = 0.1 6

ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL- OBRAS HIDRAULICAS 𝑉𝑒 2

Perdida de carga por entrada = 0.1 ( 2𝑔 − 

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

Perdida de carga por transición de salida: 𝑉𝑒 2 2𝑔

Perdida de carga por salida = 𝐾𝑡𝑠 (

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

−

Donde: Ve= carga de velocidad en la estructura. Vc= carga de velocidad en el canal. Kts= coeficiente de perdida de carga en transición de entrada = 0.2 𝑉𝑒 2

Perdida de carga por salida = 0.2 ( 2𝑔 −

𝑉𝑐 2 ) 2𝑔

4. DISEÑO DE TRANSICIONES: Como una aplicación del concepto de energía específica vamos a estudiar el perfil de la superficie libre en un canal en el que hay un cambio en la sección transversal. Este cambio puede originarse en una pequeña grada de fondo, positiva o negativa, según que el fondo ascienda o descienda. Las transiciones se originan también por un cambio en el ancho del canal y se llaman contracciones si el ancho disminuye y expansiones si aumenta. Para el estudio del perfil de la superficie libre en una transición suponemos que la perdida de carga es despreciable en consecuencia cualquiera que sea la transición se tendrá que entre dos secciones 1 y 2 la ecuación de la energía es: 𝑉1 2 𝑉2 2 𝑑1 + = 𝑑2 + 2𝑔 2𝑔 en ambas secciones debe cumplirse la ecuación de continuidad. 𝑉1 𝐴1 = 𝑉2 𝐴2 = 𝑄 Para el diseño hidráulico de las transiciones, adicionada a las pérdidas de carga obtenidas de acuerdo a lo especificado en cada uno de los tipos, se determina la longitud de la transición. Criterios para hallar la longitud de la transición: La longitud de la transición se obtiene de acuerdo al criterio de J. Hinds, que consiste en considerar que el ángulo que deba formar la intersección de la superficie con el eje de la estructura sea de 12°30´. Según experiencias obtenidas desde la antigua comisión Nacional de Irrigación, el ángulo puede ser aumentado hasta 22°30´, sin que el cambio de secciones en la transición sea brusco y con el cual se reduce ligeramente el costo de las mismas. CRITERIOS DE HINDS: la longitud queda dada por la fórmula:

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La longitud de la transición se obtiene de acuerdo al criterio de J. Hinds, que consiste en considerar que el ángulo que debe formar la intersección de la superficie del agua y la pared en el principio y fin de transición con el eje de la estructura en 22°30.

a) LA COMISION NACIONAL DE IRRIGACION MEXICANA: Según experiencias obtenidas desde la antigua Comisión Nacional de Irrigación, dicho ángulo se considera: α = 11° b) USBR: según la UNITED STATES BUREAU OF RECLAMATION, considera dicho ángulo: α = 12°30 c) OTROS INVESTIGADORES Recomiendan α = 12°30 Para que el coeficiente “k” de la perdida de carga por transición sea mínima: ℎ𝑓1−2 = 𝑘(ℎ𝑣2 − ℎ𝑣1 ) d) USANDO PLANTILLA: en algunos casos se cumple. 𝐵−𝑏 𝐿=( ) cot 𝛼 2 B = PLANTILLA DE CANAL MAYOR B = plantilla de canal menor

5.

EJERCICIO DE APLICACIÓN

1. Determinar la longitud de transición para el siguiente cambio de sección de un canal. Datos: Q = 15 m3/s

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Sección 1: Tirante = 1.3 Ancho solera = 4.5 Talud = 2 Sección 2: Tirante = 1.3 Ancho solera = 3.5 Talud = 0 DESARROLLO: 1. Calculo de espejos de agua para las dos secciones: Sección 1: T = 4.5 + 2x1.3x2 =9.7 Sección 2: T = 3.5 

Calculo de la longitud de transición por Hinds. α = 22.5 9.7 − 3.5 𝐿=( ) cot 22.5 = 𝟕. 𝟒𝟖 2



Calculo de la longitud de transición por comisión nacional de irrigación α = 11 9.7 − 3.5 𝐿=( ) cot 11 = 𝟏𝟓. 𝟗𝟓 2 9

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

Calculo de la longitud de transición por comisión nacional de irrigación α = 12.5 𝐿=(

9.7 − 3.5 ) cot 12.5 = 𝟏𝟑. 𝟗𝟖 2

2. Calcular la longitud de transición para la entrada de un canal trapezoidal a una alcantarilla de sección rectangular sabiendo que el caudal es igual a 8 m3/s, calculo según Hinds. Datos: Sección trapezoidal: Tirante = 0.7 Ancho solera = 0.5 Talud = 1 Sección alcantarilla: Tirante = 1.7 Ancho solera = 0.5 DESARROLLO: Calculo de espejos de agua para las dos secciones: Sección 1: T = 0.5 + 2x1x0.7 = 1.9 Sección 2: T = 0.5 

Calculo de la longitud de transición por Hinds. α = 22.5 1.9 − 0.5 𝐿=( ) cot 22.5 = 𝟏. 𝟕 𝒎 2

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