COMPUERTAS Marco Teorico

COMPUERTAS

BROCHERO JANNER DE LA OSSA VICTOR LLERENA ANDRÉS SANDOVAL JAVIER SIERRA JORGE ANDRÉS

PRESENTADO AL PROFESOR: CARLOS M.

EN LA ASIGNATURA DE: HIDRÁULICA

CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DE LA COSTA, CUC. FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL VI SEMESTRE

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

1. OBJETIVOS

1.1.

OBJETIVO GENERAL

1.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

2. JUSTIFICACIÓN

3. MARCO TEÓRICO: COMPUERTAS

4. CONCLUSION

INTRODUCCIÓN

En el siguiente trabajo de hidráulica hablaremos sobre las compuertas hidráulicas las cuales son unos dispositivos hidráulico - mecánico destinado a regular el pasaje de agua u otro fluido en una tubería, en un canal, presas, esclusas, obras de derivación u otra estructura hidráulica. Las compuertas fueron creadas por los europeos pero en nuestro continente los primeros en utilizarlas fueron los indígenas en Mesoamérica las eran hechas sea con meras obstrucciones de tierra en los canales, sea como compuertas de cabecera y de desagüe a manera de puertitas en los canales. Las aplicaciones que tienen las compuertas son las de el control de flujos de aguas, control de inundaciones, proyectos de irrigación, crear reservas de agua, sistemas de drenaje, proyectos de aprovechamiento de suelos, plantas de tratamiento de agua, incrementar capacidad de reserva de las presas entre otras. Entre los diferentes tipos compuertas están Compuerta tipo anillo, Compuerta tipo basculante, Compuerta tipo cilindro, Compuerta tipo esclusa, Compuerta tipo lagarto, Compuerta tipo rodante, Compuerta tipo sector, Compuerta tipo segmento, Compuerta tipo Stoney, Compuerta tipo tambor, Compuerta tipo tejado, Compuerta tipo vagón, Compuerta tipo vicera, Compuerta tipo Stop Log.

1. OBJETIVOS

1.1.

-

OBJETIVO GENERAL

Determinar la gran importancia y el uso que tienen los diferentes tipos de compuertas hidráulicas en la rama de la ingeniería.

1.2.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

-

Explicar las hidráulicas.

múltiples

aplicaciones

que

tienen

las

compuertas

-

Hablar de los diferentes tipos de compuertas hidráulicas que existen.

-

Mostrar esquemáticamente los tipos de compuertas hidráulicas.

2. JUSTIFICACIÓN

Las compuertas hidráulicas juegan un papel muy importante ya que nacen de una necesidad o un problema bien sea social, político, económico en donde su objetivo no es más que satisfacer nuestras necesidades ya que nos brinda un mejor desarrollo. En el que hacer de de ingenieros sanitarios e ingenieros civiles, se incluye diseño de estructuras hidráulicas que almacén, contengan y transporten fluidos, especialmente agua, por ello es necesario conocer todos aquellos elementos aplicados para relacionar las propiedades de los fluidos quietos y en movimiento con herramientas analíticas que nos permitan dimensionar adecuadamente dichas estructuras, cuantificar los flujos a través de ellos y enfrentar los fenómenos hidráulicos que el transporte de éstos genere.

3. COMPUERTAS

Puerta movible que se coloca en las esclusas de los canales y en los portillos de las presas de río para detener o dejar pasar las aguas. Las compuertas son equipos mecánicos utilizados para el control del flujo del agua y mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniería, tales como presas, canales y proyectos de irrigación. Existen diferentes tipos y pueden tener diferentes clasificaciones, según su forma, función y su movimiento. Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de la cabeza estática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las condiciones particulares de operación. Aplicaciones: 

Control de flujos de aguas



Control de inundaciones



Proyectos de irrigación



Crear reservas de agua



Sistemas de drenaje



Proyectos de aprovechamiento de suelo



Plantas de tratamiento de agua



Incrementar capacidad de reserva de las presas

Principales tipos de compuertas Para canales, presas, esclusas y obras hidráulicas de envergadura los principales tipos de compuertas son: Compuertas tipo anillo: Las compuertas tipo anillo son utilizadas en la cresta de los vertederos tipo "tulipa", en las presas que están equipadas con este tipo de vertedero.

Compuerta tipo basculante Compuerta basculante o clapeta puede ser utilizada tanto en la cima del vertedero de una presa como instalado en el fondo de un río o canal

Compuerta tipo cilindro: Las compuertas cilíndricas se utilizan para descargas en presión permitiendo la colocación de la sección de toma a cualquier profundidad, en un embalse. En el mismo pozo se pueden disponer tomas de agua a diversas alturas. Se acopla fácilmente a una tubería de salida.

Compuertas tipo exclusas: Las compuertas tipo esclusa tienen las bisagras verticales. Se accionan por medios mecánicos o por pistones hidráulicos. La compuerta se abre para permitir el paso del buque. Sólo se puede abrir cuando la diferencia entre los niveles de agua fuera y dentro de la esclusa es de unos pocos centímetros.



Compuerta tipo lagarto:

Las compuertas tipo "lagarto" son utilizadas para abrir o cerrar tomas en presión para descargas de fondo o para centrales hidroeléctricas.



Compuerta tipo rodante:

La compuerta rodante, utilizada en vertederos de presas, es manipulada desde los pilares del vertedero accionando cadenas, una en cada punta. La compuerta, constituida por un cilindró vacío, rueda sobre sí misma al ser elevada o descendida. Permite liberar totalmente el vano del vertedero, permitiendo la navegación.



Compuerta tipo sector:

Una Compuerta tipo sector es una compuerta utilizada en vertederos de presas, es manipulada utilizando el desnivel de agua creado por estas, no requiere de equipo mecánico para su operación. La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el vertedero no pueda tener la forma óptima, lo que incrementa el volumen de hormigón del mismo. Su utilización y características son semejantes a la compuerta tipo tambor.

–

Compuerta tipo segmento: Las compuertas de segmento son muy utilizadas en la cresta de los vertederos de las presas. Antiguamente se movían jaladas por cadenas, mediante dispositivos instalados en los pilares del vertedero. Actualmente son accionadas mediante pistones hidráulicos o neumáticos. Algunas compuertas de este tipo disponen, en la parte superior, de una parte abatiente. Esto permite descargar caudales pequeños, liberar el embalse de materiales fluctuantes y llenar la cuenca de disipación del vertedero para mejorar su funcionamiento en las fases iniciales de grandes descargas

–

Compuerta tipo tambor: La compuerta tipo tambor es un tipo de compuerta hidráulica utilizada en vertederos de presas. Es manipulada utilizando el desnivel de agua creado por estas y no requiere de equipo mecánico para su operación. La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el vertedero no pueda tener la forma óptima, lo que incrementa el volumen de hormigón del mismo. Su utilización y características son semejantes a la compuerta tipo sector.

–

Flujo a través de compuertas Las compuertas tienen las propiedades hidráulicas de los orificios y, cuando están bien calibradas, también pueden emplearse como medidores de flujo. Las condiciones físicas, hidráulicas, climáticas y de operación, evaluadas apropiadamente, imponen la selección del tipo y tamaño adecuado de las compuertas. Éstas se diseñan de diferentes tipos y con variadas características en su operación y en su mecanismo de izado, los cuales permiten clasificarlas en grupos generales de la siguiente manera: a.

Según las condiciones del flujo aguas abajo: -

Compuerta con descarga libre.

-

Compuerta con descarga sumergida o ahogada.

b. Según el tipo de operación o funcionamiento: -

Compuertas Principales: se diseñan para operar bajo cualquier condición de flujo; se les llama de regulación cuando se les conciben para controlar caudales en un canal abierto o sobre una estructura de presa, con aberturas parciales, y se conocen como compuertas de guarda o de cierre aquellas que funcionan completamente abiertas o cerradas.

-

Compuertas de emergencia: se utilizan en los eventos de reparación, inspección y mantenimiento de las compuertas principales, siendo concebidas para funcionar tanto en condiciones de presión diferencial, en conductos a presión, como en condiciones de presión equilibrada.

c. De acuerdo a sus características geométricas: -

Compuertas planas: Rectangulares Cuadradas Circulares Triangulares, etc.

-

Compuertas curvas o alabeadas: Radiales: también llamadas compuertas Taintor, tienen la forma de una porción de cilindro, y giran alrededor de un pivote o eje horizontal

situado en el eje longitudinal de la superficie cilíndrica. Por su forma algunas veces se les llama compuerta Sector. Generalmente, en las compuertas radiales el agua actúa en el lado convexo y, debido a las propiedades hidrostáticas de una superficie cilíndrica, la línea de acción del empuje hidrostático resultante pasa a través del pivote o centro de giro. En consecuencia, la fuerza requerida para levantar la compuerta es la necesaria para vencer el peso propio de la misma y la fricción en los apoyos. Este tipo de compuerta se usa en vertederos de presa, en obras de captación y en canales de riego. Tambor: consisten en una estructura hermética de acero, abisagrada en la cresta de rebose de un vertedero de presa, y con una forma tal que, cuando está en su posición más baja, ocupa un recinto dentro de la estructura de la presa, sin interrumpir el perfil de dicha cresta. Si el líquido penetra a dicho recinto, la compuerta se levanta por encima de la cresta, debido al empuje de flotación, evitando el paso de la corriente. Este mecanismo de operación constituye cierta ventaja sobre los otros tipos de compuerta, puesto que no requiere de superestructuras que incluyan grúas, cables, ni volantes, para su manejo. d. Según el mecanismo de izado: -

Compuertas deslizantes: el elemento de cierre u obturación se mueve sobre superficies deslizantes (guías o rieles) que sirven, a la vez, de apoyo y sello. Generalmente, se construyen en acero colado, y se emplean en estructuras de canales y en algunas obras de captación, en presas o tanques de regulación. La hoja de la compuerta o elemento de obturación se acciona con un mecanismo elevador, a través de un vástago o flecha de acero.

-

Compuertas rodantes: el elemento de cierre u obturación se mueve sobre un tren de ruedas, rodillos o de engranajes, hasta la posición de estanca. Se utilizan en obras de toma profunda, para casos de emergencia y de servicio, así como para cierre en mantenimiento, en conductos a presión. Ruedan a su posición de sello debido a su propio peso y se izan con cadenas o cables por medio de grúas especiales, fuera de la superficie del agua, hasta una caseta de operación, donde se les hace mantenimiento.

Ecuaciones para el caudal de flujo a través de compuertas: – A través de compuertas planas: para deducir la expresión, se considera el caso más general, donde la compuerta está inclinada un ángulo  respecto a la horizontal, y tiene un ancho B igual al del canal.

El flujo a través del orificio formado por el labio inferior de la compuerta y el fondo del canal puede considerarse bidimensional. Nótese que la descarga supercrítica bajo la compuerta reduce progresivamente su profundidad a lo largo de una corta distancia I, aguas abajo, hasta una sección en donde la contracción 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 contracción Cc, así:

(1) Además, para compuertas planas verticales, se ha comprobado que:

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

(3)

Suponiendo las hipótesis de fluido incompresible, flujo permanente y uniforme, distribución hidrostática de presiones, lejos de la compuerta, y tensiones cortantes nulas, en paredes y fondo del canal, la ecuación de Bernoulli expresa lo siguiente:

(4)

(5)

Por continuidad:

(6)

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

Distribuyendo el binomio y simplificando se tiene:

(7)

Sacando raíz 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 ecuación (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 número de Reynolds y de las características geométricas del escurrimiento. H. Rouse afirma que los valores de Cd para compuertas planas verticales ( = 90º) son esencialmente constantes y con ligeras variaciones alrededor de 0.61.

CONCLUSIÓN

Al terminar la investigación acerca de las compuertas hidráulicas, hemos podido determinar la importancia y las aplicaciones que tienen las diferentes compuertas aquí, ya explicadas y representadas en esquemas visuales, además pudimos concluir que las compuertas son utilizadas mayormente en preseas de gran tamaño, las cuales tienen la función general de aliviar, mantener o soportar un nivel de agua, dependiendo de la función que se quiera poner a cumplir tal compuerta, un ejemplo bastante conocido, son las compuertas en el canal de Panamá, las cuales son de vital importancia en la economía mundial, ya que debido a estas el tiempo de transporte de cargas en barcos, se hace mas corto.