estructuras de captacion, medicion, distribucion y proteccion
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DEFINICIÓN:Una estructura destinada a captar o extraer una
determinada cantidad de agua corriente se puede
definir como una “obra de captación”.
OBRA DE CAPTACIÓN:
Son obras civiles y equipos electromecánicos que se
utilizan para reunir y disponer adecuadamente del
agua superficial o subterránea. Dichas obras varían
de acuerdo con la naturaleza de la fuente de
abastecimiento su localización y magnitud. El
diseño de la obra de captación debe ser tal que
prevea las posibilidades de contaminación del agua.
OBRAS
DE
CAPTACIO
N
Corrientes de
Montaña y
Valles
Aluviales
Corrientes
Superficiales
CA
RA
CT
ER
IST
ICA
SCorriente
superficial SIN
REGULACIÓN
Corriente
superficial CON
REGULACIÓN
Qc > QMD
(Acueductos
rurales)
Qd = Q requerido
(Dique, Presa
de embalse)
CLASIFICACIÓN:
a.Captaciones laterales.
b.Captaciones de fondo o sumergidas.
c. Captación por lecho filtrante.
d.Estaciones de bombeo.
e.Captación por torre-toma en corrientes con regulación.
f. Captación por sifón en corrientes con regulación.
g.Captación en fuentes subterráneas:
h.Otras captaciones: Aguas lluvias
Desalinización, etc.
Pozos someros
Galerías filtrantes.
Manantiales.
La selección del tipo de captación depende de diversos factores,
desde el punto de vista de la ingeniería civil, pueden plantearse
para diversos usos, su diseño dependerá de las condiciones
específicas del sitio y de la naturaleza del aprovechamiento
requerido. Se pueden distinguir captaciones de agua destinadas
a la electrificación rural (pequeñas centrales hidroeléctricas),
captaciones destinadas al abasto de agua potable (acueductos
rurales), y captaciones de agua con fines de uso agrícola
(riegos).
TOMA LATERAL:La toma lateral es una obra de captación superficial de desplazamiento
continuo, se emplea más cuando se trata de captar el agua de un río.
La forma más simple de concebir una captación lateral es como una
bifurcación.
Se le llama Toma Lateral porque consiste en un dique de represamiento
construido transversalmente al cauce del río, donde el área de captación se
ubica sobre la cresta del vertedero central y está protegida mediante rejas
que permiten el paso del agua.
Muchos autores lo denominan a la toma lateral como Dique –Toma.
La toma lateral, es la captación de
un sistema de estructuras que
acompañan a la toma, como se
muestra en la Figura adjunta.
El diseño del vertedero lateral
consiste en calcular la longitud
del vertedero para un caudal de
diseño que se pretende tomar de un canal o un río
ELEMENTOS: Elementos de encauzamiento y cierre. Su objeto es elevar el nivel del agua para
permitir su ingreso a la toma y al canal de derivación e impedir el desborde del río.
Elementos de descarga de avenidas. Permiten el paso de las crecidas. Son
órganos de seguridad.
Elementos de control de sedimentos. Tienen por objeto el manejo de los sólidos.
Elementos de control del ingreso de agua. Permiten regular la cantidad de agua
que ingresa a la derivación.
Elementos de control de la erosión. Permiten disminuir la erosión y la abrasión
Elementos estructurales. Son los que dan estabilidad a la obra.
COMPONENTES DE DISEÑO: Boca de toma: cuya sección efectiva se determina en función del caudal medio
diario, el diseño de la reja de protección y a los niveles de fluctuación del curso de
agua. El dimensionamiento de la boca de toma se realizará de la misma forma que
la señalada para canales de derivación.
Canales/tuberías de conducción: debe ser calculada en función al caudal
máximo diario.
Obras de encause y protección: dependiendo de las características morfológicas
del lugar de toma, deberán construirse ataguías y muros de protección y/o
encause. Estos aspectos deben ser determinados por el responsable del proyecto
con conocimiento pleno del sector de captación.
TIPO DE TOMA LATERALES:Considerando el funcionamiento hidráulico y la
ubicación del dispositivo de captación existen dos tipos
de Dique – Toma:
• Toma con tanque de captación por debajo del vertedero
de rebose.
• Toma con tanque de captación por medio de vertedero
lateral
1. Toma con tanque de captación por debajo del vertedero de rebose:
Un dispositivo de este tipo tiene la ventaja de que no se ve
afectado por la cantidad de sedimentos depositados por el rio.
El dispositivo en cuestión consiste en un tanque, de caja central
o canal, ubicado en el mismo cuerpo del dique-toma, por debajo
del vertedero de rebose del mismo, ocupando todo el ancho de
dicho vertedero
REJA DE DIQUE-TOMAVERTEDERO DE
REBOSE
VERTEDERO DECRECIDA AL
DESARENADOR (PENDIENTE
>2%)
CAMARA DE CAPTACIÓN
2. Toma con tanque de captación por medio del vertedero de rebose:
Es la obra civil que se construye en uno de los flancos del curso de agua, de forma tal, que el agua ingresa directamente a una caja de captación para su posterior conducción a través de tuberías o canal.La obra de toma se ubica en el tramo del río con mayor estabilidad geológica, debiendo prever además muros de protección para evitar el desgaste del terreno natural.Este tipo de obra debe ser empleada en ríos de caudal limitado y que no produzcan socavación profunda.
La captación a través de vertedero lateral es recomendada
cuando el dispositivo de captación en un curso superficial está
expuesto a impactos de consideración debido a cantos
rodados, troncos de árboles, etc., arrastrados por las
crecidas.
También es recomendado en el caso de algunos ríos o
arroyos que traen mucha arena durante las crecidas
violentas, y el material depositado puede cubrir el dispositivo
de captación en corto tiempo.
TOMA TUBULARES:Se le llaman Toma Laterales Tubulares a
las obras de tomas para canales (o
reguladores de cabeceras, ver figura), son
dispositivos hidráulicos construidos en la
cabecera de un canal de riego.
La finalidad de esos dispositivos es derivar y regular el agua procedente del canal
principal a los laterales o de estos a los sub laterales y de estos últimos a los
ramales. Estas obras pueden servir también para medir la cantidad de agua que circula por ellas.
Para obtener una medición exacta del
caudal a derivar, éstas tomas se
diseñan dobles, es decir, se utilizan dos
baterías de compuerta; la primera
denominada compuerta de orificio y la
segunda compuerta de toma y entre
ellas un espacio que actúa como
cámara de regulación (ver figura – Toma con doble compuerta).
Para canales pequeños y considerando el aspecto económico, se utiliza tomas con
una compuerta con la cual la medición del caudal no será muy exacta pero sí bastante aproximada
TOMA MODULARES:
Sistemas modulares o tinacos que son tanques de almacenamiento, en
donde se conserva el agua de lluvia captada, se pueden situar por encima o
por debajo de la tierra. Deben ser de material resistente, impermeable para
evitar la pérdida de agua por goteo o transpiración y estar cubiertos para
impedir el ingreso de polvo, insectos, luz solar y posible contaminantes.
Además, la entrada y la descarga deben de contar con mallas para evitar el
ingreso de insectos y animales; deben estar dotados de dispositivos para el
retiro de agua. Deben ser de un material inerte, el hormigón armado, de
fibra de vidrio, polietileno y acero inoxidable son los más recomendados
TOMA SUMERGIBLES:
En ocasiones la permeabilidad del terreno es insuficiente para
aflorar el caudal necesario y en estos casos suele recurrirse a
realizar perforaciones en el fondo de la cántara hasta alcanzar
alguna capa de terreno más permeable que incremente el
caudal de la captación. Esta situación es más frecuente en las
instalaciones de agua de mar, a medida que la toma se aleja
de la línea de costa.
TOMA GRANJAS:Sirven para abastecer directamente el agua a los predios agrícolas.
Constan de las mismas partes de las tomas laterales, solo que las
dimensiones son menores; sus mecanismos de operación casi
siempre son compuertas tipo Miller (Ver figura)
Compuerta tipo Miller
Es recomendable que la tomas Granja se localicen en un canal
secundario y no en el canal principal ya que así se mejora la
operación de canales y se reducen los costos de construcción.
La Toma los Granja alimenta a las regaderas y se diseñaran para
gastos de 50 lps a 100 lps. Este tipo de estructura se utiliza también
para alimentar canales con capacidad hasta de 200 lps.
EJEMPLO DE APLICACIÓN
Ejemplo de diseño hidráulico de una toma de canal
Se tiene un canal de sección rectangular revestido n=0.014 que
tiene un ancho b=1m y una pendiente S = 0.001 el caudal de
diseño es Qd=1.5m3/s .
El caudal máximo es de Qmax=1.7 m3/s, el canal puede admitir
aguas abajo del vertedero hasta Q=1.58 m3/s . Calcular la
longitud del vertedero para eliminar el exceso de agua.
𝐐 =𝟏
𝐧∙ 𝐀 ∙ 𝐑𝐇
𝟐/𝟑 ∙ 𝐒𝟏/𝟐
Donde:
Q = Caudal (m3/s)
n = Rugosidad
A = Area (m2)
RH = Radio hidráulico = Area de la sección húmeda / Perímetro húmedo
1. Calculo de los tirantes con la ecuación de Mannig
𝐐𝒎𝒂𝒙 = 𝟏, 𝟕𝒎𝟑
𝒔⇒ 𝒀𝒎𝒂𝒙 = 𝟏. 𝟒𝟔𝒎
𝐐𝒅 = 𝟏, 𝟓𝒎𝟑
𝒔⇒ 𝒀𝒅 = 𝟏. 𝟑𝟏𝒎
𝐐𝟐 = 𝟏, 𝟓𝟖𝒎𝟑
𝒔⇒ 𝒀𝟐 = 𝟏. 𝟑𝟕𝒎
=1,46 m
=1,7 m3/s
Q d =1,5 m3/s
=1,31 m
=1,58 m3/s
=1,37 m
=0.048 m. =0.06 m.
2.- Calculo de las alturas de carga en cada punto
ℎ2 = 𝑌2 + 𝑌𝑛 = 1.37 − 1.31 𝑚 = 0.06 𝑚
Según Forchheiner
ℎ1 = 0,8 ∗ ℎ2 = 0.8 ∗ 0.06 = 0.048 𝑚
Para utilizar la formula propuesta por Forchheiner de manera que se tenga una
buena aproximación, se debe verificar las siguiente condiciones.
1ra verificación
𝑉1
𝑔 ∗ 𝑌1≤ 0,75
1.16 𝑚/𝑠
9.81 ∗ 1.358𝑚≤ 0,75
0.32 ≤ 0,75
Cumple!!!
2da verificación
ℎ2 − ℎ1 ≤ 𝑌2 − 𝑌𝑛
0.06 − 0.048 ≤ 1.37 − 131
0.012 ≤ 0.06
Cumple!!!
4. Calculo de la longitud del vertedero
h
La carga promedio sobre el vertedero h
ℎ =ℎ1 + ℎ2
2=0,048 + 0.06
2= 0.054 𝑚
Caudal que se requiere evacuar por el vertedero
𝑸𝒗 = 𝑸𝒎𝒂𝒙 −𝑸𝟐 = 𝟏. 𝟕 − 𝟏. 𝟓𝟖 = 𝟎. 𝟏𝟐𝒎𝟑
𝒔
𝐿 =𝑄𝑉 ∗ 3
2 ∗ 0.95 ∗ 𝜇 ∗ 2 ∗ 𝑔 ∗ ℎ32
𝐿 =0.12 ∗ 3
2 ∗ 0.95 ∗ 0.79 ∗ 2 ∗ 9.81 ∗ 0.05432
𝐿 = 7.19 𝑚.≅ 7,20𝑚
Entonces:
EJEMPLO DE APLICACIÓNEjemplo de diseño hidráulico de una toma de canal
De un canal trapezoidal con las siguientes características:
Q = 1 m3/s, b = 0.80 m, S = 0.001, Z = 1, n = 0.025, y = 0.841 m, v = 0.725 m/s
Se desea derivar a un canal lateral un caudal de 200 l/s, las características deeste canal lateral son:
b = 0.30 m, S = 0.001, Z = 1, n = 0.025, y= 0.509 m, v = 0.4844 m/s
Diseñar una obra de toma, que cumpla con este objetivo, sabiendo que la cota
de fondo del canal principal en el sitio de toma es de 100 m.s.n.m. y que la
longitud de tubería es de 5 m.
Solución:1. Aceptar la recomendación para la velocidad del conducto v =1.07 m/s para
iniciar cálculos.
2. Calcular el área
𝐴 =𝑄
𝑣=
0.20
1.07= 0.187 𝑚2
3. Calcular el diámetro de la tubería
𝐴 = 𝜋𝐷2
4→ 𝐷 =
4𝐴
𝜋=
4 × 0.187
𝜋= 0.488 𝑚
4. Redondear el diámetro a uno superior inmediato que se encuentre
disponible en el mercado
𝐷 = 0.50 𝑚 𝐷𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑡𝑢𝑏𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑃𝑉𝐶 = 0.475 𝑚
Sigue:
5. Recalcular el área
𝐴 = 𝜋𝐷2
4= 𝜋
0.4752
4= 0.177 𝑚2
6. Recalcular la velocidad v = Q/A
𝐴 = 𝜋𝐷2
4= 𝜋
0.4752
4= 0.177 𝑚2
7. Calcular la carga de la velocidad en la tubería
ℎ𝑣 =𝑣2
2𝑔=
1.132
2 × 9.81= 0.065 𝑚
8. Calcular la carga total Ah
∆ℎ = 1.5 + 0.028𝐿
𝐷1.333ℎ𝑣 = 1.5 + 0.028 ×
5
0.4751.333× 0.065 = 0.122 𝑚
Sigue:
9. Calcular la sumergencia a la entrada (Sme)
𝑆𝑚𝑒 = 1.78ℎ𝑣 + 0.0762𝑚 = 1.78 × 0.065 + 0.0762 𝑚 = 0.192 𝑚
10. Calcular la sumergencia de la salida (Sms)
Sms = 0.0762 m (3")
11. Calcular el ancho de la caja de entrada a la toma
𝐵 = 𝐷 + 0.305 𝑚 𝐷 + 1′ = 0.475 + 0.305 𝑚 = 0.78 𝑚
12. Calcular la carga en la caja
𝑄 = 1.84𝐵ℎ32 → ℎ =
𝑄
1.84𝐵
23
=0.20
1.84 × 0.78
23
= 0.269 𝑚3/𝑠
Donde B, es la longitud de cresta
Sigue:
13. Calcular cotas:
SLAC = cota fondo del canal + y1 = 100 + 0.841 = 100.841 mCota A = cota fondo del canal + 4 pulg. = 100 + 0.102 = 100.332Cota B = SLAC - Sme – D = 100.841 – 0.192 – 0.475 =100.174Cota B' = cota B + D = 100.174 + 0.475 = 100.649Cota C = cota B - 4 pulg. = 100.174 – 0.102 = 100.072SLAL = SLAC - ∆h = 100.841 – 0.122 = 100.719Cota D = SLAL - Sms – D = 100.719 – 0.0762 – 0.475 = 100.169Cota E = SLAL - y2 = 100.841 – 0.509 = 100.332
Sigue:
14. Calcular la longitud de salida
Lmín = 1.525 m (5')De acuerdo a HindsDónde: 𝑇 = 𝑏 + 2𝑍𝑦 = 0.30 + 2 × 1 × 0.509 = 1.318
D = 0.475
𝐿 =𝑇 − 𝐷
2 × 𝑇𝑎𝑛(22.5°)=1.318 − 0.475
2 × tan(22.5°)= 1.018 𝑚
DISEÑO HIDRAULICO:
Sección de
entrada
QeVerteder
o de cresta aguda
Q1
Q2
Lamina
metálica
PLANTA TIPICA DE PARTIDOR DE
CAUDALES
𝐿𝑛 = 𝑃𝑛𝐿
𝐿𝑛 = longitud repartida de cresta del vertedero
𝑃𝑛 = Porcentaje de reparto
L = longitud de la cresta del vertedero
PERFIL TIPICO
EMPEDRADO
FLUJO SUBCRITICO
FLUJO CRITICO
ORIFICIO DE AIREACION
RESALTO FLUJO
SUBCRITICOEMPEDRAD
O
CORTE TIPICO
Un canal de sección rectangular presenta las siguientescaracterísticas:Caudal de diseño: Q = 0.25 m3/sPendiente de fondo: S = 0.1%Plantilla: b = 1.0 mRugosidad del canal: n = 0.016 (Manning)Longitud de la cresta: L = 1.0 mSe desea repartir el caudal en dos partes: 100 lps y 150 lpsrespectivamente. Determinar las dimensiones del partidor sise ha decidido utilizar el sistema de partición mediante unaforador tipo rectangular. El aforador consiste básicamenteen un vertedero de cresta aguda y la división de caudales seproyecta con el uso de una lámina metálica.
𝐿𝑛 = 𝑃𝑛𝐿
𝑄1 = 100 lps
250 lps − 100%100 lps − X
X = 40%
𝑄2 = 150 lps
250 lps − 100%150 lps − X
X = 60%
𝐿1 = 0.40 1 𝑚 = 0.40 m
𝐿2 = 0.60 1 𝑚 = 0.60 m
SECCION TRANSVERSAL PRELIMINAR DEL PARTIDOR
AR2/3 =Qn
S=0.25 × 0.016
0.001= 0.126
AR2/3 = bY𝑏𝑌
𝑏 + 2𝑌
2/3
= 0.126
“La ecuación anterior se resuelvemediante un proceso iterativo en la queresulta: Y = 0.36 m.”
Según el S.C.S., debe cumplir como mínimo que:
W ≥ 2H
Perfil vertedero de cresta aguda
Si, W = 2H, entonces se tiene la siguiente relación:
𝐻/𝑊 = 0.5
Calculamos el coeficiente de descarga Cd (H. Rouse):𝐶𝑑 = 0.611 + 0.08 𝐻/𝑊
𝐶𝑑 = 0.611 + 0.08 0.5 = 0.651
Ecuación general de Rehbockpara calculo de Caudal envertedero rectangular decresta aguda
𝑄 = 2/3 𝐶𝑑 × 𝐿 × 2𝑔 × 𝐻3/2
𝐻 = 3𝑄/ 2 × 𝐶𝑑 × 𝐿 × 2𝑔2/3
𝐻 = 3 × 0.25 / 2 × 0.651 × 1 × 19.60.52/3
Luego hallamos W:
𝑊 = 𝐻/0.5 = 0.2568/0.5 = 0.5136 𝑚
𝐻 = 0.2568 𝑚
chequeadas mediante la ecuación de Francis
𝑄 = 1.84 × 𝐿 × 𝐻3/2
𝐻 = 𝑄/ 1.84 × 𝐿2/3
𝐻 = 0.25/ 1.84 × 12/3
𝐻 = 0.2625 𝑚
𝐻1 = 0.2568 𝑚 ≈ 𝐻2 = 0.2625 𝑚
∴ 𝐻 = 0.26 𝑚
Caudal unitario, a través del fondo de una compuerta
𝑞 = 𝐶𝑑 × 𝑏 × 2𝑔 × 𝐻 0.5
Dónde:Q = caudal unitario de salida, en m3/seg-mCd = coeficiente de descarga, es función de (h/b) y (Y3/b)h = altura del agua dentro de la caja, en metrosb = abertura de la compuerta, en metros
Coeficiente de descarga en unacompuerta vertical de fondo condescarga libre y sumergida por H. R.Henry.
COTA BASE CAJA = COTA LLEGADA CANAL
UBICACIÓN: ESQUINAS LOTES, CADA 300 m O SEGÚN REQUERIMIENTO
1.0 m
0.15 – 0.16 m
COCRETO
0.40 – 0.60 m
0.62 m
En una red de canales de riego se tiene una caja dedistribución que recibe un caudal de 0.20 m3/s, lasdimensiones preliminares que se han adoptado son lassiguientes:Número de salidas de la caja: N = 2Ancho de la caja: a = 1 metroLongitud de la caja: l = 1 metroProfundidad total de la caja: p = 0.6 metrosLongitud efectiva compuerta: b’ = 0.6 metrosEl nivel hidrométrico dentro de la caja de distribución, unavez estabilizado el flujo, es de h = 0.40 metros y la aberturade salida de una de las compuertas se fija en b = 0.05metros; calcular el caudal o descarga de fondo si el nivel delagua en la salida del canal alcanza un valor de Y3 = 0.20
Los datos de operación son los siguientes:h = 0.40 mb = 0.05 mY3 = 0.20 mLas relaciones que se establecen son las siguientes:h/b = 0.40 m / 0.05 m = 8Y3/b = 0.25 m / 0.05 m = 5
Diagrama de H. R. Henry.
∴ 𝐶𝑑 = 0.42
𝑞 = 𝐶𝑑 × 𝑏 × 2𝑔 × ℎ 0.5
𝑞 = 0.42 0.05 19.6 × 0.40 0.5
𝑞 = 0.0588 𝑚3/𝑠 −𝑚.
𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎:
𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑙𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑟𝑡𝑎:
𝑄 = 𝑞 × 𝑏′ = 0.0588 𝑚3/𝑠 − 𝑚 0.60 𝑚
𝑄 = 0.03528 𝑚3/𝑠
El caudal restante deberá fluir por la otra compuerta
Caudal de salida = caudal total – caudal parcial
Caudal de salida = 0.2 – 0.03528 = 0.1647 m3/s
𝑞 = 𝑄/𝑏′ = 0.1647/0.60 = 0.2745 𝑚3/𝑠 −𝑚
𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑚𝑜𝑠 𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜:
A partir de la ecuación de descarga de fondo hallamos Cd:
0.2745 = 𝐶𝑑 𝑏 2 × 9.8 × 0.40 0.5
𝐶𝑑 𝑏 = 0.0980
Para que sea factible la descarga bajo la compuerta, el coeficiente de descarga necesariamente debe presentar un valor 𝐶𝑑 ≤ 0.61
𝑏 ≤ 0.0980/𝐶𝑑
𝑏 ≤ 0.0980/0.61
𝑏 ≤ 0.16
Hallamos la velocidad de salida en la abertura de la compuerta:
𝐹2 =𝑉2
𝑔 × 𝑌2=
1.71
9.8 × 0.16= 1.35
𝑉2 =𝑄
𝐴2=
0.1647
0.60 × 0.16= 1.71 𝑚/𝑠
Determinamos el número de Froude:
Aplicamos la ecuación del resalto hidráulico para determinar laprofundidad que podrá alcanzar el agua en la salida del canal
𝑌3/𝑌2 =1/2
1 + 8𝐹2 × 𝐹2 − 1
𝑌3/0.16 =1/2
1 + 8 1.35 1.35 − 1
𝑌3 ≤ 0.2387 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠
OBJETIVOSALGUNOS OBJETIVOS DESARROLADOS SON:
Lograr que el nivel de agua en una obra de toma alcance el valor
requerido para el funcionamiento de la misma
Mantener un nivel casi constante aguas arriba de una obra de toma
En una obra de toma, el vertedero de excedencias se constituye en el
órgano de seguridad de mayor importancia, evacuando las aguas en
exceso generadas durante los eventos de máximas crecidas
Permitir el control del flujo en estructuras de caída, disipadores de
energía, transiciones, estructuras de entrada y salida en alcantarillas
de carreteras, sistemas de alcantarillado, etc.
Como instrumento para medir el caudal, ya sea en forma permanente,
en cuyo caso se asocia con una medición y registro de nivel
permanente, o en una instalación provisional, para aforar fuentes, o
manantiales..
OBJETIVOS• Como estructura destinada al mantenimiento de un nivel poco
variable aguas arriba, ya sea en un río, donde se quiere mejorar ogarantizar la navegación independientemente del caudal de este; oen un canal de riego donde se quiera garantizar un nivel pocovariable aguas arriba, donde se ubica una toma para un canalderivado. En este caso se trata de vertederos de longitud mayorque el ancho del río o canal. La longitud del vertedero se calculaen función de la variación de nivel que se quiere permitir.
• Como dispositivo para permitir la salida de la lámina superficialdel agua en decantadores en plantas potabilizadoras de agua.
• Como estructura destinada a aumentar la aireación (oxigenación)en cauces naturales favoreciendo de esta forma la capacidad deautodepuración de sus aguas. En este caso se trata siempre devertederos de paredes gruesas, más asimilables asaltos de fondo
CRITERIOS DE DISEÑOi. El caudal de diseño de un vertedero se puede establecer comoaquel caudal que circula en el canal por encima de su tirantenormal, hasta el nivel máximo de su caja hidráulica o hasta elnivel que ocupa en el canal, el caudal considerado como demáxima avenida.
ii. El vertedero lateral no permite eliminar todo el excedente decaudal, siempre quedará un excedente que correspondeteóricamente a unos 10 cm encima del tirante normal.
iii. La altura del vertedor o diferencia entre la cresta de éste y elfondo del canal, corresponde al valor 𝑌𝑛.
iv. Para dimensionar el vertedero existen gran variedad defórmulas, a continuación se describe la fórmula de Forchheiner.
𝑸 = 𝑽𝟐
𝟑𝝁 𝟐𝒈 𝑳𝒏
𝟑𝟐
Donde: V = 0.95 μ = coeficiente de contracción L = longitud del vertedero h =carga promedio encima de la cresta)
)
CRITERIOS DE DISEÑO
v. Para mejorar la eficiencia de la cresta del vertedero se suele utilizar diferentes valores, según la forma que adopte la cresta.
vi. El tipo a y b, se usan cuando el caudal que se está eliminando por la ventana o escotadura del canal, cruza un camino, frecuentemente se utilizan cuando se proyectan badenes, cuando esto no es necesario y el caudal del vertedero se puede eliminar al pie del mismo, se utilizan los tipos c ó d.
vii. Los aliviaderos laterales pueden descargar a través de un vertedero con colchón al pie (desniveles pequeños) mediante una alcantarilla con una pantalla disipadora de energía al final (desniveles grandes). )
CLASIFICACION DE LOS VERTEDEROS
1. SEGÚN SU FORMA
• VERT. RECTANGULAR
• VERT. TRIANGULAR
• VERT. CIRCULAR
• VERT. TRAPEZOIDAL
2. SEGÚN SU ESPESOR
• VERTEDERO DE PARED DELGADA
• VERTEDERO DE PARED GRUESA
• VERTEDERO SIN CONTRADICCIONES LATERALES
• VERTEDERO CON CONTRADICCIONES
3. SEGÚN LONGITUD DE CRESTA
4. SEGÚN RELATIVA DE UMBRAL
• VERTEDERO LIBRE
• VERTEDERO SUMERGIDO
CLASIFICACIÓN(POR EL GROSOR DE SUS PAREDES)
Se distingue dos grandes tipos: vertederos en pared delgada y vertederos en pared gruesa.
La diferencia está en el tipo de contacto entre la napavertiente y el paramento.
En los vertederos en pared delgada el contacto entre elagua y la cresta es sólo una línea, es decir, una arista.Para que se considere en pared delgada el espesor debeser menor que 2 H/3
CLASIFICACIÓNVERTEDEROS RECTANGULARES.- Uno de los más sencillospara construir y por este motivo es uno de los másutilizados.
FORMULAS:a) De Azevedo y AcostaQ = 1.84 (L – (0.1 n H)) H3/2
Dónde: Q = Caudal que fluye por el vertedero, en m3/sL = Ancho de la cresta, en mH = Carga del vertedero, en mn = Número de contracciones (0, 1, o 2)
b) De Francis
--------------------------- 𝑄 = 1.84𝐿𝐻 (sincontracciones)
CLASIFICACIÓNVERTEDEROS TRIANGULAES.- Los vertederos triangularespermiten obtener medidas más precisas de las alturas decarga (H) correspondientes a caudales reducidos. Por logeneral son construidos de placas metálicas.FORMULAS:a) De Thompson (m3/s)
Q = 1.4 H5/2 ----------------- Q = 0.014 H5/2
b) M. A. Barnes (m3/s)
Q=1.37H2.48
CLASIFICACIÓNVERTEDEROS TRAPEZOIDALES (CIPOLLETTI).-vertedero quecompensara el decrecimiento del caudal debido a lascontracciones laterales por medio de las partestriangulares del vertedero, con la ventaja de evitar lacorrección en los cálculos.construcción más dificultosa que los dos anteriores, razónpor la cual es menos utilizado.
FORMULAS:a) Francis (m3/s)
𝑄 = 1.859 𝐿𝐻3
2----------------------- 𝑄 = 0.01859 𝐿𝐻3
2 (l/s)
CONDICIONES PARA INSTALACIÓN Y OPERACIÓN
Los vertederos instalados para medir caudales deben reunir una serie decondiciones indispensables para garantizar su confiabilidad. Entre ellasestán las siguientes:
- El primer y el más importante punto para una buena y confiablemedición de caudales con un vertedero es la apropiada selección del tipode vertedero. Así por ejemplo, un vertedero triangular es muy indicadopara medir caudales pequeños. En cambio, para medir caudalesrelativamente altos, un vertedero rectangular sin contracciones podría serel más indicado.
- Luego viene la correcta selección de la fórmula. Para cada tipo devertedero existen numerosas fórmulas de origen experimental. Cada unade ellas tiene un rango de aplicación.
VERTEDEROS DE PARED GRUESA
También llamada vertedero de cresta ancha. Un vertedero esconsiderado de pared gruesa, cuando la cresta es suficientementegruesa para que en la vena adherente se establezca el paralelismode los filetes. (Con E ≥ 0.66H).
Los vertederos de cresta ancha tienen menor capacidad de descargapara igual carga de agua que los vertederos de cresta delgada y suuso más frecuente es como estructuras de control de nivel.
ERRORES EN EL CÁLCULO DEL GASTO
Los errores en el cálculo del gasto es como consecuencia de un error en lamedición de la carga.
Vertedero rectangular𝑑𝑄
𝑄= 1.5
𝑑𝐻
𝐻Luego, un error, por ejemplo del 1% en lamedición de H, produciría un error de 1,5%en el cálculo de Q.
Vertedero triangular En consecuencia, un error del 1% en lamedición de H produciría un error del 2,5%en el cálculo de Q.
VERTEDERO SUMERGIDO
Un vertedero está sumergido cuando el nivel de aguas abajo es superior dela cresta del vertedero. La condición de sumergencia no depende delvertedor en sí, sino de las condiciones del flujo. Un mismo vertedero puedeestar sumergido o no, esto depende del caudal que se presente. El vertederosumergido puede ser de cualquier tipo o forma.
Los vertederos sumergidos se presentan en diversas estructuras hidráulicas. El ella el vertedero actúa como un aliviadero más que como un elemento de aforo.
Las fórmulas para el cálculo de la descarga de un vertedero sumergido son menos precisas que las correspondientes a un vertedero libre, razón por la cual no se le utiliza para determinar caudales.
EJEMPLOS APLICATIVO 01
Ejemplo 01.- Un canal trapezoidal de rugosidad 0.014 con taludes 1: 1 plantilla 1 m y pendiente 1 o/oo, recibe en épocas de crecidas un caudal de 9 m3/s., el canal ha sido construido para 4 m3/s, pero puede admitir un caudal de 6 m3/s. Calcular la longitud del aliviadero para eliminar el exceso de agua.
EJEMPLOS APLICATIVO 02
Ejemplo 02.- En un canal de 6.20 m de ancho en el que tirante normal de 1.10 m se instala un vertedero rectangular sin contracciones y con borde agudo de 0.80 m de umbral. La superficie libre se sobreeleva en 1 m. determinar el caudal
EJEMPLOS APLICATIVO 02Solución:Como no se conoce el caudal no se puede calcular V0.Supongamos inicialmente que su valor es cero. El gasto se obtienea partir de la siguiente ecuación (Fórmula Completa):
Reemplazando los valores conocidos se obtiene
EJEMPLOS APLICATIVO 02Solución:
Ahora se puede introducir el efecto de la velocidad de aproximación (Francis-Herschel
Si usamos la Fórmula de Villemonte
DEFINICIÓN:
Son estructuras construidas para proteger de las crecidas de los ríos de las áreas aledañas a estos cursos de agua.
TIPOS:
1.-MURO DE CONTENCION2.-PROTECCION ROCOSA.
MURO DE CONTENCION
• DEFINICIÓN.
EL MURO DE CONTENCIÓN ES UNA ESTRUCTURA SÓLIDA
HECHA A BASE DE MAMPOSTERÍA Y CEMENTO ARMADO QUE
ESTÁ SUJETA A FLEXIÓN POR TENER QUE SOPORTAR
EMPUJES HORIZONTALES DE DIVERSOS MATERIALES,
SÓLIDOS, GRANULADOS Y LÍQUIDOS.
• OBJETIVO.
DETENER O REDUCIR EL EMPUJE HORIZONTAL DEBIDO A:
TIERRA, AGUA Y VIENTOS EN LAS VÍAS DE COMUNICACIÓN
TERRESTRE, FLUVIAL, OLEAJE, ALUDES Y EROSIÓN EN LAS
RIBERAS.
• BENEFICIOS.
SU USO GENERA EMPLEOS TEMPORALES, SON MÁS ECONÓMICAS QUE
OTRAS ESTRUCTURAS (DE TABIQUE U OTROS MATERIALES LIGEROS), SU
CÁLCULO Y CONSTRUCCIÓN SON FÁCILES; NO REQUIEREN DE
MANTENIMIENTO SOFISTICADO, ES FÁCIL CONSEGUIR LOS MATERIALES
CON QUE SE CONSTRUYEN, PROTEGEN LAS VÍAS Y CASAS DE LAS ÁREAS
URBANAS, TIENEN MAYOR DURABILIDAD Y RESISTENCIA AL DETERIORO
AMBIENTAL, EVITAN PÉRDIDAS ECONÓMICAS DE LOS INSUMOS QUE SE
TRANSPORTAN POR VÍA TERRESTRE.
• DESVENTAJAS.
AL CONSTRUIRLOS, DEBIDO A SU PESO, NO SE PUEDEN ESTABLECER EN
TERRENOS DE BAJA CONSISTENCIA Y COHESIÓN (MUY HÚMEDOS). SE
DEBEN DE ELIMINAR TODOS LOS MATERIALES INDESEABLES TALES COMO:
FRAGMENTOS DE ROCA, MATERIAL VEGETAL, SUELOS ARENOSOS E
INESTABLES (DERIVADOS DE CENIZAS VOLCÁNICAS).
• CONDICIONES DONDE SE ESTABLECE.
SE REQUIERE DE TERRENOS CON ALTA CONSISTENCIA Y RESISTENCIA, ADEMÁS DE UBICACIÓN
PRECISA PARA APROVECHAR AL MÁXIMO SU FUNCIONAMIENTO. DONDE HAY RIESGO DE
DESPLAZAMIENTOS DE TIERRA, NIEVE Y AGUA; DEBEN DE ANCLARSE ADECUADAMENTE.
LOS TIPOS DE SUSTRATO SE CLASIFICAN EN:
TIPO I (SUSTRATO SUELTO, PARA MANEJARLO SE REQUIERE DE UNA PALA).
TIPO II (SUSTRATO COMPACTADO, PARA SU MANEJO SE REQUIERE DE ZAPAPICO Y PALA).
TIPO III (SUSTRATO ROCOSO, PARA SU MANEJO SE REQUIERE DE HERRAMIENTA MÁS
ESPECIALIZADA COMO BARRETAS, CUÑAS, MARROS, ROMPEDORAS Y BARRENADORAS
NEUMÁTICAS. EN CASOS EXTREMOS DE DUREZA DEL SUSTRATO SE REQUIERE EL USO DE
EXPLOSIVOS).
• EQUIPO.
EN LA MAYORÍA DE LOS CASOS, LOS TRABAJOS SE REALIZAN MANUALMENTE; SIN EMBARGO,
CUANDO EL VOLUMEN DE LA OBRA SOBREPASA 4.00 M DE ALTURA Y 50.00 M DE LONGITUD
PUEDE SER NECESARIO ADQUIRIR UNA REVOLVEDORA PARA MORTERO.
• ESPECIFICACIONES DE DISEÑO.
EMPLEAR PIEDRAS MAYORES DE 30 CM, QUE NO TENGA GRIETAS O FISURAS E
INCLUSIONES DE MATERIALES DIFERENTES A LA COMPOSICIÓN DE LA PIEDRA (VETAS DE
CAL O MATERIAL ARCILLOSO) QUE DISMINUYAN SU RESISTENCIA. DEBEN DE
RECHAZARSE PIEDRAS CON CARAS REDONDEADAS O BOLEADAS (FORMA DE BOLA).
LOS ESPACIOS ENTRE LAS PIEDRAS NO DEBEN SER MAYORES DE 2.5 CM. EN ESPACIOS
MAYORES DE 3 CM DEBERÁN ÉSTOS DE ACUÑARSE CON PIEDRAS PEQUEÑAS O
RAJUELAS DEL MISMO MATERIAL DE LAS PIEDRAS.
PARA ELABORAR 1 M3 DE MORTERO CEMENTO- ARENA-AGUA, EN PROPORCIÓN 1:5; SE
REQUIERE DE 285.50 KG DE CEMENTO, 1.224 M3 DE ARENA Y 0.237 M3 DE AGUA.
EN LA CONSTRUCCIÓN DEL MURO SE VIGILARÁ QUE LAS PIEDRAS QUEDEN
PERFECTAMENTE “CUATRAPEADAS“ TANTO HORIZONTAL COMO VERTICALMENTE, CON EL
FIN DE LOGRAR UN BUEN AMARRE Y EVITAR CUARTEADURAS EN LAS JUNTAS.
• EJEMPLO DE CÁLCULO.
CONSIDEREMOS A MANERA DE EJEMPLO QUE PARA EVITAR LA OBSTRUCCIÓN DE UN CAMINO VECINAL, DEBIDO A
LOS DERRUMBES DE TIERRA QUE SE PRESENTAN, ES NECESARIO LA CONSTRUCCIÓN DE UN MURO DE CONTENCIÓN
DE MAMPOSTERÍA DE PIEDRA BRAZA (CON UNA DE SUS CARAS PLANA). ANTES DE CONSTRUIR EL MURO SE
RECOMIENDA REMOVER EL SUELO QUE TENGA BAJA CONSISTENCIA.
LAS CARACTERÍSTICAS DEL MURO SON: 4.00 M DE ALTURA, Y DE 10.00 M DE LONGITUD.
PASOS A SEGUIR:
●●LOCALIZACIÓN DEL SITIO DONDE SE VA A CONSTRUIR EL MURO.
●●LIMPIEZA DEL ÁREA.
●●TRAZO Y NIVELACIÓN.
●●EXCAVACIÓN PARA LA CIMENTACIÓN DE LA OBRA.
●●CONSTRUCCIÓN DEL MURO DE CONTENCIÓN.
CARACTERÍSTICAS DE LA OBRA. PARA LA ALTURA DE CUATRO METROS SE REQUIERE DE UN DESPLANTE DE 1.50 M DE ANCHO, CON TERMINACIÓN EN LA CORONA DE 60 CM DE ANCHO. LA PARED DEL MURO SERÁ VERTICAL EN EL LADO INTERIOR Y TENDRÁ UN ESCARPIO (ÁNGULO O INCLINACIÓN QUE SE DA A LAS CIMENTACIONES O MUROS DE PIEDRA BRAZA) HACIA EL LADO EXTERIOR (FIGURA 4). ES NECESARIO, PARA EVITAR EL DESLIZAMIENTO DE LA OBRA, CONSTRUIR UN DENTELLÓN EN LA PARTE EXTERIOR DEL MURO, QUE SERVIRÁ DE ANCLAJE A LA ESTRUCTURA. EL DENTELLÓN TENDRÁ UNA FORMA TRAPEZOIDAL INVERTIDA. LAS DIMENSIONES SERÁN DE 60 CM DE ALTURA, UNA BASE MAYOR DE 40 CM Y LA BASE MENOR DE 30 CM. EL DENTELLÓN DEBERÁ DE HACERSE EN TODA LA LONGITUD DEL MURO (FIGURA 1).
EL MATERIAL CON EL QUE SE VA A PEGAR LA PIEDRA BRAZA SERÁ CON UNA MEZCLA CEMENTO - ARENA EN
PROPORCIÓN 1:5.
SOBRE LA CAPA DE SUELO SE REALIZARÁ UNA EXCAVACIÓN DE 50 CM DE PROFUNDIDAD POR 1:50 DE ANCHO Y 10
M DE LONGITUD. SOBRE ESTA EXCAVACIÓN SE REALIZARÁ LA CIMENTACIÓN QUE SIRVE COMO BASE PARA EL
DESPLANTE DEL MURO DE CONTENCIÓN Y COMO ANCLAJE DE LA ESTRUCTURA.
CÁLCULO DE VOLÚMENES DE OBRA:
A) VOLUMEN DE EXCAVACIÓN DEL DENTELLÓN (VED).
VED = ((0.40 M + 0.30 M) * (0.60 M))/2 (10.00 M)
VED = 2.10 M3
B) VOLUMEN DEL MURO (VM).
VM = ((1.64 M + 0.60 M) (4.00 M))/2 (10.00 M)
VM = 44.80 M3
C) VOLUMEN TOTAL DEL MURO DE CONTENCIÓN DE MAMPOSTERÍA (VTM).
VTM = VED + VM
VED = VOLUMEN DE EXCAVACIÓN DEL DENTELLÓN. (2.10 M3)
VM = VOLUMEN DEL MURO (44.80 M3)
VTM = 2.10 M3 + 44.80 M3
VTM = 46.90 M3
COSTOS.
PARA LA REALIZACIÓN DE LOS COSTOS SE DEBE HACER PRIMERO UN PROGRAMA
DE TRABAJO, EL CUAL SE DETALLA A CONTINUACIÓN EN EL CUADRO3.
LOS COSTOS SE DEBERÁN DETALLAR POR MANO DE OBRA, MATERIALES Y
HERRAMIENTAS A UTILIZAR Y QUE SE DETALLAN EN LOS CUADROS 4 Y 5. ESTOS
COSTOS ESTÁN BASADOS EN EL EJEMPLO DE CÁLCULO DEL MURO DE
CONTENCIÓN PROPUESTO.
TIEMPO DE EJECUCIÓN DEL MURO DE CONTENCIÓN:
4 SEMANAS (6 DÍAS/SEMANA).
COSTOS DE PERSONAL.
PARA LA REALIZACIÓN DEL MURO DE 4.00 DE ALTURA POR 10.00M DE LONGITUD SE ESTIMA UN
COSTO POR PERSONAL DE $24,000.00.
COSTOS DE MATERIALES
PARA LA OBRA PROPUESTA SE REQUIERE DE PIEDRA BRAZA, CEMENTO, ARENA, AGUA Y
DRENES EN CANTIDADES Y PRECIOS QUE SE MUESTRAN EN EL CUADRO 4. LOS COSTOS
FUERON ESTIMADOS A PRECIOS DEL 2009 Y PUEDEN VARIAR POR ZONAS Y LA LOCALIZACIÓN
DE LA OBRA.
COSTO DE HERRAMIENTAS.
LAS HERRAMIENTAS CON SUS COSTOS UNITARIOS QUE SE REQUIEREN PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE UN MURO SE DETALLAN EN EL CUADRO 5. ESTOS PUEDEN VARIAR PERO,
ESTAS HERRAMIENTAS SE PUEDAN UTILIZAR EN VARIAS OBRAS.
COSTO TOTAL.
COSTO DE MATERIALES = $34,794.00
COSTO DE HERRAMIENTAS =$ 3,656.00
COSTO PERSONAL = $24,400.00
COSTO TOTAL = $ 62,850.00
EN EL DISEÑO DE PROTECCIÓN CON PIEDRA EN FONDO Y TALUDES PARA DRENES, SE PUEDE EMPLEAR LA
FÓRMULA PARA PROTECCIONES GENERALES DE CAUCES RECTOS EN EL FONDO Y EN TALUDES HASTA V : 1 Y H : 2.
LA EXPRESIÓN, PARA EL TAMAÑO D50, ES :
D50 (M) > (B / DP) * (V2 / 2*G ) * (1 / F) ----------> ECUAC. 1
DONDE : B = UN FACTOR ; PARA CONDICIONES DE MUCHA TURBULENCIA, PIEDRA REDONDAS Y SIN QUE SE PERMITA
MOVIMIENTO DE LAS PIEDRAS DEBERÍA ADOPTARSE UN VALOR DE :B = 1.4
DP = GRAVEDAD ESPECÍFICA, DEFINIDA POR EL PESO ESPECÍFICO DE LA ROCA Y DEL AGUA EN LA RELACIÓN
SIGUIENTE :
PER = PESO ESPECÍFICO DE LA ROCA (TN/M3), GENERALMENTE 2.65
PEA = PESO ESPECÍFICO DEL AGUA, (TN/M3) 1.00
DP = ( PER - PEA ) / PEA : 1.65
V = VELOCIDAD DEL AGUA (M/S)
G = ACELERACIÓN DE LA GRAVEDAD (M / S2 ) : 9.81
F = FACTOR DE TALUD
F = [ ( 1 - (SENO2 ß / SENO2 Ø) ]1/2 …………… ECUAC. 2
ß = ES EL ÁNGULO DEL TALUD (°)
Ø = ES EL ÁNGULO DE FRICCIÓN INTERNA DEL ENROCADO (°)
CARACTERÍSTICAS RÍO SANTA
Q (M3/S) 10 Q*N/S1/2 = [A5 / P2 ]1/3 Y = 1.06
B (M) 5.00 6.025 = [A5 / P2 ]1/3 V = 1.43
S (M/M) 0.003 ASUMIR Y = 1.0646 HV = 0.10
N 0.033 6.025 O.K.! F = 0.49
Z 1.5 H = 2.00
ASUMIR: H = 1.50
DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE TALUD ( F )
TANß = 1 / Z
ß = 33.7
Ø = 40 (MANUAL DE INGENIERÍA
DE TALUDES
APLICANDO LA ECUACIÓN (2),
SE TIENE : F = 0.50
CALCULO DEL ESPESOR DEL ENROCADO DE PROTECCION
• DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO (D50)
• APLICANDO LA ECUACIÓN (1) : D50 > 0.18
• UN ESPESOR ACEPTABLE Y PRÁCTICO ES CONSIDERAR : 2 * D50 = 0.36
• ASUMIENDO UN ESPESOR DE ENROCADO PARA TALUD (M) DE : D50 = 0.18
• ASUMIENDO UN ESPESOR DE ENROCADO PARA UÑA (M) DE : D50 = 0.18
• PROBABILIDAD DE MOVIMIENTO DE LA ROCA
• PARA CALCULAR LA PROBABILIDAD QUE SE MOVIESE UNA ROCA CON UN DIAMETRO MEDIANO
DE D50, PUEDE USARSE LA FÓRMULA PARA CALCULAR EL FACTOR DE ESTABILIDAD (PM)
• PM (%) : 0.56 * (V2 / 2*G) * (1 / D50) * (1 / DP) PM = 0.20
• ENCONTRAREMOS EL ESFUERZO MÁXIMO CORTANTE ACTUANTE (TS)
• TS (KG/M2) : PEA * Y * S TS = 3.18
• LA RELACIÓN ENTRE EL FACTOR (PM) Y LA FUERZA DE TRACCIÓN ACTUAL Y CRÍTICA (TS / TB)
ESTÁ DADA POR :
• TB / TS = 1 / PM TB = 15.90
PESO DE LA ROCA
A : ES UN FACTOR QUE REPRESENTA LA APROXIMACIÓN DEL VOLUMEN DE UNA ROCA A
LA FORMA DE UN CUBO, Y TIENE VALORES DE :
- FORMA DE UN CUBO A = 1.00
- FORMA DE ESFERA A = 0.50
- FORMA ANGULOSA (PIEDRA CHANCADA) A = 0.65
EN NUESTRO CASO TOMAREMOS EL FACTOR (A) DE LA FORMA DE UN CUBO
P50 (KG) : A * PER * (D50)3 P50 = 10
EL PESO DE LA UNIDAD ROCA, NOS INDICA QUE EL POSIBLE ENROCADO SERÍA MUY
LIVIANO, AL NO HABER SUPERADO LOS 100 KG DE PESO POR LO QUE NO SE
CONSIDERARA ENROCADO NINGUNO