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UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA
FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA
DEPARTAMENTO DE RECURSOS HIDRICOS
Ing. Cayo Leonidas Ramos Taipe
MANUALPARA EL DISEO
HIDRAULICOY ESTRUCTURAL
DE SIFONES
La Molina, 2014
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Contenido1.
INTRODUCCIN .................................................................................................... 4
2. EL SIFON INVERTIDO .......................................................................................... 43. TRAZO DEL PERFIL .............................................................................................. 74. DISEO HIDRULICO .......................................................................................... 7
4.1.
Datos Hidrulicos .................................................................................................. 7a. Caractersticas del canal de entrada y salida ...................................................... 7
b. Caractersticas del Conducto .......................................................................... 84.2. Calculo de la Longitud de la Transicin de Entrada y Salida ............................... 94.3. Funcionamiento Hidrulico del Sifn.................................................................... 9
a.
Prdida por Transicin de entrada ................................................................... 10
b. Prdida por rejilla cada 10 cm. ..................................................................... 11c.
Prdida por Entrada al Conducto ..................................................................... 12
d. Prdida por Friccin en el Conducto. ........................................................... 13e. Prdida de carga por Codos o cambios de Direccin ...................................... 13f.
Prdida por Transicin de Salida. .................................................................... 14
g.
SUMA TOTAL DE PERDIDAS DE CARGA ............................................ 15
5.
DISEO ESTRUCTURAL .................................................................................... 17
5.1. Anlisis a conducto lleno ..................................................................................... 17a. Carga sobre la losa superior (W1) ................................................................... 18
b. Carga sobre la losa inferior (W2) ................................................................. 19c. Carga sobre las paredes laterales (W3 y W4) .................................................. 20d. Clculo de los momentos de Empotramiento ............................................... 21e. Clculo de las reacciones o fuerzas cortantes .................................................. 23f. Cortante Isosttico ........................................................................................... 24g. Cortantes Hiperestticos ............................................................................... 24h.
Clculo de los Momentos Flexionantes en el Centro del Claro ................... 25
5.2.
Diseo de las Secciones en Concreto Reforzado (Conducto Lleno) ................... 28
a. Para el clculo por este mtodo emplearemos los siguientes datos: ................ 28b. Clculo del refuerzo en la losa superior: Barra A-B .................................... 29c. Clculo del refuerzo por Contraccin y Temperatura ..................................... 30d. Clculo del refuerzo en el centro de la losa Superior: Barra A-B ................ 30e. Clculo del refuerzo en el centro de las paredes .............................................. 31f. Control de Agrietamiento (En el Centro de las losas) ..................................... 32g. Calculo del refuerzo en el Centro de la losa Superior .................................. 33Verificando: ............................................................................................................ 34
h. Clculo del refuerzo en el centro de las paredes verticales .......................... 35
Verificando: ............................................................................................................ 36
5.3. Anlisis a Conducto Vaco .................................................................................. 37a. Carga sobre la losa superior (W1) ................................................................... 37
b. Carga sobre la losa inferior (W2) ................................................................. 38c. Carga sobre las paredes laterales (W3 y W4) .................................................. 38d. Clculo de los momentos de Empotramiento ............................................... 39e. Clculo de las reacciones o fuerzas constantes: ............................................... 41f. Cortante Isosttico ........................................................................................... 41g. Cortantes Hiperestticos ............................................................................... 42h. Clculo de los Momentos Flexionantes en el Centro del Claro ................... 42
5.4. Diseo de las Secciones en Concreto Reforzado (Conducto vaco). .................. 45
5.5.
Distribucin del acero de refuerzo en el conducto .............................................. 45a.
Doblado del refuerzo ....................................................................................... 46
b. Empalmes ..................................................................................................... 46
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c. Chequeo por Adherencia ................................................................................. 466.
ATRAQUES ........................................................................................................... 47
6.1. Diseo Estructural ............................................................................................... 47a. Diagrama de fuerzas ........................................................................................ 47
b. Calculo de la fuerza resultante ..................................................................... 48
c.
Verificacin al hundimiento ............................................................................ 49d. Verificacin del deslizamiento ..................................................................... 51
e. Clculo de la Sumatoria de Fuerzas Verticales ............................................... 52f. Calculo de la sumatoria de las fuerzas horizontales ........................................ 52g. Calculo del acero de refuerzo ....................................................................... 53
ANEXO No 01 ............................................................................................................... 57
CALCULO DEL REFUERZO ADICIONAL ................................................................ 57Mtodo Elstico .............................................................................................................. 57
1.1 Constantes de clculo ....................................................................................... 572.1 Revisin por Cortante ...................................................................................... 58
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1. INTRODUCCIN
En trminos generales, se entiende por sifones aquellas estructuras, que permitenel paso del agua a travs de una quebrada o por depresiones forzadas por latopografa o la existencia de estructuras previas. Estas estructuras deben ser
diseadas con la menor prdida de energa y con la mayor seguridad estructuralposible.
El presente manual es un ejemplo de clculo de diseo hidrulico y estructuralde un sifn tpico, con el propsito de brindar material de enseanza a losestudiantes de Ingeniera Agrcola.
2. EL SIFON INVERTIDO
Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presin, se utilizan
para conducir el agua en el cruce de un canal con una depresin topogrfica oquebrada, tambin para pasar por debajo de un camino, una va de ferrocarril, undren o incluso otro canal.El sifn invertido se utilizar si el nivel de la superficie libre del agua es mayorque la rasante del obstculo.El sifn invertido es el ms usado en canales, principalmente para cruzar caucesnaturales.En la figura 1 se muestra esquemticamente un sifn de este tipo.Un sifn invertido completo consta de las siguientes partes: Transicin de entrada Compuerta de entrada Conducto Vlvula de purga Transicin de salida.
Transiciones de entrada y salidaComo la seccin del canal es diferente a la del conducto o barril, es necesarioconstruir una transicin de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la
primera a la segunda. En el diseo de una transicin de entrada y salida esgeneralmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifn un pocoms abajo de la superficie normal del agua. Esta prctica hace mnima la posible
reduccin de la capacidad del sifn causada por la introduccin del aire. Laprofundidad de sumergencia de la abertura superior del sifn se recomienda queeste comprendida entre un mnimo de 1.1 hv.
Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifn debido a la ocurrenciafortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar en un 50% o0.30 m como mximo al borde libre del canal en una longitud mnima de 15 m a
partir de la estructura.Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseohidrulicoSe debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubera ahogada) a la
entrada y salida del sifn, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubera.
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Nivel de referencia
Y1
Y2
Z1
Z2
hV1
hV2
hfGradiente de energa LGE
Gradiente hidrulica LGH
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PLANO DE PLANTA Y TRAZO DEL SIFON
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3. TRAZO DEL PERFIL
Conviene trazarlo en forma preliminar con los datos de campo (topografa), paraconocer la disposicin general, su localizacin, deflexiones, etc., para en un
primer intento, obtener las prdidas de carga y saber si estamos dentro de la
conveniencia tcnico-econmica. Al hacer esto, hay que tener en cuenta tresrequisitos: Desarrollo mnimo posible Excavaciones mnimas Relleno sobre el conducto con espesor
4. DISEO HIDRULICOEl diseo hidrulico de un sifn est gobernado por tres factores fundamentales;economa, perdidas de cargas y sedimentos. En base a ellos y los criterios deldiseador, se debe priorizar la velocidad del agua en el sifn. Las velocidadescomprendida entre 2.0 3.0 m/s garantizan los tres requisitos mencionados,
mientras que en sifones pequeos puede ser de 1.6 m/s. Un sifn se consideralargo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el dimetro.
4.1.Datos Hidrulicos
a. Caractersticas del canal de entrada y salida
El canal de entrada y salida antes y despus del sifn, tiene las mismascaractersticas hidrulicas y geomtricas.
Figura 1. Seccin del canal de entrada y salida
Q = 3.40 m3/s (Caudal)S = 0.0009 (Pendiente)d = 1.029 m (Tirante hidrulico)A = 2.708 m2 (Area hidrulica)P = 4.512 m (Permetro mojado)R = 0.600 m (Radio hidrulico)V = 1.25 m m/s (Velocidad)
n = 0.017 (Rugosidad)f = 0.471 (Borde libre)B = 4.60 m (Base mayor)
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b = 1.60 m. (Base menor)h = 1.50 m. (Altura)t = 1 : 1 (Talud)hv = 0.07964 m. (Carga de velocidad)
Se cuanta con un desnivel de 0.87 m. por lo que habr que proyectar un sifncon la seccin requerida para que las prdidas de carga sean iguales oligeramente menores a ese desnivel.
Si se establece la ecuacin de Bernoulli entre las elevaciones del agua a laentrada y a la salida del sifn, se tiene:
d1+ hv1+ desnivel = d4+ hv4+ hf
Como: d1= d4 y V1= V4
Entonces: Desnivel = hf (suma de todas las prdidas de carga que se producenen el sifn).Como el desnivel con que se cuenta es bajo hay necesidad de un conducto conuna velocidad baja, por lo tanto habr que localizar un registro de limpiezaespecial en la parte ms baja del conducto, para tirar los azolves acumuladoscuando se realice la limpieza del sifn.
b. Caractersticas del Conducto
Definido el trazo del sifn y de acuerdo con la carga hidrulica disponible, seensayaron varias secciones para el conducto, escogiendo la que dio una suma de
prdidas aproximadamente iguales a la carga disponible de 0.87 m.
El sifn tendr una seccin cuadrada con carteles de 0.20 m.
Figura 2. Seccin del conducto
Q = 3.40 m3/s (Caudal)Conducto de 1.35 x 1.35 m. (interior)Carteles de 0.20 x 0.20 m.
n = 0.017 (rugosidad del concreto)
2
742.12
20.020.0
435.135.1 mA
(Area hidrulica)
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22 20.020.04820.0435.1 P = 4.931 m (Permetro mojado)
R = 0.353 m (Radio hidrulico)
V = 1.951 m/s (Velocidad)
mg
Vhv 914.02
2
(Carga de velocidad)
4.2.Calculo de la Longitud de la Transicin de Entrada y Salida
Para cambiar de seccin trapezoidal del canal a cuadrada en el conducto, sernecesaria una transicin, la cual se calcula con la siguiente frmula:
'30222
CottT
Lt
(2)
(Criterio de Julin Hinds y la Secretara de Recursos Hidrulicos de Mxico).
Lt= Longitud de la transicinT = 4.60 m. (Base mayor del canal)t = 1.35 m. (Ancho del conducto
Reemplazando en (2):
414.2
2
35.160.4 tL
mLt 92.3
Adoptamos por seguridad: mLt 00.5
Transicin de entrada y salida
4.3.Funcionamiento Hidrulico del Sifn
Las prdidas de carga que se tienen son debidas a:
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a. Prdida por Transicin de entrada
Figura 4. Transicin de entrada
Establecemos la ecuacin de Bernoulli entre los puntos 1 y 2 de la Fig. 4 ytenemos:
12211 hfhvddesnivelhvd (3)
donde:
d1 = Tirante normal en el canal = 1.029 mhv1= Carga de velocidad en el canal = 0.07964 m.d2 = Tirante a la entrada del conductohv2= Carga de velocidad inmediatamente antes de la entrada al conducto
hf1 = Prdida de carga por transicin de entrada
g
VV
21.0hf
2
1
2
21
(4)
Desnivel = 1.50 m.
Reemplazando en (3):
mhvd 6086.2hf50.107964.029.1 122 (5)
Para el clculo del tirante d2lo hacemos suponiendo un valor de d2= 2.56 m.
- Clculo de la sumergencia
Sumergencia =1
2cos
dimetrod (6)
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donde:
1= ngulo de entrada al sifndimetro = ancho del conductoReemplazando en (6)
Sumergencia = m0011.130cos
35.156.2
Como 1.0011 m > 0.075 m. (3), se acepta
- Caractersticas hidrulicas en la entrada del sifn.
2
2 456.335.156.2 mA
smV /983.0
456.3
40.32
mhv 0493.0
62.19
983.0 2
2
Reemplazando en (4):
hf1= 0.1 (0.79640.0493) = 0.00303 mhf1= 0.00303 m
Sustituyendo en (5)
2.56 + 0.0493 + 0.00303 = 2.61
Como 2.61 2.608 entonces acepta lo propuesto.
Luego se tiene que d2= 2.56 m.
b. Prdida por rejilla cada 10 cm.
Solera de 1/4 x 3/8 (0.640.95 cm.)
Nmero de espacios = 5.1310.0
35.1
Nmero de barrotes = 141 = 13
Ancho neto = 1.35(13 0.0064) = 1.266 m
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Area neta = 1.35 1.266 = 1.709 m2
smVn /989.1709.1
40.3 (Velocidad neta)
g
VK n
2hf
2
2 (7)
K = 1.450.45
2
2
Ag
An
Ag
An (8)
Donde:
An = Area neta = 1.709 m2
Ag = Area total = 1.35 1.35 = 1.822 m2
Reemplazando en (8):
2
2
822.1
709.1
822.1
709.145.045.1 K
K = 1.450.4220.879
K = 0.149Reemplazando en (7):
62.19
989.1149.0hf
2
2
hf2= 0.03 m. Prdida de carga por rejilla.
c. Prdida por Entrada al Conducto
gVKe 2hf2
3 (9)
donde:
hf3= Prdida por entrada al conducto.
V = 1.951 m/s
Ke = 0.231 (Se considera entrada con arista ligeramente redondeada)
Reemplazando en (9):
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951.123.0hf
2
3
hf3= 0.044 m.
d. Prdida por Friccin en el Conducto.
Utilizando la frmula de Manning:
L
R
nV23/2
2
4
*hf (10)
donde:
hf4= Prdida por friccinV = 1.951 m/s (Velocidad en el conducto)n = 0.017 (Rugosidad, se ha adoptado este valor para absorber condiciones de
vaciado de concreto defectuoso)R = 0.499 m. (Radio hidrulico)
Reemplazando en (10):
.601.0136499.0
017.0951.1hf
2
2
4 m
hf4= 0.601 m.
e. Prdida de carga por Codos o cambios de Direccin
Para un codo tenemos:
g
V
29025.0hf
2
5
(11)
Para n codos:
n
g
V
1
2
5902
25.0hf (12)
donde:V = 1.951 m/s (Velocidad en el conducto)= ngulo de deflexinhf5= prdida de carga por codos
Para nuestro caso:
Codos 90/
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E)1)2)3)4)
5)6)S)
1310
15.55545
133.518
0.3800.3330.4150.7810.707
0.3800.1970.447
= 3.640
Reemplazando los valores anteriores en (12)
hf5= 0.25 0.194 3.640hf5= 0.176 m.
f. Prdida por Transicin de Salida.
Establecemos la ecuacin de Bernoulli, entre los puntos 3 y 4 de la fig. N 5 ytenemos:
Figura 5. Transicin de salida
64433 hfhvdDhvd (13)
donde:
d4 = 1.029 m.hv4= 0.07964 m.
Desnivel = 1.50 m.
hf6= 0.2 hv (14)hv = Diferencia de cargas de velocidad entre los puntos 3 y 4 de la Figura N 5.
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Reemplazando en (13)
50.107964.0029.1hfhvd 633
m608.2hfhvd 633 (15)
- Caractersticas hidrulicas a la salida del sifn
Suponiendo: d3 = 2.55 mA = 1.35 2.55 = 3.44 m2(Area hidrulica)
smV /988.044.3
40.3 (Velocidad)
m0496.062.19
988.0hv
2
3 (Carga de velocidad)
Reemplazando en (14)
hf6= 0.2 (0.079640.0496)
hf6= 0.006 m. (Prdida de carga por transicin de salida)
Substituyendo valores en (15)
2.55 + 0.04960.006 = 2.594
Como 2.594 2.608 se acepta lo supuesto
Luego d3= 2.55 (Tirante a la salida del sifn)
g. SUMA TOTAL DE PERDIDAS DE CARGA
Se halla con la siguiente expresin:
654321total hfhfhfhfhfhfhfhf (16)
0058.0176.0601.0044.0030.000303.0
m859.0hftotal
Carga disponible = 0.870 m.
Finalmente como la prdida de carga total (0.859 m.) es menor que la cargadisponible (0.87 m.) entonces se cumple con la condicin propuesta para el
funcionamiento del sifn.
- Clculo del porcentaje de ahogamiento.
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El porcentaje de ahogamiento se calcula con:
% Ahogamiento =d
dd 3 (17)
cos
Ld (18)
donde:
= ngulo de salida = 35
L = Ancho del sifn = 1.35 m
d3= 2.55 m.
Reemplazando en (18):
md 65.1819.0
35.1
Substituyendo en (17):
% Ahogamiento = %5050.0
65.1
65.155.2
Como el porcentaje de ahogamiento hallado (50%) es mayor que el requerido(10%), la expresin es aceptada.
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5. DISEO ESTRUCTURAL
El anlisis estructural deber efectuarse para los siguientes condiciones de trabajodel conducto:
a) A conducto llenob) A conducto vaco
5.1.Anlisis a conducto lleno
Se va a calcular el conducto con gasto normal Q = 3.40 m3/s y sin considerarcargas exteriores como caso ms desfavorable, ya que para efectuar la pruebacon presin de agua, no se permite que la estructura se cubra hasta tener laseguridad de que es totalmente impermeable.
Para realizar este trabajo se va a suponer un espesor de paredes de 0.40 m. ycarteles de 0.20 m. 0.20 m. como lo indica la Figura N 6.
Figura 6. Seccin del conducto acotado
Figura 7. Diagrama de cargas.
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Las cargas que se considerar para efectos del anlisis a conducto lleno son:
- La presin que ejerce el agua sobre la losa superior, losa inferior, y paredeslaterales.
- Los pesos propios de las losas y paredes.
- La reaccin del terreno.
Las cargas se toman sobre el eje de la seccin cuyo espesor asumido es 0.40 m.(Figura N 6).
a. Carga sobre la losa superior (W1)
111 PpPW (19)
donde:
P1 = Presin del agua sobre la losa superior
Pp1= Peso propio de la losa superior
Resolviendo:
- Elev. agua entrada conducto = 3375.036- Elev. cara inf. de losa super = 3336.750
Carga hidrulica = h = 38.286 m.
-
Clculo de P1:P1= m h (20)
donde:
m = Peso especfico del agua = 1000 Kg/m3h = Carga hidrulica = 38.286 m.
Reemplazando en (20):
P1= 1000 38.286 = 38286 kg/m2
Calculo de Pp1
Pp1= Peso propio de la losa superior
Pp1= e c l (21)
donde:
e = Espesro de la losa superior = 40 cm
l = ancho unitario = 1mc = peso especifico del concreto = 2400 kg/cm2
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Reemplazando en (21):
Pp1= 0.40 2400 1.00
Pp1= 960 Kg/m2
Substituyendo en (19): 111 PpPW
W1= 37326 Kg/m2
b. Carga sobre la losa inferior (W2)
t122 R-PpPW (22)
donde:P2 = Presin del agua sobre la losa inferiorPp2= Peso propio de la losa inferiorRt= Reaccin del terreno
Resolviendo:
- Elev. agua entrada conducto = 3375.036- Elev. cara inf. de losa super = 3335.400
Carga hidrulica = h = 39.636 m.
- Clculo de P2:
Reemplazando en (20):
P2= 1000 39.636P2 = 39636 kg/m2
Calculo de Pp2
Reemplazando en (21):
Pp2= 0.40 2400 1.00
Pp2= 960 Kg/m2
- Clculo de Rt:
cA
cat
PpPR
(23)
donde: Pa= Peso del agua Kg/m2
Ppc= Peso propio del conducto Kg/m2
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Ac = Ancho del conducto
Calculo de Ppc
Ppc= (Aext- Aint) 2400 (24)
Donde:Aext= Area total conducto = 4.622 m2Aint= Area hidrulica del conducto = 1.742 m2
Reemplazando en (24):
Ppc= (4.6221.742) 2400Ppc= 6913 Kg/m.
- Clculo de Pa:
Pa = Ah m (15)
Reemplazando en (25):
Pa = 1.742 1000Pa = 1742 Kg/m.Ac=2.15 m.
Reemplazando en (23):
15.217426913Rt
Rt= 4025 Kg/m2
Substituyendo valores en (22):
W2= 39636 + 9604025W2= 36571 Kg/m
2
c. Carga sobre las paredes laterales (W3 y W4)
Se toma la misma sobre los extremos de cada losa y se forma un diagramatrapecial, como por seguridad se ha considerado la carga hidrulica actuandosobre el eje, por lo que se incluye en la losa inferior los 0.20 m. de cargahidrulica.
Emplearemos la siguiente expresin:
W3= (Elev. agua entrada conductoElev. cara inferior losa superior) (26)
Reemplazando en (26):
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1000750.3336036.375,3W3 2
3 /38286W mKg
W4 = (Elev. agua entrada conductoElev. cara inferior losa inferior) m. (27)
Reemplazando en (27):W4= (3.375.0363335.200) 1000W4= 39836 Kg/m
2
Los resultados de las cargas que actan en el sifn se pueden observar en elDiagrama de cargas de la figura N 8, en donde W5= W4W3= 1550 Kg/m
2.
Diagrama de cargas
Figura 8. Diagrama de cargas a conducto llenod. Clculo de los momentos de Empotramiento
- Momento en la losa superior: Barra A-B
1221LWMAB (28)
donde: W1= Carga sobre la losa superior = 37326 Kg/m2
L = Ancho del eje del conducto = 1.75 m.
Reemplazando en (28): MAB= 37326 (1.75)2/12
MAB= 9525 Kg-m.
- Momento en la losa inferior: Barra D-C
MDE= W2L2/12
donde: W2= Carga sobre la losa inferior = 36571 Kg/m2
Reemplazando en (28):
mKg 9330
1275.1
3657M2
DC
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- Momentos en las paredes laterales: Barras A-D y B-C
30LW
12LWM
2
5
2
3AD (29)
donde: W3= 38286 Kg/m
2
, W5= 1550 Kg/m
2
Reemplazando en (29):
30
75.1155012
75.138286M
22
AD
mKg9929MAD
20W
12W
M2
5
2
3DA
LL (30)
Reemplazando en (30):
2075.11550
1275.138286M
22
DA
mKg 00810MDA
Luego con los momentos encontrados resolveremos el marco rigido.
Rigideces:
LEIKKKK BCADCDAB 4
(31)
Como todas las piezas son iguales en seccin y longitud sus rigideces absolutasson iguales.
Factor de distribucin (para todas las piezas) = 0.5
Luego se procede a efectuar la distribucin de momentos por el mtodo general
de Cross
KK
RK (32)
relativa)(Rigidez5.0KR
KKK
KK
Distribucin de momentos por Cross:
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23/63
Los momentos finales sern:MA= MB= 9676 Kg-m
MC= 9584 Kg-m
e. Clculo de las reacciones o fuerzas cortantes
- Losa superior: Barra A-B
2W
RR 1BAL (33)
Reemplazando en (33):
RA= RB= 37326 1.75/2 = 32660 Kg.
- Losa inferior barra D-C
2W
RR 2CDL
(34)
Reemplazando en (34): 1.75/23675RR CD
= 32000 Kg
Luego con estos valores se construye el diagrama de esfuerzos cortantes.
- Paredes Laterales: Barras A-D y B-C
Las reacciones en estas barras hay que corregirlas debido a la diferencia demomentos en sus extremos.
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En la Figura N 9, se puede observar las cargas y momentos que actan sobre labarra lateral A-D.
Figura 9. Diagrama de cargas barra lateral A-D
f. Cortante Isosttico
Considerando las piezas como isostticas tenemos:
62VR 53AA LWLW (35)
Reemplazando en (35):
675.11550275.138286VR AA
Kg33950VR AA
32VR 53DD LWLW (36)
Reemplazando en (36):
3/75.115502
75.138286VR DD
Kg34400VR DD
g. Cortantes Hiperestticos
Tenemos que:L
mMV (37)
donde: M = Momento mayor = 9676 Kg-mm = Momento menor = 9584 Kg-m.
Reemplazando en (37):
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25/63
Kg5475.1
9584-9676V
VVVR AA (38)Reemplazando en (38):
5433950VRA
KgA 34004VRA
VVVR DD D (39)
Reemplazando en (39):
5434400VR DD
Kg34346VR DD
Luego con estos valores se construye el diagrama de esfuerzos cortantes para lasparedes laterales, como puede observarse en la Figura N 11.
h. Clculo de los Momentos Flexionantes en el Centro del Claro
- Losa superior: Barra A-B
A2
1 M-8WM L (40)
Reemplazando en (40):
9676-875.137326M 2
m-Kg4612M
- Losa Inferior: Barra D-C
c2
2 M-8M LW (41)
Reemplazando en (41):
9584875.19584M 2
m-Kg4415M
Diagrama de Cargas y Momentos actuantes en las barras laterales A-D y B-C
7/24/2019 Diseo Del Sifn v2
26/63
Figura 10. Diagrama de cargas, barras laterales A-D, B-C.
De la Figura N 10 se tiene:
345 W-WW
L
XWWW A 34 (42)
Tomando momentos con respecto a XA de la Figura N 10 hallaremos elmomento de una carga trapecial en un punto situado a una distancia XA delapoyo.
232
3
2
34A
AAA
AAA
XW
X
L
XWWVMM
26
2
3
3
34AA
AAAA
XW
L
XWWVMM (43)
El mximo momento lo hallamos igualando a cero la primera derivada de laecuacin (43):
063 32
34 AAA WLWWVd
dMx
02 32
34 AAA VWLWW
Despejando A :
L
WW
LWWVWW AA
2
242
34
3433
Como: (W4W3) = 5
5
5
22
33 2W
LWVLWLW AA
(44)
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LWWVMM AAAAAA 62/ 3
5
2
3 (45)
Clculo de la distancia en la cual acta el momento mximo.
Reemplazando valores en (44):
1550
15503400075.1275.13828675.138286 22
A
mA 879.0
Reemplazando en (45) obtenemos el valor del momento mximo:
75.16
879.01550
2
879.038286879.0340049676max
32
M
mKgM 5323max
Con los valores resultantes de la distribucin de momentos, y los obtenidos alconsiderar las piezas isostaticamente, se construye el diagrama correspondiente.
Las figuras N 11 y 12, muestran los diagramas de momentos flexionantes y defuerzas cortantes, respectivamente, para la condicin de conducto lleno.
Diagrama de momentos flexionantes(Conducto lleno)
Figura N 11
Diagrama de Fuerzas Cortantes
(Conducto lleno)
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Figura 12.
5.2.Diseo de las Secciones en Concreto Reforzado (Conducto Lleno)
Mtodo de la Rotura
Por ser las reas de acero excesivamente grandes, se va a proceder a hacer elclculo del refuerzo por el Mtodo de la Rotura, siguiendo un control deagrietamiento segn la Norma BRITISH STANDARD 5337 (BS 5337), que
da el mtodo y las frmulas necesarias para efectuar este clculo que es demucha importancia, especialmente para las condiciones de construcciones encontacto con agua y para evitar el deterioro del concreto y el refuerzo.
La metodologa consiste en calcular la cantidad de refuerzo necesario o en unalosa o muro en base de determinado ancho de la rajadura adoptada, que es
permisible para las condiciones a las cuales est expuesta la estructura.
En el BS 5337 se definen tres categoras con diferentes anchos para la rajadura:
Categora A: Ancho permisible WCR= 0.1 mm., para una estructura expuesta auna atmsfera corrosiva o hmeda o expuesta intermitentemente al agua o alaire.
Categora B: Ancho permisible WCR= 0.2 mm., para una estructura no expuestaa condiciones corrosivas o hmedas.
Categora C: Ancho permisible WCR= 0.3 mm., para una estructura no expuestaa condiciones corrosivas o hmedas.
a. Para el clculo por este mtodo emplearemos los siguientes datos:
fc = 210 Kg/cm2 (Resistencia de rotura del concreto).
Ec = 226 000 Kg/cm2. (Mod. de elasticidad del concreto)
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29/63
fy = 4200 Kg/cm2 (Resistencia en el acero)
Es = 2100 000 Kg/cm2 (Mod. de elasticidad del acero)
b = 100 cm. (Ancho de losa considerado)
d = 35 cm. (Peralte)
= 0.90 (Factor de reduccin para flexin).
La relacin modular a emplearse ser:
EcEsn
5.0 (50)
Reemplazando en (50):
182260005.00002100
n
b. Clculo del refuerzo en la losa superior: Barra A-B
MMu 65.1 (51)
donde:
Mu = Momento ltimo de rotura
1.65 = Factor de cargaM(-) = 9676 Kg-m
Reemplazando en (51):
Mu = 1.65 9676Mu = 15965 Kg-m
El clculo del rea de acero se realizar por tanteos:
2
adfy
MAs
u (52)
Reemplazando en (52) y tanteando con a = 2 se tiene:
2
s 42.12
2
2
35420090.0
1596500A cm
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bcf'0.85
fyAs
a (53)
Reemplazando en (53):
10021085.0
420052.12
a
90.2a
Como los valores de a son diferentes tanteamos nuevamente con a = 2.90 en(52):
2
90.235420090.0
500.1596A
s
258.12A cms
m0.15a5/8"
Reemplazando en (53):
90.210021085.0
420058.12
a
Como el valor de a supuesto es el correcto, entonces se acepta que el rea deacero es de As= 12.58 cm
2para la losa superior.
c. Clculo del refuerzo por Contraccin y Temperatura
dbP stA (54)
donde:
P = 0.0018 (cuanta mnima)
b = 100 cm. (Ancho unitario de losa)d = 35 cm. (Peralte)
Reemplazando en (54):
351000018.0Ast
2
st 30.6A cm
capasdosenm.0.20a1/2"
d. Clculo del refuerzo en el centro de la losa Superior: Barra A-B
El momento en el centro es de:
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31/63
M(+) = 4612 Kg-m
Reemplazando en (51):
461265.1 Mu
mKgMu 7610
El clculo del rea de acero requerido se realizar por tanteos:
Reemplazando en (52) y tanteando con a = 2 se tiene:
292.5
2235420090.0
761000A cmst
Reemplazando en (53):
40.110021085.0
420092.5
a
Como los valores de a son diferentes tanteamos nuevamente con a = 1.4 en (52):
286.5
24.135420090.0
761000A cms
m.0.20a1/2"
Reemplazando en (53):
39.110021085.0
420086.5
a
Como los valores de a supuestos son iguales entonces se acepta que el rea deacero ser de As= 5.86 cm
2.
e. Clculo del refuerzo en el centro de las paredes
El momento en el centro es:
M (+) = 5323 Kg-m
Reemplazando en (51):
532365.1 Mu
mKgMu 8783
Reemplazando en (52) y tanteando con a = 2 se tiene:
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2
s 83.6
2
235420090.0
878300A cm
Reemplazando en (53):
60.110021085.0
420083.6
a
Como los valores supuestos de a son diferentes tanteamos nuevamente con a =1.60 en (52):
2
s 79.6
260.135420090.0
878300A cm
m.0.15a1/2"
Reemplazando en (53):
59.110021085.0
420079.6
a
Como los valores supuestos de a son iguales, entonces se acepta que el rea deacero ser de As= 6.79 cm
2
f. Control de Agrietamiento (En el Centro de las losas)
Para evitar el fisuramiento de la estructura se va a proceder a seguir unametodologa para su control.
Cambiando de unidades del sistema mtrico al sistema Ingls:
Recubrimiento c = 0.004 m. = 40 mm.Espesor h = 0.40 m. = 400 mm.Ancho b = 1.00 m. = 1000 MM.Dimetro = 1.27 m. = 12.7 mm.Refuerzo fy = 4200 Kg/cm2 = 420 N/mm2Concreto fc = 210 Kg/cm2 = 21 N/mm2Altura efectiva d = 35 cm. = 350 mm.
El ancho permisible de rajadura ser de la Categora B
donde WCR= 0.2 mm.
El valor de n = 18
Las frmulas a emplearse ser las siguientes:
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22
min2 2
2
C
sAcr (55)
npnpnpd 2 (56)
sdP4
(57)
3-dfAM ss
(58)
s
df
bd
As2fcb
(59)
donde:
Acr = Distancia desde el punto considerado en la superficie del concreto hastala superficie de la barra ms cercana (mm)
= Profundidad del eje neutroM = Momento de la seccin (N-mm.)
g. Calculo del refuerzo en el Centro de la losa Superior
El momento en el centro de la losa superior es:
M(+) = 4612 Kg-m = 4612 104N-mm./m
Espaciamiento de las barras, S = 200 mm. (0.20 m.)
Reemplazando en (55) tenemos:
27.122
7.1240200
Acr
2
2
mm.103.9Acr
Remplazando en (57):
32
108.13502004
7.121416.3
p
Reemplazando en (56):
333 108.1182108.118108.118350
mm47.78
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Para el clculo de fs emplearemos la siguiente ecuacin:
100
fs5.21
A5.4
W1000
100
fs5.0 min
cr
cr
2
2
h
CA
d
h cr
dh
P
007.0 (60)
Se tienen los siguientes datos:
Wcr = 0.2 mmh = 400 mm.d = 350 mm.Acr = 103.9 mm.C = 40 mm.
P = 1.8 10-3
Reemplazando en (60):
47.78400
409.1035.21
9.1035.4
2.01000fs
10
1
47.78350
47.784005.0 2
4
350400
101.8
0.007fs
100
13-
64.44-fs1036.6fs1092.5 325
04.44000-fs36.6fs92.5 2
Resolviendo la ecuacin de segundo grado tenemos:2N/mm225fs
Reemplazando en (58):
mmm /633
347.78350225
104612A 2
4
s
Reemplazando en (59):
22547.78
350
3501000
6332fcb
2/63.3fcb mmN
Verificando:
22 N/mm336fy8.0N/mm225fs
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22 N/mm45.9cf'45.0N/mm63.3fcb
Luego se acepta los resultados ya que se cumple con las condiciones impuestas.
Como la cantidad de As(+) = 633 mm2= 6.33 cm2, que se calcul por control de
agrietamiento, es mayor que la cantidad calculada con el momento ltimoAs= 5.86 cm
2, se adopta como Asminpara controlar una rajadura de
Wcr= 0.2 mm
Por lo tanto, el rea de acero de refuerzo en el centro de la losa superior ser de:
As = 6.33 cm2
mm0.20a1/2"
Para la losa inferior no es necesario hacer el clculo pues el momento en elcentro de la losa es menor al calculado en la losa superior.
h. Clculo del refuerzo en el centro de las paredes verticales
El momento en el centro de la pared vertical es:
M (+) = 5323 Kg-m = 5323 104N-mm/m
Espaciamiento de las varillas
S = 150 mm. (0.15 m)
Ancho permisible de rajadura:n = 18
Reemplazando en (55):
mm95.682
7.122
7.1240
2
150A
2
2
cr
Reemplazando en (57):
3501504
7.121416.3 2
P
31041.2
P
Reemplazando en (56):
333 1041.21821041.2181041.218350
mm02.89
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Reemplazando en (60):
02.89400
4095.685.21
95.685.4
2.01000
1002.89350
fs102.804005.0
4
2
350400
1095.682.41
0.007fs
100
13
3.32-fs1094.7fs1095.5 325
03.332000-fs794fs95.5 2
Resolviendo la ecuacin de segundo grado se tiene:
2N/mm178fs
Reemplazando en (58).
2
02.89350178
53230000As
mmm /934A 2
s
Reemplazando en (59):
17802.89
350
3501000
9342fcb
2/73.3fcb mmN
Verificando:
22 N/mm336fy8.0N/mm178fs 22 N/mm45.9cf'45.0N/mm73.3fcb
Se acepta los resultados ya que cumple con las condiciones impuestas.
Como la cantidad de As(+) = 934 mm2= 9.34 cm2, que se calcul por control de
agrietamiento, es mayor que la cantidad calculada con el momento ltimoAs = 6.79 cm
2, se adopta como Asmin para controlar una rajadura deWcr= 0.2 mm
Por lo tanto, el rea de acero de refuerzo en el centro de la losa superior ser de:
As = 9.34 cm2
mm0.20a/8"5
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5.3.Anlisis a Conducto Vaco
En este caso se van a considerar las cargas exteriores que obran sobre el sifn, yen este caso la zona ms crtica es en el fondo de la quebrada. Para proteccin dela estructura se considera el sifn enterrado con una altura de tierra, sobre la losa
superior, de 2.00 m.
La nica carga actuante sobre el conducto ser la que genere la tierra que serellene sobre el sifn (ver Fig, N 14).
Figura 14. Seccin del conducto vaco
Datos de clculo
- Peso volumtrico del material de relleno = 1800 Kg/m3- Peso volumtrico del concreto = 2400 Kg/m3- Espesor de las paredes del conducto = 0.40 m.- Coeficiente de empuje activo del material = 0.143 (talud 1.5:1)- Altura de tierra sobre la losa superior = 2.00 m.
a. Carga sobre la losa superior (W1)
1t1 PpPW (61)
donde:
Pt= peso de la tierra= 2000 1800 = 3600 Kg/m2
Pp1= Peso propio de la losa superior
Reemplazando en (21):
Pp1= 0.40 2400 1.00
Pp1= 960 Kg/m2
Substituyendo en (61): W1= 3600 + 960
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38/63
W1= 4500 Kg/m
2
b. Carga sobre la losa inferior (W2)
2t2 Pp-RW (62)
donde:Rt= Reaccin del terrenoPp2= Peso propio de la losa inferior
- Clculo de Rt:
ctt PpPR (63)
donde: Pt= Peso de la tierra = 3600 Kg/m2
Ppc= Peso propio del conducto = 3215 Kg/m2
Reemplazando en (63):
Rt= 3600 + 3215Rt= 6815 Kg/m
2
- Clculo de Pp2reemplazando en (21):
Pp2= 0.40 2400 1.00Pp2= 960 Kg/m
2
Sustituyendo en (62):
W2= 6815960W2= 5855 Kg/m
2
c. Carga sobre las paredes laterales (W3 y W4)
Para efectos de clculo la presin de tierra se considera que el terreno descargarsu peso sobre las paredes del conducto (talud a considerar 1.5:1)
Emplearemos la frmula de Rankine:
2
3 hcwW (64)
donde: c = 0.143W = 1800 Kg/m3(peso espc. de la tierra)h = 2.20 m (altura de tierra)
- Clculo de W3= Presin altura losa superior
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39/63
Reemplazando en (64): W3= 0.143 1800 (2.20)2
2
3 Kg/m2461W
- Clculo de W4= Presin altura losa
Reemplazando en (64):
W4= 0.143 1800 (3.95)2
W4= 4560 Kg/m2
Los resultados pueden observarse en el diagrama de cargas de la Figura N 15.
De la Figura N 15 se tiene:
W5= W4W3= 40161246 = 2770 Kg/m
2
Diagrama de cargas
Figura 15. Diagrama de cargas a conducto vaco
d. Clculo de los momentos de Empotramiento
Momento en la losa superior: Barra A-B
Reemplazando en (28):
mKg
1164
12
75.14560M
2
AB
Momento en la losa inferior: Barra D-C
Reemplazando en (28):
12
75.15855M
2
DC
mKg 494.1MDC
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40/63
- Momentos en las paredes laterales: Barras A-D y B-C
Reemplazando en (29):
3012M
2
5
2
3
AD
LWLW
30
75.12770
12
75.1246,1M
22
AD
MAD= 600 Kg-m
Reemplazando en (30):
2012M
25
23
DALWLW
20
75.12770
12
75.11246M
22
AD
mKg742MDA
En igual forma, que en el caso de conducto lleno, se procede a efectuar ladistribucin de momentos por el mtodo general de Cross:
5.0:
KK
K
K
KKR (Rigidez relativa)
Distribucin de momentos por Cross:
Los momentos finales sern:
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41/63
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42/63
6
1.752770
2
1.751246VR AA
kg1898VR AA
Reemplazando en (36):
3
LW
2
LWVR 53DD
3
1.752770
2
1.751246VR DD
Kg2706VR DD
g. Cortantes Hiperestticos
Reemplazando en (37):
L
m-MV
Kg1481.75
952-1212V
Reemplazando en (38):
1481898VR AA Kg1750VR AA
Reemplazando en (39):
148270VR DD
Kg2854VR DD
Luego con estos valores se construye el diagrama de esfuerzos cortantes para las
paredes laterales, como se aprecia en la figura N 19.
h. Clculo de los Momentos Flexionantes en el Centro del Claro
Losa superior: Barra A-B
Reemplazando en (40):
A
2
1 M8
LWM
mKg 7949528
1.754560M2
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43/63
Losa inferior; Barra D-C.
Reemplazando en (41):
D
22 M8LWM
1212
8
1.755855M
2
mKg1029M
Losas verticales; Barras A-D y B-C.
En la figura 16, se puede observar las cargas y momentos que actan sobre la
pared lateral A-D y B-C
Figura 16. Diagrama de cargas, barra lateral A-D
De la Figura N 16 y tomando momentos con respecto al punto A se tiene:
2
XW
L6
XWXVMM
2
A3
3
A5AAAmax
Despejando Ase tiene:
5
5A
22
33
W
LWV2LWLW A
Clculo de la distancia del punto de la fuerza cortante nula al apoyo A:
Reemplazando en (44):
2770
277075.11750275.1124675.11246 22
A
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mA 895.0
Clculo del valor del momento mximo.
Reemplazando en (45):
2
895.01246
75.16
895.02770895.01750952
23
AM
mKgM A /9.73
Con los valores resultantes de la distribucin de momentos, y los obtenidos alconsiderar las piezas isostticamente, se constituye el diagrama correspondiente.
La figura N 18 y N 19, muestran los diagramas de momentos flexionantes y de
fuerzas cortantes, respectivamente, para la condicin de conducto vaco.
Diagrama de Momentos Flexionantes(Conducto Vaco)
Figura N 18
Diagrama de Fuerzas Cortantes (Conducto Vaco)
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Figura N 19
5.4.Diseo de las Secciones en Concreto Reforzado (Conducto vaco).
Como las estructuras deben disearse para el caso ms desfavorable en que seencuentren trabajando y en este caso (conducto vaco) podemos observar que losmomentos flexionantes y fuerzas cortantes hallados, son menores que loshallados en el caso de conducto lleno.
Mmax = 1212 Kg-m (conducto vaco) 9676 Kg-m (conducto lleno)Vmax = 5123 Kg-m (conducto vaci) 34346 Kg-m (conducto lleno)
Puesto que las cargas que obran sobre el conducto son de signo contrario a losdel conducto lleno, el rea de acero que se calcula es para el otro extremo de lalosa, pero por control de agrietamiento se calcul anteriormente los Asminrequeridos para momentos mayores (conducto lleno), que los de este anlisis(conducto vaco).
Por lo tanto, se acepta el Asmincalculado anteriormente tambin para este estadode clculo, quedando finalmente el acero de refuerzo distribuido de la siguientemanera:
5.5.Distribucin del acero de refuerzo en el conducto
As1= 5/8 a 0.15 mAs1= 1/2 a 0.20 mAs1= 5/8 a 0.20 mAst= 1/2 a 0.40 m (En dos capas)
El As1va a variar de espaciamiento, en la parte baja ser de 0.15m., en la partemedia ser de 0.175 m. y en la parte superior del conducto ser de 0.20 m.
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Figura N 20
a. Doblado del refuerzo
De acuerdo al RNC (seccin 802), el doblado del refuerzo se har a una longitudde doce veces el dimetro de la varilla de refuerzo.Tenemos dos tipos de varillas a ser dobladas:5/8 = 1.587 cm 12*1.587 = 19.044cm1/2 = 1.27 cm 12*1.27 = 15.24 cmPor razones prcticas se va doblar los dos fierros a la misma distancia de 20cm.
b. EmpalmesDe acuerdo al RNC (seccin 802), la longitud mnima de los empalmes de las
varillas ser de 30cm.
c. Chequeo por Adherencia
Se analiza la losa en la cual se presenta el mayor corte nominal, RNC (seccin1701), que se toma a una distancia d de la cara de apoyo Vd= 12777 Kg
El RNC (seccin 1301) indica que para que se cumpla la condicin deadherencia se debe tener presente:
2
/2.35D
cf'23.3
cmKgu (65)
En este caso:
2/5.292.545/8"
21023.3cmKgu
Como 22 /2.35/5.29 cmKgcmKg se cumple
Luego calculamos el permetro requerido para que se presente este esfuerzomximo.
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dju
Vdo
(66)
350.87429.5
12777o
cmo 41
Calculamos luego el permetro existente.
Permetro N de varillas Permetro
5/8 a 0.15 m 6.7 33.401/2 a 0.20 m 5 19.955/8 a 0.20 m 5 24.93
78.28 cmComo 78.28 > 14 entonces se garantiza la condicin de adherencia.
6. ATRAQUES
Los cambios de direccin, que se presentan en el recomido de los sifones, sehacen mediante un codo que puede ser de radio ms o menos corto. En dichocodo se presentan fuerzas que se transmiten al exterior, las cuales deben serabsorbidos por medio de un atraque.
6.1.Diseo Estructural
Para el clculo consideramos el caso mas desfavorable, que es el agua estcirculando por el sifn y de acuerdo a esta situacin slo se consideran dosfuerzas que actan: la fuerza dinmica y la fuerza hidrosttica.
El punto ms crtico es el que se encuentra ubicado en la progresiva 21 + 179por tener el mayor ngulo de deflexin y adems de tener la mayor cargahidrulica.
a. Diagrama de fuerzas
En este caso el empuje resultante es hacia el terreno natural tal como lo indican
las figuras N 21 y N 22.
Fig. 21. Diagrama de fuerzas Fig. 22. Diagrama de reaccionesen el atraque en el atraque
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= ngulo de deflexin= 55
b. Calculo de la fuerza resultanteHallaremos la sumatoria de la fuerza dinmica ms la fuerza hidrosttica, cuyo
resultado es la fuerza resultante.
Fuerza dinmica (Fd)
g
VWFd
QwW
g
VQwFd
Donde:W = Qw (kg/s)w = peso especfico del agua (kg/m3)Q = caudal de derivacin (m3/s)V = velocidad del agua en el sifn (m/s)g = aceleracin gravitacional (m/s2)
Fuerza hidrosttica (Fe)
APFe
whP AwhFe
Donde:Fe = fuerza hidrosttica (kg)A = rea hidrulica del sifn (m2)h = altura hidrosttica (kg/m2)
Fuerza resultante
APg
VQwFFF ed
h
g
VAwAwh
g
VAwFFF ed
22
Calculo de la reaccin resultante
De la figura No 21 del diagrama de fuerzas se tiene:
sen
R
sen
F
2/90
22
2/90
Fsen
senFsenR
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senAP
g
VWR
Se tiene:V=1.951 m/sA=1.742 m2Q=3.4 m3/sG=9.81m/s2
Calculo W
1000*4.3QwW
3400W kg/s
Calculo de P
h = Elevacion del agua a la entrada del sifnelevacin plantilla de la tubera
h = 3375.0363335.400
h = 39.636 m.
Reemplazando en (71):
P = 1000 39.636
P = 39636 Kg/m2
Sustituyendo en (74):
461.039636742.19.81
1.95134002R
Kg64283R (Reaccin resultante)
c. Verificacin al hundimiento
Para que se cumpla la condicin de no hundimiento, el rea de la losa de apoyo e
la parte inferior del sifn debe ser mayor que el rea que se obtiene con la fuerzavertical actuante.
En la figura N 23 se puede observar el diagrama de la reaccin resultante en elapoyo.
55 5.272/ 461.0)2/( sen 887.0)2/cos(
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Figura 23. Diagrama de reacciones resultantes en el atraque
De la figura N 23 se tiene:
- Fuerza vertical =2CosRRv
(75)
Remplazando en (75):
887.064283Rv
Kg57019Rv
- Fuerza horizontal =2
SenRRh
(76)
Reemplazando en (76):
461.064283Rh Kg29634Rv
- Fatiga debido al peso propio del conducto (fpp)
LPpc
fpp (77)
Reemplazando en (77):
15.26913fpp
2/2153fpp mKg
- Fatiga disponible (fd)
fd = Capacidad portante del suelofpp (78)
Reemplazando en (78):
22
/3215/10000fd mKgmKg 2/6785fd mKg
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- Area necesario de contacto del sifn con el suelo, para que no se hunda (A).
disponibleFatiga
sverticalefuerzasdeSumatoriaA
fd
Fv
(79)
Reemplazando en (79):
2/6785
57019
mKg
KgA
240.8 mA
- Area de contacto del fondo del sifn (a)
a = 2.15 m 8 m = 17.2 m2
Conclusin
Como el rea necesaria de contacto del sifn con el suelo, para que no se hunda(8.40 m2) es menor que el rea de contacto del fondo del sifn (17.2 m 2)entonces el sifn no se hunde y se cumple con la condicin.
d. Verificacin del deslizamiento
Se debe cumplir la siguiente expresin para que no haya deslizamiento de laestructura:
5.1
h
v
s
F
FF
donde:
Fv= Sumatoria de fuerzas verticalesFh= Sumatoria de fuerzas horizontalesF
s = Factor de seguridad
En la figura N 24, se puede observar el atraque, sifn y el relleno mnimoconsiderado para efectos de clculo, as como tambin, el empuje actuante.
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Figura 24. Perfil del atraque en el fondo del sifn
e.
Clculo de la Sumatoria de Fuerzas Verticales PpRuF vv (81)
donde:
Fv= Sumatoria de fuerzas verticalesRv = Reaccin vertical = 57 019 KgPp = Peso propio = 6913 kgu = Coeficiente de friccin = 0.6
Reemplazando en 81
6913570196.0 vF kgFv 38359
f. Calculo de la sumatoria de las fuerzas horizontales
ERhFh
Rh = reaccin horizontal = 29634 kgE = Empuje de tierra
Calculo del empuje
oKWhE 2
2
1
245tan2 oK
Donde:W = peso especifico del suelo = 1800 kg/m3h = altura de la tierra = 4.65 m = 30
reemplazando en 84
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333.02
3045tan 2 oK
Reemplazando en 83
kgE 6480333.0*6.4*1800
2
1 2
Sustituyendo en 82kgFh 23154648029634
Calculo del factor de seguridad
66.123154
38359
h
v
sF
FF
ConclusionComo el factor de seguridad hallado (1.66) es mayor que el requerido (1.5)entonces la estructura no se desliza
g. Calculo del acero de refuerzo
Para darle mayor seguridad a la estructura se va a aconsiderar un acero minimode refuerzo por temperatura y el calculo se hara con la cuantia minima
As = pbdDondeAs = rea de acero de refuerzo (cm2)P = Cuanta mnima = 0.002
b = Ancho unitario = 100 cmd = Peralte = 75 cm.Reemplazando en (85):
As= 0.002 100 75
As= 15 cm2
El armado de este refuerzo se har en tres mallas, utilizndose varillas de a0.25 m.
a. Consideraciones
- El anclaje de los apoyos debe tener como mnimo 1.50 m. de profundidad.- El relleno encima del sifn deber tener un espesor mnimo de 1.00 m. de
altura.
BIBLIOGRAFIA
U.S BUREAU OF RECLAMATION Design of Small DamsF. ARREDI Costruzioni IdraulicheP. SCHREIBER Usinas Hidroelectricas
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ANEXO No 01
CALCULO DEL REFUERZO ADICIONALMtodo Elstico
Para el diseo utilizaremos en primer lugar el mtodo elstico, tomando enconsideracin las recomendaciones dadas por instituciones y autores de lamateria.
1.1Constantes de clculo
fc = 210 Kg/cm2 (Resistencia de rotura del concreto)
fs = 1000 Kg/cm2 (Fatiga de fluencia del acero, cuando la carga 40m)
recomendado por la Secretara de Recursos Hidrulicos deMxico, para la reduccin de agrietamientos.
fc = 0.45 fc = 94.5 Kg/cm2(Ftiga mxima de trabajo en el concreto)
n = 9 (Relacin modular)j = 0.828R = 20.149
515.0
fcnfs1
1K
j = 1R/3 = 0.828
149.20Rjfc2
1R
2/347.4cf'3.0V cmKgc
D329.332.3u
'
D
fc (46)
Condicin:
Vc4.347 Kg/cm2 (Esfuerzo cortante)
u 25 Kg/cm2 (Esfuerzo de adherencia)
Clculo del peralte:
Se har el clculo del peralte mximo para el momento mximo positivo onegativo, o en todo caso para el esfuerzo cortante mayor, y todas las barras
restantes del marco se proyectan y arman con las mismas dimensiones.
Emplearemos la siguiente expresin:
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Rb
Mdmax (47)
donde:
Mmax (-) = 9676 Kg-m. = 967600 Kg-cm.Vmax = 34346 Kg.
Reemplazando en (47):
100149.20
967600maxd
dmax = 21.91 cm.
Por seguridad asumiremos:
d = 35 cm. h = 40 cm.
2.1Revisin por Cortante
En las especificaciones del ACI, se indica que el esfuerzo cortante nominal debe
calcularse conbd
VV en la cual se toma el cortante a una distancia d de la
cara de apoyo:
bdV
V dc (48)
Figura 13. Cortante en el apoyo
De la Figura N 13, obtenemos las siguientes relaciones:
35.020.0875.0
m325.0
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325.0875.0
34400 dV
875.0
325.034400Vd
Kg12777Vd
Reemplazando en (48):
2/65.335100
12777V cmKg
2/65.3V cmKg
Como 3.65 Kg/cm2< 4.347 Kg/cm2, se acepta que el peralte mximo sea de 35cm.
Se ha considerado la fuerza cortante a una distancia igual al peralte de la viga ycomo los carteles estn dentro de esa distancia, los efectos de stos, no se tomanen cuenta. Se arman todas las barras del marco por flexin y el refuerzo se revisa
por adherencia.
Losa superior: Barra A-B
Calcularemos el rea de acero de refuerzo con la siguiente ecuacin:
djfs
MAs
(49)
donde:
M(-) = 9676 Kg-m = 967600 Kg-cm
Reemplazando en (49):
2
s 73.41
35828.0800
967600A cm
2
s 73.41A cm
m0.12a1"
Revisin por adherencia
Reemplazando en (46):
54.2329.33u
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2/12.13 cmKgu
Como 13.12 Kg/cm2< 25 Kg/cm2, se cumple la condicin por adherencia.
Para momento positivo.M(+) = 4612 Kg-m = 461200 Kg-m
Reemplazando en (49):
2
s 89.1935828.0800
461200A cm
m0.14a3/4"
Losa inferior: Barra C-D
Para momento negativo.
M(-) = 9584 Kg-m = 958400 Kg-cmReemplazando en (49):
2
s 33.4135828.0800
958400A cm
m0.12a1"
Para momentos positivo:
M(+) = 4415 Kg-m = 441500 Kg-cm
Reemplazando en (49):
2
s 04.1935828.0800
441500A cm
m0.15a3/4"
Losas Verticales: Barras A-D y B-C
Para momento positivo
M(+) = 5323 Kg-m = 532300 Kg-cm
Reemplazando en (49):
35828.0800532300As
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2
s 95.22A cm
m0.12a3/4"
Como podemos observar, las reas de acero de refuerzo calculadas por elmtodo elstico, han resultado ser grandes y por lo complicado, y el costo de laestructura ser mayor.
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Material:Material usado para tubera de presin: El acero comercial fue fabricado con
plancha de acero roladas y soldada. En general las tuberas de acero que estnprotegidas por una capa de pintura u otra capa de proteccin pueden durar hasta20 aos. Adems, son efectivas en resistencia a impactos pero son pesadas, se
unen mediante bridas, soldadura o juntas metlicas. Evitar enterrar las tuberasde presin debido a que corren el riesgo de corroerse.
2. DISEOEl diseo del sifn incluye el diseo hidrulico y el diseo estructuralCriterios de Diseo Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientosde cobertura, pendiente del tubo, ngulos de doblados y sumergencia de laentrada y salida. En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes,se requiere un mnimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos
parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifn cruzaun canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura. En el caso particular del cruce con una quebrada o ro de rgimencaudaloso, deber hacerse un estudio de profundidad de socavacin para definirla profundidad en la que deber cruzar o enterrar la estructura de forma segurasin que esta sea afectada. La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la
pendiente mnima del tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda transicinde concreto a la entrada y salida cuando el sifn cruce caminos principales ensifones con mayor o igual a 36 y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s. Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifn debido a laocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar enun 50% o 0.30 m como mximo al borde libre del canal en una longitud mnimade 15 m a partir de la estructura. Con la finalidad de determinar el dimetro del tubo en sifonesrelativamente cortos con transiciones de tierras, tanto a la entrada como a lasalida, se puede usar una velocidad de 1 m/s Las prdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipoCubierta Partida, se pueden calcular rpidamente con los valores 0.4 y 0.65 hv
respectivamente (Ver. Fig. 2.15) o con lo manifestando en los tems 2.4 y 2.5. /s,en sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s
y entre 3 a 2.5 m/s en sifones largos con transiciones de concreto cono sincontrol en la entrada. A fin de evitar remansos aguas arriba, las prdidas totales computadas seincrementan en 10%. En el diseo de la transicin de entrada se recomienda que la partesuperior de la abertura del sifn, est ligeramente debajo de la superficie normaldel agua, esta profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y enel diseo se toma 1.5 veces la carga de velocidad del sifn o 1.1 como mnimo otambin 3. En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6. En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para
permitir un drenaje del tubo para su inspeccin y mantenimiento. En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse yasea que el sifn opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de
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friccin menor que el sumido en el diseo, por esta razn se recomienda usar n =0.008 cuando se calcula las prdidas de energa. Con la finalidad de evitar la cavitacin a veces se ubica ventanas deaireacin en lugares donde el aire podra acumularse. Con respecto a las prdidas de carga totales, se recomienda la condicin
de que estas sean iguales o menores a 0.30 m. Cuando el sifn cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer elgasto mximo de la creciente. Se debe considerar un aliviadero de demasas y un canal de descargainmediatamente aguas arriba de la transicin de ingreso. Se recomienda incluir una tubera de aeracin despus de la transicin deingreso Se debe analizar la necesidad de incluir vlvulas rompe presin en eldesarrollo de la conduccin a fin de evitar el golpe de ariete, que podra hacercolapsar la tubera (solo para grandes caudales). Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el
diseo hidrulico Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubera ahogada) ala entrada y salida del sifn, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubera.
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