Cargas hidráulicas debido al movimiento de la puerta

11.3 Cargas hidráulicas debido al movimiento de la puerta

11.3.1 Introducción

Esta sección aborda exclusivamente puertas de punto y puertas pivotantes simples durante su movimiento. Las fuerzas ejercidas por el agua durante el movimiento de la puerta determinan el diseño del mecanismo de movimiento de la puerta. Estas fuerzas se convierten constantemente en momentos alrededor del eje de rotación de la puerta y se expresan en términos de aceleración y velocidad.

[pic 1]

Foto 11.2 Flujo debido al movimiento de la puerta y al remanente de pendiente durante la apertura de puertas de punto (Esclusas Volkerak)

Factores importantes incluyen la velocidad angular impuesta y la aceleración angular de la puerta, la influencia del eje de la puerta y, para algunas puertas pivotantes, la influencia de la abertura de la puerta.

Las condiciones límite también afectan los momentos en la puerta: ¿el agua fluye antes de cerrarse o está quieta, hay un desnivel inicial o un remanente de desnivel sobre la puerta durante la apertura o no?

El tipo de puerta también es significativo (fig. 11.5). Con el mismo ancho de esclusa, la longitud de una puerta pivotante simple es casi el doble que la de una puerta de punto, lo que significa que la puerta pivotante simple mueve mucha más agua y genera momentos más grandes en la puerta.

[pic 2]

Figura 11.5 Puerta pivotante simple y puertas de punto

En posición abierta, la puerta pivotante simple o la puerta de punto se encuentra en un hueco de la pared de la esclusa, conocido como la caseta de la puerta, donde se ubica el eje de rotación vertical de la puerta. El extremo oscilante de la puerta se llama punta de la puerta. Las puertas de punto se cierran bajo un ángulo, por ejemplo, 71° (= 3:1) con respecto al eje de la esclusa. Una puerta pivotante simple se cierra bajo un ángulo de 90° con respecto al eje de la esclusa. En posición cerrada, la punta de la puerta pivotante simple se encuentra en la abertura opuesta a la caseta de la puerta, conocida como la cavidad de la puerta.

En esta sección, se abordan sucesivamente los momentos en la puerta debido al movimiento acelerado de la puerta (par. 11.3.2), al movimiento uniforme de la puerta en agua estacionaria (par. 11.3.3) y al movimiento uniforme de la puerta en agua en movimiento (par. 11.3.4). En el par. 11.3.5 se describen los efectos del movimiento de la puerta en los barcos atracados en la taza de la esclusa. El par. 11.3.6 proporciona un resumen de los puntos clave más importantes.

11.3.2 Momentos debido al movimiento acelerado de la puerta

11.3.2.1 Definición de momento de inercia de masa añadida

Cuando un objeto se acelera en agua, experimenta una fuerza en la dirección del movimiento proporcional a la aceleración y a la velocidad del objeto. En esta sección, solo se trata la parte de la fuerza debida al agua que es proporcional a la aceleración del objeto. En la siguiente sección (11.3.3.), se trata la parte de la fuerza proporcional a la velocidad.

Cuando una puerta de punto o pivotante se mueve, se genera un momento alrededor de su eje de rotación debido al agua. Durante un movimiento acelerado de la puerta alrededor de su eje de rotación, la puerta experimenta un momento proporcional a la aceleración angular de la puerta. Para la (aceleración angular) se tiene como momento debido al agua en la puerta:

        (11.7)[pic 3]

Donde:

:        momento alrededor del eje de rotación debido a la aceleración angular [Nm][pic 4]

:        aceleración angular [rad/s2][pic 5]

:        momento de inercia de masa añadida alrededor del eje de rotación [kgm2][pic 6]

El momento de inercia de masa añadida se calcula durante la excitación armónica de la puerta y depende de la frecuencia del movimiento impuesto y de la geometría de la puerta en su entorno. Este momento de inercia de masa añadida suele ser muchas veces mayor que el momento de inercia de masa propio de la puerta. Utilizando un modelo de corriente potencial bidimensional (por ejemplo, LOCKGATE1, Lit. [11.4] y [11.11]), se pueden calcular estos momentos de inercia de masa añadida. Se señala que, durante la aceleración y desaceleración de la puerta, es decir, durante la apertura y cierre de la puerta, la influencia del momento debido a la velocidad angular de la puerta aún es pequeña.

11.3.2.2 Momento de inercia de masa añadida en diferentes situaciones de flujo

Se distinguen tres situaciones de flujo alrededor de la puerta (fig. 11.6), a saber:

a) La puerta está (casi) cerrada: El flujo ocurre principalmente en un plano vertical perpendicular a la puerta. Prácticamente no hay flujo de escape a lo largo del contorno de la puerta.

b) La puerta está parcialmente abierta: El flujo ocurre principalmente en el plano horizontal con un flujo alrededor de la punta de la puerta.

c) La puerta está (casi) abierta, cerca de la caseta de la puerta: Cuando hay mucho espacio debajo de la puerta, el flujo ocurre principalmente en el plano vertical perpendicular a la puerta. Cuando hay mucho espacio alrededor de la punta de la puerta, el flujo ocurre principalmente en el plano horizontal.

[pic 7]

Figura 11.6 Situaciones de flujo en una puerta pivotante simple

El momento de inercia de masa añadida se expresa mediante una fórmula para el flujo en un plano vertical perpendicular la puerta (11.80) o en un plano horizontal (11.9):

         (11.8)[pic 8]

         (11.9)[pic 9]

Donde:

:                momento de inercia de masa añadida [kgm2][pic 10]

:                coeficiente de momento de inercia de masa añadida en plano vertical [-][pic 11]

:                coeficiente de momento de inercia de masa añadida en plano horizontal [-][pic 12]

:        profundidad del agua [m] (waterdiepte)[pic 13]

:                 nivel del espejo de agua [msnm][pic 14]

:                nivel del fondo [msnm][pic 15]

:                longitud de la puerta [m] (deurlegnte)[pic 16]

Utilizando el programa de cálculo LOCKGATE1 (Lit. [11.11]), se han derivado los siguientes datos (fi.11.7.).[pic 17]

Figura 11.7 Aberturas alrededor de la puerta

Para la puerta (casi) cerrada, se utiliza la fórmula (11.8). El coeficiente  es 1.09 sin aberturas alrededor de la puerta y es 0.76 para una abertura vertical  debajo de la puerta, que es 0.1 veces la profundidad del agua.[pic 18][pic 19]

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