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MANUAL DEL K&BHID HIDROLOGIA E HIDRAULICA DE AGUAS Y FLUIDOS Página 1

HIDROLOGIA E HIDRAULICA DE AGUAS Y FLUIDOSK&BHID

Software de Hidrologia e HidráulicaParte I

TEMARIOA.- Presentación del Sistema

B.- Componentes y Módulos del K&BHID

1.0.- HIDROLOGIA Y CUENCAS:Mediante este modulo el usuario podrá aprovechar la facilidad que el Software presenta en el tratamiento de Cuencas, Estadísticas Hidráulica y Socavación.

Hacemos “CLICK” Obtenemos esta pantalla donde podemos elegir el Proyecto que deseamos Trabajar

ò Proyecto que deseamos Crear

Una vez cargado el proyecto podemos hacer uso deCualquiera de las tres alternativas dadas en el comando

1.1.-CUENCAS, el Software permite con relación a la evaluación de los recursos hidrológicos para el estudio y características de las CUENCAS permitiendo obtener la MORFOLOGIA de estas.

1.2.-ESTADISTICAS Permite al usuario realizar Estadísticas Hidráulicas para lo cual se podrá registrar datos históricos de la Cuenca, como precipitaciones, Caudales etc.

Dirección: Av. Aviación 2768-A Of. 301. San Borja Teléfono- Fax: 226-8092 www.blacksa.com

- Tratamiento y Morfología de Cuencas- Estadísticas Hidráulicas- Socavación General de Pilas y Estribos

- Datos de Campo, Características de Cursos- Tipos de Alcantarillas- diseño Hidráulico de Alcantarillas

- Coeficientes Mannig- diseño Hidráulico de Canales

- Flujo en Redes- Líneas de Conducción- Redes de Abastecimiento


Validando si estos corresponden a una distribución normal y proyectándolo a 2, 5,10, 25, 50 y 100 anos por medio de tres métodos como LogPearson III, LoPearson Normalizada y Gumbell.

1.3.-SOCAVACION el software permite el calcula de la rugosidad Manning del fondo del cauce haciendo uso de los criterios USRB, COWAN y SCOBY, permite el calculo de la Socavación General, para cursos de agua Definido y Indefinido, suelos Cohesivos y no Cohesivos, fondo de cauce Homogéneo o Heterogéneo aplicando Lischtvan Lebediev, también la Socavación Local o de Pilas, Columnas o Caissones aplicando Yaroslavtziev, finalmente calcula la Socavación en Estribos aplicando K.F. Artamonov, haciendo un resumen de la Socavación Total.

2.0.- ALCANTARILLADO:Mediante este modulo el usuario podrá aprovechar la facilidad que el Software presenta para el diseño de obras menores y alcantarillas.



Una vez elegido el proyecto el usuario podrá cargar algún diseño anterior solicitándolo

desde la caja o hacer uso de los siguientes comandos:


Tipos de AlcantarillasEste comando permite al Usuario obtener los coeficientes de rugosidad de Manning para cinco tipos de alcantarillas que el sistema considera como las más usadas, y para 32 tipos de material de estas.Para el diseño Hidráulico de las alcantarillas proporciona los coeficientes de perdida de carga al ingreso de la alcantarilla.

Datos de Campo Este comando permite al Usuario registrar las características de la sección del curso o cauce del agua que se encuentra en el campo teniendo tres posibilidades o tipos de sección, para lo cual el sistema calculara el área del cauce o curso de agua

Formulas UsadasCon este comando el usuario podrá ver las formulas usadas en el diseño Hidráulico de las alcantarillas

diseño de AlcantarillaCon este comando el usuario obtendrá un corte longitudinal de la alcantarilla tipo a fin de proporcionar los datos para que el sistema realise el disno de esta

AyudaCon este comando el usuario Ayuda y Asistencia del sistema


Se aprecia los tipos de alcantarillas que se pueden diseñar

3.0.-CANALES:Mediante este modulo el usuario podrá aprovechar la facilidad que el Software presenta para el diseño de Canales.



Una vez elegido el proyecto el usuario podrá cargar algún diseño anterior solicitándolo

desde la caja o hacer uso de los siguientes comandos:

Formulas usadas en el diseño de canales

Coeficientes de rugosidad de Manning para nueve tipos deferentes de secciones de canales


Cuadrada o Rectangular

Circular

Ovalada Horizontal

Ovalada Vertical

Abovedada


APLICACIÓN

1.0.- HIDROLOGIA Y CUENCAS:Para el uso de sistema lo haremos tomando un caso real, que corresponde a un tramo de 41.3 km. En la Carretera URCOS-QUINCEMIL en el departamento del Cusco, la Subcuenca se obtuvo recurriendo a la carta Nacional tomando las partes mas altas o cumbre que seria los limites de esta y la que se ve reflejada en el siguiente Grafico.


Canal Cajón Cerrado

Canal Circular Canal Ovalado Horizontal

Canal Ovalado Vertical Canal Abovedado

Canal Cajón Abierto

Canal Trapezoidal

Canal Triangular Canal Cuneta


Los datos y planos obtenidos del servicio Aerofotogafico a la escala 1/1500000 de la zona mediante el estudio de estos se determino la Subcuenca que influirá en el diseño de las obras de arte y los datos obtenidos de esta Subcuenca son:

- AREA TOTAL DE LA SUBCUENCA = 12,727.3 Hect.- PENDIENTE DE LA SUBCUENCA = 0.36 %- PRECIPITACION (Estación Quincemil) = 6,357.7 mm.- PRECIPITACION MAXIMA (Enero) = 943.5 mm.

Para poder precisar la influencia de la zona en cada una de las obras de arte o estructura dividiremos a esta en cinco Micro cuencas de manera de obtener las áreas de influencia en cada tramo de la Carretera.

Las características de estas Mmicrocuencas se dan en la siguiente tabla:

MICROCUENCAS

KILOMETRAJE AREA DE LA MICROCUENCA00 + 0.00 al 20 + 0.00 7,932.5 Hect.20 + 0.00 al 26 + 0.00 1,946.6 Hect.26 + 0.00 al 30 + 0.00 867.6 Hect.30 + 0.00 al 37 + 0.00 1,043.2 Hect.37 + 0.00 al 41 + 336 937.4 Hect.

TOTAL …… 12,727.5 Hect.Plano de las Micro cuencas:

Podemos obtener de esta Subcuenca:

1.- Área por rango de Altitud

2.- Perfil de la Cuenca

3.- Afluentes de la Cuenca

4.- Caudal por cada Micro cuenca

5.- Precipitaciones



Cuyos datos se dan en las siguientes Tablas:

TABLA Nº 1 TABLA Nº 2Área por Perfil del rango Cuenca de Altitud

TABLA Nº 3 TABLA Nº 4 Afluentes de Caudal deLa Cuenca cada Micro cuenca

TABLA Nº 5 Precipitaciones

Se aprecia que la mayor precipitación de 943.5 mm/mes se da en el mes de Enero siendo la precipitación diaria de 31.45 mm/día y la más desfavorable del ano, valor consignado en la Tabla Nº 4.



Existen varios métodos para determinar La Descarga de diseño los que se basan en:

- Toma y Registro de Estructuras actuales- Formulas para calcular Máxima Descarga- Calculo del área a Desaguar- características y tipo de suelo de la Cuenca- Datos Estadísticos de Clima y Pluviométrica.

Dentro de estos métodos tenemos:- TALBOT- BURKLI –ZIEGLER- FORMULA RACIONAL

TALBOT realizo una derivación de Burkli - Ziegler

Donde:Qc = Descarga de diseñoCi = Coeficiente de ImpermeabilidadPr = Precipitación PromedioPmc = Pendiente Promedio de la CuencaArepc = Área de la Cuenca

1.1.- TRATAMIENTO DE CUENCAS (morfología)

Para determinar la morfología de la cuenca podemos hacer uso del K&BHID creando el proyecto o haciendo uso de uno ya creado como se da a continuación:

Luego de ejecutar el K&BHID tenemos:


Hacemos “CLICK”Obteniendo la Pantalla Siguiente :


Si se trata de un proyecto ya creado por el usuario deberá hacer “CLICK” en la caja displayable de Proyectos y elegir su proyectoSi se trata de un NUEVO proyectoEl usuario deberá consignar unCódigo (Tres Números paraIdentificar al proyecto y UnNumero de extensión) luego leDará el nombre y referencias que se deseen.

Para este caso vamos a identificar nuestro proyecto con el código 999 1 Daremos el 999 en la primera caja luego <ENTER> y en la segunda caja colocaremos el numero 1 luego <ENTER> Luego le damos el nombre “Proyecto URCOS QUINCEMIL” luego <ENTER> Luego “43 Kilómetros (CUENCA), Luego <ENTER> Luego “CUSCO” quedando como se aprecia a continuación:

Luego hacemos “Click” en

Obteniendo:



En la parte superior derecha encontramos cuatro opciones en el comando:

1.-

Tomamos la Primera Opción HACIENDO “Click” en CUENCA para dar los datos de estas dadas en la TABLA Nº 1 (Área por rango de Altitud) en la Grilla que se muestra a continuación:

Vemos que al hacer “Click” en la Calculadora el

sistema totalizara y dará el área total de la cuenca llevando este valor a la Grilla que se encuentra al lado derecho de la pantalla donde se consigna “Parámetros MORFOLOGICOS de la CUENCA” para lo cual en esta Grilla el usuario deberá introducir todos los datos que se conocen de la Cuenca como se muestra a continuación:

2.- Tomamos la Segunda Opción HACIENDO “Click” en PERFIL DE LA CUENCA para dar los datos de esta, los que se encuentran en la TABLA Nº 2 (Perfil de la Cuenca) en la Grilla que se muestra a continuación:


CUENCA PERFIL DE LA CUENCA

AFLUENTES CALCULO DEL CAUDAL “Q”

Después de haber dado los datos hacemos “Click”

Datos introducidos por el usuario como: Latitud, Longitud en grados, cota de la cuenca etc. Luego deberá GRABAR estos haciendo “Click” en:


Vemos que al hacer “Click” en la Calculadora el sistema

totalizara y dará la Longitud total de la cuenca llevando este valor a la Grilla que se encuentra al lado derecho de la pantalla donde se consigna “Parámetros MORFOLOGICOS de la CUENCA” como se muestra a continuación:

3.- Tomamos la Tercera Opción HACIENDO “Click” en AFLUENTES para dar los datos de estos, los que se encuentran en la TABLA Nº 3 (Afluentes de la Cuenca) en la Grilla que se muestra a continuación:

Vemos que al hacer “Click” en la Calculadora el

sistema totalizara y dará la Longitud total de los Afluentes llevando este valor a la Grilla que se encuentra al lado derecho de la pantalla donde se consigna “Parámetros



Vemos como se registra el dato en la Grilla También vemos como el sistema calculo la Pendiente Equivalente, luego deberá GRABAR estos haciendo “Click” en:



MORFOLOGICOS de la CUENCA” como se muestra a continuación:

Con todos los datos proporcionados podemos Calcular los demás “Parámetros MORFOLOGICOS de la CUENCA” haciendo uso del siguiente comando:

Podemos haciendo “Click” en cada uno de estos comandos realizar el calculo de cada característica de la cuenca colocando el valor en cada uno de los casilleros de la Grilla


Vemos como se registra el dato en la Grilla También vemos como el sistema También registra el número de ríos de 1er Orden, luego se DEBERA DAR :

Longitud de Origen a Desemb. del Rió Principal

Luego deberá GRABAR estos haciendo “Click” en:

Factor de Torrencialidad

Altitud Media Compacidad

Longitud Media de Escurrimiento

Pendiente Media

Indice de Pendiente

Factor de Masividad

FactorOrografico

Lado Mayor y Lado Menor

Ancho Medio de la Cuenca

Factor de Sinuosidad Factor de Forma

Drenaje

Calcula TODO


del lado derecho, También el usuario podrá realizar el calculo de TODO haciendo “Click” en la zona de la Llave del comando descrito anteriormente obteniendo los cálculos como se muestran a continuación:

4.- Tomamos la Cuarta Opción HACIENDO “Click” en

Calculo de Caudal Q cuyos datos que se

Encuentran en la TABLA Nº 4 (Caudal de cada Micro cuenca) Apareciendo en la parte inferior derecha : En la parte izquierda aparecerá la Grilla donde el usuario consignara los datos de las Micro cuencas como se muestra a continuación:

Vemos que el sistema calculoEl área total de la cuenca con


Luego GRABAMOS


Calcula TODOHacemos “Click” en esta zona para obtener:


La suma de las micro cuencasY calculo el Caudal “Qc” o ladescarga de diseño en m3/seg.para Cada una de estas.

Con esta descripción se determino los Caudales o Descarga de diseño que le permitirá al usuario hacer los diseños de canales o alcantarillas, puentes o pontones.También podemos determinar los caudales máximos de diseño mediante métodos estadísticos como se vera a continuación:

Hacemos “Click” en

Obteniendo:

APLICACI ÓN

1.2.- ESTADISTICAS HIDRAULICAS:Para el uso de sistema lo haremos tomando un caso real, que corresponde al estudio del Rió Canchis

Cauce del río Chinchipe Debido a la falta de aforos de corriente en los sectores de interés y de información adecuada y suficiente respecto a la importante porción de la cuenca colectora que se encuentra en territorio del Ecuador y tomándose en cuenta las características del cauce y el menor nivel relativo de riesgo asociado a las formas de ataque potencial de dicho curso se procedió a estimar alternativamente los niveles máximos de la superficie del agua en base a las huellas observables de niveles de avenidas.

HIDROLOGIA E HIDRAULICA FLUVIAL RIO CANCHIS (Información básica)

La información hidrológica que ha servido de base para cuantificar la descarga máxima de diseño del río Canchis, en la zona de emplazamiento del proyecto, ha sido la serie histórica de descargas del río Chinchipe (del cual es afluente el río Canchis), registradas en la estación hidrométrica de Huayape que cuenta con 16 años de registros del período comprendido entre los años 1981y 1996.

Dicha estación se ubica en las siguientes coordenadas geográficas: 05°23’00’’ de latitud Sur y 70°26’00’’ longitud Oeste y 500 rn.s.n.m. de altitud.El río Canchis afluente del río Chinchipe en la frontera con el Ecuador tiene una descarga



de diseño estimada do 1062.54rn3/s, con un periodo de retorno de 100 años.La serie histórica de descargas se presentan en el siguiente cuadro ordenadas en forma decreciente:

Descargas Máximas Del Río Chinchipe Tabla Nº 6

Análisis de Frecuencia;

Los eventos máximos han sido procesados para diferentes periodos do recurrencia haciendo uso de la distribución Teórica de Gumbel, y cuya distribución, tiene la siguiente expresión:

-a(x-u)F(x) = e-e

donde:

a = Parámetro de concentración.u = Parámetro de tendencia central.

Al tiempo de retorno está relacionado con la probabilidad de no excedencia mediante la relación siguiente:

F(x)= 1-(1/T)

Siendo F (x) la función distribución acumulada.



DISTRIBUCION LOG-PEARSON TIPO III

La descarga máxima de diseño del río Canchis, en la zona de emplazamiento del proyecto, ha sido la serie histórica de descargas del río Chinchipe (del cual es afluente el río Canchis), para efecto del presente estudio consideramos que la más próxima y representativa para El río Canchis, luego para la aplicación de la Distribución Log-Pearson Tipo III lo realizaremos para estos datos a fin de calcular las descargas Máximas.

En la siguiente tabla se calcula la descarga futura para los siguientes 10, 25, 50 y 100 años.

TABLA LOG-PEARSON TIPO III (Río Chinchipe)



DISTRIBUCION LOG-NORMAL

Para la distribución Log-Normal tomaremos la misma estación para efecto del presente estudio consideramos que la más próxima y representativa para Namballe, luego para la aplicación de la Distribución Log-Normal con los datos las máximas descargas (m3/s) correspondiente a 10 años 1981 al 1990.En la siguiente tabla se calcula la precipitación futura para los siguientes 10, 25, 50 y 100 años.

Se debe tener en consideración que él calcula de esta distribución se realiza considerando que el Coeficiente de Asimetría se iguala a cero tomando los datos de la misma tabla que para el caso Log-Pearson III, como se muestra él calculo en la tabla adjunta.

TABLA LOG-NORMAL (Río Chinchipe)

Como se puede apreciar de la aplicación de los métodos existe similitud en los valores proyectados.

Haciendo uso de K&BHID podemos llegar a obtener:



1.2.- ESTADISTICAS HIDRAULICAS

De la misma manera que se describió en Tratamiento de Cuencas se procede para este caso accesando a este como se muestra a continuación:


Obteniendo:

En la parte izquierda de la pantalla mostrada aparece una Grilla que nos permitirá ingresar los datos como se muestra a continuación:


Le damos el Error estadístico Estimado


Le damos el Numero de datos a introducir

Luego el usuario deberá hacer uso del siguiente comando:

Con estas opciones el usuario deberá ejecutarlas haciendo “Click” en cada una de ellas y de izquierda a derecha a fin de obtener los resultados como se muestra a continuación:

Haciendo “Click” en ESTADISTICOS obtenemos:


Le damos el Número de datos a introducir

Le damos los Datos de la Tabla Nº 6Descargas Máximas Del Río Chinchipe

Luego GRABAMOS

ESTADISTICOS

VALIDACION DEDATOS CURVA NORMAL

PROYECTAR LOG PEARSON III

PROYECTAR LOG PEARSON NORMALIZADA

PROYECTAR GUMBEL

En la parte inferior Izquierda de la pantalla aparecerá el cálculo de la Media, Variancia, Desviación Standard y Coeficiente de Variación


Luego hacemos “Click” en VALIDACION DE DATOS CURVA NORMAL obtenemos:

Luego hacemos “Click” en los comandos siguientes obteniendo:

Para el caso de Log Pearson III Para el caso de Log Pearson Normalizada


Calculo estadístico de la prueba de bondad y ajuste a una DISTRIBUCION NORMAL

Grafico de laCURVA DE PROBABILIDADES y su Curva de Ajuste


Para el caso de Gumbel El resultado final será:

Haciendo uso de K&BHID podemos como última opción de esta fase obtener:



1.3.- SOCAVACION Y EROSION DE FLUIDOS

De la misma manera que se describió en Tratamiento de Cuencas se procede para este caso accesando a este como se muestra a continuación:


Obteniendo:

APLICACIÓN

1.3.- SOCAVACION Y EROSION DE FLUIDOSPara el uso de sistema lo haremos tomando un caso real, que corresponde al estudio del Rió Caracha.

Existen varios tipos de socavación el sistema contempla tres tipos que son los mas importantes para el diseño de puentes y pontones.

La primera socavación que estudiaremos será la socavación Normal o General que se produce cuando aumenta el caudal o velocidad del cauce generando una mayor capacidad de arrastre del material que se encuentra localizado como fondo o lecho del cauce, este tipo de socavación ha sido ampliamente estudiada y hoy en día se hacen modelos reales que permiten un acercamiento mejor del comportamiento de este fenómeno, K&BHID prevé para futuras versiones la simulación matemática de este



evento mediante la modelación espacial de las estructuras y la simulación del comportamiento de los fluidos como el método de Montecarlo, buscando que matemáticamente se pueda acercar a la predicción de este evento sin incurrir en modelos a escala que son costosos y que se deben usar cuando un modelo matemático advierte de su requerimiento.

Como método práctico de fácil aplicación se ha desarrollado la teoría de LISCHTVAN-LEBEDIEV ya que es un método práctico que permite calcular el descenso total o general del lecho del cauce o del rió, y donde se deben conocer la sección transversal de este como se muestra en los gráficos adjuntos:

La sección transversal deberá ser obtenida en época de estiaje, a esto se deberá realizar una serie de clasificaciones del cauce como:

Es decir si el cauce Definido el material delFondo del cauce es Cohesivo y la forma delFondo es Homogéneo la solución se hará Con La Formula 1 que se muestra a continuación:

En el caso Es decir si el cauce Definido el material del Fondo del cauce es No Cohesivo y la forma del Fondo es Homogéneo la solución se hará con La Formula 2 que se muestra a continuación:

Cualquier otra condición que se presente al clasificar el cauce deberá resolverse con la aplicación de cualquiera de estas dos formulas que corresponda realizando tanteos hasta encontrar el mayor valor o el más desfavorable y donde:

Hs Altura de socavaciónHo Profundidad del Cauce antes de producida la erosión o socavación



S Pendiente del Caucen Coeficiente de rugosidad de Manningdm Diámetro medio de las partículas del fondo del lecho del cauceß Coef. depende de ocurrencia con que se repite la avenida Tabla 7ðd Peso volumétrico del material del fondo del caucex Exponente función del peso volumétrico dado en la Tabla 8

La Formula 1 y Formula 2 se obtiene aplicando la formula de Manning Q = V * A donde A equivale del Grafico de socavación total a e igualando la Velocidad Real Vo que toma el fluido al paso de esta sección con la Velocidad de socavación o Erosiva Ve capaz de producir arrastre de las partículas del fondo del lecho del cauce.

Para efectos del cálculo de socavación General tenemos los datos obtenidos del campo así como el planteamiento del modelo del Puente (Pantalla_SOC_01):


TABLA Nº 7 TABLA Nº 8


Los datos de la sección transversal son: - Cauce Definido- Espejo de agua B = 26.00 m.- Tirante Ho = 2.10, 1.50, 1.80 m.- Forma material del Fondo Heterogéneo- Material del fondo Sin Cohesión- Pendiente del Cauce S = 0.013- Tamaño de las partículas del fondo del cauce del estudio de suelos dm = 1000 mm.- Peso volumétrico o Densidad seca del material del fondo del cauce ðd = 1.9 Tn/m3- El Coeficiente de rugosidad de Manning n lo podemos obtener de dos maneras

1.- Acensando a la opción de Canales del K&BHID

2.- Tomando la Primera Opción “Rugosidad del Lecho del Cauce” que lo veremos mas adelante.

- El Caudal de diseño Q m3/seg. lo podemos calcular desde el capitulo “HIDROLOGIA y CUENCAS con la Opción “ESTADISTICAS HIDRAULICAS” como se muestra a continuación.

Estos datos se encuentran enel Proyecto 999-2 del Sistema

La serie Histórica correspondenal SENAMI de los anos 1955 al1995 del rió CARACHA en el Departamento de AYACUCHO Provincia de HuancasancosDistrito de Sancos.

Vemos que los datos se ajustana una distribución Normal luego


n = 0.034


Calculando el caudal proyectadoa 2, 5, 10, 25, 50 y 100 anosy por los tres métodos

- Log Pearson III- Log Pearson Normalizada- Gumbel

Tenemos:

Luego vemos que el caudal mas desfavorable a los 25 anos es Qc = 668 m3/Seg.

Con estos datos aplicamos laformula para Cauces Definidosmaterial del No Cohesivo o Granular y forma del materialdel fondo Heterogéneo porlo que usaremos la Formula

ß 0.92 Lo obtenemos de la Tabla Nº 7 para una probabilidad del 50 % que se presente el Caudal de diseño en los primeros 7 anos. 1 ----- 0.84 Obtenido de la Tabla Nº 8 para X = 0.19 Suelos Sin Cohesión o 1+X Granulares y dm = 1000 mm.

Como el fondo del Cauce es Heterogéneo por tener tres Alturas o Tirantes distintos cuyos valores son: Ho1 =2.10, Ho2 =1.50, Ho3 =1.80 m. aplicaremos la formula para estas tres pocisiones, tomando la mas desfavorable como socavación general.

Calculamos el Tirante Medio Hm para el Caudalproyectado Qd= 668 m3/seg. a los 25 anos aplicando:

Donde Be es ancho o espejo de agua (B) al que sele resta el ancho de las pilas o columnas cuando elangulo que forman con respecto al eje es 0º.

En la (Pantalla_SOC_01) se aprecia el arco quesustenta la Plataforma o Tablero del puente no hacecontacto con el agua por lo que B = Be, remplazandodatos para un caudal proyectado Qc=668 m3/seg. a los 25 anos obtenemos el Tirante Medio Hm:

Calculamos el Tirante de socavación General para cada Pocision:

1ra Pocision: Dirección: Av. Aviación 2768-A Of. 301. San Borja

Teléfono- Fax: 226-8092 www.blacksa.com


2da Pocisión:

3ra Pocisión:

La primera Pocisión resulta la mas desfavorable por lo que tomaremos como Tirante de socavación General Hs = 2.28

Luego la socavación será Sc = Hs – Ho Sc = 2.28 – 2.10 = 0.18

Pero el Tirante medio proyectado a 25 anos será Ho = Hm + Sc Ho = 3.39 + 0.18 = 3.57

Con este tirante Ho calculamos Tirante de socavación General Hs proyectado a los 25 anos como se muestra a continuaron:

Finalmente la socavación General proyectada a 25 anos será :

Veremos a continuación como podemos realizar este calculo con el uso del K&BHID


Luego el usuario deberá hacer uso del siguiente comando:


Sc = Hs – Ho Sc = 4.79 – 2.10 = 2.69 m.


Al hacer “Click” en la primera opción de este comando “Rugosidad del Lecho del CAUCE MANING” el sistema nos presentara una tabla con diferentes parámetros analizados por diferentes autores que permitirán obtener el coeficiente de rugosidad con una mayor objetividad e interpretación de las características Topográfica, Geológicas, Tipos de Material, Tipos de Vegetación etc. Analizadas por USRB, COWAN y SCOBY para lo cual el usuario escogerá haciendo Clic en el casillero que corresponda con las características de su estudio y curso de agua o rió.Al hacer “Click” aparecerá:

Vemos que la Grilla esta sin datos el usuario podrá dar los datos para cada situación como Tipo de Cauce, Irregularidad del Cauce, Obstrucciones, Vegetación, Tourtosidad sinosuidad y Dimensión y forma de secciones, para cada una de estas situaciones se tiene características especiales que definen la condición del Cauce o Rió.Si el usuario no tiene información al respecto podrá copiar los coeficientes para cada caso obteniendo esto de los ejemplos con los que viene el sistema, para ver la forma como debe esto ser hecho se procederá de la siguiente manera:

1.3.1.0.- Cargue cualquiera de los ejemplos dados como el 999-1 o el 999-2 y entre a la misma opción como cuando cargo su proyecto obteniendo lo que se muestra:


Rugosidad del Lecho del CAUCE MANING

socavación General LISCHTVAN-LEBEDIEV

Acceder al K&BSUE BLACKSA

socavación en Estribos ARTAMONOV

socavación en Pilas Columnas y Caissones YAROSLAVTZIEV

NO IMPLEMENTADO


1.3.2.0.- Vemos que la grilla contiene datos y coeficientes que el sistema proporciona, luego Marque con el Mouse todo o parte de la grilla de acuerdo con su requerimiento y Registre el copiado como lo hace normalmente (^C) de manera de retener en Memoria lo que desea copiar.

1.3.3.0.- Vuelva a invocar su proyecto y coloque el cursor donde desea copiar y ejecute este Como normalmente lo hace (^V) vera los datos copiados a su proyecto luego Haga “Click” en el comando GRABAR.

1.3.4.0.- Los datos consignados podrán ser modificados de acuerdo con los requerimientos del usuario y guardados para cada proyecto de ser el caso.

1.3.5.0.- Para el cálculo del Coeficiente de rugosidad proceda de la siguiente Manera:

1.3.5.1.- Cargue su proyecto hasta el punto de tener la pantalla como se muestra a Continuación:


Para escoger los coeficientes dados por USRB

Para escoger los coeficientes dados por COWAN

Para escoger los coeficientes dados por SCOBY

Para los coeficientes del TIPO DE CAUCE deberá elegir uno de ellos en USRB como Tierra, Roca, Graba Fina, Graba Gruesa haciendo “Click” en la zona de la grilla al coeficiente que le corresponde y eligiendo uno solo de ellos, de la misma manera proceda para COWAN y SCOBY.En la zona de la izquierda y debajo del nombre se ira sumando los coeficientes elegidos

Proceda para cada caso de la misma manera que el explicado en el caso anterior


1.3.5.2.- Al terminar de escoger los coeficientes el sistema colocara los valores en las cajas que se muestra a continuación

1.3.5.3.- Finalmente GRABE haciendo uso de:

Luego haga “Click” en la segunda Opciónsocavación General LISCHTVAN-LEBEDIEV

Obtenemos los comandos que nos permitirádefinir la CLASIFICACION del CAUCE o RIO

El usuario le podrá decir al sistema que el Cuace es DEFINIDO haciendo “Click” en este Botón de la misma manera si el material del Fondo del Cauce o rió es COHESIVO o SIN COHESION (también GRANULAR), y si la Forma del Material del Fondo es HOMOGENEO o HETEROGENEO.



Para el caso de nuestro ejemplo haremos “Click” y de manera consecutiva en los tres Botones que se muestran a continuación:

Cuya interpretación será : Cauce Definido, Material del Fondo sin Cohesión o Granular la forma que tiene el material en el fondo o lecho del cauce es Heterogénea o Irregular, al Terminar de dar Clic a estos Botones el sistema Mostrara:

El sistema nos diceque el Cauce esDefinido que el materialdel Fondo es sinCohesión o Granular yque la forma del fondoes Heterogénea.Vemos la formula que usara en el Calculo y nos muestra un grafico donde podemos consignar los datos como el Espejo de cauce o Rió (B) y el Tirante inicial (Ho) obtenido de los datos del campo en épocas de Estiaje son los datos mínimos necesarios para proseguir con el calculo.

Luego hacemos “Click” sobre el botón de la formula

Obteniendo:

Analizando esta tabla podemos decir:a.- Pendiente del Cauce tiene valor 0.000% ya que no se ha definido los datos Morfológicos de la cuenca ha la que pertenece el Rió Caracha si esto lo hubiéramos definido la pendiente de la Cuenca se reflejaría en este campo, caso contrario el usuario deberá consignar este valor manualmente haciendo “Click” en esta caja.



b.- Coeficiente de Rugosidad existen tres campos donde se consigna el coeficiente de USRB, otro el de COWAN y el tercero de SCOBY y un cuarto campo con valor 0.0334 donde el sistema coloca el mayor de estos tres coeficientes, si el usuario considera conveniente podrá colocar otro que el considere o cualquiera de estos tres, se debe tener en cuenta que este valor es subjetivo y depende mucho del criterio del usuario y del conocimiento de la Cuenca y de las características propias del Cauce o Rió.c.- Peso volumétrico y Diámetro Medio cuyos campos están vacíos podrán colocarse

los datos de dos maneras, la primera Manualmente consignando el usuario los datos obtenidos del campo o estudio de suelos, La segunda es si el usuario realizo el

estudio de Suelos del lecho del cauce o Rió con el K&BSUE obteniendo la curva Granulométrica y Clasificación del Material al que podra accesar haciendo “Click” en el botón de acceso a este como se muestra a continuación.

El sistema mostrara la Pantalla del K&BSUE con la posibilidad de buscar el proyecto correspondiente y cargar este para luego acceder a la Calicata o muestra que corresponda con el estudio del Cauce o Rió, una vez que esto se ha producido los datos del Peso volumétrico y Diámetro Medio de las partículas del fondo o lecho del cauce son colocadas en estas cajas ya que el K&BSUE calcula estos valores, a continuación se muestra la pantalla obtenida de K&BSUE.

Obteniendo: Curva Granulométrica simulada K&BSUE

d.- Podemos ver que en la grilla el sistema a colocado los valores de los Caudales proyectados por los métodos de LOG PEARSON III, LOG PEARSON NORMALIZADA y GUMBEL para los 2, 5, 10, 25, 50 y 100 anos, así mismo ha consignado los valores del coeficiente ß correspondientes a la probabilidad anual de que se presente el caudal de diseño, todos estos valores también pueden ser modificados por el usuario consignando el que se considere ya que el sistema lo permite.

e.- El usuario deberá consignar los datos correspondiente ancho de la superficie o espejo de agua del Cauce o Rió (B) o (Be), B=26.00 m.



también deberá dar el tirante Inicial (Ho), Ho=2.10 como se muestra en el grafico adjunto:

f.- Luego el usuario podrá realizar el cálculo de la socavación General del Cauce o Rió, haciendo “Click” en:

Obtenemos:

Luego para el tirante Ho = 1.5 m. tenemos:

Finalmente para el tirante Ho = 1.80 m. tenemos:


socavación General proyectada a los 25 Anos Sc = 2.75 m.

socavación General proyectada a los 100 Anos Sc = 10.34 m.

Para un tirante Ho=1.50 m. tenemos:socavación General proyectada a los 25 Anos Sc = 2.41 m.

Para un tirante Ho=1.80 m. tenemos:socavación General proyectada a los 25 Anos Sc = 2.55 m.


Vemos que la condición mas desfavorable proyectada a los 25 anos dará una socavación de Sc25 = 2.75 m. por lo que si consideramos que nuestro puente tenga una vida útil de 25 anos debemos considerar la socavación general será el valor dado para Sc, si quisiéramos un tiempo de vida útil de 100 anos tendríamos que considerar una socavación General Sc100 = 10.34 m.

A esta socavación tenemos que sumarle la socavación de Pilas, Columnas o Caissones si el proyecto lo considera así también tenemos que calcular la socavación de Estribos y la suma total de estas será la socavación total a considerar con fines de diseño.

Como el proyecto presentado no tiene pilares que se localizan en el lecho del Cauce o Rió presentaremos para este caso en las fotografías adjuntas dos casos reales para este tipo de socavación, de estos dos casos estudiaremos uno de ellos de manera manual y con el sistema.

Caso (a).- Puente Reticular con Pilar Central:

Podemos Modelar un Pilar Equivalente



Caso (b).- Pontón de Acero con apoyo Central:

Podemos Modelar un Pilar Equivalente

Resolveremos el Caso (a) aplicando el método Yaroslavtziev para Pilas de tipo IV, la Formula propuesta será:

Donde: Sc Profundidad de socavación Calculada en m. Kf Coeficiente dado por la forma

de la nariz de la pila o columna y su ángulo de incidencia entre la corriente y su eje, que para este tipo de pila se obtendrá de la tabla que se muestra a continuación:

Kv Coeficiente obtenido por la Formula:

También puede obtenerse mediante el Nomograma 1 adjunto:

v Velocidad media del Fluido en el Cauce o Rió después de la Pila luego de producida la erosión o socavación General en m/seg.

g Aceleración de la Gravedad = 9.81 m/seg²

b1 Proyección del plano perpendicular a la corriente del fluido, de la sección de la pila. Si el ángulo de incidencia tiene como valor 0º b1 = b (ancho de la pila).


TABLA Nº 9


e Coeficiente de corrección, y su valor depende de la localización de las pilas:

e = 0.6 Si esta localizada en cauce principale = 1.0 Si esta localizada en cauces de avenidas o secundarias.

KH Coeficiente en función a la profundidad de la corriente calculado con la Formula:

También puede obtenerse mediante el nomograma adjunto:

H Tirante de la corriente ante la pila, después de calcular la socavación General.

d Diámetro en metros de las partículas que forman parte del fondo del Cauce o Rió, representada por el diámetro d83 de la curva granulométrica.Tener en consideración que si los diámetros tienen variación se debe tomar el de mayor diámetro.Cuando el material es menor de 0.5 cm. Se recomienda eliminar el segundo termino de la formula (-30xd).

Aplicando este método al Caso (a) tenemos:

Kf Para c = 0.80 y Ho = 2.10 c/Ho = 0.381 y para un ángulo Ø = 0º de la TABLA Nº 9 Kf = 11.5

Kv Aplicando :

Donde : si c/H ≤ 0.3 b1 = (a - b0) * sen(ø) + b0

c/H > 0.3 b1 = a * sen(ø) + b0 * cos(ø) y b0 = b + (b2 – b) * c/Ho

b0 = 0.50 + (0.70 -0.50) * 0.381 b0 = 0.576b1 = 4.20 * sen(0) + 0.576 * cos(0) b1 = 0.576Para el Caudal Inicial Q2 = 137 m3/seg.Aplicando Mannig Q = V * A V = Q/A V = 137/31.35

V = 4.37 m/seg.Remplazando:

Log(Kv) = -0.28 * [4.37²/(9.81*0.576) ]¹∕³Log(Kv) =-0.4201926725 Kv = antilog( -0. 4201926725) Kv = (10) -0. 4201926725

Kv = 0.380021



Si aplicamos el Nomograma 1 para un V²/gb1 = 3.3796 se obtiene un Kv = 0.382 valor cercano al calculado analíticamente pero también valido.

e El coeficiente de corrección será = 0.6 ya que la Pila o Columna se encuentra en el Cauce principal luego e = 0.6

KH Aplicando :

Remplazando:Log(KH) = 0.17 – 0.35*2.10/0.576Log(KH) = -1.106041667 KH = antilog( -1.106041667) KH = (10) -1.106041667

KH = 0.078335

Si aplicamos el Nomograma 2 para un H/b1 = 3.6458 se obtiene un Kv = 0.097 valor cercano al calculado analíticamente pero también valido.

Del estudio de Suelos obtenemos el Diámetro Mayor (d) o más representativo de la curva Granulométrica, como se muestra en el grafico adjunto:


Diámetro Mayor d = 0.1524 m.


Remplazando Valores en:

Sc = 11.5 * 0.380021* (0.6 +0.078335) * 4.37²/9.81 – 30 * 0.1524

Sc = 1.198 m.Para resolver la socavación en pilas columnas o caissones aplicando el K&BHID procederemos de la siguiente manera:Continuando con nuestro ejemplo y considerando un pilar central iniciamos el cálculo Haciendo “Click” en la quinta Opciónsocavación en Pilas Columnas y Caissones (YAROSLAVTZIEV)

Luego hacemos “Click” en el tipo de Pila, Columna o Caisson deseado para nuestro caso será el tipo 4, vemos que ya se ha consignado en el campo Ho el valor del tirante dado para la socavación general = 2.1 m. también vemos el valor de la velocidad luego introduciremos los datos para realizar el calculo como se muestra a continuación.Vemos que sistema nos muestra el Nomograma 1 y Nomograma 2 así como el calculo de la socavación cuyo valor es Sp = 1.39 m. y corresponde a un Caudal = 137 m3/seg. proyectado a los 2 anos.

Si queremos calcular la socavación de la pila a los 25 anos podemos hacerlo obteniendo los datos de la grilla donde


Calculo socavación Sp = 1.39 m.


se encuentran consignados los valores calculados para los 25 anos estos datos se deberán consignar en el grafico que muestra la sección del cauce o rió como se muestra a continuación:

Luego Hacemos “Click” en el tipo de Pila Nº 4 dando los datos obteniendo:

De la misma manera podemos proyectar a otos anos.

Finalmente podemos ver el resumen proyectado a los 25 anos con una socavación total de 9,75 m.:

Si consideramos la socavación de Estribos más desfavorable tendríamos como socavación Total:


Se toman los datos proyectados a los 25 anos tales como: Qc25 = 668 m3/seg Area = 107.39 m² Ho = 4.84 m.

socavación de Pila, Columna o Ccaisson a los 25 anos Sp = 2.84 m.


ST = 2.76 + 2.196 + 2.84 = 7.796 m. a los 25 anos. Lo que nos indica que debajo de este valor deberá estar apoyado los elementos que sustentan el puente o la Estructura.

APLICACIÓN

2.0.- ALCANTARILLADO:Para la ejecución de un proyecto de alcantarillado se deberá realizar estudios preliminares o anteriores a la ejecución y diseño de estos, para lo cual se deberá recopilar, seleccionar y obtener la información existente y de campo que permitan al proyectista definir en función a los problemas presentados que solución es la conveniente, a fin de tratar las aguas servidas o pluviales.La información a recopilar corresponderá a estudios técnicos y topográficos de la zona así como su ubicación y localización, estudios geológicos y de suelos, estudios de demografía y población actual y proyectada.Se deberá determinar las precipitaciones y caudales, materiales mas convenientes a usar, en especial la Hidrologia de la zona objeto del proyecto, determinando las frecuencias, intensidad y duración de ocurrencia de las precipitaciones y aforos de los cursos de agua, determinando de ser el caso la velocidad de cada curso, el estiaje y los niveles de creciente.

Para poder reflejar este tipo de calculo y diseño lo haremos aplicando el caso real correpondiente a la cuenca dada en el punto 2.1.- HIDROLOGIA y CUENCAS correspondiente a la Carretera URCOS-QUINCEMIL en el departamento del Cusco, donde se ha definido la Subcuenca y sus Miccrocuencas.Del estudio de campo se localizo y se representaron gráficamente los Puentes y Pontones Existente así como las Alcantarillas existentes y las propuestas como se muestra a continuación:



Luego de haber identificado los cursos de agua, a lo largo de toda la zona de estudios debemos realizar el análisis y estudio de campo de cada uno de ellos, con respecto a los cursos de aguas mayores, ríos principales o secundarios estos se han estudiado en el capitulo de Hidrologia y cuencas sin embargo en base a estos datos de campo se realizara el diseño de las características geométricas y estructurales para la solución de este tipo problema, con respecto a los cursos de aguas menores que requieren diseño de alcantarillas se deberá reflejar sus datos y sus características actuales de la situación encontrada a fin de poder realizar el diseño de cada una de estas.A continuacion se muestra un formato que permitirá hacer la toma de datos de campo de cada curso de agua menor:

Se aprecia tres tipos posibles de secciones donde el usuario podrá elegir la que mas se aproxime de acuerdo con lo encontrado en el campo, estos datos se reflejaran en un reporte como el que se muestra a continuación:



Como ejemplo tomaremos el Caso tres de los datos de campo.

Para ingresar estos datos al K&BHID procederemos de la Siguiente manera:

1.- Hacemos “Click” en el ComandoAlcantarillado de la pantalla PrincipalObteniendo:

Donde el Usuario podrá cargar su proyecto si este existiera o en caso contrario crear un nuevo proyecto, las opciones que presenta esta pantalla se define como:

Descripción de cada uno de estos Comandos se describió con anterioridad.

Si queremos introducir los datos de campo del caso tres hacemos “Click” en el primer comando que se refiere a los datos de los cursos de agua tomados en el campo.Mostrando en el lado Izquierdo de la pantalla los tres tipos de secciones que el usuario podrá registrar, a continuación se muestra los datos registrados del caso tres de los datos de campo:

Nótese que el proyecto cargado es el 999-1 Proyecto Urcos – Quincemil que viene como Ejemplo del K&BHID.Luego hacemos “Click” en el tipo de sección que mas se asemeja a la sección del curso de agua encontrada en el campo, mostrándose las cajas para que se introduzcan los datos.


La sección encontrada en el Campo es similar al Tipo 2 de las secciones tipo del K&BHID luego le damos los datos tomados en campo como:Velocidad = 1/3 = 0.333 m/segEspejo de Agua = 2.00 m.Tirante de Agua = 0.20 m.Automáticamente el K&BHID calculara el Área


Luego hacemos “Click” en Tipo de alcantarilla que se desea usar o la más conveniente para el tipo de Vía o carretera, mostrando el K&BHID la siguiente pantalla:

El K&BHID nos muestra dos tipos de tabla La primera relacionada con los coeficientes de rugosidad de Manning haciendo mención a TIPO O FORMA DEL CANAL ya que estos coeficientes nos servirán para Alcantarillas y Canales.El Usuario deberá hacer “Click” en la primera grilla de datos o coeficiente que corresponde al tipo de Material de la alcantarilla así como la forma de esta (Cuadrada o Rectangular, Circular, Ovalada Horizontal, Ovalada Vertical o Abovedada).

Como se muestra a continuación:



De la misma manera el Usuario deberá hacer “Click” en la Grilla correspondiente a: “COEFICIENTES POR PERDIDA DE CARGA AL INGRESO DE LA ALCANTARILLA” eligiendo de la misma manera el tipo de material del que esta compuesto al ingreso de la alcantarilla y el tipo o forma de este.

Como se muestra a continuación:

Nota: Estos coeficientes pueden ser MODIFICADOS por el Usuario y grabados nuevamente pasando a formar parte de su Base de Datos.

Continuando con Nuestro Ejemplo diremos que la alcantarilla que deseamos diseñar es CIRCULAR y de Metal Corrugado que le corresponde un coeficiente de 0.022.Para el Coeficiente de Perdida de Carga también tomaremos la alcantarilla CIRCULAR, de METAL CORRUGADO, Con Cabezal en Angulo Recto con y sin Alas, cuyo valor es de 0.50.

Luego el Usuario podrá hacer “Click” en el comando de Formulas Usadas para el cálculo del Diseño Hidráulico y que el K&BHID las mostrara en la parte Inferior de la Pantalla como se aprecia a continuación:

Con estos pasos previos ya podemos entrar a realizar el Diseno Hidraulico de la Alcantarilla, para lo cual hacemos “Click” en el comando:


Elegimos Alcantarilla Circular de Metal Corrugado obteniendo

0.022 de Coeficiente

Elegimos Alcantarilla Circular con Cabezal en Chaflan con Alas

y Aristas Obteniendo 0.25 de Coeficiente por perdida de Carga


Mostrándonos el K&BHID la sección de Alcantarilla donde introduciremos los datos para que se realice el Diseño de esta:

El sistema colocara el cursor en cada caja y en forma secuencial para que el usuario de los datos de campo a fin de que se realice el diseño.

Los datos que debemos darle para realizar el cálculo serán:Talud del terraplén de la vía en este caso es H = 1.0 y V = 0.7Cota de la Vía Terminada o Cota de la Rasante Ctv = 383.66 m.s.n.m.Ancho de la Vía o superficie de Rodadura Avi = 7.20 m.Cota original del Cuace en el ingreso Cot = 381.50 m.s.n.m.Pendiente del cauce o Conducto Pendt = 0.07 %Cota en el Ingreso de la Alcantarilla Cti = 381.24 m.s.n.m.Cota en la Salida de la Alcantarilla Cts = 380.24 m.s.n.m.

A continuación se muestra la sección de Alcantarilla con los datos:



Si hacemos “Click” en la Calculadora Obtenemos:

Donde vemos el diseno final de la alcantarilla con todos los datos dados y calculados por el K&BHID, el valor de la tubería calculada podra ser adecuada al valor de la tubería comercial sea en centímetros o pulgadas, para este caso se puede asumir una tubería Corrugada de 30 Pulgadas.

De la misma manera se debe proceder si se requiere diseñar otro tipo de seccion.

APLICACIÓN

3.0.-CANALES:

Para el calculo de canales el usuario podra dar los datos al K&BHID de la Siguiente manera:

1.- Hacemos “Click” en el ComandoCanales de la pantalla Principal



Obteniendo:

Donde el Usuario podrá cargar su proyecto si este existiera o en caso contrario crear un nuevo proyecto, las opciones que presenta esta pantalla se define como:

Descripción de cada uno de estos Comandos se describió con anterioridad.

Si queremos calcular un canal Trapezoidal hacemos “Click” en el comando:

Obteniendo:



Primero seleccionamos la seccion y material del canal que se desea diseñar como se muestra:

Luego damos los datos para realizar el cálculo que serán:Caudal Q =8.5Talud del Canal del lado Izquierdo T1 = 0.5Talud del Canal del lado Derecho T2 = 0.5Pendiente del Canal S = 0.05Tirante Inicial hi = 0.5 m.Altura del Canal trapezoidal a =1.20 m.

A continuación se muestra la sección de Alcantarilla con los datos:

Si hacemos “Click” en la Calculadora Obtenemos:


De Concreto Trapezoidal con un coeficiente de 0.015


Identificamos al Canal con : “Canal_Trap_Km_0+450” y lo Grabamos

De la misma manera se debe proceder si se requiere diseñar otro tipo de seccion.


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