DISEÑO BOCATOMA DE DON MATÍAS

POR:

SEBASTIAN GIRALDO HOYOSDAVID ESCOBAR ZARRABE

ANDRÉS FELIPE MARÍN MUÑOZ

PROFESOR:

CARLOS FERNANDO VELÁSQUEZ HIDALGO

MATERIA:

SUMINISTROS Y DISPOSICIÓN DE AGUAS

ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIAINGENIERIA CIVIL

ENVIGADO22/02/12

CONTENIDO

Pág.

DISEÑO DE LA BOCATOMA.........................................................................................................4

1. se investigaron los siguientes valores:........................................................................................4

2. Diseño del vertedero de aguas medias:.......................................................................................4

3. Diseño del vertedero de aguas máximas:...................................................................................5

4. Diseño de la reja de captación:...................................................................................................5

5. Diseño del canal de recolección:................................................................................................7

6. Chequeo de estabilidad de la estructura:.....................................................................................8

7. Diseño de la caja de derivación:...............................................................................................10

8. Diseño del vertedero de excesos:..............................................................................................11

VISTAS DE LA BOCATOMA........................................................................................................14

BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................................16

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TABLA DE ILUSTTRACIONES

Pág.

Ilustración 1. Ilustración de las fuerzas externas sobre la pared de la bocatoma................................9Ilustración 2. Ilustración de tabla de resumen de fuerzas y momentos.............................................10Ilustración 3. Vista en planta de la bocatoma...................................................................................14Ilustración 4. Vista frontal de la bocatoma.......................................................................................14Ilustración 5. Vista lateral izquierda de la bocatoma........................................................................14Ilustración 6. Vista en 3D de la bocatoma........................................................................................15

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DISEÑO DE LA BOCATOMA

El procedimiento utilizado para el diseño de la bocatoma consistió en que a partir del estudio hidrológico de la quebrada La Piedrahíta del municipio de Don Matías, se obtuvieron los diferentes tipos de caudales (máximo, medio y mínimo), esto con el fin de estimar las medidas de los vertederos de aguas máximas y medias, y con el caudal mínimo se diseño la rejilla de captación ya que esta debe tomar un caudal mínimo de la quebrada para el consumo de la población. En este trabajo se mostrará el desarrollo paso por paso de esta estructura.

PROCEDIMIENTO:

1. se investigaron los siguientes valores:

Q máximo = 34.000 ls

Q medio= 283 ls

Q mínimo = 91 ls

2. Diseño del vertedero de aguas medias: De acuerdo con los planos originales del municipio, el vertedero de aguas medias tiene una altura insignificante, es decir, su altura es de 1 mm aproximadamente, pero para el diseño de este trabajo, se va a calcular una altura pequeña que tenga la misma capacidad del diseño original y para que así se pueda reducir la longitud del vertedero de aguas medias y se pueda abaratar los costos de la estructura.

Q medio=0,283m3

s

Como 0,5<L>2,5, elegimos una longitud = 2,0 m

C = 1,71 por ser de pared gruesa (muro de concreto)

Q=CL H32

Despejando la altura, obtenemos:

H=( QCL )

23

4

H=( 0,283m3

s1,71× 2,0 m )

23

H=0,2m

3. Diseño del vertedero de aguas máximas:La estructura actual del municipio para el cual se está diseñando la bocatoma no cuenta con un vertedero de aguas máximas. Para este trabajo se diseñó este vertedero se calcularon todas las dimensiones para desarrollarlo lo más simétrico posible haciéndolo hidráulicamente eficiente.

Para esto se utilizó la siguiente fórmula:

Q te órico=Q 1+Q2+Q3

Donde:

Q te ó rico=C L1 H32 +C L2 H

32+C L3 H

32

Q te órico=1,71 ×3× 332+1,71× 2× 0,2

32+1,71× 3× 3

32

Q te órico=72,89m3

s

El factor de seguridad se obtuvo de la siguiente manera:

F . S= Q te ó ricoQ m á ximo

F . S=72,89

m3

s

34m3

s

F . S=2,14

Como el factor de seguridad es mayor a 1,5, el diseño del vertedero de aguas máximas se acepta.

4. Diseño de la reja de captación:La reja de captación ocupa toda la longitud del vertedero de aguas medias, es decir, su longitud es de 2,0 m. y los cálculos para el diseño se hicieron con el caudal mínimo, ya que

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este caudal es lo mínimo que pasa por la rejilla y esta tiene que tener la capacidad para captar el caudal de consumo de la población de Don Matías.

Q mínimo = 0,091 m3

s

Caudal por metro lineal:

q1=0,091

2

q1=0,0455m3

s× m

La velocidad horizontal se calculó de la siguiente manera:

V h=√2 g ( H−h )

V h=√2× 9,8 ( 0,1−0,045 )

V h=1,04ms

Después de haber obtenido la velocidad horizontal, se diseñan cada una de las propiedades que componen el vertedero de aguas medias para garantizar la entrada de caudales.

So=0,14 m

Z=0,05 m

b=0,3 m

B= 0,4 m

S= Z × V h2

B × g

S=0.05 ×1,042

0,4 ×9,8

S=0,014 m

Si So>S, entonces se considera el diseño como valido debido a que la lamina de agua no se soltara al momento de llegar a la reja.

Después se realizaron los cálculos para el cálculo del caudal captado por la rejilla, con la siguiente ecuación:

6

qc=c2 c1 ¿

Sabiendo que qc es el caudal máximo diario dividido el ancho de la rejilla.

qc=0,036m3

s× m

Se despeja c2 c1 ya que se conocen todos los valores de la ecuación y de esa forma darle un rango al valor obtenido de entre 2 a 3 veces dicho valor para escoger el tipo de rejilla de la tabala de coeficientes de construcción de N. Nyerges.

c2 c1=0,042

El rango que se buscó en la tabla fue de: 0,083<c2c1<0,125.

Conocido esto se escogió la rejilla tipo 6, que son barras cuadradas de 1 cm de lado espaciadas cada 2 cm con una tela metálica soldada, y sus coeficientes son los siguientes:

C1=0,23

C2=0,37

C1×C2=0,085

Obtenidos estos valores, se procedió a calcular el caudal de agua que capta la rejilla.

qc=0,074m3

s ×m

q=0,147m3

s

Con un factor de seguridad de 2,04 de la fórmula:

FS= qQMD

FS=0,1470,072

5. Diseño del canal de recolección:Para este trabajo se va a diseñar un canal rectangular, por lo que se utilizaron las siguientes fórmulas:

yc=3√ q2

g × b2= 0,1472

9,8 ×0,32

7

yc=0,29 m=H 2

Se diseñarán las características del canal rectangular para poder conocer la altura de la lamina de agua que protegerá el canal de la caída del agua que se capta.

Pendiente = 5%

Borde Libre (BL) = 0,12 m

L = 3 m

Utilizando la siguiente fórmula se encontró la H 1

H 1=√ 2Y C3

H 2

+(H 2−L × P

3 )2

−23

L× P

H 1=0,38 m

Luego se halló H total:

H t=BL+H 1+L × P=0,65 m

Se verificaron las condiciones de funcionamiento del canal de la siguiente manera:

V C=√g × y c

V C=√9,8 × 0,29

V C=1,69ms

V C=Q

H 2 ×b=1,69

ms

En el canal de recolección se da un flojo subcrítico.

6. Chequeo de estabilidad de la estructura:Para realizar el chequeo de estabilidad de la bocatoma, es preciso conocer primero las fuerzas actuantes sobre la misma, esto se realiza de la siguiente manera.

Primero se despeja la fuerza de impacto para un objeto con una carga de 600 N, para realizar esto se supuso que la Velocidad de impacto sería de de 1m/s ya que la bocatoma aguas arriba es un lago, por lo que el objeto no lograría a adquirir la suficiente velocidad para impactar de gran forma la estructura, de igual forma se descarta que cualquier objeto golpee la bocatoma durante una creciente ya que la lamina de agua será tal que un objeto flotante solo pasara por encima de ella.

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F impacto=600 N∗kgf

9,8 N=61,22 kgf

Después se despejo la fuerza de sedimentos, para conocer esta fuerza se realizo un análisis parecido al realizado con la fuerza de impacto, ya que la bocatoma aguas arriba es un lago, el lago hará que los sedimentos no caigan directamente sobre la bocatoma pero ya que se plantea someter esta bajo las peores condiciones, se considerara la altura de sedimentos igual a la altura de la bocatoma.

F sedimentos=1100kgf∗2 m∗(2m)2

2=2200 kgf

La fuerza hidrostática es complicada en esta bocatoma ya que se tendrá que suponer una altura de flujo debido a que no se conoce con exactitud la altura que alcanzara la lamina de agua bajo los efectos del caudal máximo de la quebrada, por esta razón, se dirá que la altura de la lamina de agua desde la base será de 3,2 metros, siendo esta de 1 metro por encima de la parte más alta de la bocatoma, conocido esto se realizo el cálculo de la fuerza hidrostática sobre la pared.

F cuadrada=2200 kgf

F triangular=2420 kgf

Ilustración 1. Ilustración de las fuerzas externas sobre la pared de la bocatoma.

Después de despejar las fuerzas externas sobre la bocatoma se despejaron las fuerzas por propio peso, ya que estas serán las que contrarrestaran las externas.

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F1=2300 kgf

F2=4600 kgf

F3=2760 kgf

El resumen de fuerzas y momentos es el siguiente.

Ilustración 2. Ilustración de tabla de resumen de fuerzas y momentos.

F (kgf) Brazo (m) Mv Mr61,22 2,50 153,062200,00 1,17 2566,672200,00 1,60 3520,002420,00 1,23 2984,673450,00 4,25 14662,504600,00 2,00 9200,002760,00 3,60 9936,00

Fh 6881,22 Mv 9224,39Fv 10810,00 Mr 33798,50

RESUMEN DE FUERZAS Y MOMENTOS

Con los resultados de la tabla anterior se despejaron los valores del volcamiento, deslizamiento, excentricidad y hundimiento, tres de los cuatro parámetros cumplieron, el único que no cumplió fue el deslizamiento, ya que este es de 1,10; con el fin de controlar este problema se diseño una pata en la base de la bocatoma para cumplir dicho parámetro.

Volcamiento=3,66

Deslizamiento=1,1 0( pata enbase)

Excentricidad=2,27(1,5<e<3)

Hundimiento=0,97

7. Diseño de la caja de derivación:Para el diseño de la caja se encontró Xe de la siguiente manera:

X e=0,36 V C+0,6 Y C

X e=0,78 m

Suponemos BL=¿0,22 m, y un coeficiente de descarga de pared delgada (C) de 0,6.

Entonces:

Anc h ode lacaja=Xe+BL

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Anc h ode lacaja=0,78+0,22

Anc h ode lacaja=1 m

De esto se despejó la altura del muro colocando un tubo de diámetro de 200 mm.

h=( QC × d × A )

2

×1

2 g

h=0,75 m

Después se revisó la captación para que no se formaran remolinos en el momento en el que el agua entrara por los dos tubos, esto se verificó con la ecuación:

h>1,5 d

0,85>1,5 × 0,125

0,75>0,187

Se comprobó que no se forman remolinos en el momento en el que el agua es captada por el tubo, y la altura del muro desde la base de la caja de derivación es: la altura (h)+D/2:

H muro=0,85 m

La altura de la caja de derivación = 1,3 m.

Las dimensiones de la caja de derivación son:

Ancho = 1 m

Largo = 1 m

Altura = 1,3 m

8. Diseño del vertedero de excesos:Para el vertedero de excesos se toma en cuenta el caudal captado y el caudal máximo horario que se estimó en el primer trabajo.

Q excesos=Qcaptado−QMD

Q excesos=0,147m3

s−0,072

m3

s

Q excesos=0,075m3

s

Por continuidad:

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Qt=QMD+Qexc=Qcap

Qt=0,072m3

s+0,147

m3

s=0,075

m3

s

Luego se saca la altura del agua en el vertedero de excesos:

Qcap=CL H32+CdA √2 g (0,39+H )

Donde H = 0,13 m.

Bajo condiciones normales el caudal que va al desarenador sería de 0,078 m3

s y el caudal

que se vierte de excesos en la caja de derivación sería de 0,070 m3

s, y estos valores fueron

obtenidos a partir de las ecuaciones utilizadas en el paso anterior de QMD y Qexc respectivamente, utilizando la altura despejada H.

DISEÑO DE LA TUBERÍA DE EXCESOS:

Se supusieron valores de altura del nivel del agua y de diámetros de la tubería de excesos para despejar la siguiente ecuación:

Q=CdA √2 g h

Donde: h = 0,7 m; d = 0,1 m; Cd = 0,6; g = 9,8.

Reemplazando los datos, llegamos a conocer el caudal que sale por un tubo:

Q tubo = 0,017 m3

s

Conociendo esto podemos despejar el número de tubos en paralelo que se instalarán, dividiendo el caudal de excesos sobre el caudal por cada tubo:

Número de tubos = 4 tubos.

Ya que la cantidad de tubos dio como resultado un número entero, no es necesario realizar el recálculo de h, ya que este daría el mismo resultado de 0,7 m siendo igual a 0,75 m que es la altura calculada para el vertedero de excesos.

9. Diseño de la tubería de lavado:

Para el diseño de la tubería de lavado se utiliza la siguiente expresión:

Q=CdA √2 g h

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Donde:

Q = caudal medio de la quebrada que se encontró en el estudio hidrológico de Don Matías.

Q medio = 0,283 m3

s

h = altura medida desde el fondo = 1,5 m

Cd = 0,6, coeficiente para pared delgada.

Despejando el área queda de la siguiente manera:

A= QCd √2 gh

A=0,283

m3

s0,6 √2 ×9,8 × 1,50

A=0,087m2

Despejamos el diámetro de la fórmula para poderlo calcular, y nos queda de la siguiente manera:

D=√ 4 Aπ

D=0,33 m

Se tantearon varios diámetros para diferentes números de tubo y los resultados fueron los siguientes:

Diámetro tubos = 0,2 m, diámetros comerciales de 200 mm.

Número de tubos = 3.

VISTAS DE LA BOCATOMA

Ilustración 3. Vista en planta de la bocatoma.

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Ilustración 4. Vista frontal de la bocatoma.

Ilustración 5. Vista lateral izquierda de la bocatoma.

Ilustración 6. Vista en 3D de la bocatoma.

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Todos los cálculos realizados se encuentran en el archivo de Excel “Cálculos Don Matías” en la carpeta “informe 1”.

BIBLIOGRAFÍA

Don-Matías. (31 de 01 de 2012). www.donmatias-antioquia.gov.co. Obtenido de http://www.donmatias-antioquia.gov.co

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Hernández, E. PMAA. Don Matías: Acueductos y Alcantarillados Sostenibles A.A.S.S.A.

Marín Muñoz, A. F., Giraldo Hoyos, S., & Escobar Zarrabe, D. (2012). Suministro y Disposición de Aguas. Medellín, Antioquia, Colombia: Notas de clase.

RAS, R. d. (2000). REGLAMETO TÉCNICO DEL SECTOR DE AGUA POTABLE Y SANEAMIENTO BAISCO (RAS), Titulo B. BOGOTA D.C: MINDESARROLLO.

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