Clases HEC
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Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana HEC – RAS Características Generales 2013 Preparado por Ing. Emilio A. Lecertua HEC - RAS 1 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana HEC – River Analysis System Versión 4.1 (Enero 2010) Software Manuales: User’s Manual Applications Guide Hydraulic Reference Manual www.hec.usace.army.mil HEC - RAS 2 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana 1 - INTRODUCCIÓN Cálculo unidimensional (1D) en régimen permanente e impermanente. Cauces naturales (ríos, estuarios, etc) y canales artificiales (riego, derivación, etc). Efecto de las estructuras: compuertas, alcantarillas, puentes, etc. HEC - RAS 3 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones básicas Basado en la solución unidimensional de la ecuación de energía (Ec.1) HEC - RAS (Ec.2) 4 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones básicas HEC - RAS 5 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones básicas En general HEC - RAS 6 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Pérdida de energía Ecuación de Manning Pérdida de energía por fricción HEC - RAS 7 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Pérdida de energía (Ec.3) Ecuación utilizada por default HEC - RAS 8 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Pérdida de energía Pérdida de energía por contracción / expansión: C = 0.1 En estrechamiento C = 0.3 En ensanchamiento HEC - RAS 9 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Cálculo Computacional Proceso Iterativo: 1) Suponer Y2 (Tirante aguas arriba - Régimen subcrítico)* 2) Determinar V2 y K2 3) Determinar Sf (Ec.3) y he (Ec.2) 4) Determinar Y2 (Ec.1) y compararlo con el valor supuesto en el paso 1). Repetir el cálculo hasta que el error sea menor que una determinada tolerancia (.003m por default). * En caso de Régimen supercrítico, suponer tirante aguas abajo HEC - RAS 10 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Tirante Crítico Régimen Subcrítico Supercrítico Mixto HEC - RAS 11 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Ecuaciones para cambio de régimen La ecuación de la conservación de la cantidad de movimiento se utiliza cuando ocurren cambios de régimen, por ejemplo: en puentes y confluencias. HEC - RAS 12 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Condiciones de Borde - Known Water Surface Elevations: Nivel de agua - Critical Depth: Tirante crítico (cálculo automático) - Normal Depth: Pendiente de energía, se puede aproximar a través - Pendiente promedio del canal - Pendiente promedio de la superficie de agua en inmediaciones de la sección - Rating Curve: Tabla nivel vs caudal HEC - RAS 13 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Condiciones de Borde Estimación de Condición de Borde Error en la superficie de agua de la sección Régimen Subcrítico: Agregar secciones aguas abajo Régimen Supercrítico: Agregar secciones aguas arriba Régimen Mixto: Agregar secciones aguas arriba y abajo HEC - RAS 14 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Permanente Sensibilidades • Cantidad de Secciones • Condición de Borde • Rugosidad HEC - RAS 15 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana 2 – SOFTWARE HEC-RAS Preliminares Desde el Panel de Control --> Configuración regional y de idioma personalizado en Inglés HEC - RAS 16 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Ventana Principal Proyecto Geometría (1 o +) Condición de flujo (1 o +) Plan de cálculo (1 o +): geometría + condición de flujo HEC - RAS 17 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Sistema de Unidades HEC - RAS 18 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Proyecto File New Project Definir título del proyecto y nombre del archivo HEC - RAS 19 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Geometría HEC - RAS 20 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Secciones HEC - RAS 21 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Interpolación de secciones HEC - RAS 22 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Puentes HEC - RAS 23 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Puentes Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Régimen Permanente HEC - RAS 25 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Régimen Impermanente HEC - RAS 26 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Régimen Impermanente HEC - RAS 27 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Régimen Impermanente HEC - RAS 28 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Régimen Impermanente HEC - RAS 29 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Régimen Impermanente HEC - RAS 30 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Plan de Cálculo: Régimen Permanente HEC - RAS 31 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Plan de Cálculo: Régimen Impermanente HEC - RAS 32 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Resultados: Perfil Longitudinal HEC - RAS 33 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Resultados: Sección Transversal HEC - RAS 34 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Resultados: Tablas HEC - RAS 35 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Recomendaciones 1. Hidrogramas: Si se ingresan manualmente existe una limitación de 10000 pasos. Si se ingresan desde el archivo tipo *.dss se incrementa aproximadamente a 90000 pasos 2. Períodos de simulación: Dependen del paso de impresión de resultados, por ejemplo: si se imprimen cada 3 horas y utilizando 24 secciones de análisis, es posible correr periodos de 2 años 3. Flujo mixto: Si se tiene un perfil longitudinal escalonado tener en cuenta el paso de cálculo y la tolerancia en el calculo del nivel HEC - RAS 36 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente Ecuaciones básicas 1. Conservación de la Masa (Continuidad) 2. Conservación del Momentum Ecuaciones diferenciales* *¨Unsteady Flow in Open Channels¨ (Mahmmod & Yevjevich, 1975) HEC - RAS 37 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente 1. Ecuación de continuidad Volumen de control elemental Flujo Entrante Flujo Saliente Variación en Almacenamiento Variación de masa en volumen de control Ec. Continuidad HEC - RAS 38 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de Momentum 2º Ley de Newton A) Fuerzas de Presión Fuerza de Presión Superior Fuerza de Presión Inferior HEC - RAS 39 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de Momentum B) Fuerzas de gravedad C) Fuerzas de fricción (drag) HEC - RAS 40 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de Momentum Flujo Entrante Flujo Saliente Flujo Neto Ec. Momentum HEC - RAS 41 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente Resolución de ecuaciones Interacción flujo en el canal y planicie de inundación Flujo 2D Representación 1D HEC - RAS 42 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente Resolución de ecuaciones Esquema de diferencias finitas implícito HEC - RAS 43 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente 1. Ecuación de continuidad Canal Planicie de inundación HEC - RAS 44 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente 2. Ecuación de momentum Canal Planicie de inundación HEC - RAS 45 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente Linealización de ecuaciones diferenciales HEC - RAS 46 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente Aproximación de los términos de la ecuación de continuidad HEC - RAS 47 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente Aproximación de los términos de la ecuación de momentum HEC - RAS 48 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Cálculo en Régimen Impermanente Resolución de Sistema de Ecuaciones (Skyline Solution) HEC - RAS 49 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 1. Canalización 2. Puente 3. Alcantarilla 4. Estructuras Laterales 5. Defensas HEC - RAS 50 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 1.Canalización Channel Modification (herramienta original HEC-RAS) Channel Design / Modification HEC - RAS 51 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 1. Canalización – Channel Modification (Original) HEC - RAS 52 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 1. Canalización – Channel Modification (Original) Secciones a modificar Corte para las secciones transversales: - Igual - Proyectado (especificar pendiente) Sin Fill Channel Sección de diseño: Máximo de 3 secciones trapeciales Datos: Ancho, Cota, Pendientes laterales, rugosidad Con Fill Channel HEC - RAS 53 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 1. Canalización – Channel Modification (Original) Secciones Transversales Originales 1º Sección Trapecial de Diseño 2º Sección Trapecial de Diseño 3º Sección Trapecial de Diseño continúa Cómputo de movimiento de suelo Área y volumen discriminado según cauce principal y planicie de inundación: - HEC - RAS Desmonte (Cut) Relleno (Fill) Net = Cut - Fill 54 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 1. Canalización – Channel Design / Modification Edición de Secciones HEC - RAS 55 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 1. Canalización – Channel Design / Modification HEC - RAS 56 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 1. Canalización – Channel Design / Modification HEC - RAS 57 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 2. Puentes HEC - RAS 58 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 2. Puentes Criterio USACE Lc = Promedio dist AB - CD Secciones aguas abajo y arriba del puente (a pequeña distancia, no inmediatas) A partir de ER se calcula Le (considerando el promedio de las distancias AB – CD) HEC - RAS 59 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 2. Puentes Rangos del radio de expansión (ER) Rugosidad de planicie de inundación Rugosidad del cauce principal Ancho de apertura del puente Ancho de planicie de inundación Pendiente Longitudinal HEC - RAS 60 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 2. Puentes Áreas de recirculación HEC - RAS 61 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 3. Alcantarillas HEC - RAS 62 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 3. Alcantarillas HEC - RAS 63 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 4. Estructuras Laterales Posición estructura Conexión aguas abajo Tipo de Estructura HEC - RAS 64 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 4. Estructuras Laterales HEC - RAS 65 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 5. Defensas (Levees) Desde Geometric Data / Tables Levees, se debe definir la altura y posición de la defensa HEC - RAS 66 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Estructuras 5. Defensas (Levees) Por ejemplo, se define en la sección 0 una defensa de 3 m de altura del lado izquierdo HEC - RAS 67 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Aplicaciones HEC – RAS / HEC - HMS HEC - RAS 68 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Aplicaciones HEC – RAS / HEC - HMS HEC - RAS 69 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Aplicaciones HEC – RAS / HEC - HMS HEC - RAS 70 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Calidad de Agua HEC - RAS 71 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Calidad de Agua HEC - RAS 72 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Calidad de Agua HEC - RAS 73 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Calidad de Agua 9 8 7 5 4 1 Mes 3 Meses 6 Meses 9 Meses 12 Meses 18 Meses 24 Meses OD (g/m3) 6 3 2 1 0 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Progresiva (km) 5 Progresiva 0 km 4.5 Progresiva 5 km Progresiva 10 km 4 Progresiva 15 km 3.5 DBO (g/m3) 17 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 Año HEC - RAS 74 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Sedimentos HEC - RAS 75 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Sedimentos HEC - RAS 76 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Aplicaciones HEC – RAS / Módulo Sedimentos HEC - RAS 77 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana HEC Geo-RAS HEC - RAS 78 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana HEC Geo-RAS Se debe georeferenciar el MDT. El sistema de coordenadas del MDT debe ser coincidente con el del proyecto. Si están en diferentess sistemas, hay dos alternativas: -Proyectar el MDT Data Management Tools > Projections and Transformations > Project - Cambiar el sistema de coordenadas del proyecto al del MDT HEC - RAS 79 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana HEC Geo-RAS Create RAS Layers Desde la barra de herramientas del Geo-RAS: RAS Geometry > Create RAS Layers > All* *Si no llega a funcionar, primero crear un layer cualquiera, por ejemplo: Stream Centerline y después crear todos con All Las capas indispensables son: • Stream Centerline (traza del río) • XS Cut Lines (secciones) Son muy útiles: • Bank Lines (división entre el canal y la planicie de inundación) • Flow Path Centerlines (distancia entre secciones) HEC - RAS 80 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana HEC Geo-RAS Layer Setup Desde la barra de herramientas del Geo-RAS: RAS Geometry > Layer Setup •Required Surface (Utilizar un MDT o varios, previamente cargarlo) Formato: Tin* o Grid *Se recomienda crear curvas de nivel a partir del TIN, para visualizar más rápidamente el MDT Barra 3DAnalyst > Surface Analysis > Contour •Required Layers •Optional Layers •Optional Tables HEC - RAS 81 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana HEC Geo-RAS Stream Centerline -Si no se tiene un shape con la traza del río: Digitalizar la traza desde aguas arriba hacia aguas abajo* Editor > Start Editing …. Seleccionar la base de datos .mdb y utilizar Sketch Tool. En Target seleccionar Stream Centerline. *En caso de hacerlo desde aguas abajo hacia aguas arriba, utilizar la herramienta flip, …… -Si se tiene un shape con la traza del río: Editar Stream Centerline. Copiar el shape que tiene la traza y pegar. Antes de cerrar la edición verificar que la orientación del shape sea desde aguas arriba hacia aguas abajo. Para ello, utilizar Sketch Properties para ver el orden de los puntos del Stream Centerline, en caso de no estar bien orientado utilizar el flip. Edit Tool Sketch Tool Sketch Properties HEC - RAS 82 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana HEC Geo-RAS Stream Centerline Desde la barra de herramientas del Geo-RAS: RAS Geometry > Stream Centerline Attributes HEC - RAS 83 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana HEC Geo-RAS Unión Debe coincidir exactamente Editor > Snapping DigitalizarTributarios AgArr>AgAb Darle Stream Centerline Atributes All HEC - RAS 84 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Práctica – Cauce y Planicie de Inundación Realizar una corrida y extraer resultados Output Tables HEC - RAS 85 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Práctica – Cauce y Planicie de Inundación Obtener la progresiva lateral (Channel Station) del talweg del río / canal y copiar la columna Min Ch El Sta Posicionarse en columna libre HEC - RAS 86 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Práctica – Cauce y Planicie de Inundación Pegar la columna Min Ch El Sta en las 2 columnas de la ventana Bank Stations Table Se define la distancia desde el talweg hasta donde está la separación entre el canal y la planicie de inundación Para el Left Bank Sta Add Constant – Para el Left Bank Sta Add Constant + HEC - RAS 87 Hidráulica Fluvial Carrera de Especialización en Hidráulica Urbana Práctica – Cauce y Planicie de Inundación Se define el n de Manning para el canal y la planicie de inundación posicionándose en la columna y aplicando Set Values HEC - RAS 88
