Primera Entrega Proyecto de Curso

Procedimiento3.1 Se desea disear una alcantarilla (Culvert) en un paso vial para controlar un caudal de 5.7 MCS (Tr = 25 aos) en un ro cercano. Se propone el uso de una alcantarilla circular metlica corrugada. Algunas condiciones de diseo son: pendiente del ro S = 1%, elevacin a la entrada de la alcantarilla E = 30.5 m (cota batea), nivel aguas abajo TW = 1.07 m, longitud de la alcantarilla L = 61 m, elevacin de la superficie del pavimento EP = 33.5 m, y borde libre de 0.60 m. Cul debe ser el dimetro dela alcantarilla?Diseo ManualPara Determinar el Dimetro necesario se utilizaron los nomogramas (ver Anexo 1), primero usando el caudal de diseo de 5.7 MCS se observa el comportamiento que tendra la alcantarilla. En la siguiente tabla se resumen los datos obtenidos del nomograma con su respectiva altura aguas arriba determinando el control aguas arriba o aguas abajo, y la elevacin correspondiente al uso de cada uno de los dimetros. Para hallar el rea y radio hidrulico se supone el rea y radio completo de la seccin es transversal es decir como si estuviera a flujo lleno.

Tabla # 1 Comportamiento diferentes dimetros caudal de diseo.Partiendo de estos datos, selecciono como el ms conveniente 1.8M de dimetro para el anlisis del caudal de diseo ya que en principio la elevacin estara por debajo de 32.9M que es la cota del borde de la va menos el borde libre. Se puede observar que en principio la alcantarilla operaria con control a la entrada. En la siguiente tabla se resumen los datos para hallar la curva de calibracin correspondiente. El parmetro se asume como 0.015 tomando en cuenta las recomendaciones del libro de canales abiertos de Chaudry y el coeficiente de prdidas a la entrada se toma como 0.5, asumiendo muro cabezal como parte de la entrada de la alcantarilla tomando como referencia el manual Hydraulic Design of Highway Culverts.

Tabla #2 Parmetros diseo Se halla la pendiente critica, y se identifica que se est trabajando con una pendiente mayor a la crtica en este caso.

Empleando el nomograma 2A (ver anexo ) del Hydraulic Design of Highway Culverts del U.S Department of Transportation se considera un rango de caudales, teniendo en cuenta los ms legibles en el nomograma para asegurar mayor precisin de los datos. Se presentan en la siguiente tabla los valores ledos, la altura de la lmina aguas arriba, y la elevacin obtenida (Con control a la entrada).

Tabla #3 Valores ledos y altura con control a la entrada

Luego se verifica la altura, si existiera control a la salida, se calcula la perdida de carga y la respectiva elevacin.La velocidad se calcula con la ecuacin de continuidad (1), tomando el rea completa para verificar la condicin ms crtica de flujo. Se calcula tambin la elevacin de la lmina de agua con la perdida de carga hallada con (2). Se supone un coeficiente de perdida por entrada, Ke, de 0.5 basndose en los valores propuestos del manual del Hydraulic Design of Highway Culverts.

Tabla #4 Perdidas de carga, alturas de la lmina de agua con control a la salida.

Se puede observar que para el rango de caudales analizados el control dominante siempre es a la entrada. La curva de desempeo se presenta en la siguiente grfica.

Grafica 1. Curva de desempeo de la alcantarilla.

Diseo HY-8 Se realiz el anlisis de la alcantarilla con el paquete HY-8 con los siguientes parmetros de entrada. Se supuso una longitud transversal de va de 55m, una longitud de cresta del Culvert de 5m, y configuracin de entrada Headwall.

Figura#1 Datos de entrada HY-8Una vez computados los datos se genera un reporte de salida para comprobar los controles a diferentes caudales, donde se comprueba de nuevo que el control dominante es a la entrada.

Tabla #5 Reporte adaptado de HY-8 La curva de desempeo es bastante similar, las diferencias radican en los caudales observados y los calculados por el programa, adems de las lecturas presentaran un error de apreciacin, que son bastante pequeos comparando los resultados del diseo manual y el diseo en HY-8.

Grafico #2 Curva de desempeo HY-83.2 Determine las dimensiones de una alcantarilla rectangular de concreto que ser usada para transportar un caudal de 8.5 mcs. Algunas caractersticas del sitio son: elevacin de la superficie de la va EP = 34.6 m, cota batea E = 30.5 m, pendiente del ro S = 2%, nivel aguas abajo TW = 1.2 m, y longitud dela alcantarilla L = 76.2 m.

Para determinar las dimensiones necesarias se utiliz el nomograma 8A del Hydraulic Design of Highway Culverts (ver anexo), la dimensin del ancho se toma fija y se verifican los datos para diferentes alturas. En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos.

Tabla #6 Datos obtenidos para las lecturas del nomograma 8AA continuacin se resumen los datos de necesarios de la alcantarilla para poder generar una curva de desempeo, nuevamente se supone Ke como 0.5 y se determinan como dimensiones del Culvert 2m*1m. el control dominante es a la entrada considerando el caudal de diseo.

Tabla #7 Datos diseo Alcantarilla RectangularPara diferentes caudales se usa de nuevo el nomograma 8A, se determina la relacin Q/B, se halla la altura de la lmina de agua y se calcula la elevacin correspondiente. Se calcula al rea y el radio hidrulico suponiendo flujo lleno de la alcantarilla obteniendo valores de 1.6m2 y 0.44m respectivamente.

Tabla #8 Resultados control a la entrada

La pendiente crtica es menor a la pendiente del rio.

En la siguiente tabla se presentan los valores de prdida de carga, altura de la lmina de agua con control a la salida, y su respectiva elevacin.

Tabla #9 Resultados control a la salida.

El control dominante vuelve a ser a la entrada, con un cambio despus del ltimo punto, la curva de desempeo se grafica teniendo en cuenta esto y da como resultado lo propuesto en la grfica nmero 3.

Grafico#3 Curva de desempeo alcantarilla Rectangular.

Diseo HY-8

Se suponen los siguientes parmetros de entrada, para la longitud de va se toman 70.2 metros, y la longitud de la cresta de la alcantarilla se toman 6 metros. En la siguiente figura se muestran los datos de entrada.

Figura#2 Datos de entrada HY-8 Alcantarilla rectangular.

Se puede observar como control dominante el control a la entrada, sin embargo despus de analizar un caudal de 10 MCS este cambia, similar al anlisis anterior.

Tabla #9 resultado adaptado de HY-8La curva de desempeo arrojada por el programa entonces cierta similitud, pero difiere posiblemente por errores de apreciacin en las lecturas del nomograma.

Grafica#4 Curva desempeo HY-8

Anexo Nomograma 2A

Nomograma 2A Determinacin curva desempeo

Nomograma 8A

Nomograma 8A Determinacin curva de desempeo

Diseo HEC-RASPara el diseo en el paquete HEC-RAS, se presenta el diseo conceptual usado para el clculo de la alcantarilla. Se establecen 4 secciones trasversales a continuacin se muestra la definicin de cada una de ellas.

Figura #3 Esquema conceptual HEC-RAS

Figura#4 Seccin trasversal 1

Figura#5 Seccin trasversal 2

Figura #6 Seccin Trasversal 3

Figura #7 Seccin Trasversal 4

Se define la alcantarilla de dimetro 1.8 metros dando como resultado los siguientes secciones.

Figura #8 Esquema Alcantarilla Circular

Se defini un anlisis de rgimen mixto, el programa sugiri varias veces utilizar este tipo de anlisis, al generar advertencias cuando se utilizaron otro tipo de regmenes. La altura aguas arriba obtenida es igual a la obtenida a mano y en HY-8.

Figura #9 Resultados Flujo Mixto.