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COMPUERTAS
BROCHERO JANNER
DE LA OSSA VICTOR
LLERENA ANDRÉS
SANDOVAL JAVIER
SIERRA JORGE ANDRÉS
PRESENTADO AL PROFESOR: CARLOS M.
EN LA ASIGNATURA DE:
HIDRÁULICA
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DE LA COSTA, CUC.
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
VI SEMESTRE
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
2. JUSTIFICACIÓN
3. MARCO TEÓRICO: COMPUERTAS
4. CONCLUSION
INTRODUCCIÓN
En el siguiente trabajo de hidráulica hablaremos sobre las compuertas
hidráulicas las cuales son unos dispositivos hidráulico - mecánico destinado a
regular el pasaje de agua u otro fluido en una tubería, en un canal, presas,
esclusas, obras de derivación u otra estructura hidráulica. Las compuertas
fueron creadas por los europeos pero en nuestro continente los primeros en
utilizarlas fueron los indígenas en Mesoamérica las eran hechas sea con meras
obstrucciones de tierra en los canales, sea como compuertas de cabecera y de
desagüe a manera de puertitas en los canales.
Las aplicaciones que tienen las compuertas son las de el control de flujos de
aguas, control de inundaciones, proyectos de irrigación, crear reservas de
agua, sistemas de drenaje, proyectos de aprovechamiento de suelos, plantas
de tratamiento de agua, incrementar capacidad de reserva de las presas entre
otras. Entre los diferentes tipos compuertas están Compuerta tipo anillo,
Compuerta tipo basculante, Compuerta tipo cilindro, Compuerta tipo esclusa,
Compuerta tipo lagarto, Compuerta tipo rodante, Compuerta tipo sector,
Compuerta tipo segmento, Compuerta tipo Stoney, Compuerta tipo tambor,
Compuerta tipo tejado, Compuerta tipo vagón, Compuerta tipo vicera,
Compuerta tipo Stop Log.
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVO GENERAL
- Determinar la gran importancia y el uso que tienen los diferentes tipos de
compuertas hidráulicas en la rama de la ingeniería.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Explicar las múltiples aplicaciones que tienen las compuertas
hidráulicas.
- Hablar de los diferentes tipos de compuertas hidráulicas que existen.
- Mostrar esquemáticamente los tipos de compuertas hidráulicas.
2. JUSTIFICACIÓN
Las compuertas hidráulicas juegan un papel muy importante ya que nacen de
una necesidad o un problema bien sea social, político, económico en donde su
objetivo no es más que satisfacer nuestras necesidades ya que nos brinda un
mejor desarrollo.
En el que hacer de de ingenieros sanitarios e ingenieros civiles, se incluye
diseño de estructuras hidráulicas que almacén, contengan y transporten fluidos,
especialmente agua, por ello es necesario conocer todos aquellos elementos
aplicados para relacionar las propiedades de los fluidos quietos y en
movimiento con herramientas analíticas que nos permitan dimensionar
adecuadamente dichas estructuras, cuantificar los flujos a través de ellos y
enfrentar los fenómenos hidráulicos que el transporte de éstos genere.
3. COMPUERTAS
Puerta movible que se coloca en las esclusas de los canales y en los portillos
de las presas de río para detener o dejar pasar las aguas.
Las compuertas son equipos mecánicos utilizados para el control del flujo del
agua y mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniería, tales como
presas, canales y proyectos de irrigación. Existen diferentes tipos y pueden
tener diferentes clasificaciones, según su forma, función y su movimiento.
Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de
compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio,
de la cabeza estática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de
las condiciones particulares de operación.
Aplicaciones:
Control de flujos de aguas
Control de inundaciones
Proyectos de irrigación
Crear reservas de agua
Sistemas de drenaje
Proyectos de aprovechamiento de suelo
Plantas de tratamiento de agua
Incrementar capacidad de reserva de las presas
Principales tipos de compuertas
Para canales, presas, esclusas y obras hidráulicas de envergadura los
principales tipos de compuertas son:
Compuertas tipo anillo:
Las compuertas tipo anillo son utilizadas en la cresta de los vertederos tipo
"tulipa", en las presas que están equipadas con este tipo de vertedero.
Compuerta tipo basculante
Compuerta basculante o clapeta puede ser utilizada tanto en la cima del
vertedero de una presa como instalado en el fondo de un río o canal
Compuerta tipo cilindro:
Las compuertas cilíndricas se utilizan para descargas en presión permitiendo la
colocación de la sección de toma a cualquier profundidad, en un embalse. En el
mismo pozo se pueden disponer tomas de agua a diversas alturas. Se acopla
fácilmente a una tubería de salida.
Compuertas tipo exclusas:
Las compuertas tipo esclusa tienen las bisagras verticales. Se accionan por
medios mecánicos o por pistones hidráulicos. La compuerta se abre para
permitir el paso del buque. Sólo se puede abrir cuando la diferencia entre los
niveles de agua fuera y dentro de la esclusa es de unos pocos centímetros.
Compuerta tipo lagarto:
Las compuertas tipo "lagarto" son utilizadas para abrir o cerrar tomas en
presión para descargas de fondo o para centrales hidroeléctricas.
Compuerta tipo rodante:
La compuerta rodante, utilizada en vertederos de presas, es manipulada desde
los pilares del vertedero accionando cadenas, una en cada punta. La
compuerta, constituida por un cilindró vacío, rueda sobre sí misma al ser
elevada o descendida.
Permite liberar totalmente el vano del vertedero, permitiendo la navegación.
Compuerta tipo sector:
Una Compuerta tipo sector es una compuerta utilizada en vertederos de
presas, es manipulada utilizando el desnivel de agua creado por estas, no
requiere de equipo mecánico para su operación.
La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace
que el vertedero no pueda tener la forma óptima, lo que incrementa el volumen
de hormigón del mismo.
Su utilización y características son semejantes a la compuerta tipo tambor.
–
Compuerta tipo segmento:
Las compuertas de segmento son muy utilizadas en la cresta de los vertederos
de las presas. Antiguamente se movían jaladas por cadenas, mediante
dispositivos instalados en los pilares del vertedero. Actualmente son
accionadas mediante pistones hidráulicos o neumáticos.
Algunas compuertas de este tipo disponen, en la parte superior, de una parte
abatiente. Esto permite descargar caudales pequeños, liberar el embalse de
materiales fluctuantes y llenar la cuenca de disipación del vertedero para
mejorar su funcionamiento en las fases iniciales de grandes descargas
–
Compuerta tipo tambor:
La compuerta tipo tambor es un tipo de compuerta hidráulica utilizada en
vertederos de presas. Es manipulada utilizando el desnivel de agua creado por
estas y no requiere de equipo mecánico para su operación.
La necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace
que el vertedero no pueda tener la forma óptima, lo que incrementa el volumen
de hormigón del mismo.
Su utilización y características son semejantes a la compuerta tipo sector.
Flujo a través de compuertas
Las compuertas tienen las propiedades hidráulicas de los orificios y, cuando
están bien calibradas, también pueden emplearse como medidores de flujo.
Las condiciones físicas, hidráulicas, climáticas y de operación, evaluadas
apropiadamente, imponen la selección del tipo y tamaño adecuado de las
compuertas. Éstas se diseñan de diferentes tipos y con variadas
características en su operación y en su mecanismo de izado, los cuales
permiten clasificarlas en grupos generales de la siguiente manera:
a. Según las condiciones del flujo aguas abajo:
- Compuerta con descarga libre.
- Compuerta con descarga sumergida o ahogada.
b. Según el tipo de operación o funcionamiento:
- Compuertas Principales: se diseñan para operar bajo cualquier
condición de flujo; se les llama de regulación cuando se les conciben
para controlar caudales en un canal abierto o sobre una estructura de
presa, con aberturas parciales, y se conocen como compuertas de
guarda o de cierre aquellas que funcionan completamente abiertas o
cerradas.
- Compuertas de emergencia: se utilizan en los eventos de reparación,
inspección y mantenimiento de las compuertas principales, siendo
concebidas para funcionar tanto en condiciones de presión diferencial,
en conductos a presión, como en condiciones de presión equilibrada.
c. De acuerdo a sus características geométricas:
- Compuertas planas:
Rectangulares
Cuadradas
Circulares
Triangulares, etc.
- Compuertas curvas o alabeadas:
Radiales: también llamadas compuertas Taintor, tienen la forma de
una porción de cilindro, y giran alrededor de un pivote o eje horizontal
situado en el eje longitudinal de la superficie cilíndrica. Por su forma
algunas veces se les llama compuerta Sector.
Generalmente, en las compuertas radiales el agua actúa en el lado
convexo y, debido a las propiedades hidrostáticas de una superficie
cilíndrica, la línea de acción del empuje hidrostático resultante pasa a
través del pivote o centro de giro. En consecuencia, la fuerza
requerida para levantar la compuerta es la necesaria para vencer el
peso propio de la misma y la fricción en los apoyos.
Este tipo de compuerta se usa en vertederos de presa, en obras de
captación y en canales de riego.
Tambor: consisten en una estructura hermética de acero, abisagrada
en la cresta de rebose de un vertedero de presa, y con una forma tal
que, cuando está en su posición más baja, ocupa un recinto dentro
de la estructura de la presa, sin interrumpir el perfil de dicha cresta.
Si el líquido penetra a dicho recinto, la compuerta se levanta por
encima de la cresta, debido al empuje de flotación, evitando el paso
de la corriente.
Este mecanismo de operación constituye cierta ventaja sobre los
otros tipos de compuerta, puesto que no requiere de superestructuras
que incluyan grúas, cables, ni volantes, para su manejo.
d. Según el mecanismo de izado:
- Compuertas deslizantes: el elemento de cierre u obturación se
mueve sobre superficies deslizantes (guías o rieles) que sirven, a la vez,
de apoyo y sello. Generalmente, se construyen en acero colado, y se
emplean en estructuras de canales y en algunas obras de captación, en
presas o tanques de regulación. La hoja de la compuerta o elemento de
obturación se acciona con un mecanismo elevador, a través de un
vástago o flecha de acero.
- Compuertas rodantes: el elemento de cierre u obturación se mueve
sobre un tren de ruedas, rodillos o de engranajes, hasta la posición de
estanca. Se utilizan en obras de toma profunda, para casos de
emergencia y de servicio, así como para cierre en mantenimiento, en
conductos a presión. Ruedan a su posición de sello debido a su propio
peso y se izan con cadenas o cables por medio de grúas especiales,
fuera de la superficie del agua, hasta una caseta de operación, donde
se les hace mantenimiento.
Ecuaciones para el caudal de flujo a través de compuertas:
– A través de compuertas planas: para deducir la expresión, se considera el
caso más general, donde la compuerta está inclinada un ángulo respecto a la
horizontal, y tiene un ancho B igual al del canal.
El flujo a través del orificio formado por el labio inferior de la compuerta
y el fondo del canal puede considerarse bidimensional. Nótese que la
descarga supercrítica bajo la compuerta reduce progresivamente su
profundidad a lo largo de una corta distancia I, aguas abajo, hasta una
sección en donde la contracción del chorro es completa, llamada Vena
contracta.
La profundidad del flujo en la vena contracta y2, se relaciona con la
abertura a, por medio del coeficiente de contracción Cc, así:
(1)
Además, para compuertas planas verticales, se ha comprobado que:
(2)
Reemplazando (1) en (2), se tiene:
(3)
Suponiendo las hipótesis de fluido incompresible, flujo permanente y
uniforme, distribución hidrostática de presiones, lejos de la compuerta, y
tensiones cortantes nulas, en paredes y fondo del canal, la ecuación de
Bernoulli expresa lo siguiente:
(4)
(5)
Por continuidad:
(6)
De donde: (7)
Sustituyendo (7) en (5) y haciendo 1= 2 = = 1, se tiene:
Distribuyendo el binomio y simplificando se tiene:
Sacando raíz cuadrada:
(8)
Reemplazando y2 = a.Cc en la anterior, se tiene:
(9)
Introduciendo el coeficiente de velocidad, Cv, resulta:
(10)
(11)
Ahora, reemplazando las ecuaciones (11) en la (6), se tiene:
(12)
(13)
(14)
Introduciendo el coeficiente de descarga, Cd, como:
(15)
resulta:
(16)
De otro lado, a partir de la ecuación (15), para Cv, se tiene:
(17)
Elevando al cuadrado se tiene:
(18)
Ahora, haciendo:
(19)
resulta:
(20)
Los coeficientes Cc, Cv y Cd depende del número de Reynolds y de las
características geométricas del escurrimiento.
H. Rouse afirma que los valores de Cd para compuertas planas
verticales ( = 90º) son esencialmente constantes y con ligeras
variaciones alrededor de 0.61.
CONCLUSIÓN
Al terminar la investigación acerca de las compuertas hidráulicas, hemos
podido determinar la importancia y las aplicaciones que tienen las diferentes
compuertas aquí, ya explicadas y representadas en esquemas visuales,
además pudimos concluir que las compuertas son utilizadas mayormente en
preseas de gran tamaño, las cuales tienen la función general de aliviar,
mantener o soportar un nivel de agua, dependiendo de la función que se quiera
poner a cumplir tal compuerta, un ejemplo bastante conocido, son las
compuertas en el canal de Panamá, las cuales son de vital importancia en la
economía mundial, ya que debido a estas el tiempo de transporte de cargas en
barcos, se hace mas corto.