Diseño Canal

TRABAJO No. 1DISEO DE UN CANAL HIDRULICO

POR:Juan Sebastin Monsalve Giraldo

MATERIA:Estructuras hidrulicas

PROFESOR:Guillermo Len Chica

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIAFACULTAD DE INGENIERIAINGENIERIA SANITARIA

Medelln 2011MARCO TEORICO.En ingeniera se entiende el trmino canal como una construccin destinada al transporte de fluidos, generalmente agua, el cual no esta cubierto en su superficie sino abierto a la atmosfera.Los canales se clasifican en: Canales naturales: Son depresiones naturales en la corteza terrestre y algunos de ellos permiten la navegacin, generalmente sin necesidad de dragado. Canales de riesgo: stos son vas construidas para conducir el agua hacia las zonas que requieren complementar el agua precipitada naturalmente sobre el terreno. Canales de navegacin: Un canal de navegacin es una va de agua hecha por el hombre que normalmente conecta lagos, ros u ocanos.Su diseo depender, entre otras cosas, del caudal y puede adoptar geometras de diferentes tipos segn sean los requerimientos y las disposiciones de cada proyecto. Se har asumiendo un caudal constante, sin embargo se deben prever cambios sbitos de este y asegurar que el canal sea capaz de contener el caudal mximo que pueda presentarse.El caudal, bajo condiciones de flujo uniforme, viene dado por la ecuacin de Hazen williams, la cual se expresa de la siguiente forma:

Teniendo en cuenta esto es necesario definir las caractersticas geomtricas e hidrulicas del canal. Las caractersticas geomtricas son: la forma de la seccin transversal, sus dimensiones y la pendiente longitudinal del fondo del canal. Y Las caractersticas hidrulicas son la profundidad del agua (h en m), el permetro mojado (P en m), el rea mojada (A en m 2) y el radio hidrulico (Rh en m), todas en funcin de la forma del canal. Tambin son relevantes la rugosidad de las paredes del canal, que es funcin del material en que ha sido construido, del uso que se le ha dado y del mantenimiento, y la pendiente de la lnea de agua, que puede o no ser paralela a la pendiente del fondo del canal.Segn lo anterior tenemos entonces, que segn la forma geomtrica las caractersticas hidrulicas vienen expresadas por:

Tabla 1. Forma caracterstica de algunas secciones hidrulicas:

rea mojada (A)P. mojado (PR. Hidrulico (Rh =A/P)Ancho superior (T)Prof. H/lica (D) = A/TFactor de seccin (Z)Profundidad Centroidal

()

ByB + 2y

BYBy1.5

rea mojada (A)P. mojado (P)R. Hidrulico (Rh =A/P)Ancho superior (T)Prof. H/lica (D) = A/TFactor de seccin (Z)Profundidad centroidal

()

(B+my)y

B + 2my

rea mojada (A)P. mojado (P)R. Hidrulico (Rh =A/P)Ancho superior (T)Prof. H/lica (D) = A/TFactor de seccin (Z)Profundidad centroidal

()

my2

2my

rea mojada (A)P. mojado (P)R. Hidrulico(Rh =A/P)Ancho superior (T)Prof. H/lica (D) = A/TFactor de seccin (Z)Profundidad centroidal

()

Otro aspecto importante en la hidrulica de canales es el tipo de flujo, este se determina a partir de parmetros como el nmero de Reynolds, Froude o la velocidad critica y se clasifican en: Flujo permanente: es aquel en el que las propiedades fluidas permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el espacio. Flujo transitorio o no permanente: presenta cambios en sus caractersticas a lo largo del tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Flujo uniforme: Es el flujo que se da en un canal recto, con seccin transversal y pendiente constante. Flujo gradualmente variado: Se presenta si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser permanente o no permanente, rpidamente variado o gradualmente variado. El flujo es rpidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas; de otro modo es gradualmente variado. Un flujo rpidamente variado tambin se conoce como fenmeno local; algunos ejemplos son el resalto hidrulico y la cada hidrulica. Flujo crtico: Cuando Froude vale uno o cuando la velocidad es igual que la raz cuadrada de la gravedad por la profundidad y mayor a la velocidad critica. Flujo subcritico: Tambin denominado flujo lento, el nivel efectivo del agua en una seccin determinada est condicionado a la condicin de contorno situada aguas abajo. En este caso Froude es menor 1. Flujo supercritico: Tambin denominado flujo veloz, el nivel del agua efectivo en una seccin determinada est condicionado a la condicin de contorno situada aguas arriba. En este caso Froude es mayor a 1.Los nmeros de Reynolds y Froude se obtienen de la siguiente relacin:

La energa especfica se define como la cantidad de energa por unidad de peso en cualquier seccin, medida siempre con respecto al fondo de un canal abierto y viene dada por las siguientes expresiones: La energa especfica solo depende de la profundidad de flujo, como lo muestra la figura 1.

Figura 1. Curva de profundidad vs. Energa especifica segn el tipo de flujo en un canal hidrulico.La curva de energa especfica tiene forma de una parbola que abre hacia la derecha. La regin subcrtica tiende asintticamente a una recta de 45. Se puede observar que con excepcin de la profundidad crtica, para cada valor de energa corresponden dos valores de profundidad, una subcrtica (mayor que la profundidad crtica) y una supercrtica (por debajo de la profundidad crtica). A medida que el caudal aumenta, la curva se desplaza hacia la derecha.En la prctica, para proceder a hacer el diseo estructural de un canal es necesario contar con cierta informacin la cual consiste en la obtencin informes geotcnicos que suministran datos determinantes como la capacidad del suelo, el ngulo de friccin interna, el peso del suelo y las constantes Ka y Kp necesarias para los empujes activos y pasivos que se generan. Tambin es necesario conocer la topografa del lugar donde se construir y las dimensiones preliminares segn lo requerido.El diseo estructural del canal, se realiza teniendo en consideracin las Normas Colombianas de Diseo y Construccin Sismo Resistente (NSR-10), las cargas mnimas, las combinaciones de cargas, las propiedades de los materiales utilizados para el diseo y para su construccin, espesores de muros, los recubrimientos mnimos, as como otros elementos son adoptados segn lo estipulado en el documento antes mencionado. El diseo de los muros del canal, se realiza considerando stos como elementos estructurales que actan como voladizo, debido a su configuracin geomtrica y al estado de cargas a la que estn sometidos; se realiza el chequeo de la resistencia a cortante en la base del muro y su necesidad de acero para las solicitaciones a flexin.El diseo de la cobertura se realiza a flexin y cortante de los elementos que lo conforman, esto es, muros laterales y la losa de fondo y superior, las cargas a las que se somete la cobertura corresponden a los empujes laterales de suelo, carga debida a efectos ssmicos, cargas de trfico vehicular y cargas debidas al peso propio.Los materiales empleados para el diseo y la construccin de los muros y losa del canal y la cobertura proyectada, estn compuestos bsicamente por: Concreto reforzado: Se emplea concreto reforzado para el diseo y construccin de todos los elementos que conforman el canal y la cobertura teniendo en cuenta las consideraciones hidrulicas, particularmente para prevenir efectos de abrasin del flujo en la losa y paredes del canal, se hace necesario el uso de un hormign con una resistencia a la compresin de fc=28MPa (280 kgf/cm2) o fc=21MPa (210 kgf/cm2).

Acero de refuerzo: El acero de refuerzo empleado para efectos de diseo y construccin de las obras hidrulicas tiene una resistencia a la fluencia de fy=420 MPa para dimetros mayores o iguales a 3/8 de pulgada.

Para el diseo de los canales se suelen considerar las siguientes cargas: Empuje del terreno (P1, P2, P3). Empuje debido al nivel fretico (P4, P5). Empuje debido a eventos ssmicos (P6, P7). Empuje hidrosttico (P8).

Para el anlisis estructural de la obra hidrulica se hace uso del programa de computador SAP 2000, que permite de una forma rpida, cmoda y confiable realizar el anlisis estructural de casi cualquier tipo de estructura.Los canales se construyen principalmente con fines urbansticos, econmicos, agrcolas o por intereses particulares. Pueden alterar el libre desarrollo de la flora y fauna de la zona, as como la forma natural del terreno y, en ocasiones, los cambios de comportamiento de las corrientes pueden producir inundaciones, sobre todo si se presentan conflictos de uso.

CASO DE ESTUDIO.Canal rectangular de concreto que transporta un caudal de 75 m3/s, con pendiente de 2% y ancho e de 3.0 m, considerando un borde libre Se tiene adems una aceleracin de sismo horizontal (ah) de 0.15g y una de sismo vertical (av), hacia abajo, de 0.06g. El concreto es de fc=210 kg/cm2 y el acero fy=4200 kg/cm2. El peso del suelo (s) es de 1.85 t/m3 y el ngulo de friccin interna =30. La altura del nivel fretico se encuentra a H/3 y la capacidad admisible del suelo de fundacin (adm) es de 2.0 kg/cm2

DISEO ESTRUCTURAL.Las siguientes tablas sintetizan los resultados obtenidos a partir de una serie de ecuaciones, Tabla 2. Valores iniciales. Q [m3/s]75

n0,013

S0,02

B [m]3

y [m]2,42

Solver0,000

V [m/s]10,33

q [m3/s/m]25

yc [m]3,17

Supercrtico

F2,12

Supercrtico

Bl [m]1,12

Bl final [m]0,5

H [m]2,92

Hmuro [m]3

Espesor del muro calc [m]0,3

Espesor losa calc [m]0,11

Espesor del muro final [m]0,3

Espesor losa final [m]0,3

Tabla 3. Parmetros geotcnicos.conc2,4 t/m3

suelo1,85 t/m

30,00

adm20,00 t/m

0,00

0,00

20,00

ka0,30

f=tan()0,58

9,07

18,21

Kp=1/Ka3,36

Kh0,15

Kv0,06

Sobre Q.0,00 t/m

Kas0,42

Ks0,12

K'as0,61

K's0,32

Tabla 4. Fuerzas implicadas.P1100,06Kg/m2

P1100,06Kg/m2

P280,22Kg/m2

Ph1000,00Kg/m2

Ps616,69Kg/m2

Ps'550,01Kg/m2

Pw2419,14Kg/m2

Sp1000,00Kg/m2

Tabla 5.Mdulo de reaccin del suelo1500Ton/m2/m

Nmero de divisiones10

Nmero de resortes11

rea aferente resortes externos0,15m2

Rigidez de resortes de los extremos225000Kg/m

rea aferente resortes internos0,3m2

Rigidez de resortes internos450000Kg/m

Rigidez de resortes en direcciones X,YExternos11250

Internos22500

Sismo por peso propio de los murosHorizontal324Kgf

Vertical129,6Kgf

Sismo por peso propio de la losaHorizontal324Kgf

Vertical129,6Kgf

Tabla 6. Valores iniciales del diseo estructural para los muros.Muro

fc210

fy4200

b1

h0,3

r0,07

d0,23

Tabla 7. Tabla 8. Chequeo por temperatura.Principal

Mu (kg-m)6670

0,0035

min0,0028

As (cm2)8,00

Acero requeridoN5 @0,20

Long gancho19,05

Temp.

As (cm2)5,42,7


Tabla 9. Figuracin del acero en la cara opuesta. Tabla 10. Verificacin a cortante.Cara Opuesta

As (cm2)6


Long gancho15,24

ElementoMurosLosa

fc (kgf/cm2)210280

b (cm)100100

d (cm)2323

Vc (Ton)13,2515,30

Vu (Ton)6,072,28

Tabla 11. Valores iniciales del diseo estructural para el fondoLosa de fondo

fc280

fy4200

b1

h0,3

r0,07

d0,23

Tabla 12. Determinacin de momentos positivos.Momento positivo

Mu (kg-m)667048606670

0,00340,00320,0034

min0,00320,00320,0032

As (cm2)7,917,337,91

N5 @0,22

Temperatura

As (cm2)5,42,7


Tabla 13. Determinacin de momentos negativos. Tabla 14. Chequeo por temperatura.Momento negativo

Mu (kg-m)2260

0,0032

min0,0032

As (cm2)7,33N5 @0,22

RESULTADOS.Las siguientes figuras son producto de la modelacin en el programa SAP de las variables halladas anteriormente para el diseo del canal rectangular del caso.

Figura 2.

Figura 3. Estructura de la carga axial, el momento y la cortante envolvente que se dan en el canal

Figura 4. Canal rectangular.

CANTIDADES Y COSTOS.A continuacin se presentan una serie de tablas que contienen las cantidades de obra necesarias para la construccin del canal. Tabla 15. Cantidades y costos de los materiales dispuestos para la obra.LOCALIZACIONLONGBARRA NPESO [kgf/m]SEPARACCANTPESO [kgf]Vlr UnitarioVlr Total

1440,9940,2010401381013727,14

23,4551,5520,2010542109132733,232

3130,560,35362079804468,8

43,851,5520,205292109132733,232

53,851,5520,205292109132733,232

6130,560,35241379804468,8

186120864,436

*Cada varilla de hierro viene por 6 m. de longitud.

Adems de los materiales comunes, se tuvieron en cuenta algunos implementos necesarios para la construccin de un canal. Geotextil no tejido: Rollo de (3.8 x 1.1 x 418)=$753.000 Acelerante para el fraguado del concreto (5 Kg)= $24.000 Rollo de alambre (1 Kg)= $3.300Tabla 16. Cantidad de concreto por metro de canal para la losa del fondo.Losa de Fondo (resistencia de 280 Mpa)

Volumen (m3/m):1,1

Dosificacin (Ce: Ar: Cas)1:2:2

ItemCantidad por m3Cantidad por m de canalValor unitarioValor total

cemento (sacos)8,5919000171000

Arena (m3)0,670,7373200023584

Cascajo (m3)0,670,7375500040535

Agua (m3)2002201000220000

455119

Tabla 17. Cantidad de concreto por metro de canal para los muros.Muros (resistencia de 210 Mpa)

Volumen (m3/m):1,8

Dosificacin (Ce: Ar: Cas)1:2:3,5


cemento (sacos)6,51219000228000

Arena (m3)0,5150,933200029760

Cascajo (m3)0,91,625500089100

Agua (m3)1803241000324000

670860

Tabla 18. Cantidad de concreto por metro de canal para el solado.Solado (resistencia de 210 Mpa)

Volumen (m3/m):0,3




Arena (m3)0,5150,15320004800

Cascajo (m3)0,90,275500014850

Agua (m3)18054100054000

111650

Tabla 19. Cantidad de concreto por metro de canal para la cauela.Cauela (resistencia de 210 Mpa)

Volumen (m3/m):0,1




Arena (m3)0,5150,05320001648

Cascajo (m3)0,90,09550004950

Agua (m3)18018,00100018000

43598

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