SIFON

DISEÑO DE SIFONES

C. Ramos

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA

DEPARTAMNETO DE RECURSOS HIDRICOS

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL

DE OBRAS DE ARTE

• El experimento más importante lo realizó un discípulo de Galileo Galilei, el italiano Evangelista Torricelli (1608-1647), cuyo rostro y experimento podemos ver en la figura 48. Procedió a llenar con mercurio un tubo de vidrio del orden de 1 metro de longitud y luego lo invirtió abriendo su extremo en un recipiente que también contenía mercurio

SIFON INVERTIDO

• Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir agua por una depresión topográfica o quebrada, también para pasar por debajo de un camino, una vía de ferrocarril, un dren o incluso otro canal.

• El sifón invertido se utilizará si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo.

PARTES

Un sifón invertido completo consta de las siguientes partes:

• Transición de entrada

• Compuerta de entrada

• Conducto

• Válvula de purga

• Transición de salida.

Partes

Nivel de referencia

Y1

Y2

Z1

Z2

hV1

hV2

hf Gradiente de energía LGE

Gradiente hidráulica LGH

Trazo preliminar

• Desarrollo mínimo posible • Excavaciones mínimas • Relleno sobre el conducto con espesor

DISEÑO HIDRAULICO

El diseño hidráulico de un sifón está gobernado por tres factores fundamentales; economía, perdidas de cargas y sedimentos. En base a ellos, se debe priorizar la velocidad del agua en el sifón. Las velocidades comprendida entre 2.0 – 3.0 m/s garantizan los tres requisitos mencionados

Q = 3.40 m3/s (Caudal) S = 0.0009 (Pendiente) d = 1.029 m (Tirante hidráulico) A = 2.708 m2 (Area hidráulica) P = 4.512 m (Perímetro mojado) R = 0.600 m (Radio hidráulico) V = 1.25 m m/ (Velocidad) n = 0.017 (Rugosidad) f = 0.471 (Borde libre) B = 4.60 m (Base mayor) b = 1.60 m. (Base menor) h = 1.50 m. (Altura) t = 1 : 1 (Talud) hv = 0.07964 m. (Carga de velocidad)

Características del canal de entrada y salida

Características del Conducto

Q = 3.40 m3/s (Caudal) Conducto de 1.35 x 1.35 m. (interior) Carteles de 0.20 x 0.20 m. n = 0.017 (rugosidad del concreto)

Calculo de la Longitud de la Transición de

Entrada y Salida

'30º222

CottT

Lt

(Criterio de Julián Hinds y la Secretaría de Recursos Hidráulicos de México). Lt = Longitud de la transición T = 4.60 m. (Base mayor del canal) t = 1.35 m. (Ancho del conducto

Funcionamiento Hidráulico del Sifón

• Pérdida por Transición de entrada

12211 hfhvddesnivelhvd

g

VV

21.0hf

2

1

2

21

Sumergencia = "3º30cos

2 d

d Dode:

1 = ángulo de entrada al sifón

Diámetro = ancho del conducto

Pérdida por rejilla

Solera de 1/4” x 3/8” (0.64 0.95 cm.)

Número de espacios = 5.1310.0

35.1

Número de barrotes = 14 – 1 = 13

Ancho neto = 1.35 – (13 0.0064) = 1.266 m

Área neta = 1.35 1.266 = 1.709 m2

/989.1709.1

40.3mVn (Velocidad neta)

g

VK n

2hf

2

2 (7)

K = 1.45 – 0.45

2Ag

An

Ag

An (8)

Donde:

An = Área neta = 1.709 m2

Ag = Área total = 1.35 1.35 = 1.822 m2

g

VK n

2hf

2

2

K = 1.45 – 0.45

2

2

Ag

An

Ag

An


Pérdida por Entrada al Conducto

g

VKe

2hf

2

3

g

VKe

2hf

2

3 (9)

Donde:

hf3 = Pérdida por entrada al conducto.

V = 1.951 m/

Ke = 0.231 (Se considera entrada con arista ligeramente redondeada)

Descripción CE

Tub

os

de

con

cret

o

Campana saliente O,2

Espiga saliente (no se recomienda su uso)

0,5

Con aletas (ángulo 0º a 90º) campana en el extremo

0,2

Con aletas (ángulo de 0º a 90º) espiga en el extremo

0,5

Con aletas (alfa de 0º a 90 º) redondeada (radio D=12) 0,2

Sección terminal prefabricada de acuerdo con talud

0,5

Tub

os

o a

rco

s m

etal

co

rru

gad

o Extremo saliente

0,9

Con aletas (alfa de 0° a 90°)

0,5

Chaflanado de acuerdo con talud 0,7

Sección terminal prefabricada de acuerdo con talud

0,5

Caj

on

es d

e co

ncr

eto

arm

ado

Aletas o muros con cabeceras 0,7

Aristas sin redondear 0,5

Muro de cabecera

0,2

Tres aristas redondeadas (radio = 1/12 dimensión cajón)

Aleta (alfa entre 30° y 75°)

0,2

Arista superior redondeada

Fig. 9. Principales tipos de embocadura de entrada (Cariciente, 1985)


Pérdida por Fricción en el Conducto

L

R

nV

23/2

2

4

*hf

Utilizando la fórmula de Manning:

LR

Vn

3/24hf (10)

Donde:

hf4 = Pérdida por fricción

V = 1.951 m/s (Velocidad en el conducto)

n = 0.017 (Rugosidad, se ha adoptado este valor para absorber condiciones de

vaciado de concreto defectuoso)

R = 0.499 m. (Radio hidráulico)


Pérdida de carga por Codos o cambios de Dirección

g

V

2º9025.0hf

2

5

n

g

V

1

2

5902

25.0hf

Para un codo tenemos:

g

V

2º9025.0hf

2

5

(11)

Para n codos:

n

g

V

1

2

5902

25.0hf (12)

Donde:

V = 1.951 m/s (Velocidad en el conducto)

= ángulo de deflexión

hf5 = pérdida de carga por codos


Pérdida por Transición de Salida

64433 hfhvdDhvd

SUMA TOTAL DE PERDIDAS DE CARGA

Pérdida por Transición de Salida

64433 hfhvdDhvd

hf6 = 0.2 hv

hv = Diferencia de cargas de velocidad entre los puntos 3 y 4

- Cálculo del porcentaje de ahogamiento.

El porcentaje de ahogamiento se calcula con:

% Ahogamiento = d

dd 3 (17)

cos

Ld (18)

Donde:

= ángulo de salida = 35º

L = Ancho del sifón = 1.35 m

DISEÑO ESTRUCTURAL

• Análisis a conducto lleno

sin considerar relleno como caso más desfavorable, antes de que se cubra hasta tener la seguridad de que es totalmente impermeable.

Las cargas que se considerar para efectos del análisis a conducto lleno son: La presión que ejerce el agua sobre las losa superior, losa inferior, y paredes laterales. Los pesos propios de las losas y paredes, y La reacción del terreno.

Acero de refuerzo

Análisis a Conducto Vacío

• En este caso se van a considerar las cargas exteriores que obran sobre el sifón, y en este caso la zona más crítica es en el fondo de la quebrada. Para protección de la estructura se considera el sifón enterrado con una altura de tierra, sobre la losa superior

Diagrama de momentos y cortantes

Gracias

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