CALCULOS Y DISEOS HIDRAULICO-ESTRUCTURALES

DISEOS HIDRAULICO-ESTRUCTURALESEN MINICENTRALES HIDROENERGETICAS

PROMIHDEC Per

INTRODUCCION

Durante el proceso de anlisis, predimensionamiento, clculo, diseo y ejecucin del proyecto para una Minicentral Hidroenergtica (MCH), el componente denominado Obra Civil, normalmente absorbe entre el 15 al 20 % de la inversin total necesaria. En el Per las inversiones en MCH normalmente fluctan entre los 1600 a 2000 US$ por [kW] instalado; por tanto, este componente para una MCH de 50 [kW] costara entre los 12000 a 20000 US$. Es posible igualmente, que ste costo pueda ser significativamente reducido si el beneficiario, que en la mayora de los casos es una comunidad campesina o poblacin del medio rural, participa activamente en su ejecucin mediante el aporte de su mano de obra y algunos materiales locales. En estas circunstancias los costos de la Obra Civil, para el mismo caso, estaran fluctuando entre los 10.000 a 15.000 US$.

En nuestra realidad latinoamericana, y principalmente sub-regional andina, existe la creencia de que la Obra Civil de cualquier proyecto de desarrollo o de servicios, a pesar de ser diseada para perodos de vida de 25 a 30 aos normalmente, deben durar eternamente; y para el usuario, las responsabilidades en la adecuada operacin y permanente mantenimiento y conservacin deben ser ejecutadas solamente cuando la Obra Civil est recin inaugurada y viene operando de acuerdo al diseo. Muchas veces se olvida que es precisamente en la etapa del funcionamiento y servicio propiamente dicho en la que el usuario debe tener la ms activa participacin a travs del ente u organismo que administra dicho proyecto.

Para ello, es importante y necesario que el ejecutor o proyectista establezca en forma detallada, el documento tcnico conocido como el "Manual de Operacin y Mantenimiento" que le permita al usuario, desarrollar tales acciones tendientes precisamente a su adecuada conservacin, permanente vigilancia de su funcionamiento y al buen uso de las instalaciones y equipos que constituyen la infraestructura del proyecto.

Dentro de la concepcin establecida para las MCH, existen cuatro componentes bsicos o especialidades cuyo tratamiento, desarrollo y concepcin deben mantener una estrecha relacin durante el proceso de diseo. Estos componentes son: el anlisis socioeconmico, la Obra Civil, la Obra o Equipamiento Electromecnico y la Obra Elctrica. Consideramos adicionalmente que cada uno de ellos mantiene su importancia frente a los otros tres, pero ninguno puede considerarse el ms importante.

Normalmente, para la seleccin del equipamiento electromecnico se cuenta con todas las especificaciones y normas tcnicas de fabricacin, materiales e insumos, transporte, manejo y montaje, operacin y mantenimiento preventivo y correctivo que el proveedor o suministrador se preocupa en implementar, por cuanto estos equipos son la razn de ser de la MCH. Adems, el usuario consciente de la inversin realizada y el costo de tales equipos, brinda las mayores atenciones y dedicacin a su buen funcionamiento y tratamiento en la etapa de operacin del proyecto. Los operadores de MCH son conscientes de su responsabilidad en el manejo de estos equipos, e incluso llegan a familiarizarse adecuadamente con ellos y saben afrontar situaciones de fallas menores con los recursos propios de su localidad.

En el proceso de diseo, clculo y ejecucin de la obra elctrica de una MCH, se cuenta igualmente con personal tcnico y profesional que aplica y conceptualiza su realizacin dentro de los parmetros y normas nacionales e internacionales existentes sobre el uso, instalacin y puesta en servicio de redes elctricas, transformadores, generadores, tableros e instrumentos de control y medida de las variables elctricas. Las especificaciones tcnicas existentes sobre materiales y tratamiento de los mismos, sobre instrumentos de medicin y control, sobre equipos de montaje, etc., son normalmente las ms completas y de permanente actualizacin y revisin por fabricantes y suministradores. As tambin, el usuario en el manejo y operacin de stos siempre muestra el mximo de cuidado en su utilizacin y manejo, implcitamente por la instintiva precaucin que la electricidad le merece como por la sentida necesidad de mantener el servicio que este componente le brinda. Debemos reconocer sin embargo, que en el medio rural de nuestros pases, existe muchas veces exceso de confianza y hasta ingenuidad en el uso de la electricidad, con la consecuencia de un manipuleo inadecuado de tales instalaciones.

El proceso de conceptualizacin, predimensionamiento, clculo, diseo y ejecucin de las obras civiles por otro lado, involucra conceptos acadmicos sobre hidrologa,topografa, hidrulica aplicada, estructuras de concreto, mecnica de suelos y geologa, etc.; e innumerables recomendaciones prcticas, bacos, grficos, programas computacionales y tablas de seleccin que son ampliamente conocidas por especialistas y calculistas. Existe por tanto variada y amplia informacin tcnica que se resumen en Manuales de Planificacin y Dimensionamiento de Obras Civiles para MCH.

Sin embargo, existiendo metodologas y procedimientos para abordar los clculos y diseos hidrulico-estructurales, la obra civil en proyectos hidroenergticos no merece muchas veces la debida importancia en el control y la supervisin tcnica durante el proceso de su construccin, en el uso y dosificacin de materiales adecuados, en el empleo de mano de obra idnea, en el uso de equipos de construccin operativos, etc. Muchas veces, las especificaciones tcnicas que forman parte del proyecto de la obra civil para una MCH son tangencialmente o simplemente ignoradas.

Si a estos aspectos mencionados, adicionamos acciones deficientes en la operacin y el mantenimiento de los diferentes componentes bsicos de la obra civil por parte del usuario a travs de su organismo administrador durante la vida del proyecto; concluimos que inevitablemente el funcionamiento de la MCH adolecer de permanentes paralizaciones, deficiente servicio, elevados costos globales de operacin y por tanto, no se cumplirn las previsiones de rentabilidad asumidas en el anlisis econmico que impuls el logro de su financiamiento.

Por las consideraciones establecidas, todo proceso de clculo y diseo hidrulico-estructural deber ser enfocado teniendo en cuenta los siguientes aspectos fundamentales:

Simplicidad y solidez estructural.

Mnimo mantenimiento.

Fcil operacin.

Uso racional de materiales y mano de obra.

Supervisin y control del proceso constructivo.

La meta establecida por nuestra institucin, PROMIHDEC, la transferencia y asesoramiento tecnolgicos recibidos y la experiencia alcanzada en casi 6 aos de funcionamiento durante los cuales se construyeron y supervisaron 9 obras y se desarrollaron ms de 15 proyectos para otras tantas MCH, nos permite aseverar que los procesos de diseo y clculo del componente Obra Civil deben responder necesariamente a las cinco consideraciones antes mencionadas, y que llamamos aqu: exigencias conceptuales de diseo.

COMPONENTES DE LA OBRA CIVIL

Dentr del proceso del planeamiento de la obra civil para las MCH se conocen los siguientes componentes bsicos que conforman el conjunto:

La bocatoma.

El canal de aduccin.

El desarenador y la cmara de carga.

Las obras de cada.

La casa de mquinas y fundamentos de equipamento.

El canal de descarga.

Estos seis componentes bsicos para algunos casos especficos se vern complementados con obras adicionales como: de represamiento, almacenamiento y/o encauzamiento, desgravadores y/o desripiadores, aliviaderos, canales de purga, canales de demasas, tneles y puentes-canal, pozos de succin, chimeneas de equilibrio, sifones invertidos, rpidas, cascadas, etc.

Si es necesario definir conceptualmente cada uno de estos componentes bsicos, podemos decir que:

La bocatoma, es la estructura inicial y tal vez la ms importante, mediante la cual se capta el recurso hdrico necesario para el funcionamiento de los equipos transformadores de la energa hidrulica, y cuyo emplazamiento, clculo, diseo y construccin debe responder necesariamente a las exigencias mnimas establecidas. Esta se disear para las condiciones de mxima avenida probable del recurso hdrico y su proceso constructivo deber desarrollarse de preferencia en perodos de estiaje o ausencia de lluvias.

El canal de aduccin (o conduccin) permite conducir de manera segura y permanente el caudal requerido por las turbinas alojadas en la casa de mquinas y deber ser diseado para las condiciones de mxima potencia probable de tales equipos. Es normalmente suficiente que las secciones adoptadas sean las rectangulares para caudales de hasta 600 a 800 l/s, y trapezoides para caudales mayores. En MCH's de hasta 50 a 80 [kW], es suficiente considerar canales en tierra y/o emboquillados de piedra, dependiendo de la pendiente y posibilidades geolgicas y topogrficas de los terrenos que ste deba atravesar.

El desarenador y la cmara de carga (o tanque de presin) son dos estructuras que normalmente se construyen adyacentes a travs de las cuales se pueden eliminar por decantacin la mayor proporcin de material fino y en suspensin que contiene el recurso hdrico y que llega a la primera, y al mismo tiempo lograr que la tubera forzada trabaje a seccin llena evitando acciones de sobrepresin o cavitacin a travs de la segunda. Normalmente se construyen de concreto armado y semienterradas y sus caractersticas geomtricas estn influenciadas por el caudal de diseo de la MCH y por la velocidad de sedimentacin de las partculas en arrastre principalmente.

Las obras de cada estn constituidas bsicamente por estructuras de soporte y fijacin o empotramiento de la tubera forzada al terreno, para las cuales el asumir un comportamiento esttico de solicitaciones en el diseo es suficientemente aceptable; sin embargo, es en el proceso constructivo donde se deber tener especial cuidado en la utilizacin de materiales y mano de obra de la mejor calidad que aseguren la estabilidad y empotramiento adecuados de la tubera. Estas estructuras de fijacin o bloques de anclaje tendrn diferentes diagramas de fuerzas si son saltantes hacia afuera o hacia adentro para el caso de cambios de direccin en el desarrollo de la tubera.

La casa de mquinas (o casa de fuerza) se puede considerar como el corazn de la MCH. En ella se alojar prcticamente todo el equipamento electromecnico que conforma el proyecto y dependiendo de las caractersticas y dimensiones de los mismos se tendrn establecidas la estructuracin y arquitectura de aquella. En muchos casos, tambin alojar la sub-estacin transformadora o deber preveer reas para futuras ampliaciones o instalacin de equipos que en algn momento trabajarn en paralelo.

Es frecuente el uso de MCH en el medio rural para el procesamiento agro-industrial. Para estos casos, la concepcin de la Casa de mquinas deber preveer los espacios necesarios para tales equipos en mrito a sus caractersticas fsicas y de funcionamiento o accionamiento a travs del sistema de transmisin desde la turbina.

Complementos fundamentales de la casa de mquinas son la ubicacin y concepcin de los fundamentos o apoyos del equipamiento (turbina, generador, regulador, etc) para los cuales el dimensionamiento debe ser el ms exacto posible que facilite el proceso de montaje de aquellos. Estos debern ser diseados para absorber durante su vida til solicitaciones de vibracin y de impacto que pudieran originarse por el funcionamiento deficiente del equipamiento (golpe de ariete, por ejemplo).

Es prctica frecuente y recomendable que la ubicacin y emplazamiento para la casa de mquinas, se determine muy cercana al lugar de descarga de las aguas turbinadas, por tanto es importante estudiar seriamente la capacidad portante del suelo de cimentacin en zonas muy cercanas a quebrada o cauces de ros que sirvan para tal fin.

El canal de descarga se constituye en el ltimo componente de la obra civil, y cuya caracterstica ms importante es la de servir de desfogue o conduccin de las aguas turbinadas hacia el punto de descarga, que por lo general es el mismo cauce del recurso utilizado como fuente energtica para la MCH.

AFRONTANDO LAS EXIGENCIAS CONCEPTUALES DE DISEO

Cuando estamos tratando de Minicentrales Hidroelctricas (MCH) y an de Microcentrales, estamos hablando de aquellos sistemas de transformacin de la hidroenerga en el rango de potencias de 5 a 100 [kW]. Estos sistemas pueden proveer de energa a poblaciones rurales con un rango de poblacin de 30 a 500 familias en condiciones normales de consumo de energa. Si estos sistemas por el contrario servirn para procesos agro-industriales de transformacin, podrn servir para pequeos propietarios que manejan o administran entre 50 a 60 [ha] de terrenos productivos, hasta cooperativas o asociaciones agrarias que cuentan entre 300 a 500 socios activos. En el medio rural de la sierra del sur y Ceja de selva del Per, se ha podido evaluar que la demanda de energa por familia flucta entre los 180 a 300 [W], lo que implica anualmente un consumo de 325 a 540 [ kWh]/familia campesina.

Estos parmetros bsicos nos permiten establecer que las obras civiles para estos sistemas muy rara vez sern diseadas para caudales mayores a 500 600 [l/s] y que las obras de cada, en casos normales, oscilan entre los 40 a 60 [m] de desniveles.

Bajo estas consideraciones, los diferentes componentes de la obra civil pueden disearse teniendo en cuenta las exigencias conceptuales de diseo con suficiente aproximacin y simplicidad. Para este objetivo nos permitimos establecer algunas recomendaciones prcticas para el diseo antes que establecer metodologas a seguir, que bien pueden ayudar en el proceso de seleccin y dimensionamiento de las estructuras hidrulicas para las MCH.

BOCATOMA

Normalmente, se utilizarn de dos tipos: toma directa mediante espigones y/o tomas en el lecho del recurso o tipo Tirol.

Ubicarlas preferentemente en zonas estables del cauce del recurso hdrico, que disminuya la posibilidad de arenamiento o sedimentacin a la entrada de la rejilla. Es conveniente que en las zonas de emplazamiento, la pendiente promedio del ro sea entre 3 a 10 % de modo tal que esas posibilidades se vean minimizadas.

Construirlas con el uso preferente de materiales de la zona para las obras de encauzamiento o ejecucin de espigones si fueran necesarios.

CANAL DE ADUCCION

Se debern proyectar preferentemente de seccin rectangular si el canal ser revestido, y de seccin trapezoidal con un talud de 1:2, si ser de tierra compacta. Para este ltimo caso, es recomendable que la plantilla del canal sea de concreto o de piedra emboquillada y ser suficiente utilizar un coeficiente de rugosidad de Manning de n = 0.22 a 0.015.

Deber evitarse el trazo del canal con curvas de menos de 25 [m] de radio. Ser preferible considerar suficiente movimiento de tierras en la ejecucin de la plataforma, antes que ejecutar muros de proteccin o de contencin para el caso de laderas con mucha pendiente (mayores a 70 grados).

Deber evitarse, en lo posible, el diseo de puentes-canal o canoas por el alto costo que ello implica. Ser preferible tener una mayor longitud de canal, que de todos modos resulta ms econmico y cuyo mantenimiento ser msfcil.

DESARENADOR

Deber considerarse como la velocidad de ingreso y recorrido del agua, como mximo hasta 0.25 [m/s].

El dimetro del grano lmite ser asumido como 0.2 [mm] y hasta un mximo de 0.05 [mm].

El espesor de muros deber ser como mximo de 0.20 [mm].

CAMARA DE CARGA

Deber ser conceptualizado con suficiente volumen para poder amortiguar las variaciones de presin originadas por el manipuleo de las vlvulas de la turbina.

OBRAS DE CAIDA

Para evitar costosas inversiones en estructuras de dilatacin, es preferible el uso de tuberas enterradas, principalmente si se trata de tuberas de PVC.

Para el rango de desniveles establecido , estas tuberas soportan adecuadamente hasta 75 y 100 [psi] de presin (517.500 a 690.000 [Pa])

CASA DE MAQUINAS

Se puede establecer una estandarizacin de dimensiones de acuerdo a rangos de potencias. Por ejemplo:

de 5 a 30 [kW]: 3,00 [m] a 4,50 [m]

de 30 a 60 [kW]: 4,00 [m] a 6,00 [m]

de 60 a 100 [kW]: 4,50 [m] a 7,50 [m]

Aspecto importante en la reduccin de costos, es el uso preferente de materiales de construccin locales. En el caso de la Sierra del Per, es muy frecuente el uso del adobe, que bsicamente es el suelo arcillo-arenoso en el que se usa la paja como elemento cohesionante, y que luego de moldeado es secado al sol durante una semana o dos.

CANAL DE DESCARGA

Normalmente tendr las mismas caractersticas de los canales de aduccin, en cuanto a secciones y caractersticas hidrulicas. Normalmente su pendiente podr ser entre 1 a 2 % requiriendo revestimiento.

Deber ser diseado lo ms corto posible para minimizar costos de construccin y de mantenimiento.

COMPUTARIZACION DE CALCULOS

El PROMIHDEC, dentro de sus actividades de promocin, divulgacin y ejecucin de pequeos proyectos hidroenergticos para el desarrollo de actividades agro-industriales y de electrificacin en el medio rural, ha desarrollado y ejecutado desde 1984 numerosos anteproyectos y proyectos para minicentrales hidroelctricas, y consideramos que se ha alcanzado una adecuada experiencia en este campo, la cual merece ser cristalizada en el logro de una dinmica de diseo, clculo a travs del uso de la informtica y los lenguajes-herramientas que actualmente se conocen.

Por tanto, en los actuales momentos, se hace indispensable mejorar su competitividad y posibilidades de abrir nuevos mercados para sus servicios, adecuando el manejo de los diseos y clculos que en muchos casos son repetitivos, al uso de lenguajes-herramienta, que como el LOTUS 123, se presentan aceptables y suficientes para tal fin.

Objetivos:

Los principales objetivos que se persiguen son bsicamente los siguientes:

1. Incrementar la eficiencia profesional de las diferentes reas que participan en el desarrollo de un proyecto hidroenergtico, especialmente el de las obras civiles, dentro del rango de trabajo del PROMIHDEC, en base a la experiencia adquirida.

2. Utilizar lenguajes-herramienta que como el LOTUS, permiten desarrollar esquemas de diseo a travs de plantillas de clculo y tablas de seleccin de los diferentes componentes para una MCH.

3. Mejorar los niveles de competividad y desarrollo externo de la institucin en el campo de la consultora y el asesoramiento de proyectos hidroenergticos.

4. Incentivar y capacitar en el trabajo a los profesionales de la institucin introducindolos en el uso de la informtica dentro de sus respectivas especialidades, considerando que estas herramientas deben ser progresivamente mejoradas y constantemente revisadas.

5. Establecer un documento tcnico-normativo de carcter interno de uso y consulta permanentes; pero sin limitaciones a las necesarias revisiones y mejoras que su utilizacin y adecuacin permitan realizar.

USO DEL SISTEMA INTERNACIONAL DE MEDIDAS

Se sabe que el Sistema Internacional de Medidas (SI) es el resultado de la concordancia internacional en cuanto al uso de unidades de medida, por lo que est siendo adoptado por casi todos los pases del mundo; debiendo entenderse tambin que este sistema es la versin ms moderna y evolucionada del antiguo Sistema Mtrico Decimal. Es importante por tanto, lograr su adecuada implantacin en los procesos de diseo y clculos, pues atravs de l se logra la ms adecuada racionalizacin, sistematizacin, simplificacin y adecuado desarrollo de tales procedimientos y metodologas.

En muchos aspectos del diseo y clculo de componentes de la obra civil para MCH, se utiliza actualmente algunas unidades del antiguo Sistema Mtrico Decimal, y an del sistema ingls de medidas o Sistema pie-libra. En este documento se presenta una tabla de equivalencias tiles para diseo (Anexo 1), y en la cual se han considerado bsicamente unidades de presin, fuerza, longitud, peso y capacidad; por ser las que ms influencia y uso tienen en los diseos y clculos hidrulico-estructurales.

Esta tabla de uso muy sencillo, cuenta tanto con los factores literales de conversin, como con los factores exactos y los ms aproximados para clculos preliminares; y que estn en base a las constantes fsicas siguientes:

g = aceleracin de la gravedad = 9,806 [m/s2]

p = libra (avourdupois USA) = 4,535.023 7 *10^ - 1 [kg/lb]

i = pulgada (in) = 0,0254 [m/in]

gn = galn USA = 3,785.412 [L/gln]

El uso de los factores aproximados, respecto de los valores exactos slo implica diferencias de menos de 5 %, que pueden considerarse aceptables para el rango de valores y dimensiones finales de diseo para los diferentes componentes de las obras civiles que nos ocupa normalmente.

ANEXO 1 CUADRO DE EQUIVALENCIAS UTILES EN DISEO

Multiplicar por:

Para convertir: A: Factor literal Factor numrico Factor aprox.

kg/cm2 MPa g/100 0,0980665 0,0981

kg/cm2 Pa g*104 98066,5 98066

kg/cm2 psi i2/p 14,2129613413 14,21

MPa kg/cm2 100/g 10,1971621298 10,2

Pa kg/cm2 (g*104)-1 0,00001019720,0000102

psi kg/cm2 p/i2 0,0703583142 0,07

MPa psi (10*i)2/(g*p) 144,93187114 145

Pa psi i2/(104*g*p) 0,00014493190,000145

psi MPa g*p/(10*i)2 0,0068997936 0,007

psi Pa (102/i)2*g*p 6899,7936211 6900

kg N g 9,80665 9,81

kg 1b p-1 2,2030134139 2,2

N kg g-1 0,1019716213 0,102

N 1b (g*p)-1 0,2246448496 0,225

1b kgp 0,4539237 0,454

1b N g*p 4,4514708526 4,45

N kip (103*g*p)-1 0,00022464480,000225

kip (1000 1b) N 103*g*p 4451,4708526 4451,5

ft n 12*i/100 0,3048 0,305

in n i/100 0,0254 0,0254

ft2 m2 (12*i/100)2 0,09290304 0,0929

in2 m2 (i/100)2 0,00064516 0,000645

ft3 m3 (12*i/100)3 0,0283168466 0,0283

in3 m3 (i/100)3 0,0000163871 0,0000164

ton USA (2000 1b) kg 2*103*p 907,8474 908

ton USA (2000 1b) N 2*103*g*p 8902,94170528903

ton UK (2240 1b) kg 2.24*103*p 1016,7890881017

ton UK (2240 1b) N 2.24*103*g*p 9971,29470989971

g1n USA m3 gn*10-3 0,003785412 0,00378

g1n USA L gn 3,785412 3,785

CONSTANTES: g = gravedad 9,80665 m/s2

p = 1b-f 0,4539237 kg/1b

i = pulgada 2,54 cm/in

gn - g1n USA 3,785412 L/g1n