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HIDRÁULICA GENERAL

 COMPUERTAS

Tipos y Clasificacion

  

Docente: Ing. Fernando CAZON NARVAEZ Colaborador: Sr. Alberto Laime 

 AÑO 2011‐2001 

El presente apunte tiene como objetivo brindar al alumno un panorama del amplio espectro de aplicación en las obras hidráulicas de las Compuertas, elementos estos a los cuales se hacen referencia en la Hidrostática cuando se trata de determinar Empujes tanto en superficie plana o curvas. Cabe aclarar que el diseño práctico de la mayoría de las compuertas citadas en el presente apunte se realizan en el marco de un planteo Hidrodinámico, el que será tratado con mayor profundidad en el Capitulo de Orificios y Vertederos de la materia. Por lo que se espera que este aporte cualitativo, seguramente generará inquietudes personales y afianzará la utilización de los conocimientos adquiridos. Ing. Fernando I. Cazón Narvaez

Cátedra : HIDRAULICA GENERAL Tema : COMPUERTAS Introducción Clasificación y Tipos Por compuerta se entiende todo dispositivo capaz de detener, dejar libre paso o regular las masas de agua que llegan a una abertura, sumergida o no (que pueden corresponder a aliviaderos de presas, descargadores de fondo en presas u obras de toma de agua con destino a riego, etc). El cálculo y diseño de las compuertas, ha de responder a una serie de exigencias mecánicas e hidráulicas para que en las mismas no se produzcan vibraciones, sea cual sea la presión soportada. Además según sea el caso requerirán de equipos hidromecánico para su accionamiento a la mayor velocidad posible cuando se encuentren bajo la máxima presión de servicio. Normalmente están formadas por una superficie metálica rectangular, plana o curva, conocida como pantalla o tablero. Podemos distinguirlas en términos generales como Compuertas Deslizantes, Giratorias, y/o Automáticas. Compuertas Deslizantes Se consideran como tales, aquellas constituidas por un tablero de superficie plana, en las que los sentidos de los desplazamientos son siguiendo planos verticales o ligeramente inclinados. Se accionan mediante mecanismos de equipos de tracción y a fin de disminuir los esfuerzos necesarios para su accionamiento disponen de mecanismos de rodadura.

Fig.1 – Compuestas deslizantes.

Cuando el bastidor o marco de la compuerta apoya directamente sobre la guía de aguas abajo, la junta de estanqueidad se forma por el contacto de ambas superficies y con ello la fuerza de fricción, debido a la fuerza hidrostática, en el deslizamiento es tal que exige de los mecanismos de accionamiento, no solamente para subirlas sino también para bajarlos.

Motivo esto por los cuales en algunos casos se recurren a un contrapresión aguas abajo a efectos de disminuir los esfuerzos (fig.2). Por lo que su empleo queda limitado a pequeños aliviaderos o descargas de agua, en pequeñas instalaciones. En el caso de las compuertas de acero la estanqueidad es recomendable la colocación de planchuelas de bronce (para evitar la oxidación) o juntas de goma.

Compuertas Giratorias Son aquellas que realzan las operaciones de apertura y cierre siguiendo trayectorias curvas, al girar las pantallas correspondientes sobre ejes horizontales o verticales, según distintos procedimientos de accionamiento. Así según se observa en las figuras 1 y 2.

Fig.3 – Compuertas giratorias Compuertas Automáticas Se catalogan como tal a las anteriores cuando están dotadas de equipos que le permiten accionar sin intervención de mecanismos hidromecánicos de gobierno remoto. Estas compuertas tienen como propósito el mantener a cota constante el nivel libre de su zona de influencia. En términos más rigurosos, podemos subdividir a los tipos anteriores en los siguientes: • Compuertas Deslizantes Compuertas Sobre Rodillos (Stoney) Compuertas de Rueda Fija o Vagón Compuertas de Oruga • Compuertas Giratorias Compuertas de Segmento o Radiales Compuertas de Sector Compuertas Basculantes, Abatibles o de Clapeta • Compuertas Cilíndricas Vale también la siguiente clasificación por su función y sistema de gobierno de operación en: • Compuertas o Recatas de Seguridad • Compuertas Automáticas y Automatizadas Así a continuación tendremos

• COMPUERTAS DESLIZANTES Compuertas Plana Sobre Rodillos (de Stoney) Los tableros son de superficie rectangular plana que en la cara de aguas abajo, cuentan con estructuras metálicas que le confieren rigidez.. La Compuerta Stoney tiene un tren de rodillos cilíndricos que son independientes de la compuerta y las guías de izado, con lo que se elimina la fricción de los ejes y solo existe resistencia al rodamiento. Los rodillos son mantenidos en su posición por ejes abulonados o planchuelas verticales de ambos lados. Cuando se opera la compuerta, se observa lo siguiente mientras que la compuerta se desplaza sobre los diámetros de los rodillos estos lo hacen sobre sus radios, resultando que el tren de rodillos se encuentra en la mitad del recorrido de la compuerta, es decir que el extremo inferior del tren de rodillos siempre se retrasa con respecto a la compuerta, en la mitad de la altura recorrida por el tablero.

Fig.4 Compuerta Stoney y ren de rodillos

Estas compuertas son utilizados en aliviaderos de superficies.

Fig.5 Compuerta Stoney en un aliviadero de superficie

Compuertas de Rueda Fija o Vagón El desarrollo de los cojinetes a rodillos a permitido que estas compuertas sustituyan a las anteriores. Las compuertas de ruedas fijas consisten en lo siguiente: una serie de ruedas (repartidas uniformemente) unidas a la compuerta en cada extremo, trasmitiendo el empuje del agua a niveles verticales o rieles ubicados aguas abajo de la compuerta. Las ruedas permiten sustituir la fricción de deslizamiento por la resistencia la rodamiento, lo cual permite a la compuerta cerrar bajo la acción de su propio peso.

Compuertas de Oruga Se emplean muy raramente, solo en el caso de presiones de magnitudes extraordinarias. Entre el contacto rueda-riel se intercala la oruga. Estas compuertas son de movimiento vertical. Para conseguir que este se realice sin roce se disponen en cada uno de sus lados, de una cadena continua de rodillos, los cuales siguen el camino marcado por las guías instaladas en los laterales de la abertura.

Este tipo de compuertas como se dijo anteriormente es de aplicación en zonas de paso de agua sometidas a grandes presiones, tales como descargadores de fondo y especialmente en las tomas de agua de alimentación a las turbinas. El accionamiento se realiza mediante servo-mecanismos. Compuertas de Segmento o Radiales También conocidas como compuertas Taintor (o Tainter). Consisten en una pantalla en forma de segmento cilíndrico con elementos verticales formando arcos de círculo. Desde esta estructura dos o más brazos convergen hacia aguas abajo, conduciendo el empuje a los ejes (muñones) anclados en las pilas y estribos del aliviadero. La manpara se diseña de modo que su centro de curvatura coincida con el muñon, de modo que no es necesario vencer momento alguno para levantar la compuerta lo cual constituye el principio básico de la compuerta de segmento. La fuerza a vencer para accionar la compuerta esta constituida por el peso de la compuerta, el rozamiento entre los cierres estancos y el pequeño esfuerzo necesario para vencer el momento de resistencia friccional en los garrones.

Este tipo de compuertas, se utilizan, principalmente en aliviaderos de superficie, túneles aliviaderos y en la zona de obturación de aguas abajo de los desagues de fondo y medio fondo.

Como puede observarse, estas compuertas deben ser ancladas rígidamente a la obra de hormigón. En algunos para equilibrar el peso de la compuerta, estas suelen estar contrapesadas, por medio de bloques metálicos o de hormigón o por prolongación de los brazos de giro. Por último, estas compuertas son las más utilizadas en crestas de aliviaderos para permitir el paso de grandes crecidas, debido a su sencillez y costo además de poseer buenas condiciones de descargas. Presentan el único inconveniente de no permitir el paso de los cuerpos flotantes, lo cual puede salvarse con una compuerta de este tipo pero sumergible, de modo que el agua pueda pasar por encima. Las compuertas de segmento son operadas habitualmente mediante cadenas o cables sujetos de abajo de la compuerta. Otras veces se opera mediante servomotores hidráulicos con el pistón fijado a la compuerta. Los grandes empujes trasmitidos al cuerpo del aliviadero requieren que la obra de hormigón sea alta resistencia recurriéndose al hormigón pretensado en las adyacencias del muñon de apoyo. Compuerta de Sector Esta compuerta consiste fundamentalmente en un cuerpo de sección transversal en forma de sector circular. Articulada en el centro de curvatura, que puede ubicarse aguas arriba o aguas abajo, de modo que todo el conjunto pueda ser elevado por encima de la cresta del vertedero o descendido hasta que la superficie superior coincida con la cresta con el perfil de la cresta. El accionamiento de estas compuertas se efectúa utilizando el empuje de flotación del agua contenida en él, haciendo de alojamiento del sector.

Tal como puede observarse en las figuras anteriores, las compuertas de sector están constituida por una pantalla cilíndrica más las superficies pertenecientes a los planos definidos por los radios que delimitan al sector circular propiamente dicho. Por la forma en que operan estas compuertas permiten el paso de los cuerpos flotantes, además de que las fuerzas de flotación contribuyen a su accionamiento. En la siguiente figura puede observarse que la articulación se encuentra aguas abajo,con la cara inferior abierta, se denominan Compuerta de Sector No Flotante. Como puede observarse, estas compuertas Si a la compuerta de sector se le suman los planos laterales, en su conjunto se compor- tan como auténticos Cajones Flotantes, construcción esta que caracteriza a las Compuertas de Sector Flotante. Las compuertas de Sector, como pueden ob- servarse se utilizan en aliviaderos de superfi- cie y túneles aliviaderos.

Fig.15- Compuerta de sector flotante.

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Diferencias entre las Compuertas de Segmento con las de Sector 1. La descarga : En la de segmento, es por la parte inferior En la de Sector, es por la parte supe- y no permite el paso de los cuerpos flotan- rior y permite el paso de los cuerpos tes.. flotantes.

2. De los Esfuerzo en Juego

En la de segmento, todo la acción de los empujes se trasmiten al muñon ubicado en el centro de la articulación. Para el accionamiento requieren de puentes de servicio y maniobra.

En la de Sector, además de los empujes anteriores se suman los de flotación. Esta compuertas no requieren de puentes de servicio y maniobras.

3. Desventajas

La compuerta de segmento se adapta a rangos variables de longitud desde las pequeñas longitudes (presas pequeñas) a longitudes del orden de 30m de ancho por 20 m de alto

La compuerta de sector requieren de gran longitud debido al principio de funcionamiento Además las de sector en términos económicos son más costosas que las de segmento, por lo que el uso de las mismas se va haciendo cada vez menos frecuente. En lo que respecta a las característica de descarga se consiguen combinando compuerta de segmento y basculante.

Compuertas Basculantes, Abatibles o de Capleta Este tipo de compuerta está formada por un tablero rígido, plano o curvado, de superficie rectangular. El giro lo realizan sobre un eje longitudinal situado en la base, haciendo el movimiento de apertura a modo de bisagra hacia aguas abajo,con lo que las compuertas de este tipo siempre quedan sumergidas en el momento de vertido. fig 107 Iberdrola Este tipo de compuertas pueden ser construi- das para grandes vanos, se adaptan muy bien para el paso de los cuerpos flotantes y brin- dan una buena regulación de nivel de aguas.

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COMPUERTAS CILINDRICAS La compuerta cilíndrica convencional está constituida por un cilindro de chapa de acero, cuyo diámetro es aproximadamente igual a la altura del vano a cerrar. Fuertes anillos dentados de fundición en forma de corona envuelven los extremos del cilindro, con una superficie de apoyo que trasmite las cargas al dentado similar y a la superficie portante de una cremallera inclinada. La compuerta se eleva o desciende por esta cremallera mediante el empleo de una pesada cadena que envuelve un extremo de la compuerta y la tira hacia arriba paralelamente a la rampa.

Este tipo de compuertas tuvo su origen en Europa, desarrollándose por otros países en las primeras décadas del siglo. Sus inconvenientes son: su elevado costo, la separación que deben tener los paramentos de soporte para permitir el desarrollo del camino del rodamiento. Por ello se usan cada vez menos al igual que las compuertas de sector. COMPUERTAS O RECATAS DE SEGURIDAD También denominadas Ataguías tienen como objetivo bloquear el paso del agua. Consisten en un tablero de superficie rectangular plana, generalmente metálicos, formado por uno o varios tramos superpuestos unos sobre otros, denominados paquetes. Todos ellos se deslizan por guías, usadas para este fin, empotradas en los laterales de la abertura. Se colocan a fin de que permitan contemplar situaciones de extrema emergencia de operación, situaciones estas en las que funcionan como verdaderas compuertas. Constructivamente se colocan aguas arriba respecto de las compuertas instaladas en aliviaderos de superficie, para permitir revisión y reparación de las mismas (como se observa en la siguiente figura 20) Se pueden encontrarlas, también, en las embocaduras de las tomas de agua, descargadores de fondo y en las zonas de salida de las turbinas.

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Con el objeto de facilitar el deslizamiento de los paquetes sobre las guías, éstos disponen en los laterales de rodillos o patines que deben ser adecuadamente engrasados. El cierre hermético sobre los laterales, dintel y umbral de la abertura, y entre los propios paquetes se obtiene por medio de juntas de goma, sujetas con pletinas de acero. Para poder sacar las ataguías, una vez realizado los trabajos que obligaron a su colocación es necesario igualar las presiones a ambos lados de los paquetes, llenando totalmente de agua el espacio existente entre éstos y las compuertas correspondientes, las cuales han de estar cerradas para llevar a cabo dicha operación. El manejo de las ataguías requiere la utilización de Vigas Pescadora o Tenaza y de una Grúa Pórtico. COMPUERTAS AUTOMATICAS Y AUTOMATIZADAS Existen compuertas cuyo desplazamiento, ascendente o descendente, está condicionado y responde a una serie de constantes debidamente programadas, como son cotas de embalse a mantener, caudales a desalojar, etc. Los sistemas de funcionamiento utilizados para lograr estos fines, las diferencia en: Compuertas Automáticas En ellas se utiliza la presión del agua como medio de accionamiento, aplicando adecua- damente equipos sencillos como son los las- tres y flotadores o mediante cámaras de pre- sión que pueden constituir sistemas bastan- tes complejos. Compuertas Automatizadas Hoy en día, niveles de agua a cota constante o regulación de caudales, se controlan me- diante equipos electrónicos de gran exacti- tud, los cuales envían las señales oportunas a los sistemas destinados al gobierno de los mecanismos de accionamiento, tales como servomotores, cabrestante, etc. que regulan la posición de las compuertas destinadas al vertido a través de aliviaderos de superficie o túneles descargadores.

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Recrecimiento del Lago Pellegrini

Bibliografía: .Centrales Hidroeléctricas, Iberdrola .Centrales Hidroeléctricas. Zubicarray .Apuntes de la Cátedra de Hidráulica General UNSa.