concepto de diseño estruct de obras de riego

8/2/2019 Concepto de diseo estruct de obras de riego

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CONCEPTO DE DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS DE RIEGO

El objetivo del presente curso es entregar conceptos generales a teneren cuenta en los diseos estructurales de obras de riego.

Las Obras a Abordar son las siguientes:

OBRAS DE RIEGO

OBRAS DE ARTE DE CANAL:

CanoasSifonesObras De CruceObras de Control y Entrega

CAIDA RPIDA Y DISIPADORES

BOCATOMAS

TRANQUES DE NOCHE


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CANALES

Geometras:

Existen diversos tipos de secciones de canales dependiendo de suutilizacin, estas pueden ser:

Triangular, Trepezoidal, Rectangular, Circular (tubera),Semicircular (media caa) o cauce natural.

Dependiendo de las caractersticas del suelo de fundacin los canalespueden ser revestidos o no revestidos, para tomar la decisin derevestir un canal se deben tener en cuenta los siguientes factores

tcnicos y econmicos.

Factores Tcnicos:

Suelo de Fundacin (Prdidas de Agua)Pendientes Mximas (Longitud canal, obras de arte asociadas,

etc.)

Factores Econmicos:

Costo del Revestimiento v/s Costo Agua

El tipo de suelo donde se fundar el canal y las obras de arteasociadas se caracteriza mediante la exploracin a travs de calicataso sondajes.

Las calicatas debern ser de una profundidad tal que alcance un nivelde 20 cm. inferior al piso del canal.

Las calicatas de debern ejecutar espaciadas como mximo cada500m o lo necesario para obtener una caracterizacin completa delsuelo.

De las calicatas se deber obtener un perfil estratigrfico y se debernsacar muestras para obtener una clasificacin del suelo(granulometras, propiedades e ndices).

De pendiendo del tipo de suelo, se deben respetar las siguientesvelocidades mximas:


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Canales sin Revestir V 9m/s

Roca Sana 4.5Arcillas 1.0Conglomerado Firme 2.5Trumaos 0.7Toscas 2.5Arena 0.5Ripios Conglomerados 2.0Limos 0.4Canales Revestido 2.5

Dependiendo de las caractersticas del suelo, los taludes mximos del

canal sern:

MATERIAL CUNETA (H / V)MESA (G / V)

Roca 1 : 2 1 : 2Toscas 3 : 4 1 : 2Arcillas 1 : 1 3 : 4Trumaos 1.5 : 1 1 : 1Arena 2 : 1 1.5 : 1Limos 2.5 : 1 2 : 1

Canales Revestidos:

En general si un canal atraviesa un sector de arenas o gravas limpiascon poco material fino, deber ser revestido. Espesor del revestimientopara canales tapeciales. El espesor de revestimiento se determinadependiendo de la capacidad del canal de acuerdo a la siguiente tablarecomendada por el USBR.

CAPACIDAD ESPESOR ESPESORHORMIGON ASFALTO

0 5 (m3 / s) 6 (cm) 5 (cm)5 10 7 (cm) 7 (cm)SOBRE 15 8 (cm) 10 (cm)

( En espesores obre 8 cm., se recomienda colocar una malla central de8 mm a 20 cm.)


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Efecto de la Napa Freatica Sobre el Diseo de la Seccin del Canal

Cuando existe napa freatica, se debe considerar su influencia sobre elrevestimiento, para verificar lo anterior, se debe calcular la flotabilidadde la seccin revestida; en caso de producirse flotabilidad se debeconsiderar la incorporacin de un sistema de drenaje.

CALCULO DE FLOTABILIDAD

ECUACION BASICA

PESO DE HORMIGON PESO DE AGUA DESPLAZADA (Para nocolocar sistema de drenaje).

Ejemplo:

Se un canal revestido de 2.0 m de ancho basas, 1.0 m de altura

y taludes 1.5 / 1.5 = H / V con revestimiento de hormign de 6cm., con napa freatica a la altura de la masa de canal.

Luego:

Peso Hormign = 2,4 t/m3 x VOL HOM = 2,4 t/m3 x 0,34 m3 = 0,82 Ton


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Peso Agua Desplazada = Empuje = 1t/m3 x Vol Agua = 1,0 t/m3 x 3,5 m3 =

3,5 Ton

Empuje Napa Peso Hormign Requiere sistema drenaje

Para evitar sistema drenaje e 27 cm mnimo lo que resulta muy caro.

Sistema de drenaje consta de dos componentes, que son:

Sistema colector de drenaje, sistema conductor y evacuador; el primeroconsta de un dren bajo el revestimiento por toda la seccin, y elsegundo consta de un tubo perforado que capta las filtraciones y lasconduce como acueducto, evitando subpresiones sobre elrevestimiento.

El diseo del drenaje es tambin vlido para canales con losetasprefabricadas.

El sistema de drenaje del canal puede ser de dos tipos:

- Sistema que alinea presiones dejando pasar el agua al canal)barbacanas con tapa).

- Sistema que evacue el agua a travs de un tubo colector bajo elcanal, hasta la depresin o quebrada.

El esquema tpico de esta segunda alternativa es la siguiente:


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Considerando el suelo de excavacin un limo con K = 10 5 m/s, sedeforma un material de dren consistente a una gama arenosa con un

coeficiente de permeabilidad K= 10-4 m/s. Luego el caudal aportantepor lado, el permetro del canal por metro de canal es:

Q = k i A donde:

Q = Canal por metro de longitud decanal

K = Permeabilidadi = Gradiante hidrulico = 1.0A= rea de la seccin transversal del

canal queGasta agua de drenaje.

Q = 10-5 m/s x 1 x 7,2 m2.Q = 0,000072 m3/s/m.Q = 0,072 l/s/m.

Suponiendo descargas a 200m., el tubo drenante en acueducto resultade 25 cm.de dimetro.

Q = 0,072 x 200 = 14,4 l/sN = 0 0,015.i en canal = 0,005.

Luego:

Vn = 0,30 m/s.D = 0,25 m.

hn = 0,235 m.Vn = 0,30 m/s.


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OBRAS DE TIERRA

Normalmente la construccin de un canal supone la ejecucin de unmovimiento de tierras con una sucesin de cortes y terraplenes quepermita entregar una rasante adecuada. Debido a que estas obras sonmuy extensas, durante su avance se encuentran condicionestopogrficas y de suelos muy diferentes. No resulta posible detenerseen cada punto a realizar una verdadera investigacin de suelos, comoes el caso de obras concentradas por ejemplo; los embalses,puentes, bocatomas y que le aseguren un comportamientorelativamente estable de las plataformas.

En el diseo de las obras de tierra debe tenerse en cuenta una serie de

factores que se conjugan: costos de construccin, costos demantencin, prdida de agua.

Estabilidad de Cortes

Existe una gran cantidad de clasificaciones que se pueden adoptar enrelacin a los movimientos de masas que ocurren en los cortes, segnse consideren, la clase de material, tipo de movimientos, causas, etc.

El comit para Investigaciones de Deslizamientos de Tierra,dependiente del Highway Research Board, estableci una divisin en

tres grupos principales. Desprendimiento, Deslizamientos y Flujos. Uncuerpo, deslizamientos complejos, es una combinacin de los otrosgrupos indicados.

Desprendimientos

Tanto en los desprendimientos de roca como de suelo, la masa semueve rpidamente, a travs del aire en cada libre. No existe unmovimiento lento que proceda al deslizamiento. Se presentaprincipalmente en las rocas afectadas por desintegracin ydescomposicin, actuando en planos o sectores ms dbiles.

Actualmente la mecnica de roca no se encuentran suficientementedesarrolladas en lo que respecta a teoras cuantitativa, como para serusadas en aplicaciones prcticas en diseo de taludes. Esta deficienciaes suplida por la experiencia.

Para el proyecto de taludes en corte, deben considerarsefundamentalmente las caractersticas de la roca en cuanto a su origen,


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tipo de fracturacin, exfoliacin, condiciones climticas, etc. Todosestos factores deben conjugarse con los costos de construccin,

mantencin y seguridad requerida.

La experiencia ha indicado la conveniencia de ejecutar la construccinde taludes en roca, segn algunos de los siguientes tipos:

a.- Talud de inclinacin uniformeb.- Talud de inclinacin variablec.- Talud de berma permanented.- Talud con berma temporal

Estos cuatro tipos de taludes indicados, se explican a continuacin:

a.- Talud de inclinacin uniforme

Este sistema es recomendado cuando las propiedadesmecnicas y la accin climtica sobre la roca es relativamenteuniforme a travs de la seccin considerada.

Se utiliza para alturas mximas de 10 mts.

b.- Talud de inclinacin variable

La inclinacin variable se usa cuando existen estratos dediferentes caractersticas en la seccin considerada.

Los estratos ms dbiles tendrn una inclinacin de talud menor.Se utiliza para alturas no mayor de 10 mts.

c.- Talud con permanentes

La colocacin de bermas en el talud es recomendada cuando la

roca presenta fracturas y exfoliaciones, pero no se prev accinimportante por estar a la intemperie. Los escombros caen sobrelas bermas evitando as que lleguen a la plataforma del canal.Requieren un mayor costo de construccin, pero dan mayorseguridad y requieren menor mantencin. H (altura de corte) de6 a 10 m.; a (ancho de berma) de 6 a 9 m.


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d.- Talud con berma temporal

Cuando se espera una accin importante por estar a intemperie,se construyen taludes con bermas similares al caso anterior, yse rellenan con suelo fino, a fin de proteger la roca de losagentes atmosfricos.

Segn el tipo de roca de que se trate se pueden recomendar lassiguientes inclinaciones aproximadas del talud.

Tipo de Roca InclinacinTalud

(tg )(inclinacin C/R

horizontal)

I IGNEASGranitos, Basalto, Lava 2 a 5

II SEDIMENTARIASArenisca masiva y calizas 2 a 4Interestratificadas 1,3 a 4

Arcillolita y Limotitia 1 a 1.3

III METAMORFICASGneis, Esquistos y Mrmol 2 a 4Pizarra 1,3 a 2

Una alternativa til a los sistemas indicados anteriormente es lacolocacin de una malla de proteccin anclada al talud de laroca y, preferentemente recubierto con un revestimiento de

hormign.

Deslizamientos

En los deslizamientos el movimiento de la masa es el resultadode una falla de corte a lo largo de una o varias superficies. Se


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presenta en materiales con comportamiento elstico osemielsticos.

De acuerdo al mecanismo del movimiento, pueden diferenciarsedos subgrupos en los deslizamiento; aquellos en que la masamvil no sufre grande deformaciones ( a ) y aquellos en que seforma en varias unidades menores ( b ).

Se han desarrollado varas teoras que permiten analizar

cuantitativamente la estabilidad de taludes a la falla pordeslizamiento. La mayor parte de ellas supone que la superficiede la falla es un cilindro de seccin circular. En realidad lasuperficie de falla es una seccin compuesta, cuya formadepende principalmente del tipo de suelo. Sin embargo, elanlisis matemtico se facilita suponiendo la superficie a la falladescrita y el posible error de clculo no es importante.


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Probablemente al suponer determinadas propiedadesresistentes del suelo (c,) se introduce un error mucho mayor, ya

que difcilmente pueden precisarse a priori.

Se explicar ms adelante el mtodo de las rebanadas verticalesque tiene el mrito de poder ser usado cuando el suelo no eshomogneo y permite calcular fcilmente el incremento del factorde seguridad cuando se aplican medidas correctivas en taludes(por ejemplo, muros de contencin). Posteriormente se indicarla solucin grfica para suelos homogneos.

a.- Mtodo de las rebanadas verticales o de Fellinius

En este mtodo se utiliza la ecuacin que da el valor de laresistencia al corte en un determinado plano, que sesupone igual a:

S = c + n tg ; en la que

c : Cohesin media del suelon : presin normal a la superficie de

deslizamiento : ngulo de friccin interna de suelo

En el anlisis se supone que la superficie de falla es un arco decrculo que rota en torno a un centro 0, como se indica en lasiguiente:


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El elemento (n) de suelo encerrado en los dos planos verticalesparalelos trata de girar en torno al punto 0, accionado por la

componente tangencial T de su peso P. Es resistido por el valorde cohesin C multiplicado por la longitud de arco 1n por lacomponente normal N multiplicado por el ngulo de friccininterna .

En trmino de fuerzas se tiene las siguientes relaciones.

Fuerza activa TFa 1

Fuerza resistente

InxcNFr tg1

Sumando las fuerzas activas y resistentes de todos los elementos desuelo y estableciendo el factor de seguridad resulta:

Factor de seguridad =

T

Nxc

F

F

totalactivaFuerza

totalresistFuerza

a

r

tg1.1

Si se necesita mejorar la estabilidad mediante la colocacin de unafuerza adicional resistente (muro, criba, pilote, etc.) en el pie de talud,el factor seguridad puede ser calculado por la expresin.

T

FNxcSF

tg1.. , en la que:

Fes la fuerza adicional resistente.

Efecto de la napa de agua

Si existe napa de agua sobre la superficie de falla, la fuerza resistentees reducida, debido a la presin neutra u.

El factor de seguridad en este caso vale.

T

uNxcSF

tg)(1.. en la que


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u : Presin neutra: u = h x a x b siendoh : Altura de la napa en la rebanada consideradaa :Peso especfico del aguab : Ancho de la rebanada

Localizacin de la superficie de falla

En la localizacin del crculo de falla deben considerarseprincipalmente las caractersticas generales del suelo; si existe unestrato dbil, el crculo estar ubicado de tal manera que la superficiede falla pasar en su mayor parte por esta capa dbil. Si por elcontrario existe una capa muy firme, el crculo de la superficie de falla

ser tangente a este estrato.

En el caso de suelos homogneos la superficie o crculo de falla puedeser estimado con los valores de Taylor, que se indican en la tablasiguiente, partiendo de las caractersticas geomtricas del corte y delngulo de friccin interna del suelo. La explicacin de los valores se daen las figuras siguientes:


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Mtodo Grfico

Los trabajos de Fellenius y Taylor estn resumidos en le baco de lafigura siguiente, mediante el cual se puede calcular fcilmente el factorde seguridad a la falla por deslizamiento. En ordenadas se encuentra elngulo de friccin interna del suelo, y en abscisas el factor C.

HLas distintas curvas son para diferentes inclinacin de talud (),variando el rangos de 10.

Para determinar el factor de seguridad se ubica en el baco en punto(A) que corresponde al problema en cuestin, que tiene las

coordenadas

H

C

,tg , yQue se une con el origen 0. Esta lnea a la correspondiente curva enel punto B. El factor de seguridad queda establecido por la relacin F.S.

=OB

OA

Ejemplo numrico

Determinar el factor de seguridad o la falla por deslizamiento por el

mtodo de las rebanadas verticales y por el mtodo grfico, con lossiguientes datos:

Altura H = 10mInclinacin talud = 40Datos de sueloCohesin C = 0,2 kg/cm2 = 2 T/m2ngulo friccin interna del suelo = 25Densidad = 1,80 T/m3

Determinar adems, la variacin del coeficiente de seguridad al colocar

un muro de contencin que permite desarrollar una fuerza resistente de20 T/m en la posicin indicada.

Se considera que no existe napa de agua y el suelo es homogneo.


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EJEMPLO DE CALCULO DE CANOAS

Canoas

Dependiendo de las caractersticas del cauce a salvar, las canoas pueden serde luz libre o con pilares de apoyo intermedio

Dependiendo del material las canoas pueden ser:

DE HORMIGON (RECTANGULAR)DE MADERA (CUADRADAS)DE ACERO (CIRCULAR)


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NormamtEventualmtadm

2/152/5,22

BASES DE CALCULOMATERIALES : HORMIGON H25 = fc = 210 Kg/cm2

ACERO REFUERZO A44 28 H = fY = 2800 Kg/cm2

PARAMETROS DEL SUELO

= 35C = 0 (Cohesin)

SIN NAPA

KO = 1 - Sen = 0.426 271,02/452 ga tk

COEFICIENTES SSMICOS:

KN

= 0,15Kv= 0,08 = arctg (kn/1-kv)=9.26

369.0

1cos

cos2

2

Cos

SenSenKos

K = Kas

- KA

= 0,099


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CURSO DE CALCULO ESTRUCTURAL DE CANOA

1,9

1,7

e = cte = 0,20 m

ALTURA DE AGUA NORMAL = 0,5 mALTURA DE AGUA EVENTUAL = 1,5 m

q : p.p. = ( 1,7 + 2 x 1,6 ) x 0,2 x 2,4 = 2,35 t/m

0,5x1,5x11,5x1,5x1

NORMALmtEVENTUALmt

/75,0/25,2

qNORMAL = 2,352 + 0,75 = 3.102 t/mq EVENT = ( 2.352 + 2,25 ) x 0,75 = 3.452 t/m Controla el Diseo

==

Mmx. = 3.452 x 142/8 = 84.574 t-m

Mmx Ultimo = 1,57 x Mx =132.782 t-m

14 m

q

agua


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u0,85 fc

1 XC

T

2d

u = 0,003s = py/Es1 = 0,85 = 0,9

; d = 1,6 m ; = 1,108d - x = 0.492 = 31 % altura

Usando = 0,5 balanceado

s1

ys

s

1ys2

1df2

ddfM5,0

As = 23,4 cm2 6,14 cm2/m en dos capas (superior e inferior en losa)Usar 16 s 20

16 @ 20

S

X

dXsu

u

d


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CALCULO ESTRIBOS:

2

0,53

0,69

q2 = 0,32

q3 = 0.867

q1 = 0,18

0,5 m

P

1,6

0,40

fc = 210 kfy = 2.80Rec = 5 cd = 6 cmB = 2 m

P = W Hom. Canoa x 2

L= 2.352 x 14/2 ( Total / lado ) = 16,464 t

H = 0,15 x 16,464 /2 = 2.47/2m = 1.235 t/mq1 = 0,15 x 0,5 x 2,4 = 0,18 t/m

q2= 0,099 x 2 x 1,6 = 0,32 t/mq3= 0,271 x 2,0 x 1,6 = 0,867 t/m

MOMENTO EN LA BASES DEL PEDESTAL

M = 1.235 x 1,6 + 0,18 x 1,62/2 + 1/2 x 0,32 x 1,6 x 2/3 x 1,6 + 0,694 x 0,53 = 2,85 Ton m/m

ESFUERZO NORMAL EN LA BASE

N = (2.352.x 14/2) / 2m + 1,6 x 0,5 x 2.4 = 10,15 t/m

Mv= 1,57 x 2,85 = 4.475 t/mN

v= N = 10,15 t

b = 100 cmd = 6cm ; h = 50 cm

H


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As

= 1,85 cm2 / mAs = 0,001 x 45 x 100 = 4,5 cm2/m 12 @ 20 (A/C)

Reparticin = 0,001 x 45 x 100 = 4,5 cm2 / m 12 @ 25 ( ambas cara


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Armadura de losa por metro de ancho

Separacin (cm)

Armadura Area 10 12 15 20 25 30 Peso (kg/ml)

8 0.503 5.03 4.19 3.35 2.51 2.01 1.68 0.39

10 0.785 7.85 6.54 5.24 3.93 3.14 2.62 0.62

12 1.131 11.31 9.42 7.54 5.65 4.52 3.77 0.89

16 2.011 20.11 16.76 13.40 10.05 8.04 6.70 1.58

18 2.545 25.45 21.21 16.96 12.72 10.18 8.48 2.00

22 3.801 38.01 31.68 25.34 19.01 15.21 12.67 2.98

25 4.909 49.09 40.91 32.72 24.54 19.63 16.36 3.85

28 6.158 61.58 51.31 41.05 30.79 24.63 20.53 4.83

32 8.042 80.42 67.02 53.62 40.21 32.17 26.81 6.31

36 10.179 101.79 84.82 67.86 50.89 40.72 33.93 7.99

Armadura de viga

Nmero de barras

Armadura Area 1 2 3 4 5 6 Peso (kg/ml)

8 0.503 0.50 1.01 1.51 2.01 2.51 3.02 0.39

10 0.785 0.79 1.57 2.36 3.14 3.93 4.71 0.62

12 1.131 1.13 2.26 3.39 4.52 5.65 6.79 0.89

16 2.011 2.01 4.02 6.03 8.04 10.05 12.06 1.58

18 2.545 2.54 5.09 7.63 10.18 12.72 15.27 2.00

22 3.801 3.80 7.60 11.40 15.21 19.01 22.81 2.98

25 4.909 4.91 9.82 14.73 19.63 24.54 29.45 3.85

28 6.158 6.16 12.32 18.47 24.63 30.79 36.95 4.83

32 8.042 8.04 16.08 24.13 32.17 40.21 48.25 6.31

36 10.179 10.18 20.36 30.54 40.72 50.89 61.07 7.99


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SIFONES:

Los sifones permiten salvar cruce de cauces, de camino, de quebradas, etc. sudiseo queda sujeto al caudal de diseo, a las cargas de diseo y caractersticas delsuelo de fundacin.

En el caso de cruce de quebradas a ros, el diseo queda sujeto principalmente por laprofundidad de socavacin determinada a travs de los mtodos de neill o lischtvan-levediev.

Los materiales constitutivos del sifn depender principalmente de la magnitud de laobra (del caudal de diseo y de la longitud).

Estos podrn ser de hormign in situ, hormign prefabricado, materiales plsticoscomo pvc, hdp, etc..

EJEMPLO DE SIFON

Cmara de

entrada

A

A

Camara de

Salida

Tramo descendente Tramo horizontal Tramo Ascendente

S : profundidad de

socovacin

L 1 L 3 L 3

e

+ 2 e

A - A

e

S


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Ejemplo de materiales empleados son:

Hormign h-30 fc0 250 kg/cm

Acero Refuerzo : a 44 - 28 h , fy = 2800 kg/cm2

Parmetros del suelo:

= 35 , c = o

SUELO= 2 t/m3

adm=

eventualmt

nomalmt2

2

/5,22

/15

Diseo seccin transversal del sifn: se debe determinar el esfuerzo al cualesta sometido el sifn en el tramo horizontal principalmente.

e

e

ee

q

e


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En un cruce de camino el sifn tendr el siguiente esquema de solicitacin:

22

8

4

2

8

hhA

FP

si h=3 p= 2/28,03,28

8mt

Esfuerzo a que esta sometido es 2p = 0,56 t/m2

En cruce bajo cauce se tendrn los siguientes esfuerzos:

h

+ 2e e

p = 2 * 1 + 3,0 x 2 = 8 t/m2e

P = h * + s * s

si h = 2,0 ms = 3,0 mentoncesp

s


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De este anlisis se determina el momento (m) y los esfuerzos normales (n), y el modulo deresistencia (w) para calcular el esfuerzo a que est sometido la seccin de sifn:

A

N

W

M

CAIDAS

Las cadas se utilizan para salvar accidentes topogrficos y para descargar en otroscanales y/o cauces existentes

Existen principalmente 3 tipos de cadas

- cadas verticales- cadas inclinadas- cadas dentadas

La eleccin de uno u otro tipo de cada depender principalmente de las caractersticastopogrficas y de acuerdo al caudal de diseo.

Material : Hormign h 25 fc= 200 kg/cm2

, hor= 2,4 t/m2

Acero A 44-28h fy = 2800 kg/m2

Tipo de Suelo: - Angulo friccin interna, - Cohesin, c- Peso Especifico Unitario y Humedad (

s,

Presiones de Contacto: e = 2,5 kg/cm

2 normals = 3,3 kg/cm

2 eventual

Estabilidad general:

FS 1,5 Normal y FS 1,3 Eventual


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Se determina por el mtodo de la rotura el momento ltimo Mu y la cuanta dediseo

El diseo que presenta la mxima restriccin es el muro de cada.

hnapa

base

HTOT

Eventualmente se incluyen

barbacanas para la liberacinde la presin en los muros.

El Diagrama de Esfuerzo Corresponde a:

hidros suel

o

HTOT

Ejemplo de Calculo de Los Muros

Tipo de suelo : Arena limosa con grava. = 40

= 1,8 t/m3sut = 2,14 t/m

3ka = 0.22

Ejemplo de Clculo de Los Muros

Hormign H25 :fc = 200 Kg / cm2

Hormigon = 2,4 t/m2


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w

kh

P.hid Esuelo

0,07 0,07

0,75

0,26

0,75 t/m2

0,9

mt0,208

lqMM

2

0max

aplicando

= 0,9

s = 2,1 cm2

0,005f

14

ymin

s < AminadoptarAs= Amin= 7,5 cm

2

0,5 x Mu= As fy d

su

u1

21

Amin =min bd = 0,005 x 100 x 15 = 7,5 cm2


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La geometra y tipos de rpidos y disipadores, depender de las caractersticastopogrficas (pendientes) y de acuerdo al caudal de diseo.

Desde el punto de vista estructural en el cajn de entrada se debe disear los murosconsiderando la misma metodologa del calculo de los muros en las cadas.

El rpido en tubo se desarrolla, de preferencia, dentro de un tramo recto, en generalse utilizan tubos comerciales de cemento comprimido, acero, HDP, etc, remitindosea las especificaciones tcnicas del fabricante.

Los disipadores de energa son obras que permiten disipar la energa de un torrenteconfinando el flujo a la obra, la perdida de energa se produce impactando contra unmuro diseado para tal efecto. Las dimensiones del disipador de impacto se obtienendel mtodo indicado por U.S.B.R. design of small caudal

Un Ejemplo de Disipador de Impacto es el Siguiente:

1,16 1,51

0,15

0,33

0,2

0,2

0,2

0,751,5

0,33

tp = 0,2


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SUBPRESIONES Y FILTRACIONES BAJO UNA BARRERA.

Considrese, a modo de ejemplo, un muro vertedero como el mostrado.Las zarpas o dientes que posee la estructura en sus extremos de aguas arriba yaguas abajo, tienen por finalidad, proteger a la estructura de la erosin retrgrada(que podra comprometer la seguridad de la obra) y limitar el flujo filtrante bajo laestructura disminuyendo las subpresiones bajo la estructura.

Es importante el estudio de las filtraciones bajo la estructura, a fin deanalizar la seguridad de la obra al fenmeno conocido como de tubificacin opiping. Este fenmeno se produce cuando las velocidades de filtracin sonelevadas y capaces de arrastrar las partculas finas del suelo. Se produce de estamanera una ramificacin de canalculos que van creciendo por prdida de materialproducindose la degradacin del suelo y la prdida de sustentacin de laestructura acarreando su colapso.

Los tres efectos mencionados: subpresin (originan fuerzasdesestabilizantes), filtracin (prdida de agua por debajo de la estructura) y latubificacin o piping (fenmeno que debe evitarse) estn relacionados entre s. Enmuchos casos para aliviar o disminuir las fuerzas debido a la subpresiones, sedisponen drenes o ductos que conducen las filtraciones a presin atmosfricabajando la presin a cero junto al dren.

Diversos factores intervienen en el proceso de filtracin bajo la estructura,entre las que pueden mencionarse:

- Carga hidrulica total H


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- Coef., de permeabilidad del terreno KP (generalmente difiere segn lahorizontal y vertical).

- Longitud del recorrido de las partculas lquidas bajo la estructura.Los dientes o zarpas influyen en la longitud del recorrido.

El procedimiento ms preciso para analizar el flujo filtrante bidimensionalbajo una estructura hidrulica, es mediante el dibujo de la red de flujo. Enrealidad la red de flujo entrega los datos requeridos para el anlisis comopresiones y velocidades. En obras menores no se requiere hacer un estudiotan detallado como el indicado, sino que basta aplicar criterios prcticosprobados por la experiencias.

Un procedimiento que se ha usado exitosamente en el diseo de muchasestructuras hidrulicas es el desarrollado por Bligh y Lane en el USBR,conocido como el criterio de la rotura hidrulica.

Se denomina longitud de ruptura compensada LRC a la suma de lasdistancias verticales (todas las distancias con una inclinacin mayor de 45se consideran verticales), ms 1/3 de las distancias horizontales (lasdistancias con inclinacin menor de 45 se consideran horizontales).

LRC = Lv + 1/3 * LH

LRC = LV + 1/3 LH

Se denomina relacin de carga compensada Rcc, al cuociente entreel valor de LRC y la carga actuante sobre la estructura H.

Rcc = LRC/ H

Para tener una obra segura contra la fubificacin o piping es precisoque el valor del factor Rcc sea superior a una valor lmite que depende deltipo de terreno. Los valores lmites del Rcc se indican en la tabla siguiente.

Aplicacin

Se proyecta una barrera vertedero en el lecho de un ro formado porarenas medias y graves finas y gruesas. El dimetro medio de un ensayogranulomtrico es de Dm = 55 (mm). En la figura 2.16 se muestra el diseo.Se verificar la seguridad al piping.

El clculo del valor de LRC arroja lo siguiente:


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LRC = 2*3,5 + 2*2,5 + 11/3 = 15,67 m

H = 7,50 mRcc = LRC / H = 2,1

Segn la Tabla 2.3 la relacin de carga compensada deberaalcanzar por lo menos el valor de 3. Estos significa que LRC = 22.50 (m), loque significa adicionar a la estructura una longitud de 6,85 (m) de zonaimpermeable en equivalente longitud vertical. Esto se consigue con unaalfombra de hormign horizontal de 10 (m) de Longitud y con un dienteaguas arriba de 2 (m) de profundidad.

TABLA 2.3

Tipo de terreno Rcclim. Tamo de partculas del suelo

Arena muy fina y limo 8,5 Arcillaplstica

: < 0,074 (mm)

Arena fina 7,0 Arenas : 0,074 - 4,76

Arena media 6,0 Finas : 0.074 - 0,42

Arena gruesa 5,0 Medias : 0,42 - 2,00

Grava fina 4,0 Gruesas : 2,00 - 4,76Grava media 3,5 Gravas : 4,76 - 76,20

Grava gruesa (con bolones Finas : 4,76 - 10,0

y piedras) 3,0 Medias : 10,0 - 30.0

Bolones, piedras gravas 2,5 Gruesas : 30,0 - 76,2

Arcilla blanda 3,0 Bolones : > 76,20

Arcilla media 2,0

Arcilla dura 1,8

Arcilla muy dura 1,6


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En cuanto a las subpresiones (en m.c.a.) se pueden esperar los

siguientes valores aproximados:

A: HA = (1 10,43 / 22.2) = 3,98 (m)

B: HB = (113,10 / 22,2) = 3,07

C: HC = (116,43 / 22,2) = 1,95

D: Hp = ( 118,70 / 22,2) = 1,18


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OBRAS DE ENTREGA Y DISTRIBUCION:

Este tipo de obra permite la distribucin del caudal hacia el rea de riego. Su

geometra depende de la magnitud de los caudales a la que se encuentra sometida.El material constitutivo es, principalmente, hormign in situ o albailera. En algunoscasos en que la napa de agua es significativa, ser necesario la incorporacin debarbacanas, en ese caso se hace necesario analizar la flotacin de la estructura.Una disposicin tpica de obra de entrega es el siguiente:

0,2

0,2

A

A

2,02,0

2,0e1

e1

0,2

0,2 1,0 0,2


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1

1 2,0

2,0

e=0,12

3,0

CORTE A - A

EJEMPLO DE LOS MATERIALES Y PARAMETROS DE LA OBRA:

MATERIALES: HORMIGON H25 fc = 210 Kg/cm2

AcREFUERZO A 44- 28H fy = 2800 kg/m2

H= 2,4 t/m

PARAMETROS DE SUELO: = 35

NO SE CONSIDERARA NAPA DE AGUASUELO = 2 t/m

3 NORMAL

eventualmt

normalmtadm 2

2

/5,22

/15 ka=tg

2 (45 - /2)=0,271


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CARGAS CONSIDERADAS:

E1 = CARGA PESO PROPIO

E2 = EMPUJE ACTIVO DEL SUELOE3 = PRESION HIDROESTATICA DEL AGUA

COMBINACION DE CARGA:

C1 : 1,4 E1 + 1,7 E2C2 : 1,4 E1 + 1,7 E2 + 1,7 E3

EL DIAGRAMA DE CARGAS EiES EL SIGUIENTE:

1

1q1

1q1

2q

1

3q

1

1q = HOR e1 = 0,48 t/m/m= HOR e2 = 0,48 t/m/m

= HOR (2e2H + e2L)/L = 2,4 (0,84 + 0,28)/1,4= 1.92 t/m/m

1

3q

1

2q

(E2)

(E3)

t/m/1,142,1*2,0*0,271HKq sueloa21

t/m/m2,12,1*1,0Hq agua31


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DIAGRAMA DE MOMENTO ULTIMO COMBINADO

EN MURO : Combinacin

2,1

C1

31

lqM

94,17,1 21 qq

M1=1,36 tmM1

Combinacin c2

mtM 14,1

En Losa : Combinacin C3

M2

32

qlM

63,1

)14,11,2(7,1

q

q

C3

M3

Idntico para combinacin de carga

C2

1,2

24

2

3

qlM q = 1,7 (1,920,48)

q = 2,45


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4 10 16 @ 25

8 @ 20

10 @ 20

2 10

8@ 20

Obras de Cruce Canal

Como obra de cruce de canal estn los puentes, alcantarillas, sifones, etc.

En este punto abordaremos el estudio de obra; la alcantarilla como obra de crucedel canal. La eleccin adecuada de la ubicacin, alineacin y pendiente esimportante, ya que de ella depende su comportamiento hidrulico, los costos deconstruccin y manutencin.

Un esquema bsico de alcantarilla es el que se muestra en las siguientes figuras.La determinacin de la enfierradura se realiza de acuerdo a lo indicado en elvolumen 4 del manual de carreteras del M.O.P.

La alcantarilla esta constituido por 3 partes

1.- Alas de entrada2.- Muro de cabecera3.- Cuerpo de la alcantarilla

El cuerpo de la alcantarilla puede ser tubo de hormign comprimido, tubo corrugado ocajn de hormign o tubo hormign in situ. En las siguientes paginas se presentanlas figuras necesarias para el calculo de alcantarillas, en este caso alcantarilla tipocajn.

Con el momento calculadora y utilizando la misma metodologa de clculoanteriormente descrita se obtiene as y se compara con asmin.

Para Este Ejemplo en Cuestin se Obtiene las Siguientes Armaduras:


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DISEO DE BOCATOMAS

Aspectos Generales.

Una bocatoma es la obra civil destinada a extraer un cierto caudal de aguade una fuente. Esta puede ser ro, embalse o lago, etc. La bocatoma puede ser detipo superficial o profunda. Normalmente cuando se capta desde un ro o estero, labocatoma es superficial, en cambio cuando se capta desde un embalse o lago, lacaptacin ser profunda. Normalmente en una bocatoma superficial la obra deaduccin es un canal abierto o acueducto, en cambio en una bocatoma profundala aduccin es un tnel a presin.

Un aspecto importante y decisivo en el diseo de la obra, es el perodo deutilizacin de la bocatoma. Una bocatoma que opera continuamente durante todo

el ao, debe contar con los elementos de control para operar en condicionesadversas, como son las grandes crecidas de invierno. Una obra de este tipo debepoder captar el caudal de diseo con toda la gama de caudales en el ro. Lasbocatomas de las centrales hidroelctricas o de agua potable para una ciudadtienen esta caracterstica.

Las bocatomas de temporada, como son las bocatomas de los canales deregado, operan durante una cierta poca del ao y permanecen cerradas duranteel invierno (poca que no se riega), de esta manera no quedan solicitadas durantelas grandes crecidas de invierno y por lo tanto no requieren de equipamiento paraafrontar esta situaciones. Naturalmente deben afrontar las crecidas de deshielodurante la primavera y verano.

El diseo y proyecto de una bocatoma es una tarea muy interesante paraun ingeniero hidrulico, por cuanto se trata de un proyecto muy completo, querequiere de los ms variados aspectos de la hidrulica aplicada y de otrasespecialidades de la ingeniera civil. Tambin debe contarse con el concurso deotras disciplinas de la ingeniera, como los proyectos de ingeniera mecnicas yelctrica, principalmente en el equipamiento de compuertas, dotacin de la fuerzamotriz y control de la operacin de los equipos. En relacin con la ingeniera con laingeniera civil, aparecen en forma muy importante los diseos estructurales de lasdiversas obras, la geotcnica y los aspectos constructivos de la obra(especialmente los relacionados con la desviacin del ro para construir la obra ylas faenas de agotamiento, etc.). Al especialista hidrulico le compete fijar lascaractersticas de la obra, las dimensiones generales y formas, como tambin laarquitectura de la bocatoma.


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BOCATOMAS EN RIOS.

IntroduccinEl proyecto de una bocatoma superficial, ya sea mediana o grande, en un

ro con gran acarreo de slidos, como es el caso de la mayora de los ros de lazona central del pas, presenta variados aspectos complejos que en la mayora delos casos deben estudiarse en modelos fsicos. En estos ros los perodos demayor acarreo se producen durante las grandes crecidas pluviales del invierno yen las crecidas de deshielo en primavera.

A continuacin nos referimos a los distintos temas del diseo hidrulico,principalmente a las hiptesis y principios del diseo obtenidos de la experiencia

con modelos hidrulicos y de la operacin de obras. Es necesario hacer notar quelas consideraciones y principios que aqu se exponen no tienen una validezabsoluta y ms bien deben utilizarse como orientacin general al proyectista.

El esquema tpico de una bocatoma se muestra en la siguiente figura. Laobra consta de las siguientes partes:

BARRERA

La barrera a lo ancho del ro permite elevar el espejo de agua a fin dederivar el caudal requerido por la captacin.

La barrera puede tener una parte consistente en un umbral provisto decompuertas, La cota de este umbral corresponde aproximadamente a la del lecho


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del ro en la seccin donde se ubica. Esta obra se denomina barrera mvil ypermite, mediante la operacin de las compuertas, elevar el nivel del espejo deagua o dejar pasar el caudal del ro hacia aguas abajo. Las compuertas pueden

ser planas o de segmento, siendo stas ltimas muy utilizadas debido a que sonrobustas, fciles de operar, no tienen ranuras en las cuales se pueden encajarpiedras fcilmente.

La barrera puede tener tambin otra parte fija, la cual puede cerrarcompletamente la sub-seccin correspondiente o bien puede ser un vertedero quepermite evacuar parte del caudal del ro y as colaborar en la evacuacin decrecidas.

En obras menores, con un caudal de captacin muy inferior al del ro, podrcaptarse el caudal a desviar sin necesidad de elevar el nivel del ro. En estos

casos no se requiere disponer de una barrera de cierre. En obras pequeas queoperan principalmente en primavera y verano (bocatomas de temporada). Labarrera puede ser provisoria y muy rstica, por ejemplo mediante el acopio delmismo material fluvial del lecho de ro, o mediante gabiones o patas de cabras(horquillas de rollizos rellenas de piedras y cerradas con malla metlica).

Obra de Captacin

La obra de captacin llamada tambin obra de toma constituye el inicio delcanal de aduccin. Est constituida por un umbral ubicada a cierta altura sobre ellecho del ro para evitar la entrada del material fluvial; por paos de rejas queevitan la entrada de material flotante como ramas, hojas, troncos, etc; por lascompuertas que permiten regular el caudal que entra al canal. Las compuertasdeben controlar el caudal que entra al canal durante las crecidas, para evitar eldesborde de la aduccin.

La barrera producir un remanso en el ro, con una acumulacin de agua enla zona inmediata a la captacin, que denominaremos la poza de captacin.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEO.

Los principales aspectos hidrulicos que deben considerarse en el diseode una bocatoma, son:

- Eliminar lo ms posible la entrada de sedimentos a las obras de aduccin.Estos sedimentos pueden producir inconvenientes, como son los depsitosde material en el canal (pueden restarle capacidad de porteo a la aduccin),erosin en los revestimientos y mquinas hidrulicas (turbinas y bombas),colmatacin de filtros en el riego tecnificado, etc. Con este objeto deberaser posible eliminar los bancos de los sedimentos depositados en la poza.


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- Disipacin de la energa hidrulica al pie de la barrera mvil, la que puedeser importante durante la operacin de las compuertas de la barrera. Esimportante la disipacin de energa al pie de la compuertas desripiadora.

Disipacin de la energa al pie de la barrera vertedero, si ella existe, ya quesu operacin significa bajar un caudal importante en cota, desde el espejode agua en la poza al nivel del ro en la descarga.

- Proteccin de la obras de las socavaciones que podrn producirse al pie dela barrera mvil, barrera fija, zonas de la expansin del flujo aguas abajo delas barreras, etc.

- Controlar las filtraciones bajo las obras, a fin de evitar el movimiento de losmateriales finos del suelo de fundacin (fenmeno de piping). Tambin ladeterminacin de las subpresiones para el diseo estructural de las obras.


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BOCATOMAS DE ALTA MONTAA

Las bocatomas de alta montaa permiten interceptar y captar el agua de

torrentes cordilleranos. Generalmente estn ubicadas en lugares que soninaccesibles durante una cierta poca del ao (invierno). Las caractersticas quemarcan el diseo de estas bocatomas son:

- Imposibilidad de efectuar una mantencin continua durante el ao.

- Deben captar en escurrimiento rpidos o torrentes.

- Los torrentes cordilleranos presentan gran acarreo de slidos durantelas crecidas.

- Estn expuestas a aluviones y derrumbes de los cerros cercanos.- Hay gran diferencias entre los caudales mnimos y mximos durante

el ao.

Existen varios tipos de estas captaciones. En el curso nos referiremossolamente a las captaciones de tipo sumidero que han sido muy utilizadasen el pas.

Chile, en su carcter de pas cordillerano, cuenta con un gran conjunto derecursos hidrulicos de alta montaa, los que pueden explorarse haciendo uso deestas obras.

Caractersticas Generales de la Captaciones de Sumidero.

Generalmente un captacin de tipo sumidero se compones de lassiguientes partes:

- Estructura receptora del caudal lquido que es una fosa excavada en ellecho del torrente, normalmente atravesada al escurrimiento, y cubierta poruna reja gruesa y robusta con las barras en el en el sentido del flujo. En laFigura se muestra un esquema de esta obra.


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- Un canal desripiador o desarentador de arena gruesa. Consiste en una

cmara en la cual se produce una disminucin de la velocidad delescurrimiento, permitiendo la decantacin de las partculas slidasacarreadas por el escurrimiento y que pasaron la reja de captacin.

- Una compuerta de purga de abertura rpida y en lo posible automtica, demodo que cuando se ha depositado una cantidad importante de sedimentosen la cmara desripiadora, se abre en forma rpida generando un torrenteenrgico que permite limpiar a la cmara y evacuar a los slidos hacia elro.

- Un sistema de seguridad que permita controlar el caudal mximo captado y

que normalmente consiste en un estrechamiento a la salida de la fosa decaptacin, antes del desripiador.

- Obra de aduccin que lleva el agua a la zona de utilizacin.

La figura muestra en forma esquemtica la disposicin de una captacin deeste tipo. A continuacin se analiza ms detenidamente el diseo de la rejasumidero.


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- Reja de captacin

- Pendiente y separacin de barras.

La pendiente de la reja vara entre el 10% y el 50%, pendientes mayores nomejoran las condiciones de eliminacin de los materiales slidos y encambio aumenta la prdida de agua.

La forma de las barras debe ser tal que evite en lo posible el atascamientode las piedras que pasan a travs de la reja, asegure un escurrimientoordenado y sin remolinos y ofrezca una resistencia adecuada a la flexinproducida por los esfuerzos hidrodinmicos.

La separacin de las barras es un factor que dimensiona a la reja y que

est ligado con la disponibilidad de ancho para implantar a la captacin y alas facilidades para evacuar a los slidos que pasan entre las barras de lareja. El tamao mximo de las gravillas que se consideran aceptables quepuedan ingresar a la obra de captacin, fija la separacin de las barras.

- Determinacin de las caractersticas de la reja.

A continuacin detallaremos el criterio de Mostkow (1957), el cual se hamostrado muy de acuerdo con medidas efectuadas en obras reales, elmtodo de Mostkow parte de las siguientes hiptesis:

- El escurrimiento sobre la reja sumidero conserva el Bernoulli, es decir es aenerga constante.

- La velocidad del flujo a travs de la reja se debe a la carga hidrosttica msla altura de velocidad, en el caso de rejas con las barras orientadas en elsentido del escurrimiento. En el caso de una plancha perforada (conperforaciones circulares) se debe considerar solamente la carga hidrostticah.

- El coeficiente de gasto es constante a lo largo de la reja.

- El efecto de la pendiente de la reja puede considerarse incorporado en elcoeficiente de gasto. El mtodo puede aplicarse para inclinaciones menoresal 15%.


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Denominando Bs al ancho de la reja sumidero y LR al largo de la reja en elsentido del escurrimiento, la energa especfica en una seccin cualquiera de lareja (distancia x), queda por la siguiente expresin:

B = h + v2 /2g = h + Q2 /2g (Bs * h)2 (2.11)

Derivando la ecuacin anterior con respecto a x y haciendo dB/DX = 0(Bernoulli constante), se obtiene la pendiente del eje hidrulico en la seccincualquiera x:

dh/dx + 2Q (dQ/dx) / 2g (Bs * h)2 + Q2 * (-2) h-3 / (2gBs

2) +dh/dx = 0

Ordenando y despejando el trmino dh/dx:

dh/dx = Q*h* (-dQ/dx) / (gBs2 h3 Q2)

a) Caso de una reja formada con barras en el sentido del escurrimiento.

El caudal por una longitud dx de reja, segn las hiptesis hechas, debeser

dQ = -Bs * Cs * CQ * gB2 * dx


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Siendo CQ = coeficiente de gasto.BsCs = rea efectiva del escurrimiento.

Despejando el valor de Q de la ecuacin (2.11) y llevando este valor juntamente concol dQ / dx de la ecuacin (2.13) a la ecuacin (2.12), se obtiene para dh/dx laexpresin:gt

dh/dx = 2CsCQ hBB / (3h 2B ) (2.14)

La integracin de esta ecuacin permite obtener la forma del perfil del ejehidrulico en la zona de la reja. El resultado es:

x = - h / (Cs * CQ) Bh/1 + C

Determinando la constante de integracin C para x-0 y h-h1, segn larelacin anterior se obtiene:

C = h1 / (CsCQ) Bh /1 1

Reemplazando el valor de C en la ecuacin de x se obtiene:

BhhBhhCCx sqs /1*/1*(*)/(1 1 (2.15)

Haciendo h 0 es posible determinar la longitud de reja necesaria paracaptar todo el caudal del torrente de altura h1

BhCChL QsR /1)/( 11 (2.16)

Pero el caudal Q1 del torrente de altura h1 puede determinarse:

)(2* 111 hBghBQ s

Llevando esta expresin a la ecuacin (2.16), el largo necesario de rejadeterminarse con la expresin:

gBCCBQL QssR 2/1 (2.17)


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b.- Reja reemplazada por una plancha perforada

Se supone que los orificios de la plancha son circulares. En este caso hayun cambio de direccin brusco debido a un choque con los bordes del orificio, locual origina una prdida de carga equivalente a la altura de velocidad. Se debecumplir:

ghCCBdxdQ QsS 2***/ (2.18)

En este caso CS corresponde al porcentaje del rea de los orificios conrespecto al rea total del sumidero. Considerando la ecuacin (2.1) y despejandoQ:

hBghBQ S *2** (2.19)

Reemplazando las ecuaciones (2.18) y (2.19) en la relacin (2.12), se obtiene:

)(2/2)(2/ 2232 hBghBhgBghCBhBghBdxdh ssQss

Ordenando la ecuacin:

)23/()(2/ 2 BhhBhCdxdh A (2.20)

La integracin de la ecuacin (2.20), teniendo en cuanta que para x=0 h=h1,permite obtener la siguiente relacin:

BhhBhhBBhaBhaCBx Q /1/1(*)2/(3)/21sen(*4/1)/21sen(*4/1*/ 1 (2.21)

Haciendo h=0 se determina el largo necesario de reja:

8/)/21sen(*4/1/1)2/(3*/

111 BhaBhBhCBL

QR

(2.22)


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OTROS DISPOSITIVOS DE LA OBRA DE TOMA

La obra de toma es la estructura que admite al caudal que entra a laaduccin y por lo tanto debe estar dotada de los elementos que permiten laregulacin del gasto. Estos elementos son compuertas que pueden ser planas ode segmentos. A menudo con el fin de no utilizar compuertas de un luz muygrande, se disponen machones separadores para emplear varias compuertas.Normalmente estos machones dan apoyo a un puente para la operacin de lascompuertas. Adems, de las compuertas de servicio se agregan compuertasplanas o tableros de emergencia necesarios para la mantencin mecnica de lascompuertas de servicio.

Aguas abajo de la estructura de compuertas de dispone la transicin de la

seccin rectangular a la seccin del canal de aduccin. Usualmente aguas arribade la estructura de compuertas se dispone una reja gruesa (separacin de barrasentre 0,15 a 0,20 m ) a fin de evitar la entrada de cuerpos flotantes a la aducciny tambin evitar que los troncos o arbustos flotantes pueden quedar atoradosentre las pasadas de compuertas, lo cual es particularmente corriente en lascrecidas.

Un punto que merece ser comentado es la determinacin de la prdida decarga que se produce a travs de la reja. Existen muchas frmulas paradeterminar la prdida de carga que puede esperarse en la reja. La frmula deBerezinsky es relativamente moderna y completa y nos referiremos a ella:

Pr= Kd*Kf*p1.6*f(L/b)-sen*v2/2g (2.8)

Pr = Prdida de carga a travs de la reja.

Kd = Coeficiente que toma en cuenta el grado de obstruccin. Se puedeusar el valor de 1,1 a 1,2 para rejas dotadas de equipos modernos limpia-rejas y de 1,5 para equipos antiguos. El valor 2 a 4 para rejas con limpiezamanual.

Kf = Este coeficiente depende la forma de las barras. Para pletinas

rectangulares alargadas el valor es de 0,51 para barras circulares es de 0,35y para barras rectangulares con redondeos en las puntas es de 0,32.


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p = Coeficiente de obstruccin que es la relacin entre el rea ocupado

por las barras, vigas de apoyo y otros elementos estructurales, adems, de

obstrucciones propias de la reja (basura, ramas, troncos, etc).P

TotalA

obtruccinA orden normal es de 0,3

L = Largo de las barras en el sentido del escurrimiento.

b = Espesor de las barras.

F (L / b) = 8 + 2,3 * L/b + 2,4 * b/L.

= Angulo diedro entre el plano de la reja y el horizontal.

v = Velocidad media bruta a travs de la reja (considera el rea brutatotal de la reja) v 1 m/s.

Velocidades mayores se producen vibraciones que producen inicio fisuras enlas barras.

LA BARRERA MOVIL.

En obras menores, que captan un caudal pequeo en relacin con el del ro,muchas veces es posible captar el caudal necesario sin necesidad de construiruna barrera, que es una estructura costosa, ya que los niveles naturales en el roson suficientes para permitir la entrada del caudal a la aduccin. Tambin puedeser suficiente la construccin de una barrera rstica con el mismo material fluvialdel lecho o con gabiones o patas de Cabra (estructura muy tradicional en elcampo chileno constituida por rollizos de Eucaliptus, malla de alambre y relleno degrava).


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UMBRAL DE LA BARRERA MOVIL.

Esta estructura constituye una parte importante de la bocatoma ygeneralmente se dispone en forma normal al eje del escurrimiento del ro,formando un ngulo cercano a los 90 con la alineacin del umbral de captacin.En esta estructura se ubican las compuertas que le dan paso al caudal del ro queno es captado. La o las compuertas adyacentes a la obra de captacin, al mismotiempo que evacuan el caudal del ro, son compuertas desripiadoras necesariaspara efectuar la limpieza de los sedimentos que se depositan al pie del umbral decaptacin. Las compuertas pueden ser de tipo de segmento, muy adecuadas paracompuertas expuestas a una corriente fluvial o planas en el caso de aguas limpias.

El caudal mximo que debe ser capaz de evacuar la barrera mvil debe serelegido cuidadosamente y normalmente corresponde al caudal peak de unacrecida de baja probabilidad de ocurrencia, usualmente con un perodocomprendido entre TR = 100 a TR = 1000 aos, dependiendo de la importancia dela obra y de las consecuencias que pudiese originar una falla en la operacin de labarrera mvil.

En la teora, el costo de la barrera mvil es una funcin creciente del caudalmximo capaz de evacuar y por el contrario el costos de los estragos que puedeocasionar un caudal que sobrepasa la capacidad de la obra, es inverso a esacapacidad. Considerando la esperanza matemtica del riego, es posible situarseen el ptimo econmico. La metodologa ha sido muy desarrollada para definir elcaudal de diseo del evacuador de crecidas de las grandes presas. An cuandolas obras de pasada, como una barrera mvil (no cumula volumen importante deregulacin) son de una envergadura muy inferior, bsicamente la mismametodologa podra aplicarse.

Determinado el caudal de diseo de la obra es preciso determinar el anchoy la altura de la barrera mvil. Las compuertas estn separadas entre s pormachones que adems, dan apoyo al puente superior, el que permite acceder acualquier vano de compuertas y tambin permite disponer a los mecanismos deizamiento de las compuertas de servicio. Adems de las compuertas de servicio,se disponen tambin compuertas de emergencia aguas arriba y aguas abajo de lade servicio. Estas compuertas son usualmente planas formadas por tableros, losque se instalan mediante un tecle mvil en un carro que se desplaza sobre rieles omediante un monoriel sobre una viga fija. Si los niveles por aguas abajo noconstituyen un problema para acceder a la zona de la compuerta de servicio, seinstala solamente las compuertas de emergencia de aguas arriba.


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Se indic anteriormente que el desarrollo de la barrera mvil se hace segnla longitud estrictamente indispensable para dar paso a las crecidas del ro debidoal alto costo de esta estructura. El resto de la seccin transversal del ro se cierra

mediante una barrera fija constituida por un vertedero o bien por un muro decierre.

Si el ro es muy encajonado como el caso de la barrera Maule de la centralIsla, la barrera mvil ocupar toda la caja del ro. Si por el contrario el ro esancho, como el caso de la bocatoma de la central Pehuenche en el mismo ro,pero bastante aguas abajo de la obra anterior, un muro completa el cierre total dela caja del ro.

La cota del umbral de la barrera mvil ser cercana o levemente superior ala cota de fondo del lecho del ro en la seccin transversal donde se implanta la

obra. La altura de las compuertas de la barrera mvil debe ser la necesaria parapoder captar el caudal del diseo de la obra de toma. Por lo tanto, la altura de lascompuertas depender del diseo del umbral de captacin (del alto del umbral yde su ancho). Si se admite que la altura del umbral de captacin es a, su ancho

es LU, y aceptando una velocidad bruta a travs de la reja de vR = 1 m/s ysiendo Q0 es caudal de diseo de la obra de toma, entonces la altura H decompuerta requerida es de:

H> = a + Q0 / Lu + 0,10 m (2.5)

El ltimo trmino de la ecuacin corresponde a una revancha de 0,10 m.

Este valor H representa la mnima altura de compuertas. A fin de determi nar elvalor definitivo, se sugiere hacer varios diseos con diferentes umbrales decaptacin y elegir aquel que sea el ms econmico y a la vez armnico con lasotras obras.


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Una vez determinado la altura H de las compuertas, el N de ellas y elancho total de la barrera mvil LBM, deben fijarse imponiendo la condicin delnivel mximo para pasar por la barrera la crecida de diseo. Tambin, resulta muy

importante verificar que las crecidas ms frecuentes, con perodo de retorno de 20a 30 aos, no produzcan bancos de depsitos de sedimentos aguas arriba de labarrera mvil. Para esto se analizar el escurrimiento en el ro suponiendo nodebe perder la capacidad de acarreo en el tramo aguas arriba de la obra. De estaforma se evitar la formacin de bancos de sedimentos, los que en el largo omediano plazo constituirn una fuente de entrada de sedimentos a la captacin.

Generalmente la disposicin de una barrera mvil en un cauce naturalconstituir una suerte de estrechamiento en la seccin transversal del ro y resultamuy frecuente que en las pasadas de las compuertas se genere escurrimientocrtico ( a menos que los niveles de aguas abajo ahoguen la crisis) el que fijar las

condiciones del flujo hacia aguas arriba.


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TRANQUES

Los tranque corresponden a estructuras de tierra para el almacenamiento deaguas.

Las obras que componen el sistema son:

ALIMENTACIONEMBALSEOBRA DE ENTREGAVERTEDERO DE EXCESOS

OBRA DE ENTREGA

OBRA DE ALIMENTACION

VERTEDERO


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EMBALSE

El embalse propiamente tal corresponde a una estructura de suelo compactadoimpermeable con una geometra estable. El material constitutivo del muro deber ser deltipo impermeable ( cl, ml, sc, sm ).

En el caso de no disponer de este tipo de material se deber disponer de una pantallaimpermeable (geosinttico por el talud de aguas arriba)

RELLENO

COMPACTADO

2.5

1.0

GEOMEMBRANA

2

1

3

Verificacin de Estabilidad de Talud Muro

Para la verificacin de la estabilidad del talud del muro se utiliza el mtodo de rebanadasverticales o de fellinius.

En este mtodo se utiliza la ecuacin que da el valor de la resistencia al corte en undeterminado plano, que se supone igual a:

S = C + n Tg

C = Cohesin del suelo

n = Presin normales a la superficie de = An ulo de roce

En el anlisis se supone que la superficie de falla es un arco de circulo que rota en tornoa un centro:


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(n)

P T

Cl

N

RFUERZA ACTIVAS : F = TFUERZA RESISTENTE : S = C x l + N tg

El elemento (n) de suelo encerrado en los dos planos verticales paralelos trata de girar entorno al punto 0, accionado por la componente tangencial t de su peso p. es resistido por elvalor de cohesin c multiplicado por la longitud de arco ln y por la componente normal nmultiplicada por el ngulo de friccin interna.

Fuerzas activas f a = t

Fuerzas resistentes fr = n tg + c x ln

Sumando las fuerzas activas y resistentes de todos los elementos de suelo y estableciendoel factor de seguridad resulta:

T

NCxl

F

F

ActivasFuerza

sistenteFuerza

a

r

tgRe

'

Factor de Seguridad =


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MATERIAL O ENROCADO EN TALUDES.

La proteccin de taludes con enrocados es extensamente usada en los

trabajos de defensas fluviales, en obras hidrulicas, en canales, en proteccionesde puentes, etc.

El uso de enrocados es generalmente ms econmico que otros tipos derevestimientos, adems de tener las siguientes ventajas:

- Flexibilidad. Permite aceptar mejor los asentamientos del terreno.

- Fcil de reparar. Se agregan enrocados donde sea necesario.

- Fcil de construir.

- Apariencia natural. La vegetacin que crece entre los enrocadosmejorar la estabilidad de la defensa.

Sin considerar los efectos de las filtraciones y del oleaje, la estabilidad deun enrocado depende de la magnitud de la velocidad del flujo tangencial v,de la direccin de la corriente principal en relacin con el plano delenrocado, del ngulo del talud del enrocado, de las caractersticas de lasrocas como el peso especfico, forma de sus aristas (angulosas oredondeadas).

El valor de la velocidad y el ngulo de incidencia con respecto al talud sonimportantes. En general las frmulas son vlidas para flujos con la velocidadtangencial al talud. Hay que hacer notar que las frmulas establecidas, consideranun nivel de turbulencia normal. Como se ha indicado, la intensidad turbulentaaguas abajo de estructuras disipadoras de energa es muy superior al valornormal, aspecto que debe considerarse en el diseo de los enrocados deproteccin.

Tambin el ngulo del talud con respecto a la horizontal es importante y losvalores recomendados son 1,5/1 (H/V) o mejor 2/1 (H/V).

3

2


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La principal caracterstica del enrocado es su trabazn, que depende de la

forma de las rocas y de su colocacin. Estos factores se reflejan en el ngulo de

reposo. En la figura se incluye los ngulos de reposo para material sin cohesincolocado por volteo. Se consiguen mejores ngulos con enrocados de canteracolocados en forma ordenada, con lo cual se puede llegar a 70.

En cuanto a las frmulas para la determinacin del tamao del enrocado,indicaremos tres que son muy utilizadas:

A) Frmula de Lopardo-Estelle.

Ambos investigadores, en forma independiente, llegaron prcticamente a la

misma relacin, la que en forma unificada puede escribirse:FG = v /gDa ( s - 1)

(1.46)

FG = 1,3 * (h/DS )1/6 * 1- (sen / sen )2 (1.47)

La frmula es vlida en el rango de 9 < h/Ds < 67

B) Frmula del California Divisin of Highways.

Utilizando el N de Froude de la partcula FG, la frmula se escribe:

FG = 1,92 * sen ( - ) (1.48)

C) Stevens y Simons

FG= 1,58* 49.16/15022 /*tg/tg//costgtg DhSS

La frmula supone que el material es uniforme y su dimetro equivalente es

de D50. Supone que la altura local sobre el enrocado es igual a h que la velocidadlocal es igual a la velocidad media v. El coeficiente S es un factor de seguridad.

Bajo la proteccin de enrocado debe disponerse un filtro de materialgranular o geotextil para prevenir la prdida del material fino del suelo donde seapoya la proteccin. El punto crtico de la proteccin es su pie o fundacin ene elcauce del ro. All debe considerarse una profundidad que permita soportar las


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erosiones del cauce. La colocacin del enrocado es importante ya que suestabilidad depende de su trabezn.


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OBRAS DE HORMIGONES

Hormigones:Hormign Clase A R28 120 Kg / cm

2

Calse B R28 160 Kg / cm2

Clase C R28 180 Kg / cm2

Clase D R28 225 kg / cm2

Clase E R28 300 kg / cm2

Dosificaciones de Hormign

Para arenas de 6% de humedad y 15 % de esponjamiento, en caso que no se denestos porcentajes, corregir segn lo indicado en manual sobre Tecnologa delCemento.

CONCRETO BOLSAS /M KG/M RESISTENCIA A LOS 28 DIASKG / CM2

Clase A 6 1/2 276 140 - 185

Clase B 7 297,5 160 - 200

Clase C 8 340 180 - 220

Regular 6 255 125 - 170

Mediano (rad.) 5 212,5 95 - 135

Pobre (empl) 4 170 65 - 100


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DOSIFICACIN EN LITROS BRUTOS PORBOLSA DE CEMENTO

CEMENTO GRASA ARENA AGUA

Clase C 94 55 17

Clase B 110 64 20

Clase A 118 68 22

Regular 131 76 23

Mediano 160 93 27

Pobre 203 113 34

Materiales:

Acero : Tipo de acero de acuerdo a la ductilidad y de la estructura envergadurade estructura. En general se considera acero estructural A 44 28 H.

Con ff = 4400 kg/cm2 y con fy = 2800 kg / m

2

Otros Materiales: Es el caso de materiales tales como acero estructural,aluminio, madera, neopreno, etc., se determinarn los valores depropiedades en norma, especificaciones, resultados de ensayo oinformaciones de catlogos de fabricantes.

Cargas :

a) Cartas Permanentes (D)

Incluye el peso propio de la estructura, de sus terminaciones,de los elementos no estructurales (tabiques, etc.), de losequipos lquidos a una obra. Se considera un peso especficodel hormign de 2,4 t/m3 (tanto simple como armado).

b) Cargas de Agua (F)

Incluye presiones Hidroestticas, y solicitaciones producto, dela napa de agua exterior. Tambin incluye el efecto de la cargade agua durante la operacin de equipos o mecanismos talescomo compuertas, vlvulas, difusores, etc. El incremento de lapresin de agua debido al efecto ssmico deber incluirseentre las solicitaciones ssmicas. El peso especfico del aguase tomar igual a 1 t/m3.


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Los esfuerzos producidos por la napa exterior sobre lasestructuras depender de la eficiencia de los sistemas dedrenaje (drenes y barbacanas) as como de las caractersticas

del terreno de fundacin.c) Empuje de Tierras (H):

Este esfuerzo cuantifica los empujes de tierra que sedesarrollan sobre los parmetros internos de muros desostenimiento. Al suelo que produce el empuje sobre laestructura se le considera de carcter NO COHESIVO. Sesupones adems, que los suelos inmediatamente en contactocon el parmetro interno del muro, corresponden a rellenosque se realizan una vez construida la obra propiamente tal.

El efecto que tiene el tipo de suelo que retiene el muro, en losempujes que ste desarrolla sobre el parmetro interno de laestructura, se refleja en el ngulo de friccin interna y el pesounitario global que deben considerarse en la cuantificacin destos.

El incremento del empuje de tierra o enrocado debido alsismo, se considerar dentro de las soluciones ssmicas.

d) Solicitaciones Ssmicas (E)

Las solicitaciones que se presentan son utilizadas para obrasde hormign armado y estructuras metlicas que cumplen conlos requisitos de la norma ACI 318 y AISC y la obra ChilenaINN 433.

El mtodo de anlisis general ser el esttico, se utiliza elmtodo dinmico en estructuras que tengan distribucinirregular de las masas.

Las soluciones ssmicas a que queda expuesta la obra enexteriores, son principalmente:


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Esfuerzo de corte Basal, corresponde a donde:

Qo = K1

K2

C

PQ0 = esfuerzo de corteK1 = coeficiente relativo al uso de la obra.K2 = coeficiente relativo a la forma estructuralC = coeficiente de la norma INN 433 que depende del

Perodo propio de la estructura y del parmetro ToDependiente de las caractersticas del suelo.

P = Peso total de la estructura sobre el nivel basalIncluyendo peso de equipo y 50% de sobrecarga.

Los valores de los coeficientes K1 y K2 ms frecuentes paradiferentes estructuras, se indica a continuacin.

Obra K1 K2

- Barreras y Presa de hormign 1,3 1,2- Tomas 1,2 1,2- Muro de Contencin 1,2 1,2- Puentes y acuaductos de hormign armado 1,3 1,5

En cuanto a la distribucin vertical de fuerzas ssmicas, se debe tener enconsideracin que:

En caso de estructuras rgidas, tales como presas pequeas de hormignfundadas en roca y macizos de fundacin, se considerar una distribucin verticalde fuerzas proporcionales a las masas involucradas.

Otra consideracin a tener presente, es la de fuerzas ssmicas verticales.En algunas obras, tales como presas gravitacionales, anclajes antissmica verticalen el sentido ms desfavorable, las que se calcularn como una fraccin de lafuerza horizontal. Considerndose en el uso de presas gravitacionales un factor 1y anclajes antissmicos de puentes de .

Otro tipo de carga a considerar, en la carga mvil (L), en stas se incluyenlas cargas uniformemente distribuidas y cargas concentradas. Cuandocorresponda estas ltimas debern incrementarse por el efecto del impacto.


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Criterios de Estabilidad General

Los criterios de estabilidad que se describen a continuacin, son aplicables

a estructuras fundadas tanto en suelo comn como en roca.Las estructuras se verificarn en su estabilidad al deslizamiento,

volcamiento y flotacin para los distintos estados de carga. Las cargas nopermanentes (aguas interiores) no se considerarn si ellas producen efectosfavorables a la estabilidad.

Las fuerzas ssmicas verticales y horizontales, se considerarn aplicadas enel sentido ms desfavorable.

La subpresin debe tomarse como fuerzas independientes, sin restarlas al

peso propio d la estructura.i) Estabilidad al Deslizamiento

Se analiza el deslizamiento a lo largo de la superficie de contactoentre una estructura y el terreno. En general la condicin es lasiguiente:

Se debe cumplir que:

F resistente F deslizante

N

Plano de

Deslizamiento

F Deslizante

F resistentesL


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i) Estabilidad al Volcamiento

A continuacin se muestras algunos de los principales casos que se

presentan:

a)

22LL

L

b)

2L

L

N

Plana Basal

R

C A

NPlana Basal

C A

R

A u


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Se puede prescindir de la verificacin de la seguridad al volcamiento, si se

cumple:

a) )(6

sueloL

e y )(4

rocaL

e

y adems

admisible.

Determinacin de

ub

3

2S e

6

L)

)6

1(

L

e

bL

S e

concepto de diseño estruct de obras de riego

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