Diseño Estructural de Un Sifon Invertido Circular

Diseño Hidráulico y Estructural de un Sifón

SIFONES 1. DEFINICIÓN.Es una estructura utilizada para atravesar depresiones o vías de comunicación 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 vehículos o del agua. Los sifones se diferencian de acueductos en que la sección del sifón se apoya directamente en las laderas de la depresión, siguen el perfil del terreno y sólo aprovechan la carga de agua para el movimiento del flujo.

Generalmente hay cambio de sección 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 más recomendadas son: - Sección Rectangular, con una relación H/B = 1.25 y con una sección mínima de H = 1.0 m y B = 0.80 m. - Sección Circular, con un diámetro mínimo de 30”, pueden en en algunos casos proyectarse baterías de conductos circulares.

Estructuras Estructur as Hidráulica Hidráulicass

Página 1


APLICACIONES: APLICACIONES: - Como estructuras de conducción. - Como estructuras de protección, 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 DISEÑO.- Cuando el canal por conducir es grande y supera un conducto de 6.00 m de diámetro se diseña una batería de sifones s ifones - Para cargas pequeñas entre 0 y 5 m, se prefiere las secciones cuadradas y rectangulares, sin embargo cuando los momentos negativos no pueden absorberse en las esquinas interiores del sifón se prefiere secciones circulares. - Las normas mexicanas para diseño de sifones indican:

a) Cruce de carreteras: El relleno de tierra que debe cubrir el sifón deberá tener un espesor mínimo de 1.50 m y su longitud ser mayor que el ancho del derecho de vía más un metro a c/lado.

b) Cruce de vías férreas: El espesor mínimo de relleno sobre sifón debe ser como mínimo 0.90 m, y sobrepasar el ancho de la línea más el drenaje.

c) Cruce con canal o dren: El relleno medido desde la rasante del canal a la parte superior del sifón debe ser por lo menos de 1.50 m y tener una longitud igual al ancho del canal, más sus bermas y bordes.

d) Cruce de ríos y arroyos: El espesor del relleno en la zona del cauce no debe ser menor de la profundidad de socavación y en las laderas no menor de 1.0 m, cuidando que las transiciones del canal a sifón queden en excavación.

3. CRITERIOS DE DISEÑO.a) En el cruce de un canal con una quebrada, el sifón se proyecta para conducir el menor gasto y lo suficientemente profundo para no ser socavado, en ciertas ocasiones debido a sus dimensiones un sifón constituye un peligro, principalmente cuando está 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 de cobertura, pendiente en el suelo, ángulos ángulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida. c) En sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un mínimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin


Página 2


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 un drenaje del tubo para su inspección y mantenimiento. mantenimiento. e) Con la finalidad de evitar la cavitación a veces se ubica ventanas de aireación en lugares donde el aire podría acumularse. f) Cuando el sifón cruza debajo de una quebrada, es necesario conocer el gasto máximo de la creciente. g) Con la finalidad de evitar desbordes aguas arriba del sifón debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseño, se recomienda aumentar en un 50% ó 0. 30 m como máximo al borde libre del canal en una longitud mínima de 15 m a partir de la estructura. h) La pendiente de los tubos doblados, doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mínima del del tubo horizontal debe ser 5 °/oo. Se recomienda transición de concreto a la entrada y

velocidades en el tubo mayores a 1 m/seg. i)

Con la finalidad de determinar el diámetro del tubo en sifones relativamente cortos con transiciones 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 1.5 m/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 pérdidas totales computadas incrementan en 10%.

k) En el diseño de transición de entrada se recomienda que la parte superior de la abertura del sifón, esté ligeramente debajo de la superficie normal del agua, esta profundidad de sumergencia sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseño se toma 1.5 Hv (carga de velocidad del sifón) ó 1.1 como mínimo o también 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 sifón opere a flujo parcial o flujo lleno, con un coeficiente coeficiente de fricción menor que el asumido en diseño, por esta razón se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculan pérdidas por energía. n) Con respecto a las pérdidas de cargas totales, se recomienda la condición que sean iguales o menores a 0.30 m.


Página 3


Entrada del sifon

Distancia entrada y salida del sifón, aproximadamente 150 m.


Página 4


En un tramo del sifón pasa hay una carretera que por allí se construyó un badén


Página 5


Esta parte es la salida del sifon

Donde se puede observar el caudal que pasa a la salida


Página 6


Estructuras Hidráulicas

Página 7


DISEÑO HIDRÁULICO DE UN SIFON.-

Se ha realizado el rediseño de un sifón ubicado en la zona de Chachapoyas del proyecto especial CHINECAS, en el cruce de un canal con la panamericana, las características 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


DISEÑO HIDRÁULICO DE UN SIFON.-

Se ha realizado el rediseño de un sifón ubicado en la zona de Chachapoyas del proyecto especial CHINECAS, en el cruce de un canal con la panamericana, las características 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 según el perfil del canal son:

Km. 1+030 = 46.72 msnm Km. 1+070 = 46.44 msnm 1.

Con la información topográfica del perfil del terreno en el cruce y perfil del canal, se efectúa el dimensionamiento previo de la figura adjunta, el cual cumple con los requisitos hidráulicos necesarios.


Página 8


2. Selección del Diámetro del tubo: Asumimos una velocidad de 1.5 m/seg. A 

Q V



1.00 1.50

A = 0.67 m2

Pero como: A 

 D 2 4

D = 0.92 m



Escogemos:

D = 36” = 0.9144 m

El nuevo valor del área es:

A = 0.657 m2

Y la velocidad de diseño:

V = 1.52 m/seg m/seg

HALLAMOS LA ENERGÍA

 = =0.118m  

3. Cálculo de longitud de transiciones (LT):

El espejo de agua en el canal es: T = b + 2 ZY T = 1 + 2 (1.5)(0.70) (1.5)(0.70) = 3.10 m

LT 

T 1  T 2 2 tg  / 2 LT 




3.10  0.92 2 tg 25

Página 9


LT = 2.35 m

Nota: por que no usamos un angulode 25° cuando se puede perder cargas tales como rapidas sifones sifones segun segun (EL BUREAU OF RECLAMATION)

SUPERVISA LA GESTIÓN DE LOS RECURSOS HÍDRICOS , ESPECÍFICAMENTE EN LO QUE SE APLICA A LA SUPERVISIÓN Y OPERACIÓN DE LA DIVERSIÓN, ENTREGA Y ALMACENAMIENTO DE PROYECTOS

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

LT= 4Di LT = 4(0.92) = 3.70 m Entonces escogemos una longitud de transición de 3.70 m y /2 es 16.5.


Página 10


4. Nivel de agua en 1: Del Km. 1+030 al punto 1 según la figura adjunta, hay 6.40 m, luego la cota de fondo en 1 será:

46.72 – (6.40 (6.40 x 0.001) = 46.72 msnm. El nivel de agua en 1:

46.72 + 0.70 0.70 = 47.42 msnm

5. Cota de fondo en 2:

47.42

1.5 H v 0.70

46.72

H te

46.34

0.91

P

Ø = 12° 1

Cota de fondo en 2:

2

47.42 – (Hte + 1.5 Hv) Hte 

D cos 12



0.92 0.9781

 0.94 m

2

2 V t V 1 1.52 2 0.70 2 Hv  (  )  (  ) 2 g 2 g 19.8 19.8

Hv  0.118  0.025  0.092 m Cota de fondo en 2:


47.42 – (0.94 + 1.5 x0.092) = 46.34 m

Página 11


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 46.08 msnm.

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

46.44 – (7.40 x 0.001) = 46.43 msnm.

10. Cálculo del Valor de P en la salida:

47.14

46.44

0.70

H te

46.08

P

0.91

Ø = 12°

5

6

El máximo valor de P debe ser:


Página 12


- En la entrada:

P= ¾D

- En la salida: P = ½ D = ½ (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 transición coincida con la de la rasante del canal.

11. Inclinación de los tubos doblados: Desnivel entre la cota 2 y cota 3: A la entrada:

4.90 1.04

 4.70

Desnivel entre la cota 4 y cota 5: A la salida:

3.90 0.83

46.34 – 45.30 = 1.04 m

46.08 – 45.25 = 1.04 m

 4.70

Para los 2 casos se tiene una pendiente 4.7:1, más plano que 2:1, entonces se acepta la inclinación.

12. Carga hidráulica máxima disponible: Cota 1 + Tirante= 46.72 + 0.70 = 47.42 msnm. Cota 6 + Tirante= 46.44 + 0.70 = 47.14 msnm. Carga disponible= disponible= 0.28 m

13. Cálculo de las pérdidas de carga: Las pérdidas de carga importantes son:

a) En transición de entrada y salida. Las transiciones de entrada y salida al sifón pueden tener la misma longitud, cuando no varían las secciones del canal aguas arriba y abajo, en caso contrario serán diferentes.


Página 13


V s2 V ce2 ht  k t (  ) 2 g 2 g

donde:

kt = 0.1 en la transición transición de entrada kt = 0.2 en la transición de salida Vs = velocidad de sifón Vce = velocidad de canal de entrada

Entonces para el diseño se tiene:

-

Transición de entrada: ht  0.1 (

1.52

2

19.8



0.70

2

19.8

)

ht  0.0092 m

-

ht  0.2 (

Transición de salida:

1.52

2

19.8



0.70

2

19.8

)

ht  0.0184 m

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

hr

-

-

Rejilla de entrada:

Rejilla de salida:



k r

V ce2

0.1
2 g

hr  0.40 (

hr  0.40 (

1.52 2 19.80 0.70 2 19.80

)  0.047

)  0.009

c) En la entrada y salida, se calcula de la misma forma que las pérdidas en transiciones: -

Conducto de entrada:

h = 0.0092 m

-

Conducto de salida:

h = 0.0184 m


Página 14


d) Por fricción en el sifón, resulta ser: 2 L V t h f  f ( ) D 2 g

Donde:

f = 0.025 L = 19.0 m D = 0.9144 m h f  0.061 m

Entonces:

e) En codos o cambios de dirección, 2

h  0.25

V s

(

 s

2 g 90

1 / 2

)

= ángulo de deflexión del sifón

s

h  0.25 

1.52

2

19.8

) (

12 90

)1 / 2

h  0.011 m 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 pérdidas de carga totales se incrementan en 10%:

1.10 x 0.19 = 0.21 m Podemos deducir que la carga disponible menos las pérdidas totales son de:

0.28 – 0.21 = 0.07 m


Página 15


14. Cálculo de la sumergencia a la salida:

Altura de sumergencia: Hte Hte 

Altura de sumergencia: sumergencia:

(0.70 + 0.35) - Hte D cos 12



0.92 0.9781

 0.94 m

1.05 – 0.94 = 0.11 m

Hte

Este valor no debe excede a:

6

 0.16 m

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

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

Lp = 2.80 m


Página 16


DISEÑO ESTRUCTURAL DEL TUBO DE CONCRETO Los tubos serán diseñados para que soporten todas las cargas que se presentan, porque éstas 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 tensión y compresión. Los tubos con esfuerzos de tensión en la sección crítica menor 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 específico del suelo:

 =1100 kg/m

Cobertura o relleno sobre el tubo:

s

3

h r = 1.20 m

Peso específico del concreto:

 =1000 kg/m  =2400 kg/m

Carga viva del tráfico (Hs-20):

Hs = 1580 kg/m2

Peso específico del agua:


a

c

3

3

Página 17


Características 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 ByC 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:

f’c = 280 kg/cm2

Diámetro interior de la tubería:

914.4 mm Di = 36” = 914.4 mm

Espesor de la pared:

et= 100 mm = 0.10 m

Refuerzo circular canastilla interior: Refuerzo circular canastilla exterior: Diámetro exterior del tubo: Longitud por metro lineal:


3.6 cm2/mL 2.8 cm2/mL Bc = De = 0.9144+0.1+0.1 = 1.1144 m L=100 cm

Página 18


Cálculo estático de la tubería de Concreto Concreto Armado


Página 19


X = h’ = 1.4 0

Bd = 1.40+1.40+1.69 = 4.49 m.


Página 20


X = h’ = 1.4 0

Bd = 1.40+1.40+1.69 = 4.49 m.


Página 20

Diseño Hidráulico y Estructural de un Sifón 

Características del tubo

Resistencia a la rotura (7D):

Rr=6.4008 ton/m

a) Condiciones de instalación en zanja para tuberías rígidas:

La carga sobre tuberías rígidas en condiciones de instalación en zanja se debe calcular con la siguiente fórmula:

Wd = Cd

B r

d

2

Donde: Wd: Carga muerta del suelo sobre la tubería, en tn/m Cd: Coeficiente de carga adimensional


Características del tubo



Resistencia a la rotura (7D):

Rr=6.4008 ton/m

a) Condiciones de instalación en zanja para tuberías rígidas:

La carga sobre tuberías rígidas en condiciones de instalación en zanja se debe calcular con la siguiente fórmula:

Wd = Cd

B r

d

2

Donde: Wd: Carga muerta del suelo sobre la tubería, en tn/m Cd: Coeficiente de carga adimensional γr Peso unitario del material de relleno, en tn/m3 Bd: Ancho de la zanja en la parte superior de la tubería, en m El coeficiente adimensional de carga Cd, está dado según la siguiente fórmula:



Cd=

  



Donde: Cd: Coeficiente de carga adimensional e: Base de logaritmo natural, 2,71828 k: Relación de Rankine de presión lateral unitaria a presión vertical unitaria adimensional ': ': Coeficiente de fricción entre el material de relleno y las paredes de la zanja adimensional



'=tan ; =ángulo de fricción interna entre el material del relleno y el suelo hr: Altura del relleno por encima de la l a parte superior del tubo, en m Bd: Ancho de la zanja en la parte superior de la tubería, en m


Página 21


Ante la falta de mejores datos, deben utilizarse los siguientes valores de k’ según el tipo de suelo: k’ k’ Material 0,1924 materiales granulares sin cohesión 0,1650 máximo para arenas y gravas 0,1500 máximo para suelos superficiales saturados 0,1300 máximo para arcillas ordinarias 0,1100 máximo para arcillas saturadas 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 tubería:

 =1.1 tn/m

3

r

Bd = 4.49 m

Wd = (0.2540) (1.1) (4.49 2) Wd =5.63 tn/m b) Condición acción directa del relleno: Se hallará la carga muerta del suelo, suelo, considerando como caso particular particular un terraplén

La ecuación para condiciones de terraplén se transforma en:

Wd = Cc Donde


D r

e

2

      

Cc=



Página 22


Reemplazando datos, tenemos:

           

Cc=



Cc= 3.93 La carga muerta del suelo alrededor de la tubería:

Wd = 3.93(1.1)(1.1194)2 Wd = 5.42 tn/m El valor Wd calculado en condiciones de instalación de zanjas debe ser menor para condición de acción directa del relleno, en este caso el primer valor Wd resulta impracticable por lo que se tomará el valor calculado en b) 

Factor de carga

El factor de soporte para tuberías rígidas en rellenos o en zanjas anchas con proyección positiva será

      Donde: Lf : Factor de soporte para tuberías rígidas adimensional Ff: Factor de forma de la tubería adimensional N: Parámetro función de la clase de soporte adimensional x: Parámetro que depende del área sobre la cual actúa la presión lateral adimensional q: Relación entre la presión lateral total y la carga vertical total sobre la tubería adimensional


Página 23


El valor de “q” se calcula con la siguiente ecuación:

          Donde: q : Relación entre la presión lateral total y la carga vertical total sobre la tubería dimensional m: Fracción del diámetro de la tubería tubería de alcantarillado sobre la cual la presión lateral es efectiva adimensional k: Relación de Rankine Rankine de presión lateral unitaria a presión presión vertical unitaria adimensional adimensional Cc: Coeficiente de carga adimensional adimensional Hr: Altura del relleno por por encima de la parte superior superior del tubo, en m


Página 24


De: Diámetro externo de la tubería, en m Se utiliza un valor promedio de k = 0,33 cuando no se dispone de información precisa. Se tiene que: Cc = 3.93

m = 0.70

Reemplazando datos:

k = 0.33

Carga transmitida

Ct = Wd / Lf 

x = 0.594



      

 Ct = 5.42 5.42 / 2.178  Ct = 2.489 tn/m < 6.4008 ton/m ; es decir decir Ct
Ok!

Factor de seguridad

F.S = Rr/ Ct 

De = 1.1144 m.

           

Hallando el factor de carga: Ff=1.431 N = 0.707



hr = 1.20 m.



F.S. = 6.4008/ 2.489 = 2.57 Ok

Condicionante

La presión del agua en el sifón estará alta y el tubo está expuesto a las si guientes cargas: 

Carga por Peso Propio del Tubo

  (   )             

Carga por: Columna de agua + Peso del Agua en el Tubo

                    Estructuras Hidráulicas

Página 25

Diseño Hidráulico y Estructural de un Sifón 

Carga Muerta por el Relleno



Prell. = 0.6 (Bc) (hr) (  ) Prell. = 0.6 (1.1144)(1.20)(1100) Prell. = 882.60 kg / m



Carga Viva por el Tráfico

Con la fig Nº 17 B se determina el valos de PT

Para Hs -20


 con hr = 1.20m

PT = 1580 kg/m2

Página 26


a) Coeficiente de impacto: Según la teoría de BOUSSINESQ la fórmula para hallar hallar el coeficiente de impacto ed:

               b) Caga por tráfico:



P tráf. = (PT) (Bc) P tráf. = 1.25 (1580) (1.1144) P tráf. = 2200.94 kg/m



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

 + 

Ppa =2622.13 kg/m 

Carga Total por Relleno y Tráfico Prt = Prell. + Ptráf. Prt = 882.60 + 2200.94 Prt = 3083.54 kg/m

Ubicación de los Momentos Distribución de la Reacción del Suelo


Página 27




Momento en el Punto B del Tubo

a) Momento por Peso Propio y Peso del Agua (Mpa) Mpa = Kb (Ppa) (Dm) Angulo de soporte:



Diámetro medio (m): (Bc+D) / 2 Con

 Dm = (1.1144+0.9144)/2  Dm = 1.0144

 el coeficiente Kb del cuadro 4 es: -0.037

Reemplazando datos: Mpa = -0.037 (2622.13) (2622.13) (1.0144) = -98.42 kg-m

b) Momento por relleno y tráfico (Mrt)

Mrt = Kb (Prt) (Dm) En el cuadro 4, Kb para para carga de relleno y carga viva del tráfico es: -0.069 Reemplazando datos: Mrt = (-0.069) ( 3083.54) (1.0144) Mrt = -215.83 kg-m

c) Momento Total en el Punto B MB = Mpa Mpa + Mrt = -98.42 – 215.83 MB = -314.25 kg – m


Página 28




Momento en el Punto C del Tubo

a) Momento por Peso Propio y Peso de Agua (Mpa) Del ángulo

Mpa = Kc (PPa) (Dm)  , obtenesmo del cuadro Kc = 0.046 Mpa = 0.046 (2622.13) (1.0144) Mpa =122.35 kg-m



b) Momento por Relleno y Tráfico (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 C MC = Mpa + Mrt MC = 122.35 + 228.34 MC = 350.69 kg-m 

Módulo de la Sección para la pared del Tubo (W) W = L (e2) / 6 = 100 (102) / 6 W = 1667 cm3

Los tubos deben ser diseñados para que loes esfuerzos de tensión en el concreto en la sección crítica no sea mayor que 40 kg/cm2, considerando las fuerzas y cargas que se presentan.



Tensión en el Punto B

        





Tensión en el Punto C

             



La tensión calculada en el punto B y C es menor que 40 kg / cm2; por consiguiente se usarán tubos de concreto simple. Estructuras Hidráulicas

Página 29


ANEXOS


Página 30

Diseño Estructural de Un Sifon Invertido Circular

Recommend Documents