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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II
INGENIERIA CIVIL 1
DISEÑO DE SIFÓN INVERTIDO
I. INTRODUCCIÓN.
El sifón invertido surge como solución a la necesidad de burlar un obstáculo topográfico y
conducir un fluido mediante una tubería a presión, diseñándose como una tubería simple.
Es notable la utilidad que tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve el
problema de realizar grandes tramos de canal cuya construcción demandaría mayores
costos elevando el monto del proyecto.
Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente de canales por
debajo de carreteras y vías de tren debajo de ríos y quebradas, etc. Cuando existen
quebradas poco anchas profundas conviene cruzadas con acueductos, pero cuando el
cruce es ancho arriba y profundo en el centro muchas veces conviene proyectar un sifón
invertido .Los estudios económicos y las consideraciones topográficas, geológicas e
hidrológicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura.
II. OBJETIVOS:
 Conocer el funcionamiento y las características que presenta un sifón invertido.
 Hacer el diseño de un sifón invertido con los datos de un sifón invertido.
 Con los datos obtenidos de la en la práctica hacer los cálculos correspondientes
para comprobar si el sifón funciona correctamente.
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INGENIERIA CIVIL 2
III. MARCO TEORICO:
TEORÍA DEL SIFÓN INVERTIDO Y PUENTE CANAL.
Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se
escogerá la solución más conveniente para tener un funcionamiento hidráulico correcto, la
menor perdida de carga posible y la mayor economía factible. Los cuales pueden ser:
 Puente Canal.
 Sifón invertido.
 Alcantarilla.
 Túnel
A. ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA.
Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una
alcantarilla, y si el obstáculo es muy grande se usa un túnel.
Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se
puede utilizar como estructura de cruce como puente canal o un sifón invertido o la
combinación de ambos.
El puente canal se utilizara cuando la diferencia de niveles entre rasante del canal y la
rasante del obstáculo, permite un espacio libre suficiente para lograr el paso del agua en
el caso de arroyos o ríos.
El sifón invertido se utilizara si el nivelde la superficie libre del agua es mayor que la
rasante del obstáculo.
A.1- Concepto de acueducto
El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal logrando
atravesar una depresión. Está formado por un puente y un conducto, el conducto puede
ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por
efectos de gravedad.
A.2- Concepto de sifón invertido
Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para
conducir agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica en la que está
ubicado un camino, un dren o incluso otro canal.
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INGENIERIA CIVIL 3
B. CÁLCULO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN.
Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como sigue:
Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuación de la energía
específica:
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INGENIERIA CIVIL 4
B.1- partes de un sifón invertido
Los sifones invertidos, constan de las siguientes partes:
 Transiciones de entrada y salida
Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada en el
conducto, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar
gradualmente de la primera a la segunda.
En el diseño de una transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la
abertura de la parte superior del sifón un poco más debajo de la superficie normal del
agua. Esta práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del sifón causada
por la introducción del aire.
La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifón se recomienda que se
esté comprendida entre un mínimo de .
Carga de velocidad:
 Rejilla en entrada y salida
La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8” de diámetro o varillas
cuadradas de 0.95 x 0.95 cm2 (3/8” x 3/8”) colocados a cada 10 cm, y soldadas a un
marco de 2.54 x 1.27 cm2 (1” x 1/2”). Su objeto de la rejilla es el impedir o disminuir la
entrada al conducto de basuras y objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto
del conducto y la rejilla de salida para evitar el ingreso de objetos extraños o personas.
 Tuberías de presión
Son tuberías que transportan agua bajo presión, para que los costos de mantenimiento
sean bajos hay que colocar soportes y los anclajes de la tubería en pendientes estables y
encontrar buenos cimientos. No deberá haber peligro de erosión por desprendimiento de
laderas, pero se acceso seguro para hacer mantenimiento y reparación.
i. Material Usado Para Tubería De Presión:
El acero comercial fue fabricado con planchas de acero roladas y soldadas. En
general las tuberías de acero que están protegidas por una capa de pintura u otra
capa de protección pueden durar hasta 20 años. Además, son efectivas en resistencia
a impactos pero son pesadas, se unen mediante bridas, soldadura o juntas metálicas.
Evitar enterrar las tuberías de presión debido a que corren el riesgo de corroerse.
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INGENIERIA CIVIL 5
ii. Velocidades en el conducto:
Las velocidades de diseño en sifones grandes es de 2.5 – 3.5 m/s, mientras que
en sifones pequeños es de 1.6 m/s. un sifón se considera largo, cuando su
longitud es mayor que 500 veces el diámetro.
 Funcionamiento del sifón
El sifón siempre funciona a presión, por lo
tanto, debe estar ahogado a la entrada y a
la salida. Aplicamos Ec. De la Energía en 1
y 2:
Otras fórmulas usadas son:
Polikouski y Perelman:
Dónde:
: Velocidad media en la tubería (m/s).
D: diámetro de la tubería de acero (m)
Este sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe
absorber todas las perdidas en el sifón. La diferencia de carga ΔZ de be ser mayor
a las pérdidas totales.
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INGENIERIA CIVIL 6
 Válvula de purga de agua y lodos
Se coloca en la parte más baja de los barriles, permite evacuar al agua que se
quede almacenada en el conducto cuando se para el sifón o para desalojar
lodos. Para su limpieza o reparación, y consistirá en válvulas de compuerta
deslizante de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con el
caudal a desalojar.
C. DISEÑO HIDRÁULICO DEL SIFÓN INVERTIDO
Con la visita de campo y los datos tomados, se traza el sifón y se procede a diseñar la
forma y dimensiones de la sección del conducto más conveniente, esto se
obtienedespués de hacer varios tanteos, tomando en cuenta las pérdidas de carga que
han de presentarse.
Las dimensiones de la sección transversal del conducto dependen del caudal que debe
pasar y de la velocidad. En sifones grandes se considera una velocidad conveniente de
agua en el conducto de 2.5 – 3.5 m/s que evita el depósito de azolves en el fondo del
conducto y que no sea tan grande que pueda producir erosión del material en los
conductos. Cuando por las condiciones del problema, no sea posible dar el desnivel que
por estas limitaciones resulten, se puede reducir las pérdidas, disminuyendo
prudentemente la velocidad del agua, teniendo en cuenta que con esto se aumenta el
peligro de azolvamiento del sifón, por lo que habrá de mejorar las facilidades de limpiar el
interior del conducto.
El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas
las perdidas en el sifón. La diferencia de cargas ΔZ debe ser mayor que las pérdidas
totales. Para el sifón particularmente que analizamos, las secciones del canal a la entrada
y salida son rectangulares y de las mismas dimensiones, además de la misma pendiente
0.002, en consecuencia tendrá el mismo tirante y velocidad.
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INGENIERIA CIVIL 7
C.1- Cálculo del caudal
El caudal lo obtenemos aforando el canal para este cálculo se obtuvieron los siguientes
datos.
distancia 25 metros
40.27 segundos
41.67 segundos
40.97 segundos
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INGENIERIA CIVIL 8
Consideremos una velocidad de 2 m/s que se emplea para sifones pequeños, que
nos evita el depósito de lodo y basura en el fondo del conducto y que no sea tan grande
que pueda producir erosión en la tubería, con este valor conseguiremos el caudal, y
despejando de la ecuación de la continuidad:
El diámetro que vamos a emplear es:
Área hidráulica:
Perímetro mojado:
P=D*π = 0.489*π = 1.536 m
Radio hidráulico:
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INGENIERIA CIVIL 9
La velocidad dentro de la tubería es:
Su número de Reynolds:
C.2- Cálculo de las pérdidas hidráulicas
Las principales perdidas de carga que se presentan son:
 Pérdidas en la rejilla.
 Pérdidas por fricción en el conducto.
 Pérdidas en los codos (cambio de dirección).
 Pérdida por válvula de limpieza.
C.2.1- Pérdidas en la rejilla
Cuando la estructura consta de bastidores de barrotes y rejillas para el paso del agua, las
pérdidas originadas se calculan con la ecuación:
Las soleras de la rejilla son de 9 y tiene dimensiones de 2” x 1m x 1/4"
(0.051mx1mx0.0064m) separadas cada 0.4m.
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INGENIERIA CIVIL 10
El área neta por metro cuadrado será:
Como el área hidráulica (área bruta) de la tubería es de 0.114 m2
entonces el área neta
será:
Entonces:
= velocidad a través del área neta de la rejilla dentro del área hidráulica.
Finalmente las pérdidas por entrada y por salida serán:
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INGENIERIA CIVIL 11
C.2.2- Pérdidas por fricción
Utilizando la fórmula de Hazen Williams para una longitud de tubería de 54.45 m resulta:
C.2.3- Pérdidas de carga por cambio codos o cambio de dirección
Una fórmula empleada es:
Dónde:
Δ = ángulo de deflexión
Kc = coeficiente para codos comunes = 0.25
1 36 0.632
2 49 0.738
Suma= 1.37
154 m
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INGENIERIA CIVIL 12
IV. CONCLUSIÓN
El diseño del sifón invertido funcionara bien ya que la sumatoria de perdidas es menor
que la diferencia de cargas
V. RECOMENDACIONES
- Se recomienda a los sectores de riego realizar trabajos de limpieza del canal a fin
de evitar el acumulamiento de sedimentos rocas y malezas de arbustos que
podrían afectar el funcionamiento del sifón.
- Realizar trabajos de mantenimiento de las tuberías de acero con pintura
anticorrosiva expósita con el fin de evitar la corrosión.
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INGENIERIA CIVIL 13
ANEXOS:
Fig. 1.- canal JESUS-CHUCO
Fig. 2.- vista panorámica del sifón invertido en estudio
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Fig. 3.- desarenador
Fig. 4.- entrada del agua en el sifon

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Diseño de sifón invertido

  • 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 1 DISEÑO DE SIFÓN INVERTIDO I. INTRODUCCIÓN. El sifón invertido surge como solución a la necesidad de burlar un obstáculo topográfico y conducir un fluido mediante una tubería a presión, diseñándose como una tubería simple. Es notable la utilidad que tiene este tipo de estructuras no solo porque resuelve el problema de realizar grandes tramos de canal cuya construcción demandaría mayores costos elevando el monto del proyecto. Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente de canales por debajo de carreteras y vías de tren debajo de ríos y quebradas, etc. Cuando existen quebradas poco anchas profundas conviene cruzadas con acueductos, pero cuando el cruce es ancho arriba y profundo en el centro muchas veces conviene proyectar un sifón invertido .Los estudios económicos y las consideraciones topográficas, geológicas e hidrológicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura. II. OBJETIVOS:  Conocer el funcionamiento y las características que presenta un sifón invertido.  Hacer el diseño de un sifón invertido con los datos de un sifón invertido.  Con los datos obtenidos de la en la práctica hacer los cálculos correspondientes para comprobar si el sifón funciona correctamente.
  • 2. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 2 III. MARCO TEORICO: TEORÍA DEL SIFÓN INVERTIDO Y PUENTE CANAL. Para cruzar una depresión, se debe recurrir a una estructura de cruce, en cada caso se escogerá la solución más conveniente para tener un funcionamiento hidráulico correcto, la menor perdida de carga posible y la mayor economía factible. Los cuales pueden ser:  Puente Canal.  Sifón invertido.  Alcantarilla.  Túnel A. ELECCIÓN DEL TIPO DE ESTRUCTURA. Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar una alcantarilla, y si el obstáculo es muy grande se usa un túnel. Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo, se puede utilizar como estructura de cruce como puente canal o un sifón invertido o la combinación de ambos. El puente canal se utilizara cuando la diferencia de niveles entre rasante del canal y la rasante del obstáculo, permite un espacio libre suficiente para lograr el paso del agua en el caso de arroyos o ríos. El sifón invertido se utilizara si el nivelde la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo. A.1- Concepto de acueducto El puente canal es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal logrando atravesar una depresión. Está formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de gravedad. A.2- Concepto de sifón invertido Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presión, se utilizan para conducir agua en el cruce de un canal con una depresión topográfica en la que está ubicado un camino, un dren o incluso otro canal.
  • 3. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 3 B. CÁLCULO HIDRÁULICO DE UN SIFÓN. Para que cumpla su función el diseño del sifón, se debe de proceder como sigue: Analizaremos en las posiciones 1 y 2, para lo cual aplicamos la ecuación de la energía específica:
  • 4. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 4 B.1- partes de un sifón invertido Los sifones invertidos, constan de las siguientes partes:  Transiciones de entrada y salida Como en la mayoría de los casos, la sección del canal es diferente a la adoptada en el conducto, es necesario construir una transición de entrada y otra de salida para pasar gradualmente de la primera a la segunda. En el diseño de una transición de entrada y salida es generalmente aconsejable tener la abertura de la parte superior del sifón un poco más debajo de la superficie normal del agua. Esta práctica hace mínima la posible reducción de la capacidad del sifón causada por la introducción del aire. La profundidad de sumergencia de la abertura superior del sifón se recomienda que se esté comprendida entre un mínimo de . Carga de velocidad:  Rejilla en entrada y salida La rejilla de entrada se acostumbra hacerla con varillas de 3/8” de diámetro o varillas cuadradas de 0.95 x 0.95 cm2 (3/8” x 3/8”) colocados a cada 10 cm, y soldadas a un marco de 2.54 x 1.27 cm2 (1” x 1/2”). Su objeto de la rejilla es el impedir o disminuir la entrada al conducto de basuras y objetos extraños que impidan el funcionamiento correcto del conducto y la rejilla de salida para evitar el ingreso de objetos extraños o personas.  Tuberías de presión Son tuberías que transportan agua bajo presión, para que los costos de mantenimiento sean bajos hay que colocar soportes y los anclajes de la tubería en pendientes estables y encontrar buenos cimientos. No deberá haber peligro de erosión por desprendimiento de laderas, pero se acceso seguro para hacer mantenimiento y reparación. i. Material Usado Para Tubería De Presión: El acero comercial fue fabricado con planchas de acero roladas y soldadas. En general las tuberías de acero que están protegidas por una capa de pintura u otra capa de protección pueden durar hasta 20 años. Además, son efectivas en resistencia a impactos pero son pesadas, se unen mediante bridas, soldadura o juntas metálicas. Evitar enterrar las tuberías de presión debido a que corren el riesgo de corroerse.
  • 5. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 5 ii. Velocidades en el conducto: Las velocidades de diseño en sifones grandes es de 2.5 – 3.5 m/s, mientras que en sifones pequeños es de 1.6 m/s. un sifón se considera largo, cuando su longitud es mayor que 500 veces el diámetro.  Funcionamiento del sifón El sifón siempre funciona a presión, por lo tanto, debe estar ahogado a la entrada y a la salida. Aplicamos Ec. De la Energía en 1 y 2: Otras fórmulas usadas son: Polikouski y Perelman: Dónde: : Velocidad media en la tubería (m/s). D: diámetro de la tubería de acero (m) Este sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las perdidas en el sifón. La diferencia de carga ΔZ de be ser mayor a las pérdidas totales.
  • 6. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 6  Válvula de purga de agua y lodos Se coloca en la parte más baja de los barriles, permite evacuar al agua que se quede almacenada en el conducto cuando se para el sifón o para desalojar lodos. Para su limpieza o reparación, y consistirá en válvulas de compuerta deslizante de las dimensiones que se estime conveniente de acuerdo con el caudal a desalojar. C. DISEÑO HIDRÁULICO DEL SIFÓN INVERTIDO Con la visita de campo y los datos tomados, se traza el sifón y se procede a diseñar la forma y dimensiones de la sección del conducto más conveniente, esto se obtienedespués de hacer varios tanteos, tomando en cuenta las pérdidas de carga que han de presentarse. Las dimensiones de la sección transversal del conducto dependen del caudal que debe pasar y de la velocidad. En sifones grandes se considera una velocidad conveniente de agua en el conducto de 2.5 – 3.5 m/s que evita el depósito de azolves en el fondo del conducto y que no sea tan grande que pueda producir erosión del material en los conductos. Cuando por las condiciones del problema, no sea posible dar el desnivel que por estas limitaciones resulten, se puede reducir las pérdidas, disminuyendo prudentemente la velocidad del agua, teniendo en cuenta que con esto se aumenta el peligro de azolvamiento del sifón, por lo que habrá de mejorar las facilidades de limpiar el interior del conducto. El sifón funciona por diferencia de cargas, esta diferencia de cargas debe absorber todas las perdidas en el sifón. La diferencia de cargas ΔZ debe ser mayor que las pérdidas totales. Para el sifón particularmente que analizamos, las secciones del canal a la entrada y salida son rectangulares y de las mismas dimensiones, además de la misma pendiente 0.002, en consecuencia tendrá el mismo tirante y velocidad.
  • 7. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 7 C.1- Cálculo del caudal El caudal lo obtenemos aforando el canal para este cálculo se obtuvieron los siguientes datos. distancia 25 metros 40.27 segundos 41.67 segundos 40.97 segundos
  • 8. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 8 Consideremos una velocidad de 2 m/s que se emplea para sifones pequeños, que nos evita el depósito de lodo y basura en el fondo del conducto y que no sea tan grande que pueda producir erosión en la tubería, con este valor conseguiremos el caudal, y despejando de la ecuación de la continuidad: El diámetro que vamos a emplear es: Área hidráulica: Perímetro mojado: P=D*π = 0.489*π = 1.536 m Radio hidráulico:
  • 9. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 9 La velocidad dentro de la tubería es: Su número de Reynolds: C.2- Cálculo de las pérdidas hidráulicas Las principales perdidas de carga que se presentan son:  Pérdidas en la rejilla.  Pérdidas por fricción en el conducto.  Pérdidas en los codos (cambio de dirección).  Pérdida por válvula de limpieza. C.2.1- Pérdidas en la rejilla Cuando la estructura consta de bastidores de barrotes y rejillas para el paso del agua, las pérdidas originadas se calculan con la ecuación: Las soleras de la rejilla son de 9 y tiene dimensiones de 2” x 1m x 1/4" (0.051mx1mx0.0064m) separadas cada 0.4m.
  • 10. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 10 El área neta por metro cuadrado será: Como el área hidráulica (área bruta) de la tubería es de 0.114 m2 entonces el área neta será: Entonces: = velocidad a través del área neta de la rejilla dentro del área hidráulica. Finalmente las pérdidas por entrada y por salida serán:
  • 11. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 11 C.2.2- Pérdidas por fricción Utilizando la fórmula de Hazen Williams para una longitud de tubería de 54.45 m resulta: C.2.3- Pérdidas de carga por cambio codos o cambio de dirección Una fórmula empleada es: Dónde: Δ = ángulo de deflexión Kc = coeficiente para codos comunes = 0.25 1 36 0.632 2 49 0.738 Suma= 1.37 154 m
  • 12. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 12 IV. CONCLUSIÓN El diseño del sifón invertido funcionara bien ya que la sumatoria de perdidas es menor que la diferencia de cargas V. RECOMENDACIONES - Se recomienda a los sectores de riego realizar trabajos de limpieza del canal a fin de evitar el acumulamiento de sedimentos rocas y malezas de arbustos que podrían afectar el funcionamiento del sifón. - Realizar trabajos de mantenimiento de las tuberías de acero con pintura anticorrosiva expósita con el fin de evitar la corrosión.
  • 13. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 13 ANEXOS: Fig. 1.- canal JESUS-CHUCO Fig. 2.- vista panorámica del sifón invertido en estudio
  • 14. UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA MECANICA DE FLUIDOS II INGENIERIA CIVIL 14 Fig. 3.- desarenador Fig. 4.- entrada del agua en el sifon