Estudio teórico - experimental de un sistema de disipación de energía poco habitual al pie de una caída de agua

Estudio teórico-experimental de un sistema de disipación de energía poco habitual al pie de una caída de agua. 1 5. Construcción del modelo. 5.1. Presa metálica. Los condicionantes para el diseño de la presa son los siguientes: a) La fuerza total a resistir debida a la presión hidrostática ejercida por el agua que contiene (1m. de ancho y 0,85m. de profundidad) se calcula en 361 kg. que no es ninguna tontería. Por tanto, es necesario calcularla y construirla a conciencia. b) La presa se concibe como soporte para el resto del modelo. Esto implica que debe ser estrecha y se le puedan anclar elementos fácilmente (no nos serviría una pared de fábrica de ladrillo). c) A la vez de ser el soporte debe ser la referencia de cota y inclinación para el resto del modelo. Por tanto deberá ser suficientemente rígida y estar perfectamente aplomada (vertical). Teniendo en cuenta los anteriores condicionantes se eligió una estructura metálica a base de chapa con nervios de refuerzo. Para la sujeción a las paredes del canal de ensayos de obra rebozada con mortero, el sistema empleado consiste en anclar unos angulares metálicos a las paredes y el fondo con pernos y rejuntarlos con silicona. Posteriormente, se coloca la chapa metálica simplemente apoyada contra los angulares aplicando previamente un cordón de silicona entre ambas superficies. La misma presión de agua sobre la chapa hace que la junta quede apretada y estanca. Para el cálculo y dimensionamiento se ha utilizado el programa de cálculo de estructuras por elementos finitos SAP2000. Esta aplicación informática es ideal para nuestro caso ya que está dirigida al cálculo de estructuras formadas por placas y vigas. La chapa empleada no podía ser de un grosor superior a 3mm. ,de lo contrario, su peso habría sido excesivo para el transporte. Y en un primer cálculo con chapa de 3mm. se ve que las deformaciones son muy elevadas por lo que se hacen imprescindibles los nervios de refuerzo. Al final se dispuso chapa de 2mm. y nervios a base de tubo cuadrado de 40x40x3mm. soldados por puntos a la chapa. Se presenta a continuación el cálculo definitivo de la presa: Fig. X. Esquema de la discretización en elementos de placa y de barra. Estudio teórico-experimental de un sistema de disipación de energía poco habitual al pie de una caída de agua. 2 Fig. X. Deformada (aumentada con factor 50). Los mayores movimientos en el centro se han cifrado en 2mm. (prácticamente imperceptibles). Hay que observar que la forma en V de la barra superior además de dejar espacio para el paso del canal, hace que la combinación entre las deformaciones de la chapa en el tramo contiguo y las propias del último tramo en voladizo dejen a este último totalmente vertical en la zona central que es la que nos interesa pues es donde se anclarán los demás módulos. La presa metálica fue fabricada en el taller “Tallers Miranda” de Mollerussa con la ayuda del propietario, amigo del autor. Foto. X. Vista de la presa aguas arriba, empezando a inundarse. Puede observarse en la fotografía que se incluyó en la presa un desagüe de fondo para poder vaciar el canal aguas arriba al acabar la jornada de ensayos. De esta manera la embocadura de madera no se queda en remojo indefinidamente sino solo durante los ensayos. Estudio teórico-experimental de un sistema de disipación de energía poco habitual al pie de una caída de agua. 3 Foto. X. Vista de la presa aguas abajo inundada al límite. En esta última fotografía con el nivel de agua al máximo y la presa trabajando a plena carga, se aprecia la perfecta estanqueidad del conjunto, así como la ausencia de deformaciones. 5.2. Sistema modular. El modelo se concibe y construye en diferentes partes o tramos. Se ha hecho así para facilitar tanto el montaje en el laboratorio como la construcción y transporte ya que la mayor parte del trabajo se hizo en el taller del autor. En total el modelo se divide en 5 partes sin contar la presa: la embocadura, la caída, el tramo recto para el resalto, el estrechamiento y el tamo recto de salida. Cada módulo dispone en sus extremos de unos angulares metálicos que permiten sujetarlo al módulo adyacente mediante tres tornillos de forma rápida y precisa. Una junta de silicona asegura la estanqueidad. Fotos. X. Sistema de empalme entre módulos. Estudio teórico-experimental de un sistema de disipación de energía poco habitual al pie de una caída de agua. 4 En uno de los extremos de cada pieza hay dos patas roscadas que permiten el ajuste en altura y la nivelación de cada tramo. 5.3. Trompeta de embocadura. Como en el resto del modelo, el material base empleado para la construcción es el tablero de aglomerado de alta densidad DM, cogido con tornillos, clavos y encolado con cola blanca para madera. Las razones para la elección de este material son que es fácil de trabajar y bastante económico. Por otro lado tiene el inconveniente que no tolera la exposición al agua ya que se hincha y pierde totalmente la forma. Por eso hay que protegerlo muy bien una vez acabada la construcción con varias capas de barniz impermeabilizante. La geometría de las secciones y el perfil quedó definida en el capítulo de diseño. Solo falta, pues, hacer el replanteo de las piezas que formaran la trompeta:                      −−+= 2 1 2 0112 R l sinRBB ;                        −−+= 2 1 2 011 R l sinRHH       ∈Rl 4 ,0 π .512,0 mR = Fig. X. Formulación para el replanteo de las piezas de la trompeta. Se adjunta a continuación la tabla de replanteo para las tres piezas de la trompeta: Estudio teórico-experimental de un sistema de disipación de energía poco habitual al pie de una caída de agua. 5 Fig. X. Tabla de replanteo de las piezas de la trompeta. Y la trompeta acabada: Foto. X. La trompeta lista para montar en el laboratorio. Estudio teórico-experimental de un sistema de disipación de energía poco habitual al pie de una caída de agua. 6 5.4. Caída con acuerdo. Con la geometría ya definida en el capítulo de diseño se adjunta a continuación la tabla de replanteo de las piezas de la caída. Fig. X. Tabla de replanteo de las piezas de la caída. Foto. X. La caída lista para montar en el laboratorio. Estudio teórico-experimental de un sistema de disipación de energía poco habitual al pie de una caída de agua. 7 El acuerdo circular al pie que, como ya se ha explicado, se incluyó posteriormente para disminuir las perturbaciones del flujo, se dimensionó con la fórmula propuesta por V.T.Chow en su libro “Hidráulica de canales abiertos” : v = velocidad a pie de caída en pies por segundo [Ft/s]. h = carga de agua sobre la caída en pies [Ft] El problema de esta fórmula es que no es escalable, o sea, que se realizó el cálculo para el prototipo y luego se le aplicó la razón de escala. V = 15,6 m/s = 51,4 Ft/s \ => R = 10 1,34 = 21,7 Ft = 6,6m. H = 3.5m (para Q100) = 11,5 Ft/s / A escala 1/20: R = 0,33m. Foto. X. Acuerdo.         + ++ =646,3 164,6 10 h hv R En la fotografía se puede ver el acuerdo montado en su sitio. Como se puede apreciar, al ponerlo a posteriori se tuvieron que sellar y afinar las juntas con silicona. Estudio teórico-experimental de un sistema de disipación de energía poco habitual al pie de una caída de agua. 8 5.5. Estrechamiento ajustable. Se adjuntan a continuación los planos a mano alzada para la construcción de esta pieza, la más importante y compleja del modelo. Fig. 5.5.1. Planos de construcción del estrechamiento ajustable. La estructura de madera de aglomerado D.M. alberga en su interior unos nervios móviles que van encajados por sus extremos en unas guías de contrachapado también de madera solidarias con las paredes del cajón. Estudio teórico-experimental de un sistema de disipación de energía poco habitual al pie de una caída de agua. 9 Hay dos grupos de nervios, unos horizontales que gobernaran el fondo del estrechamiento, y unos verticales que gobernarán las paredes. Hay 10 nervios horizontales y 20 verticales, lo que permite tener 10 secciones de control (las dos paredes y el fondo). El movimiento de cada nervio se controla mediante dos tornillos pasantes, uno en cada extremo. En los agujeros que atraviesan los nervios hay empotrada una tuerca que se coge al tornillo. Cuando se gira el tornillo, la tuerca avanza o retrocede en él, según sea el sentido de giro, con lo que hace mover el nervio. De hecho, este sistema permite hasta una cierta inclinación de los nervios (respecto la horizontal, los del fondo y respecto a la vertical los de las paredes) así que se pueden generar superficies regladas bastante complejas. Los nervios están a una distancia entre ellos de 2cm. en la zona central donde debe haber las mayores curvaturas, y a 4cm. en el resto. Foto. 5.5.2. Estructura del estrechamiento con solo los nervios horizontales. El conjunto de nervios que conforma las paredes y el fondo del estrechamiento va forrado con una lámina de goma recauchutada tensada que da continuidad a la superficie discontinua generada por los nervios y confiere estanqueidad al sistema. Esta lámina procede de la cámara de un neumático de tractor que, por sus dimensiones, servía para el caso. Su grosor es de alrededor de 2 milímetros. La lámina está cogida al cuerpo del estrechamiento mediante grapas lo que permitió ir tensándola a medida que se iban clavando las grapas con la pistola. La idea es que al estar en tensión, la lámina esté en contacto con los nervios y coja la forma que éstos le obligan. Para que la goma esté en contacto con los nervios en toda su longitud falta obligarle a seguir las esquinas del fondo, o sea, los puntos de cruce entre los nervios verticales y los horizontales. Si no se hace así, la lámina coge una forma tórica, de donut, sin aristas marcadas en el fondo. Para conseguir esto hay que disponer un sistema de tensores cogidos a la lámina y que la mantengan pegada a las esquinas. En la siguiente fotografía se puede ver la goma, por la cara interior que quedará oculta, antes de ser colocada. Se aprecian las dos filas de 10 tensores.