Diseño Estructural de Un Sifon Invertido Circular

7/25/2019 Diseo Estructural de Un Sifon Invertido Circular

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Diseo Hidrulico y Estructural de un Sifn

Estructuras Hidrulicas Pgina 1

SIFONES

1. DEFINICIN.-Es una estructura utilizada para atravesar depresiones o vas de comunicacin

cuando el nivel de la superficie libre de agua del canal es mayor que la rasante del

cruce y no hay espacio para lograr el paso de vehculos o del agua.

Los sifones se diferencian de acueductos en que la seccin del sifn se apoya

directamente en las laderas de la depresin, siguen el perfil del terreno y slo

aprovechan la carga de agua para el movimiento del flujo.

Generalmente hay cambio de seccin con respecto a los canales, por lo cual es

necesario proyectar transiciones aguas arriba y abajo. Tanto en el ingreso y a la

salida se instalan rejas para evitar el ingreso de troncos, malezas y otros.

Las secciones ms recomendadas son:

- Seccin Rectangular, con una relacin H/B = 1.25 y con una seccin mnima deH = 1.0 m y B = 0.80 m.

- Seccin Circular, con un dimetro mnimo de 30, pueden en algunos casosproyectarse bateras de conductos circulares.


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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 otro canal.

2. NORMAS PARA EL DISEO.-- Cuando el canal por conducir es grande y supera un conducto de 6.00 m de

dimetro se disea una batera de sifones

- Para cargas pequeas entre 0 y 5 m, se prefiere las secciones cuadradas yrectangulares, sin embargo cuando los momentos negativos no pueden

absorberse en las esquinas interiores del sifn se prefiere secciones circulares.

- Las normas mexicanas para diseo de sifones indican:

a) Cruce de carreteras: El relleno de tierra que debe cubrir el sifn deber tener unespesor mnimo de 1.50 m y su longitud ser mayor que el ancho del derecho de va ms

un metro a c/lado.

b) Cruce de vas frreas: El espesor mnimo de relleno sobre sifn debe ser como mnimo0.90 m, y sobrepasar el ancho de la lnea ms el drenaje.

c) Cruce con canal o dren: El relleno medido desde la rasante del canal a la parte superiordel sifn debe ser por lo menos de 1.50 m y tener una longitud igual al ancho del canal,

ms sus bermas y bordes.

d) Cruce de ros y arroyos: El espesor del relleno en la zona del cauce no debe ser menorde la profundidad de socavacin y en las laderas no menor de 1.0 m, cuidando que las

transiciones del canal a sifn queden en excavacin.

3. CRITERIOS DE DISEO.-a) En el cruce de un canal con una quebrada, el sifn se proyecta para conducir el menor

gasto y lo suficientemente profundo para no ser socavado, en ciertas ocasiones debido

a sus dimensiones un sifn constituye un peligro, principalmente cuando est cerca de

centros poblados, siendo necesario el uso de rejillas pero con la desventaja de que

puedan obturarse las aberturas y causar remansos.

b) Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos decobertura, pendiente en el suelo, ngulos de doblados y sumergencia de la entrada y

salida.

c) En sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un mnimode 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin


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revestir, es suficiente 0.60 m. Y si cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30

m de cobertura.

d) En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir undrenaje del tubo para su inspeccin y mantenimiento.

e) Con la finalidad de evitar la cavitacin a veces se ubica ventanas de aireacin en lugaresdonde el aire podra acumularse.

f) Cuando el sifn cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto mximode la creciente.

g) Con la finalidad de evitar desbordes aguas arriba del sifn debido a la ocurrenciafortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar en un 50% 0.30 m

como mximo al borde libre del canal en una longitud mnima de 15 m a partir de la

estructura.

h) La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mnima deltubo horizontal debe ser 5 /oo. Se recomienda transicin de concreto a la entrada y

velocidades en el tubo mayores a 1 m/seg.

i) Con la finalidad de determinar el dimetro del tubo en sifones relativamente cortos contransiciones de tierra, tanto en entrada como salida, se puede usar una velocidad de 1

m/seg. En sifones con transiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5m/seg. Y para sifones largos con transiciones de concreto con o sin control de entrada

entre 3 a 2.5 m/seg.

j) A fin de evitar remansos aguas arriba, las prdidas totales computadas incrementan en10%.

k) En el diseo de transicin de entrada se recomienda que la parte superior de laabertura del sifn, est ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta

profundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseo se toma 1.5

Hv (carga de velocidad del sifn) 1.1 como mnimo o tambin 3.

l) En la salida, el valor de la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6.m) 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 diseo, por esta razn se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan

prdidas por energa.

n) Con respecto a las prdidas de cargas totales, se recomienda la condicin que seaniguales o menores a 0.30 m.


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Entrada del sifon

Distancia entrada y salida del sifn, aproximadamente 150 m.


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En un tramo del sifn pasa hay una carretera que por all se construy un badn


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Esta parte es la salida del sifon

Donde se puede observar el caudal que pasa a la salida


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DISEO HIDRULICO DE UN SIFON.-

Se ha realizado el rediseo de un sifn ubicado en la zona de Chachapoyas del

proyecto especial CHINECAS, en el cruce de un canal con la panamericana, las

caractersticas del cruce se presentan en la figura 1 y las del canal aguas arriba y

aguas abajo del cruce son:

Q (m3/seg) Z S (%0 ) B(m) n Y(m) Vm/s

1.00 1.5 1 1 0.025 0.7 0.7

La pendiente tomaremos aguas arriba y aguas abajo

Las cotas segn el perfil del canal son:

Km. 1+030 = 46.72 msnm

Km. 1+070 = 46.44 msnm

1. Con la informacin topogrfica del perfil del terreno en el cruce y perfil del canal, seefecta el dimensionamiento previo de la figura adjunta, el cual cumple con los

requisitos hidrulicos necesarios.


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2. Seleccin del Dimetro del tubo:Asumimos una velocidad de 1.5 m/seg.

50.1

00.1

V

QA

A = 0.67 m2

Pero como:4

DA2 D = 0.92 m

Escogemos: D = 36 = 0.9144 m

El nuevo valor del rea es: A = 0.657 m2

Y la velocidad de diseo: V = 1.52 m/seg

HALLAMOS LA ENERGA

=

=0.118m

3. Clculo de longitud de transiciones (LT):

El espejo de agua en el canal es:

T = b + 2 ZY

T = 1 + 2 (1.5)(0.70) = 3.10 m

2/tg2

TTL 21T

25tg2

92.010.3LT


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LT = 2.35 m

Nota: por que no usamos un angulode 25 cuando se puede perder cargas tales como

rapidas sifones segun (EL BUREAU OF RECLAMATION)

SUPERVISA LA GESTIN DE LOS RECURSOS HDRICOS , ESPECFICAMENTE EN LO QUE

SE APLICA A LA SUPERVISIN Y OPERACIN DE LA DIVERSIN, ENTREGA Y

ALMACENAMIENTO DE PROYECTOS

Para caudales menores a 1.2 m3/seg en tuberas, se recomienda:

LT= 4Di

LT= 4(0.92) = 3.70 m

Entonces escogemos una longitud de transicin de 3.70 m y /2 es 16.5.


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6. Cota de fondo en 3:h = 5 x sen 12 = 1.04 m

Cota de fondo en 3: 46.34 1.04 = 45.30 msnm.

7. Cota de fondo en 4:Longitud de tubo horizontal: 10 m

10 x 0.005 = 0.05 m

Cota de fondo en 4: 45.30 0.05 = 45.25 msnm.

8. Cota de fondo en 5:h = 4 x sen 12 = 0.83 m

Cota de fondo en 5: 45.25 + 0.83 = 46.08 msnm.

9. Cota de fondo en 6:De la cota en 6 y el Km. 1+070 segn la figura adjunta, hay 7.40 m.

Luego la cota en6: 46.44 (7.40 x 0.001) = 46.43 msnm.

10. Clculo del Valor de P en la salida:

El mximo valor de P debe ser:

47.14

46.44 0.70

P0.91

46.08 H te

5 6

= 12


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- En la entrada: P = D

- En la salida: P = D = (0.92) = 0.46 m

Cota 6 Cota 5 = 46.43 46.08 = 0.35 m

Escogemos el valor de P = 0.35 m para que la cota 6 de la transicin coincida con la

de la rasante del canal.

11. Inclinacin de los tubos doblados:Desnivel entre la cota 2 y cota 3: 46.34 45.30 = 1.04 m

A la entrada: 70.404.190.4

Desnivel entre la cota 4 y cota 5: 46.08 45.25 = 1.04 m

A la salida: 70.483.0

90.3

Para los 2 casos se tiene una pendiente 4.7:1, ms plano que 2:1, entonces se acepta

la inclinacin.

12. Carga hidrulica mxima disponible:Cota 1 + Tirante= 46.72 + 0.70 = 47.42 msnm.

Cota 6 + Tirante= 46.44 + 0.70 = 47.14 msnm.

Carga disponible= 0.28 m

13. Clculo de las prdidas de carga:Las prdidas de carga importantes son:

a) En transicin de entrada y salida. Las transiciones de entrada y salida al sifnpueden tener la misma longitud, cuando no varan las secciones del canal aguas

arriba y abajo, en caso contrario sern diferentes.


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)g2

V

g2

V(kh

2ce

2s

tt

donde: kt = 0.1 en la transicin de entrada

kt = 0.2 en la transicin de salida

Vs= velocidad de sifn

Vce= velocidad de canal de entrada

Entonces para el diseo se tiene:

- Transicin de entrada: )8.19

70.0

8.19

52.1(1.0h

22

t

0092.0ht m

- Transicin de salida: )8.19

70.0

8.19

52.1(2.0h

22

t

0184.0ht m

b) En rejilla de ingreso y salida, se calcula con la frmula de Creager:

g2

Vkh

2ce

rr 0.1


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d) Por friccin en el sifn, resulta ser:)

g2

V(

D

Lfh

2t

f

Donde: f = 0.025

L = 19.0 m

D = 0.9144 m

Entonces: m061.0hf

e) En codos o cambios de direccin,2/1s

2s )

90(

g2

V25.0h

s= ngulo de deflexin del sifn

2/1

2

)90

12()

8.19

52.125.0h

m011.0h

Se tienen 2 codos, entonces: h = 0.022 m

LA PERDIDA DE CARGA TOTAL ES:

H = h

H = 0.19 m

Para mayor seguridad las prdidas de carga totales se incrementan en 10%:

1.10 x 0.19 = 0.21 m

Podemos deducir que la carga disponible menos las prdidas totales son de:

0.28 0.21 = 0.07 m


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14. Clculo de la sumergencia a la salida:

Altura de sumergencia: (0.70 + 0.35) - Hte

m94.09781.0

92.0

12cos

DHte

Altura de sumergencia: 1.05 0.94 = 0.11 m

Este valor no debe excede a: m16.06

Hte

Como 0.11 m < 0.16 m, se acepta el valor de sumergencia.

15. Longitud de Proteccin del Enrocado:Lp = 3 Di = 2.74 m

Lp = 2.80 m


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DISEO ESTRUCTURAL DEL TUBO DE CONCRETO

Los tubos sern diseados para que soporten todas las cargas que se presentan, porque

stas ocasionan momentos y fuerzas normales en la pared del tubo, que son calculados y

los cuales puedan ser soportadas por la pared de concreto del tubo, generando en ellas

esfuerzos de tensin y compresin. Los tubos con esfuerzos de tensin en la seccin crticamenor de 40 Kg/cm2 corresponden a tubos de concreto simple y valores mayores a 40

Kg/cm2 a tubos de concreto armado

DATOS:

Tipo de suelo: Tierra gravosa

Peso especfico del suelo: s=1100 kg/m3Cobertura o relleno sobre el tubo: h r= 1.20 m

Peso especfico del agua: a=1000 kg/m3Peso especfico del concreto: c=2400 kg/m3Carga viva del trfico (Hs-20): Hs = 1580 kg/m2


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Caractersticas del tubo: Tipo B, Clase II , Carga de ensayo 7D

Pared A: Espesor menor de concreto, con una cantidad mayor de armado con respecto a las paredes

B y C

Pared B: Espesor intermedio de concreto, con una cantidad intermedia de armado con respecto a las

paredes A y C

Pared C: Espesor mayor de concreto, con una cantidad menor de armado con respecto a las paredes

A y B.

Resistencia del concreto: fc = 280 kg/cm2

Dimetro interior de la tubera: Di = 36 = 914.4mm

Espesor de la pared: et= 100 mm = 0.10 m

Refuerzo circular canastilla interior: 3.6 cm2/mL

Refuerzo circular canastilla exterior: 2.8 cm2/mL

Dimetro exterior del tubo: Bc = De= 0.9144+0.1+0.1 = 1.1144 m

Longitud por metro lineal: L=100 cm


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Clculo esttico de la tubera de Concreto Armado


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Bd = 1.40+1.40+1.69 = 4.49 m.

X = h = 1.40


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Caractersticas del tuboResistencia a la rotura (7D): Rr=6.4008 ton/m

a) Condiciones de instalacin en zanja para tuberas rgidas:

La carga sobre tuberas rgidas en condiciones de instalacin en zanja se debe calcular con

la siguiente frmula: Wd= Cdr Bd2Donde:

Wd: Carga muerta del suelo sobre la tubera, en tn/m

Cd: Coeficiente de carga adimensional

rPeso unitario del material de relleno, en tn/m3

Bd: Ancho de la zanja en la parte superior de la tubera, en m

El coeficiente adimensional de carga Cd, est dado segn la siguiente frmula:

Cd=

Donde:

Cd: Coeficiente de carga adimensional

e: Base de logaritmo natural, 2,71828

k: Relacin de Rankine de presin lateral unitaria a presin vertical unitaria adimensional

': Coeficiente de friccin entre el material de relleno y las paredes de la zanja adimensional

'=tan; =ngulo de friccin interna entre el material del relleno y el suelohr: Altura del relleno por encima de la parte superior del tubo, en m

Bd: Ancho de la zanja en la parte superior de la tubera, en m


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Ante la falta de mejores datos, deben utilizarse los siguientes valores de k segn el tipo de

suelo:

Determinando el Coeficiente adimensional Cd

k = 0.1924 hr = 1.20 m. Bd= 4.49 m.

Cd=

Cd= 0.2540

Determinando al Carga muerta del suelo sobre la tubera:

r=1.1 tn/m3 Bd= 4.49 m

Wd= (0.2540) (1.1) (4.492)

Wd=5.63 tn/m

b) Condicin accin directa del relleno:Se hallar la carga muerta del suelo, considerando como caso particular un terrapln

La ecuacin para condiciones de terrapln se transforma en:

Wd= Ccr De2

Donde Cc=

k Material

0,1924 materiales granulares sin cohesin

0,1650 mximo para arenas y gravas0,1500 mximo para suelos superficiales saturados

0,1300 mximo para arcillas ordinarias

0,1100 mximo para arcillas saturadas


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De: Dimetro externo de la tubera, en m

Se utiliza un valor promedio de k = 0,33 cuando no se dispone de informacin precisa.

Se tiene que:

Cc = 3.93 m = 0.70 k = 0.33 hr = 1.20 m. De = 1.1144

m.

Reemplazando datos:

Hallando el factor de carga:

Ff=1.431 N = 0.707 x = 0.594

Carga transmitidaCt = Wd / Lf Ct = 5.42 / 2.178 Ct = 2.489 tn/m < 6.4008 ton/m ; es decir Ct


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Carga Muerta por el RellenoPrell. = 0.6 (Bc) (hr) ()

Prell. = 0.6 (1.1144)(1.20)(1100)

Prell. = 882.60 kg / m

Carga Viva por el TrficoCon la fig N 17 B se determina el valos de PT con hr = 1.20m

Para Hs -20 PT = 1580 kg/m2


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a) Coeficiente de impacto:Segn la teora de BOUSSINESQ la frmula para hallar el coeficiente de impacto ed:

b) Caga por trfico: P trf. = (PT) (Bc)P trf. = 1.25 (1580) (1.1144)

P trf. = 2200.94 kg/m

Carga total por Peso Propio y el Peso del AguaPpa = Pp + Pat

Ppa = + Ppa =2622.13 kg/m

Carga Total por Relleno y TrficoPrt = Prell. + Ptrf.

Prt = 882.60 + 2200.94

Prt = 3083.54 kg/m

Ubicacin de los Momentos

Distribucin de la Reaccin del Suelo


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Momento en el Punto B del Tuboa) Momento por Peso Propio y Peso del Agua (Mpa)

Mpa = Kb (Ppa) (Dm)Angulo de soporte: Dimetro medio (m): (Bc+D) / 2 Dm = (1.1144+0.9144)/2 Dm = 1.0144Con el coeficiente Kb del cuadro 4 es: -0.037

Reemplazando datos:

Mpa = -0.037 (2622.13) (1.0144) = -98.42 kg-m

b) Momento por relleno y trfico (Mrt)

Mrt = Kb (Prt) (Dm)

En el cuadro 4, Kb para carga de relleno y carga viva del trfico es: -0.069

Reemplazando datos:

Mrt = (-0.069) ( 3083.54) (1.0144)

Mrt = -215.83 kg-m

c) Momento Total en el Punto BMB = Mpa + Mrt = -98.42 215.83

MB = -314.25 kg m


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Momento en el Punto C del Tuboa)

Momento por Peso Propio y Peso de Agua (Mpa)

Mpa = Kc (PPa) (Dm)

Del ngulo , obtenesmo del cuadro Kc = 0.046Mpa = 0.046 (2622.13) (1.0144)

Mpa =122.35 kg-m

b) Momento por Relleno y Trfico (Mrt)Mrt = Kc (Prt) (Dm)

Kc = 0.073

Reemplazando: Mrt = (0.073) ( 3083.54) (1.0144)

Mrt = 228.34 kg-m

c) Momento Total en el Punto CMC = Mpa + Mrt

MC = 122.35 + 228.34

MC = 350.69 kg-m

Mdulo de la Seccin para la pared del Tubo (W)W = L (e2) / 6 = 100 (102) / 6

W = 1667 cm3

Los tubos deben ser diseados para que loes esfuerzos de tensin en el concreto en la

seccin crtica no sea mayor que 40 kg/cm2, considerando las fuerzas y cargas que se

presentan.

Tensin en el Punto B

Tensin en el Punto C

La tensin calculada en el punto B y C es menor que 40 kg / cm2; por consiguiente se usarn

tubos de concreto simple.


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ANEXOS

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