5 diseno hidraulico alcantarillas

8/9/2019 5 Diseno Hidraulico Alcantarillas

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Drenajetransversal de la

carreteraDrenaje VIal

Ing. Vicente Tinoco MSc.



Alcantarillas Aspectos generales (Diapositivas de introducción)

Ubicación, alineación y gradiente

Elección del tipo de alcantarilla

Diseño hidráulico Características del flujo y variables de diseño

Diseño de entradas y salidas

Alcantarillas con control de entrada

Alcantarillas con control de salida

Selección del tamaño de la alcantarilla

Contenido



Aspectos generales de alcantarillas

Alcantarillas son conductos cerrados(circulares o rectangulares) cuya función es

transitar, de forma transversal y bajo laplataforma de la carretera, el aguasuperficial que escurre por cauces naturaleso desde las cunetas. También sirven paradrenar zonas inundables.

Se defina a alcantarilla cuando la luz esmenor a 6 m.

Luces mayores se tratan como puentes

Alcantarilla circular:

1200mm ≤Diámetro ≤ 2400mm

Mínima sección rectangular:

1 m x 1m

Vía Cuenca-Biblian. KM: 2+900

Vía Cuenca-Biblian. KM: 13+250

Cabezal

Ducto

Muro de

ala

Boca de entrada y/o salida



Datos para diseño Características topográficas del lugar:

Perfil longitudinal del cauce del cauce mínimo 30 m aguas

arriba y 30 m aguas debajo de la obra de la obra de arte. Consecciones transversales cada 50 o 20 m según cuanirregular/meándrico sea el cauce.

Diseño hidrológico. Según el área de aporte de la cuencaescoger el método, como discutido en las clases respectivas.

Datos de crecidas:Tienen la finalidad ser referencia para la calibración del modelo. Encaso de la cuenca no sea monitoreada, constatar en campo caladosmáximos de agua en la sección de diseño. Testimonios de personaslocales son muy útiles. Se comprobara los caudales calculando elcalado en la sección de control.

2/13/21

oh S ARn

Q

hn

Cálculo de calado se realiza con

ec. de Manning

Sección irregular, difícil cálculo

de hn. Dos alternativas:

Simplificar sección a una regular,

o emplear un modelomatemático. Ejm: HEC-RAS



Ubicación, alineación y gradiente delas alcantarillas

La mejor ubicación de la alcantarilla es cuando ésta sigue laalineación y gradiente del cauce. (Figuras en siguientesdiapositivas). Estás tienen un funcionamiento hidráulicoóptimo y buenas condiciones de transporte de sedimentos.

No siempre es posible seguir la alineación y gradiente caucenatural por las características de la vía; y porque en muchas

casos, esto implicará costos muy elevados debido a la granlongitud que representan.

Cuando se requiera cambio de dirección y gradiente, se debegarantizar las condiciones hidráulicas mediantes estructurasde entrada y de salida de la alcantarilla.

Se debe jugar con varias alternativas, encontrando unbalance entre costos y garantías de funcionamiento.

La corriente debe cruzar la carretera en la primeraoportunidad. Evitar desvíos conduciendo las aguas paralelasal píe del terraplén. Así se evitará riegos de derrumbes y

deslizamientos.



Ubicación en planta

Eje de

Vía

Cauce de

Quebrada

Eje de

Vía




Eje de

Vía

Cauce de

Quebrada

Eje de

Vía




Eje de

Vía

Mejores soluciones de alineamiento,

caso 1 y 2.



Perfil longitudinal

Fuente: NEVI, 2013



Elección tipo de alcantarilla Forma: Circular o de cajón (rectangular o cuadrada). Dependerá de sección

calculada.

Circular: En muchos casos son prefabricadas y de rápida instalación.1200mm≤D≤2400mm

Alc. de cajón: evacua grandes caudales. Puede acomodarse la sección a laaltura del terraplén. Se construyen in situ. Por lo que habrá que compararcostos con las circulares prefabricadas para la selección. Dimensionesmínimas 1 m x 1m.

Materiales: Hormigón (prefabricado o armado in situ) y acero corrugado.

Factores que influencian en la selección de forma, sección y material de laalcantarilla:

a) Factores físicos y estructurales:

• Durabilidad• altura disponible para la alcantarilla• carga de tierra sobre ella

• condiciones de apoyo• rigidez de la alcantarilla

• resistencia al impacto

• tipo de terreno existente

c) Factores de construcción y

mantenimiento:

• accesibilidad del lugar

• disponibilidad de materiales

b) Factores hidráulicos:

• caudal de diseño

• forma, gradiente y área de del cauce

• velocidad de aproximación

• carga hidráulica total admisible• arrastre de sedimentos

• condiciones de entrada y salida

• gradiente de la alcantarilla

• rugosidad del conducto

• longitud y tamaño de la alcantarilla

• sección transversal

d) Costos de la obra de arte.



Formas del flujo y Variables de diseño

Formas del flujo: 1) Escurrimiento con control de entrada: F>12) Escurrimiento con control de salida: F<1

Variables de diseño:

1) Caudal (Q): Cálculo hidrológico de la cuenca de aporte, ó lavía puede pasar un canal (ej. Riego) ahí es un dato dado.

2) Carga hidráulica en la entrada (HE): Limitar para proteger laestabilidad del terraplén, inundaciones y sobretodo proteger

la vida de los usuarios o vecinos. En cauces naturales es iguala la dimensión de la alcantarilla más 30 cm. En canales esigual a la carga máxima de diseño. Ver normas en siguiente diapos.

Fuente: NEVI, 2013



Variables de diseño:

3) Altura de agua a la salida (Hs)

4) Velocidad en la salida (V): En general es mayor a la velocidad deescurrimiento del cauce natural. Se calcula con la ecuación de Manning.

Las velocidades máximas de salida deben limitarse a no producir efectos

de socavación en la descarga ni erosión en el cauce aguas abajo.

2/13/21oh

S Rn

V

Fuente:

NEVI, 2013

Formas del flujo y Variables de diseño



Conceptos hidráulica:Tipos de perfiles del flujo en canales abiertos

F = Número de Froude (adim.)

g = aceleración de la gravedad (m/s2)

h= Calado de agua

F= 1 Flujo crítico

F > 1 Flujo supercríticoF < 1 Flujo subcrítico

Pendiente

Suave (M) → hn>h

cSo<S

c

Fuerte (S) → hn<h

cSo>S

c

Crítica (C) → hn= h

cSo=S

c

21 r

f o

F

S S

dx

dy

3

22

2

A

T

g

Q

A

T

g

V F

r

Eq. que describe

el FGV



Conceptos hidráulica:Flujo crítico

c

c

cc

c P A

R AQnS

c

2

R donde , Sc: Pendientecrítica



Conceptos hidráulica:Cálculo del calado crítico en secciones rectangulares y circulares

Fuente: Chow, 1994



Conceptos hidráulica:Cálculo del calado crítico en secciones rectangulares y circulares

Fuente: Prof. B.S. Thandaveswara



Conceptos hidráulica:Cálculo de calado crítico (hc) y normal (hn) ensecciones rectangulares o trapezoidales

hn

hc



Conceptos de hidráulica:Escurrimiento con control a la entrada

Una punto de control, significa una sección donde se pueden establecer

relaciones entre el caudal y otros elementos del flujo y de laalcantarilla. Control en la entrada significa que la alcantarilla estáregulada por la geometría de la sección (forma, área, tipo de entrada) ypor el calado a la entrada (HE). No le afecta la rugosidad, longitud nicondiciones de salida de la alcantarilla.

Caso máscomún en

control de

entrada



Conceptos de hidráulica:Escurrimiento con control a la salida

Cuando se tiene el control del flujo a la salida, la significa que la

alcantarilla está regulada por: la geometría de la sección, calado a laentrada (HE), longitud de la alcantarilla, pendiente, rugosidad, pérdidasde carga a la entrada, y dependiendo del caso calado de agua a la salida.

Caso más

común encontrol de

salida

á



Diseño hidráulico de alcantarillas Muchas veces una sola alcantarilla no se comporta con un solo tipo de

operación de entrada o de salida; esto puede variar según las condicionesdel flujo. Sin embargo, la alcantarilla se diseña para la condición deoperación extrema con el caudal de diseño obtenido hidrológicamente.

Se han estimado resumido 8 condiciones típicas de operación, agrupadasen dos clases:

Clase I: Superficie de agua libre: HE≤1.2D.

á



Diseño hidráulico de alcantarillas

Clase II. Entrada sumergida. HE>1.2 D

á



Diseño hidráulico de alcantarilla.Cálculo de HE. En alcantarillas con control de entrada

Existen nomogramas de diseño: NEVI, 2013 Fig. 2B202-05 a 07 (Rühle, 1980;

cap. 7). Ver carpeta nomogramas

Expresiones analíticas ajustadas de los nomogramas para determinar He.(FHWA):

Los valores de a…f están en la tabla 2B.202-10. NEVI (2013)

He también se puede calcular en un modelo hidráulico numérico,ejm: IBER o HEC-RAS.

ñ h d á l d l ll



Diseño hidráulico de alcantarillas.En alcantarillas con control en la salida

En este caso se requiere que exista una carga H capaz de suministrar la

carga de velocidad Hv, la pérdida de carga a la entrada, He, y la pérdida decarga por fricción Hf en el conducto:

= + +

=

2 = 19.62

⋅ /3

⋅

2

H (m)

R (m)

L(m)V(m/s)

g(m/s2)



Di ñ hid á li d l ill



Diseño hidráulico de alcantarillas.En alcantarillas con control en la salida

Para calcular alcantarillas que fluyen llenas, el calado de la alcantarilla, h0,es igual al calado a la salida, HS. Escogiéndose el valor que resulte mayor.

Para calcular alcantarillas que fluyen parcialmente llenas, el calado de laalcantarilla, h0, es igual a (dc+D)/2 o al calado a la salida, HS. Escogiéndoseel valor que resulte mayor.

Di ñ d l t ill



Diseño de alcantarillas.Casos en lo que se requiere el uso de muro de ala para encauzarlas quebradas

Di ñ hid á li d l t ill



Diseño hidráulico de alcantarillas.Coeficientes de pérdida de carga a la entrada

Di ñ hid á li d l t ill



Diseño hidráulico de alcantarillas.Coeficientes de pérdida de carga a la entrada



Procedimiento de diseño



Bibliografía recomendada

Carciente, 1980. Carreteras, estudio y proyecto.

Ediciones Vega. Madrid.

FHWA, 2012. Hydraulic design of Highway culverts.Third edition. Hydraulic Design Series Number 5.technical report. Federal Highway Administration(FHWA). Colorado, US.

MTOP, (2013). Norma Ecuatoriana Vial. Volumen 2 –Libro B, Capítulo B – 200. Ministerio de transporte yObras Públicas del Ecuador. Quito.

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