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• Gustavo Otiniano Arribasplata

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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

TOMAS LATERALES

DEFINICION: Las tomas laterales son estructuras hidráulicas que permiten derivar o captar determinado caudal desde un canal madre a los laterales o de éstos a los sub-laterales y de estos últimos a los ramales. Una toma lateral consiste en una ventana de ingreso y un conducto corto que descarga al aire libre o hacia una posa disipadora. Estas obras pueden servir también para medir la cantidad de agua que circula por ellas.

CONSIDERACIONES HIDRÁULICAS:  Las tomas laterales en una red de riego, en especial son colocados en los canales secundarios o terciarios.  Las tomas se instalan normales al canal alimentador, lo que facilita la construcción de la estructura.  Generalmente se utilizan compuertas cuadradas las que se acoplan a una tubería. Las dimensiones de las compuertas, son iguales al diámetro de la tubería y ésta tendrá una longitud variable dependiendo del caso específico.

TOMAS LATERALES

ESTRUCTURAS HIDRAULICAS  cuando la toma tenga que atravesar una carretera o cualquier otra estructura, se puede fijar una longitud de 5 m para permitir un sobre ancho de la berma del canal en el sitio de toma por razones de operación. Las tomas generales se diseñaran de acuerdo a las condiciones topográficas que presente la rasante del canal alimentador y el canal derivado, también se hará el estudio de las pérdidas de carga ya que el conocimiento de ellas n os permite calcular los niveles de energía, muy importante para el “Dimensionamiento de las Estructuras Hidráulicas”. Las pérdidas de carga se expresan en: 𝐯𝟐

𝐡𝐯 = 𝐤 𝟐𝐠 , Donde k es el coeficiente de pérdida cuya dificultad es escogerle un valor, nosotros escogeremos el más apropiado de los que estudiosos recomiendan, cabe destacar que los valores de “k” son obtenidos experimentalmente y llevados a la práctica en fenómenos similares.

ELEMENTOS:  Elementos de encauzamiento y cierre. Su objeto es elevar el nivel del agua para permitir su ingreso a la toma y al canal de derivación e impedir el desborde del río.  Elementos de descarga de avenidas. Permiten el paso de las crecidas. Son órganos de seguridad.  Elementos de control de sedimentos. Tienen por objeto el manejo de los sólidos.  Elementos de control del ingreso de agua. Permiten regular la cantidad de agua que ingresa a la derivación.  Elementos de control de la erosión. Permiten disminuir la erosión y la abrasión  Elementos estructurales. Son los que dan estabilidad a la obra. CRITERIOS: La toma de agua mediante espigón siempre es recomendable para los ríos de las Cordilleras peruanas, que llevan grandes cantidades de sedimentos y parcialmente tienen fuertes pendientes, tanto más cuanto no afectan considerablemente ni el río ni el régimen fluvial.

Los criterios para la selección de la toma en el lecho se los pueden tomar del siguiente:

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Criterios de selección Captación de agua para la generación de energía hidroeléctrica

Caudal de captación

Bien posible en conexión con un desarenador La rejilla en el fondo siempre capta del río cada caudal afluente hasta llegar al límite de la capacidad de la rejilla

Pendiente del río:

- pendiente suave

Muy favorable; esta obra ha probado su eficacia debido a su operación sin mantenimiento, en caso de que sea bien construida. Desfavorable; sedimentos finos entran en el colector, lo que puede causar fuerte sedimentación delante del canal de agua motriz o en el mismo; la disposición de las facilidades de lavado es más difícil.

(0.01 % > I > 0.001 %)

Desfavorable.

muy fuerte (I > 10 %) hasta fuerte (10 % > I > 1 %): pendiente media (1 % > I > 0.01 %):

Curso del río: - recto:

Muy favorable debido a un paso de agua uniforme por la rejilla

- sinuoso

Desfavorable, debido a un paso de agua no uniforme por la rejilla

- bifurcado

Desfavorable

Caudal sólido del río: concentración del material sólido en suspensión: - alta concentración - baja concentración transporte sólido de fondo:

Menos apropiada Muy favorable

- fuerte

Bien apropiada en caso de sedimentos gruesos; la evacuación de sedimentos finos por facilidades de lavado es difícil y costosa

- pequeño

Bien apropiada

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DISEÑO HIDRÁULICO DE UNA TOMA LATERAL En el diseño de una toma tubular comprende lo siguiente:       

Diámetro de la tubería Longitud de la tubería. Velocidad en el conducto. Dimensiones de la caja de entrada. Sumergencia a la entrada y salida. Dimensiones de la transición *Longitud y talud de salida) Determinar las cotas de fondo.

El U.S. Burean of Reclamation, recomienda que para iniciar los cálculos se adoptará la velocidad en el conducto (V) = 1.07 m/seg.

Canal de ingreso: 3 𝑄𝐴𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 = 20 𝑚 ⁄𝑠

−→ 𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 10% 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

3 𝑸 = 2.0 𝑚 ⁄𝑠

𝒀𝟏 = 0.55𝑚 𝒗 = 2.03 𝑚/𝑠 1) Adoptar la velocidad en el conducto

V = 1.07 m/seg.

2) Cálculo del área de la tubería: Por Continuidad: Q = A. V

-> A = Q/V

3) Cálculo del diámetro de la tubería: 𝑨=

𝜋𝐷 2 4

→

4𝐴 𝑫=√ 𝜋

4) Verificar el área de la tubería : 𝑨=

𝜋𝐷 2 (𝑚2) 4

5) Verificar la velocidad en el conducto : V = Q / A (m/seg.) 6) Cálculo de la pérdida de carga Hidráulica total en la tubería:

TOMAS LATERALES

ESTRUCTURAS HIDRAULICAS Pérdida en la entrada del tubo (he): 𝒉𝒆 = 𝑘𝑒 𝑥 ℎ𝑣

;

𝒉𝒗 =

𝑣2 2𝑔

Donde: he

= Pérdida en la entrada del tubo (m)

hv

= Carga de velocidad en la tubería (m)

V

= Velocidad en la tubería (m/seg.)

Ke

= Coeficiente que depende de la forma de la entrada en la tubería.

Cuadro Nº 01: coeficiente en la entrada de la tubería.

Forma de entrada  Compuerta en pared delgada – contracción suprimida en los lados y en el fondo.

Ke 1.00

 Entrada con arista en ángulo recto

0.50

 Entrada con arista en ángulo redondeado

0.23

 Entrada con arista completamente redondeada

0.10

 Entrada abocinada circular

0.004

 Tubo entrante. 

0.78

Pérdida en la salida del tubo (hs): hs = ke x hv (Tomando las mismas consideraciones que en la pérdida en la entrada del tubo).



Pérdida por fricción en los tubos (hf): 𝒉𝒇 = 𝑠𝑓 𝑥 𝐿;

𝑠𝑓 = [

𝑛(𝑣) 2 ] ; 𝑅 2/3

𝑅

𝐴 𝑃 = 𝜋𝐷 𝑃

Donde: Sf = Pendiente de fricción del tubo (m/m) L = Longitud total de la tubería (m) A = Área hidráulica de la tubería (m2) R = Radio Hidráulico de la tubería (m) P = Perímetro mojado de la tubería (m) D = Diámetro de la tubería (m)



Pérdida de carga hidráulica total (htotal):

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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS htotal = he + hs + hf 

Cálculo de Sumergencia en la entrada y salida :

-Sumergencia en la parte superior del tubo: Sme = 1.78 x hv + 0.08 -Sumergencia en la salida (se considera 4” siempre y cuando se trabaje en pulgadas). Sms = 4” = 0.10m. 

Cálculo de los lados de la caja de entrada: a) Ancho de la caja (B): B = D + 0.305 D = Diámetro de la tubería en m. b) Carga en la caja (h): Q = 1.84 x b x h 3/2 ℎ=(



, despejando se tiene 2/3 𝑄 ) (𝑚) 1.84 𝑥 𝑏

Cálculo de cotas :  Cotas de entrada de tubería: Nivel mínimo Pelo de Agua canal principal = cota de rasante de canal + altura mínima de agua. (Sumergencia de entrada) Cota parte superior del tubo (Entrada) = Nivel. M.P.A – Sme. Diámetro del tubo Cota Pelo de agua en el tubo de entrada = cota de la parte superior del tubo – Øtubo

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DISEÑO ESTRUCTURAL TOMA LATERAL DISEÑO DE MUROS VERTICALES. Para la toma nº 1 a continuación explico la metodología utilizada para determinar los cálculos estructurales. PASO Nº 01 Se inicia la ubicación de la estructura para este caso la toma Nº 01. PASO Nº 02 Altura del muro (hc). Se considera la altura más desfavorable, para este caso es única e igual:

hc =1.20 – 0.30 = 0.90

PASO Nº 03 Altura ficticia (h’)

h' 

w s

W: sobrecarga (debido al paso de vehículos alrededor de estructura) = 1000 kg/m3

s : Peso unitario del suelo = 1600 kg/m3 h' 

1000  0.63 1600

PASO Nº 04 Altura de diseño (H) H = hc +h =0.90 + 0.63 = 1.53 m.

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PASO Nº 05 Coeficiente de empuje neutro. Cpn = 1 – sen 32º Cpn = 0.47 PASO Nº 06

Empuje (P) P = ½ Cpn x s x H2 = ½ x 0.47 x 1600 x 1.532 P = 880 kg. PASO Nº 07 Momento generado por el empuje Mmax. = PH/3

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Mmax. = 1/3 x 880 x 153 = 44880 kg.cm.

DISEÑO ESFUERZO DE TRABAJO (Limites permisible para el diseño) Calculo de las constantes del concreto armado Esfuerzos permisibles del concreto bajo cargas de servicio Flexión: esfuerzo permisible en la fibra extrema en compresión. Fc = 0.40 f’c = 0.40 x 175 = 70 kg/cm2 Cortante: cortante soportado por el concreto.

Vc  0.29 f ' c  0.29 175  3.84 kg / cm 2 Tracción: esfuerzo permisible en el concreto a tracción por flexión.

f tc  0.15 fc  10.50 kg / cm 2 f tc  0.40 fr  fr  mod ulo rotura  2 f ' c f tc  0.85 f ' c Esfuerzo permisible de tracción de acero grado 60 malla soldada.

fs  0.40 f ' y  1680 Cuantía mínima del esfuerzo por contracción y temperatura 0.0018 (según ACI 318-05 capítulo 7.12.2.1 para barras electro soldadas o barras corrugadas) Módulo de elasticidad. En el concreto.

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Ec  15000 f ' c Ec  15000 175 Ec  198431 Relación modulo elasticidad.

n

ES EC

E S  2.1x10 6 2.1x10 6  10.58 198431 f 1680 r S   24 fC 70 n 10.58 k   0.306 n  r 10.58  24 k 0.306 j  1  1  0.898 3 3 n

PASO Nº 08 Peralte efectivo (d)

d

d

2M f c . j.k .b

b = 100 cm (1 metro de largo)

2 x 44.880  7.00 cm.(min imo)  10 cm. 70 x0.898 x0.306 x100

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PASO Nº 09 Recubrimiento (r): Según ACI 318-05 artículo 7.7.1 el recubrimiento mínimo para concreto colocado junto al suelo y expuesto permanentemente a él, es de 75mm. Según CIP 1072, para estructuras que estén en contacto con el suelo por un lado y con agua por otro. r = 10 cm (máximo) Si r = 10 cm., d = 10 cm. Para: e = 20 cm. Como: d diseño < d redimensionamiento Puede soportar un momento mayor al del requerido Momento requerido: M = 44880 kg.cm. Momento de diseño: M = 1/2fcjkbd2 M = 1/2x70x0.898x0.306x100x102 M = 96176 kg.cm. Por lo tanto: M requerido < M diseño

PASO Nº 10 Espesor de muro. d+r = 10 +10 =20 cm. PASO Nº 11

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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS Área de acero principal (fs)

AS 

M 44880   2.97 cm 2 f s Jd 1680 x0.898 x10

Muro vertical: M (-) As = 3.00 cm2 (acero negativo) Muro piso: M (+) As = 3.00 cm2 (acero positivo) Usar:  3/8” @ 20 PASO Nº 12 Área de acero mínimo por esfuerzo en compresión. A’s mínimo = 0.0025xbxd (según ACI) A’s mínimo = 0.0025x100x10 =2.50 cm2 PASO Nº 13 Área de acero principal mínima (As min) As mínimo = 0.0025x100x10 =2.50 cm2 PASO Nº 14 Área de acero principal asumida (As min.) Como: A’s min < As principal diseño (2.50 < 3.00) Entonces el área de acero, será la del diseño. PASO Nº 15 Distribución armadura principal Revisión esfuerzos cortantes: Vmax. = 1150 Kg. V = V/bd = 1150/(100x10) = 1.150 kg. V permisible = 3.84 Kg/ cm2 Por lo tanto: V