Universidad Nacional del Santa

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL

FACULTAD DE INGENIERA.

E.A.P. INGENIERA CIVIL.

Curso:

MECNICA DE FLUIDOS I

Docente:

Msc. Ing. Hugo Rojas Rubio

Tema: Compuertas

ESTUDIANTE:

Mejia LLontop Elder

NVO. CHIMBOTE

05/01/2011

INDICE

INTRODUCCIN3

COMPUERTAS4

1.DEFINICIN4

2.COMPONENTES4

3.FLUJO A TRAVS DE COMPUERTAS5

4.TIPOS DE COMPUERTA6

5.DISEO9

6.FUERZAS HIDRODINMICAS QUE ACTAN SOBRE COMPUERTAS21

7.APLICACIONES:22

8.CONCLUSIONES:27

9.SUGERENCIAS Y/O RECOMENDACIONES:28

10.BIBLIOGRAFA29

INTRODUCCIN

El estudio del comportamiento de los fluidos es muy amplio debido a que estos no siempre tienen un comportamiento uniforme, o en otros casos las superficies o componentes de las instalaciones para su desplazamiento cuentan con caractersticas que hacen variable el movimiento o escurrimiento de estos.Las estructuras hidrulicas se construyen para controlar o transmitir descargas y mantener los niveles del agua en ros y canales, estas se pueden clasificar generalmente en dos grupos.En uno de ellos, el flujo tiene lugar a presin a travs de una seccin transversal definitivamente fija, entre estos podemos encontrar al flujo a travs de orificios, toberas, tubos cortos, esclusas o bajo compuertas. El otro grupo contiene los casos en los que el flujo se lleva a cabo a travs de una seccin transversal, como en un canal abierto, entre estos podemos encontrar el flujo sobre vertedores de aforo, vertedores, canales de descarga y estructuras de cada a travs de alcantarillas.En el presente informe, partiendo de un marco general que nos servir como referente para entender la importancia del estudio de Compuertas dentro del diseo de las estructuras hidrulicas, detallaremos las caractersticas, tipos, componentes y ejemplos de aplicacin de los mismos.

COMPUERTAS

1. DEFINICIN

Una compuerta hidrulica es un dispositivo hidrulico-mecnico destinado a regular el pasaje de agua u otro fluido en una tubera, en un canal, presas, esclusas, obras de derivacin u otra estructura hidrulica.

Son estructuras de control hidrulico. Su funcin es la de presentar un obstculo al libre flujo del agua, con el consiguiente represamiento aguas arriba de la estructura, y el aumento de la velocidad aguas abajo.

No es ms que un orificio rectangular de altura a y de ancho b, que supondremos constante e igual al ancho del canal. Se hace entre el piso de un canal y el borde inferior a la compuerta.

Ciertas compuertas de control en canales pueden llamarse compuertas bajo el fluido debido a que el agua pasa debajo de la estructura.

Una compuerta consiste en una placa mvil plana o curva que al levantarse permite graduar la altura del orificio que se va descubriendo, a la vez que controla el caudal producido.

El flujo en un canal cuando se coloca una compuerta por lo general es normal a ella.

2. COMPONENTES

Los elementos son:

H = y1+v21/2g : carga total aguas arriba de la compuerta.

h1: tirante aguas arriba de la compuerta.

ac: Cc x a: tirante de la vena contrada aguas debajo de la compuerta.

a : abertura de la compuerta.

b : ancho de la compuerta.

Cc: coeficiente de contraccin.

L: a/Cc: longitud desde la compuerta hasta y2 (seccin contrada).

h2 : tirante normal (si las condiciones lo permiten) aguas debajo de la compuerta.

3. FLUJO A TRAVS DE COMPUERTAS

a. Segn las condiciones del flujo aguas abajo:

Compuerta con descarga libre

(a)

(Donde:b: Ancho de la compuertacd: Coeficiente de descargaa: Altura del orificio)El flujo bajo una compuerta vertical se puede definir como un problema de un orificio cuadrado siempre que la altura de la abertura a, bajo la compuerta, sea pequea comparada con el nivel de energa aguas arriba y1 y el nivel de aguas abajo y2, no tenga influencia sobre el flujo y se puede describir el caudal con:

Compuerta con descarga sumergida o ahogada.

El derrame por un orificio sumergido se expresa por la formula:

(Donde:cd: Coeficiente de descargaa: Area del orificio)

Los pocos experimentos realizados para determinar cd en orificios sumergidos indican que su valor no es afectado mucho por la sumersin.

4. TIPOS DE COMPUERTA

Compuertas de cresta. Incluyen un buen nmero de tipos de dispositivos permanentes y temporales que funcionan en la cresta de un vertedor para aumentar en forma individual el almacenamiento en un embalse, a la vez que se mantiene el control del flujo en los vertedores. Durante los periodos de bajo caudal, cuando no se requiere toda la capacidad del vertedor, la carga y almacenamiento adicionales logrados con las compuertas de cresta pueden ser muy valiosas.

Las alzas removibles Y las vigas horizontales de cierre son los tipos ms comunes de compuertas de cresta para instalaciones pequeas con baja carga. Las alzas removibles, por lo general, son tablones de madera que abarcan el espacio entre los tubos verticales que estn en voladizo encima de la cresta de vertedor. Cuando la superficie del agua en el embalse llega a cierto nive1 predeterminado, fallan los tubos y permiten utilizar toda la capacidad del vertedor. Las vigas horizontales de cierre tambin son tablones, que abarcan el espacio entre columnas verticales ranuradas que estn en voladizo encima de la cresta del vertedor.

En instalaciones con vigas horizontales grandes, la fuerza hidrosttica crea grandes fuerzas de friccin entre el elemento deslizable y la viga vertical, lo cual dificulta quitarla. Estas fuerzas de friccin necesitan el uso de un tipo de compuerta que depende de la rotacin en vez de la friccin deslizable y que funcione libremente bajo la presin hidrosttica.

Las compuertas de abanico (Tainter) y las compuertas de guillotina montadas en cojinetes de rodillos de baja friccin son los tipos en uso ms extenso en compuertas de cresta en instalaciones grandes. En la compuerta de abanico la friccin se concentra en el mun y no afecta el funcionamiento. Como el flujo pasa por debajo de las compuertas de abanico y de guillotina, hay una tendencia a que la basura y el hielo se acumulen contra ellas, ocasionando daos y entorpeciendo el funcionamiento.

Las compuertas de alza y compuertas de tambor dejan pasar el agua sobre la parte superior. La compuerta de alza consta de dos hojas embisagradas. Para elevar una compuerta de alza, se deja entrar agua al espacio debajo de las hojas para empujarlas hacia arriba. La compuerta de tambor consta de un segmento de cilindro, que se baja en un rebajo en la cresta cuando no est en uso. Debido a que el rebajo necesario en la cortina es muy grande, las compuertas de tambor no son adecuadas en cortinas pequeas.

5. DISEO

Al disear tales compuertas, el ingeniero hidrulico est ms interesado en dos aspectos principales: la relacin altura descarga y la distribucin de presin sobre las superficies de la compuerta para varias posiciones de la compuerta y forma de los bordes de las compuertas. La forma de los bordes no solo afectan a las distribuciones de velocidad y presin y la prdida de energa en el flujo a travs de la abertura de la compuerta, sino que puede tambin desarrollar vibraciones muy molestas que deberan ser evitadas durante las operaciones de la compuerta.

Ecuaciones para el caudal de flujo a travs de compuertas:

a. A travs de compuertas planas: para deducir la expresin, se considera el caso ms general, donde la compuerta est inclinada un ngulo respecto a la horizontal, y tiene un ancho B igual al del canal.

El flujo a travs del orificio formado por el labio inferior de la compuerta y el fondo del canal puede considerarse bidimensional. Ntese que la descarga supercrtica bajo la compuerta reduce progresivamente su profundidad a lo largo de una corta distancia I, aguas abajo, hasta una seccin en donde la contraccin del chorro es completa, llamada Vena contracta.

La profundidad del flujo en la vena contracta y2, se relaciona con la abertura a, por medio del coeficiente de contraccin Cc, as:

(1)

Adems, para compuertas planas verticales, se ha comprobado que:

(2)

Reemplazando (1) en (2), se tiene:

(3)

Suponiendo las hiptesis de fluido incompresible, flujo permanente y uniforme, distribucin hidrosttica de presiones, lejos de la compuerta, y tensiones cortantes nulas, en paredes y fondo del canal, la ecuacin de Bernoulli expresa lo siguiente:

(4)

(5)

Por continuidad:

(6)

De donde: (7)

Sustituyendo (7) en (5) y haciendo 1= 2 = = 1, se tiene:

Distribuyendo el binomio y simplificando se tiene:

Sacando raz cuadrada:

(8)

Reemplazando y2 = a.Cc en la anterior, se tiene:

(9)

Introduciendo el coeficiente de velocidad, Cv, resulta:

(10)

(11)

Ahora, reemplazando las ecuaciones (11) en la (6), se tiene:

(12)

(13)

(14)

Introduciendo el coeficiente de descarga, Cd, como:

(15)

resulta:

(16)

De otro lado, a partir de la ecuacin (15), para Cv, se tiene:

(17)

Elevando al cuadrado se tiene:

(18)

Ahora, haciendo:

(19)

resulta:

(20)

Los coeficientes Cc, Cv y Cd depende del nmero de Reynolds y de las caractersticas geomtricas del escurrimiento.

H. Rouse afirma que los valores de Cd para compuertas planas verticales ( = 90) son esencialmente constantes y con ligeras variaciones alrededor de 0.61.

b. A travs de compuertas radiales: la ecuacin para determinar el gasto a travs de compuertas radiales ser la misma deducida para compuertas planas (16), con adecuados valores de Cd. Para las compuertas radiales con descarga libre, la variacin del coeficiente de gasto depende del ngulo y de la relacin y1/a.

Empuje debido a la presin sobre una compuerta plana: los lquidos a fluir a travs de una compuerta, ejercen presin a lo largo del fondo del canal y sobre la pared aguas arriba de aquella, cuya distribucin y magnitud de la fuerza resultante sobre la compuerta es de inters estructural. Para ello, se considera el flujo bidimensional y permanente a travs de la compuerta plana vertical.

Se asla un volumen de control de fluido limitado por las secciones transversales (1) y (2), las paredes y el fondo del canal, la pared de la compuerta y la superficie libre del lquido, y se consideran las fuerzas externas que actan sobre l.

Donde:

F1, F2 : Fuerzas debidas a la distribucin de presiones hidrostticas en las secciones 1 y 2, respectivamente.

W : peso del volumen del fluido encerrado en el volumen de control.

N : reaccin normal del fondo del canal.

R : reaccin del empuje F que el lquido ejerce sobre la compuerta. Es la fuerza de reaccin de la compuerta sobre el volumen de control.

El empuje a determinar F es de igual magnitud y sentido contrario a la reaccin R, con la cual, la compuerta responde sobre el lquido.

Luego, al aplicar la ecuacin de la cantidad de movimiento al Volumen de control, se tiene:

(21)

Por tratarse de un flujo permanente, el segundo trmino del miembro de la derecha es igual cero.

Reemplazando trminos correspondientes, se tiene:

Donde es el coeficiente de Boussinesq de correccin por momento lineal.

(22)

De donde:

(23)

(24)

Haciendo 1= 2= , se tiene:

(25)

Aplicando la ecuacin de Bernoulli entre (1) y (2), despreciando prdidas de energa, se tiene:

(26)

suponiendo , y factorizando, se tiene:

(27)

Por continuidad:

(28)

De donde:

Luego:

(29)

Reemplazando la ecuacin (29) en la (27), se tiene:

(30)

(31)

Anlogamente, reemplazando V2 de la ecuacin (29) en la ecuacin (27), se tendr:

De donde:

(32)

De otro lado, volviendo a la ecuacin (28), se tiene:

(33)

Ahora, reemplazando las ecuaciones (33) y (32) en la (25), se tiene:

(34)

En flujos turbulentos, como ocurre en este caso, ==1, luego:

(35)

Factorizando, se tiene:

(36)

Adems, por accin y reaccin F = R; luego:

Fuerza terica sobre la compuerta (37)

La ecuacin (37) permite calcular la fuerza o empuje tericos que un lquido en movimiento ejerce sobre una compuerta plana vertical, con descarga libre.

6. FUERZAS HIDRODINMICAS QUE ACTAN SOBRE COMPUERTAS

Los factores ms importantes de los cuales depende el flujo sobre y por debajo de las compuertas son la geometra de los pasajes de agua aguas arriba y aguas abajo; la geometra y la posicin de la compuerta y sus accesorios como sellos, apoyos, etc.; la presin aguas arriba, si el flujo a travs de la compuerta es libre con presin atmosfrica aguas abajo o es sumergido; el nmero de flujo de Froude y el nmero de Reynolds -y en lo posible el nmero de Weber- ; el grado de turbulencia del flujo de aproximacin y la aireacin del espacio aguas abajo de las compuertas.

En las compuertas de elevacin vertical de cabezas altas, la fuerza del sistema de izamiento tiene que dimensionarse para superar el peso de la compuerta, la resistencia a la friccin y, ms importante, las fuerzas de empuje hacia abajo que resultan del hecho de que durante la operacin de la compuerta la presin a lo largo de su borde inferior se reduce (a presiones atmosfricas o incluso menores), mientras que la presin que acta en su parte superior es prcticamente la misma que en condiciones estticas (presin del embalse lleno). Esta condicin se aplica tanto para compuertas localizadas dentro de un conducto o en el paramento aguas arriba de la presa o en una toma (debe notarse que los sellos de las compuertas en las tomas deben estar en el lado aguas abajo, y para compuertas en conductos estn normalmente en la misma posicin). Las fuerzas de empuje hacia abajo (o hacia arriba) que actan sobre una compuerta con una geometra de caja y sello dados y las vibraciones de la compuerta tienen que analizarse para las diversas condiciones de operacin utilizando consideraciones tericas y la experiencia de los ensayos de campo, as como experimentos en modelo, si es necesario.

7. APLICACIONES A LA INGENIERA CIVIL

El Proyecto de Irrigacin Tinajones Lambayeque, Per

El rea de irrigacin del Proyecto Hidrulico Tinajones se encuentra ubicado en el departamento de Lambayeque uno de los ms importantes del pas, comprende el valle Chancay - Lambayeque y cuenta con una extensin superficial sembrada que flucta desde 68,000 ha en aos secos, hasta 85,000 ha en aos hmedos.

PRIMERA ETAPA (Ejecutada)

TNEL CONCHANO Y OBRAS CONEXASObra ubicada en la provincia de Chota, Cajamarca. El tnel de 4,213 metros de longitud y 2.5 metros de dimetro, deriva el agua proveniente del ro Conchano con una capacidad de trasvase de 13 m3/s, en una masa promedio anual de 90 millones de metros cbicos (MMC).

(BOCATOMA TUNEL CONCHANO)

(ESTRUCTURAS DE SALIDA TUNEL CHOTANO)

(CAPTACION TUNEL CHOTANO, mediante la utilizacin de compuertas rectangulares.)

(ESTRUCTURAS DE SALIDA TUNEL CHOTANO)

(BOCATOMA RACA RUMIObra en servicio desde el ao 1969; capta las aguas del ro Chancay y las deriva hacia el canal alimentador para su almacenamiento en el Reservorio Tinajones.)

(CANAL DE DESCARGACanal trapezoidal de 3.40 km de longitud, cuenta con una capacidad de 70 m3/s. Deriva el agua desde el reservorio hacia el cauce del ro Chancay.)

(CASCADA EN CANAL ALIMENTADOREstructura de concreto armado, sirve para salvar un desnivel de 42.70 m en el curso del canal alimentador al reservorio. el cauce del ro Chancay.)

(LIVIADERO DE DEMASIAS)

(DESARENADOR)

(REPARTIDOR LA PUNTILLADesde donde se derivan las aguas para irrigacin de los diferentes sectores del Valle Chancay-Lambayeque a travs del canal Taymi, ro Lambayeque, canal Ptapo y ro Reque.)

Ejemplo:

(3 psig1020agua)La compuerta AB tiene 3 pies de ancho y 2 pies de longitud. Cuando est cerrada la compuerta reencuentra inclinada un ngulo de 60. Determine el momento respecto a la articulacin A ejercida por el agua.

Solucin:

(121F2F1e1e2 3/2 3/2AABBhcg2hcg123 = 60)

(A = 3x 2 = 6 pies2Ixx = 1/12 x 3 x 22 = 4 pie4)

Clculo de F1: Clculo de F2:

(Lnea de accin de F2:)Lnea de accin de F1:

Clculo del momento respecto a la articulacin A por el agua:

CONCLUSIONES:

La Velocidad real de salida del chorro es menor que la terica, pues en salida se presenta prdidas por friccin. La relacin entre la velocidad real y terica se llama coeficiente de velocidad (Cv).

Se define como coeficiente de descarga (Cd) la relacin entre el caudal real y el caudal terico. Y esta en funcin del coeficiente de contraccin Cc = y2 / ao y la relacin y1 / ao.

Los valores tpicos del Cd para compuertas que descargan libremente, estan entre 0.5 y 0.6.

Los tres coeficientes no son independientes, se hallan relacionados mediante un modelo matemtico.

En una compuerta estndar la longitud de las ventanas varan por lo general de 2.0 a 4.0 m.

Las compuertas utilizan distintos mecanismo de izaje, entre los ms utilizados se encuentran los de operacin hidrulica, elctrica, telemando y manuales.

Las Perdidas de carga deben ser seriamente consideradas en el diseo, para estimar eficientemente el caudal de salida.

Las causas mas comunes de falla en estructuras hidrulicas, como compuertas, vertederos, alcantarillas, etc. Son la subestimacin de la descarga mxima y la erosin.

SUGERENCIAS Y/O RECOMENDACIONES:

En compuertas que poseen grandes luces, es preferible dividirlas y darles dimensiones estndar.

Para evitar el dao de las compuertas o destruccin de la toma, causado por un huayco o avenida, se deben se deben instalar ataguas o compuertas de emergencia.

Por seguridad las compuertas deben estar entre 1.50 m a 2.0 m sobre el nivel mximo de las avenidas.

En estructuras de gran tamao y costosas es recomendable realizar estudios de laboratorio sobre modelos a escalas para luego transmitir sus datos al prototipo a escala natural.

Para controlar pequeos caudales, se sugiere utilizar compuertas circulares estndar.

Para cerrar un flujo, se sugiere utilizar compuertas radiales o de sector.

BIBLIOGRAFA

French, Richard H.,Tr. Ariel Friedman. HIDRULICA DE CANALES ABIERTOS . 1988: McGraw Hill, Mxico. pp 325 - 328

King, Horace Williams. MANUAL DE HIDRALICA. 1981: Uteha, Mexico. pag. 50

Novak, P. ESTRUCTURAS HIDRULICAS. 2001: Mcgraw-hill, Colombia. pp 231 -234

Rosell Calderon, Csar Arturo. IRRIGACIN. 1998: Ingeniera Civil, Lima. pp 116- 118

Simon, Andrew L.,Garcia Ferrer, Carlos Alberto. HIDRAULICA PRACTICA. 1986, Mexico. pp 271 - 277

Internet

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujoencanales/flujo_compuertas/flujo_compuertas.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Compuerta_hidrulica

http://www.peot.gob.pe/inicio.php

24

(

)

A

h

P

F

cg

g

.

1

1

1

+

=

(

)

A

h

P

F

cg

g

.

2

2

2

+

=

2

2

1

144

3

lg

3

3

pie

lbf

x

pu

lbf

psig

P

=

=

=

0

2

=

P

(

)

lbf

F

pie

h

cg

9756

2

3

20

1

1

=

-

=

(

)

lbf

F

pie

h

cg

3420

2

3

10

2

2

=

-

=

pie

F

I

sen

e

xx

011

.

0

1

1

=

=

a

g

pie

F

I

sen

e

xx

032

.

0

2

2

=

=

a

g

(

)

(

)

pie

x

lbf

e

F

e

F

M

6338

1

1

2

2

1

1

=

-

-

-

=