Alcantarillas Badenes Y Puentes 6q693w

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA E.A.P INGENIERÍA HIDRÁULICA

ASIGNATURA: DRENAJE DE CARRETERAS Y AREOPUERTOS

TEMA: DISEÑO HIDRÁULICO DE ALCANTARILLAS, BADENES Y PUENTES

ESTUDIANTE: SANCHEZ CORTEZ, ELMER

DOCENTE: Ing. LEON CHAVEZ LUIS ANDRES

CAJAMARCA – PERÚ

2016

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Contenido I.

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 2

II.

OBJETIVOS: .................................................................................................................................... 2 II.I. GENERAL...................................................................................................................................... 2 II.II. ESPECÍFICOS ............................................................................................................................... 2

III.

JUSTIFICACIÓN........................................................................................................................... 2

IV.

REVISIÓN DE LITERATURA ......................................................................................................... 3

V.

CALCULOS Y RESULTADOS ........................................................................................................... 12

VI.

CONCLUCIONES ....................................................................................................................... 15

VII.

BIBLIOGRAFIA. ......................................................................................................................... 16

VIII.

LINKOLOGIA............................................................................................................................. 16

IX.

ANEXOS ................................................................................................................................... 16

pág. 1

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I.

INTRODUCCIÓN El presente trabajo tiene como principal propósito el de diseño hidráulico para alcantarillas, badenes y puentes. La función principal de estas estructuras es evacuar el flujo superficial proveniente de cursos naturales o artificiales que interceptan la carretera, por ello, es muy importante tener en cuenta la adecuada elección de su ubicación, alineamiento y pendiente, a fin de garantizar el paso libre del flujo que intercepta la carretera, sin que afecte su estabilidad.

II.

OBJETIVOS:

II.I. GENERAL 

Diseñar hidráulicamente la sección para alcantarillas, badenes y puentes.

II.II. ESPECÍFICOS      

III.

Calcular los caudales de diseño para el dimensionamiento de dichas estructuras. Determinar las dimensiones para la caja de toma: ancho, largo y altura para las alcantarillas. Calcular el diámetro, longitud para cada alcantarilla. Calcular la longitud de socavación y el tamaño mínimo de roca para las alcantarillas. Dimensionar las secciones de cada puente que contendrá la carretera. Dimensionar las secciones de cada badén que contendrá la carretera.

JUSTIFICACIÓN

El presente trabajo se realiza con la finalidad de obtener consistentemente la estimación de la magnitud del caudal de diseño, diseñar obras de drenaje que permitan controlar y eliminar el exceso de agua superficial y subterránea que discurren sobre la calzada y debajo de ella, a fin de que no puedan comprometer la estabilidad de la estructura del pavimento, de acuerdo a las exigencias hidrológicas y geomorfológicas del área de estudio, sin afectar el drenaje natural de la zona, ni a la propiedad adyacente. La selección de los tipos de estructuras hidráulicas analizadas son alcantarillas, badenes y puentes.

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IV.

REVISIÓN DE LITERATURA

1. ALCANTARILLAS Se define como alcantarilla a la estructura cuya luz sea menor a 6.0 m y su función es evacuar el flujo superficial proveniente de cursos naturales o artificiales que interceptan la carretera. La densidad de alcantarillas en un proyecto vial influye directamente en los costos de construcción y de mantenimiento, por ello, es muy importante tener en cuenta la adecuada elección de su ubicación, alineamiento y pendiente, a fin de garantizar el paso libre del flujo que intercepta la carretera, sin que afecte su estabilidad. Pueden clasificarse, por el material de construcción en alcantarillas rígidas y flexibles. Por su función, en alcantarillas y aliviaderos. 

Alcantarillas rígidas. Suelen ser de concreto, losas de concreto armado sobre estribos de mampostería de piedra o de concreto ciclópeo o simple, plástico estructural.



Alcantarillas flexibles. Son generalmente tubos corrugados de metal, o láminas delgadas de acero.



Alcantarillas. Aquellas que se ubican en lecho de un cauce natural o permite el cruce de agua desde un embalse ò área inundable hacia otro similar.



Aliviadero. Permite el cruce de agua recolectada en una caja, hacia un área inundable o canal de evacuación. Su función, en las carreteras, es controlar la capacidad de las cunetas de drenaje. Guía Hidráulica para el diseño de estructuras de drenaje en caminos rurales. Octubre 2004.

1.1.DISEÑO HIDRÁULICO El cálculo hidráulico considerado para establecer las dimensiones mínimas de la sección para las alcantarillas a proyectarse, es lo establecido por la fórmula de Robert Manning para canales abiertos y tuberías, por ser el procedimiento más utilizado y de fácil aplicación, la cual permite obtener la velocidad del flujo y caudal para una condición de régimen uniforme mediante la siguiente relación.

Dónde: Q: Caudal (m3 /s) pág. 3

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V: Velocidad media de flujo (m/s) A: Área de la sección hidráulica (m2) P: Perímetro mojado (m) R: Radio hidráulico (m) S: Pendiente de fondo (m/m) n: Coeficiente de Manning (Ver Tabla Nº 01 )

TABLA Nº 01: Valores del Coeficiente de Rugosidad de Manning (n)

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Fuente: Hidráulica de Canales Abiertos, Ven Te Chow, 1983

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Se debe tener en cuenta la velocidad, parámetro que es necesario verificar de tal manera que se encuentre dentro de un rango, cuyos límites se describen a continuación. TABLA Nº 02: Velocidades máximas isibles (m/s) en conductos revestidos

Se deberá verificar que la velocidad mínima del flujo dentro del conducto no produzca sedimentación que pueda incidir en una reducción de su capacidad hidráulica, recomendándose que la velocidad mínima sea igual a 0.25 m/s. Asimismo, se debe tener muy en cuenta la velocidad de flujo a la salida de la alcantarilla, generalmente esta velocidad es mayor que la velocidad de escurrimiento en el cauce natural y debe limitarse a fin de evitar procesos de socavación del cauce aguas abajo de la estructura y no afecte su estabilidad. A continuación, se presenta una tabla con valores máximos isibles de velocidades de flujo según el tipo de material donde se desplaza. TABLA Nº 03: Velocidades máximas isibles (m/s) en canales no revestidos

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1.2.DISEÑO DE CAJAS DE TOMA DE UNA ALCANTARILLA a. GENERALIDADES. Las cajas son estructuras que cubren un amplio rango de desempeño, pueden evacuar flujos menores o son destinadas a evacuar caudales importantes originados en cuencas medianas. Las características generales de las cajas así como las recomendaciones para su diseño e instalación son semejantes a las de las alcantarillas.

b. CRITERIOS DE DISEÑO. Caudal de diseño. Para determinarlo usar el Método Racional o el del NRCS de acuerdo al tamaño de la cuenca. La probabilidad de diseño debe ser para un período de retorno de 15 años para cuencas menores y 25 años para cuencas medianas. La carga hidráulica máxima de la caja para determinar el caudal que puede evacuar la estructura, se considera el nivel del agua al borde del muro del cabezal; se debe procurar un mínimo de 40 cm. arriba la rasante del nivel del agua.

1.3.SALIDA DE LAS ALCANTARILLAS Las alcantarillas descargan a un cauce o a una ladera. En el primer caso se sugiere proteger el fondo del cauce contra la socavación, y en el segundo dotar de una transición de concreto para reducir la erosión de la ladera o continuar con una obra de conducción.

Fig. 1.- Protección de enrocado a la salida de una alcantarilla. Ing. Alfredo Mansen Valderrama

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2. BADENES Las estructuras tipo badén son soluciones efectivas cuando el nivel de la rasante de la carretera coincide con el nivel de fondo del cauce del curso natural que intercepta su alineamiento, porque permite dejar pasar flujo de sólidos esporádicamente que se presentan con mayor intensidad durante períodos lluviosos y donde no ha sido posible la proyección de una alcantarilla o puente. Los materiales comúnmente usados en la construcción de badenes son la piedra y el concreto, pueden construirse badenes de piedra acomodada y concreta que forman parte de la superficie de rodadura de la carretera y también con paños de losas de concreto armado. Los badenes con superficie de rodadura de paños de concreto se recomiendan en carreteras de primer orden, sin embargo, queda a criterio del especialista el tipo de material a usar para cada caso en particular, lo cual está directamente relacionado con el tipo de material que transporta el curso natural. Guía Hidráulica para el diseño de estructuras de drenaje en caminos rurales. Octubre 2004.

2.1.DISEÑO HIDRÁULICO a. CRITERIOS DE DISEÑO.

 El caudal de diseño se debe calcular para un período de retorno de 2 años, usando el Método Racional.  La altura máxima alcanzada por el nivel del agua para el caudal de diseño es 30 cm. b. DIMENSIONAMIENTO DEL BADÉN:

El badén se comporta como una canal de superficie libre y para determinar su capacidad se propone le fórmula de Manning la que se expresa:

Dónde: Q: caudal en m3 /s. n: coeficiente de rugosidad de Manning que depende de la superficie del fondo del canal. Los valores se muestran en la tabla. A: área de la sección transversal en m2 P: perímetro mojado de la sección transversal en m2 Rh: radio de la tubería dado por A/P (m) S0: pendiente longitudinal del fondo en metro por metro.

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3. PUENTES a. CONSIDERACIONES GENERALES

Los puentes se utilizan para evacuar las corrientes importantes cuando no es conveniente usar las alcantarillas ya sea por el desempeño o por su costo. Un límite superior en el uso de las alcantarillas por razón de costos se ha estimado en la alcantarilla de 3 tubos de 72” de diámetro. Más allá de eso podría ser recomendable una caja o un pequeño puente. Sin embargo un análisis de costos de las alternativas es necesario para definir cuál es la mejor opción. Los puentes vados son una opción cuando por razones de importancia de la carretera y/o volumen de tránsito no amerite la construcción de un puente, sin embargo por razones topográficas cuando no se pueda construir un vado será necesario la construcción de un puente. (Guía Hidráulica para el diseño de estructuras de drenaje en caminos rurales. Octubre 2004.)

b. LAS RECOMENDACIONES CARRETERAS:

PARA

EL

DISEÑO

DEL

PUENTE

EN

 Es conveniente el uso de “diseños estandarizados” para puentes menores los que están en función del claro del puente y de las condiciones de carga. Las estructuras grandes y/o complejas deberán ser diseñadas específicamente por un equipo de ingenieros especializados.  Usar claros de puente suficientemente largo o una estructura de longitud adecuada para evitar contraer el cauce natural de flujo del cauce.  Proteja los s de aguas arriba y de aguas abajo a las estructuras mediante muros de alero, enrocamiento, gaviones, vegetación u otro tipo de protección de taludes donde sea necesario.  Cuando sea posible coloque las cimentaciones sobre materiales no susceptibles a la socavación (idealmente roca sana o enrocamiento grueso) o por debajo de la profundidad máxima esperada de socavación.  Evite la socavación de la cimentación o del cauce mediante la colocación local de enrocamiento de protección pesado, de jaulas de gaviones, o de refuerzo de concreto.  En el caso de estribos de puente o de zapatas colocadas sobre laderas naturales, desplante la estructura en terreno natural firme (no en material de relleno ni en suelo suelto) a una profundidad mínima comprendida entre 0.5 y 2.0 metros.

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 Permita un cierto borde libre, generalmente de al menos 0.5 a 1.0 metro, entre la parte inferior de las vigas del puente y el nivel de aguas máximas esperado con escombros flotantes.

TABLA Nº 03: bordes libre en puentes de acuerdo al caudal:

Fuente: A. design manual for small bridges c. INFORMACIÓN DE CAMPO. INFORMACIÓN TOPOGRÁFICA.

 Se deben levantar secciones transversales, aguas arriba y abajo del puente por medio de aparatos topográficos o lienzas y reglas graduadas hasta una altura mayor al cauce de inundación.  Levantamiento del perfil del fondo del río.  Sección del puente. Visita de campo.

Se debe observar las Características del cauce que permitan evaluar el Coeficiente de rugosidad de Manning. Es importante evaluar el coeficiente del cauce principal y las dos márgenes por separado usando la siguiente metodología: Coeficientes de rugosidad de Manning para cauces naturales.

d. Criterios de diseño. Determinación del Caudal de diseño.

 Para La Guía, las cuencas que requieren puentes para el cruce de sus aguas con las carreteras, se consideran como cuencas medianas por lo que se debe usar el procedimiento del NRCS para el cálculo del caudal de diseño.  El periodo de retorno de la lluvia es de 25 años;  El borde libre arriba del nivel del agua calculado debe ser al menos 1.0 m de borde libre, al nivel inferior de la viga de soporte del puente.

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Dimensionamiento hidráulico del puente que no obstruye el cauce natural del río.

Fig. 2.- Protección de enrocado a la salida de una alcantarilla. Fuente: Guía Hidráulica para el diseño de estructuras de drenaje

Se calcula el nivel del agua correspondiente al caudal de diseño. Para ello se usará la ecuación de Manning, mediante un proceso iterativo.

Dónde: Q: caudal en m3 /s. n: coeficiente de rugosidad de Manning que depende de la superficie del fondo del canal. Los valores se muestran en la tabla. A: área de la sección transversal en m2 P: perímetro mojado de la sección transversal en m2 Rh: radio de la tubería dado por A/P (m) S0: pendiente longitudinal del fondo en metro por metro.

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I.

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CALCULOS Y RESULTADOS

pág. 13 Baden por construir Baden por construir

H m

6 8

Espejo agua T (m)

15 15

Espejo agua (m)

65 100

Foco Parábola K

150.68 155.64

Tirante d (m)

1.28 1.05

Tir. Centro d (m)

0.19 0.18

V (m/s)

3.32 2.9

V (m/s)

4.28 4.19

Nº Froude F

0.99 0.9

Nº Froude F

3.87 3.86

Gradiente s

0.025 0.025

Grad s

0.05 0.05

Coef. Rug n

0.055 0.055

Coef. Rug n

0.013 0.013

Q

(m3/seg.)

277.9651491 307.0313882

Q

(m3/seg.)

8 7.58

progresiva

(Km.)

1+159 17+91

prog

(Km.)

9+776 11+527

Nº

2 35

Nº

21 25

Nº

h m

2.34

f m

1.2

da m

1.15

base (m)

2.1

Tirante d (m)

1.14

V (m/s)

8.14

Nº Froude F

2.42

Gradiente s

0.025

Coef. Rug n

0.013

Q

(m3/seg.)

19.57

(Km.)

8+15

Observaciones

progresiva

DIMENSIONAMIENTO DE BADENES

puente de concreto puente de concreto

2.1

b adoptado

Alcantarilla por construir (TMC) Alcantarilla por construir (TMC) Alcantarilla por construir (TMC) Alcantarilla por construir (TMC)

Observaciones

Escuela Académica Profesional de Ingeniería Hidráulica

Obse

2.4 alcantarilla concr

h adoptado

FACULTAD DE INGENIERÍA

18

48.00 110.00 36 42

47.24 110.24 35.43307087 43.30708661

1.2 2.8 0.9 1.1

0.94 2.1 0.58 0.72

3.36 5.88 2.67 3.07

1.1 1.32 1.2 1.23

0.025 0.025 0.025 0.025

0.024 0.024 0.024 0.024

3.176876618 29.14827575 1.171330668 2.033229491

0+263 5+843 10+323 12+479

1 13 22 26

Observaciones

Φ (pulg)

Φ (pulg)

Φ (m)

d (m)

F

s

n

DIMENSIONAMIENTO DE PUENTES

Diámetro

Diámetro

Diámetro

Tirante

V (m/s)

Nº Froude

Gradiente

Coef. Rug

(m3/seg.)

(Km.)

DIMENSIONAMIENTO DE ALCANTARILLAS

Q

progresiva

Nº

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela Académica Profesional de Ingeniería Hidráulica DISEÑO DE SALIDA DATOS: N° DE ALCANTARILLA : D (m)= Q (m3/s)= d (m)= V(m/s)= F=

1

1.200 3.170 0.94 3.36 1.10

PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN

y s = profundidad de socavaciòn d = altura de la alcantarilla Vo = velocidad del flujo en la salida Vc = velocidad tractiva

Donde: τc

= valor crítico del esfuerzo cortante

C=

0.04 Densidad del suelo= densidad del agua= gravedad= tamaño del sedimento=

ρs = ρ= g= d= τc =

2650 1000 9.81 0.1

64.746 kg/m2

Vc =

0.25445 m 1.84362 m

ys =

ANCHO DE SOCAVACIÓN

F=

Bs = ancho de socavaciòn Número de Froude

Por tanto:

Bs=

9.5904201

m

Long. De Socavación

Ls = Longitud de socavaciòn Por tanto:

Ls=

19.18084

m

Tamaño mínimo de roca (para emboquillado) para el lecho

Por tanto:

pág. 14

ds=

0.33

m

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II.

CONCLUCIONES  

Se determinó las dimensiones de todas las estructuras y para ello se anexo planos de las tres estructuras diseñadas. El caudal de diseño para cada estructura ubicada en su respectiva progresiva es:

ALCANTARILLAS

Nº

1 13 22 26

progresiva

Q

(Km.)

(m3/seg.)

0+263 5+843 10+323 12+479

3.18 29.15 1.17 2.03

BADENES Nº

21 25

prog

Q

(Km.)

(m3/seg.)

9+776 11+527

8 7.58

Puentes Nº

2 35 18

  



Q

(Km.)

(m3/seg.)

1+159 17+91 8+15

277.9651491 307.0313882 19.5663086

Las dimensiones son ancho=1.30, largo=1.50 y alto=1.55 El diámetro para la 0+263=48”, para la 5+843=110”, para la 10+323=36” y para la 12+479=42”. La sección para los puentes son: Espejo

ALTURA

agua (m)

m

60 100 13

6 8 2.54

Las dimensiones para los badenes son: prog

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progresiva

Tir. Centro

Foco Parábola

Espejo agua

(Km.)

d (m)

K

T (m)

9+776 11+527

0.19 0.18

150.68 155.64

15 15

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III.

BIBLIOGRAFIA.  

 

IV.

LINKOLOGIA 



V.

DISEÑO DE ESTRUCTURAS ING. ALFREDO MANSEN VALDERRAMA Rocha Felices, A. (2003). DRENAJE DE CARRETERAS Y ESTRUCTURA HIDRAULICAS CLAVE EN UN PROYECTO DE APROVECHAMIENTO. PIURA: Editorial UNI. Villón Béjar, M. (2003). DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS. Costa Rica: Editorial Villón. Villón Béjar, M. (2005). HIDRºAULICA DE CANALES. Lima: Editorial Villón.

Palacios, D. (02 de Junio de 2013). Captaciones Superficiales, Quito. Ecuador. Disponible en: http://www.dspace.uce.edu.ec/bitstream/25000/1547/1/T-UCE-0011-57 Caicedo, M. (14 de Abril de 2008). La bocatoma en elementos hidroenergéticos. Lima, Perú. Disponible en: http://es.calameo.com/books/00317355074a3cb674645

ANEXOS A continuación se anexaran planos de las estructuras

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