ventajas y desventajas de un sifon

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criterios de diseño . tipo de bocatomas

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SIFONES INVERTIDOS

Importancia o utilidadImportante o til cuando pueden presentarse diversos accidentes y obstculos como son: Depresiones del terreno, Quebradas, cursos del agua, necesidad de cruzar vas de comunicacin (carreteras, vas frreas u otro canal). La solucin mediante estructuras hidrulicas es: Sifn.

En el caso del cruce de un canal con una va de comunicacin depender de la importancia de la va de comunicacin como del tamao del canal.

Concepto de sifn invertido

Los sifones invertidos (algunas veces conocidos como tubo cambiado)son conductos cerrados que trabajan a presin y se utilizan para conducir aguas de canales por gravedad por debajo de caminos, lneas ferroviarias, otras estructuras, varios tipos de canales de drenaje y depresiones.En lo posible se debe evitar el uso de sifones invertidos por los grandes inconvenientes que representa su conservacin y mantenimiento, sin embargo muchas veces no es posible resolver de otra manera el problema de paso de depresiones.

A. TIPOS DE SIFONES

a) Ramas oblicuas.-se emplea para cruces de obstculos, para lo que se cuenta con suficiente desarrollo y en terrenos que no presenten grandes dificultades de ejecucin.

Pozo vertical y ramas verticales b) y c) con una o dos ramas verticales, son preferidos para emplazamientos de poco desarrollo o en caso de grandes dificultades constructivas. Debido a sus caractersticas de fcil limpieza y reducido espacio, son muy aconsejables.

d) Con cmara de limpieza.- con cmaras de limpieza, tiene su aplicacin en obras de cruce de vas subterrneas.

VENTAJAS Los sifones invertidos son econmicos, fcilmente diseados y construidos, y han probado ser medios confiables de conducir agua. DESVENTAJASLos costos del diseo, construccin y mantenimientos son factores que puede hacer a un sifn invertido menos factible que otras estructuras que pueden ser usadas para los mismos propsitos .Pueden existir adems de algn modo situaciones donde el valor de la carga de agua requerida para operar en sifn pueda justificar el uso de otra estructura tales como un puente. Un sifn invertido puede presentar un riesgo para la vida en reas con alta densidad de poblacin.

CRITERIOS DE DISEO Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ngulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida. En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiere un mnimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales de riego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifn cruza un canal revestido se considera suficiente 0.30 m de cobertura. En el caso particular del cruce con una quebrada o ro de rgimen caudaloso, deber hacerse un estudio de profundidad de socavacin para definir la profundidad en la que deber cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que esta sea afectada. Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifn debido a la ocurrencia fortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar en un 50% o 0.30 m como mximo al borde libre del canal en una longitud mnima de 15 m a partir de la estructura. Con la finalidad de evitar la cavitacin a veces se ubica ventanas de aireacin en lugares donde el aire podra acumularse. Se debe considerar un aliviadero de demasas y un canal de descarga inmediatamente aguas arriba de la transicin de ingreso. Se debe analizar la necesidad de incluir vlvulas rompe presin en el desarrollo de la conduccin a fin de evitar el golpe de ariete, que podra hacer colapsar la tubera (solo para grandes caudales). Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubera ahogada) a la entrada y salida del sifn, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubera.

ELEMENTOS DE UN SIFONLos sifones invertidos constan de las siguientes partes:1) TRANSICIONES DE ENTRADA Y SALIDALas transiciones son casi siempre usadas a la entrada y salida de los sifones para reducir las prdidas de cargas y prevenir la erosin del canal en el caso de que ste no sea revestido. Para estos propsitos se ver transiciones de concreto, de tierra o combinaciones de transiciones de concreto y tierra. La estandarizacin de transiciones de concreto es un medio de reducir costos.

2) REJILLA DE ENTRADAEl objetivo de la rejilla es el impedir o disminuir la entrada de basuras u objetos extraos al sifn que impidan el funcionamiento correcto del ducto. Si se instala una rejilla en este punto, entonces se debe considerar las prdidas de carga producto de la disminucin de rea para el paso del flujo.

Esta rejilla puede ubicarse inmediatamente antes de la entrada del lquido al sifn o se puede reemplazar por una cmara de rejas emplazada antes de la cmara de entrada al sifn.

3) TUBERIAS DE PRESIONSon tuberas que transportan agua bajo presin. Para que los costos de mantenimiento sean bajos se deben colocar machones de anclaje, para evitar que frente a peligros de erosin, las tuberas no se desplacen y continen funcionando.

Para cargas hasta 45 metros se usan tubos de concreto reforzado a presin pero generalmente se pueden usar cualquiera de otros tubos arriba mencionados, difundiendo solo de la disponibilidad y consideraciones de costos.

4) REQUERIMIENTOS DE COBERTURA DEL TUBO

Los perfiles del tubo son determinados en tal sentido como para satisfacer requerimientos de cobertura, pendiente del tubo, ngulos de doblados y sumergencia de la entrada y salida, los requerimientos de cobertura del tubo son:

a) En todos los sifones cruzando bajo carreteras excepto aquellos caminos parcelarios y sifones cruzando debajo de lneas ferroviarias, de deber proveer un mnimo de 0.90m (3 pies), los caminos parcelarios requieren solamente 0.60m. (2 pies) de cobertura de tierra y son proporcionados con una rampa elevando pendientes de 10 a 1 (10%) cuando sea necesario prever requerimientos de cobertura mnima. Si existiera cunetas de caminos y estos se extienden sobre el tubo, la distancia mnima de la zanja al tope o corona del tubo ste deber ser de 0.60m. (2 pies).

b) En sifones que cruzan debajo de canales transversales de drenaje, se deber proveer un mnimo de cobertura de tierra de 0.90m. a menos que los estudios indiquen un requerimiento de coberturas mayor como consecuencia de proyecciones futuras del canal en caso que este sean profundizados.

c) En sifones que cruzan debajo de canales de tierras, se deber prever una cobertura mnima de 0.60m (2 pies).

d) En sifones que cruzan debajo de un canal revestido, se deber prever una cobertura de tierra mnima de 0.15m. (1/4 de pie) entre la plantilla de canal revestido y la corona del tubo anchos de carreteras y los taludes laterales de un camino y el cruce de de vas ferroviarias que cruzan por encima de un sifn debern ensamblar en el ancho de carreteras existentes y los taludes laterales, o de lo contrario tales como indiquen especificaciones particulares

5) ESTRUCTURAS DE ALIVIOLas estructuras de alivio son provedos en/o cerca de los puntos bajos de sifones invertidos relativamente largos para permitir el drenaje del tubo para su inspeccin y mantenimiento. Esencialmente las estructuras de alivios consisten de una vlvula de metal incrustado en el tubo del sifn.

Los sifones cortos son desaguados usualmente cuando es necesario mediante bombas de ambos extremos del sifn. Si no se requiriera drenaje usual y se requiere solo drenaje de emergencia bastar con perforaciones del tubo cuando ste sea menor de 24 de dimetro.

Se requerir de un buzn para aliviadero en sifones largos de 36 pulgadas o mayor dimetro como medio de proveer un punto de acceso para mantenimiento e inspeccin.

6) BORDE LIBRE DEL CANAL Y PROTECCIN DE EROSINEl borde libre del banco del canal aguas arriba del sifn debe ser incrementado en un 50% (como mnimo 0.30m.) para prevenir derrames en estos puntos como consecuencia de tormentas mayores de las previstas en la escorrenta de canal o por operaciones inadecuadas.

7) TRAZO DEL PERFIL Conviene trazarlo en forma preliminar con los datos de campo (topografa), para conocer la disposicin general, su localizacin, deflexiones, etc., para en un primer intento, obtener las prdidas de carga y saber si estamos dentro de la conveniencia tcnico-econmica. Al hacer esto, hay que tener en cuenta tres requisitos: Desarrollo mnimo posible Excavaciones mnimas Relleno sobre el conducto con espesor

CALCULO HIDRULICO DEL SIFONEl diseo hidrulico de un sifn est gobernado por tres factores fundamentales: Economa, Perdidas de cargas y Sedimentos. En base a ellos y los criterios del diseador, se debe priorizar la velocidad del agua en el sifn. Las velocidades comprendida entre 2.0 3.0 m/s garantizan los tres requisitos mencionados, mientras que en sifones pequeos puede ser de 1.6 m/s. Un sifn se considera largo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el dimetro.

a) BASES DE CLCULO PARA UN SIFONPara que cumpla su funcin, un sifn debe disearse de la siguiente manera:

b) FUNCIONAMIENTO DE UN SIFONEl sifn siempre funciona a presin, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida.Aplicamos continuidad de energa en 1 y 2:

Perdidas de carga- Prdidas de carga por transicin de entrada y salida- Prdidas de carga por entrada al conducto- Prdidas de carga por friccin en el conducto- Prdidas de carga por cambios de direccin o codos- Prdidas de carga por accesorios

La carga hidrulica disponible, economa y velocidades de tubo permisibles en los que determinan del tamao del tubo del sifn.

As, es necesario asumir las dimensiones internas del sifn y computar las prdidas de cargas debido a las entradas, fricciones del tubo, dblese el tubo y debido a las condiciones de salidas.

La suma de todas las prdidas computadas debe aproximar la diferencia en la elevacin de la gradiente de energa aguas arriba y aguas debajo de los extremos del sifn (carga disponible).

Para los clculos de prdidas de carga distribuida, se recomienda el uso de la frmula universal con el coeficiente de rugosidad uniforme equivalente K = 2 mm. Si se utiliza la frmula de Hazen Williams se recomienda utilizar el coeficiente C = 100. Para la frmula de Manning, se recomienda el valor de n = 0,013.Para el clculo de prdidas de carga, localizadas o singulares, se utilizan las siguientes expresiones:

La prdida total de carga computada usualmente es incrementada en 10% como factor de seguridad para asegurar contra la posibilidad de que el sifn cauce remanso aguas arriba del sifn.d) VELOCIDADES

Para obtener una buena auto-limpieza en el sifn invertido, la velocidad del lquido en su interior, debe ser como mnima de 0,90 m/s, que adems de impedir la sedimentacin del material slido (arena) en la tubera, es capaz de remover y arrastrar la arena depositada.

En general, las velocidades del sifn deben oscilar entre 1 m/s y 3 m/s, dependiendo sta de la carga disponible y de las consideraciones econmicas. Se pueden usar los siguientes criterios de velocidades para determinar los dimetros del buzn.

1) 1.0 m/s o menos para un sifn relativamente corto con solamente transiciones de tierras provedos tanto a la entrada como a la salida.

2) 1.5 m/s o menos para un sifn relativamente corto con transiciones de concreto o con estructura de control provedo en la entrada y con una transicin de concreto en la salida.

3) 3 m/s o menos para un sifn relativamente largo con transicin de concreto o estructura de control a la entrada y transicin de concreto a la salida.

La velocidad o tamao del tubo de un sifn largo es de particular importancia, econmicamente, porque un ligero cambio en el tamao del tubo puede significar un gran cambio en el costo de la estructura.

e) DIMETRO MNIMO

Considerando que para tuberas de menor dimensin es mayor la posibilidad de obstruccin, es recomendable que el dimetro mnimo del sifn tenga un valor similar al fijado para los colectores. Por tanto se recomienda un dimetro de 150 mm (6 plg) como dimetro mnimo.

j) VERTEDERO DE REBOSE - BY PASS

Existiendo la posibilidad de ocurrencia de accidentes, roturas, obstrucciones etc., que pueden interrumpir el funcionamiento del sifn invertido, se requiere de dispositivos de descarga. Si el sifn est destinado a atravesar un curso de agua, se puede prever una tubera de descarga en la cmara de entrada, con una cota suficiente para el lanzamiento de aguas residuales en el ro.

Esta solucin, no puede ser utilizada en los casos en que, el mantenimiento de la calidad del agua en el cuerpo receptor la torna inviable y siempre que las tuberas afluentes puedan ser descargadas en otros sitios.

l) OPERACIN Y MANTENIMIENTO

Los sifones exigen cuidados especiales sistemticos con la finalidad de evitar obstrucciones. Una de las principales preocupaciones relacionadas al uso de los sifones se refiere a la necesidad de desobstruccin de los mismos, particularmente cuando ocurre la acumulacin de slidos pesados, como piedras, que resisten el arrastre hidrulico, situacin que se traduce en la necesidad de utilizacin de equipos mecanizados de limpieza.

Se recomienda la realizacin de inspecciones regulares, a travs de las cuales puedan ser previstas a tiempo la remocin de obstrucciones incipientes. En promedio, estas inspecciones deben ser realizadas una vez por mes.

La limpieza puede ser efectuada por diversos procedimientos.

a) Limpieza manual, utilizando raspadores con cables

b) Lavado con agua proveniente de camiones succin-presin

J) PROCEDIMIENTOS DE DISEO

Los pasos sugeridos para el diseo de un sifn incluye lo siguiente:

a. Determinar qu tipo de estructura de entrada y salida son requeridos y el tipo y tamao aproximado del tubo.

b. Haga un bosquejo preliminar del perfil (del sifn y estructuras de entrada y salida), usando la lnea de tierra existente, las propiedades del canal y las estaciones del canal as como de las elevaciones de los extremos del sifn. Este bosquejo puede proveer de los requerimientos del tubo en cuanto a cobertura, pendiente, ngulos de doblado y requerimientos de transiciones, checks (retenciones) y entradas del tubo sumergencia en entrada al tubo.

c. Compute las prdidas de carga del sifn en este bosquejo preliminar. Si la prdida de carga computada estn en desacuerdo con la carga disponible, podra ser necesario hacer algunos ajustes tales como el dimetro del tubo o an el perfil del canal.

d. En sifones largos donde la entrada puede no ser sellado habra la posibilidad de cavitacin y con operacin no satisfactoria, la entrada debe ser chequeada para una perforacin adecuada y debera hacerse los ajustes necesarios.

e. Determinar el tipo o clase de tubo, las clases de tubo pueden ser determinados del monto de cargas internas y externas demostradas en el perfil del tubo.

Trazado del sifonCon la informacin topogrfica de las curvas de nivel y el perfil del terreno en el sitio de la obra, se traza el sifn y se procede a disear la forma y dimensiones de la seccin del conducto ms econmica y conveniente, esto se obtiene despus de hacer varios tanteos, tomando en cuenta las prdidas de carga que han de presentarse.

Requerimientos de estructura a la entrada y salidaEl sifn est cruzando por debajo de una autopista, por lo tanto se requerir algn tipo de estructuras de concreto a la entrada y salida. Desde que no se requiere estructura de control a la entrada se usar una transicin de concreto a la entrada y salida.Tipo de tuboEn tubo tendr una presin interna y pasar por debajo de una autopista, por lo tanto, l debe ser de concreto prefabricado a presin (CPR), tubo de asbesto cemento a presin (AC) o tubo de mortero plstico a presin (TMP) y cada uno tendr un casquete de jebe para impermeabilizar. Para este ejemplo se asume que debido al costo y disponibilidad es ventajoso a ser un tubo de concreto a presin pre fabricado (TCPR) Tamao de tubo(Ver tabla de la figura 2-4)Paraun sifn relativamente corto que tiene transiciones de concreto a la entrada y salida, el tubo podra ser el ms adecuado para una velocidad de alrededor de 1.52m/s. Luego para una descarga de 0.42 m/seg., la tabla sugiere que se puede usar un tubo de 24 de dimetro.FIGURA 2-4 TABLA PARA SELECCIN DE TUBERADATOS PARA LA SELECCIN DE DIMETRO DEL TUBO

MAX.VELOC .= 1.06 m/s(Transicin de Tierra)MAX.VELOC. = 1.52 m/s(Transicin de Concreto)MAX.VELOC. = 3.04 m/s(Transicin de Concreto)TUBO

Q(m3/s)Q(m3/s)Q(m3/s)DIMETROREA

DESDEINCLUSIVEDESDEINCLUSIVEDESDEINCLUSIVE(Pulgada)rea

0.00.075600.109207.9120.0729

0.07560.12040.10920.17087.90.3444150.1140

0.12040.17360.17080.24640.34440.4356180.1642

0.17360.23520.24640.33600.43560.6748210.2234

0.23520.30800.33600.43960.67480.8792240.2919

0.30800.38920.43960.55720.87921.1144270.3694

0.38920.48160.55720.68601.11441.3748300.4561

0.48160.58240.68600.83161.37481.6632330.5518

058240.69160.83160.98841.66321.9796360.6567

0.069160.81200.98841.16201.97962.3240390.7707

0.81200.94361.16201.34682.32402.6436420.8938

0.94361.08361.34681.5456451.0261

1.08361.23201.34561.7584480.1674

1.23201.39161.75841.9852511.3174

1.39161.55961.98522.2260541.4775

1.55961.73602.22602.4808571.6403

1.78601.92362.48082.7496601.8242

1.92362.1224632.0112

2.12242.3296660.2072

2.32962.5452690.4124

2.54622.7720722.6267

PROPIEDADES HIDRULICAS DE UN TUBO DE 24 DE DIMETRO PARA Q = 0.42 m3/seg.

A = rea del tubo = 0.785 = 0.2919m2

V = Velocidad en el tubo = V = 1.4388 m/seg.

hvp = Carga de velocidad en el tubo = hvp = 0.1055

Wp = permetro mojado =

R = Radio Hidrulico = R = 0.1529n = coeficiente de rugosidad asumido = 0.013sf = Pendiente de friccin del tubo

sf =sf = 0.0044

BORDE LIBRE ADICIONAL DEL CANAL EN EL EXTREMO AGUAS ARRIBA DEL SIFN.El borde libre adicional = 0.5 del borde libre del canal = 0.5 x 0.40 = 0.20

ELEVACIN DEL BANCO DEL CANAL EN LA ESTACIN.=Elevacin de la SNA + el borde libre general + borde libre adicional.=5407.77 + 0.38 + 0.20 = 5408.35Extendiendo el banco del canal en esta seccin una distancia de 15 cm. Aguas arriba del sifn para minimizar los daos en cual puede ser causado por rebalse.

FIJACIN HIDRULICA DE LA ENTRADA DE LA TRANSICIN:

El sifn funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las prdidas en el sifn. La diferencia de carga AZ debe ser mayor a las prdidas totales.

La elevacin de la plantilla de la transicin en el muro del cabezal (STA.C) esta basada en el Sello Hidrulico requerida en la corona de la abertura del cabezal y de la altura vertical de la entrada Ht. La pendiente del tubo afecta esta dimensin vertical de la entrada (Ht) desde que:

Donde D es el dimetro del tubo = 0.61m.

Y el ngulo del a pendiente del tubo en el cabezal de la transicin.

El valor a escala de es adecuado generalmente, desde que un error en no afectar significativamente Ht luego el valor de = 12 podr tomarse como aceptable con fines de aproximacin, entonces:

El sello hidrulico requerido

= 1.5 hv = 1.5 (hvp-hv1) = 1.5 (0.1055-0.0213)

1.5hv = 0.1263m el cual es mayor que el mnimo sello requerido 3 (0.0762m) por tanto deber usarse un sello de 0.1263m.La elevacin C de la Plantilla de la transicin ser (ver figura A)

ELC = SNA. STA.A (1.5hv + Ht)ELC = 5406.90 (1.5 x 0.1263 + 0.623)ELC = 5406.0876m.

Si la plantilla de la transicin en el zampeado (STA.B) es establecida en la plantilla del canal, la diferencia en elevacin de las plantillas de la transicin (P) es (ver figura 7-2).P = ELA ELC = 5406.52 5406.0876P = 0.4324.

El mximo valor de p a la entrada debe ser D y el mximo valor de p a la salida debe ser de D. Por lo tanto, haciendo idntico la entrada y salida, p no puede exceder D el cual es x 0.61m = 0.31m. Usando un valor de p = 0.30m, entonces la elevacin B de la plantilla de la transicin no ser la misma del canal, pero ser la misma que ELC + p = 5406.0876 + 0.30.El B = 5,406.3876 la cual es 0.1324m ms baja que la elevacin de la plantilla del canal en la STA.A.La pendiente de la plantilla para una longitud de transicin de tierra de 3.04m resultante del uso de p = 0.30m deber ser ms parada que 4 a 1.La pendiente actual de 3.04m a la cada de la plantilla ser 3.04 a 0.1324 = 23 a 1 lo cual es mucho ms plano que 4 a 1 y por tanto permisible.NOTA: Las transiciones de tierra pueden ser usadas para graduar el pase de una seccin de canal al de la seccin de la estructura, cuando la velocidad no exceder de 1.06 m/seg. Las plantillas no podrn tener pendientes mayores de 4 a 1, tanto para las transiciones de entrada como de salida y la longitud de la transicin en ambos lados igual a 3 dimetro del tubo o un mximo 1.52m cuando la transicin se acople con una de concreto deber tener una longitud = 3.04m.

FIJACIN HIDRULICA DE LA SALIDA DE LA TRANSICIN.- Para minimizar la sumergencia del cabezal, se establece la elevacin (STA.G) de la plantilla, aguas abajo, a la misma elevacin de la plantilla del canal. Entoncesla elevacin G de la plantilla de la transicin = elevacin H de la plantilla del canal = 5405.50. Paraque las transiciones de entrada y salida sean idnticas p=0.30m. Entonces la elevacin de la plantilla de la transicin EL.F = EL.G pEL.F = 5405.50 0.30 = 5405.20m.La altura de la entrada en el cabezal (Ht) en la estacin F es:

Sumergencia de tope o corona delaabertura

= Esta sumergencia no debe exceder un sexto de Ht(1/6 Ht) para prdidas de carga mnima.

El cual es mayor que 0.0563.

Por lo tanto, la prdida por transicin de salida es mnima y pueda ser calculada usando la ecuacin O.7hv

CADA DE ELEVACIN DE LA SUPERFICIE DEL AGUA(Carga disponible), esta es igual:a = SNA EL. STA. A EL. SNA. STA. H = 5406.90 5405.58 = 1.32 m.Antes de establecer detalladamente las elevaciones y dimensiones del sifn, se usar preliminarmente el esquema del sifn y se determinar la prdida total de carga aproximada y se comparar con la carga disponible. Se establecern las dimensiones y ngulos tal como se requiera. Este estudio determinar si el dimetro del tubo o perfil del canal debe ser revisado. La prdida total de carga con 10% de factor de seguridad = 1.1 (prdida por convergencia en la transicin a la entrada + prdida por fricciones en el tubo + prdidas por doblado (ngulos) + prdidas por divergencias en la salida de la transicin).

Haciendo HL = Prdida total, tenemos:

HL = 1.1() Donde:hi = Prdida a la entrada o ingresohf = Prdida por friccinhb = Prdidas por ngulos en el tuboho= Prdidas en la salida

HL = 1.1

Obteniendo: L = 21.88; segn escala de planongulo de doblado = 12; segn escala de plano de esquema

= - = 0.1055 0.0213

HL =

= 0.04 hallado el grfico Fig. 8.1 en funcin de HL = 0.2219m.La carga proporcionada por el perfil del canal es a = 1.32m., el cual es mucho mayor que HL =0.2219m. Este exceso de carga (1.32 0.2219 = 1.0981) ocasionar una ligera depresin aguas arriba del canal a partir de sifn y resultar en una velocidad mayor que las velocidades normales para una distancia corta. Para este diseo se asumir que esta velocidad es NO EROSIVA de manera que no es necesario que el perfil del canal por tamao del tubo sea revisado.DIMENSIN (Y) DE LA TRANSICINSegn figura 72 (de separata) el valor de Y ser

Las dimensiones de Y debern ser determinada de tal forma queda el borde libre proporcionado en el zampeado sea de 0.15m = Fb.Y = (Elev. De SNA. STA.A Elev. STA.B) + Fb.Y = (5406.90 5406.3876) + 0.15m.Y = 0.5124 + 0.15 = 0.6624mY = 0.6624m.Por lo tanto usando Y = 0.66m. DIMENSIONES DE LA TRANSICIN(a)Ver a en la figura 7-2.El borde libre en el cabezal de la transicin para dimetros de tubo de 24 y menores puede ser la misma que el borde libre en el zampeado.

Por lo tanto la corona del cabezal es fijada a la misma elevacin que la de la corona del muro en el zampeado y es igual a:EL.B + Y = 5406.3876 + 0.66EL.B + Y = 5407.0476a = EL. Tope del muro EL.C = 5407.0476 5406.0876 = 0.96m.

DIMENSIN C DE LA TRANSICINReferirse a la figura 7-2 para determinar C.Para transiciones idnticas aguas arriba y debe usarse la columna cuyo ngulo de la superficie de agua es 25. La relacin del dimetro del tubo a la profundidad normal (d) del agua en el canal es necesario determinarse para ser usado en la tabla y es igual a:D = 1.6D.Por interpolacin en la tabla entre D = 1.5d y D = 2.0d, la dimensin C sera:

1.9D = 1.9(0.91) = 1.16m.

1.16m. Usese C = 1.22 m.

1.22m.Profundidad y espesor del Zampeado de la TransicinRefirindose a lo apropiado en la tabla de la figura 7-2 para una profundidad normal del canal (tirante normal) de 0.38m. (1.25 pies), la profundidad (e) del zampeado de la transicin deber ser de 24 (0.61m.) y el espesor del zampeado (tw) ser igual a tw = 6 = 0.15m.Longitud de transicin del concreto (L)Segn figura 7-2 se tiene:L = 3 dimetro del tubo = 3 x 0.61 = 1.83m.L = 1.83m.Dimensin B de la transicinVer figura 7-2, el ancho de la base en el cabezal es B y es igual a:B = 0.303 D = 0.303 x 0.61 = 0.185m.seseB = 0.20m.

Perfil final del sifnUsando las elevaciones, dimensiones y pendiente del terreno previamente computado o dado, se determinar el emplazamiento final de la estructura, tubo, elevaciones y pendiente del tubo.Las estaciones C y E en el cabezal de la transicin son controladas por las dimensiones del trabajo del terreno y las pendientes laterales y espesor de muro de cabezales.De la figura, puede determinarse que la estacin C debe estar a por lo menos 10.45m. aguas arriba a partir del eje de la carretera.STA= STA . T 10.45m.= STA (150 + 00) 10.45m.= STA 49 + 19.95 o menosseseSTA . C 57 149 + 19.95La STA.B es entoncesSTA.B = STA.C 1.824 = STA.C 1.82= STA (149 + 19.95) 1.82STA.B = STA.149 + 18.13Y la STA A viene a ser:= STA.B 3.04m.= 14.9 + 18.13 3.04m.STA A= 149 + 15.09m.

La pequea diferencia en el valor dado para la estacin A (149+14.29) y la estacin computada (149 + 15.09) no es suficiente como para requerir cualquier cambio en el perfil de la plantilla del canal.Las estaciones F, G y H son determinados en la misma manera como en la estacin A, B y C de la figura puede verse que la estacin F debe estar por lo menos 9.24m. a partir del eje de la pista.STA F= STA. J + 9.24= STA (150+00) + 9.24m.= STA (150 + 9.24)La estacin G es entoncesSTA G= STA. F + 1.82= STA (150+9.24) + 1.82= STA 150 + 11.06m.La STA H se convierte en:STA H= STA G + 3.04m.= STA (150 + 11.06) + 3.04STA H= STA 150 + 14.10m.Aqu de nuevo la diferencia entre los valores dados y compartidos para la estacin H es pequea y no requerir ningn cambio en el perfil de la plantilla del canal.

Las estaciones D y F son seleccionados para asegurar que se provea un mnimo de 0.61m de cobertura de tierra en el tubo debajo delas zanjas, de cunetas. La plantilla de las zanjas tipo V de las cunetas estn localizadas a 4.64m. a partir del eje de la carretera.Entonces la STA. D = STA. J 4.86STA. D= STA (150+00) 4.86= STA 149 + 25.24La elevacin Des determinada mediante la sustraccin del dimetro del tubo, espesor de la seccin del tubo y la cobertura mnima a partir de la elevacin de la zanja de cuneta.EI.D = (5407.00-0.46)-(0.61+0.076+0.61)EI.D = 5405.24Determinando la STA.E = STA. J + 4.84 =STA (150+00) + 4.84 = STA 150 + 4.84STA. E = STA 150 + 4.84La elevacin E determinada sustrayendo el producto de la distancia entre las estaciones D y E y la pendiente 0.005 del tubo (el cul es una pendiente mnima) a partir de la elevacin D1. EL. E = EL. D 9.73x0.005 = 5401.24-0.049= 5401.24 0.049 = 5401.19La pendiente del tubo aguas arriba (S1); sta flucta entre las estaciones C y D y calculada como sigue:Distancia horizontal = STA.D STA.C= (149+25.24) (149+19.95)= 5.29mDistancia Vertical = EL.C EL.D= 5406.0876 5405.24= 0.85m.

ngulo que le corresponde a dicha pendiente o tangente es:

La pendiente del tubo (S3) aguas abajo.Sedeterminar la pendiente del tubo entre las estaciones E y F.Distancia horizontal = STA.F STA.E= STA (150+9.24) (150+4.84) = 4.40Distancia horizontal = 4.40Distancia vertical = EL.F EL.E= 5405.20 5404.19= 4.01m.

El ngulo de esta pendiente en el ngulo cuya tangente es 0.23

PRDIDA DE CARGAS FINALES DEL SIFN (HL)Las prdidas de cargas finales totales con un factor de seguridad de 10% es = HL = 1.1 (Prdidas por convergencia en la transicin + prdida por friccin del tubo + prdidas de divergencia en la transicin de salida).

HL = 1.1 (hi + hf + hb + ho)

HL = (0.4hv + L x Sf + hvpx2 + 0.7hv)

Determinando la longitud del tubo de la estacin C a la estacin D.

En la estacin D a la estacin E. Desdeque la pendiente del tubo es relativamente plana, usando la distancia horizontal = STA E STA D = STA(150+4.84) STA (149+25.24)= 10m.De la estacin E a la estacin F

= L = 4.51m.La longitud total del tubo es (LT) = LT = 5.36 + 9.73 + 4.51 = 19.60Por lo tanto la prdida total de carga en el sifn es (HL).

HL =1.10.4(0.1055-0.0213)+19.6x0.00440

+(0.04x0.1055)x2+0.7(0.1055-0.0215)HL = 1.1(0.0337+0.086+0.0084+0.0589)HL = 1.1 (0.1870)HL = 1.287 m.Desde que la carga proveda es 1.32m es mayor que la carga requerida de 1.29m, una ligera deposicin o abastecimiento de la superficie del agua ocurrir por una corta distancia aguas arriba del sifn. Este exceso de carga causar una ligera aceleracin de velocidad que podemos asumir no erosivos para el caso en anlisis, ni tampoco requiere revisar el perfil del canal en el dimetro del tubo.

PROTECCIN DE EROSINSe refiere la tabla de Figura 7-8, desde que la profundidad de agua es menor de 0.61m (=0.38) no se requerir proteccin de erosin a la entrada.

COLLARES DEL TUBOAsumiendo que el collar no es requerido para desalentar o contrarrestarconejeras, estos son necesarios para suavizar la percolacin del agua a lo largo del tubo.

La diferencia con elevacin entre la superficie del canal de agua y la cuneta de la carretera es H = 0.69m. La relacin ponderada de arrastre o factor de percolacin requeridos para prevenir la tubificacin es asumido ser 3.0. Determinadola longitud ponderada de arrastre (Lw) desde la entrada de la transicin a la primera cuneta de la carretera, asumiendo que el agua percolada fluye a lo largo del lado del fondo del sifn desde la estacin B a la estacin D, luego eternamente a lo largo del tubo a la corona del tubo y finalmente a travs de la tierra a la plantilla de la cuneta.La longitud ponderada de arrastre son derivados de la multiplicacin de la longitud de trayectoria por UNO. Si la trayectoria es vertical y entre estructura y tierra, por 1/3 si la trayectoria es horizontal y entre estructura y tierra; y por DOS si la trayectoria es a travs de tierra.

Lw =(2xdimensin vertical del zampeadox 1) +

(STA.DSTA.B) x+ (dimetro exterior del tubo) x1 +(Cobertura de tierra en el tubo) x 2

=(2x0.61) x 1 + 7.6 x + 0.76 x 1 + 2 x 0.61Lw =5.73m.Determinado el factor de percolacin (FP) que esta distancia de arrastre provee se tendr:

Desde que el factor de percolacin de 8.30 es mayor que 3 que es el necesario asumido, no se necesitarn collares.

CLASE DE TUBO DE CONCRETO PREFABRICADOLa carga de tierra equivalente en el tubo no exceder de 3.04m. (1 metro de cobertura de tierra + carga H2O) es equivalente a una cobertura de tierra de 2.77m) y la carga hidrosttica medida al eje del tubo no exceder 7.06m, por lo tanto el tubo clase B25 es satisfactorio y la designacin del tubo ser: 24B25.

OTRO EJEMPLO DE CLCULO

Elaborar un proyecto de un sifn con los siguientes datos:

a) Caudales de proyecto

A lo largo de los aos, los caudales afluentes al sifn sern de acuerdo con los valores mostrados en la figura 1.

En la figura 2, se tienen los caudales para cada etapa del proyecto, los cuales son mostrados en la tabla 1.

b) Longitud del sifn

La longitud del sifn es de 40 m.

c) Caractersticas del colector que afluye al sifnDimetro= 800 mmPendiente =0,0036 m/m (0,36 %)Cota de la solera del colector afluente= 384 m.Solucin:

Clculo de las tuberas del sifn invertido

Admitindose que el sifn invertido estar constituido de 3 tuberas (1, 2 y 3), de modo que la tubera 1 atender la etapa cero, la tubera 2 ms la tubera 1 atendern la primera etapa y la tubera 3 y las dems atendern la segunda etapa.A continuacin se determinan sus dimetros, considerndose para el caudal medio una velocidad superior a 0,60 m/s (para el caudal mximo horario de un da cualquiera, velocidad igual o superior a 0,9 m/s)

a) Determinacin del dimetro de la tubera 1 para atender el inicio de la operacinPara el caudal medio de 80 L/s

Adoptndose el dimetro comercial ms prximo, resulta en D2 = 500 mm. Alternativamente, para el caudal mximo horario de un da cualquiera, de 283 L/s.Para Q2 = 283 111 = 172 L/s

A2 = 0.172/0.90 = 0.191 m2, que tambin resulta D2 = 500mm

14.2 Clculo de la curva caracterstica y la forma de operar del sifn

Para determinar la curva caracterstica del sifn, son calculadas las prdidas de carga, que se compone de prdidas de carga localizadas y prdidas de carga distribuida.

a) Prdida de carga localizada

b) Prdida de carga distribuida

Las tuberas del sifn sern de fierro fundido dctil clase k-7. Las prdidas de carga sern calculadas por la frmula Universal, con coeficiente de rugosidad uniforme equivalente (K) igual a 2,0 mm. Considerando que la longitud del sifn es de 40 m, las prdidas carga totales ser determinadas a travsde las tablas 3y 4.En la figura 3, fueron trazadas las curvas caractersticas del sifn, determinndose las prdidas de carga para las tuberas de 400 mm y de 500 mm, y sus respectivas velocidades.El trazado de las curvas de prdida de carga para las tuberas, fue hecho grficamente, considerndose para una determinada prdida de carga la suma de caudales de cada tubera. Para la distribucin de los caudales a lo largo del perodo de proyecto y considerndose las velocidades de auto limpieza en las diferentes tuberas del sifn, se puede admitir una prdida de carga mxima de 0,35 m.

Por lo que se observa en la tabla 5, la condicin crtica de operacin del sifn se sita en la fase inicial, donde la velocidad para el caudal medio es de 0,64 m/s, para el caudal mximo horario de un da cualquiera de 111 L/s, en el inicio de la operacin la velocidad ser de 0,88 m/s. Por lo expuesto en el numeral 4.2 del presente Reglamento, para esa velocidad se puede admitir que habr autolimpieza en las tuberas del sifn.

Considerando la forma de operar el sifn y los caudales afluentes, se puede prever, conforme presentado en la figura 4, el perodo de operacinde las diferentes tuberas del sifn (vase tabla 6).

14.3 Niveles de agua en las cmaras del sifn

a) Cmara de entrada

Para la determinacin de los niveles de agua en las cmaras del sifn, fueron considerados los caudales que ocasionan las prdidas de cargas mximas (H = 0,35 m), conforme se observa en la figura 5. En la tabla 7 estn determinadas las cotas de los niveles de agua en la cmara de aguas arriba para esos caudales.

b) Cmara de salida

El nivel de agua a la salida del sifn es resultante del nivel de agua aguas arriba, menos la prdida de carga. Considerando los caudales transportados por el sifn que ocasionan las prdidas de carga mxima, se tienen los niveles de agua en la cmara aguas abajo, conforme se presenta en la tabla 8.

La cota del fondo de la cmara aguas abajo ser definida de modo que no ahogue el colector efluente del sifn. Como el dimetro y la pendiente del colector efluente son iguales a los del colector afluente de la cmara aguas arriba, las alturas de las lminas de agua sern iguales. As, la cota del fondo de la cmara aguas abajo debe ser:

Cota de fondo = 384,00 - 0,35 = 383,65 m.

En la figura 6 son presentados los detalles de las cmaras aguas abajo, inclusive el nivel mximo de agua.

14.4 Ventilacin del sifn

Ser proyectada una tubera para la ventilacin del sifn a ser localizada en la cmara aguas arriba, pues esta se admite para que los gases expelidos no afecten a las condiciones ambintales del lugar. Su dimetro ser equivalente a un dcimo de las tuberas del sifn.

El rea equivalente de las tuberas del sifn ser de 0,519 m2. Por tanto el rea de la tubera de ventilacin del sifn ser de 0,0519 m2 y su dimetro ser de 250 mm.

Para la determinacin de los niveles de agua en las cmaras del sifn, fueron considerados los caudales que ocasionan las prdidas de carga mximas.

MANUAL:CRITERIOSDEDISEOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACIONDE PROYECTOS HIDRAULICOS 2DISENOHIDRAULICODELSIFON 2.1Ejemplo de diseo1

Con la informacin topogrfica de lascurvasdenivelyelperfildelterrenoenelsitiode la obra,se traza elsifnyse procede a disearla forma y dimensiones de Iaseccindelconducto mas econmica yconveniente, esto se obtiene despus de hacervarios tanteos, tomando en cuenta lasprdidas de carga que han de presentarse.Lasdimensionesde la seccin transversal delconducto dependen delcaudal que debe pasary de la velocidad. En sifones grandes se considera una velocidadconvenientede agua en elbarrilde 2.5 -3.5 m/sque evita eldeposito de azolves en el fondo delconductoy que no es tan grande quepueda producir la erosin delmaterialdelosbarriles.Cuando por lascondiciones del problema, no sea posible dar el desnivel que porestaslimitacionesresulten,sepuedenreducirlasprdidas,disminuyendoprudentementelavelocidad del agua,teniendo en cuentaque con estose aumenta elpeligro de azolvamiento delsifn,porlo que habr necesidad de mejorarlasfacilidadesparalimpiarelinteriordelbarril.El sifn funcionapor diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorbertodaslasprdidas en elsifn. La diferencia de cargas AZ debe sermayor que lasprdidas totales. Para el sifn particularmenteque analizamos, lasseccionesdelcanalalaentradaysalidasonrectangularesy de lasmismas dimensiones, ademsdela misma pendiente 0.002, en consecuencia tendr el mismo tirante y velocidad.H = E1E2= z1-z2=3487.342 -3478.76 = 8.582m2.1.1Clculo deldimetrodelatubera

Para conducto masadecuado econmicamente y tcnicamente, sedeterminaron susdimensionesen funcin de ladescarga que pasar yde lavelocidadqueresulta.Consideremos una velocidad de 3.6 m/s queeste prximo alintervaloentre 2.5 y3.5 m/s que nos evita eldepsito de lodo o basura en elfondo delconductoyque no seatan grande que pueda producir erosin en la tubera, con estevalor conseguiremossudimetro,ydespejandode laecuacin de continuidad:

Por lo que asumiremos la tubera de =26" cuyas caractersticas hidrulicas sern:Su rea hidrulicaser:

Su permetro mojado ser:

Su radio hidrulico ser:

De la ecuacin de continuidad, la velocidad dentro de la tubera de acero ser:

Se trata de un rgimen de flujo turbulento, pero aun es aceptable la velocidad.Ademas a la entrada y salida de la tubera de presin la velocidad con la que discurre y el tipo de flujo por el canal rectangular de dimensiones de 13m de solera y un 0.74m de tirante, ser:

Donde:

La altura mnima de ahogamiento a la entrada 0.55=0.62m Por lo tanto:

La altura minima de ahogamiento en la salida. Comparando los resultados anteriores sern:Hmin=1.018mHmin=0.62mHmin= 0.89m

Hmin