1 INTRODUCCIÓN
La ingeniería es la disciplina que permite a través
de los conocimientos científicos y empíricos transformar óptimamente los
materiales y fuerzas de la naturaleza en acciones benéficas para la humanidad
mediante la innovación y empleo de procedimientos que permitan atender
problemas y necesidades de una sociedad dinámica.
El agua es el elemento más
importante para la vida, es un recurso usable en innumerables actividades
humanas, por lo que es reconocida como un agente preponderante en el desarrollo
de las comunidades, su carencia o disponibilidad afecta el avance de la
sociedad entera. En este sentido el conocimiento de la hidráulica como
disciplina encargada del estudio de los fluidos en caso particular el agua, se ha convertido en
una herramienta importante para la ingeniería civil a través de técnicas,
metodologías y recursos que permiten contener, guiar y aprovechar el agua de
manera eficiente.
De esta manera, la apropiada
distribución del agua como actividad propia de la ingeniería civil desempeña un
papel fundamental en el proporcionamiento de este recurso natural. Los
agrupamientos rurales y urbanos exigen cada día mayor cantidad y calidad del
agua para el desarrollo de sus múltiples actividades, por lo que la conducción
y abastecimiento se ha vuelto en extremo complejo lo que implica la
consideración de diversos factores para el óptimo diseño.
Entre las actividades hidráulicas
de mayor relevancia para la conducción del agua se sitúa el diseño de canales,
los cuales son estructuras que datan de la antigüedad, y que representan una
alternativa de distribución que permite el traslado del flujo de un punto hacia
otro.
Los canales como estructuras
hidráulicas requieren un apropiado diseño para su correcto funcionamiento de la
mano de la optimización de recursos, por lo que es necesaria la consideración
de ciertos variables que engloban el concepto de máxima eficiencia hidráulica.
Dentro del campo de la hidráulica
se requiere en los procesos de cálculo estructural el manejo de herramientas
tecnológicas de vanguardia que hacen que el trabajo del ingeniero sea mucho más
eficiente y productivo, tal es el caso del desarrollo e implementación de
softwares que se han convertido en instrumentos que coadyuvan a planificar,
optimizar, diseñar y operar los sistemas hídricos.
El presente texto hace referencia
a la implementación del software educativo Cefficiency,
un programa computacional desarrollados por alumnos de la Escuela de Ingeniería
Mazatlán de la Licenciatura en Ingeniería Civil para el diseño de canales de
máxima eficiencia hidráulica que muestra adicionalmente a los resultados, el
proceso detallado de cálculo, así como las ecuaciones pertinentes para esta
temática y el dimensionamiento de tales estructuras. La utilización de esta
herramienta tecnológica es una actividad complementaria que permite la
corroboración del proceso de diseño realizado de una manera convencional y que
contribuye a la significatividad del proceso de aprendizaje.
2 OBJETIVO
Implementar el uso del software Cefficiencycomo herramienta didáctica para el diseño de
canales de máxima eficiencia hidráulica en la asignatura de hidráulica de
canales.
3 MARCO TEÓRICO
El reconocimiento de la educación como un factor
determinante en los procesos de desarrollo, así como el entorno globalizante
que envuelve a la actual sociedad del conocimiento, impactan notablemente en el
desafío de aplicar las Tecnologías de la Información y la Comunicación como
vías de acceso y manejo de la información [1].
Bajo esta perspectiva, las
instituciones educativas de nivel superior se enfrentan a la responsabilidad de
adaptar los modelos educativos incorporando a las TIC´s como recursos que influyen en los entornos de
aprendizaje y promueven la formación integral de los estudiantes.
De esta manera, la Ingeniería
Civil como profesión transformadora del medio natural en virtud de los
requerimientos constantes de una sociedad en movimiento, demanda estar a la par
de los avances tecnológicos en la búsqueda de soluciones eficientes ante los
retos expuestos. El énfasis de las nuevas tecnologías en la formación del
ingeniero ha impulsado el diseño y desarrollo de softwares aplicables en los
diversos campos del conocimiento.
En lo particular el desarrollo del software
educativo Cefficiency, se
convierte en una herramienta tecnológica que facilita el diseño de canales de
máxima eficiencia hidráulica.
4 DISEÑO DE CANAL DE MÁXIMA EFICIENCIA
HIDRÁULICA
Un canal abierto es un conducto
con un flujo el cual tiene una superficie libre, una de las fronteras está
expuesta a la atmósfera. La superficie libre es esencialmente una interface
entre dos fluidos de diferentes densidades. En el caso de la atmósfera, la
densidad del aire es mucho menor que la densidad de un líquido como el agua,
además la presión es constante [2].
Los canales pueden ser
clasificados como naturales o artificiales. La terminología canal natural se
refiere a todos los canales que han sido desarrollados por procesos naturales y
que no han tenido una mejoría significativa por parte de los humanos [3]. Mientras
tanto, los canales artificiales son todos aquellos construidos o desarrollados
mediante el esfuerzo de la mano del hombre, tales como: canales de riego, de
navegación, control de inundaciones, canales de centrales hidroeléctricas,
alcantarillado pluvial, sanitario, canales de desborde, canaletas de madera,
cunetas a lo largo de carreteras, cunetas de drenaje agrícola y canales de
modelos construidos en el laboratorio.
Los canales artificiales usualmente se diseñan con forma geométricas
regulares (prismáticos), un canal construido con una sección transversal
invariable y una pendiente de fondo constante se conoce como canal prismático
[4].
La sección de canal hace
referencia a la sección transversal tomado en forma perpendicular a la
dirección del flujo. Las secciones transversales más comunes son las
siguientes:
·
Sección trapezoidal: Se usa en canales de tierra
debido a que proveen las pendientes necesarias para estabilidad, y en canales
revestidos.
·
Sección rectangular: Debido a que el rectángulo
tiene lados verticales, por lo general se utiliza para canales construidos con
materiales estables, acueductos de madera, para canales excavados en roca y
para canales revestidos.
·
Sección triangular: Se usa para cunetas revestidas
en las carreteras, también en canales de tierra pequeños, fundamentalmente por
facilidad de trazo. También se emplean revestidas, como alcantarillas de las
carreteras.
·
Sección parabólica: Se emplea en algunas ocasiones
para canales revestidos y es la forma que toman aproximadamente muchos canales
naturales y canales viejos de tierra.
·
Sección circular: El círculo es la sección más común
para alcantarillados y alcantarillas de tamaños pequeño y mediano.
La selección de la forma determinada de la sección
transversal, depende del tipo de canal por construir; así, la trapecial es muy
común en canales revestidos, la rectangular en canales revestidos con material
estable como concreto, mampostería, tabique, madera, etc., la triangular en
canales pequeños como las cunetas y contracunetas en las carreteras, y la
circular en alcantarillas, colectores y túneles.
Uno de los factores que
intervienen en el costo de construcción de un canal es el volumen por excavar;
este a su vez depende de la sección transversal. Mediante ecuaciones se puede
plantear y resolver el problema de encontrar la menor excavación para conducir
un gasto dado, conocida la pendiente. La forma que conviene dar a una sección
de magnitud dada, para que escurra el mayor caudal posible, es lo que se ha
llamado sección de máxima eficiencia hidráulica.
La sección de canal está
determinada por la forma geométrica y el tirante del flujo. Los elementos a
considerar en el diseño de un canal se definen de la siguiente manera [5]:
·
Tirante del
flujo y: Distancia vertical desde el punto más bajo de la sección del
canal a la superficie del agua. Con cotidianidad, se efectúa el intercambio de este elemento
con el término tirante del flujo de la sección d que es el tirante del
flujo medido perpendicularmente al fondo del canal. Únicamente en el caso de
canales con inclinación o pendiente pronunciada, es donde se muestra una
diferencia significativa entre y y d. La relación entre ambas variables considerado que θ, es el
ángulo de la pendiente del fondo del canal con una línea horizontal se puede
representar con la siguiente expresión (Ecuación 1). Sin embargo si θ es
pequeño se considera que y ≈d.
|
|
(1) |
·
Nivel del
agua: Es la elevación de la superficie libre del agua relativa a un plano de
referencia.
·
Ancho de la
superficie libre B: el ancho superficial de un canal es al ancho de la sección
del canal en la superficie libre del agua.
·
Área
hidráulicaA: Es el área de la sección transversal del flujo, tomada
normal a la dirección del flujo.
·
Perímetro
mojado P: Es la longitud de la línea que es la interface entre el
fluido y el contorno del canal.
·
Radio
hidráulico R: Es la relación del área hidráulica entre el perímetro
mojado:
|
|
(2) |
·
Tirante
hidráulico D: el tirante hidráulico es la relación del área hidráulica con
el ancho superficial:
|
|
(3) |
La sección recta de máximo rendimiento para un canal
abierto se define como aquella sección que dé el máximo caudal cuando se da la pendiente, el área y el coeficiente de
rugosidad. Si estas magnitudes se mantienen constantes, la velocidad y por
lo tanto el caudal será máximo cuando el perímetro mojado sea mínimo.
De todas las secciones rectas, la
de máximo rendimiento es el semicírculo, ya que tiene el perímetro mojado
mínimo para un área mínima dada [6].
Para una sección circular la de
mayor rendimiento es la que tiene una profundidad a la mitad de su anchura.
Para un sección triangular, la que tiene la pendiente de los lados igual a la
unidad es la de máximo rendimiento. Y para una sección trapecial es la que es
igual a la mitad de un hexágono regular (es decir los tres lados iguales con
lados interiores de 120 grados cada uno). La Tabla 1 muestra de manera
abstracta las ecuaciones para el cálculo de las dimensiones de un canal
prismático de máxima eficiencia hidráulica en virtud del tirante hidráulico.
Tabla 1 Secciones hidráulicas óptimas.
Tal como
señala Villón Béjar [6], no siempre las secciones óptimas son prácticas debido
a dificultades en la construcción y el uso de material. En general, una sección
de canal debe diseñarse para cumplir con una eficiencia hidráulica óptima pero
debe modificarse para tener en cuenta aspectos constructivos.
5 MANEJO DEL SOFTWARE Cefficiency
Entre los ejercicios básicos desarrollados en el
aula sobre diseño de canales prismáticos, se encuentra el determinar las
dimensiones y parámetros hidráulicos de una canal de sección rectangular, para
lo cual es necesario especificar datos de gasto o caudal, rugosidad del
conducto y pendiente del terreno. El proceso de cálculo para la obtención de
las dimensiones, requiere evaluar área hidráulica, perímetro mojado, radio
hidráulico entre otros factores que posteriormente se incorporan a la ecuación
del gasto particular de Chezy – Manning. Si consideramos lo anterior e
ingresamos un caudal Q =20 l/s, una pendiente S=0.001 m/m y un valor de
rugosidad para concreto con acabado normal n=0.014, el procedimiento
convencional se desarrollaría de la siguiente manera:
Área hidráulica
Perímetro mojado
Radio hidráulico
Sustituyendo en la ecuación de Chezy – Manning se
tiene:
Resolviendo para la ecuación anterior para el
tirante del agua y, se obtiene que
Por tanto,
Área hidráulica
Perímetro mojado
Radio hidráulico
La articulación de la referencia teórica y
desarrollo tradicional del procedimiento de cálculo para el diseño de canales
de máxima eficiencia hidráulica es de suma importancia para lograr alcanzar los
aprendizajes esperados, sin embargo este proceso educativo puede ser acompañado
de la utilización de la tecnología de la información y comunicación como es el
manejo de programas computacionales, tal
es el caso del manejo del software Cefficiency.
El software educativo Cefficiency presenta en la
ventana principal dos alternativas para el diseño de canales: regular e
irregular (Fig. 1). La primera alternativa, canales regulares, considera
aquellos canales prismáticos cuya geometría se adapta a las condiciones de
máxima eficiencia hidráulica, opción en la que se centra el desarrollo de éste
artículo.
Figura 1 Pantalla principal del programa Cefficiency.
Los datos a suministrarse por el usuario son gasto o
caudal (Q), pendiente del terreno (S) y rugosidad del canal el cual está en
función del material de composición (n), el cual puede ser seleccionado entre
múltiples alternativas o bien ingresado manualmente de acuerdo a las
necesidades particulares.
Haciendo referencia al problema
indicado con anterioridad, se da entrada a los datos por parte del usuario
(Fig. 2).
Figura 2 Ventana de ingreso de datos.
Al acceder al cálculo se despliega una ventana de
fácil manipulación por el usuario de acuerdo a la geometría del canal de su
interés a diseñar. De manera general en su parte inferior izquierda el programa
visualiza la ecuación general de Chezy - Manning para calcular el gasto o
caudal, así como las ecuaciones de máxima eficiencia para una sección de canal
acorde a su geometría, hecho que le permite verificar a los alumnos que los
ejercicios prácticos resueltos de manera convencional dentro del aula hagan alusión
a tales ecuaciones. Aunado a lo anterior, Cefficiency
como software didáctico facilita la comprobación de que la información obtenida
en el dimensionamiento de canales obtenida a través de la resolución de
algoritmos matemáticos ejecutados en el espacio áulico sea equivalente a los
datos vertidos por el software. Este hecho contribuye a la significatividad y
el logro de los aprendizajes esperados en la asignatura de hidráulica en la
temática de diseño de canales de máxima eficiencia, ver Fig. 3.
Figura 3
Ejemplo del dimensionamiento de una canal de rectangular.
6 CONCLUSIONES
El mundo en constante evolución tecnológica está en
una dinámica búsqueda de la optimización de recursos y la realización de tareas
de manera eficaz y efectiva.
El desarrollo y la utilización de softwares se han
convertido en áreas de trascendencia actual para una sociedad en exploración
continua de alternativas que le permitan dar respuesta de solución a problemas
a través del uso de la tecnología.
Hoy en día el software es
considerado un ente lógico que hace funcionar a los dispositivos electrónicos a
través de secuencias de instrucciones en donde los dispositivos marcan el hacer,
así como el ¿Cómo? y ¿Cuándo?.
Cefficiency es una
herramienta informática que en comparación con otros programas hidráulicos
existentes, tiene la capacidad de mostrar al usuario no sólo las soluciones,
sino las ecuaciones concernientes, el proceso de cálculo y el canal con sus
dimensionamientos, situación que lo hace valioso como una herramienta didáctica
que puede acompañar al estudiante de la licenciatura en su proceso de
formación.
Es importante mencionar que este
software fue diseñado por estudiantes y para estudiantes de la Licenciatura en
Ingeniería Civil de la Escuela de Ingeniería Mazatlán, pero además puede ser
utilizado por ingenieros, maestros, investigadores, profesores del área de la
ingeniería civil, o personas que tengan conocimientos hidráulicos, por lo que
es recomendable su difusión en el entorno próximo de manera inicial, en un
espacio dirigido a la comunidad educativa.
De manera particular el presente
software de aplicación, faculta al usuario, estudiante o profesionista del área
de hidráulica a través de su manipulación, la introducción de datos que
permitan determinar los parámetros hidráulicos de un canal de máxima
eficiencia, es decir, aquel que transporte el mayor caudal posible con el
mínimo perímetro mojado.
Así pues, Cefficiency como una herramienta tecnológica situada en
un espacio virtual de fácil acceso a la comunidad estudiantil se convierte
conjuntamente con la asesoría de los docentes en un recurso didáctico que
permite solucionar problemas correspondientes al diseño de canales, demostrando
y comprobando resultados y todos aquellos procedimiento atribuidos a este campo
particular de la hidráulica.
La aplicación de esta herramienta
tecnológica resulta ser de fácil manipulación, obteniéndose resultados
favorables en poco tiempo. Sin embargo, es primordial que el usuario conozca la
teoría correspondiente a la temática de máxima eficiencia hidráulica en
canales.
De manera general, se sugiere
motivar y promover dentro del aula, la generación y utilización de otros programas
computacionales, así como aplicaciones móviles destinadas a los diversos campos
de la ingeniería, desarrollados por los propios estudiantes de nuestra
institución con la asesoría de los docentes con la finalidad de construir un
acervo informático favorable en el diseño de estructuras, análisis de
fenómenos, solución de problemas, demostración y comprobación de resultados y
todas aquellas actividades atribuidas a la ingeniería civil.
La creación y utilización de Cefficiency como una herramienta tecnológica pretende
situar en la vanguardia a nuestra institución educativa EIM, a través de un
recurso innovador en su entorno, accesible al estudiante y docentes, con la
capacidad de facilitar el diseño de canales y contribuir a la formación
integral de profesionistas capaces de incorporarse favorablemente a la sociedad
del conocimiento.
El acceso a este recurso didáctico
está vinculado a la plataforma AVA (Ambiente Virtual de Aprendizaje) de la
Universidad Autónoma de Sinaloa, a través del enlace:
https://ava.maz.uasnet.mx/course/view.php?id=340#section-2
7 REFERENCIAS
[1] Martín Vaquero, J.,
Queiruga Dios, A. (2014).Utilización de
las TIC´s para la docencia en asignaturas de matemáticas. En experiencias
de innovación docente universitaria. Salamanca, España: Ediciones Universidad
de Salamanca.
[2] Gardea Villegas, H.
(1995).Hidráulica de canales. México:
Fundación ICA, Facultad de Ingeniería, UNAM.
[3] French, R. H. (1988).
Hidráulica de canales abiertos.
México: Mc Graw Hill.
[4] Ruíz Rodríguez, P. (2008).
Hidráulica de Canales. México: IPN.
[5] Ruiz Cortez, R.
(1988). Hidráulica de Canales.
Culiacán, Sinaloa: Universidad Autónoma de Sinaloa.
[6] Villón Béjar, M.
(2007).Hidráulica de Canales. Lima,
Perú: Villón.