Concepto Bordo Libre - HIDRAULIC PDF

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Hidr·ulica de tuberÌas y canales Arturo RochaLa ecuación que se ha obtenido gasto-tirante es muy importante. Así por ejemplo, si el gasto fuera 10 % mayor (6,6 m 3 /s). Entoncesy = 1,46 m6 Concepto de borde libreSe denomina borde libre (free board) a la altura (tirante) adicional que se da a fin de ...

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Hidráulica de tuberías y canales

Arturo Rocha

La ecuación que se ha obtenido gasto-tirante es muy importante. Así por ejemplo, si el gasto fuera 10 % mayor (6,6 m3/s). Entonces y = 1,46 m

6.7 Concepto de borde libre Se denomina borde libre (free board) a la altura (tirante) adicional que se da a fin de absorber los niveles extraordinarios que puedan presentarse por encima del caudal de diseño de un canal.

borde

libre

y

¿Por qué puede presentarse en un canal un tirante mayor que el correspondiente al del gasto de diseño?. Por ejemplo, si se diseña un canal para 30 m3/s y se encuentra que el tirante (normal) es 3,20 m ¿Por qué hemos de esperar un tirante mayor? Las razones son entre otras las siguientes a)

Cuando se calcula la sección transversal de un canal hay que suponer un valor para la rugosidad, pero, en el momento de la construcción y por causas que escapan al ingeniero diseñador puede ser que la superficie tenga una mayor rugosidad. En consecuencia, se requerirá de un tirante mayor para que escurra el mismo caudal. También puede ocurrir que con el paso de los años el revestimiento del canal se deteriore y tienda ha hacerse más rugoso. Si este fenómeno fuera más intenso que el previsto, la diferencia es tomada por el borde libre.

b)

Una mala operación en las compuertas de entrada al canal puede dar lugar a que ingrese a éste un caudal mayor que el de diseño.

c) d)

A lo largo de la conducción pueden presentarse ingresos de agua no previstos. Puede ocurrir una obstrucción parcial a lo largo de la conducción. Por ejemplo, caída de un tronco. El borde libre sirve para absorber los incrementos en el tirante que se produzcan como consecuencia de lo anterior.

e)

Por una razón u otra puede presentarse una onda en el canal. El borde libre debe absorber la altura de ola correspondiente.

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Capítulo VI

Cálculo de canales

El borde libre es, pues, una seguridad que toma el ingeniero diseñador contra fenómenos que tienen una cierta probabilidad de ocurrencia. Entonces la magnitud del borde libre depende esencialmente del grado de seguridad que se debe dar al canal como consecuencia de su importancia y de una estimación de la posibilidad que ocurra algún fenómeno extraordinario. En consecuencia, en la determinación de la magnitud del borde libre juega un gran papel la naturaleza del terreno en que está construido el canal. Si el canal rebalsa y está en zona arenosa las consecuencias pueden ser mucho más graves que en otro tipo de suelo. Para dimensionar el borde libre (entendido como una altura vertical adicional al tirante) debemos tener en cuenta la forma de la sección transversal y esencialmente la curva gasto-tirante. Supongamos que se tiene dos secciones transversales como las mostradas a continuación

3m

8m

Si ambas tienen similares velocidades, es evidente, y puede demostrarse mediante el calculo, que un borde libre igual en ambas, representará en la primera un pequeño aumento de caudal y en la segunda un aumento de caudal bastante mayor. El análisis de la curva gasto-tirante nos permite visualizar el problema del borde libre bajo una perspectiva diferente. No pensemos únicamente en centímetros adicionales para el tirante, sino en su equivalente en metros cúbicos por segundo. Por último, podríamos señalar que en zonas en las que los estudios hidrológicos no ofrecen una gran confiabilidad, tanto en la estimación de la oferta como de la demanda, y en las que sea cara el agua, es conveniente dimensionar con generosidad el borde libre. Naturalmente que hay que tener presente como varía el costo de una canal con el tirante. Esta función no es lineal, de modo que es frecuente que un aumento en el tirante produzca un aumento pequeño en el costo del canal. Ven Te Chow señala que el borde libre varía entre menos del 5 % y más del 30 % del tirante. Indudablemente se trata de valores extremos.

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Hidráulica de tuberías y canales

Arturo Rocha

Para canales en tierra, donde dicho sea de paso es mayor la incertidumbre con respecto al coeficiente de rugosidad, el Bureau of Reclamation señala que el borde libre varía entre 1 ft (0,30 m) para canales pequeños y poco profundos, hasta 4 ft (1,20 m) para canales grandes, profundos y con caudales de 85 m3/s ó más. Para cálculos preliminares el Bureau recomienda la fórmula siguiente

b. l. = cy

(6-32)

b. l . : es el borde libre en metros y : es el tirante en metros

c

:

es un coeficiente que varía así 0,46 para Q = 0,60 m3/s 0,76 para Q = 85 m3/s

El Bureau of Reclamation recomienda el gráfico de la Figura 6.3

Altura del Terraplén sobre la Superficie Libre Altura del Revestimiento sobre la Superficie Libre

ALTURA EN METROS

1,2

0,9

0,6

0,3

0 ,1

,2

,3

,4 ,5

1,0

2

3

4 5

10

20

30 40 50

3

100 m /s

GASTO

Figura 6.3 Borde libre recomendado por el Bureau of Reclamation

Hay también unas curvas que dan el borde libre en función del tirante y la velocidad, tal como aparece en la Figura 6.4.

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Capítulo VI

Cálculo de canales

6

4m /s m /s 3,

3,

6

m/ s

m/ s

3, 2

3, 0

m/s

m/s

m/ s

2, 8

2, 6

2, 4

3

1, 6 m /s 1, 8 m /s 2, 0 m /s 2, 2 m/s

TIRANTE y EN METROS

4

1,2 m /s 1,4 m /s

velocid ad 0,80 m/s 1,0 m/s

5

2

1

0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

BORDE LIBRE EN METROS

Figura 6.4 Tabla orientativa para el cálculo del borde libre en canales (Tomada de Engineering News Record)

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