UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL INGENIERIA CIVIL
TEMA: “CRITERIOS DE DISEÑO DE ALCANTARILAS”
I
.
CRITERIOS DE DISEÑO DE ALCANTARILLAS
1
IINDICE PAG.
RESUMEN............................................................... INTRODUCCION.......................................................
04 06
OBJETIVOS………........................................................ MARCO TEORICO......................................................
08
APLICACIONES...................................................... ANALISIS Y
DISCUSION...........................................
..
21
25
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.... RECOMENDACIONES...................... ..................... ... BIBLIOGRAFIA...........................................................
07
26
27
I.-RESUMEN
2
Para realizar un estudio hidrológico implica el conocimiento
de la
distribución del agua, además del conocimiento de métodos que permitan evaluar, ya sea en forma cualitativa
o cuantitativa, la magnitud de los fenómenos
asociados con el movimiento o distribución del agua. Uno de estos estudios es el drenaje superficial que se define como la ciencia que controla el movimiento de las aguas superficiales, con el fin de no afectar las estructuras u obras de arte de la vía en las carreteras, por lo que el drenaje superficial de una carretera es de vital importancia en su construcción y se reflejan quizás mas que cualquier otro tipo de problemas, en la vida útil y buen funcionamiento de la vía, así como en los costos de su conservación. El drenaje puede realizarse mediante la construcción de ALCANTARILLAS, que se los ubica en las quebradas, en los desagües de las cunetas (Aliviaderos) y son estructuras o conductos cerrados, que permiten el paso de pequeñas corrientes de agua bajo la vía, cuyo material puede ser P.V.C., concreto reforzado y alcantarillas de laminas corrugadas de acero tipo ARMCO, Alcantarillas De Cajón O Pórtico , Alcantarillas De Bóveda
Para que una alcantarilla sea adecuada, debe tenerse en cuenta:
Colocación respecto a la dirección
del agua que recibe, para evitar
erosiones, así como la llegada del agua a excesiva velocidad.
Tener la capacidad necesaria para evitar que se obstruya o colmate.
Se debe evitar el almacenamiento o embalse del agua y contar con protección
contra la erosión (Si es necesario se deben construir
deflectores de arrastre y socavamiento en la entrada y salida de la misma.
Deberá ser capaz de soportar el peso del relleno y del tráfico que habrá.
En el diseño de alcantarillas se deberá tener en cuenta los siguientes criterios:
3
Localización del eje, que consiste en ubicar la alcantarilla de manera que la corriente del agua entre y salga en la misma dirección.
Áreas de desagüe o de drenaje, que son determinadas delimitando la micro cuenca para cada quebrada, es decir su área tributaria.
El coeficiente de escorrentía e intensidades máximas para el caudal a evacuar.
En general se puede decir que la operación consiste en reemplazar tramos de drenes de pavimentos que se encuentren obstruidos, así como la colocación de drenes adicionales donde resulten necesarios. Se considera reemplazar los drenes de pavimento obstruidos, en vez de limpiarlos mediante agua a presión, en consideración a que ese procedimiento conlleva el riesgo de saturar las capas de base y los suelos de la subrasante y originar una falla inmediata del pavimento. Es conveniente colocar drenes al costado de un pavimento de hormigón en los lugares en que se detecte el fenómeno de surgencia de finos. Eventualmente un pavimento asfáltico también podría requerirlos cuando se detectan condiciones similares. En el presente trabajo se presenta un esquema de la secuencia para el diseño de una alcantarilla de sección circular, así como también su aplicación práctica.
II.-INTRODUCCION El objetivo principal de un adecuado drenaje de carreteras es reducir o eliminar la energía generada por la corriente de agua. No deberá permitirse que el agua alcance volúmenes o velocidades tales que puedan dañar la superficie de rodadura, los taludes de corte o relleno, las cunetas o la parte inferior de las alcantarillas. La presencia de agua o humedad excesivas en la calzada repercutirá negativamente en las propiedades mecánicas de los materiales que la componen, 4
provocando saturación. Para que un sistema de drenaje de caminos sea eficaz durante su vida útil, deberá satisfacer dos criterios principales: a) Debe alterar lo menos posible la red de drenaje natural b) Debe drenar el agua superficial y subterránea de la calzada y drenarla en forma tal que impida acumulación excesiva en zonas inestables y la erosión ulterior. Para satisfacer estos criterios, es importante tener presente que los factores hidrológicos y geotécnicos de las laderas inciden en la velocidad, volumen, dispersión o niveles de concentración de las aguas superficiales y subsuperficiales. La forma (morfología) de la ladera influye en el drenaje del camino y en última instancia, en su estabilidad. En un comienzo se diseñaban conductos con sección mucho mayor que la necesaria, que no funcionaban bien ya que no será posible conseguir con esta sección la velocidad mínima admisible para evitar la sedimentación de los sólidos suspendidos y su consecuente descomposición. La gran mayoría de los actuales sistemas de las ciudades importantes han sido técnicamente diseñados con los principios básicos que se vienen usando desde hace muchos años, pues no ha habido mayor variación en estos. Una alcantarilla es una estructura que tiene por objetivo principal sortear un obstáculo al paso del agua. En la mayoría de los casos se aplican al diseño vial, es decir, cuando el flujo es interceptado por un camino o una vía de ferrocarril. Cuando se realiza el diseño geométrico de un camino o una carretera, el mismo, normalmente se interpone en el movimiento natural de escurrimiento de las aguas de la zona de emplazamiento. En la ladera de una montaña, se interpone en el camino de escurrimiento de las aguas que bajan por la montaña. Cuando atraviesan un arroyo, un río, o cualquier otro canal, y aún en los paisajes mas llanos la topografía del terreno obliga al movimiento del agua en alguna dirección. El camino, en la mayoría de los casos constituye un verdadero obstáculo al paso del agua. En el presente trabajo se hace un análisis de diseño de la alcantarilla de una obra ya ejecutada. El mismo que ha sido calculado, o al menos estimado, con anterioridad. También se asume en este trabajo que se conocen las características geométricas del obstáculo que atraviesa la alcantarilla. Además, deben ser tenidos en cuenta otros factores, como por ejemplo el paquete estructural del camino, que 5
incluye capas de distintos materiales y densidades. En general, conviene evitar el contacto del agua con el paquete estructural. Por esta razón se exige que el nivel del agua a la entrada de la alcantarilla no supere un cierto límite asociado a la conservación física del camino. Por otro lado, es importante considerar la resistencia de la alcantarilla para que pueda soportar el peso de la tapada de tierra que la confina. Esto podría condicionar el material empleado en la alcantarilla. Con esto quiere ponerse de manifiesto que existen varios factores que se condicionan el dimensionamiento hidráulico de las alcantarillas, factores que se analizan a cada caso en particular, y que están fuertemente ligados a la experiencia del proyectista. Es evidente que en toda obra de ingeniería se procura maximizar la relación beneficio-costo, por lo que el factor económico desempeña un rol principal en la selección de la alcantarilla más adecuada al problema planteado. Por último, cabe mencionar que el caso atendido en este trabajo corresponden a las situaciones que se presentan más comúnmente en el diseño, en lo que respecta al material y forma de las alcantarillas. Cualquier modificación sobre la misma deberá ser contemplada con el criterio adecuado, o bien, consultado en bibliografía más específica.
III.-OBJETIVOS - El presente trabajo tiene por objetivo presentar los criterios hidráulicos fundamentales involucrados en el diseño de alcantarillas en una carretera - Realizar un análisis de un caso práctico de un diseño de alcantarilla. Describir e identificar qué criterios se han tenido en Cuenta para su diseño de las alcantarilla. - Este trabajo nos va a permitir conocer con mayor fluidez acerca de los conocimientos de diseño de alcantarilla, y en un futuro no muy lejano poner en práctica estos conocimientos aprendidos durante el desarrollo del curso de irrigación y drenaje.
IV.-MARCO TEORICO 6
Alcantarillas. Definición
Son ductos que permiten el paso del agua de un lado a otro de la vía. Las alcantarillas deben clasificarse principalmente desde el punto de vista de su ubicación. Capacidad (diseño hidráulico) y resistencia (diseño estructural). Se requiere la ayuda de personal calificado para escoger debidamente la alcantarilla de acuerdo con los factores mencionados. Las alcantarillas pueden tener forma circular, rectangular o elíptica. Las alcantarillas pueden prefabricarse o construirse en el sitio, a criterio del encargado. Por lo general, aquellas construidas en el sitio tienen forma cuadrada o rectangular, mientras que las prefabricadas son circulares o elípticas. A menudo se construyen pasos de dos o tres ductos en forma cuadrada o rectangular una al lado de la otra, o “baterías de tubos” unos al lado de los otros. Las alcantarillas de sección cuadrada o rectangular se fabrican de concreto armado, las de forma circular se hacen con tubos de concreto o de acero corrugado. Las secciones elípticas se fabrican, por lo general, con planchas de hierro corrugado y las recomendaciones técnicas son las siguientes: • diámetro mínimo 30” • pendiente tubería 2 a 3 %, pudiendo aumentar según topografía del terreno • compactar primero los lados sin tocar el tubo • la compactación sobre el tubo se debe hacer una vez que este tenga una capa de 20 cm. sobre su corona. MATERIALC LASIFICADO
BALASTO ESPESOR15 A 20 CMS
D
1/2 D
. s o m m c i n 0 i 6 m
D
s m c 0 2 = D 4 / 1
2D
CAMA DE MATERIAL GRANULAR SELECTO
NOTA: Cuando D sea mayor de 30”, se recomienda excavar la zanja Suficientemente ancha para permitir la compactación de relleno Selección del Tipo de Alcantarilla
La selección del tipo de alcantarilla que se debe utilizar en un lugar determinado, depende de la necesidades hidráulicas y de la resistencia requerida para soportar 7
el peso del relleno o de la carga que se mueve sobre ruedas después de que se han establecido estos elementos la selección se vuelve por mucho, un asunto económico, deberá tomarse en consideración la durabilidad y el costo de la estructura completa, incluyendo aspectos tales como el costo inicial de las unidades manufacturadas y los costos de transporte e instalación. En cualquier comparación total del costo de los diferentes tipos de alcantarilla que pueda seleccionarse para su uso en una instalación dada, deberán considerarse también el costo de mantenimiento. Como podemos ver la alcantarilla debe seleccionarse de acuerdo con muchos factores. Los más relevantes son: •
Deben usarse elementos con la forma y tamaño acorde con el caudal o cantidad de agua que le llega.
•
Si se seleccionan elementos prefabricados tales como tubos de concreto, debe asegurarse un buen control de calidad en el sitio de fabricación. Si se usan los tubos de acero corrugado, el calibre de los tubos debe ser de acuerdo con la profundidad a la que se ubique la alcantarilla, Así mismo como las tuberías de PVC deben cumplir con las Especificaciones Técnicas requeridas.
Aspectos a considerar durante la etapa de construcción de alcantarillas
Para la construcción de alcantarillas, es necesario tomar en cuenta los siguientes aspectos: • • •
•
Seleccionar el punto de ubicación de la alcantarilla. Determinar la longitud de la alcantarilla de acuerdo con el ancho del camino. Al localizar la alcantarilla, procurar no forzar los causes. Es decir, la dirección del alcantarillado, en lo posible, debe ser consecuente con la dirección de la quebrada. Seleccionar el diámetro de los tubos de acuerdo con el caudal de diseño y con los sedimentos que son arrastrados por las aguas de lluvia o por pequeñas quebradas. La alcantarilla deberá permitir el paso del máximo caudal sin generar daños al camino. Río Río Cabezal
Cabezal
Alcantarilla
Alcantarilla
Cabezal
Cabezal
8
Río Río Forma incorrecta de encauzar las aguas
Forma
correcta
de encauzar las aguas
• • • • • • •
Preparar la zanja de la alcantarilla con un ancho igual al diámetro externo del tubo más 30 cm. A ambos lados mínimo. Cimentar la alcantarilla a una profundidad igual al diámetro externo del tubo más 60 cm. De relleno mínimo sobre la corona del tubo. Usar pendientes en las alcantarillas de un 2% a un 3%. Inspeccionar el alineamiento vertical y horizontal. Agregar mortero (arena + cemento + agua) a las juntas de los tubos, si la tubería es de concreto. Construir adecuadamente la cama en la cual se cimentará la tubería. Compactar primero los lados sin tocar el tubo.
Mantenimiento
Con el fin de garantizar el perfecto funcionamiento de las alcantarillas se debe verificar, al menos: • • • • • • •
Capacidad hidráulica de la tubería. Posibles problemas de erosión. Posibles problemas de sedimentación. Alineamiento horizontal y vertical. Infiltración de aguas, arriba y abajo. Agrietamientos de las paredes de la tubería. Posibles problemas de taponamiento de la alcantarilla. Para ello debe asegurarse que la limpieza de las alcantarillas se realice 2 o 3 veces al año y que se eliminen árboles caídos y otros sedimentos que se ubiquen en sitios inmediatos a la entrada o la salida de la alcantarilla.
Tipos De Alcantarillas
Principalmente se emplean los siguientes materiales: PVC, concreto reforzado y el metal corrugado; con menos frecuencia se realiza alcantarilladas de madera, tubo de hierro fundido, tubos de barro vitrificado y ocasionalmente de mampostería. Alcantarillas De Concreto
Los tubos de concreto destinados a usarse en las alcantarillas están fabricados de diámetros de 12 o 108 pulgadas y son de diferentes longitudes, la más usual es de 4 a 8 pies las especificaciones estándar establecen cinco clases de tubos en los que la resistencia aumenta en la clase I a la clase V. Las especificaciones muestran 9
las secciones transversales del acero de refuerzo y la resistencia del concreto para tres medidas de espesores de pared. El refuerzo puede ser circular o elíptico. Los tubos para alcantarillas fabricados de concreto reforzado que se emplea en aplicaciones especiales, se fabrican con una sección transversal distinta a la circular, las formas elípticas y de arco son de uso común. Los tubos de concreto para alcantarillas tienen juntas machihembradas o de campana; durante la construcción se sellan las juntas con concreto de cemento Portland, empaques de caucho, u otros materiales. La preparación de pisos de lecho donde va a colocarse el tubo requiere de mayor o menor cantidad de cuidado. Esta preparación o plantilla puede variar desde la forma simple del fondo de una zanja o del suelo sobre el que coloca el tubo hasta embeber el tubo en una cuna de concreto dependiendo de las condiciones de cimentación, de las cargas sobre el tubo y de otros factores. Las alcantarillas de tubo se construyen con mayor frecuencia en la llamada “en proyección” que es la alcantarilla que se construye sobre la superficie del suelo en la zanja, y el relleno se coloca a su alrededor. En estos casos, y teniendo suelos y altura de relleno comunes sólo necesita darle al alojamiento del tubo un poco mas de atención. Las alcantarillas de cajón de concreto se construyen en el sitio con una sección transversal cuadrada o rectangular. Las alcantarillas de cajón simple varían en su tamaño desde 2 hasta 12 pies por lado, dependiendo del área necesaria para la vía de agua. La mayoría de las oficinas de carreteras de los estados utilizan diseños estandarizados para diferentes medidas del cajón para las alcantarillas quizás las medidas para el cajón para las alcantarillas de concreto más comúnmente empleadas se encuentran 4 y 8 pies por lado incluyendo medidas tales como 4’ x 4’, 4’ x 6’, 6’ x 6’, 4’ x 7’, y muchas otras las alcantarillas de sección transversal rectangular en los lugares en que se desea reducir la altura de la misma para proporcionar una protección adecuada entre la parte superior de la alcantarilla y la superior de la calzada. Alcantarillas De Cajón O Pórtico Los cajones son estructuras de sección rectangular con paredes, techos y piso de concreto reforzado cuya construcción requiere cuidados especiales. Trabajan en conjunto como un marco rígido que absorbe el peso y el empuje del terraplén la carga viva y la reacción del terreno. Tanto las losas como los muros son delgados y de poco peso, el conjunto tienen una amplia superficie de sustentación. El rango más usual de aplicación de este tipo de estructura es de luces entre 3 metros y 6 metros, alturas entre 4 metros y 9 metros, admitiéndose varios múltiples para luces iguales o mayores a cuatro metros. En general este tipo de alcantarilla no se la diseña con tapada de terraplén sino que la losa (con una capa de recubrimiento) se utiliza como superficie de rodamiento. Esta situación requiere el diseño de losa de aproximación para disminuir los asentamientos 10
relativos entre estructura y terraplena adyacente. El modelo con platea admite menores tensiones del suelo de fundación (del orden de 40% del que requieren pórticos sobre zapatas), haciendo posible el uso de este tipo de obra sobre terrenos de baja calidad. Alcantarillas De Bóveda
Las bóvedas son estructuras cuya sección transversal interior está formada por tres partes principales: El piso, dos paredes verticales que son las caras interiores de los estribos y sobre estas, un arco circular de medio punto o rebajado, que es el intradós de un arco estructural de sección variable con un mínimo de espesor en la clave. En general, las bóvedas se construyen con mampostería de tercera y mortero de cemento 1:5. Para construir el arco se requiere un molde de madera, que se aprovecha también para colocar la clave a lo largo de la obra. La clave, de concreto simple de f’c= 100 Kg/m2, cierra el arco en el centro con juntas radiales y tienen un ancho medio mínimo de 35 cm.. Las piedras del arco tienen hasta donde es posible, juntas radiales, con cuatropeo longitudinal y una mayor dimensión del estrados. Cuando se use cemento normal, el descimbrado se hará a los catorce días de colocada la clave, tiempo a partir del cual se construirá el terraplén. El zampeado del piso y los dentellones ubicados aguas arriba y abajo para proteger el suelo contra la erosión pueden omitirse en terrenos rocosos. Para eliminar el empuje hidrostático sobre los muros, se coloca una capa de 30 cm de espesor de material graduado en el respaldo de cada estribo. Alcantarillas De Metal Corrugado
El acero corrugado se utiliza en diversas formas en la construcción de alcantarillas para el drenaje de las carreteras. Para tubos de metal corrugado (acero galvanizado) se hacen en diámetros que varían en 8 96 pulgadas y en longitudes que van desde los 20 hasta los 40 pies. Se emplea material de diferentes espesores, por lo general de calibre comprendido entre 16 y 8. Los canales formados en las hojas de metal miden 2 2/3 de pulgada de cresta a cresta, y ½ pulgada de profundidad. El tubo estándar se manufactura flexionando la hija del metal corrugado para darle una forma circular y remachando la junta longitudinal. Los tubos corrugados helicoidales tendrán de preferencia una junta longitudinal cosida con doblez en lugar de una ribeteada. En el campo los tramos de metal corrugado pueden unirse por medio de una camisa o por medio de una banda conector que tiene varias acanaladuras en su longitud, en cada extremo de la banda se remachan ángulos de hierro y se unen por medio de pernos el diámetro de los tubos de metal corrugado tipo es de 8 pies. Este hecho ha conducido al desarrollo de un método de construcción en el cual se utiliza placas 11
de metal corrugado más pesadas y curvas y se unen con pernos entre sí para formar tubos circulares o arcos. La medida estándar es de 13 pies 2 pulgadas de altura y 20 pies 7 pulgadas de claro. Muros Y Alas De Alcantarillas (cabezales)
Los muros principales de las alcantarillas se construyen principalmente para proteger los lados del terraplén contra erosión. Algunas autoridades hacen referencia al muro aguas arriba como “muro de cabeza” y a la de aguas abajo como “muro terminal”. Además de cumplir la función de control de la erosión, los muros sirven para evitar la separación de las alcantarillas formadas por tramos de tubos y para retener el relleno, Guiar la corriente, Permitir un mayor ancho de la vía y por ende, ofrecer mayor seguridad para el conductor. Los materiales más comúnmente empleados en los muros son concreto, mampostería (piedra o grava), y metal. De éstos, el concreto es el de uso más amplio debido a su adaptabilidad a todos los tipos de alcantarilla y por qué se presta a un trato arquitectónico interesante. En la selección del tamaño y tipo de muro que convenga utilizarse en un caso dado, debe considerarse los puntos relativos a la economía. Además, debe dársele alguna importancia a las cuestiones astáticas, pues el muro es la parte principal de la estructura de las alcantarillas promedio que queda visible para el viajero. Por supuesto, no siempre es necesario, y su empleo deberá evitarse donde sea posible, debido a su costo. Los muros son la parte más cara de la instalación de las alcantarillas promedio; el muro deberá hacerse tan pequeño como sea posible y consistente con un diseño adecuado. También, deberá considerarse la seguridad del tránsito para escoger el tipo de muro .Muchos tipos diferentes de muro son utilizados por diversos organismos de carretera; por lo general, cada organismo ha desarrollado diseños estándar que se utilizan siempre que sea posible. Diferentes organizaciones ha dado diversas ilustraciones de instalaciones típicas de los muros empleados con mayor frecuencia. En interés de la seguridad, los organismos de carreteras deberán considerar la colocación de una reja atravesada en el extremo de la alcantarilla si existe peligro de que los vehículos choquen con el muro. Diseño de alcantarillas
En el diseño convencional se evalúan los controles de flujo de entrada y de salida. El tirante de agua a la entrada (tirante del estanque corriente arriba sobre la parte más baja de la entrada) se calcula para el gasto de descarga para el proyecto suponiendo que: 1) rige el control de entrada y 2) que rige el control de salida 12
Entonces el tirante más alto de agua requerida de los dos define el tipo de control y la alcantarilla adquiere la categoría de “control de entrada” o de “control de salida”. Con objeto de hacer expeditos los cálculos se simplifican las suposiciones, y por comparación de los tirantes de entrada, se evita la difícil labor de definir el perfil del flujo real a lo largo del conducto de la alcantarilla no obstante con este método de diseño convencional, no se hace el intento de modificar las condiciones de flujo des-balanceado que pueda existir. La curva de comportamiento de control de entrada representa la capacidad de flujo real de la alcantarilla en tanto que el comportamiento más favorable de la curva de control a la salida es el potencial del conducto de la alcantarilla y estos términos no se logra la capacidad completa del conducto y existe una situación que no es económica. En resumen debemos tener las siguientes Consideraciones hidráulicas: El escurrimiento a través de una alcantarilla generalmente queda regulado por los siguientes factores: Pendiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar. • Pendiente del fondo de la alcantarilla. • Altura de ahogamiento permitido a la entrada. • Tipo de entrada. • Rugosidad de las paredes de la alcantarilla. • Altura del remanso de salida. Todos los factores se combinan para determinar las características del flujo a través de la alcantarilla. •
El estudio de los tipos de flujo a través de las alcantarillas a permitido establecer las relaciones existentes entre la altura del agua a la entrada del conducto, el caudal y las dimensiones de la alcantarilla. Para el diseño de una alcantarilla el proyectista deberá fijar: El caudal de diseño. • La altura de agua permisible a la entrada. • La altura de agua a la salida. • La pendiente con la se colocara el conducto. • Su longitud. • El tipo de entrada. • Longitud y tipos de transiciones. • La velocidad del flujo permisible a la salida. Consideraciones de diseño. •
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Las siguientes consideraciones para el diseño de una alcantarilla son 1. Son diseñados para presión hidrostática interna mínima, es decir, el gradiente hidráulico está un poco por encima de la parte superior del tubo y a veces dentro del tubo mismo. 2. La elección del diámetro de la alcantarilla, se hace en función del caudal de tal forma que no sobrepase la velocidad admisible, se puede usar la tabla 1. con la tabla 1 se puede definir el diámetro para: Una velocidad máxima admisible de 1.06 m/seg (3.5 pies/seg ), para una alcantarilla con transición en tierra tanto en la entrada como para la salida. Una velocidad máxima admisible de 1.5 m/seg (5.0 pies/seg), para una alcantarilla con transición de concreto, tanto para la entrada como para la salida. 3. La máxima elevación del nivel del agua en la entrada de la alcantarilla es igual al diámetro de la tubería mas 1.5 la carga de velocidad en la alcantarilla, es decir: D +1.5hv Donde: hv
=
v2 2 g
4. la pendiente mínima de la alcantarilla es de 0.005 (S0 = 5o/oo). 5. Cobertura de tierra mínima entre la corona del camino y el tubo: En carreteras principales y ferrocarriles cobertura mínima de 0.90 m. (3 pies). En carreteras de fincas (parcelas) coberturas mínima de 0.60 m. (2pies). 6. Talud a la orilla del camino 7. Las transiciones reducen las pérdidas de carga y previene la erosión, disminuyendo los cambios de velocidad.
14
Las transiciones pueden hacerse de concreto, tierra y suelo-cemento. TABLA N° 1. Datos para la selección de diámetro de tuberías
Las transiciones de concreto son necesarias en los siguientes casos: 7.1. En los cruces de ferrocarriles y carreteras principales. 7.2. En las alcantarillas con diámetro mayor de 36 pulg. (91.44 cm.). 7.3. En las alcantarillas con velocidades mayores de 1.06 m/seg (3.5 pies/seg.). La pendiente máxima de transición admite un talud de 4:1. TRANSICION DE TIERRA VMAX = 1.06 m/seg CAUDAL
TRANSICION DE
TUBERIAS
CONCRETO
VMAX = 1.52 m/seg CAUDAL
Diámetr Diámetr o o (pulg.) (cm.)
ÁREA
(m /seg.)
(m /seg.)
0 – 0.076
0 – 0.110
12
30.48
0.073
0.077 – 0.112
0.111 – 0.173
15
38.10
0.114
0.113 – 0.176
0.174 – 0.249
18
45.72
0.164
0.177 – 0.238
0.250 – 0.340
21
53.34
0.223
0.239 – 0.311
0.341 – 0.445
24
60.96
0.292
0.312 – 0.393
0.446 – 0.564
27
68.58
0.369
0.394 – 0.487
0.565 – 0.694
30
76.20
0.456
0.488 – 0.589
0.695 – 0.841
33
83.82
0.552
0.590 – 0.699
0.842 – 1.000
36
91.44
0.656
0.700 – 0.821
1.001 – 1.175
39
99.06
0.771
0.822 – 0.954
1.176 – 1.362
42
106.68
0.894
0.955 – 1.096
1.363 – 1.563
45
114.30
1.026
1.097 – 1.246
1.564 – 1.778
48
121.92
1.167
1.247 – 1.407
1.779 – 2.008
51
129.54
1.318
1.408 – 1.578
2.009 – 2.251
54
137.16
1.478
1.579 – 1.756
2.252 – 2.509
57
144.78
1.646
1.757 – 1.946
2.510 – 2.781
60
152.40
1.824
1.947 – 2.146
-
63
160.02
2.011
2.147 – 2.356
-
66
167.64
2.207
2.357 – 2.574
-
69
175.26
2.412
2.575 – 2.803
-
72
182.88
2.626
3
3
(m2)
8.
Collares que incrementan la longitud del movimiento del agua a través del exterior del tubo. 9. Las perdidas asumidas son de 1.5 veces la carga de velocidad en la tubería mas las perdidas por fricción.
15
10.
Para el cálculo de las alcantarillas funcionando llenas, se pueden usar las siguientes formulas, en el sistema ingles: 2 2 2.5204(1 + K e ) 466.18n L Q H T = * + 16 10 D 4 3 D
donde: HT = carga (pies). Ke = coeficiente de pérdidas a la entrada. D = diámetro de la tubería (pies) n = coeficiente de rugosidad. L = longitud de la alcantarilla (pies). Q = caudal (pie3/seg.). Se han determinado por medio de experimentos, para diferentes condiciones de entrada, valores de Ke, los cuales varían en la forma que se indica: Tipo De Entrada Para entradas con aristas rectangulares, instaladas al ras en los muros de cabezas verticales Para entradas con aristas redondeadas, instaladas al ras en los muros de cabeza verticales r/D ≥ 0.15 Para tubo de concreto de espiga o de campana instalado al ras en el muro de cabeza vertical. Para tubo de concreto salientes con extremo de espiga o campana Para tubos de acero o de metal ondulado.
Variación 0.43 – 0.70
Promedio 0.50
0.08 – 0.27
0.10
0.10 – 0.33
0.15 0.20
0.50 – 0.90
0.85
PROCEDIMIENTOS DE CÁLCULO. Un proceso simplificado para el diseño de una alcantarilla, cuyos parámetros se indican en la figura 2, es como sigue: 16
Ancho de Camino F
NAEA
1
E
Cobertura
y
H
NASA
Z
h
1.5 hv
T1
So = 0.005 mín
D
D A C
B
L1
L
3D o 5' mín
L2 4D o 5' mín
1. Calcular las dimensiones del canal, definir las dimensiones y parámetros hidráulicos del canal. 2. Calcular las dimensiones de la alcantarilla, con el caudal conocido usando la tabla 1, determinar el diámetro de la alcantarilla, recordar que para su transición de tierra elegir: v = 1.06 m/seg. y para una transición de concreto elegir v = 1.52 m/seg. 3. Calcular el área A con el diámetro elegido: A = Π
D
2
4
4. Calcular la velocidad en el conducto para el caudal dado y el área calculada: v
Q =
A
5. Calcular la carga de velocidad en la alcantarilla: hv
v =
2
2 g
6. Calcular la elevación del nivel de agua a la entrada de la alcantarilla: NAEA = Cota A + y 17
Donde: NAEA = Elevación del agua en el canal a la entrada de la alcantarilla. Cota en A = Cota del fondo del canal antes de la transición. y = Tirante en el canal. 7. Calcular cotas: Cota B = NAEA – 1.5hv – D Cota F = Cota B + D + Cobertura Cota E = Cota A + H Donde: Cota B = elevación del fondo de la tubería al inicio de la alcantarilla. Cota F = elevación de la carretera o fondo del canal a atravesar. Cota E = elevación del ancho de corona del canal. H = profundidad del canal (incluye borde libre). Cobertura = profundidad de cobertura de la alcantarilla. 8. Calcular la longitud de la alcantarilla: L = 2 * Z * (Cota F – Cota E) + ancho del camino. Esta longitud se redondea de acuerdo a un múltiplo de longitud de tuberías que existe en el mercado. 9. Calculara caída de la tubería: ∆
Z = L * S0
Donde: ∆Z = diferencia de cotas, al inicio y al final de la alcantarilla. L = longitud de la tubería. S0 = pendiente de la tubería. S0min = 0.005 10. Calcular Cota C: Cota C = Cota B - ∆Z Donde: Cota C = elevación del fondo al final de la alcantarilla. 11. Calcular la pendiente de la línea de energía:
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vh S E = 2 3 R
2
12. Calcular hfE: hfE = L * SE 13. Calculo ht1: ht1 = 1.5hv + hf E 14. Calcular el nivel del agua a la salida de la alcantarilla, NASA: NASA = NAEA - ht1 15. Calculo de la Cota en D: Cota D = NASA – y Donde: Cota D = elevación del fondo del canal después de la alcantarilla. y = tirante en el canal. 16. Calcular las longitudes de las transiciones: L1 = 3D o 5′ mínimo. L2 = 4D o 5′ mínimo. Se puede utilizar también la ecuación de Hinds: L
=
T −t 2tg 22.5°
17. Calcular el talud de la transición: Z
=
L Elev. A
Elev. B
−
Verificar que sea menor que el talud 4:1, es decir que Z ≥ 4. 18. Calcular las pérdidas reales hT2: La ecuación en el sistema ingles es: hT 2
2 2 2.5204(1 + K e ) 466.18n L Q = + * 16 10 D 4 3 D
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donde: hT2 = carga (pies). Ke = coeficiente de pérdidas a la entrada. D = diámetro de la tubería (pies) n = coeficiente de rugosidad. L = longitud de la alcantarilla (pies). Q = caudal (pie3/seg.).
VII.-APLICACION DATOS: 6.00 m Camino
F
NAEA
1
E
Cobertura = 0.60 m
NASA
1.5
h y
H
1.5 hv
D
T1
So = 0.005 mín D
A C
B
L1 3D o 5' mín
L
L2 4D o 5' mín
CANAL ALCANTARILLA 3 Q = 0.50 m /s n = 0.80 m b = 0.80 m S = 5 O/OO mínimo Z=1 L1 = 3D o 5’ mínimo n = 0.25 L2 = 4D o 5’ mínimo O S = 5 /OO Cota A = 105.50 m.s.n.m. 1. Dimensiones y parámetros hidráulicos del canal. 2. Calcular las dimensiones de la alcantarilla, con el caudal conocido usando la tabla 1, determinar el diámetro de la alcantarilla, recordar que para su
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transición de tierra elegir: v = 1.06 m/seg. y para una transición de concreto elegir v = 1.52 m/seg. 3. Calcular el área A con el diámetro elegido: Sea D=1.143m (valor encontrado en la tabla) D 2 A = Π =1.026m 4 2
4. Calcular la velocidad en el conducto para el caudal dado y el área calculada: Q 3 2 v =0.50 m /s/1.026m = 0.49m/s A =
5. Calcular la carga de velocidad en la alcantarilla: v hv =(0.49m/s) 2/2(9.81m/s2)=0.0122m 2 g 6. Calcular la elevación del nivel de agua a la entrada de la alcantarilla: Para y=3/4D 2
=
NAEA = Cota A + y NAEA=105.50 m. + 0.857m =106.36m Donde: NAEA = Elevación del agua en el canal a la entrada de la alcantarilla. Cota en A = Cota del fondo del canal antes de la transición. y = Tirante en el canal. 7. Calcular cotas: Cota B = NAEA – 1.5hv – D =106.36m-(1.5*0.0122m)- 1.143m =105.197m.s.n.m Cota F = Cota B + D + Cobertura=106.34 +1.143+0.60 =108.083 Cota E = Cota A + H=105.50 + 1.157=106.660ms.nm Donde: Cota B = elevación del fondo de la tubería al inicio de la alcantarilla. Cota F = elevación de la carretera o fondo del canal a atravesar. Cota E = elevación del ancho de corona del canal. H = profundidad del canal (incluye borde libre). Cobertura = profundidad de cobertura de la alcantarilla.
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8. Calcular la longitud de la alcantarilla: L = 2 * Z * (Cota F – Cota E) + ancho del camino. L=2*1(108.083-106.660) +6.00=8.846m Esta longitud se redondea de acuerdo a un múltiplo de longitud de tuberías que existe en el mercado. 9. Calculara caída de la tubería: ∆
Z = L * S0 =8.846m*0.005=0.044
donde: ∆Z = diferencia de cotas, al inicio y al final de la alcantarilla. L = longitud de la tubería. S0 = pendiente de la tubería. S0min = 0.005 10. Calcular Cota C: Cota C = Cota B - ∆Z= 106.34m.s.n.m - 0.044=106.296msnm Donde: Cota C = elevación del fondo al final de la alcantarilla. 11. Calcular la pendiente de la línea de energía: vh S E = 2 3 R
2
=(0.0122m/0.5122/3) 2=0.0194
12. Calcular hfE: hfE = L * SE =8.846m*0.0194=0.172 13. Calculo ht1: ht1 = 1.5hv + hfE= (1.5*0.0122m)+0.172=0.1903 14. Calcular el nivel del agua a la salida de la alcantarilla, NASA: NASA = NAEA - ht1=106.36m -0.1903m=106.17m
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15. Calculo de la Cota en D: Cota D = NASA – y=106.17-0.857m=105.313 Donde: Cota D = elevación del fondo del canal después de la alcantarilla. y = tirante en el canal. 16. Calcular las longitudes de las transiciones: L1 = 3D o 5′ mínimo.=3*1.143m=3.429 L2 = 4D o 5′ mínimo.=4*1.143=4.572 L1 = 5′= 16.40 m. Y L2 = 5′= 16.40 m.
→
Calcular el talud de la transición: Z
=
L Elev. A
= Elev. B
−
8.846 105.50
−105.197
= 29.198 ≥ 4. OK.
17. Calcular las pérdidas reales hT2: La ecuación en el sistema ingles es: hT 2
hT 2
2 2 2.5204(1 + K e ) 466.18n L Q = + * 16 10 D 4 3 D
2 2 2.5204(1 + 0.50 ) 466 .18 * 0.80 * 8.846 0.50 = + * 4 16 10 = 1.143 3 1.143
3.24 OK.
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VI.-ANALISIS
Y DISCUSION
Después de haber tenido conocimiento sobre el tema acerca de criterios para el diseño de alcantarillas en caminos vemos que también es importante la experiencia del profesional que va a realizar dicho diseño ya que algunas veces los datos a considerar no siempre cumplen con los requisitos o lo establecidos según las normas. Como vemos antes de diseñar una alcantarilla se tendría que ver el tipo de alcantarilla que se va a utilizar ya que de eso depende el diseño una vez escogido el tipo de alcantarilla recién empezaríamos con el diseño de esta.
En concordancia con el fundamento teórico podemos decir básicos más importantes para el drenaje de carreteras son: • •
• • •
•
que los
objetivos
pasar con seguridad toda la cantidad de descarga que cruce el camino remover el agua fuera de la superficie de la carretera, sin hacer daño a la carretera y su estructura prevenir impactos negativos al ambiente a los lados de la carretera reducir al mínimo los cambios al patrón de drenaje natural disminuir o reducir al mínimo la velocidad del agua y la distancia que el agua tiene que recorrer remover el agua subterránea que se encuentre, cuando sea necesario.
Como vemos en el estudio de nuevas carreteras el aspecto más importante es la ubicación y el diseño del sistema hidráulico por el impacto ambiental, costo de construcción, mantenimiento y rehabilitación. Finalmente podríamos decir que el éxito del diseño hidráulico radica, por consiguiente, en proveer una estructura con capacidad de descarga, con una cierta cantidad de agua dentro de los límites establecidos de elevación del nivel de las aguas y de velocidad. Cuando la altura y la descarga han sido determinadas, la finalidad del diseño es proporcionar la alcantarilla más económica, la cual será, que con menor sección transversal satisfaga los requerimientos de diseño.
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VII.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En síntesis, el diseño de alcantarillas consiste en determinar el tipo de sección, material y embocadura de alcantarilla que, para la longitud y pendiente que posee, sea capaz de evacuar el caudal de diseño, provocando un nivel de agua en la entrada que no ponga en peligro de falla estructural, ni funcional la estructura que se desea atravesar optimizando los recursos disponibles. Es decir, buscar la solución técnico-económica más conveniente.
El procedimiento para el diseño de alcantarillas no sigue un camino único y exacto, sino que, por el contrario, es iterativo. La solución óptima no existe, sino que existen un conjunto de alternativas que resuelven el problema planteado. Además de los factores mencionados, puede variarse la ubicación y posición de la alcantarilla, lo cual modifica longitudes y pendiente, etc. El criterio y buen juicio del Ingeniero darán la última palabra.
Este trabajo nos ha permitido conocer los criterios que se deben considerar al momento de realizar el diseño de una alcantarilla
Se han logrado cumplir con los objetivos propuestos al inicio del informe.
Se debe recolectar la mayor cantidad de información sobre la zona donde se piensa realizar la alcantarilla ya que esto facilitaría al momento de tomar los criterios necesarios para su diseño.
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VIII.-BIBLIOGRAFIA 1. Rühle, F. (1966). “Traducción y Adaptación de los Gráficos Hidráulicos para el diseño de Alcantarillas preparados por el Bureau of Public Roads – EEUU, 1964”. Dirección Nacional de Vialidad. 2. Cátedra de Transporte II. (1992). “Diseño geométrico de caminos, Cap III:Drenaje”. F.C.E.F. y N. – U.N.C. 3. Carciente, Jacob (1985). “Carreteras: estudio y proyecto”. Ed. Vega, Caracas Office of Technology Applications (1999). “Hydrain Integrated Drainage Design.
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