proyecto encauce calle 11sept

8/19/2019 proyecto encauce calle 11sept

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ResumenCuando se mira hacia el futuro del país, se espera que las condiciones de

vida de los ciudadanos mejore continuamente y los problemas del presente

hallen una solución. Dentro de la labor de los ingenieros se encuentra

proporcionar dichas soluciones y ser una pieza importante en el progreso

nacional. Por ello, ciudades pequeñas como Bucalemu o alejadas como Aysén

son los grandes nuevos focos para el desempeño de los que siguen la senda del

ingenio.

Dentro de las grandes utilidades de publicar la información y experimentos

contenidos en éste documento está en la prueba de que, a pesar de lasrespuestas fáciles e invasivas, existen soluciones con menor impacto y menor

envergadura para éste problema, lo que es una mejora natural a los ingenieros

del mundo, por su naturaleza optimizadora y conciente.

En éste informe se desarrolla un proyecto para San Vicente, una ciudad

emergente con una baja cantidad de habitantes, pero con problemas

inherentes a toda zona urbana, como son las inundaciones. Aquí se presentarán

las opciones para acanalar la zona conocida como “pantanal” debido a las

inundaciones en temporada de lluvias; desde proyectos expropiativos y conexpanción de áreas verdes urbanas, hasta modificaciones de menor escala con

efectos similares, las que conducen al modelo final, que, fuertemente apoyado

por documentos facilitados por el DGA del Ministerio de Obras Públicas. Se

explorarán también mecanismos de modelamiento y experiencia, como son las

maquetas para comprobar viabilidad y mejorar las propuestas tanto como sea

posible. Se mostrará un detallado desarrollo de cálculos para la confección del

prototipo, ayudado por los laboratorios de la Facultad de Ciencias Físicas y

Matemáticas de la Universidad de Chile, mencionando encarecidamente al

Laboratorio de Fabricación Digital (FabLab), como las fórmulas utilizadas para

ello, también provenientes de textos de la Dirección General de Aguas. Se busca

acompañar la información con buena cantidad de imágenes y tablas para

ayudar la comprensión de éste documento.


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IntroducciónComo se insinuó en el resumen, las responsabilidades que conllevan ser un

ingeniero o ir en camino hacia ello forman un gran pilar en dirección al progreso.

Pero para descubrir de qué forma podemos o podríamos ayudar, se debe tener

motivación, igualmente éste trabajo.

En el país hay un desarrollo constante de necesidades y decisiones que las

priorizan. Con el paso del tiempo las prioridades cambian, pero una vivienda que

sirva como un refugio y de la cual se pueda salir cuando se necesite y no cuando

se den las condiciones externamente es un imperativo trascendente. Por ello,

mientras las personas vivan sometidas por el clima y vean sus opciones limitadaspor lo ajeno habrá siempre necesidad de ingenios. Desde aquellos que utilicen

dicha facultad debería haber soluciones aplicables.

Sin embargo, para tomar una decisión se necesita cuanta información sea

posible y adelantar los hechos hasta donde las capacidades nos puedan llevar.

Hacer un prototipo es entonces una herramienta de gran utilidad. Dichos

prototipos deberían incorporar mecanismos de simulación de los problemas que

intervienen en el caso de estudio. En el modelo que aquí se presenta, se dará

particular importancia a los caudales.

¿Pero cuál es el problema que debemos resolver en general? Las

inundaciones son cosa común, pero qué hace tan particular a cada una es

interesante, pues San Vicente debería poder desaguar con facilidad, el

problema está en la disposición, y por ello es muy importante marcar

precedentes.


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Caracterización del

problemaLa reciente ampliación del radio urbano en la ciudad de San Vicente de

Tagua Tagua, en la región de O’Higgins, sumado a la precariedad de los planos

reguladores y el desconocimiento de los problemas asociados a las superficies

impermeables ha dejado como consecuencia inundaciones por el uso del suelo

bajo alrededor de la urbe.

La zona, de clima templado y lluvias en temporada tiene, según los datos

de las estaciones meteorológicas de la zona, una pluviosidad que se encuentra

en Tabla 1

En particular, hay dos puntos problemáticos durante el invierno: los

sectores aledaños al estero Zambrano (o Zamorano) por las crecidas del mismo,

y el sector denominado “pantanal” que, por la obstaculización de las salidas de

las calles y sin mecanismos de encauzamiento de las aguas-lluvia de la ciudad,

se ve bastante afectado en los días especialmente lluviosos.

El ingreso normal de aguas es por Horacio Aránguiz (camino horizontal enfig. 1), relativamente cercano a un terreno de cultivo donde puede desaguar,

pero, a pesar de ésta ventaja, no es suficiente y el agua se abre paso entre las

casas y de allí ya es difícil sacarla.


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Sector "Pantanal". Las curvas naranja representan las zonas altas desde los 210[m] en cotas de 0,5[m]. Las curvas

verde y amarilla representan los 209,5[m], la lila los 209[m], la celeste los 208,5[m ]

Figura 1


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Diseño del proyecto

Antes de tomar una decisión final, se sucedieron una serie de preguntas

que debían ser respondidas para continuar con el trabajo. En ésta sección se

revisarán proporciones, escalas y formulaciones con el objetivo común: desviar

el agua antes que sea demasiado tarde.

Es importante destacar que nuestro análisis teórico involucra sólo la

solución final, pero se ha dispuesto al inicio de éste espacio para conservar la

estructura genérica de los informes.

Análisis teórico

Ahora se procederá a describir el análisis teórico que permitió establecer

escalas, modelar la zanja y establecer alturas para caudalimetros.

Escala

Imponiendo por motivos de espacios un λL= 121,458, ergo, un λt=11,02, se

obtuvo una maqueta de 240 cm de largo y 23 de ancho con tiempo 1,08hrs delluvia. De esto se obtiene una escala de caudal λQ=162.742,28Zanja

Existen 3 estaciones cerca de San Vicente: Millahue, Rengo y Viña Vieja,

de las que se obtuvieron las precipitaciones máximas anuales en 24 horas [mm]

entre los años 1972 y 2003. Donde presentan años en común, entonces se obtuvo

un promedio de las 3 estaciones como muestra la tabla 1. Luego mediante la

distribución de Weibull se calcularon las precipitaciones de probabilidad 2 y 10

años (marcadas con rojo en la tabla 2) ya que en Chile el diseño de drenaje de

aguas lluvias se realiza para 2 años y se comprueba para 10.


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Con la fórmula de California1 y considerando = 0,67 [] y = 5 [ ] seobtuvo un tiempo de concentración de 0,32 [ℎ] que al reemplazar esta en lafórmula de Grunsky1 e = 65,4 [] se tuvo como resultado una intensidad de23,59

[

ℎ ] para finalmente calcular el caudal a modelar mediante la

Fórmula Racional1. Reemplazando = 0,1855 y un coeficiente deescorrentía de 0,75 se obtuvo como resultado un caudal de 0,91 [ ] Para la geometría del canal se pensó en uno rectangular de hormigón,

luego se reemplazó la fórmula del Radio Hidráulico1 en la ecuación de Manning1

donde se consideró = 0,5 [] ya que esta se encontrará al medio de la calle,=0,91[ ] y =0,018 . Para la pendiente se observó que la callepresentaba = 0,3% entonces la pendiente del canal es =1,5% tal que h fuerarazonable, se obtuvo ℎ=0,80 [] al cual se dieron 20[] de revancha.

1 Ver Anexo Formulario


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Tabla 1: Precipitaciones entorno a San Vicente

Año Millahue Rengo Viña Vieja Promedio

1971 No Hay Información 71,00 55,00 63,00

1972 48,00 57,00 82,50 62,50

1973 46,50 67,00 No Hay Información 56,751974 94,00 64,00 No Hay Información 79,00

1975 105,00 51,20 No Hay Información 78,10




1979 64,50 48,00 77,00 63,17

1980 142,50 62,00 98,00 100,83

1981 60,50 46,40 58,00 54,97

1982 105,00 89,50 126,00 106,83

1983 76,00 45,50 57,60 59,701984 99,00 60,00 60,00 73,00

1985 53,00 44,40 46,60 48,00

1986 90,50 78,50 82,60 83,87

1987 91,50 85,50 85,60 87,53

1988 40,00 38,60 42,20 40,27

1989 98,00 65,50 74,80 79,43

1990 67,00 37,40 49,80 51,40

1991 80,00 59,50 61,40 66,97

1992 120,00 86,50 93,50 100,00

1993 85,00 49,60 59,00 64,531994 88,00 83,30 91,90 87,73

1995 87,00 50,50 69,90 69,13

1996 57,00 18,00 27,70 34,23

1997 112,00 74,00 89,10 91,70

1998 50,00 21,50 20,30 30,60

1999 80,00 30,00 86,20 65,40

2000 126,00 80,00 129,20 111,73

2001 100,00 71,80 102,50 91,43

2002 109,80 70,00 98,60 92,80

2003 69,00 50,00 62,30 60,43


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Tabla 2: Promedios ocurrencia con Weibull

Promedio de Menor aMayor Probabilidad Ocurrencia

1 30,60 0,0294

2 34,23 0,05883 40,27 0,0882

4 48,00 0,1176

5 51,40 0,1470

6 54,97 0,1764

7 55,35 0,2058

8 56,75 0,2352

9 58,15 0,2647

10 59,70 0,2941

11 60,43 0,3235

12 62,50 0,3529

13 62,50 0,382314 63,00 0,4117

15 63,17 0,4411

16 64,53 0,4705

17 65,40 0,5000

18 66,97 0,5294

19 69,13 0,5588

20 73,00 0,5882

21 78,10 0,6176

22 79,00 0,6470

23 79,43 0,6764

24 83,87 0,7058

25 87,53 0,7352

26 87,73 0,7647

27 91,43 0,7941

28 91,70 0,8235

29 92,80 0,8529

30 100,00 0,8823

31 100,83 0,9117

32 106,83 0,9411

33 111,73 0,9705


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Debido a la escala que presenta el proyecto, el canal no se logra apreciar

del todo el canal, por esto el equipo decidió cambiar las dimensiones, es decir,ℎ = 0 , 5[] = 1[] Para obtener el volumen de agua a modelar es necesario calcular el área

bajo la curva de la figura 2. Donde el primer tramo corresponde al inicio de la

lluvia hasta alcanzar el caudal máximo en un tiempo igual al tiempo de

concentración. Luego se mantiene constante hasta las 12 [hrs] para finalmente

decaer en un tiempo igual a 1,76*tiempo de concentración.

Figura 2: curva de caudales


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Propuestas preliminares

Modelo Completo

Originalmente se planteó un modelo con canales que, siguiendo elrecorrido propio a las aguas-lluvia, atravesaba el sector pantanal y

desembocaba en un estanque con dimensiones capaces de contener para uso

posterior del flujo pluvial. Sin embargo, al iniciar la toma preliminar de cálculos y

búsqueda de escalas, se cayó en cuenta de su inviabilidad.

Modelo Afectados

Como respuesta a los problemas de escala, relacionados en su mayoría

con volúmenes de agua y caudales, se decide eliminar una sección de grandes

magnitudes del modelo con la finalidad de obtener valores modelables,

conservando la idea de modificar la población. Sin embargo, los problemas de

magnitud en escala se conservan y se abandona una cantidad considerable de

elementos de la propuesta original.

Tabla 3. Propuestas preliminares

Propuesta Descripción

Modelo completo Modelo que incorporabaun estanque inundable.Demasiado espacio

para escalar lainundación: paraelaborar una maquetase requería precisiónfuera del alcance delgrupo.

Figura 3

Modelo afectados En función de losproblemas del primermodelo se decidió omitirel estanque,

reemplazado desdeahora con un recipientecon la capacidadnecesaria. Continúan losproblemas de escala.

Figura 4


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Diseño seleccionado

Modelo Acceso de aguas

En vista que se debía reducir la escala, se debió elegir entre simplificar

secciones o cambiar la forma en que se desvía el agua, optándose por la últimaopción. Notándose que la entrada del agua a la población era cruzando la

avenida 11 de septiembre, podría sacarse provecho de su condición.

Se decide acanalar la avenida en el centro en toda su longitud. Los datos

fueron impuestos en el análisis teórico, en base a las dimensiones de la zona de

estudio, de 291,5m de largo y 28m de ancho, y con una pendiente del 0,3%. El

canal debe tener una inclinación característica impuesta para obtener alturas

razonables para dimensiones de una persona en la fórmula de Manning2 con

pendiente 1,5%.

La avenida tiene, entre sus características, un ancho que permite el

trabajo y un bandejón central si utilizar. A pesar de esto, su longitud es

considerable, lo que supone un problema: si no se inclina, simplemente se

acumularía el agua hasta salir finalmente, pero si se inclina alcanza velocidades

altas que pueden provocar aumento de altura aguas arriba, con los mismos

efectos. Se opta por la confección de una caída al final del recorrido.

2 Véase Anexo Formulario


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Diseño final

Para facilitar la comprensión del prototipo seleccionado para modelar se

detallarán las piezas que le componen: el regulador de caudal y el canal de

desvío.

Antes de continuar, vale la pena mencionar que, para efectos de modelo,

el prototipo se ha diseñado para soportar un ingreso de las aguas lluvia desde el

extremo más lejano al desagüe y así afrontar mejor eventualidades.

Se opta por modelar el acceso del agua

Figura 5


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Partes

Regulación de caudal de ingreso

Se compone de un cilindro vertical con abertura en su extremo superior y

un par de salidas laterales de radio 5mm con una altura de 47cm. El hecho que

sean 2 salidas es por la pérdida de energía en vórtices.

Maqueta de calle

Se busca representar, según los cálculos hechos en la primera sección de

Diseño de proyecto, la avenida que divide la zona de inundaciones de la que

provee el agua.

Hecha de plumavit de alta densidad incorpora variaciones de pendiente

diferenciadas entre calle y canal.

Mecanismo de control de caudal. Utilizando fundamentos de energía se obtiene la fórmulade velocidad con pérdida de energía (ver formulario).

El agua ingresa en la parte superior del tubo y sale por agujeros en la parte inferior.

Con h constante se mantiene el caudal

Figura 6


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Evolución del proyecto

La calle fue proyectada originalmente en formato skp y construida en el

laboratorio de fabricación digital (FabLab). Concebido el proyecto inicialmente

con un caudalímetro para variar el caudal, por su bajo valor en magnitud no se

pudo incorporar funcionalmente y fue retirado del sistema.

Salida del agua convariación de pendiente

Figura 7

Vista en longitud

Figura 8

Vista arquitectónica

Figura 9


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Método de construcción

Diseño de piezasUtilizando la herramienta simple de modelado SketchUp® de Google® se

diseñaron cuatro piezas que representan fracciones en longitud del prototipo de

calle, transformado posteriormente a formato universal Stl.

Cortado, unido y presentadoUtilizando herramientas de FabLab de Universidad de Chile se cortan las

piezas en plumavit de alta densidad de 23x60x5 cm3 con brocas de 6mm e

inspección diagonal ( ), posteriormente unidas con cola fría de pegar y re-

sellados con silicona. Se aplica capa de pintura para diferenciar zonas de

trabajo (calle, vereda) y se impermeabiliza con solución de cola y agua.

Prototipo de modelo de aguas lluviaSe elaboran 2 de estos prototipos: Uno para mantener caudales fijos y otro

para variarlos.

Caudales fijos: Se construye la pieza para regulación de caudal de ingreso conuna cañería de PVC y una tapa, perforadas para asemejarse al modelo, dígase

caudal de ingreso y problemas asociados a su prototipización. Con un h=47 cm

tiene una apertura superior de 5cm para evitar rebalses a alturas superiores. Los

orificios, de 0,5 mm de radio, fueron 2 por la pérdida de energía cinética por

vórtices en la salida inferior de agua (pérdida de ~50%)

Caudales variables: Se crea una pieza con una manguera transparente y

estirada para, por diferencias de presión, obtener una altura determinada para

un flujo 0 (caudal 0) y un flujo máximo (caudal máximo). Debido a que elmencionado caudal es muy bajo, y los períodos de acumulación y retorno

pueden ser despreciados en favor de la presentación.


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Operación del modelo

PruebasPrueba de modelos de caudal: Se prueba la capacidad de medición del

caudalímetro, con resultados satisfactorios a caudales de red de agua, pero

insatisfactorios con caudales de maqueta. Se prueba el caudal constante, se

debe hacer modificaciones por bajos caudales asociados a pérdidas de energía

que fueron despreciados en cálculos iniciales.

Prueba de sistema: Reuniendo las piezas se detectan problemas con el

flujo y las impermeabilizaciones, descubriéndose así zonas con pendientes

distintas a la constante impuesta. Las variadas pruebas siguientes tienen como

objetivo aminorar los cambios de inclinación.

Prueba finalLa presentación del prototipo es de carácter positivo, con mejoras a la

vista, desde inclinaciones calle/canal a mejoras en el aseguramiento de la

pendiente de la maqueta. Siguen siendo detalles sólo atribuibles sólo a

construcción de modelos escalados, no al proyecto en sí. Además, el ingreso

dificultoso del flujo hídrico, dígase desvíos involuntarios de dirección horizontal,

pudo haber inducido variaciones de trayectoria. A pesar de ello, se pudo

demostrar la funcionalidad del canal y la aplicabilidad del proyecto.

Figura 10: Calle ya modelada.

Se puede apreciar al fondo el sistema de

estabilización de caudales


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ConclusiónDurante el proceso de modelado y elaboración del prototipo se da paso

a importantes preguntas y soluciones, como desafíos en miras al futuro. Ya se ha

analizado el por qué un ingeniero debiese tomar partido de las distintas

peticiones de la comunidad, pero, ¿qué se ha aprendido durante la búsqueda

de soluciones?

No hay necesidad de costear grandes e invasivos proyectos para

solucionar el problema local. Debido a la superficialidad de la propuesta, otorga

un margen razonable para alejarse de las viviendas, y podría ser flexible a

modificaciones futuras si cambian las condiciones climáticas.

Se ha rescatado el valor de las numerosas investigaciones respecto a

modelos para encauce de flujos hídricos y demás. Se asevera que es la base de

todo el sistema de pensamiento y óptimo abordaje de las distintas inquietudes

que rodean el modelado y la confección del prototipo.

En términos del prototipo, las escalas y las pérdidas de energía ya no son

despreciables, por lo que la precisión es de gran importancia para el desarrollo

de proyectos.

La relevancia de un buen Brainstorming y buena comunicación en un

grupo de trabajo se sabe importante, pero su uso como eje principal permite un

involucramiento pleno y un avance continuo en las alternativas de modelaje.


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Referencias y bibliografía

DGA, MOP Gobierno de Chile, Información oficial hidrometeorológica y

de calidad de aguas en línea. http://snia.dga.cl/BNAConsultas/reportes

• República de Chile. Ministerio de Obras Públicas. Dirección Genereal de

Aguas, 1995, MANUAL DE CALCULO DE CRECIDAS Y CAUDALES MINIMOS

EN CUENCAS SIN INFORMACION FLUVIOMETRICA.

http://documentos.dga.cl/FLU398.pdf

•

Sperry Rand Co. ISBN 84-7031-537-4, 1970, Mobile Hydraulics Manual,Vickers.

http://snia.dga.cl/BNAConsultas/reporteshttp://snia.dga.cl/BNAConsultas/reporteshttp://snia.dga.cl/BNAConsultas/reporteshttp://documentos.dga.cl/FLU398.pdfhttp://documentos.dga.cl/FLU398.pdfhttp://documentos.dga.cl/FLU398.pdfhttp://snia.dga.cl/BNAConsultas/reportes


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Anexo

Formulario

Formula de California:

= 0 , 9 5 ∗ ( ), = [ℎ] = [] = á []

Formula de Grunsky:

= ∗ 24 = [ ℎ ]

=ó [ℎ]

Formula Racional:

= ∗ ∗ 3,6 = [ ] = í

= [ ℎ ] = Á [ ]


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Ecuación de Manning:

(ℎ) = 1 ∗ ∗ (ℎ) ∗ √ (ℎ) = [ ] = Á ó [] (ℎ) = ℎ [] =

Radio hidráulico:

= ∗ ℎ + 2 ∗ ℎ = ℎ [] = ℎ [] ℎ = []

Velocidad en función de pérdida de energía:

= 2ℎ1 + = [ ⁄ ] =ó [ ] ℎ= [] = ó


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Materiales requeridos

1. Plumavit → $10.0002.

Brocha → $3503. Silicona → $750

4. PVC y Pegamentos → $3.2105. Pintura → $3.2006. Cañería en T → $2.790Total: → $21.040

Detalles de construcción

Para la elaboración de la maqueta, los cortes se dividieron en 2 etapas

con ShopBot® (herramienta cortadora):

Roughing: para extraer la mayor cantidad de desecho

Finishing: para definir detalles.

La inspección fue diagonal, pues en las exploraciones en los ejes

horizontales sencillos quedaban franjas de material inútil en la zanja, lo que podía

resultar en graves errores en el prototipo.


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Poster resumen

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