Manual Hcanales v 3 Completo

HC NA ES Version 3.3

Ing. Ángel a Gisell Car pio Quispe

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Tabl de cont enido

Materia

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Prólogo ....................................................................................................................................................................... 3 Uso de HCANAES ..................................................................................................................................................... 4 Definici nes y ecuaci nes .......................................................................................................................................... 9 Tirante normal .......................................................................................................................................................... 13 Tirante crítico ........................................................................................................................................................... 21  Anexo ....................................................................................................................................................................... 25 Literatura consultada  ............................................................................................................................................... 26

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Prologo

HCANALES en sus  versiones 3 .3, para Wi dows XP, Windows 7 y Windows 8. Ha teni o gran aceptación y demanda tanto en Costa Rica como en l s países Sudamericanos,  de Centroa érica y México,  esto, por la la  gran ayuda  que brinda en lo que a  cálculos se refiere, a los los  ingenieros agrícolas, civiles y demás especialistas en el diseño de ca ales.

La facilidad que brin a HCANALES para los cálculos, permit a los usuarios el análisis  de los resultados, y con ello  generar en forma experi ental, consideraciones prácticas para el diseño de ca ales.

Esta versión 2.3 de CANALES, y con respecto a las versiones anteriores tiene las siguiientes diferen ias:



Re isión de los algoritmos



Se incluyen nuevos formulario  de cálculo



To as las pantallas tienen ac eso directo a una calculadora, para que el usuario re lice los cálculos previos necesarios



Un  interfaz de usuario más a radable

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Uso e HCANALES 1.1

Observar el D mo de la Ins talación

Para o servar el pr  ceso de la i stalación de Hcanales, h cer lo siguiente: 1. Ubicar en la unidad de CD la c arpeta Instal r. 2. Ubicar en la car  eta Instalar , el archivo In talar Hcanales y dar doble clic en él. 1.2

In stalación de Hcanales

Para in talar Hcanales en su co putador, seguir el proces que se indi a: 1.

Ubicar en la unidad de CD, la carpeta Hcanales y entro de ella el archivo Se up (figura 1.1)

Figur   1.1 Ubicar el archivo Set  Setu de la carpeta Hcanales en el CD de H anales 2.

Ejecutar la pción autoru , realizando n anti clic y ecutar com  adm  (figura 1.2)  adminis ini s tra or  (figura

Figura .2 Ejecutar como administrador, luego clic en SI  3.

Realizar clic en instalación de Hcanale s (figura 1.3).

igura 1.3 Iniciar el proceso de instalación

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Con el proceso anterior, se ini ia con la copia de los archivos de inicialización (figura 1.4).

Figura 1.  Copia de los archivos de inicializacion 5.

Cuando se ter  ina con la copia de los archivos de inici lización, se presenta la pa talla de la fig ra 1.5,  ptar . en ella elegir Ac  pt

Figura 1.  Bienvenido l programa d instalación

Nota. Si se elige Sa ir , se inicia el proceso de desinstalació de los archi os de iniciali ación. 6.

Cu ndo aparezca la pantallla que se muestra en la figura 1.6, elegir Ca biar direct  rio. Se recomienda qu   Hcanales, se instale en el directorio C:\Hcanales , puesto que las ayudas g neradas están elaborada para ubicarse en ese directorio.

Figura 1.  Opción Cambiar directorio 7.

En la ventana de la figura 1. , en Ruta escribir Hcanales , para que se vea confor me se muestr a en la figura 1.8 y elegir Acep  Aceptar .

Figura 1.7 En la v ntana Ruta escribir C:\Hcanales

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Figura 1. Elegir Acept r directorio Hcanales 8.

En la ventana de la figura 1.9, elegir Si .

Figura 1.9 Cr ear directorio Hcanales 9.

En la ventana de la figura 1.10, clic al botón: para iniciar l copia de los archivos de l aplicación.

Figu a 1.10 Iniciar la copia de lo  archivos y clic en continu r 10.

De pués de est proceso, se inicia con copia de los arc ivos y se mu stra el mens  je de la figur  1.11.

Figura 1. 1 Mensaje d  la copia de rchivos de la aplicación 11.

De pués que s   termina con  la instalación de los co ponentes, s muestra el mensaje de la figura 1.1   y luego el de la figura 1.13.

igura 1.12 M nsaje de act alización del sistema

Figura 1.13 Mensaje de la creación de iconos del programa

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Se  muestra el mensaje de la figura 1.14, indicando si desea conse var este archivo, elegir  Si .

Figura 1.14 Mensaje de conser  ación de archivos 13.

Po teriormente, se muestra el mensaje e la figura 1.15, indican o la culmin ción satisfa toria de Hc nales, elegir  Acep  Aceptar .

Figura 1.15 Mensaje de instalación correcta de canales Con este proceso se tiene instalado y listo para ejecutar Hcanales. El programa d   instalación, crea el acceso directo dentr  de Inicio/P ogramas de indows.

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1.3

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Ejecutar Hcanales

Para ej cutar Hcanales, realizar la órdenes: Inicio/  rogramas/H  anales , com se muestra n la figura 1. 6.

Figura 1.16 Ejecutar Hca nales v 3.3 Después de ejecutar estas órdene , se obtiene la pantalla pri cipal de Hca ales, la cual e muestra en la figura

Figur a 1.17 Pantalla Principal de Hcanales En este momento, canales est   a su disposición para a udarle en sus cálculos la oriosos, que necesite realizar para el diseño de canales y estructuras hidráulicas. 1.4

In greso de dat os

Cuando se ingresa una pantall de cálculo, el cursor est rá habilitado en el primer campo de in reso de datos. ara introducir datos, r datos, usted debe: Ingresar el dato  requerido y resionar la tecla TAB, para pasar al siguiente campo. Si hubiera algún err  r, saldrá un mensaje de error, volver a colocar el  cursor (con  un clic), en  el campo r  querido. Ob ervar que n la barra i nferior (barra  de mensajes), se indica que dato  se debe ingresar, de endiendo del campo donde se encuentre el cursor. 2. Re etir el paso anterior, hasta completar todos los datos equeridos. 1.

1.5

I primir hojas de cálculo

Para imprimir los rep rtes de cálculo, verificar q e la impreso a esté encendida y dar clic al botón Imp Imp imir :

Con ell , se dispon rá de las m morias de c lculo del pr  yecto a reali ar.

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Defin iciones   y ecuac iones 2.1

efinición de  canales

Los ca ales son co ductos en los cuales el agua circula debido a la a ción de la gr avedad y sin ninguna presión, pues la sup rficie libre del líquido está n contacto c n la atmósfer a. 2.2

Seccione eccioness tra sversales m ás frecuente

La fig ra 2.1 muestra las s cciones tra sversales rtificiales m s frecuente , y constituyen las secciones con las q e se trabaja  en el progra a HCANALES.

Figu a 2.1 Secciones transvers les más frecuentes 2.3

Elementos ge métricos de la sección tr ansversal de un canal

Nomen latura Los elementos geo étricos de una sección tr ansversal trapezoidal, se se establece la nomenclatura que se utiliza en CANALES.

uestran en la figura 2.2, con ella

Fi ura 2.2 Elementos geométricos de un canal donde: y = tirante de agua, e  la profundidad máxima del agua en el canal b = anc o de solera; plantilla o sol ra, es el ancho de la base el canal T = espejo de agua, s el ancho de la superficie del agua C = ancho de la coro a del bordo H = prof undidad total del canal o altura del bordo H – y = bord libre θ = áng ulo de inclinación de las paredes laterales con la horizontal Z = talud, indica la in linación de p redes del ca al, represent la proyección horizontal cuando la vertical es 1 La relación entre θ y  es: Z = ctg θ (1)

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 A = áre  hidráulica, es el área tran versal ocupa a por el líqui o p = perímetro mojado, es la parte del contorno d l conducto q e está en co tacto con el agua R = radio hidráulico, e obtiene de lla siguiente relación:  A R= (2) P y = pr  fundidad me ia, se obtien de la siguiente relación: =A/T 2.4

(3)

Ecuaciones g nerales

El diseño de canales, requiere del conocimiento de un conjunto de ecuaciones, en esta se ción, se presentan en forma r esumida, las que se utiliza en la aplicación.

Ecuaci n de contin idad = vA

(4)

donde: 3 Q = caudal, en m /s v = velocidad, en m/s 2  A = áre hidráulica, en m

Ecuaci n de la ener gía

Energí  especifica

donde: E = energía específica

Ecuaci n de Manni g

donde: v = velocidad media, en m/s R = radio hidráulico, n m S = pendiente de la línea de energía, en m/m n = coef iciente de rugosidad

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Ecuaci n de Mannin g y continui ad Esta ecuación es la ás utilizada para el cálculo del tirante normal

donde: 3 Q = ca dal, en m /s 2  A = áre hidráulica, en m R = radio hidráulico, n m S = pendiente de la línea de energía, en m/m n = coef iciente de rugosidad

Ecuaci n general d l flujo crítico Ecuación general, utillizada para calcular el tirante crítico:

Númer   de Froude

donde: Fr = nú ero de Frau e, adimensional v = veloci ad media, en m/s 2 g = aceleración de la gravedad = 9.81 m/s 2  A = área hidráulica, n m T = espejo de agua, n m

Fuerza específica La fuerza específica tiene como ecuación:

donde: 3 F = fuer za específica Q = caudal, n m /s 2 g = aceleración de la gravedad = 9.81 m/s 2  A = áre hidráulica, en m YG = pr ofundidad hasta llegar al centro de grave ad de la sec ión transversal, en m Como e observa e la ecuaci n (11), la fuerza específica se compone de dos tér  inos: •

el primero representa la  cantidad de  movimiento del flujo que  atraviesa la sección del canal en la unidad d  tiempo y por unidad de p so del agua.

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el segundo, el empuje hi rostático por unidad de respecto de la superficie libre.

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eso y tambi n el mome to estático del área

La ecuación general utilizada para calcular el resalto  hidráulico, se obtiene de igualar las fuerzas específicas al inicio y al final del resalto hi ráulico.

Ecuaci n dinámica del flujo grad ualmente va iado Ecuación general utilizada para calcular la curva de remanso .

donde: dy/dx = variación del tirante y, con la l distancia x So = pendiente del fondo del canal Se = pendiente de la línea de ener gía 3 Q = caudal, en m /s T = espejo de agua, n m 2  A = áre hidráulica, en m 2 g = aceleración de la gravedad = 9.81 m/s

Problemas Fr  cuentes

2.5

En el diseño de can les, los problemas más fr  cuentes que hay que resolver son: • • • • •

Calcular el irante Normall Calcular el irante Crítico Calcular el esalto Calcular la curva de Rem nso Calcular el caudal y otros parámetros

para las secciones tr  nsversales más frecuentes como son: • • •

Sección trapezoidal, rectangular, triang lar Sección par  bólica Sección circular

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Tiran te normal ubmenú tirante normal

3.1

Cuando mediante el ouse o las t clas de flech s, se selecci na del Menú Principal la o ción del tirante normal, se obtiene un submenú, como se muestr a en la figura 3.1.

Figura 3.1 Opciones del tirant normal Cualquiera que sea  la sección transversal, el cálculo del tirante norm l se hace a partir de la ecuación de Mannin :

de la c al, se obtien  una ecuaci n en función del tirante n rmal y, es decir :

donde:

La solución de la ec. (14) se realiza utilizando algún pro edimiento de  métodos numéricos, dep ndiendo del tipo de sección y dimensiones de los parám tros. 3.2

Ti rante normal, sección trapezoidal F rmulas

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Ejempl s de cálculo Proble a 1 Se desea construir n canal revestido con co creto (n = 0.014) de sec ión trapezoi al con talud Z = 1 y 3 ancho de solera 0. 0 m. El caudal de diseño  es de 0.5 /s y está tr  zado con u a pendiente del 1 ‰. Calcular el tirante nor mal.

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Proble a 2 Un canal de sección  rectangular, con un ancho de solera 1.5 m, se traza con una endiente del 0.8 ‰, y se onstruirá revestido de oncreto (n = 0.014). alcular el tirante norm l, para qu pueda 3 transportar un caudal de 2 m /s.

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3.3

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Ti rante normall, sección parabólica

Fórmul as

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Ejempl  de cálculo Proble a 3 3 Se des a diseñar un canal parabólico para con ucir un caudal de 2.5 m /s, la misma que se constr  irá en tierra (n = 0.025), tr  zado con un  pendiente d l 0.5 ‰, y que tenga un es pejo de agua de 3 m. Indic r el tirante ormal que debe tener, s   velocidad, número de Fr  ude y su energía específica para las condiciones señaladas.

Datos

3 Q = 2.5 m /s ; T = 3  ; n = 0.025 ;  S = 0.0005

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3.4

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Ti rante normal, sección cir cular 

Fórmul as

La solución de la cuación (14) para las variables indic das, se resuelve utilizando el método d la secante.

Ejempl de cálculo Proble a 4 Se desea calcular el tirante nor  al, de un canal de sección circular co circular  con diámetro m, sabiend que el coeficiente de rugo idad de la tubería es n  = 0.014, stá trazada con una pendiente del 1 ‰, y 3 conduc  un caudal d 1.8 m /s.

Datos:

3 Q = 1.8 m /s ; d = 2

; n = 0.014 ; S = 0.001

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Uso de HCANALES

3.5

Sección trape oidal de má ima eficienc ia hidráulica

Definici ón Una sección es de  máxima efi iencia hidráulica, cuando para la mis a área, pen iente y calid d de las paredes, deja pasar n caudal má imo. El dise o de este tipo de sección se recomi nda solo para canales revestidos por que para ca ales en tierra, or lo general dan velocidades erosivas.

Ecuaci nes Para u a sección tr apezoidal de  máxima efi iencia hidráulica, se cum le:

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Ejempl s de cálculo Proble a 4 Se desea construir un canal trapezoidal de máxima eficiencia hidráulica, para conducir un caudal de 3 3 m /s, ue tenga u   talud de 1, coeficiente  de rugosid d 0.014 y pendiente d l 1 ‰. Cal ular las dimensiones del can l (tirante y ancho de solera .

Datos

3 Q = 3 m /s; Z = 1; n  0.014; S = 0.001

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Flujo crítico 4.1

ubmenú tirante critic

Cuando del Menú Principal, selecciona el tirante crítico, se obtiene la pantal la que se mu stra en la Figura 4.1.

Figura 4.1 Opciones del tirante crític Del submenú, se pu de seleccionar la opción deseada, dep ndiendo de l  sección tran versal con la que se está trabajando. Cualquiera que sea  la sección transversal, el cálculo del  tirante crític  se hace a p rtir de la ecu ción general del flujo crítico:

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4.2

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Ti rante critico, sección tra ezoidal

Para el  caso de un   sección tra ezoidal, la ecuación (38) se resuelve tilizando el algoritmo de NewtonRaphson, utilizando para el área y el espejo de agua T, las ecuaciones. 16) y (18), re pectivament .

Ejempl de cálculo Proble a 5 Un can l trapezoidal, con talud 1.5, ancho de s lera de 2m, conduce un caudal de 2.5 tirante crítico.

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3 /s. Determinar el

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4.3

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Ti rante critico, sección par abólica

Para el caso de una sección parabólica, la ecuación (38) se resuelve con el método de la secante, usando para el área  A y el espejo de ag a T, las ecuaciones. (26) y (29) respecti amente.

Ejemplo de Calculo

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4.4

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Tir ante crítico ección circu lar 

Para el caso de u a sección circular, la ec ación (36) e resuelve tilizando el étodo de la secante, usando para el área y el espejo de agua T, la ecuaciones 32) y (34), re pectivament .

Proble a 7 Se desea determinar el tirante crítico en una tubería de 2.5 m de diá etro, cuando se conduce un caudal 3 de 5 m /s.

Datos

3 Q = 5 m /s ; d = 2.5

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ANE O alores expe imentales d parámetros  hidráulicos Coefici entes de rug osidad En for  a práctica, los valores del coeficiente de rugosidad que se usan para l diseño de canales alojado en tierra, es án comprendidos entre 0. 25 y 0.030 para canales revestidos están compr endidos entre 0.013 y 0.015. En el c uadro 1 se i dican los co ficientes de r ugosidad n, ropuestos por Horton, par a ser utilizad s en la fórmula de Manning.

Cuadro 1. Coeficiente de rugosidad para distintos materiales Mat rial Coeficient de rugosid ad Tubos de barr   para drenaje Superficie de cemento pulid Tuberías de concreto Canales revestidos con concreto Superficie de ampostería con cemento  Acueductos semicirculares, etálicos, lisos  Acueductos semicirculares, etálicos corr ugados

0.014 0.012 0.015 0.014 0.020 0.012 0.025

Canales en tie ra, alineados y uniformes Canales en ro a, lisos y unif  rmes Canales en ro a, con salientes y sinuosos Canales dragados en tierra Canales con lecho pedregoso y bordos de tierra enhierbados Canales con plantilla de tierr a y taludes ásperos Corrientes nat rales limpias, bordos recto , sin hendiduras ni charcos pr ofundos Corrientes nat rales, igual al anterior, pero con algo de hierba y piedra

0.025 0.033 0.040 0.0275 0.035

Corrientes nat rales, igual al anterior, per  enos profundas, con secci nes pedregosas íos con tram s lentos, cau e enhierbado o con charcos pr ofundos Playas muy enhierbadas

0.033 0.030 0.035

0.055 0.070 0.125

Talud Como talud, se define la relación de la proyección horizontal y la pro ección vertical de las paredes del canal. Se designa como t lud Z, la pr oyección hor izontal, cuando la vertical es 1. La incli ación de las paredes later  les depende de la clase de terreno donde está aloja o el canal. ientras más inestable sea el material, me or será el ángulo de inclinación de los taludes, y mayor debe ser Z.

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En el c adro 2 se

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uestran valor es de Z experimentales, recomendados para diferent s materiales.

Cuadr o 2. Valores d  Z experimen ales para diferentes materiales Material

Talu Z

Roca en bue as condiciones  Arcillas compactas o conglomeradas  Arcilla con gr ava, suelo fra co Suelo franco con grava  Arena y grava y arena bien granulada  Arena fina y limo (no plástico)

0 (ve tical) 0.75 1 1.5 2 3

Rango de velocidad es recomend adas Las vel cidades en l s canales var ían en un ran o cuyos límites son:

Velocid ades mínim s: Que no produzcan sedimentación  (depósitos de materiales sólidos en suspensión), v lores experi entales indican que este valor mínimo es de 0.30 m/s, veloci ades menor es, disminuyen la capa idad de conduc ión del canal..

Velocid ades máxim s: Que no  produzcan erosión en l s paredes y  fondo del anal, valores que sobrepasan las velocidades máximas permisibles, modifican las rasantes crean dificultades al fun ionamiento de las estruct ras que tenga el canal. En l cuadro 3 se muestran alores de velocidades máximas reco endadas, en función del ma erial en el ual está alojado el canal. Cuadro 3. Velocidades máximas recomendadas en función del material

Material

elocidad (m/s)

En tierra Mamposterí  de piedra y oncreto Revestido d concreto

0.90 2.00 3.00

Literatu ra consulta a 1.

Villón Béja , Máximo.

anual de

idráulica. D partamento de Ingeniería Agrícola, Instituto

Tecnológico de Costa Rica. Cartago – osta Rica. 1 83. 2.

Villón Béjar, Máximo. Hidr áulica de Canales. Editorial Horizonte Latinoamerican S.A. Lima – Perú. 1985. En edición en la Ediitorial Tecnológica, se encuentra una ver  ión corregida y aumentada.

3.

Villón Béjar, Máximo. Pro ramas en BASIC para Hidr áulica de Canales. Editorial Pirámide. Li a – Perú. 1988.

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