aplicación del principio de conservación de la energía para el diseño estructural de obras...

7/24/2019 Aplicación Del Principio de Conservación de La Energía Para El Diseño Estructural de Obras Civiles

http://slidepdf.com/reader/full/aplicacion-del-principio-de-conservacion-de-la-energia-para-el-diseno-estructural 1/12

e Machala Unidad Acadé



UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MACHALAUNIDAD ACADÉMICA DE INENIER!A CIVIL

ESCUELA DE INENIER!A CIVIL

INTR"DUCCI#N

En ingeniería civil, el conocimiento de los principios de la física y la mecánica son de

vital importancia pues permiten predecir el comportamiento de diversas estructuras

ante diferentes fenómenos físicos, climatológicos, et al. Uno de estos principios

fundamentales es el de Conservación de la Energía el cual afirma que la cantidad total

de energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema)

permanece invariale con el tiempo, aunque dic!a energía puede transformarse en otra

forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la

energía no puede crearse ni destruirse, sólo puede camiar de una forma a otra, por

e"emplo, cuando la energía el#ctrica se transforma en energía calorífica en uncalefactor, o la energía cin#tica en el#ctrica en una central !idroel#ctrica.

Este traa"o de investigación iliográfica, e$pone diferentes casos dentro de la

ingeniería civil en los que se utili%a el principio de la conservación de la energía, entre

ellos tenemos& 'nálisis Estructural, Captaciones de agua para centrales !idroel#ctricas,

edes de agua otale e *idráulica de Canales.





AN$LISIS ESTRUCTURAL

+a ingeniería estructural es una rama clásica de la ingeniería civil que se ocupa del

diseo y cálculo de la parte estructural en elementos y sistemas estructurales tales

como edificios, puentes, muros (incluyendo muros de contención), presas, túneles y

otras oras civiles. -u finalidad es la de conseguir estructuras seguras, resistentes y

funcionales. En un sentido práctico, la ingeniería estructural es la aplicación de la

mecánica de medios continuos para el diseo de estructuras que soporten su propio

peso (cargas muertas), más las cargas e"ercidas por el uso (cargas vivas), más las

cargas producidas por eventos de la naturale%a, como vientos, sismos, nieve o agua.

El principio de la conservación de la energía es muy utili%ado en esta rama de la

ingeniería para la otención de movimientos en puntos específicos de las mismas con

el o"eto de evitar reali%ar el cálculo cinemático de la estructura en su totalidad. Esto es

únicamente posile cuando la estructura es isostática, lo que permite la aplicación de

las ecuaciones de equilirio adicional a eso dee e$istir una fuer%a aplicada en el

punto que será evaluado, la misma que está en el sentido del movimiento que se

usca, además, dee ser la única fuer%a que realice traa"o e$terno (/er 0igura 1). Si

no existe esta fuerza, se debe recurrir al principio de las fuerzas virtuales ó al teorema

de la Carga Unidad.

+a Ecuación de alance energ#tico es la siguiente&

W ¿=W e=

W ext

2=U =U

¿

2onde&

• W

¿

& 3raa"o complementario de las fuer%as e$teriores.

•W e & 3raa"o elástico de las fuer%as e$teriores.

•W ext & 3raa"o de las fuer%as e$teriores, total.

• U & Energía de deformación.

• U

¿

& Energía complementaria de deformación.





REDES DE AUA %"TA&LE

El CE es de muc!a utilidad cuando el ing. Civil quiere disear una red de agua

potale, incluso las tuerías para una vivienda. Es allí donde recurre a la aplicación de

la ecuación de 4ernoulli, que no es más que el CE, la cual e$presa que en un fluido

ideal (sin viscosidad ni ro%amiento) en r#gimen de circulación por un conducto cerrado,

la energía que posee el fluido permanece constante a lo largo de su recorrido.

2eemos saer primero que la energía de un fluido en cualquier momento consta de

tres componentes (/er 0igura 5)&

Cin#tica& es la energía deida a la velocidad que posea el fluido. ( Ec=

mg⃗ v2

2gc )

otencial o 6ravitacional& Es la energía deido a la altitud que un fluido posea.

( E p=mgz)

Energía de resión& Es la energía que un fluido contiene deido a la presión que

posee.( E f =

mgP

γ )

+a e$presión es la siguiente&

ET = E p+ Ec+ Ef

E1= E

2

P1

γ 1+Z

1+⃗v

2

1

2g

= P2

γ 2+Z

2+

⃗v2

2

2 g

Este principio es aplicado para conocer la presión, área y velocidad requeridas en el

punto 1 para otener esas mismas variales en el punto 5 o punto de salida. 'sí como

la pendiente y el material del que dea ser la tuería (metal, /C, etc.).





HIDR$ULICA DE CANALES

El diseo de un sistema de riego y drena"e lleva implícito el diseo de un con"unto de

oras de protección y estructuras, mediante las cuales se efectúa la captación,

conducción, distriución, aplicación y evacuación del agua, para proporcionar de una

manera adecuada y controlada, la !umedad que requieren los cultivos para su

desarrollo. El Conocimiento de la !idráulica de canales es esencial para el diseo de

estas estructuras, ya que ella proporciona los principios ásicos.

ero 78u# son los canales9

“Los canales son conductos en los que el agua circula debido a la acción de lagravedad y sin ninguna presión, pues la superficie libre del lquido est! en contacto con

la atmósfera. Los canales pueden ser naturales "ros o arroyos# o artificiales

"construidos por el $ombre#. %entro de estos &ltimos, pueden incluirse aquellos

conductos cerrados que traba'an parcialmente llenos "alcantarillas, tuberas#.( (4#"ar,

5::;)

En cualquier línea de corriente que atraviesa una sección de un canal, se define como

energía total a la suma de la energía de posición, más la de presión y más la de

velocidad, es decir&

EnergíaTotal= Energía de posición+ Energía de presión+ Energíade velocidad

Como podemos ver, la ecuación que se utili%a es un derivado de la ecuación de

4ernoulli, pues la energía de entrada no es la misma que la de salida deido a que

e$iste una perdida deida a la fricción y es la siguiente& (/er 0igura <)

E1= E

2+hf

1−2

Z 1+ y

1+∝

v12

2g=Z

2+ y

2+∝

v22

2g+h f

1−2





2onde&

•h f

1−2 es la disipación de energía entre las secciones.

• Z =¿ 'ltura de posición.

• y=¿ 'ltura de presión

• v=¿ /elocidad media que lleva el flu"o en esa sección

• ∝=¿ Coeficiente de Coriolis para la sección.

Cen'rales HIDR"ELÉCTRICAS

El principio de la conservación de la energía es de utilidad en el diseo de centrales

!idroel#ctricas. 'quí es donde el agua es retenida en emalses de diferentes tamaos

dependiendo de la potencia, pues la potencia generada está en función del desnivel

e$istente entre el nivel medio del emalse y el nivel medio de las aguas dea"o de la

central (lo que se traduce en energía potencial gravitatoria), y del caudal má$imo

admitido por las turinas, además de las características de las turinas (/er figura =) y

de los generadores usados en la transformación. El agua se de"a caer a trav#s de

grandes tuerías y así adquiere, por acción de la gravedad, energía cin#tica.

osteriormente, cuando el agua entra en contacto con las álaes de las turinas

uicadas al pie de la represa, genera un movimiento de rotación, este movimiento de

rotación !ace traa"ar al generador que es el que convierte esa energía mecánica en

energía el#ctrica, la misma que es amplificada al pasar por un transformador, el cual

está conectado a los cales de la red el#ctrica, que es por donde llega a los !ogares,

empresas e instituciones. (/er figura >)

+a potencia de una central puede variar desde unos pocos ?@ (megavatios), como enel caso de las centrales mini!idráulicas, !asta decenas de miles, como en los casos de

la represa de Ataipú, entre 4rasil y araguay, que tiene una potencia de 1= ::: ?@, o

la presa de las 3res 6argantas, en C!ina, con una potencia de 55 >:: ?@.





C"NCLUSI"NES

El principio de conservación de la energía es uno de los más versátiles principios

físicos y es aplicale en gran cantidad de ámitos profesionales. +a oportuna aplicación de este principio nos permite erigir construcciones

seguras, eficaces y eficientes. ara un Angeniero Civil es indispensale el conocimiento de este principio, así

como sus diversas aplicaciones dentro de la especialidad que desempee, sea

esta diseo estructural, vialidad y puentes, *idráulica -anitaria y 'miental,

entre otros. +a utili%ación de este principio permite un a!orro sustancial de tiempo, lo que se

traduce en un a!orro en los costos de diseo. En el diseo de captaciones de agua para centrales !idroel#ctricas, el CE

permite determinar el desnivel del emalse requerido para generar cierta energía

potencial, así como tami#n la pendiente y diámetros de la tuería que conecta

con el cuarto de máquinas, provocando que las turinas traa"en de manera

adecuada y en su má$ima eficiencia.





&i(li)gra*ía

4#"ar, ?. /. (5::;). )idr!ulica de Canales. +ima& /illón.

CornBell, 0. 4... (5:1:). *ec!nica +ectorial para ngenieros-%in!mica-ovena /d.

?#$ico& ?c6raB*ill.

6ene ?osca, . '. (1DDD). 0sica para la ciencia y la tecnologa (/ol. 1). ?e$ico&

evert#.

6iancoli, 2. (5::). 0sica para Ciencias e ngeniera +ol. 1. ?e$ico& earson.

?ott, . +. (1DDF). *ec!nica de 0luidos 2plicada. Gaucalpán de Huare%& earson.

esnicI, 2. !.. (1DDD). 0isica para /studiantes de Ciencias e ngeniera. ?adrid&

CEC-'.

igola, ?. (1DD). 3ratamiento de aguas industriales4 2guas de proceso y residuales.

4arrcelona& ?'CJ?4J.

-erBay, . '. (5::D). 0sica. @as!ington 2C& Cengage +earning.





ANE+"S

Figura 1 Simplifcación de una estructura para la aplicación del PCE

Figura 2 Componentes de la Energía de un Fluido





Figura 3 Energía de las Secciones 1 y 2

Figura 4 Modelos de turbina





Figura Es!uema de una central "idroel#ctrica

aplicación del principio de conservación de la energía para el diseño estructural de obras...

Documents