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DISEO HIDRAULICO DE
UN SIFON.
Ing: Giovene Prez Campomanes
Huaraz, 14 de junio del 2015
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1.Introduccion
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En el presente taller Diseo hidrulico de un
sifndesarrollaremos los siguientes temas:Iniciaremos con una breve revisin de conceptos,
bsicos: tuberas, ecuacin de energa, ecuacin de
continuidad, transiciones, Numero de Froude,
acueducto, diferencias entre acueductos y sifones,posteriormente expondr todo sobre sifn, susaplicaciones, criterios para su diseo; Diseo de un
sifn, concluyendo con una practica dirigida,
conclusiones finales y una evaluacin final.
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2. Conceptos generales
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Tuberas:Se denomina tuberas a los conductosque escurren agua completamente llenos y bajo
presin.
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Salida y entrada sumergida
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La ecuacin de la energa:
ht= hp+hs
hp=fLV2/(D*2*g)
hs=KV2/2g
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Lneas de gradiente hidrulico y de energa:
La ecuacin de energa en su forma general nos da
dimensiones de longitud.
La Lnea de Gradiente Hidrulico es la suma de la
carga potencial ms la carga de presin:P/+ z
La Lnea de Gradiente de Energa est formado por
la suma total de energa en el punto analizado:V ^2/ 2g +P/+ z.
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A medida que la velocidad se acerca a cero, laLGH y la LGE se acercan una a la otra. As, en undepsito, esas lneas son idnticas y estn en la
superficie.
La LGE y la LGH tienen una pendiente
descendente en la direccin del flujo a causa dela prdida de carga en la tubera. Cuanto mayores la prdida por unidad de longitud, mayor es la
pendiente.
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Transicin: La transicin en un canal es unaestructura diseada para cambiar la forma de un
canal o rea de la seccin transversal del flujo.Bajo condiciones normales de diseo, e instalacinprcticamente todos los canales y canaletasrequieren de algn tipo de estructura de
transicinhacia o desde los cursos de agua.
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La funcin de dicha estructura es evitar
excesivas perdidas de energa, eliminar lasondas transversales, otras turbulencias ysuministrar seguridad y curso de agua.
Cuando la transicin est diseada para
mantener las lneas de corriente suaves ycasi paralelas y para minimizar las ondas
estacionarias, se puede utilizar en eldiseo lateora del flujo gradualmente variado.
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Los tipos ms comunes de transicin son
transicin de entrada y salida entre canal y
canaleta, transiciones de entrada y salida entre
canal y tnel y transiciones de entrada y entrecanal y sifn invertido.
Si el cambio en profundidad o ancho es muy
rpido, el flujo puede hacerse rpidamentevariado y pueden suceder ondas estacionarias.
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Transiciones entre canal y sifn invertido:Se recomienda los siguiente:
En el diseo de una transicin de salida, es
deseable generalmente tener laparte superior dela abertura del sifn ligeramente debajo de la
superficie normal de agua a la entrada. Estaprctica minimiza la posible reduccin de lacapacidad del sifn causada por la introduccinde airedel sifn.
La profundidad de la sumergencia de la partesuperior de la altura del sifn es conocida comosello de agua.
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Despus de que se ha determinado elsello de aguase calcula, la velocidad en el muro cabezal, y la
cada total en la superficie del agua, despreciandolas prdidas de friccin, es tomado como 1.1 hv,.
Un perfil de la superficie suave se asumientonces, tangente a la superficie del agua en el
canalen el inicio de la transicin y pasando a travsdel punto en el muro determinado por el clculo
aguas arriba dado.
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El diseo de una estructura de salida, la pendiente
del fondo nonecesita ser tangente a la pendientedel conducto cerrado en el muro, como era el caso
de la entrada a menos que la velocidad del sifnsea alta y la pendiente de transicin seaempinada.
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Nmero de froude: Se aplica en flujos desuperficie libre, donde existen fenmenos
ondulatorios. Las formaciones de ondas dependenespecialmente de las fuerzas gravitacionales.
Debemos saber que:
F= 1: Flujo critico.
F< 1: flujo subcritico.
F> 1: Flujo supercrtico.
De donde: (F=Numero de Froude).
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3.Acueducto:
Es un conducto que fluye como canal encima de un
puente diseado, para resistir la carga de agua y supropio pesopara atravesar una va de transporte o paracruzar una depresin o curso de agua no muy profunda.
Desde el punto de vista de la estructura civil, los
acueductos pueden ser de dos tipos:
Acueducto sobre una estructura de soporte (puente).
Canal cuyas paredes y base forman parte
estructural del puente
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3.1 Criterios de diseo:
Estas obras constan de transicin de entrada ytransicin de salida, siendo siempre rectangular laseccin de la canoa.
La energa de la canoa debe ser en lo posibleigual a la energa del canal, para lo cual se trata de
dar velocidades en la canoa igual a la del canal,
desprecindose las perdidas de carga en este caso,
normalmente suele drse a las transiciones,ngulos de 12 30.
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Lapendiente en la seccin de la canoa, debeajustarse lo mas cercano posible a lapendiente
del canala fin de evitar cambios en la rasante.
Se recomienda disear considerando un tiranteen la canoa igual al del canal.
La condicin de flujo en la canoa debe ser
subcritico.
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Cuando el nivel de la superficie libre del agua es
mayor que la rasante del obstculo, se puede
utilizar como estructura de cruce un puentecanal ( acueducto) o un sifn invertido.
El puente canal se puede utilizar cuando la
diferencia de niveles entre la rasante del canaly la rasante del obstculopermite un espaciolibre suficiente para lograr el paso.
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3.2 Elementos hidrulicos de un puente canal:
Transicin de entrada
Conducto elevado( canal, canoa).
Transicin de salida
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Tipo de transicin Ke Ks
Curvado 0.1 0.2
Cuadrado cilndrico 0.15 0.25
Simplificado en lnea recta 0.2 0.3
Linea recta 0.3 0.5
Extremos cuadrados > 0.3 0.75
Valores de Ke y Ks, segn el tipo de transicin
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Es unaestructura que cruza el desnivel por medio
de un conducto que se desplace por debajo delaccidente topogrfico, lo cual dar lugar a laconfiguracin de un sifn invertido.
4 Sifn:
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4.1 Aplicaciones:
Como estructuras de conduccin.
Como estructuras de proteccin, en este caso se
emplean para dar pase a las aguas de lluvia o
excesos de agua de un canal por debajo de otrocanal.
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El canal, por medio de los sifones, incorporarestructuras que trabajarn bajo presin.
Los sifones pueden ser construidossuperficiales o enterrados. Las estructurassuperficiales se apoyan sobre el suelo, en
trincheras, tneles o galeras, los cualespermiten una mejor accesibilidad.
Las estructuras enterradas son ms simples y
normalmente de menor costo, ya que no cuentancon soportes, pero su desventaja est asociadaal mantenimiento, por cuanto su accesibilidadresulta ms complicada.
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Aliviaderos en forma de sifn: tiene lassiguientes ventajas:
Permiten pasar grandes caudales conpequeas dimensiones.
Seconectan y desconectan automticamentesin tener partes mviles.
Permiten regular los tirantes con una exactitud de
10 a 20 cm.
Un gran caudal que comienza a fluir subidamente a
travs de un sifn produce una onda que requiere
de costosas estructuras de disipacin de energa.
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La magnitud de la velocidad media en el conductoque conforma el sifn, puede variar entre 2 a 4 m/s.
La velocidad de flujo est asociada tambin al tipo de
material del conducto; Zurita considera los siguientesvalores:
Conductos de fbrica 1.0 a 1.5 m/s
Tubos de hormign 1.5 a 2.5 m/s
En todos los casos se deber incorporar elementosque permitan la limpieza peridica de los sedimentosque se acumulen en los sectores bajos a consecuencia
de las reducidas velocidades de flujo que se presenten
durante la operacin del sistema.
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43Transiciones de entrada y salida
4 2 Sifones invertidos:
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4.2 Sifones invertidos:
Es una estructura utilizada para atravesar
depresiones o vas de comunicacin cuando elnivel de la superficie libre de agua del canal mayores mayor que la rasante del crucey no hay espaciopara lograr el paso de vehculos o el paso del agua.
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La diferencia entre el sifn invertido y el acueducto
reside en que la seccin del sifn se apoyadirectamente en las laderas de la depresin, encambio el acueducto conserva su rasanteapoyado en la estructura del puente.
Los acueductos pueden tener la mismagradiente, pero conviene aumentarla un poco conel objeto de disminuir la seccin del acueducto y
por lo tanto su peso y su costo.
En el sifnla perdida de carga que se produceen el extremo es funcin del dimetroy por lo
tanto se determina con un calculo econmico.
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los sifones pueden ser de tubera de un solodimetro decrecientes haciaabajo.
Un dimetro menor es capaz de soportar unapresin mayor sin necesidad de aumentar elespesor de las paredes.
El sifn puededestruirse en un terremoto, pero lamayora de las piezas son de acero que pueden
volver a emplearse.
El sifn necesita en su construccin de gente
especializada y de equipos de elevacin(gruas,
polispastos) y probablemente de suelda.
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Las secciones mas recomendadas en los sifones
invertidos son:
Seccin rectangular:Con una relacin H/B =1.25 y con una seccin mnima de H = 1.0
metros y B = 0.80 metros.
Seccin circular :Con un dimetro mnimo de30, pueden ser en algunos casos proyectarse
bateras de conductos circulares
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Transiciones con un ngulo de 12 30 tanto en el
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Transiciones con unngulo de 12 30 , tanto en elingreso y a la salida se instalan rejas.
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4 3 Para el diseo de los sifones invertidos
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4.3 Para el diseo de los sifones invertidosindican:
Cruce de carreteras
Cruce de vas frreas
Cruce con canal o dren
Cruce de ros y arroyos
4 4 P t d if i tid
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4.4 Partes de un sifn invertido:
Consta de las siguientes partes:
Desarenador
Desage de excedencias
Compuerta de emergencia y rejilla de entrada
Transicin de entrada
Conducto o Barril
Registros para limpieza y vlvulas de purga
Transicin de salida
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4 5 Criterios de diseo:
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4.5 Criterios de diseo:
Cuandoel caudal por conducir es grande y supera
un conducto de 6.00 metros de dimetro se diseauna batera de sifones.
Paracargas pequeas entre 0 y 5 metros, se prefiere
las secciones cuadradas y rectangulares.
Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo
los requerimientos de cobertura, pendiente de tubo,
ngulos de doblados y sumergencia de la entrada ysalida.
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Si el sifn cruza un canal revestido se
considera suficiente 0.30 m de cobertura.
Las perdidas de carga por la entrada y salida
para las transiciones tipo cubierta partida, se
pueden calcular rpidamente con los valores0.4hv y 0.65 hvrespectivamente.
La pendiente de los tubos doblados no debe ser
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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
transicin de concreto a la entrada y la salidacuando el sifn cruce caminos principales.
Con la finalidad de evitar desbordes aguasarriba del sifn debido a la ocurrencia fortuita decaudales mayores al de diseo, se recomiendaaumentar en un 50% o 0.30 m como mximoal
borde libre del canal en una longitud mnima de 15m a partir de la estructura.
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A fin de evitar remansos aguas arriba las
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A fin de evitar remansos aguas arriba, lasperdidas totales computadas se incrementanen 10%.
En el diseo de la transicin de entrada se
recomienda que la parte superior de la abertura
del sifn, este ligeramente debajo de la superficie
normal del agua, en el diseo se toma 1.5 veces
la carga de velocidad del sifn o 1.1 como
mnimo o tambin 3.
En sifones relativamente largos se proyectan
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Ensifones relativamente largos, se proyectanestructuras de aliviopara permitir un drenajedel tubo para su inspeccin y mantenimiento.
En sifones largos bajo ciertas condiciones la
entrada puede no sellarse ya sea que el sifn
opere a flujo parcial o flujo lleno, con un
coeficiente de friccin menor que el asumido en
el diseo, por esta raznse recomienda usar n= 0.008. Cuando se calculan las perdidas de
energa.
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Con la finalidad deevitar la cavitacin a vecesse ubica ventanas de aireacin en lugares
donde el aire podra acumularse.
Cuando el sifn, cruza debajo de unaquebrada, es necesario conocer el gasto
mximo de la creciente.
Para obtener una buena autolimpieza en el sifn
invertido, la velocidad del lquido en su interior
debe ser como mnimo de 0,90 m/s, que,adems de impedir la sedimentacin del material
slido en la tubera, es capaz de remover y
arrastrar los slidos ya depositados.
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Un criterio de dimensionamiento alternativo, que
est siendo adoptado con xito en Brasil, es el de
garantizar una velocidad igual o superior a 0,60m/s para el caudal medio, a lo largo de todo elperodo de proyecto. Este criterio, da resultados
prximos a aquellos obtenidos por el uso del
anteriormente expuesto.
La velocidad mxima es funcin de lascaractersticas del material del sifn y de la carga
disponible, pero de un modo general se aconsejaque la mismano supere 3,0 m/s
En el cruce de un canal con una quebrada, el sifn
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se proyecta para conducir el menor gasto y losuficientemente profundo para no ser socavado,
en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones unsifn constituye un peligro, principalmente.
Cuando est cerca de centros poblados, siendo
necesario el uso de rejillas pero con ladesventajade que puedan obturarse las aberturasy causar remansos.
Las dimensiones del tubo se determinansatisfaciendo los requerimientos de cobertura,pendiente en el suelo, ngulos de doblados y
sumergencia de la entrada y salida.
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Cuando el sifn cruza debajo de una quebrada, esnecesario conocer el gasto mximo de la
creciente.
Con la finalidad de evitar desbordes aguas arriba del
sifn debido a la ocurrencia fortuita de caudalesmayores al de diseo, se recomienda aumentar enun 50% 0.30 m como mximo al borde libre delcanal en una longitud mnima de 15 m a partir de la
estructura.
Con respecto a las prdidas de cargas totales, serecomienda la condicin que sean iguales omenores a 0.30 m.
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Con la finalidad de determinarel dimetro del tuboen sifones relativamente cortos con transiciones
de tierra, tanto en entrada como salida, se puede usaruna velocidad de 1 m/seg. En sifones con transicionesde concreto igualmente cortos se puede usar 1.5
m/seg y para sifones largos con transiciones de
concreto con o sin control de entrada entre 3 a
2.5m/seg.
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DONDE
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Existen tambin otras frmulas para calcular la
altura mnima:
,el modelo de Polikouski y Perelman
siendo,vt la velocidad media en la tubera delsifn y D el dimetro de la tubera en metros.
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La simbologa a emplearse:
: Longitud transicin de entrada
: longitud transicin de salida
: longitud del sifn
: velocidad del canal de entrada
: Velocidad del canal de salida
: Velocidad en el sifn: Pendiente del sifn
: Pendiente del canal
: Aceleracin de la gravedad
a Perdidas de carga en las transiciones de entrada y salida:
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a. Perdidas de carga en las transiciones de entrada y salida:Las perdidas de carga en las transiciones son:
Donde :kt : 0.1 en la transicin de entradakt :0.2 en la transicin de salida
b. Perdidas de carga en las rejillas:Se calcula segn Kirschmer:
De donde:Kr : coeficiente que depende de la forma de la reja
: ngulo que hace la reja con la horizontal
s : espesor de la reja
b : luz entre rejas
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Para rejillas completamente sumergidas se emplea la formula de Creager:
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Siendo:
Donde:ag = rea bruta de la estructura de rejillasan= rea neta de paso entre rejillas
V = velocidad neta a travs de rejillas.
c. Perdida de carga en la entrada y salida:
De donde:h3 = prdida de carga por entrada al conducto
v = Velocidad del agua en el barril
Ke = Coeficiente que depende de la forma de entrada
d. Perdida de carga de friccin en el sifn:
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VALORES DE KeCompuerta en pared delgada - contraccin suprimida en
lados y en el fondo 1
Para entradas con arista en ngulo recto 0,5
Para entrada con arista ligeramente redondeada 0,23
Para entradas con arista completamente redondeada R/D =
0,15 0,1
para entrada abocinada circular 0,004
g
R= radio hidrulico
L = longitud total del conducto
v = velocidad del agua en el conductoS = pendiente de la lnea de energa
e. Perdida de carga debida a codos y cambios de direccin:
: ngulo de deflexin del sifn
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f. Perdidas ampliacin: segnBorda;la perdida de carga es:
SegnArcher:
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4 7 DISEO DE UN
SIFON INVERTIDO
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PROCEDIMIENTO DE CALCULO
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PROCEDIMIENTO DE CALCULO
1. Calcular las dimensiones del canal:2. Calcular las dimensiones del conducto:2.1Si se conoce el caudal , y suponiendo una velocidad, aplicando la ecuacin
de continuidad se tiene:
2.2Definir el tipo de seccin transversal del conducto:
Circular Cuadrada
Rectangular
2.3 Calcular las dimensiones:
Si la seccin es circular :
2.4 Recalcular v :
3. Calcular las transiciones:
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3.1 Calcular la transicin exterior de trapezoidal a rectangular:
De donde:
= Longitud transicin exterior
T = espejo del aguat = D = dimetro del conducto
3.2 Calcular la longitud de la transicin interior de rectangular a
circular.
De donde:
= Longitud transicin interior
D = Dimetro del conducto
4. Calcular la carga disponible:
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g p4.1 Calcular la diferencia de cotas
4.2 Calcular las perdidas totales aproximadas:
: Sumatoria de las perdidas totales.
Para una tubera llena.
Para lo cual:
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4.3 Si ; no hay problema para continuar los clculos:
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5. Clculos en el sifn:5.1 Calculo de
Aplicar la ecuacin de la energa entre 1 y 2 :
De donde debe ser positiva.
5.2 Calcular el % de ahogamiento a la salida del sifn:
Verificar que el % de ahogamiento >= 10 %.
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5.3 Calculo de
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Aplicando la ecuacin de la energa entre 3 y 2 :
De donde:
y3 = D ( aprox.)
Z3 = Z2
5.4 Calculo de la ecuacin de la energa entre 4 y 3 :
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Z4-Z5 = diferencia de cotas de los puntos 4 y 3
y4 = y3 = D
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y4 y3 D
v4= v3 = v 0 velocidad en el conducto
5.5 Clculos de y5 , he:
Donde :
Z5 = Z4
y4 = D.
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5 6 Calculo del % de ahogamiento en la entrada del sifn
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5.6 Calculo del % de ahogamiento en la entrada del sifn
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Verificar que el % de ahogamiento >= 10 %.
5.7 Calculo de y6 y hte :
Aplicando la ecuacin de la energia entre 6 y 5 :
De donde:Z6-Z5 = es la diferencia de cotas entre estos puntos
Debemos considerar que es positivo.
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5.8 Calculo de las perdidas totales:
De donde:= perdidas totales
= perdidas en las entradas
= perdidas en la entrada ( reduccin)
= perdidas de friccin en el conducto= perdida en los codos
= perdida en la salida ( ampliacin).
= perdida por la transicin de salida.
5.9 debemos comparar con elSi , el conjunto de perdidas es absorbido por la diferencia de
cotas.
Si realizar cambios, los cambios que pueden realizarse son:
dimetro de la tubera y manejo de las cotas86
EL VALOR DE Ke, PARA LAS DIFERENTES CONDICIONES DE ENTRADA
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TIPO DE ENTRADA VARIACION PROMEDIO
Para entradas con aristas rectangularesinstaladas al ras en los muros de cabeza
verticales
0,43-0,70 0,5
Para entradas con aristas redondeadas
instaladas al ras en muros de cabezaverticales r/D >= 0,15
0,08 -0,270 0,1
Para tubo de concreto de espiga o de
campana instalado al ras en el muro de
cabeza vertical
0,10 -0,33 0,15
Para tubos de concreto salientes con
extremos de espiga o campana0 0,2
Para tubos de acero o de metal ondulado 0,5-0,9 0,85
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DATOS PARA LA SELECCIN DEL DIAMETRO DE TUBERIAS
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Transicin de TierraVmax= 1,06 m/s
Transicion de ConcretoVmax= 1,52 m/s Tuberas
Caudal (m3/s) Caudal (m3/s) Dimetro ( pulg.) Dimetro ( cm.) rea ( m2)
0 -0,076 0-0,11 12 30,48 0,073
0,077 - 0,112 0,111-0,173 15 38,1 0,114
0,123 - 0,176 0,174-0,249 18 45,72 0,164
0,177 - 0,238 0,250-0,340 21 53,34 0,223
0,239-0,311 0,341-0,445 24 60,96 0,292
0,312-0,393 0,446-0,564 27 68,58 0,369
0,394-0,487 0,565-0,694 30 76,2 0,456
0,488-0,589 0,695-0,841 33 83,82 0,5520,590-0,699 0,842-1,00 36 91,44 0,656
0,700-0,821 1,001-1,175 39 99,06 0,771
0,822-0,954 1,176-1,362 42 106,68 0,894
0,955-1,096 1,363-1,563 45 114,3 1,026
1,097-1,246 1,564-1,778 48 121,92 1,167
1,247-1,407 1,779-2,008 51 129,54 1,318
1,408-1,578 2,009-2,251 54 137,16 1,4781,579-1,756 2,252-2,509 57 144,78 1,646
1,757-1,946 2,510-2,781 60 152,4 1,824
1,947-2,146 63 160,02 2,011
2,147-2,356 66 167,64 2,207
2,357-2,574 69 175,26 2,412
2,575-2,803 72 182,88 2,626
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5 PRACTICA DIRIGIDA
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Un canal trapezoidal de ancho de solera de 1m ,
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talud 1, en la tierra(n=0.025), esta trazado con una
pendiente de 0.5 oo y conduce un caudal de 1 m3/s.
En cierto tramo de su perfil longitudinal como semuestra en la figura.
Realizar el diseo hidrulico del sifn invertido(l=80
m).
Un canal trapezoidal de ancho de solera de 2m ,
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talud 1.5, en la tierra(n=0.025), esta trazado con una
pendiente de 0.5 oo y conduce un caudal de 5 m3/s.
En cierto tramo de su perfil longitudinal como semuestra en la figura.
Realizar el diseo hidrulico del sifn invertido(L=150
m).
6 Conclusiones finales
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6. Conclusiones finales
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El sifn, consiste en un brusco descenso del
conducto hasta la cota necesaria, luego un tramohorizontal bajo esa obstruccin y finalmente un
ascenso hasta la cota del terreno.
La existencia deaire en el interior del conducto,ya sea durante su operacin en rgimen odurante un proceso de llenado puede originar
efectos de sobrepresin.
Se recomienda monitorear el funcionamiento del
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Serecomienda monitorear el funcionamiento delsistema de tuberas,, registrndose los niveles deoperacin caractersticos y verificndose su
compatibilidad con las condiciones de borde
existentes en el sistema.
La importancia delconocimiento de la mecnicade fluidos en el diseo de las obras de arte, yen nuestro caso en el diseo hidrulico de un
sifn.
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FIN DE LA EXPOSICION
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