AO DE LA PROMOCIN DE LA INDUSTRIA RESPONSABLE Y DEL COMPROMISO CLIMTICO

FACULTAD DE INGENIERIAESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE CIVIL

TITULOMODELOS HIDRAULICOS

ASIGNATURA: MECANICA DE FLUIDOS

AUTORES:Salvador Zevallos Eyner

ASESOR: Ing. Giovene Perez Campomanes

NUEVO CHIMBOTE PER2014

INDICE

introduccin.3

modelos hidrulicos........4

el modelo parte de los diseos hidrulicos........5

confiabilidad de un modelo........12

objetivos de un modelo hidrulico.13

ventajas de un modelo hidrulico.13

importancia de un modelo hidrulico en las construcciones.14

conclusiones .15

recomendaciones.15

referencias bibliogrficas.16

INTRODUCCIN

En la actualidad con mucha frecuencia, el ingeniero civil debe realizar soluciones factibles, a problemas ingenieriles. Debe decidir entre, tcnicas o mtodos ms convenientes e idneas para resolver cada caso en particular.En algunas ocasiones, estas soluciones pueden ser muy sencillas y practicas, debido a que estn bien definidas tanto la parte tcnica como la parte econmica, por lo que slo basta aplicarlas.En otros casos, los problemas resultan complejos o desconocidos como es el de conocer el comportamiento hidrulico del flujo de agua al pasar por una presa y al ser captada por una toma. En estos casos, se evaluar que tipo de investigacin se va a adoptar para darle solucin al problema. La investigacin aprobada se iniciar conceptualizando y esquematizando el problema, despus se seleccionar la tcnica fsica o matemtica para estudiar el problema. A este proceso de abstraccin se le conoce como modelacin.En definitiva, la modelacin implica simular un fenmeno real, conceptualizndolo y simplificndolo en mayor o menor medida, para luego, por ltimo describirlo y cuantificarlo.

MODELOS HIDRULICOS

Los modelos se ha desarrollado notablemente en el campo de la hidrulica, existen evidencias de estudios de diseos hidrulicos realizados desde tiempos antiguos, mediante pequeas representaciones de estructuras y mquinas, por los cuales se ha llegado a enunciar principios fundamentales en la hidrulica; sin embargo hasta hace poco tiempo la experimentacin hidrulica se llevaba a cabo habitualmente a escala real ya sea en vertederos, canales, tuberas y presas construidas sobre el terreno.Es durante el ltimo medio siglo, cuando se han desarrollado mtodos por los cuales, como resultado de experimentos realizados en modelos a escala reducida, es posible predecir la conducta de una estructura o prototipo.El sistema semejante reducido o simplificado es lo que llamamos modelo, frente a la realidad que llamamos prototipo.Los principios en que se basa este procedimiento incluyen las teoras de similitud hidrulica. El anlisis de las relaciones bsicas de las diversas cantidades fsicas incluidas en el movimiento y la accin dinmica del fluido denominada anlisis dimensional. En la actualidad, se disean y construyen pocas o ninguna estructura hidrulica importante, sin estudios preliminares de modelos, ms o menos extensos.recientemente con el transporte de sedimentos. Las principales caractersticas de cada uno de estos grupos son indicadas por sus nombres.Los modelos de estructuras son usados para resolver problemas hidrulicos en conexin con una variedad de estructuras hidrulicas o ciertas partes de ellas como por ejemplo determinar la capacidad hidrulica, reducir las prdidas de carga en entradas a canales o tuberas o en secciones de transicin; desarrollar mtodos eficaces de disipacin de energa en la corriente, al pie de las presas de sobre flujo o en el extremo de salida de las atarjeas, reduciendo de ese modo la erosin del lecho de los cauces de ros; determinar coeficientes de descarga para presas de sobre flujo; desarrollar el mejor diseo de vertederos de presas, de sifones y pozos y de estructuras de salida de los embalses; disear puertos, incluyendo determinar la mejor seccin transversal, altura y ubicacin de los rompeolas, as como la posicin y ubicacin de la entrada; disear esclusas, incluyendo los efectos sobre los barcos de las corrientes establecidas debido al funcionamiento de las esclusas etc.El grupo de modelos de infiltracin es creado para el estudio de fenmenos de infiltracin en suelos y en medios granulares en general. Pertenece a este grupo tambin el estudio en modelo de infiltraciones en el subsuelo de una variedad de diques y de terraplenes, en la vecindad de los huecos excavados para la construccin en suelos granulares, bajo o alrededor de estructuras fundadas en tales suelos.Los estudios en modelos de ros son usados para resolver problemas de regulacin de ros o desarrollos hidroenergticos, determinar el tiempo de desplazamiento de ondas de inundacin por los cauces de los ros, mtodos para el mejoramiento de canales para la transmisin de inundaciones con menos riesgo de desbordamiento sobre las orillas, los efectos de los acortamientos de los ros, efecto de diques, paredes de contencin sobre la erosin de los lechos, altura de los remansos provocados por estructuras permanentes o temporales, construidas en medio de un cauce; direccin y fuerzas de corriente en ros y puertos y sus efectos sobre la navegacin etc.

El modelo como parte de los diseos hidrulicos

Hay varios temas que preocupan los ingenieros diseadores y a los jefes de proyecto con relacin a los modelos hidrulicos. Entre ellos estn los siguientes: a) saber si como parte de un determinado diseo es necesario o no hacer una investigacin en modelo, b) cual sera el costo de dicha investigacin, c) su justificacin tcnica y d) su oportunidad. e) Secuencia Modelo -Diseo-Construccin-Funcionamiento

A continuacin se examina cada uno de estos temas y se complementa con un anlisis de la secuencia modelo-diseo-construccin-funcionamiento de la estructura.

a) Necesidad de un modelo

En qu casos es realmente necesario realizar una investigacin en modelo?

Un punto a tenerse en cuenta para tomar una decisin es la importancia de la estructura que se est estudiando. Si se trata de una estructura de gran costo ycomplejidad, cuya falla acarreara graves consecuencias debemos pensar necesariamente en una investigacin en modelo. Pero, si se tratase de una estructura pequea, fcilmente reparable y cuya destruccin o colapso no tuviese consecuencias graves, podra no requerirse un estudio en modelo hidrulico.Otra circunstancia en la que debe recurrirse a una investigacin en modelo se presenta cuando la teora requerida para el diseo es incompleta, inaplicable o inexistente. Este es un caso muy frecuente. Como se ha sealado anteriormente las frmulas de la Hidrulica corresponden en su mayor parte a situaciones idealizadas en un mundo bidimensional.Pero, hay tambin consideraciones de otro tipo como la posibilidad de introducir un ahorro importante en el costo de las obras. La experiencia demuestra que determinadas estructuras pueden ser igualmente eficientes y seguras, a un menor costo. El modelo permite la comprobacin, o, a veces, el descubrimiento de este hecho.La ltima, pero no por eso menos importante, razn para hacer una investigacin en modelo, es la de elevar el grado de seguridad de la estructura. La investigacin en modelo fsico, es decir, la visualizacin del comportamiento de la estructura en tres dimensiones permite observar y, a veces, intuir problemas que no haban sido imaginados durante el diseo en el gabinete.Estas cuatro razones son independientes entre s, y cualquiera de ellas pudiera justificar la realizacin de una investigacin en modelo.

b) El costo de un modelo

Otro tema que preocupa a los jefes de proyecto es saber cuanto cuesta un modelo. La respuesta es sencilla: muy poco si lo comparamos con el costo del diseo, casi nada si se le compara con el costo total de la obra, algo interesante si se piensa en el ahorro probable y prcticamente nada si se le compara con la seguridad adicional obtenida.A veces se presentan problemas cuando se trata de determinar el costo de un modelo. La investigacin en modelo se encarga a un laboratorio de hidrulica mediante un contrato. Generalmente se ha venido tratando de asimilar el contrato de una investigacin en modelo a la modalidad de los contratos de estudios o de obras. La dificultad se presenta cuando el desarrollo de los trabajos en el modelo abre la posibilidad de mayor estudio o profundizacin de determinados aspectos del diseo, o aun, la investigacin de alternativas no previstas. Una investigacin por su propia naturaleza consiste en descubrir posibilidades no conocidas de antemano. Por lo tanto, en sentido estricto no debera ser posible fijar de antemano el costo y el plazo de una investigacin. Esta forma de contrato que se viene usando en nuestro medio es sumamente perjudicial e inconveniente para ambas partes. Es por eso que en otros pases los laboratorios tienen modalidades contractuales diferentes. Se pacta la construccin del modelo, la instalacin de los equipos de medicin y control y la puesta en marcha. Luego se cobra una determinada cantidad por cada semana de investigacin. De esta manera se cuenta con la gran ventaja de poder realizar el nmero de pruebas que el comportamiento de lo observado en el modelo vaya aconsejando con miras a obtener el diseo ms eficiente y ms econmico.

c) Justificacin tcnica de un modelo

Cmo se justifica tcnicamente la investigacin en un modelo hidrulico? Son varias las razones. Una de las ms importantes es la tridimensionalidad. En un modelo el flujo es tridimensional. Esta es una gran diferencia con respecto a la mayor parte de las frmulas que se emplea en la Hidrulica, las que corresponden a modelos bidimensionales. Adicionalmente, el modelo permite apreciar el funcionamiento de la estructura en tres dimensiones.Un modelo permite tambin el estudio de diversas condiciones de diseo y operacin. Se puede variar los caudales, la cantidad de slidos y otras caractersticas del escurrimiento con gran facilidad. Por ejemplo, si se trata de un desarenador es posible estudiar el comportamiento de la transicin, la distribucin del flujo en las naves y la eficiencia de decantacinpara diferentes caudales, diferentes granulometras y diversas formas de operacin. Sobre este tema es conveniente recordar que muchos de los fenmenos que ocurren en un desarenador son esencialmente tridimensionales y que ninguna frmula matemtica de la hidrulica los describe totalmente. El modelo permite tambin el estudio y anlisis de varias alternativas de diseo.El modelo es tambin muy til para ensayar las Reglas de Operacin. Sabemos que la determinacin de la mejor forma de operacin de una estructura es un proceso de aproximaciones sucesivas. La primera versin la ofrece el proyectista. La investigacin en modelo debe permitir la obtencin de una segunda versin que recoja lo observado en el modelo y es la que se usar al ponerse en funcionamiento la obra. La experiencia y la observacin de la estructura permitirn mejorar continuamente las reglas de operacin.Cualquiera de estas cinco razones podra ser suficiente para justificar tcnicamente un modelo hidrulico.

d) Oportunidad de un modelo

Otra pregunta que debe ser respondida es la siguiente, en qu momento del Estudio debe realizarse la investigacin en modelo? A veces se piensa errneamente que la investigacin en modelo es un ensayo adicional, complementario, para perfeccionar algunos detalles y que puede hacerse a la finalizacin del diseo definitivo. Sin embargo, nuestra opinin es diferente. Cuando la investigacin en modelo es necesaria debe formar parte del estudio definitivo y realizarse simultneamente con l.En algunos casos el estudio en modelo debe formar parte del estudio de alternativas. Los diseos definitivos de estructuras que requieran de una investigacin en modelo hidrulico deberan considerar el estudio en modelo dentro del contrato del estudio definitivo. Sin una verificacin en modelo no es posible presentar el diseo definitivo de una estructura con las caractersticas antes sealadas.Por ltimo, la necesidad de un modelo hidrulico, su costo, su justificacin y su oportunidad como parte del diseo, pueden surgir de la consideracin de dos criterios diferentes. Uno de ellos es el de buscar, con la ayuda del modelo, un diseo que sea lo ms seguro posible. Otro aspecto es el de buscar, con la ayuda del modelo, un diseo que con un grado satisfactoriode seguridad sea lo ms econmico posible. El modelo puede ayudar a disminuir mrgenes y coeficientes de seguridad excesivos. Muchas veces ha ocurrido que el costo del modelo se paga ampliamente con la economa que se pueda hacer en el costo la obra y, por supuesto, por el mayor grado de seguridad obtenido.e) Secuencia Modelo -Diseo-Construccin-FuncionamientoEs interesante observar lo que ha ocurrido con diversas estructuras hidrulicas cuyo diseo estuvo, o podra haber estado, vinculado a la necesidad de un modelo hidrulico. Tenemos as, que se podra hacer la siguiente clasificacin de la secuencia sealada:I. Estructuras hidrulicas que fueron estudiadas en modelo en su oportunidad, como parte del diseo definitivo, pero la estructura no se ha construido porque el Proyecto Integral no se ha realizado todava.II. Estructuras hidrulicas que fueron estudiadas en modelo en su oportunidad, pero luego, al ejecutarse el Proyecto Integral del que formabanparte , se cambi de opinin con respecto a la concepcin, ubicacin, o diseo de la estructura particular que haba sido estudiada en modelo.III. Estructuras hidrulicas que se construyeron sin haberse realizado un estudio en modelo y al ponerse en funcionamiento no dieron resultados satisfactorios. Posteriormente se realiz una investigacin en modelo para estudiar las mejoras necesarias. IV. Estructuras que se construyeron sin haberse realizado un estudio en modelo y al ponerse en funcionamiento no dieron resultados satisfactorios. El problema no se ha corregido y siguen funcionando mal.V. Estructuras que se construyeron luego de un estudio en modelo hidrulico y funcionan razonablemente bien. Trabajo conjunto con el diseador

La investigacin en modelo de una obra hidrulica es un intento de conocer anticipadamente la interaccin estructura-naturaleza. As por ejemplo, cuando se construye una obra en un ro hay un impacto de la obra sobre el ro y otro impacto del ro sobre la obra. El conocimiento de las caractersticas de esa interaccin es fundamental para el xito del proyecto.La investigacin en modelo debe ser un dilogo entre el diseador y la naturaleza. En este dilogo el ingeniero investigador sirve como mdium, cuya tarea es la de facilitar la comunicacin entre aquel que tuvo que hacer un conjunto de suposiciones, y la probable reaccin de la obra y de la naturaleza vistas a travs del modelo.Son varios los puntos que deben examinarse con relacin al trabajo conjunto del investigador y del diseador. Entre ellos estn: los Trminos de Referencia, el suministro de la informacin bsica, el desarrollo de la investigacin, la interpretacin de los resultados y la conservacin del modelo.La primera lnea de contacto entre el diseador y el ingeniero investigador se encuentra en los Trminos de Referencia de la investigacin, los que constituyen el planteamiento del problema por resolver. Los Trminos de Referencia deberan constituir un trabajo conjunto entre el diseador y el ingeniero investigador. El primero sabe que es lo que quiere preguntarle al modelo. El segundo sabe como hay que hacer las preguntas y como interpretar las respuestas.Los Trminos de Referencia deben sealar claramente los objetivos buscados, pero de acuerdo a su propio nombre no deben ser rgidos, puesto que tienen que alimentarse de lo que se vaya descubriendo a lo largo de la investigacin. Siempre debemos tener presente que una investigacin es un proceso de aproximaciones sucesivas.Los Trminos de Referencia deben tener en cuenta las limitaciones que todo laboratorio puede tener, como por ejemplo, el espacio disponible, la capacidad de bombas o el instrumental. Los Trminos de Referencia deben reflejar la compatibilidad entre los objetivos de la investigacin, el tiempo y los recursos disponibles.La vinculacin del modelo con el diseador est relacionada, entre otros aspectos, al suministro de la ms amplia informacin disponible. Los buenos resultados de un modelo dependen en gran medida de la cantidad y la calidad de la informacin que se suministre al modelo. Como parte de esta vinculacin con el diseador, el ingeniero investigador entrar en contacto con los clculos en los que reposa el diseo, as como con los planos y la memoria descriptiva de la obra.Lo deseable es que el diseador haga un seguimiento del desarrollo de la investigacin en el modelo, una apreciacin de los resultados obtenidos y, en estrecha comunicacin con el ingeniero investigador, estudie las soluciones alternativas que lo observado en el modelo pueda sugerir.El trabajo coordinado es fundamental, puesto que son muchos los aspectos que intervienen en el diseo de una estructura. El modelo nos da informacin acerca del funcionamiento hidrulico, pero hay otros aspectos que escapan al campo de actividad del ingeniero investigador y que son manejados por el ingeniero proyectista, que es quien tiene la informacincompleta sobre problemas tales como: cimentacin, aspectos constructivos, estructurales, operacin y mantenimiento, costos y muchos otros ms.Finalizada la investigacin en modelo se deben interpretar los resultados y obtener las conclusiones y recomendaciones correspondientes. Esta es una etapa muy delicada en la que es necesario tener en cuenta las limitaciones originadas en la ley de similitud adoptada y en las escalas escogidas. Se debe prestar atencin a los efectos de escala que pudieran existir.Una vez terminada la investigacin quedan dos posibilidades con respecto al modelo mismo. Una de ellas, que es la ms frecuente, es destruirlo. La otra, es la de conservarlo. En muchos proyectos es recomendable la conservacin del modelo, de modo que puesta en funcionamientola obra se pueda comparar y correlacionar el comportamiento modelo- estructura. Si algn aspecto de la obra no funcionase correctamente podra buscarse su perfeccionamiento con la ayuda del modelo. Dicha correlacin y el estudio de variantes constituyen temas importantes de investigacin. A veces el modelo sigue siendo til para el perfeccionamiento de las Reglas de Operacin.

CONFIABILIDAD DE UN MODELOOtro tema que suele preocupar a los ingenieros diseadores y a los jefes de proyecto es saber el grado de confiabilidad de un modelo hidrulico. El jefe de proyecto o el diseador pueden preguntarse es confiable un modelo?, qu error puedo cometer al aplicar los resultados del modelo al diseo que estoy realizando?Para el tema de la confiabilidad no hay una respuesta nica. No todos los modelos tienen el mismo grado de confiabilidad. En tal sentido podramos hablar de modelos de alta confiabilidad y modelos de baja confiabilidad. An ms, no todas las partes de una investigacin en modelo tienen igual confiabilidad. Hay algunos tipos de modelos cuyos resultados son altamente confiables. En cambio, hay otros modelos, como los sedimentolgicos, en los cuales el grado de confiabilidad es menor. Por ejemplo, en hidrulica fluvial los modelos de fondo mvil tienen un grado de confiabilidad menor en lo que respecta a la prediccin cuantitativa de los fenmenos de a gradacin y degradacin. Por el contrario, en el modelo de una conduccin de concreto en la que se produce un cambio de seccin, se instala un vertedero o se produce un salto hidrulico, la calidad de la informacin obtenida es en general mucho ms alta.No siempre un modelo tiene que dar informacin cuantitativa. A veces, por diversas circunstancias, slo es posible obtener informacin cualitativa. Esto puede ocurrir, por ejemplo, en algunos aspectos de problemas vinculados a la hidrulica fluvial o martima. Pero, existen problemas de diseo tan complejos en los que la obtencin de informacin, aunque slo sea cualitativa, resulta muy valiosa.La confiabilidad de los modelos hidrulicos es un tema que corresponde a la Teora de Modelos. Depende de varios factores: tipo de estructura, escalas escogidas, tcnicas de laboratorio y, ciertamente, de la calidad de la informacin bsica. La interpretacin de los resultados obtenidos, a la que nos hemos referido anteriormente, requiere experiencia e imaginacin y es el fundamento de la confiabilidad de la investigacin.

OBJETIVOS DE LOS MODELOS HIDRULICOSLos modelos hidrulicos por su amplia aplicabilidad integran todas las reas de conocimientos de la Ingeniera Civil-Hidrulica, son una herramienta que nos permiten desarrollar un trabajo multidisciplinario, es decir llevar a cabo investigaciones. Pero a su vez forma a nosotros los estudiantes un carcter crtico y analtico, tomando un espritu investigativo, que a lo largo de nuestra vida nos permitirn llenar vacos de nuestra formacin y poder desarrollarnos como profesionales con toda plenitud. Entonces se puede decir que los modelos hidrulicos llevan consigo fines de integracin y formacin tanto profesional como crtica. VENTAJAS DE LOS MODELOS HIDRULICOSLa Hidrulica tiene la gran ventaja de poder representar fsicamente, a escala, la mayor parte de sus modelos. Para lo cual se ha desarrollado una disciplina especfica que es la Teora de Modelos, la que consiste bsicamenteen aceptar el principio de similitud, llamado tambin de semejanza. El principio de similitud consiste en aceptar que las conclusiones obtenidas del anlisis de un fenmeno son aplicables a otro fenmeno. Por ejemplo, del estudio del salto hidrulico que ocurre en un modelo se pueden obtener conclusiones aplicables al salto hidrulico que ocurre en la naturaleza. Cuando esto es cierto se dice que entre ambos fenmenos hay similitud.APLICACIN Y APORTE DE LOS MODELOS HIDRULICOS

En hidrulica, la modelacin se usa para la simulacin de situaciones reales que se producen en el prototipo y cuyo comportamiento se desea conocer; puesto que modelo y prototipo estn ligados el uno con el otro, las observaciones y estudio del modelo constituyen la informacin necesaria para comprender la naturaleza del prototipo, debiendo para ello, estar ambos relacionados.Debido a que las simulaciones se producen bajo condiciones controladas de laboratorio los modelos hidrulicos tienen mltiples aplicaciones.Tenemos que los modelos hidrulicos, se usan para la solucin de problemas relacionados con las estructuras hidrulicas, fenmenos de infiltracin o tramos de ros yIMPORTANCIA DE LOS MODELOS HIDRULICOS EN LAS CONSTRUCCIONESLos modelos hidrulicos basan su importancia en la complejidad que representa el tratar temas que abarquen a los fluidos reales. Dicha complejidad se presenta en la aplicacin de problemas de hidromecnica, de los cuales para llegar a una solucin se han tenido que introducir hiptesis simplificadoras, lo que conlleva a un grado de incertidumbre en el diseo, es an ms evidente la necesidad de los modelos hidrulicos cuando se hace uso indiscriminado de coeficientes, constantes y manuales de diseo sin siquiera tener el respaldo terico de dichas frmulas. Pero al aplicacin de los modelos hidrulicos no se queda ah, son tambin una herramienta de investigacin, a la cual si se la brindara todos los recursos y el apoyo que necesita, podra llevar a las universidades y por ende al pas un desarrollo tecnolgico propio.

CONCLUSIONESEn conclusin en esta monografa podramos decir que un modelo no resuelve todos los problemas que se presentan en el diseo hidrulico de una estructura. En principio, el modelo slo responde lo que se le pregunt y para lo que fue diseado mediante la adopcin de un apropiado Parmetro Caracterstico de la Informacin. Del anlisis terico de este parmetro surgen las limitaciones que todo modelo tiene.Finalmente es recomendable que el ingeniero resuelva los problemas con la ayuda del modelo hidrulico estudiado.

RECOMENDACIONESEs recomendable analizar muy bien los problemas hidrulicos en la naturaleza, de ello hacer un estudio detallado y proyectar muy bien los modelos hidrulicos aplicando todos los conocimientos tericos de la matemtica y la fsica, para la construccin de estructuras modernas y de buena resistencia para los fluidos del agua y otros, para ello tendramos que poner en practica la secuencia del diseo de un modelo hidrulico.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS Introduccin a la Hidrulica Fluvial. Captulo 12 Modelos Fluviales. Facultad de Ingeniera Civil.UniversidadNacional de Ingeniera. Lima,1998.

Arturo Consideraciones Generales sobre los modelos hidrulicos. Boletn Tcnico Laboratorio Nacional de Hidrulica, Lima,1965.

Coriolis en los modelos hidrulicos. Boletn Tcnico Laboratorio Nacional de Hidrulica, Lima, 1966.

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Ramn Escurrimientos reales e imaginarios en canales: paradojas y falacias en el clculo de la curva de remanso. Anales de la Universidad de Chile. Estudios en honor de Francisco Javier Domnguez.Quinta Serie N 8, Agosto 1985. Santiago, Chile

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