Excel, Macros y Visual Basic

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

BIBLIOTECA EDUARDO COTE LAMUS RESUMEN TESIS DE GRADO AUTORES JOHANA MARLENE JAIMES PÉREZ Y WILLIAM OMAR PÉREZ SILVA____________________________________________________________ FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL PLAN DE ESTUDIOS _DE INGENIERIA CIVIL____________________________ DIRECTOR GUSTAVO ADOLFO CARRILLO SOTO________________________ TÍTULO DE LA TESIS “EXCEL, MACROS Y VISUAL BASIC APLICADOS EN HIDRAULICA, HIDROLOGIA Y ESTRUCTURAS HIDRAULCAS”______________ RESUMEN Este proyecto presenta como producto final el primer software elaborado en Excel, Macros y Visual Basic, el cual se conoce como HIDRACALC-2005. Una herramienta dirigida a estudiantes que están viendo o han visto las asignaturas de hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas permitiendo solucionar en forma analítica, práctica y sencilla problemas relacionados con las asignaturas mencionadas.

CARACTERISTICAS PAGINAS_114_PLANOS_____ILUSTRACIONES_______CD ROM

1

“EXCEL, MACROS Y VISUAL BASIC APLICADOS EN HIDRÁULICA, HIDROLOGÍA Y ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS”

JOHANA MARLENE JAIMES PÉREZ WILLIAM OMAR PÉREZ SILVA

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA PLAN DE ESTUDIOS DE INGENIERÍA CIVIL SÁN JOSÉ DE CÚCUTA 2005

“EXCEL, MACROS Y VISUAL BASIC APLICADOS EN HIDRÁULICA, HIDROLOGÍA Y ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS”

JOHANA MARLENE JAIMES PÉREZ WILLIAM OMAR PÉREZ SILVA

Proyecto de grado presentado para optar al título de Ingenieros Civiles DIRECTOR GUSTAVO ADOLFO CARRILLO SOTO Ingeniero Civil MSc.

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA PLAN DE ESTUDIOS DE INGENIERÍA CIVIL SÁN JOSÉ DE CÚCUTA 2005

A DIOS, por servirme de guía y orientación en todos los momentos, por haberme dado la sabiduría, la fortaleza, el empeño, y la fuerza necesaria para alcanzar las metas, y superar los obstáculos de la vida. A mis padres, Oneximo Jaimes B. y Yamile Pérez P. quienes gracias a su esfuerzo, dedicación, compromiso y apoyo incondicional siempre me acompañaron en este camino por ser cada día mejor y sobresalir a las adversidades. A mis hermanos Oneximo H., Yamile y Yesid L., personas en quienes me apoyo, con quienes comparto mis tristezas y alegrías. A mi novio William que siempre me llena de amor y con su ternura ha estado conmigo en las buenas y en las malas para lograr este sueño juntos.

Johana Marlene

A DIOS, por haberme dado la sabiduría y la fuerza necesaria para alcanzar las metas, y superar los obstáculos de la vida A mis padres, Nelson Omar y Gladis Zoraida quienes gracias a su esfuerzo y apoyo incondicional siempre me acompañaron en este camino para ser cada día mejor y sobresalir a la adversidades A mis hermanos Dennys Lorena y Nelson David, fuente de inspiración y alegría que acompañan los momentos de mi vida A mi novia Johana con quien comparto mi vida incondicional y que siempre ha estado conmigo en las buenas, en las malas brindándome fortaleza para salir adelante y así lograr este sueño juntos.

William Omar

AGRADECIMIENTOS Los autores expresan sus agradecimientos a: Gustavo Adolfo Carrillo Soto, Ingeniero Civil, Director del proyecto , por su interés y valiosa orientación en la elaboración del proyecto. Fernando Ortega Rincón Ingeniero Civil, profesor del Departamento de Hidráulica, Fluidos y Térmicas, por su asesoría para la elaboración del proyecto. Los profesores, por compartir sus conocimientos y formar en nuestro ser un buen profesional. Los compañeros de estudio, por compartir Universidad.

buenos momentos

y experiencias en la

La Universidad Francisco de Paula Santander, por habernos permitido alcanzar a través de ella este gran sueño.

CONTENIDO pg. INTRODUCCIÓN

21

1. PROBLEMA

22

1.1 TÍTULO

22

1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

22

1.2.1 Definición del problema.

22

1.2.2 Formulación del problema.

22

1.3 JUSTIFICACIÓN

23

1.4 OBJETIVOS GENERAL Y ESPECÍFICOS

23

1.4.1 Objetivo general.

23

1.4.2 Objetivos específicos.

23

1.5 DELIMITACIONES

24

1.5.1 Alcances.

24

1.5.2 Limitaciones.

24

2. MARCO TEÓRICO

26

2.1 ANTECEDENTES

26

2.2 BASES TEÓRICAS

27

2.3 MARCO CONCEPTUAL

29

2.4 MARCO LEGAL

31

3. METODOLOGÍA

32

3.1 POBLACIÓN

32

3.2 OBJETIVOS INTRUCCIONALES

32

3.3 RECOLECCIÓN Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN

32

3.4 HERRAMIENTAS DE PROGRAMACIÓN

33

3.4.1 Herramientas de diseño gráfico.

33

3.4.2 Lenguaje de desarrollo.

33

3.4.3 Herramienta de base de datos.

33

3.5 PROCEDIMIENTO PARA EL DESARROLLO DEL SOFTWARE

33

3.5.1 Introducción.

33

3.5.2 Planteamiento de la idea.

34

3.5.3 Definición del tipo de programa.

34

3.5.4 Etapas de diseño.

34

3.6 DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA

34

3.6.1 Distribución del programa.

35

3.6.2 OBJETIVO

36

3.7 MAPA DE NAVEGACIÓN

36

3.7.1 Descripción del mapa de navegación.

36

4. DISEÑO

41

4.1 DISEÑO DE LA BASE DE DATOS

41

4.2 DISEÑO DE LAS HOJAS

41

4.2.1 Presentación y menú principal.

41

4.2.2 Hidráulica.

42

4.2.3 Hidrología.

50

4.2.4 Estructuras hidráulicas.

54

4.3 DIAGRAMAS DE FLUJO MÁS UTILIZADOS PARA LA ELABORACIÓN DE HIDRACALC

62

5. MANUAL DEL INSTRUCTOR

76

5.1 REQUERIMIENTOS MÍNIMOS DEL SISTEMA

76

5.2 INSTALACIÓN DE HIDRACALC-2005

77

5.3 EJECUCIÓN DE HIDRACALC-2005

77

6. MANUAL DEL USUARIO

78

6.1 INTRODUCCIÓN

78

6.2 FUNCIONES DE LOS BOTONES PARA EL MANEJO DE HIDRACALC2005

78

6.3 MANEJO DEL LIBRO DE HIDRÁULICA

79

6.3.1 Cálculo de los elementos geométricos y manejo de opciones para determinar el Yc, Yn, n equivalente y Sc en los distintos canales.

79

6.3.2 Energía y Momentun

81

6.3.3 Diseño de canales.

82

6.3.4 Flujo gradualmente variado.

86

6.4 MANEJO DEL LIBRO DE HIDROLOGÍA

87

6.4.1 Evaporación.

87

6.4.2 Estadística hidrológica y Análisis de frecuencia.

88

6.5 MANEJO DEL LIBRO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS

90

6.5.1 Capacidad para un vaso fluvial.

90

6.5.2 Presas de gravedad y de tierra.

92

6.5.3 Vertedero de Cimacio.

96

6.5.4 Variación de niveles.

99

7. CONCLUSIONES

101

8. RECOMENDACIONES

102

BIBLIOGRAFÍA

103

ANEXOS

104

LISTA DE FIGURAS pg. Figura 1. Mapa de navegación

37

Figura 2. Ventana del menú principal

41

Figura 3. Ventana para seleccionar la asignatura a evaluar

42

Figura 4. Presentación de los diferentes canales

42

Figura 5. Cálculo de elementos geométrico en un canal rectangular

43

Figura 6. Cálculo de elementos geométricos en un canal trapezoidal

43

Figura 7. Cálculo de elementos geométricos en un canal triangular

43

Figura 8. Cálculo de elementos geométricos en un canal circular

44

Figura 9. Cálculo de Energía y Momentun

44

Figura 10. Cálculo de profundidad crítica

45

Figura 11. Cálculo de profundidad normal

45

Figura 12. Cálculo del n equivalente

46

Figura 13. Cálculo de pendiente crítica

46

Figura 14. Presentación para el diseño de canales

47

Figura 15. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal rectangular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima

47

Figura 16. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la sección hidráulica óptima

48

Figura 17. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal triangular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima

48

Figura 18. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal circular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima

49

Figura 19. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la velocidad máxima permisible

49

Figura 20. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la fuerza tractiva

50

Figura 21. Cálculo de perfiles en flujo gradualmente variado, para el canal rectangular, trapezoidal y triangular

50

Figura 22. Grafica de evaporación

51

Figura 23. Datos de entrada del programa de evaporación

51

Figura 24. Resultados del programa de evaporación por los distintos métodos

52

Figura 25. Datos de entrada de estadística hidrológica y análisis de frecuencia

52

Figura 26. Parámetros estadísticos y métodos de solución

53

Figura 27. Solución tipo I y tipo II para distribución de valores extremos

53

Figura 28. Solución tipo I y tipo II para distribución normal y log-normal

53

Figura 29. Solución para distribución Log-Pearson

54

Figura 30. Solución tipo I y tipo II para distribución de valores extremos con el uso de factores de frecuencia

54

Figura 31. Presentación para el cálculo de un vaso fluvial

54

Figura 32. Datos de entrada para la capacidad de un vaso

55

Figura 33. Resultados del cálculo para la capacidad de un vaso para el año más seco

55

Figura 34. Modelos de presas de gravedad y tierra

55

Figura 35. Primer modelo de presa de gravedad

56

Figura 36. Segundo modelo de presa de gravedad

56

Figura 37. Tercer modelo de presa de gravedad

56

Figura 38. Solución embalse vacío para los tipos de presas de gravedad

57

Figura 39. Solución embalse lleno para los tipos de presas de gravedad

57

Figura 40. Primer modelo de superficie de falla para la presa de tierra

58

Figura 41. Segundo modelo de superficie de falla para la presa de tierra

58

Figura 42. Datos de entrada para la presa de tierra

59

Figura 43. Análisis de la estabilidad de la presa de tierra

59

Figura 44. Análisis de la estabilidad de la cimentación y cálculo del ritmo de flujo de la presa de tierra

60

Figura 45. Datos de entrada par el vertedero de Cimacio sin control

60

Figura 46. Datos de entrada par el vertedero de Cimacio con control

60

Figura 47. Resultados del Vertedero de Cimacio para la relación He/Ho = 1

61

Figura 48. Resultados del Vertedero de Cimacio para las diferentes relaciones de He/Ho

61

Figura 49. Cálculo de la longitud real para el Vertedero de Cimacio con controles

61

Figura 50. Datos de entrada para el cálculo de variación de niveles

62

Figura 51. Tabla de resultados para la variación de niveles

62

Figura 52. Funciones de los botones para el manejo de hidracalc-2005

78

Figura 53. Defina el tipo de canal

79

Figura 54. Esquema de la entrada de datos

79

Figura 55. Esquema de los resultados

79

Figura 56. Elija la opción

80

Figura 57.Ver rugosidades

80

Figura 58.Método para calcular el n equivalente

80

Figura 59. Energía o Momentun

81

Figura 60. Opción Energía o Momentun

81

Figura 61. Textboxt

82

Figura 62. Opción y método para diseñar

83

Figura 63. Datos de entrada método sección hidráulica óptima

83

Figura 64. Cuadro de solución para diseño utilizando el método de la sección hidráulica óptima

84

Figura 65. Datos de entrada método velocidad máxima permisible

84

Figura 66. Cuadros de repuestas para diseño utilizando el método de la velocidad máxima permisible

85

Figura 67. Datos de entrada para diseño utilizando el método de la fuerza tractiva

85

Figura 68. Cuadro de verificaciones para diseño por el método de la fuerza tractiva

86

Figura 69. Método de integración grafica

86

Figura 70. Intervalos de flujo gradualmente variado

86

Figura 71. Tipo de perfil

87

Figura 72. Método del paso directo

87

Figura 73. Datos de entrada del programa de evaporación

87

Figura 74. Método de Balance de Energía

88

Figura 75. Método Aerodinámico

88

Figura 76. Método Combinado o Penman

88

Figura 77. Método de Priestley –Taylor

88

Figura 78. Tipo de solución para el análisis estadístico

88

Figura 79. Datos de entrada del programa Estadística

88

Figura 80. Resultados del programa Estadística

89

Figura 81. Parámetros estadísticos de distribución de valores extremos

89

Figura 82. Métodos de solución para el análisis estadístico

89

Figura 83. Cuadros de respuestas para el método de Análisis de frecuencia con factores de frecuencia y distribución de valores extremos

90

Figura 84. Opciones de entrada para calcular la capacidad del vaso

90

Figura 85. Datos de entrada para el cálculo la capacidad del vaso

91

Figura 86. Resultados para el cálculo de la capacidad del vaso

91

Figura 87. Botones para evaluar la capacidad de un vaso para los cuatro años mas secos

92

Figura 88. Modelos de presas

92

Figura 89. Datos de entrada para las presas de gravedad

93

Figura 90. Cuadros de respuestas para el análisis del embalse vacío

93

Figura 91. Resultados para el cálculo de embalse lleno

94

Figura 92. Datos de entrada para la presa de tierra

95

Figura 93. Datos de entrada de las dovelas analizadas

95

Figura 94. Tabla de resultados de la presa de tierra

95

Figura 95. Análisis de la estabilidad de la cimentación y ritmo de flujo

cálculo de la línea y 96

Figura 96. Presentación de los vertederos de Cimacio sin controles con pilas y sin pilas, con sus respectivas opciones

96

Figura 97. Datos de entrada del vertedero de Cimacio

97

Figura 98. Primera parte de la solución de vertedero de Cimacio

97

Figura 99. Corrección por efecto de lavadero aguas abajo

98

Figura 100. Análisis del vertedero de cimacio con las consideraciones de diferentes relaciones de He/Ho

98

Figura 101. Cálculo de la longitud real del vertedero de Cimacio sin controles con pilas

99

Figura 102. Datos de entrada para el cálculo de la variación de niveles

99

Figura 103. Tipo de solución para el cálculo de la variación de niveles

100

Figura 104. Resultados de la ejecución del programa de Variación de niveles

100

LISTA DE FLUJOGRAMAS pág. Flujograma 1. Cálculo de elementos geométricos para el trapecio

63

Flujograma 2. Estadística hidrológica y análisis de frecuencia solución tipo normal

64

Flujograma 3. Cálculo de la capacidad para un vaso fluvial

67

Flojograma 4. Vertedero de cimacio sin controles

69

Flujograma 5. Vertedero de cimacio sin controles

71

Flujograma 6. Variación de niveles

73

LISTA DE ANEXOS pág. Anexo A. Valores para el diseño de los diferentes temas analizados en el software

105

Anexo B. Programa HIDRACALC-2005 (Excel)

114

INTRODUCCIÓN Este proyecto presenta el diseño y elaboración de un software, aplicado a la solución de problemas de manera analítica en la línea de aguas, del programa académico de ingeniería civil, como son: Hidráulica, Hidrología y Estructuras Hidráulicas, que permitirá agilizar el proceso de calculo y mejorar en parte la calidad académica de los estudiantes y docentes utilizando herramientas tecnológicas que ofrece la multimedia, en este caso uno de las aplicaciones de Office el “Excel”, manipulado por Macros y Visual Basic. Por ende este proyecto trata la organización y/o reorganización de saberes de una ciencia o disciplina, presentados y difundidos en forma novedosa y didáctica, definición que corresponde a la modalidad de tesis sistematización del conocimiento. Siendo este proyecto elaborado por estudiantes de ingeniería civil como requisito para obtener el título de Ingenieros civiles.

21

1. PROBLEMA 1.1 TÍTULO EXCEL, MACROS Y VISUAL BASIC APLICADOS EN HIDRÁULICA, HIDROLOGÍA Y ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS. 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La falta de conocimientos en lenguajes de programación y manejo de software para aplicarlos a la solución de problemas de manera analítica en la Facultad de Ingeniería Civil por parte de los estudiantes. 1.2.1 Definición del problema. La Facultad de Ingeniería Civil en su línea de aguas actualmente no cuenta con un paquete de software que contenga programas propios adaptados al contenido de cada una de las asignaturas mencionadas; gran parte de este problema se debe al desinterés relacionado con lenguajes de programación y la falta de manejo de software por parte de los estudiantes, que se conforman solo con copiar software elaborados por otros autores y no tienen la iniciativa de entender la estructura de dicho programa, ni crear sus propios programas. Otro factor es que en nuestro programa académico de la Universidad Francisco de Paula Santander hasta algunos docentes han sido indiferentes ante la actitud pasiva de lado de los estudiantes hacia la programación, conduciendo a: la ineficiencia y lentitud en el desarrollo de parciales, trabajos y exámenes, que podrían ser de mejor calidad y dar mejores resultados si se contarán con ayudas de software que optimicen en parte el rendimiento académico de los estudiantes. 1.2.2 Formulación del problema. ¿Cuenta la universidad Francisco de Paula Santander, con los equipos y aulas necesarias, para gestionar cursos de manejo de software, que despierte el interés de docentes y estudiantes a la participación de estos ? Si existen los equipos y aulas suficientes para realizar cursos, ¿ Cuenta la universidad con las licencias necesarias y aspectos legales para el manejo de los diferentes software? 22

¿El programa académico de Ingeniería Civil en su línea de aguas, cuenta con suficientes programas que sirvan como herramientas y ayudas técnicas en la solución de proyectos y trabajos para elevar en parte el nivel académico de los estudiantes? Si existen programas, ¿Estos tienen la estructura adecuada y los recursos suficientes adaptados a los contenidos del programa de cada materia? 1.3 JUSTIFICACIÓN El Departamento de Fluidos y Térmicas dentro de sus líneas de investigación, preocupado frente a la indiferencia y la poca importancia que se le ha prestado a la creación de software, desea que el nivel académico de los estudiantes universitarios en especial de la facultad de ingeniería, se vinculen al proceso de evolución acorde a la tecnología de punta que se esta utilizando en la actualidad, con el fin de mejorar la eficacia de los estudiantes en el desarrollo de actividades como parciales, trabajos y exámenes, que conllevan al mejoramiento de estos y al mismo tiempo están a la par de la velocidad del mundo cambiante y la competencia del mercado. Actualmente el estudiantado y el departamento de fluidos y térmicas no cuentan con un software que permita en forma ágil y práctica desarrollar problemas relacionados con el plan de trabajo de cada asignatura, es por eso que se desarrollo un software con base en la plataforma de la hoja de cálculo “Excel” manipulado por Macros y Visual Basic que permita resolver y agilizar estos procesos. 1.4 OBJETIVOS GENERAL Y ESPECÍFICOS 1.4.1 Objetivo general. Ofrecer un Software, para que a través de sus distintas herramientas permita agilizar en forma práctica y sencilla el análisis, diseño y cálculo mediante la solución analítica a problemas aplicados en hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas del programa académico de Ingeniería civil en la UFPS. 1.4.2 Objetivos específicos. Para dar cumplimiento al diseño del programa se ejecutaron los siguientes objetivos específicos: •

Recolectar la información necesaria de las distintas áreas para el desarrollo de algoritmos que se utilizan en la solución de problemas para el montaje del programa. 23

•

Analizar y organizar la información recolectada para cada área

•

Utilizar los diferentes elementos que ofrece la multimedia como son: sonidos, gráficas, imágenes y animaciones para el montaje definitivo del software.

•

Diseñar e implementar el entorno del software para que la interacción con el usuario sea agradable.

•

Ofrecer a los estudiantes y docentes un software en Excel que permita solucionar en forma práctica y sencilla problemas relacionados con las distintas áreas.

1.5 DELIMITACIONES 1.5.1 Alcances. La aplicación describe los alcances para los temas en cada una de las siguientes asignaturas: •

Hidráulica: Canales Abiertos y sus Propiedades, Energía y Momentun, Flujo Crítico, Flujo Uniforme, Rugosidades, Pendiente Crítica, Diseño de Canales y Flujo Gradualmente Variado.

•

Hidrología: Estadística hidrológica y análisis de frecuencia, Evaporación

•

Estructuras Hidráulicas: Capacidad para un vaso fluvial, Presas de gravedad y tierra, Vertedero de Cimacio y Variación de niveles.

1.5.2 Limitaciones. Durante el desarrollo del proyecto se prevé de algunas limitaciones descritas a continuación: •

El usuario debe tener unos conocimientos básicos en las asignaturas de hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas para hacer un buen uso del software.

24

•

El software esta diseñado con requerimientos mínimos del sistema para su buen funcionamiento, como es una amplia memoria Ram y el paquete de Office XP Professional.

•

El usuario solo podrá realizar los análisis para las asignaturas y temas con que fue diseñado el software.

25

2. MARCO TEÓRICO 2.1 ANTECEDENTES Con la evolución y el desarrollo de la tecnología, se ha visto la necesidad de utilizar software para agilizar el análisis y estudios de proyectos aplicados en ingeniería. A continuación se presentan algún software aplicados en la línea de aguas: Diseño de alcantarillados PAVCO S.A es un programa elaborado en Excel que realiza el diseño hidráulico del alcantarillado pluvial, sanitario y combinado, diseña la cimentación y calcula cantidades de obra para sacar presupuestos. Es un programa donde las variables de entrada pueden ser variadas excepto el tipo tubería, ya que esta restringido a materiales PAVCO. HiCalc es un paquete de software pensado para resolver rápidamente flujos en canales abiertos de sección rectangular, trapezoidal y circular; que resuelve (en régimen estacionario) Flujo Uniforme, Flujo Gradualmente Variado, Flujo Rápidamente Variado, Conservación de la energía, Conservación de la cantidad de movimiento y Calcula los principales parámetros hidráulicos (Rh, Sf, Fr, v, etc.) para unas condiciones dadas (tirante y caudal). Este programa fue creado por el Ingeniero Juan Sanguinetti perteneciente a una empresa uruguaya que comenzó sus actividades en 1994 realizando proyectos relacionados con Ingeniería Civil e Ingeniería de Tránsito, su denominación actual ISTEC Ingeniería (investigación, soporte técnico y consultoría). HCanales para Windows, Versión 1.0, es un programa desarrollado en el instituto tecnológico de Costa Rica, que representa una herramienta de suma importancia para el diseño de canales y estructuras hidráulicas. Autor: Máximo Villón Béjar I.T.C.R - Ingeniería Agrícola 1994.

26

2.2 BASES TEÓRICAS El mundo de la alta tecnología nunca hubiera existido de no ser por el desarrollo del ordenador o computadora, toda la sociedad utiliza estas máquinas, en distintos tipos y tamaños para el almacenamiento y manipulación de datos. Los equipos informáticos han abierto una nueva era en el desarrollo ingenieril, tecnológico y científico, gracias a las técnicas de automatización que ofrecen los software para aumentar la velocidad en el análisis y diseño de diferentes aplicaciones. La computadora es un dispositivo electrónico capaz de recibir un conjunto de instrucciones y ejecutarlas realizando cálculos sobre los datos numéricos, o bien compilando y correlacionando otros tipos de información. La informática combina los aspectos teóricos y prácticos de la ingeniería, electrónica, teoría de la información, matemáticas, lógica y comportamiento humano. Los aspectos de la informática cubren desde la programación y la arquitectura informática hasta la inteligencia artificial y la robótica. Un programa es una secuencia de instrucciones que indican al hardware de un ordenador qué operaciones debe realizar con los datos. los programas pueden estar incorporados al propio hardware, o bien pueden existir de manera independiente en forma de software. El hardware es la parte física, es decir, todo lo que podemos ver: teclado, la caja que aloja la CPU, monitor, impresora, mouse, circuitos internos. El software es el conjunto de programas que permiten la comunicación del computador con el usuario. El software se subdivide en software del sistema, software de aplicación y software de desarrollo. Software del sistema lo conforman programas tales como sistemas operativos, compiladores e intérpretes y entornos operativos. Software de aplicación corresponde a los programas con los que se interactúa con la máquina como son procesadores de palabras, hojas de cálculo, graficadores, gestores de bases de datos, integrados (Office) y especializados (Autocad, Project Choice).

27

Software de desarrollo empleado en el desarrollo de aplicaciones científicas y comerciales, tales como la nómina de una empresa, el procesamiento de calificaciones de un colegio, etc. Aplicación de lenguajes de programación los lenguajes de programación permiten comunicarse con los ordenadores o computadoras. Una vez identificada una tarea, el programador debe traducirla o codificarla a una lista de instrucciones que la computadora entienda. Un programa informático para determinada tarea puede escribirse en varios lenguajes. Excel es un programa que nos permite diseñar y realizar tablas de cálculo de dos dimensiones, esto es haciendo operaciones con los números situados en columnas y en filas. Un programa de este tipo contiene textos, números y fórmulas de cálculo. Los programas de hoja de cálculo pueden incluir también utilidades de macros; algunas se pueden utilizar para crear y ordenar bases de datos. Visual Basic para aplicaciones apareció por primera vez como parte de Excel en la versión 5, convirtiéndose en un entorno de desarrollo completo y compartido por todas las aplicaciones de Microsoft Office. Los programas de hoja de cálculo cuentan por lo general con capacidades gráficas para imprimir sus resultados. También proporcionan un buen número de opciones de formato tanto para las páginas y el texto impreso como para los valores numéricos y las leyendas de los gráficos. Macros en aplicaciones de ordenador o computadora, es un conjunto de pulsaciones de teclas, acciones o instrucciones grabadas y ejecutadas mediante una simple pulsación de tecla o una instrucción. En un lenguaje de programación, tal como el lenguaje C o ensamblador, una macro es un nombre que define un conjunto de instrucciones que serán sustituidas por la macro cuando el nombre de ésta aparezca en un programa (proceso denominado expansión de macros) en el momento de compilar o ensamblar el programa. Las instrucciones de macros se pueden guardar en el programa mismo o en un archivo separado que el programa pueda identificar. Excel para la creación de macros utiliza el leguaje Basic. Visual Basic es el lenguaje de programación más popular de mundo. Es un producto con una interfaz gráfica de usuario para crear aplicaciones para Windows basado en el lenguaje Basic y en la programación orientada a objetos. La palabra Visual hace referencia al método que se utiliza para crear la interfaz gráfica de usuario. En lugar de escribir numerosas líneas de código para implementar una interfaz se utiliza el ratón para arrastrar y colocar objetos prefabricados al lugar deseado dentro de un formulario. La palabra Basic hace referencia al lenguaje Basic (Beginners All-Purpose Symbolic Instruction Code).

28

Con la aparición del sistema operativo Windows 95 de la compañía Microsoft, la programación en Visual Basic se ha popularizado más que nunca. Estudiantes, profesionales y personas que trabajan en una amplia variedad de campos técnicos, utilizan Visual Basic para desarrollar programas en Windows. Los profesionales del mundo de la economía utilizan Visual Basic para escribir macros en las aplicaciones integradas de Office. 2.3 MARCO CONCEPTUAL En la ingeniería se busca la calidad. La ingeniería de software es la producción de calidad. Por ende se desea que los sistemas de software sean rápidos, fiables, fáciles de usar, legibles, y estructurados. Pero estos adjetivos describen dos tipos de cualidades diferentes. Por una parte, se consideran cualidades tales como la velocidad o la facilidad de uso, cuya presencia o ausencia en un software puede ser detectada por sus usuarios. Estas propiedades se denominan factores de calidad externos. Otras cualidades aplicables a un software, como legibilidad y estructuración son factores internos, perceptibles sólo por profesionales de la informática que tienen acceso al código fuente. En última instancia, solo importan los factores externos. Definiremos ahora el más importante de los factores externos de calidad. Corrección es la capacidad de los productos software para realizar con exactitud sus tareas, tal y como se definen en las especificaciones. Si un sistema no hace lo que se supone que debe hacer, poco importa el resto de consideraciones que hagamos sobre él. A continuación se definen los demás factores que son complemento de corrección para lograr la calidad de software. Robustez es la capacidad de los sistemas software de reaccionar apropiadamente ante condiciones excepcionales. La robustez complementa la corrección. Extensibilidad es la facilidad de adaptar los productos de software a los cambios de especificación. Reutilización es la capacidad de los elementos de software de servir para la construcción de muchas aplicaciones diferentes. 29

Compatibilidad es la facilidad de combinar unos elementos de software con otros. Eficiencia es la capacidad de un sistema software para exigir la menor cantidad posible de recursos hardware, tales como tiempo de procesador, espacio ocupado de memoria interna y externa o ancho de banda utilizado en los dispositivos de comunicación. Portabilidad es la facilidad de transferir los productos software a diferentes entornos hardware y software. Facilidad de uso es la facilidad con la cual las personas con diferentes formaciones y aptitudes pueden aprender a usar los diferentes productos software y aplicarlos a la resolución de problemas. También cubre la facilidad de instalación, de operación y de supervisión. Funcionalidad es el conjunto de posibilidades que proporciona un sistema. Oportunidad es la capacidad de un sistema de ser lanzado cuando lo usuarios lo deseen, o antes. Verificabilidad es la facilidad para preparar procedimientos de aceptación, especialmente datos de prueba y procedimientos para detectar fallos y localizar fallos durante las fases de validación y operación. Integridad es la capacidad de los sistemas software de proteger sus diversos componentes (programas, datos, etc...) contra modificaciones y accesos no autorizados. Reparabilidad es la capacidad para facilitar la reparación de los defectos. Economía junto con la oportunidad, es la capacidad que un sistema tiene de completarse con el presupuesto asignado o por debajo del mismo. Interfaz es el diseño visual del entorno para que la interacción con el usuario sea agradable.

30

2.4 MARCO LEGAL El consejo superior universitario mediante el acuerdo Nº. 065 de Agosto 26 de 1996, establece el estatuto estudiantil de la Universidad Francisco de Paula Santander. Dicho consejo reglamenta el artículo 140 del estatuto estudiantil de la Universidad Francisco de Paula Santander mediante el acuerdo Nº. 069 de Septiembre 5 de 1997. El artículo 140 establece las modalidades de trabajo de grado, por las cuales un alumno pueda adoptar para cumplir con este requisito de graduación. Esta reglamentación básica de requisitos para trabajos de grado, se hace necesaria, con el objetivo primordial de establecer criterios institucionales, en el cual el comité curricular de cada plan de estudio elaborara las normas y procedimientos específicos, que reglamentan internamente el trabajo de grado como elemento curricular. El concejo superior universitario, a propuesta del consejo académico, aprobó en la sección del 5 de septiembre de 1997, expedir el acuerdo que reglamenta el artículo 140 del estatuto estudiantil, mediante el literal c. del artículo 2. Literal c. Sistematización del conocimiento: Es la organización y/o reorganización de saberes de una ciencia o disciplina, presentados y difundidos en forma novedosa y didáctica.

31

3. METODOLOGÍA 3.1 POBLACIÓN Esta orientado a estudiantes o egresados con conocimientos mínimos del manejo del computador, mouse, teclado, y Excel; al igual, haber visto las asignaturas mencionadas anteriormente o por lo menos estar viendo alguna de ellas. 3.2 OBJETIVOS INTRUCCIONALES Mediante el uso de este programa el estudiante logrará: •

Reforzar los conocimientos adquiridos en los cursos de hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas de manera fácil y entendida, mediante la comparación de las respuestas y verificaciones obtenidas por la ejecución del programa con las realizadas manualmente.

•

Familiarizarse con el ambiente computacional, ya que éste se ha convertido en una herramienta fundamental para el desarrollo de las actividades diarias de las personas.

•

Presentar el manejo de Excel manipulado por macros y códigos de programación en Visual Basic

3.3 RECOLECCIÓN Y ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN Encaminados al cumplimiento del objetivo general que es ofrecer un Software, para que a través de sus distintas herramientas permita agilizar en forma práctica y sencilla el análisis, diseño y cálculo mediante la solución analítica a problemas aplicados en hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas, fue necesario la recolección de información del los docentes que dictan cada asignatura, de los apuntes de clase, trabajo y parciales desarrollados.

32

Esta información fue analizada y procesada para la obtención de un listado de datos de entrada y así obtener soluciones analíticas. Estos datos son presentados en la plataforma Excel manipulado por macros y mediante herramientas de visual Basic las cuales ejecutan el programa siguiendo la secuencia de un código. 3.4 HERRAMIENTAS DE PROGRAMACIÓN Para el desarrollo e implementación de este programa se hizo necesaria la utilización de las siguientes herramientas. 3.4.1 Herramientas de diseño gráfico. Son componentes importantes para el impacto gráfico del programa, ya que permite un entorno agradable y novedoso al usuario final. Los programas de edición de imagen vienen en general con modelos conectados que permiten trazar, retocar y de otra manera filtrar imágenes para lograr efectos visuales. En este proyecto se utilizaron: Paint Windows, Microsoft Photo Editor, Presto PageManager y la barra de herramientas de dibujo intrínseca de Excel. 3.4.2 Lenguaje de desarrollo. La herramienta de programación utilizada para la generación del código fue Visual Basic. 3.4.3 Herramienta de base de datos. Se utilizó Excel por su sencillez en el manejo, por ser la más accesible, por tener la mayoría de la gente conocimientos en su manejo, y para presentar las demás aplicaciones y diversidad de procesos que se pueden desarrollar en el. 3.5 PROCEDIMIENTO PARA EL DESARROLLO DEL SOFTWARE 3.5.1 Introducción. Todos aquellos que llevan cierto tiempo en el mundo del PC han visto que la evolución de los software ha sido paralela al propio PC. Microsoft Excel es una herramienta eficaz para analizar y presentar información. Una de las propiedades más importantes es su lenguaje de macros, amplio y flexible de todos los programas de hoja de cálculo. Además presenta aplicaciones de Visual Basic desde la versión 5 convirtiéndose en un entorno de desarrollo completo, consistente con la versión independiente de Visual Basic y compartido por todas la aplicaciones de Microsoft Office. 33

Quien desee programar una hoja de cálculo en código Visual de forma profesional debe estar consciente que la programación es una tarea ardua y compleja. Este proyecto se centra básicamente en las siguientes actividades que al integrarlas constituyen el software. 3.5.2 Planteamiento de la idea. Teniendo en cuenta que en nuestro plan de estudios existe un vacío en el ámbito de la programación y manejo de software, se abordó la idea de hacer un programa en Excel, manipulado por macros y Visual Basic; se creó un bosquejo de la idea general que se fue perfeccionando poco a poco para tener un esquema claro u objetivo del programa y finalmente se estudio la sintaxis del lenguaje de programación que se eligió realizando rutinas sencillas y variedad de pruebas. 3.5.3 Definición del tipo de programa. HIDRACALC-2005 es un software de desarrollo académico porque se emplea para aplicaciones ingenieriles en las áreas de hidráulica, hidrología y estructura hidráulicas procesando unos datos de entrada para llegar a una solución analítica. 3.5.4 Etapas de diseño. Durante el proceso de desarrollo se tienen en cuenta las siguientes etapas: I ETAPA: se definió el entorno, colores de fondo, fuente y tipo de letras. II ETAPA: se definieron los libros y hojas de trabajo. III ETAPA: se crearon los escenarios, hipervínculos, cuadros, gráficas, botones y base de datos para cada hoja. IV ETAPA: se creó el código de programación en Visual Basic 3.6 DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA El resultado de este proyecto es HIDRACALC-2005, dirigido a estudiantes y egresados con conocimientos básicos en las asignaturas de hidráulica hidrología y estructuras hidráulicas. HIDRACALC-2005 tiene las características de resolver analíticamente problemas 34

relacionados con los siguientes temas: Canales Abiertos y sus Propiedades, Energía y Momentun, Flujo Crítico, Flujo Uniforme, Rugosidades, Pendiente Crítica, Diseño de Canales, Flujo Gradualmente Variado, Estadística hidrológica, Análisis de frecuencia, Evaporación, Capacidad para un vaso fluvial, Presas de gravedad y tierra, Vertedero de Cimacio y Variación de niveles; tiene la virtud de manejarse muy fácilmente, guiado por mensajes de alerta, para la corrección de datos de entradas erróneos no acordes con la realidad o modelos de diseños, se deja copiar para exportarlo a otra hojas de cálculo que pueden servir como informes de profesionales, se ajusta a la cantidad de datos y cálculos requeridos por el usuario, es de fácil desplazamiento entre los distintos temas y su instalación es sencilla ya que es uno de los paquetes de Office. HIDRACAL-2005 contiene: un menú principal en el cual se muestran las tres asignaturas a evaluar, mediante las cuales se llegan a los diversos contenidos de cada una de ellas; después del tema seleccionado, se procede a escoger el tipo de solución y modelo a evaluar, seguido de la entrada de datos con sus respectivos esquemas gráficos en los cuales se representan las variables de los datos de entrada, seguidamente se ejecuta el programa, se presentan cuadros de resultados y verificaciones; después si se desea, se ejecuta el botón borrar y se regresa al menú principal para continuar con la selección de temas o salir del programa. 3.6.1 Distribución del programa. El programa consta de tres libros en Excel que hacen referencia a las asignaturas de hidráulica, hidrología y estructuras hidráulicas; cada uno con diferentes hojas mediante las cuales se presentan los temas a evaluar. Los libros con sus respectivas hojas son los siguientes: •

Hidráulica: Canales Abiertos y sus Propiedades Energía y Momentun Flujo Crítico Flujo Uniforme Rugosidades Pendiente Crítica Diseño de Canales Flujo Gradualmente Variado

•

HIDROLOGÍA: Estadística hidrológica y análisis de frecuencia Evaporación 35

•

Estructuras Hidráulicas: Capacidad para un vaso fluvial Presas de gravedad y tierra Vertedero de Cimacio Variación de niveles

3.6.2 OBJETIVO. Ingresar al software “HIDRACALC-2005”, escoger la materia a evaluar, seleccionar el tema y encontrar una solución analítica al problema. 3.7 MAPA DE NAVEGACIÓN HIDRACAL-2005 permite explorar todas las opciones que lo componen como se bóxer en la Figura 1. 3.7.1 Descripción del mapa de navegación. Conformado por tres libros: Hidráulica Hidrología Estructuras hidráulicas Se continúa con la descripción de cada opción mediante las cuales se interactúa en los temas de cada asignatura. Hidráulica: •

Canales Abiertos y sus Propiedades: en esta hoja se calculan los elementos geométricos de secciones de los canales rectangular, trapezoidal, triangular y circular, que son los más comunes en la práctica profesional.

36

Figura 1. Mapa de navegación HIDRACALC - 2005

PRESENTACIÓN ACERCA DE HIDRACALC

MENÚ PRINCIPAL SALIR

HIDRÁULICA

HIDROLOGÍA

ESTRUCTURA HIDRÁULICAS

Canales Abiertos y sus Propiedades

Estadística hidrológica y análisis de frecuencia

Capacidad para un vaso fluvial

Energía y Momentun

Evaporación

Presas de gravedad y tierra

Flujo Crítico

Vertedero de Cimacio

Flujo Uniforme

Variación de niveles

Rugosidades Pendiente Crítica Diseño de Canales Flujo Gradualmente Variado

•

Energía y Momentun: se calculan las tablas de energía o fuerza específica para los canales mencionados anteriormente; tiene la utilidad de usar autofiltro para ordenar de menor a mayor la columna de energía o fuerza; además es aplicable en el cálculo de profundidades críticas, profundidades alternas y secuentes prácticas para solucionar fenómenos locales como es la caída y resalto hidráulico; es una hoja práctica ya que el usuario define la cantidad de cálculos que necesite y el incremento de profundidades para evaluar la energía y fuerza con que se construye cada curva. Considera los coeficientes de Coriolis y Boussinesq para la distribución no uniforme de velocidades en una sección de canal. 37

•

Flujo Crítico: es una sección especifica para el cálculo de profundidad crítica perpendicular a la sección transversal del canal y al nivel de referencia, basada en la ecuación del número de Froude; calcula la energía específica mínima, velocidad crítica teniendo en cuenta el coeficiente de Coriolis; disponible para los 4 canales ya mencionados.

•

Flujo Uniforme: calcula profundidades normales basándose en la ecuación de Manning, la energía específica, la velocidad y el numero de Froude; disponible para los 4 canales ya mencionados.

•

Rugosidades: calcula el n equivalente para una sección simple, se utiliza en la ecuación de Manning para el cálculo de caudales o profundidades normales; presenta las 3 opciones para calcular el n: Horton-Einstein, Pavlovskii y Lotter; también calcula la velocidad y el número de Froude; disponible para los 4 canales ya mencionados.

•

Pendiente Crítica: como su nombre lo indica calcula la pendiente crítica en un canal que hace que la profundidad normal y crítica sean iguales, prácticas en la vida profesional para el diseño de canales, también calcula la velocidad y el número de Froude; disponible para los 4 canales ya mencionados.

•

Diseño de Canales: en esta hoja se pueden diseñar canales no erosionables y canales erosionables que se socavan pero no sedimentan. Para el diseño de canales no erosionables se utiliza la metodología de la sección hidráulica óptima, disponible para los 4 canales ya mencionados; y para canales erosionables, el método de la velocidad máxima permisible y Fuerza tractiva, estos dos disponibles solo para el canal trapezoidal. Es una hoja que contiene hipervínculos a otra donde se encuentran todas la gráficas necesarias para el diseño de canales.

•

Flujo Gradualmente Variado: en esta sección se estudia el flujo permanente cuya profundidad varía de manera gradual a lo largo de la longitud del canal, para la solución de este tema se utiliza la metodología de integración gráfica y paso directo calculando independientemente la tabla para cada una de ellas, está disponible para canales rectangulares, trapezoidales y triangulares; es una hoja práctica ya que el usuario define la cantidad de cálculos que necesite y el incremento de profundidades desde una profundidad inicial hasta una final que se han determinado por el tipo de perfil evaluando la profundidad crítica y normal. En esta hoja existen hipervínculos a todas las gráficas necesarias para definir el tipo de perfil.

38

HIDROLOGÍA: •

Estadística hidrológica y análisis de frecuencia: el programa presenta dos tipos de solución, una normal y la otra log-normal; es una hoja práctica ya que el usuario define la cantidad de datos que necesita evaluar para obtener los diferentes parámetros estadísticos que posteriormente serán utilizados por los distintos métodos como son: distribución de valores y análisis de frecuencias con factores de frecuencia.

•

Evaporación: es una hoja que calcula la evaporación por medio de diferentes métodos como son: balance de energía (considera la radiación como mayor fuente de evaporación), aerodinámico (considera el viento como mayor fuente de evaporación), combinado (tiene en cuenta la radiación neta, el viento y es apropiado para aplicarse a áreas pequeñas con información climatológica apropiada) y Priestley-Taylor (se aplica en áreas grandes donde se considera que el segundo término de la ecuación del método combinado es aproximadamente el 30% del primero).

Estructuras Hidráulicas: •

Capacidad para un vaso fluvial: el análisis se basa en la simulación de un vaso para un período de tiempo determinado en un registro extremadamente bajo, el cual se selecciona o puede hacerse para un registro prolongado. En esta hoja se puede evaluar: el año más seco al igual que los cuatros años consecutivos más secos ( si se desea se pueden evaluar dos y tres años consecutivos más secos). Para el estudio del año más crítico, la capacidad del vaso se calcula sumando todos los valores presentes en la necesidad de almacenamiento para cada año, cuando se presentan más de un año consecutivo se utiliza la gráfica de curva masa proveniente de la relación año versus aportaciones acumuladas considerando el factor de evaporación, factor de precipitación, área del embalse, gasto, evaporación, precipitación, demanda y compromisos.

•

Presas de gravedad y tierra: para el análisis se partió del estudio de cuatro modelos de presas, los tres primeros modelos son presas de gravedad y el último es una presa de tierra. Se realizó la evaluación considerando el embalse vacío y lleno, verificando la estabilidad de la presa por deslizamiento y volcamiento, teniendo en cuenta los efectos del sismo, la supresión y los esfuerzos aguas abajo, considerando una longitud del plano asumido de 1m. Para la presa de tierra se calcula la estabilidad de la presa, al igual que la estabilidad de la cimentación calculada mediante la resistencia a cortante establecida por la ecuación de Coulomb.

39

•

Vertedero de Cimacio: se realizó el análisis para vertederos de Cimacio con y sin controles; la pérdida de entrada se evaluó por medio de la ecuación de Manning; el programa presenta las diferentes gráficas necesarias para la ejecución del mismo, realiza la evaluación de corrección por efecto de lavaderos, para posteriormente calcular el valor del ancho del vertedero y los diferentes valores de He y Cs, necesarios para el calculo de la ecuación polinómica de cuarto grado para el estudio de variación de niveles. En el vertedero de cimacio con controles se calcula la longitud neta y la longitud real del vertedero.

•

Variación de niveles: para su análisis se parte del ingreso de una elevación de tanteo, de un valor de incremento sobre la elevación de tanteo, de los datos de un hidrograma, del error máximo permitido entre la elevación en el vaso y la elevación de tanteo y de un almacenamiento total. El programa funciona internamente tomando la elevación del vaso calculada y reemplazándola en la elevación de tanteo repitiendo el ciclo por fila hasta que la elevación de tanteo y la elevación del vaso sean aproximadamente iguales. Para el calculo de los respectivos Cs de las diferencias entre la elevación de tanteo y la elevación asumida para cada fila, se piden los coeficientes de una ecuación polinómica de cuarto grado, ya que durante el análisis de diferente problemas, esta curva se ajusta satisfactoriamente a la tendencia de los suministro con R2 superiores a 0.99. El programa se puede ejecutar por dos formas, paso a paso o definitivo; si su opción es paso a paso, durante la ejecución, el programa evalúa cada fila verificando si la elevación de tanteo con la elevación del vaso presenta una diferencia en valor absoluto menor al valor ingresado en los datos de entrada; en el caso de presentar diferencias en valor absoluto mayor o igual al valor ingresado en los datos de entrada, el programa toma la elevación del vaso hallada y la reemplaza en la elevación de tanteo en la fila evaluada, iterando hasta que su diferencia en valor absoluto sea menor al valor ingresado en los datos de entrada. Al realizar cada iteración el programa presenta Msgbox que indican el número de iteraciones en cada fila, mostrando en la tabla las respectivas elevaciones asumidas con su observación, ya sea alta, baja o correcta, al ser la observación correcta el programa evalúa la siguiente fila tomando como base la elevación de tanteo calculada más el respectivo incremento que fue suministrado como dato de entrada; si su opción es definitiva, el programa presenta la solución inmediata de la tabla, presentando una diferencia en valor absoluto entre la elevación de tanteo y la elevación en el vaso menor al valor ingresado en los datos de entrada, con observaciones correctas, ya que internamente el programa realiza todas las iteraciones necesarias para llegar a la solución completa del problema.

40

4. DISEÑO 4.1 DISEÑO DE LA BASE DE DATOS Para cumplir el objetivo general del proyecto se buscó una conexión entre el interés que despierta al alumno los cálculos en Excel complementado con macros y Visual Basic para encontrar soluciones analíticas a problemas aplicados en las asignaturas ya mencionadas. (Véase el Anexo B). Para ingresar los datos se creó una aplicación de Visual Basic y Excel donde se pueden manipular con facilidad, y estos su vez pueden ser exportados a otras hojas de cálculo en Excel con todas sus aplicaciones. 4.2 DISEÑO DE LAS HOJAS A continuación se ilustran las hojas de cálculo correspondientes a cada libro: 4.2.1 Presentación y menú principal. En las figuras que aparecen a continuación se muestra la presentación de las ventanas del menú principal como aparece en el programa. Figura 2. Ventana del menú principal

41

Figura 3. Ventana para seleccionar la asignatura a evaluar

4.2.2 Hidráulica. Para el manejo en lo que concierne a hidráulica se muestra la ventana de los diferentes canales. Figura 4. Presentación de los diferentes canales

42

Figura 5. Cálculo de elementos geométrico en un canal rectangular

Figura 6. Cálculo de elementos geométricos en un canal trapezoidal

Figura 7. Cálculo de elementos geométricos en un canal triangular

. 43

Figura 8. Cálculo de elementos geométricos en un canal circular

Figura 9. Cálculo de Energía y Momentun

44

Figura 10. Cálculo de profundidad crítica

Figura 11. Cálculo de profundidad normal

45

Figura 12. Cálculo del n equivalente

Figura 13. Cálculo de pendiente crítica

46

Figura 14. Presentación para el diseño de canales

Figura 15. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal rectangular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima

47

Figura 16. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la sección hidráulica óptima

Figura 17. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal triangular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima

48

Figura 18. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal circular diseñado por el método de la sección hidráulica óptima

Figura 19. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la velocidad máxima permisible

49

Figura 20. Elementos geométricos y parámetros hidráulicos del canal trapezoidal diseñado por el método de la fuerza tractiva

Figura 21. Cálculo de perfiles en flujo gradualmente variado, para el canal rectangular, trapezoidal y triangular

4.2.3 Hidrología. En las figuras que aparecen a continuación se muestra la presentación de las ventanas del menú principal para el manejo de hidrología.

50

Figura 22. Grafica de evaporación

Figura 23. Datos de entrada del programa de evaporación

51

Figura 24. Resultados del programa de evaporación por los distintos métodos

Figura 25. Datos de entrada de estadística hidrológica y análisis de frecuencia

52

Figura 26. Parámetros estadísticos y métodos de solución

Figura 27. Solución tipo I y tipo II para distribución de valores extremos

Figura 28. Solución tipo I y tipo II para distribución normal y log-normal

53

Figura 29. Solución para distribución Log-Pearson

Figura 30. Solución tipo I y tipo II para distribución de valores extremos con el uso de factores de frecuencia

4.2.4 Estructuras hidráulicas. En las figuras que aparecen a continuación se muestra la presentación de las ventanas del menú principal para el manejo de estructura hidráulicas. Figura 31. Presentación para el cálculo de un vaso fluvial

54

Figura 32. Datos de entrada para la capacidad de un vaso

Figura 33. Resultados del cálculo para la capacidad de un vaso para el año más seco

Figura 34. Modelos de presas de gravedad y tierra

55

Figura 35. Primer modelo de presa de gravedad

Figura 36. Segundo modelo de presa de gravedad

Figura 37. Tercer modelo de presa de gravedad

56

Figura 38. Solución embalse vacío para los tipos de presas de gravedad

Figura 39. Solución embalse lleno para los tipos de presas de gravedad

57

Figura 40. Primer modelo de superficie de falla para la presa de tierra

Figura 41. Segundo modelo de superficie de falla para la presa de tierra

58

Figura 42. Datos de entrada para la presa de tierra

Figura 43. Análisis de la estabilidad de la presa de tierra

59

Figura 44. Análisis de la estabilidad de la cimentación y cálculo del ritmo de flujo de la presa de tierra

Figura 45. Datos de entrada par el vertedero de Cimacio sin control

Figura 46. Datos de entrada par el vertedero de Cimacio con control

60

Figura 47. Resultados del Vertedero de Cimacio para la relación He/Ho = 1

Figura 48. Resultados del Vertedero de Cimacio para las diferentes relaciones de He/Ho

Figura 49. Cálculo de la longitud real para el Vertedero de Cimacio con controles

61

Figura 50. Datos de entrada para el cálculo de variación de niveles

Figura 51. Tabla de resultados para la variación de niveles

4.3 DIAGRAMAS DE FLUJO MÁS UTILIZADOS PARA LA ELABORACIÓN DE HIDRACALC En el diagrama que se muestra a continuación presenta los procesos que se utilizan para la elaboración de hidaracalc.

62

Flujograma 1. Cálculo de elementos geométricos para el trapecio

Inicio

b, z, y

A = (b + z y) y

P = b + 2 y (1 + z2) 1/2

R=A/P

T=b+2zy

D=A/T

Área = A Perímetro mojado = P Radio hidráulico = R Ancho superficial = T Profundidad hidráulica = D

Fin

63

b = Base z = Talud y = Profundidad

Flujograma 2. Estadística hidrológica y análisis de frecuencia solución tipo normal

N = número de datos

Inicio

N, Tr

i = 1, N

Ingrese los valores de X

A=0

i

i = 1, N

Sumatoria = A

Media= A/N X

A = A+X

Media

2

64

Continuación. Flujograma 2. Estadística hidrológica y análisis de frecuencia solución tipo normal

2

C=0

Sumatoria = C

i = 1, N

G=0 X

i = 1, N

D = X-Media

D

X

C = C+D

E = (X-Media)2

E

G = G+E

65

3

Continuación. Flujograma 2. Estadística hidrológica y análisis de frecuencia solución tipo normal

3

Sumatoria = G

J=0

Sumatoria = J

i = 1, N

A, C, G, J,

X

S 2= (1/(N-1))*G S = ( S 2)^0.5 CV = S / Media CS = N* J/(N-1)*(N-2)*S^3

F = (X-Media)^3

F S2 S CV CS

J = J+F

Seleccione el método a evaluar

Fin

66

Flujograma 3. Cálculo de la capacidad para un vaso fluvial

Inicio

Q =Gasto E = Evaporación P = Precipitación D = Demanda C = Compromisos Fe = Factor de evaporación Fp = Factor de precipitación A = Área Comp = Compromisos Ne = Necesidad Esc = Escurrimiento Prec = Precipitación N = Número de datos máximos a ingresar ( contador )

Fe, Fp, A,

3 Q, E, P, D, C

N=0

N =12

SI

Fin

NO Gasto = Q*2592000 Demanda = D*2592000 Evaporación = E*Fe*A*10 Prec = P*Fp*A*10 Comp = C*2592000

Gasto Demanda Evaporación Prec

SI

Comp < Gasto

Comp

NO

1

2

67

Continuación. Flujograma 3. Cálculo de la capacidad para un vaso fluvial

1

2

Esc = Gasto-Comp-Evaporación +Prec Ne = Esc - Demanda

Comp = Gasto Esc = Gasto-Comp-Evaporación +Prec Ne = Esc - Demanda

Esc

Esc Comp

Ne = Ne*-1

SI

Ne < 0 NO

Ne = Ne*-1

SI

Ne < 0

NO

Ne

Ne= 0

Ne Ne= 0

N = N+1

N = N+1

Ne Ne

3

3

N = N+1 N = N+1

3 3

68

Flujograma 4. Vertedero de cimacio sin controles Primera parte Inicio

He, L’, P, n, Q

3 C

H = He+P q = C*He^(1.5) Va = q / H ha = Va^2/(2*32.2) B = 0.1*ha S = (Va*n / (1.486*H^(2/3)))^2 Ho = He – (B+ (L’* S)) C = P/ He

Ingrese los valores de Co y Ci/Cv

Co, Ci/Cv

Ci = Ci/Cv * Co Hd+d/He = Ho+P / Ho

Ingrese el valor de la relación hd/He

2 1

69

H = ( He+P ) B = ( 0.1* ha ) C= ( P/ He ) E1= Diferencia máxima. entre hvd y hd E2 = Diferencia máxima entre Cs y C

Continuación. Flujograma 4. Vertedero de cimacio sin controles 1 hd/He

hd = hd/He * Ho d = (Ho+P) – hd Vd = q / d hvd = Vd^2/ 2 *32.2

SI

lhvd-hdl >= E1

Ingrese de nuevo el valor de la relación hd/He

NO Ingrese el valor de la relación Cs/C

2

Cs/C

Cs = Cs/ C * Ci

SI

lCs – Cl >=E2

Ingrese el valor de C presente en los datos de entrada.

NO L = Q / ( Cs * (Ho)^ 1.5)

Fin

70

3

Flujograma 5. Vertedero de cimacio sin controles Segunda parte Inicio B = hd+d D = He+P A = Ho E = Ci C = hd+d/Ho b = Número máximo de datos a ingresar (Contador).

Ho, Ci, P, n, L

b=0

2 He/Ho, C/Co,

SI Fin

b=7 NO A = Ho * He/Ho

E = C/Co * Ci B=A+P C=B/A

Ingrese el valor de la relación Cs/Ci

Cs/Ci

1

71

Continuación. Flojograma 5. Vertedero de cimacio sin controles 1

Cs = Cs/Ci * Ci q = Cs * A^ 1.5 Va =q / B ha = Va^ 2 / (2*32.2) S =(Va*n / (1.486*(B)^1.5))^2 Pérdida total = 0.1*ha +

b = b +1

A, E, B, C, Cs, q, Va, ha, S, Pérdida total, Carga bruta, Descarga total

2

72

Flujograma 6. Variación de niveles

Elev = elevación de tanteo Inc = incremento Almc = almacenamiento L = longitud G.max = gasto máximo A = primer coeficiente B = segundo coeficiente C = tercer coeficiente D = cuarto coeficiente E = quinto coeficiente A.almc = aumento de almacen. A.Total = almacenamiento total Elev.Vaso = elevación del vaso T = tiempo Q = caudal Error = Diferencia máxima entre la elevación del vaso y la elevación de tanteo

Inicio

T0, T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7, T8, T9, T10, T11. Q0, Q1, Q2, Q23, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, Q10, Q11, Almc, L, Inc, Elev, A, B, C, D, E

T12= T1-T0 T13 = T2-T1 T14=T3-T2 T15= T4-T3 T16 = T5-T4 T17=T6-T5 T18= T7-T6 T19 = T8-T7 T20=T9-T8 T21=T10-T9 T22=T11-T10

T12, T13, T14, T15, T16, T17, T18, T19, T20, T21, T22

Q12 = (Q0 + Q1)/24 Q13 = (Q1 + Q2)/24 Q14 = (Q3 + Q2)/24 Q15 = (Q4 + Q3)/24 Q16 = (Q5 + Q4)/24 Q17 = (Q6 + Q5)/24 Q18 = (Q7 + Q6)/24 Q19 = (Q8 + Q7)/24 Q20 = (Q9 + Q8)/24 Q21 = (Q10 + Q9)/24 Q22 = (Q11 + Q10)/24

1

73

Continuación. Flujograma 6. Variación de niveles 1 2 Q12, Q13, Q14, Q15, Q16, Q17 ,Q18, Q19, Q20, Q21, Q22

Elevación = Elev + Inc H = Elevación - Elev Cs = A*H^4+ B*H^3+ C*H^2+ D*H+ E

n=0 i = 12

G.max n = Cs*L*H^1.5 Gmedio = G.max n/ 24 A.almc n = Qi- Gmedio A.Total = Almc n + A.almc Elev Vaso

Elv, Elevación , G.max n, Gmedio, A.almc n, A Total Elev Vaso

lElev.Vaso-Elevl >=Error

SI

Elev.VasoElev < 0 NO

NO

SI

Obs = Baja

Elev = Elev.Vaso

Obs = Alta

n =n+1 i=i+1

Elev = Elev.Vaso

3

2 74

2

Continuación. Flujograma 6. Variación de niveles 3 5 n =12

SI Fin

NO Elevación = Elev.Vaso + Inc

4 H = Elevación- Elev Cs = A*H^4+B*H^3+C*H^2+D*H+E G.max n = Cs*L*H^1.5 G.medio = G.max n + G.max (n-1) /24 A.almc n =Qi - Gmedio A.Total = Almc n-1+ A.almc Elev.Vaso = 7.0971*Ln(A.Total)+250.54

Elevación, G.max n, Gmedio, A.almc n, A.Total, Elev.Vaso

lElev.Vaso-Elevl >=Error

SI

Elev.Vaso-Elev Mc Graw Hill, 1994. 194 p.

103

ANEXOS

104

Anexo A. Valores para el diseño de los diferentes temas analizados en el software

Velocidades máximas permisibles recomendadas por Fortier y Scobey y los valores correspondientes de fuerza tractiva unitaria covertidos por el U.S. Bureau of Reclamation (para canales rectos de pendiente pequeña, después de envejecimiento)

Pendientes laterales apropiadas para canales construidos en diferentes clases de materiales.

105

Datos de los Estados Unidos y de la URSS sobre velocidades permisibles en suelos no cohesivos

Curvas que muestran los datos de la URSS sobre velocidades permisibles

106

Curva de la URSS que muestra correcciones por profundidad para velocidades permisibles tanto en materiales

Ángulos de reposo para materiales no cohesivos ( U.S. Bureau of Reclamation).

107

Fuerzas tractivas unitarias permisibles recomendadas para canales en materiales no cohesivos (U.S Bureau of Reclamation).

Fuerzas tractivas unitarias permisibles recomendadas para canales en materiales cohesivos convertidas de los datos de la URSS sobre velocidades permisibles.

108

Fuerzas tractivas unitarias máximas en términos de wyS.

Clasificación de los perfiles de flujo en flujo gradualmente variado

109

Tipo de perfiles de flujo en canales prismáticos.

Ejemplos de perfiles de flujo

110

Perfiles de flujo gradualmente variado en un canal prismático largo con un quiebre en la pendiente de fondo

111

Coeficientes de descarga para las crestas de Cimacio en pared vertical .

Coeficientes de descarga para una cresta de Cimacio con paramento de aguas arriba inclinado. .

112

Efectos de los factores de aguas abajo en la capacidad de los vertederos

Relación de los coeficientes de descarga debida al efecto del lavadero

113

Anexo B. Programa HIDRACALC- 2005 (Excel)

Este anexo es un programa elaborado en hoja de cálculo Excel como se muestra a continuación y se puede observar con un vínculo externo en la hoja de cálculo.

114