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DISEO DE SIFON INVERTIDO
MECANICA DE FLUIDOS II 1
I. INTRODUCCIN:
El diseo de algunas obras
hidrulicas es fundamental en el
desarrollo de una poblacin es un
aspecto importe al cual se debe
dar solucin por ello la ingeniera
se ha caracterizado por que a lo
largo del tiempo ha solucionado
los distintos problemas que la
sociedad demanda, el aumento de
poblacin y la escasez de lluvias
traen consigo en consecuencia la
ausencia de agua en la localidad
por lo que se opta construir
estructuras hidrulicas tales
reservorios, sifones con el fin de
solucionar este problema.
Para que una estructura hidrulica
funcione es indispensable que
cumpla con ciertos requisitos, los sifones no son ajenos a estos conceptos es
fundamental tener una cierta diferencia topogrfica de niveles as como un caudal
considerable, presin, temperatura, etc.
El presente trabajo se trabajara con un sifn invertido el cual se encuentra ubicado en
el distrito de Jess departamento de Cajamarca con el fin de analizarlo y debatir sus
virtudes y desventajas que este posee. El diseo realizado se fundamenta en loscriterios de diseo de la autoridad nacional del agua.
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MECANICA DE FLUIDOS II 2
II. RESUMEN
En el siguiente informe hablamos del sifn situado en el distrito de Jess el cual es un
distrito peruano y es uno de los 12 distritos que forman la provincia de Cajamarca
ubicada en el departamento de Cajamarca, Per.
Durante la prctica de campo se pudo reconocer una de las clases de sifones existentes
en la localidad ya antes mencionada, se reconoci el sistema de funcionamiento, partesdel sifn, los materiales empleados y las deficiencias que este presenta.
Los materiales empleados en el sifn el concreto simple normalizado empleado en
tubos de 20 pulg. De dimetro y con un espesor de 2 pulg. , posee en los extremos dos
cajas de concreto armado las cuales sirven de entrada de agua y salida de agua, y
estn compuestos en su estructura de rejillas para evitar as el paso de material slido,
posee tambin elementos de cierre para el control del caudal de agua.
En adelante se plantea tambin alternativas de solucin ante los problemas
constatados in situ como lo es la falta de limpieza, la no existencia de una vlvula de
purga y quizs un replanteo del material empleado.
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MECANICA DE FLUIDOS II 3
III. OBJETIVOS:
Disear hidrulicamente un sifn invertido en la zona de jesus-chico.
Conocer el fundamento terico para el diseo de un sifn invertido.
Calcular hidrulicamente el sifn invertido ubicado en el distrito de
Jess.
Determinar los parmetros de diseo necesarios para un buenfuncionamiento de este sistema de transporte de masas de agua.
IV. IV.JUSTIFICACION
Los sifones invertidos son usados para transportar agua proveniente decanales por debajo de carreteras y vas de tren debajo de ros y quebradas,
etc.
Cuando existen quebradas poco anchas profundas conviene cruzarlas con
acueductos, pero cuando el cruce es ancho arriba y profundo en el centro
muchas veces conviene proyectar un sifn invertido.
Los estudios econmicos y consideraciones topogrficas, geolgicas e
hidrolgicas, determina la factibilidad de usar uno u otro tipo de estructura.
V. ACCESIBILIDAD
Para llegar al lugar de estudio se tomara un vehculo como medio
transporte, por medio de la carretera Cajamarca-Jess con un tiempo
aproximado de 45 min, una vez situado en la plaza de armas se caminara
aproximadamente 2.5 km hacia la zona de estudio.
VI. UBICACIN
El lugar de estudio se encuentra a 2km aproximadamente al sureste del
distrito de Jess provincia de Cajamarca departamento de Cajamarca.
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VII. ALCANCES
GPS
WINCHA
LIBRETA DE APUNTES
LAPIZ
CAMARA FOTOGRAFICA
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MECANICA DE FLUIDOS II 5
VIII. MARCO TERICO:
TEORIA DEL SIFON INVERTIDO
Para cruzar una depresin, se debe recurrir a una estructura de cruce en cada caso seescoge la solucin ms conveniente para tener un funcionamiento hidrulico correcto,
la menor prdida de carga posible y la mayor economa factible. Los cuales pueden ser:
Puente canal
Sifn invertido
Alcantarilla
Perfil de un sifn invertido
ELECCIN DEL TIPO DE ESTRUCTURA
Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstculo, se puedeutilizar una alcantarilla
Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante delobstculo, se puede utilizar como estructura de cruce; un puente canal o unsifn invertido o la combinacin de ambos.
El puente canal se utilizar cuando la diferencia de niveles entre la ras ante delcanal y la rasante de la quebrada o ro, permita un espacio libre, suficiente paralograr el paso del agua.
El sifn invertido se utilizar si el nivel de la superficie libre del agua es mayor
que la ras ante del obstculo.
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MECANICA DE FLUIDOS II 6
CONCEPTO DE SIFN INVERTIDO
Los sifones invertidos son conductos cerrados que trabajan a presin, se utilizan para
conducir el agua en el cruce de un canal con una depresin topogrfica o quebrada,tambin para pasar por debajo de un camino, una va de ferrocarril, un dren o inclusootro canal.
CRITERIOS DE DISEO
Las dimensiones del tubo se determinan satisfaciendo los requerimientos decobertura, pendiente del tubo, ngulos de doblados y sumergencia de la entrada ysalida.
En aquellos sifones que cruzan caminos principales o debajo de drenes, se requiereun mnimo de 0.90 m de cobertura y cuando cruzan caminos parcelarios o canales driego sin revestir, es suficiente 0.6 m. Si el sifn cruza un canal revestido se considerasuficiente 0.30 m de cobertura.
En el caso particular del cruce con una quebrada o ro de rgimen caudaloso, deberhacerse un estudio de profundidad de socavacin para definir la profundidad en laque deber cruzar o enterrar la estructura de forma segura sin que esta sea
afectada.
La pendiente de los tubos doblados, no debe ser mayor a 2:1 y la pendiente mnimadel tubo horizontal debe ser 5 o/oo. Se recomienda transicin de concreto a laentrada y salida cuando el sifn cruce caminos principales en sifones con mayor oigual a 36 y para velocidades en el tubo mayores a 1 m/s.
Con la finalidad de evitar desbordes agua arriba del sifn debido a la ocurrenciafortuita de caudales mayores al de diseo, se recomienda aumentar en un 50% o0.30 m como mximo al borde libre del canal en una longitud mnima de 15 m a
partir de la estructura.
Con la finalidad de determinar el dimetro del tubo en sifones relativamente cortoscon transiciones de tierras, tanto a la entrada como a la salida, se puede usar unavelocidad de 1 m3
Las prdidas de carga por entrada y salida para las transiciones tipo Cubierta
Partida, se pueden calcular rpidamente con los valores 0.4 y 0.65 hvrespectivamente o con lo manifestando en los tems 2.4 y 2.5./s, en sifones contransiciones de concreto igualmente cortos se puede usar 1.5 m/s y entre 3 a 2.5
m/s en sifones largos con transiciones de concreto con o sin control en la entrada.
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MECANICA DE FLUIDOS II 7
A fin de evitar remansos aguas arriba, las prdidas totales computadas seincrementan en 10%.
En el diseo de la transicin de entrada se recomienda que la parte superior de la
abertura del sifn, est ligeramente debajo de la superficie normal del agua, estaprofundidad de sumergencia es conocida como sello de agua y en el diseo se toma1.5 veces la carga de velocidad del sifn o 1.1 como mnimo o tambin 3.
En la salida la sumergencia no debe exceder al valor Hte/6.
En sifones relativamente largos, se proyectan estructuras de alivio para permitir undrenaje del tubo para su inspeccin y mantenimiento.
En sifones largos bajo ciertas condiciones de entrada puede no sellarse ya sea que el
sifn opere a flujo parcial o a flujo lleno, con un coeficiente de friccin menor que elsumido en el diseo, por esta razn se recomienda usar n = 0.008 cuando se calculalas prdidas de energa.
Con la finalidad de evitar la cavitacin a veces se ubica ventanas de aireacin enlugares donde el aire podra acumularse.
Con respecto a las prdidas de carga totales, se recomienda la condicin de queestas sean iguales o menores a 0.30 m Cuando el sifn cruza debajo de unaquebrada, es necesario conocer el gasto mximo de la creciente.
Se debe considerar un aliviadero de demasas y un canal de descargainmediatamente aguas arriba de la transicin de ingreso.
Se recomienda incluir una tubera de aeracin despus de la transicin de ingreso
Se debe analizar la necesidad de incluir vlvulas rompe presin en el desarrollo de laconduccin a fin de evitar el golpe de ariete, que podra hacer colapsar la tubera(solo para grandes caudales).
Se debe tener en cuenta los criterios de rugosidad de Manning para el diseohidrulico
Se debe tener en cuenta los criterios de sumergencia (tubera ahogada) a la entraday salida del sifn, a fin de evitar el ingreso de aire a la tubera.
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MECANICA DE FLUIDOS II 8
DISEO HIDRULICO DEL SIFN INVERTIDO
El desnivel entre las gradientes de energa en la entrada y la salida algunas veces sepredetermina y en otras ser igual a la suma de todas lasprdidas producidas en elcontorno. Las prdidas de carga importantes son:
a. En la transicin de entrada y salidab. Perdida rejilla de ingreso y salidac. Por friccin en transiciones
d. Por friccin en el sifne. En los codos o cambios de direccin
f. Por cambio de seccin en la salida.
La simbologa a emplearse
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a. Perdidas de carga en las transiciones de entrada y salida:
Las prdidas de carga en las transiciones son:
Donde : kt : 0.1 en la transicin de entradakt : 0.2 en la transicin de salida
b. Perdidas de carga en las rejillas:
Se calcula segn Kirschmer:
De donde:Kr: coeficiente que depende de la forma de la reja
: ngulo que hace la reja con la horizontals : espesor de la rejab : luz entre rejas
Para rejillas completamente sumergidas se emplea la formula de Creager:
Siendo:
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Dnde:ag = rea bruta de la estructura de rejillasan = rea neta de paso entre rejillasV = velocidad neta a travs de rejillas.
c. Perdida de carga en la entrada y salida:
De donde:h3 = prdida de carga por entrada al conducto
v = Velocidad del agua en el barrilKe = Coeficiente que depende de la forma de entrada
d. Perdida de carga de friccin en el sifn
R= radio hidrulico
L = longitud total del conducto
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v = velocidad del agua en el conducto
S = pendiente de la lnea de energa
e. Perdida de carga debida a codos y cambios de direccin:
VALORES DE Ke
Compuerta en pared delgada - contraccin suprimida en ladosy en el fondo
1,0
entradas con arista en ngulo recto 0,5
Para entrada con arista ligeramente redondeada 0,23
Para entradas con arista completamente redondeada R/D = 0,15 0,1
para entrada abocinada circular 0,004
IX. DESARROLLO DE LA PRACTICA:
IV.1 PROCEDIMIENTO:
a) Calculo d el grad iente hidrulic o:
Para calcular el gradiente hidrulico procedimos a reconocer el terreno para tomarlas cotas tanto de la transicin inicio como del final:
H = E1 E2 = Z1 Z2 = 2651 2647 = 4.00 m
>
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b) Calc u lo d el dimetr o de la tub era.
Teniendo en cuenta que:
Q=1.00 m3/seg ---- ya que es un sifn
peq ueo.
V= 1.6m/ seg
Ya que es un sifn pequeo.
b.2) Calcu lo del rea Hid rul ica:
b.3) Calcu lo del Permetro m oj ado :
P=D* = 0.89* = 2.80 m
b.4) Calcul o del Rad io Hid rul ico :
b.5) La veloc idad d entro d e la tuberia de ser (Ecuacio n de co ntin uid ad):
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b.6) Nmero de Reynold s:
b.7) Velocidad en el canal rectangu lar
Donde:
Velocidad en el canal trapezoidal rea mojada del canal
La altura mnima de ahogamiento a la entrada
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Por lo tanto: Hmin
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MECANICA DE FLUIDOS II 15
Como el rea hidrulica (rea bruta) de la tubera es de 0.70 m2 entonces el rea neta
ser:
Entonces:
( ) ( )
Donde K es el coeficiente de las perdidas por rejilla.
Vn = velocidad a travs del rea neta de la rejilla dentro del rea hidrulica
Finalmente las prdidas por entrada y por salida sern:
Perdidas por friccin en el conducto.
Utilizando la frmula de Hazen Williams para una longitud de tubera de 57.13 m y
teniendo en cuenta la siguiente tabla, resulta:
= 0.106
R= radio hidrulico
C= 120 (coeficiente de rugosidad relativa tomando las tablas de tuberas de concreto
usadas para valores de Hazen Williams).
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MECANICA DE FLUIDOS II 16
C.2.3- Prdid as de c arga por c amb io c od os o cambio de d ireccin
Una frmula empleada es:
Dnde:
= ngulo de deflexin
Kc = coeficiente para codos circulares = 0,1
1 26.0758 0.5383
2 49.6324 0.7426
Suma 1.2809
Hcd = 0.0128
0.0076+0.0151+0.032+0.106+0.0128=0.1735
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MECANICA DE FLUIDOS II 17
DISEO DE UN DESARENADOR
Desarenador de baja velocidad V< 1 m/seg
1.0 DIAMETRO DE LAS PARTICULAS A SEDIMENTAR:
Utilizamos la frmula de Camp:
V= 0.6102 m/seg
d= 0.2 mm 24 in
Q= 1.64 m^3/seg
d= Diametro
a=Constante en funcion deldiametro
a= 44 y= 0.4 m
Luego:
V= 19.677 0.2 m/seg -
V= a*
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MECANICA DE FLUIDOS II 18
1.2 CALCULO DE VELOCIDAD DE CAIDA W
Para este aspecto existen varias frmulas empricas, tablas
y nomogramas, entre las cuales consideramos:
1.3.1 Arkhangelski
Tabla en la cual determinamos w(cm/s) en funcin del dimetro de partculas d (mm).Para un dimetro de d = 0.2 mm.
El w ser (segn la tabla mostrada):
w = 2.16 cm/s = 0.0216 m/s
Velocidades de sedimentacin w calculado por Arkhangelski (1935) en funcin deldimetro de partculas
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1.3.2 Nomograma Stokes y Sellerio
Permite calcular w(cm/s) en funcin del dimetro d (mm)
Segn Stokes: w= 4 cm/s = 0.04 m/s aprox
Segn Sellerio: w= 2.5 cm/s = 0.025 m/s aprox
Figura 3
Experiencia de Sellerio
1.3.3 Owens
Propone la frmula:
Donde:
s = 1.65 gr./cm3
W= K *[d*( 1)]^0.5
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MECANICA DE FLUIDOS II 20
k = Constante que vara de acuerdo con la forma y naturaleza de los granos se tomar un
valor ubicado entre 9.35 y 1.28 k = 4.8
Luego:
w = 4.8*[0.0002*(1.65 1)] ^0.5
w = 0.0547 m/s.
1.3.4 ScottiFoglieni
Calculamos w a partir de la frmula:
w=0.06 m/seg
Se tomar el promedio de los w obtenidos y obtendremos w = 3.934 cm/s = 0.03934 m/s
1.4 Clculo de las dimensiones del tanque
w=3.8*d 0.5 + 8.3*d
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MECANICA DE FLUIDOS II 21
Calculamos:
1.4.1 Ancho del desarenador
b= 4 m
h= 2.05 m
b= 4 m ok
1.4.2 LONGITUD DEL DESARENADOR
L= 10.43 m
L= 11 m
1.4.3 TIEMPO DE SEDIMENTACION
t= 52.1628 seg
t=53 seg
1.4.4 VOLUMEN DE AGUA CONDUCIDO EN ESE TIEMPO
V= 86.92 m^3
Q = (b*h)*V
b =
L =
t =
V = Q*t
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DISEO DE SIFON INVERTIDO
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1.4.5 VERIFICANDO DE LA CAPACIDAD DEL TANQUE
V= 90.2 m^3
Se verifica que Vtanque> Vagua
Para facilidad del lavado al fondo del desarenador se le dar una pendiente del 2%.Esta inclinacin comienza al finalizar la transicin.
1.5 CALCULO DE LA LONGITUD DE TRANSICION
Para el diseo de la transicin se puede utilizar la frmula de Hind:
Lt = (T1 T2)/ [2*tg (22.5)]
Donde:
L = Longitud de la transicin
T1 = Espejo de agua del desarenador = b = 4 m
T2 = Espejo de agua en el canal = 0.73 m(*) El canal que antecede a la transicin posee las siguientes caractersticas:
Seccin: Rectangular
Base del canal: bC = 0.73 mTirante: YC = 0.40
Velocidad: v = 0.61 m/s
Froude: FC =0.31 (Flujo sub - crtico)
Luego:
Lt 3.947 m
Lt 3.950 m
V = b*h*L
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1.6 CALCULO DE LA LONGITUD DEL VERTEDERO AL FINAL DEL TANQUE(Lv)
Aplicamos la siguiente frmula:
Lv = Q/ (C*h^1.5)
Donde:
V mx. = 1 m/s
H mx. = 0.25 m
Q = 1.64 m3/s
C = 2 (perfil tipo Creager)
Luego:
Lv = 6.56 m
1.7. Clculo del ngulo central y el radio R con que se traza la longitud del vertedero.
1.7.1 Clculo de
Si: 2 --- 360
LV ---
Entonces: R = (180*LV)/ (*) (1)
Adems: Cos = (R b)/ R
R = b/ (1 - Cos ) (2)
De (1) y (2):
(180*Lv)/ (*b) = / (1 Cos )
Reemplazando datos:
(180*6.56)/ (*4.0) = / (1 Cos ) = 41.41
1.7.2 Clculo de R
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MECANICA DE FLUIDOS II 24
En (2):
R = 4.0/ [1Cos (41.41)] R = 16.0 m
Esquema del tanque del desarenador
1.8 Clculo de la longitud de la proyeccin longitudinal del vertedero(L1)
Tomando el tringulo OAB se tiene:
en = L1/R L1 = R*Sen
L1 = 16.0*Sen (41.41 )
L1= 10.58 m
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MECANICA DE FLUIDOS II 25
L 8.57 m
L 9 m
1.10 Clculo de la longitud total del tanque desarenador(Lt)
Donde:
LT = Longitud total
L = Longitud del tanque
Lt = Longitud de la transicin de entrada
L = Longitud promedio por efecto de la curvatura del vertedero
Luego:
LT 22.950 m
1.11 Clculos complementarios
1.9 Clculo de la longitud promedio (L)
L = (Lv+L1)/2
L= Lt+L+L
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DISEO DE SIFON INVERTIDO
MECANICA DE FLUIDOS II 26
1.11.1 Clculo de la cada del fondo
z = L*S
Donde:
z = Diferencia de cotas del fondo del desarenador
L = LT - Lt
S = Pendiente del fondo del desarenador (2%)
Luego:
z = (22.95 3.947)*2/100
z = 0.38006 m 0.40 m
1.11.2 Clculo de la profundidad del desarenador frente a la compuerta de lavado
H = h + z
H = 2.05 + 0.40 H = 2.45 m
1.11.3 Clculo de la altura de cresta del vertedero con respecto al fondo
hC = H0.25
hC = 2.450.25
hC = 2.20 m
1.11.4 Clculo de las dimensiones de la compuerta de lavado
La compuerta funciona como un orificio siendo su ecuacin:
Q = Cd*AO*(2*g*h) ^0.5
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MECANICA DE FLUIDOS II 27
Donde:
Q = Caudal a descargar por el orificio
Cd = Coeficiente de descarga = 0.6AO = rea del orificio (rea de la compuerta)
h = Carga sobre el orificio
g = Aceleracin de la gravedad (9.81 m/s2)
Luego:
1.64= 0.6*AO*(2*9.81*2.45) ^0.5
AO = 1.64/ [0.6*(2*9.81*2.45) ^0.5]
AO = 0.40 m2
l = 1.19^0.5 (compuerta de seccin cuadrada)
l = 0.63 m 0.70 m (longitud del lado)
1.11.5 Clculo de la velocidad de salida
= Q/AO
Donde:
= Velocidad de salida por la compuerta, debe ser de 3 a 5 m/s, para el concreto el lmite
erosivo es de 6 m/s
Q = Caudal descargado por la compuerta
AO = rea del orificio, en este caso igual a rea de compuerta
Luego:
= 1.64/ 0.40 = 4.1 m/s
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X. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE UN SIFON INVERTIDO
Los sifones invertidos son econmicos, fciles de disear y de construir y han
demostrado tener una confiable capacidad de conduccin.
Los costos de diseo, construccin y mantenimiento son factores que pueden
hacer que un sifn invertido sea ms factible que otra estructura.
Sin embargo la prdida de carga de un sifn invertido es mayor que en los otros
sistemas de cruce (acueductos, etc.)
El sifn invertido actual que hemos visitado actualmente no se encuentra
funcionando.
XI. APORTE
LIMITACIONES EN EL USO DE SIFONES:
En la literatura estudiada no se han encontrado referencias a este tipo de obra en la
forma en que si aparecen para los sifones invertidos, es decir sobre el comportamiento
de obras realizadas.
Como toda obra hidrulica, la decisin sobre utilizar una u otra solucin depende de la
necesidad de satisfacer, de las posibilidades materiales, tecnolgicas y financieras parasu realizacin, y cada situacin particular exige a la vez sus propias soluciones, las que
generalmente pueden ser seleccionadas entre distintas variantes. Aqu, si una posible
variante de solucin es la construccin de un sifn probablemente el ingeniero decida
otra distinta, pues segn el criterio de A Schoklitsh: los sifones. Sirven para salvar
pequeas tomas, pero su servicio es complicado, pues, por ejemplo, hay que extraer
continuamente los gases desprendidos del agua y acumulados en el vrtice del sifn.
Adems, la construccin es difcil, y por esto solamente en casos excepcionales debe
construirse un sifn de este tipoCriterios parecidos son frecuentes en las entidades
de proyectos hidrulicos y no parece que la poblacin de sifones sea muy numerosa,
sino prcticamente inexistente. Pero es muy probable que existan obras y sistemas
que resultarn ms econmicos utilizando un sifn. Desde luego, distinto del que
critica Schoklish.
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XII. ANEXOS
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XIII. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES
Como est diseado con tubera de PVC, este debe ir necesariamente enterrado,para evitar que falle por efectos de la radiacin solar.
Las formulas y clculos obtenidos han sido proporcionados por los criterios dediseos de obras de la autoridad nacional del agua.
Para un diseo eficaz y reglamentario se debe seguir los pasos indicados en lasnormas de la autoridad nacional del agua.
Para el diseo de este tipo de sifones de debe tener en cuenta la presin de
vapor del agua a una temperatura critica
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XIV. BIBLIOGRAFIA
Arturo Rocha Felices, Hidrulica de tuberas y canales, primera edicin,
editorial Biblioteca nacional del Per, Per, ao 2007.
Alejandro Cceres Neira, Problemas de hidrulica 2, primera edicin, editorialciencias, Per, ao 2005.
Manual de diseos de obras hidrulicas para la formulacin de proyectoshidrulicos multisectoriales y afianzamiento hdrico
http://www.sisman.utm.edu.ec/libros/FACULTAD%20DE%20CIENCIAS%20MATEM%C3%81TICAS%20F%C3%8DSICAS%20Y%20QU%C3%8DMICAS/INGENIER%C
3%8DA%20CIVIL/08/OBRAS%20HIDRAULICAS%20II/manual-dise%C3%B1os-1.pdf