3.1 diseño de alcantarillas teoria

7/23/2019 3.1 Diseo de Alcantarillas Teoria

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INGENIERA CIVIL

1

UNIVERSIDAD NACIONAL Jos Faustino Snchez Carrin

!IDRA"LICA DE ALCAN#ARILLAS

I$ IN#RODUCCI%N&

Este trabajo tiene por objetivo presentar los principios hidrulicos fundamentales que

estn presentes en el diseo de alcantarillas, y desarrollar una metodologa de diseo

adecuada a las necesidades del proyectista.

Una alcantarilla es una estructura que tiene por objetivo principal sortear un obstculo al

paso del agua. En la mayora de los casos se aplican al diseo vial, es decir, cuando el

ujo es interceptado por un camino u otro tipo de vas.

!uando se reali"a el diseo geom#trico de un camino, el mismo, normalmente se

interpone en el movimiento natural de escurrimiento de las aguas de la "ona deempla"amiento.

En la ladera de una montaa, se interpone en el camino de escurrimiento de las aguas

que bajan por la montaa. !uando atraviesan un arroyo, un ro, o cualquier otro canal, y

a$n en los paisajes ms llanos la topografa del terreno obliga variar el movimiento del

agua en alguna direcci%n. El camino, en la mayora de los casos constituye un verdadero

obstculo al paso del agua.

&sumiremos que debemos calcular caudal de diseo de la alcantarilla. El mismo debi%

haber sido calculado, o al menos estimado, con anterioridad. 'ormalmente se adopta

para la alcantarilla el caudal producido por una tormenta con un tiempo de retorno de ()a )* aos, dependiendo bsicamente del grado de daos que podra ocasionar una falla

funcional de la alcantarilla.

+ambi#n se asume en este trabajo que se conocen las caractersticas geom#tricas del

obstculo que atraviesa la alcantarilla. or ejemplo, se conoce la altura del terrapl#n del

camino que se va a atravesar. &dems, deben ser tenidos en cuenta otros factores, como

por ejemplo el paquete estructural del camino, que incluye capas de distintos materiales

y densidades.

En general, conviene evitar el contacto del agua con el paquete estructural. or esta

ra"%n se e-ige que el nivel del agua a la entrada de la alcantarilla no supere un ciertolmite asociado a la conservaci%n fsica del camino.

or otro lado, es importante considerar la resistencia de la alcantarilla para que pueda

soportar el peso de la tapada de tierra que la conna. Esto podra condicionar el material

empleado en la alcantarilla. !on esto quiere ponerse de maniesto que e-isten varios

factores que se condicionan el dimensionamiento hidrulico de las alcantarillas, factores


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(


que se anali"an a cada caso en particular, y que estn fuertemente ligados a la

e-periencia del proyectista.

Es evidente que en toda obra de ingeniera se procura ma-imi"ar la relaci%n benecio /

costo, por lo que el factor econ%mico desempea un rol principal en la selecci%n de laalcantarilla mas adecuada al problema planteado.

or $ltimo, cabe mencionar que los casos atendidos en este trabajo corresponden a las

situaciones que se presentan ms com$nmente en el diseo, en lo que respecta al

material y forma de las alcantarillas. !ualquier modicaci%n sobre la misma deber ser

contemplada con el criterio adecuado, o bien, consultado en bibliografa ms especca.

En este sentido se asume que todas las alcantarillas tienen secci%n transversal uniforme,

con forma circular, ovalada o b%veda, tanto de hormig%n como metlicas0 y de secci%n

rectangular, s%lo de hormig%n. a entrada puede consistir en el conducto de la

alcantarilla prolongado fuera del terrapl#n 2embocadura saliente3, o cortado en bisel,seg$n la pendiente de los taludes.

&lgunas alcantarillas tienen muros de cabecera, de ala y plateas de entrada, o entradas

4standard5 metlicas, o de hormig%n.

En sntesis, el diseo de alcantarillas consiste en determinar el tipo de seccin, material y

embocadura de alcantarilla que, para la longitud y pendiente que posee, sea capa" de

evacuar el caudal de diseo, provocando un nivel de agua en la entrada que no ponga en

peligro de falla estructural, ni funcional la estructura que se desea atravesar optimi"ando

los recursos disponibles. Es decir, buscar la soluci%n t#cnico/econ%mica ms conveniente.

!omo se ver mas adelante, el procedimiento para el diseo de alcantarillas no sigue un

camino $nico y e-acto, sino que, por el contrario, es iterativo. a soluci%n %ptima no

e-iste, sino que e-isten un conjunto de alternativas que resuelven el problema planteado.

&dems de los factores mencionados, puede variarse la ubicaci%n y posici%n de la

alcantarilla, lo cual modica longitudes y pendiente, etc. El criterio y buen juicio del

6ngeniero darn la $ltima palabra.

II$ 'ENERALIDADES

as alcantarillas son conductos que pueden ser de secci%n circulares o de marco 2cuadradas

o rectangulares3 usualmente enterradas, utili"adas en desag7es o en cruces con carreteras,

pueden uir llenas o parcialmente llenas dependiendo de ciertos factores tales como8

dimetro, longitud, rugosidad y principalmente los niveles de agua, tanto a la entrada como

a la salida. Es as como desde el punto de vista prctico, las alcantarillas se han clasicado


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en funci%n de las caractersticas del ujo a la entrada y a la salida de la misma. :eg$n las

investigaciones de laboratorio, se dice que la alcantarilla no se sumerge si la carga a la

entrada es menor que un determinado valor crtico denominado ;, cuyo valor vara de ($) Da ($* Dsiendo Del dimetro o altura de la alcantarilla.

III$ DEFINICI%N

as alcantarillas son estructuras de cruce, que sirven para conducir agua de un canal o un

dren, por debajo de un camino u otro canal.


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=


IV$ CONSIDERACIONES!IDR+ULICAS

El escurrimiento a trav#s de una alcantarilla

generalmente queda regulado por los siguientes factores8

endiente del lecho de la corriente aguas arriba y aguas abajo del lugar.

endiente del fondo de la alcantarilla.

&ltura de ahogamiento permitido a la entrada.

+ipo de entrada.

>ugosidad de las paredes de la alcantarilla.

&ltura del remanso de salida.

+odos los factores se combinan para determinar las caractersticas del ujo de la alcantarilla.

El estudio de los tipos de ujo a trav#s de las alcantarillas ha permitido establecer las

relaciones e-istentes entre la altura de agua a la entrada del conducto, el caudal y las

dimensiones de la alcantarilla.

ara el diseo de una alcantarilla el proyectista deber jar8

El caudal de diseo.

a altura de agua permisible a la entrada.

a altura de agua a la salida.

a pendiente con que se colocar el conducto.

:u longitud. El tipo de entrada.

ongitud y tipo de transiciones

a velocidad del ujo permisible a la salida


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)


V$ CONSIDERACIONES DE DISE,O

as siguientes consideraciones para el diseo de una alcantarilla son proporcionadas por el

?U>E&U @A >E!&B&+6@'.

1. as alcantarillas son diseadas para una presi%n hidrosttica interna mnima, es decir,

el gradiente hidrulico est un poco por encima de la parte superior del tubo y a veces

dentro del tubo mismo.(. a elevaci%n del dimetro de la alcantarilla, se hace en funci%n del caudal de tal forma

que no sobrepase la velocidad admisible, se puede usar la siguiente tabla. !on esta

tabla de puede denir el dimetro para los siguientes casos8


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C


Una velocidad m-ima admisible de 1.*C mDs 29.) piesDs3, para una alcantarilla con

transici%n en tierra, tanto a la entrada como para las salida. Una velocidad m-ima admisible de 1.) mDs 2) piesDs3, para una alcantarilla con

transici%n de concreto, tanto para la entrada como para la salida.

9. a m-ima elevaci%n del nivel del agua en la entrada de la alcantarilla es igual al

dimetro de la tubera ms 1.) la carga de velocidad en la alcantarilla es decir8

D+1.5hv

onde8


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F


hv=v

2

2g

=. a pendiente mnima de la alcantarilla es de *.**) 2 So=50 /00 3

). !obertura de tierra mnima entre la corona del camino y el tubo8

En carretera principales y ferrocarriles coberturas mnimas de *.G* m 29pies3.

En carreteras de ncas 2parcelas3 coberturas mnimas de *.C* m 2(pies3.

C. +alud a la orilla del camino8 1.5 : 1F. as transiciones reducen las p#rdidas de carga y previenen la erosi%n disminuyendo

los cambios de velocidad.as transiciones pueden hacerse de concreto, tierra y suelo / cemento.as transiciones de concreto son necesarias en los siguientes casos8

En los cruces de ferrocarriles y carreteras principales.

En las alcantarillas son dimetro mayor a 9C pulg. 2G1.== cm3.

En las alcantarillas con velocidades mayores de 1.*C mDs 29.) piesDs3.a pendiente m-ima de la transici%n admite un talud de =81

H. !ollares que incrementan la longitud del movimiento del agua a trav#s del e-terior del

tubo.G. as p#rdidas asumidas son 1.) veces la carga de velocidad en la tubera ms las

p#rdidas por fricci%n.

hT1=1.5hv+hfE.(1)

1*.ara el clculo de las p#rdidas en las alcantarillas funcionando llena, se puede usar la

siguiente f%rmula, en el sistema m#trico decimal8

hT2=Q2(0.0828 (1+Ke)D4 + 10.2907n

2L

D16 /3 ) IIII2(3

onde8

hT2=carga,enm.

Ke=coeficiente de prdidas a laentrada.

D=dimetro delatubera, enm .

n=coficiente de rugosidad .

L=longitud dela alcantarilla , enm .


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H


Q=caudal,enm3/s

:e han determinado valores e-perimentados deKe para las diferentes condiciones

de la entrada, los cuales varan en la forma que se indica8

VI$ -ROCEDI.IEN#O DE C+LCULO

Un procedimiento simplicado para el diseo de una alcantarilla, cuyos parmetros se

indican en esta gura, es como sigue8


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G


1.!alcular las dimensiones del canal, es decir, denir sus dimensiones y parmetroshidrulicos.

2. !alcular las dimensiones de la alcantarilla, para esto, con el caudal conocido, usando

la tabla anterior, determinar el dimetro de la alcantarilla, recordar que para una

transici%n de tierra elegir v=1.065m/ s y para una transici%n de concreto elegir

v=1.52m / s .

3. !alcular el rea & con el dimetro elegido8

!=" D

2

4

4. !alcular la velocidad en el conducto, para esto, con el caudal dado y el rea calculada,usar la ecuaci%n de continuidad8

v=Q

!

5. !alcular la carga de velocidad en la alcantarilla8


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1*


hv=v

2

2g

6. !alcular la elevaci%n del nivel de agua a la entrada de la alcantarilla8

#!E!=elevaci$ndel nivel de agua enel canal , ala entrada dela alcantarilla .

%ota !=cota de fondodel canal antes de la transici$n

&=tirante enel canal .

7. !alcular cotas8

%ota'=#!E!1.5hD

%ota(=%ota'+D+cobertura

%ota E=%ota !+)

onde8%ota'=elevaci$n del fondo de la tuberaalinicio de la alcantarilla.

%ota(=elevaci$n dela carretera, o fondodel canal atravesar .

%ota E=elevaci$ndel ancho decorona del canal .

)=profundidad del canal(inclu&eborde libre)

%obertura=profundidad de cobertura de la alcantarilla

8. !alcular la longitud total de la alcantarilla8

L=2*+* (%ota(%otaE )+anchodelcamino

Don/e&+ talud del camino

Esta longitud se redondea de acuerdo a un m$ltiplo de la longitud de tuberas que

e-isten en el mercado.

9. !alcular cada en la tubera8 +=L So

onde8

+=diferenciade cotas , alinicio & al final dela alcantarilla.

L=Longitud de la tubera .


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11


So=pendiente de latubera.

Somin=0.005

10. !alcular !ota !8%ota%=%ota' +

onde8%ota%=elevaci$n del fondo al final dela alcantarilla .

11. !alcular la pendiente de la lnea de energa8

SE=

(

vn

-

2/3

)

2

12. !alcularhfE 8

hfE=L SE

13. !alcular las p#rdidas asumidashT1 , usando la ecuaci%n8 213

hT1=1.5hv+hfE

14. !alcular el nivel del agua a la salida de la alcantarilla, '&:&

#!S!=#!E!hT1

15. !alcular cota en 8

%otaD=#!S!&

onde8

%otaD=elev aci$n del fondo del canal despus de laalcantarilla .


16. !alcular las longitudes de las transiciones8


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1(


L1=3D o5 min

L2=4D o5 min

:e puede utili"ar tambi#n la ecuaci%n de ;inds8

L= Tt

2tan 22.5/

17. !alcular el talud de la transici%n8

+= L

Elev . !Elev . '

Jericar que sea menor que el talud =81, es decir que + 04

18. !alcular las p#rdidas realeshT2 , usando la ecuaci%n 2(38

Esta ecuaci%n en el sistema m#trico decimal, es8

hT2=Q2(0.0828 (1+Ke)D4 + 10.2907 n

2L

D16 /3 )

onde8

hT2=carga,enm.


D=dimetro dela tubera , enm .

n=coeficientede rugosidad .

L=longitud dela alcantarilla, enm .

Q=caudal,enm

3

s .


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19


19. Jericar quehT21 hT1

EJE.-LO DE C+LCULO DE DISE,O !IDR+ULICO DE UNA ALCAN#ARILLA$

isear una alcantarilla similar a la que se mostro en la gura anterior que permita el cruce

del canal, con un camino y cuyos parmetro se indican

Datos /e0 cana0

Q=0.50m3/s

b=0.80m .

+=1


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1=


n=0.025

S=0.0005

Datos /e 0a a0cantari00a 1ar e0 cruce /e un ca2ino 1arce0ario

n=0.014

S=0.005mnimo

L1=3D $5 mnimo

L2=4D $5 mnimo

!ncho del camino=6.00m

2endiente a la orilla del camino=1.5:1

Elevaci%n en AK1*).)* 2de acuerdo al plano topogrco3

Solucin:


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1)


1. !alcular las dimensiones del canal, es decir, denir sus dimensiones y parmetros

hidrulicos.

Q=0.50m3

/s

b=0.80m .

+=1

n=0.025

S=0.0005

+irante 2L38

(0.8&+&2)5/3

(0.8+2& 2)2/3=

0.0125

0.00051/2

(0.8&+&2)5/3

(0.8+2& 2)2/3=0.5591

tabulando :

y A2y3*.F*CF9 *.))G*GC*.F*CF= *.))G111


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1C


*.F*CF) *.))G1(F*.F*CFC *.))G1=(

!=(0.8&+&2

)=0.80.7067+0.70672

=1.0647m2

p=(0.8+2& 2 )=0.8+20.70672=2.7988m

-=!

p=

1.0647

2.7988=0.3804m

v=Q

!=

0.5

1.0647=0.4696m / s

(=

v

g& =

0.4696

9.811.0647

2.2134

=0.2162

E=&+v

2

2g=0.7067+

0.46962

29.81 K*.F1FG m/MgDMg

2. !alcular las dimensiones de la alcantarilla, para esto, con el caudal conocido, usando

la tabla anterior, determinar el dimetro de la alcantarilla, recordar que para una

transici%n de tierra elegir v=1.065m/ s y para una transici%n de concreto elegir

v=1.52m / s .


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1F


+omando v=1.52m / s para transiciones de concreto8

K 9* pulgadas K *.FC( m

3.!alcular el rea & con el dimetro elegido8

!=" D

2

4="

0.7622

4=0.456m2

4. !alcular la velocidad en el conducto, para esto, con el caudal dado y el rea calculada,

usar la ecuaci%n de continuidad8

v=Q

!=

0.5

0.456=1.10

m

s .

5. !alcular la carga de velocidad en la alcantarilla8

hv=v

2

2g=

1.102

29.81=0.0617

6. !alcular la elevaci%n del nivel de agua a la entrada de la alcantarilla8#!E!=elevaci$ndel nivel de agua enel canal , ala entrada dela alcantarilla .


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1H


%ota !=cota de fondo del canal antes de la transici$n K 1*).)* m

&=tirante enel canal . K *.F*CF m

#!E!=105.50+0.7067=106.2067m

7. !alcular cotas8

%ota'=#!E!1.5hvD

%ota'=106.20671.50.06170.762=105.3522m

%ota(=%ota'+D+cobertura

%ota(=105.3522+0.762+0.60=106.7142m

%ota E=%ota !+)

+omando el borde libre de canal de *.9* m%ota E=105.50+0.7067+0.30=106.5067m

onde8%ota'=elevaci$n del fondo de la tuberaalinicio de la alcantarilla .

%ota(=elevaci$n dela carretera, o fondodel canal atravesar .

%ota E=elevaci$ndel ancho decorona del canal.

)=profundidad del canal(inclu&eborde libre)

%obertura=profundidad de cobertura de la alcantarilla

8. !alcular la longitud total de la alcantarilla8

L=2* + * (%ota (%ota E )+ancho del camino

Don/e&


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1G


+ talud del camino

Esta longitud se redondea de acuerdo a un m$ltiplo de la longitud de tuberas que

e-isten en el mercado.

L=2*1.5* (106.7142106.5067 )+6.00 34$4))* 2

9. !alcular cada en la tubera8 +=L So

onde8

+=diferenciade cotas , alinicio & al final dela alcantarilla .

L=Longitud de latubera.

So=pendiente de latubera.

Somin=0.005

+=6.62250.005=0.0331m

10. !alcular !ota !8%ota%=%ota' +

onde8%ota%=elevaci$n del fondo al final dela alcantarilla .

%ota%=105.35220.0331=105.3191m

11. !alcular la pendiente de la lnea de energa8

SE=( vn-2/3 )2


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(*


SE=

(

1.10.014

(0.762

4)2 /3

)

2

=0.0022

12. !alcularhfE 8

hfE=L SE

hfE=6.62250.0022=0.00137

13. !alcular las p#rdidas asumidashT1 , usando la ecuaci%n8 213

hT1=1.5hv+hfE

hT1=1.50.0617+0.00137=0.0939

14. !alcular el nivel del agua a la salida de la alcantarilla, '&:&

#!S!=#!E!hT1

#!S!=106.20670.0939=106.1128m

15. !alcular cota en 8

%otaD=#!S!&

onde8

%otaD=elevaci$n del fondo del canal despus de la alcantarilla .


%otaD=106.11280.7067=105.4061

16. !alcular las longitudes de las transiciones8


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(1


L1=3D o5 min K 9N *.FC( K(.(HC m

L2=4D o5 min K =N *.FC( K9.*=H m

:e puede utili"ar tambi#n la ecuaci%n de ;inds8

L= Tt

2tan 22.5/

L=2.21340.762

2tan 22.5/ =1.75m

17. !alcular el talud de la transici%n8

+= LElev . !Elev . '

Jericar que sea menor que el talud =81, es decir que + 04

+= 1.75

105.5105.3522=11.8

18. !alcular las p#rdidas realeshT2 , usando la ecuaci%n 2(38

Esta ecuaci%n en el sistema m#trico decimal, es8

hT2=Q2(0.0828 (1+Ke)D4 + 10.2907 n

2L

D16 /3 )

hT2=0.52(0.0828 (1+0.15)0.7624 + 10.29070.014

26.62250.762

16/3 )=0.0848

onde8

hT2=carga,enm.


D=dimetro dela tubera , enm .


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n=coeficientede rugosidad .

L=longitud dela alcantarilla , enm .

Q=caudal,enm

3

s .

19. Jericar quehT21 hT10.084810.0939

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