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ANLISIS HIDRULICO DE UN PUENTE SOBRE UN RO EN HEC RAS
EJEMPLO APLICATIVO
NDICE GENERAL 1. GENERALIDADES ........................................................................................................ 3
2. DATA GRANULOMETRA DEL RO .............................................................................. 3
3. DATA TOPOGRFICA ................................................................................................. 3
4. CAUDAL Y PERIODO DE RETORNO ............................................................................ 3
5. ANLISIS HIDRULICO ............................................................................................... 4
5.1 Exportacin del Ro del CIVIL 3D al HEC RAS .......................................................... 7
5.2 Importacin del Ro de CIVIL 3D desde HEC RAS.................................................... 8
5.3 Clculo del Coeficiente de Manning del Ro (n) ................................................... 15
5.4 Clculo de la Pendiente del Ro ............................................................................ 18
5.5 Ingreso de Caudales al HEC RAS ........................................................................... 19
5.6 Clculos Hidrulicos sin Puente en HEC RAS ........................................................ 24
5.7 Ingreso de un Puente al HEC RAS ......................................................................... 24
5.8 Clculos Hidrulicos con Puente en HEC RAS ....................................................... 24
5.9 Clculo de la Socavacin en HEC RAS ................................................................... 24
NDICE DE CUADROS Cuadro N2.1: Dimetros Representativos del Cauce ..................................................... 3
NDICE DE FIGURAS
Figura N5.1: Vista en Planta del Plano Topogrfico en AUTOCAD ................................. 4 Figura N5.2: Cauce Principal y Mrgenes Laterales del Ro en CIVIL 3D ........................ 5 Figura N5.3: Secciones Transversales del Ro en CIVIL 3D .............................................. 5 Figura N5.4: Perfil Longitudinal del Ro en CIVIL 3D ....................................................... 6 Figura N5.5: Secciones Transversales del Ro en CIVIL 3D (Vista Frontal) ...................... 6 Figura N5.6: Botn de Exportacin de CIVIL 3D al HEC RAS ........................................... 7 Figura N5.7: Elementos para Exportacin de CIVIL 3D al HEC RAS ................................ 7 Figura N5.8: cono del HEC RAS ...................................................................................... 8 Figura N5.9: Ventana de Entorno del HEC RAS ............................................................... 8 Figura N5.10: Eleccin del Sistema de Unidades en HEC RAS ........................................ 8 Figura N5.11: Creacin de un Proyecto en HEC RAS ...................................................... 9 Figura N5.12: Definicin de un Proyecto en HEC RAS .................................................... 9 Figura N5.13: Definicin de Geometras en HEC RAS ................................................... 10 Figura N5.14: Editor de Geometra del HEC RAS .......................................................... 10
Figura N5.15: Importador de Data Topogrfica en HEC RAS ........................................ 11 Figura N5.16: Importador Topogrfico en HEC RAS (Unidades) ................................... 11 Figura N5.17: Importador Topogrfico en HEC RAS (Cauce Principal) ......................... 12 Figura N5.18: Importador Topogrfico en HEC RAS (Secciones Transversales) ........... 12 Figura N5.19: Data Importada del CIVIL 3D en HEC RAS .............................................. 13 Figura N5.20: Editor de Secciones Transversales en HEC RAS ...................................... 13 Figura N5.21: Seccin Transversal N80 en HEC RAS ................................................... 14 Figura N5.22: Seccin Transversal N80 en CIVIL 3D .................................................... 14 Figura N5.23: Ingreso del Coeficiente de Manning al HEC RAS .................................... 15 Figura N5.24: Tabla de Coeficientes de Manning en HEC RAS ..................................... 16 Figura N5.25: Coeficientes de Manning ingresados en HEC RAS ................................. 17 Figura N5.26: Progresiva de la Cota Inferior del Ro ..................................................... 18 Figura N5.27: Progresiva de la Cota Superior del Ro ................................................... 18 Figura N5.28: Ingreso de un Flujo Permanente en HEC RAS ........................................ 19 Figura N5.29: Ventana para Flujo Permanente en HEC RAS ........................................ 19 Figura N5.30: Caudales Ingresados en HEC RAS (Sin Editar) ........................................ 20 Figura N5.31: Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS ............................... 20 Figura N5.32: Ventana del Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS ........... 21 Figura N5.33: Caudales Ingresados en HEC RAS (Nombres Editados) .......................... 21 Figura N5.34: Ventana para Condiciones de Borde en HEC RAS .................................. 22 Figura N5.35: Ingreso de la Pendiente Aguas Arriba en HEC RAS ................................ 22 Figura N5.36: Ingreso de la Pendiente Aguas Abajo en HEC RAS ................................. 23
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Anlisis Hidrulico de un Puente sobre un Ro en HEC RAS
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Dpto. Acadmico de Hidrulica e Hidrologa
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1. GENERALIDADES
Se proyecta un puente sobre el ro Cachi, en el Departamento de Huancavelica,
Provincia de Angaraes, Distrito de Chincho, la zona se encuentra a una altitud de 2579
msnm, el Puente conectar el C.C. Huanchuy con el Distrito de Chincho y el resto de la
Provincia de Angaraes.
2. DATA GRANULOMETRA DEL RO
El ro Cachi es un afluente de la cuenca hidrogrfica del ro Mantaro, ro torrencial, con
gran transporte de sedimentos, razn por la cual aguas arriba del proyecto del puente
se encuentras varias canteras de agregados y rocas.
Es un rio trenzado con dos brazos en la zona de estudio, al estudiar la granulometra
del material del cauce se encontr lo siguiente:
Cuadro N2.1: Dimetros Representativos del Cauce
% Retenido Dimetro (mm)
D35 3
D50 6
D75 16
El estudio de mecnica de suelos menciona que la gravedad especfica del material es
2.55 T/m3.
3. DATA TOPOGRFICA
El levantamiento topogrfico y batimtrico del ro se analiz 600 metros a aguas arriba
hasta 240 metros aguas abajo.
4. CAUDAL Y PERIODO DE RETORNO
El estudio hidrolgico efectuado determin los caudales de diseo para la
superestructura y la subestructura del puente. Para definir la altura y longitud de la
superestructura (tablero del puente), el diseo contemplar una avenida de 850 m3/s
con periodo de retorno de 100 aos, mientras que para los clculos de socavacin, el
diseo contemplar una avenida de 1050 m3/s con un periodo de retorno de 500
aos.
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Cuadro N2.2: Caudales y Periodos de Retorno
Q (m3/s) T (aos) Para utilizarlo en :
850 100 Luz del Puente y Clculo del NAME
1050 500 Clculos de Socavacin
5. ANLISIS HIDRULICO
Se contaba con un plano topogrfico en formato CAD, con las caractersticas
mostradas en la Figura N5.1.
Figura N5.1: Vista en Planta del Plano Topogrfico en AUTOCAD
El plano topogrfico en CAD fue convertido a superficie (modelo digital de terreno)
haciendo uso del AUTOCAD CIVIL 3D. Una vez convertido a superficie creamos un
alineamiento que representaba el alineamiento del ro, y otros dos alineamientos
paralelos a la izquierda y derecha del cauce principal que representaban las llanuras de
inundacin, quedando lo mostrado en la Figura N5.2. Analizando la topografa del ro,
se puedo observar que los dos alineamientos paralelos creados no eran la mejor
representacin de dichas llanuras de inundacin, apoyndonos en un anlisis visual y
en las lneas de crecientes que estn dibujadas en el plano topogrfico brindado.
Posteriormente se cambi el trazo de los alineamientos creados inicialmente paralelos
al cauce principal.
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Figura N5.2: Cauce Principal y Mrgenes Laterales del Ro en CIVIL 3D
Luego se cre secciones transversales del ro (representado como alineamiento en el
CIVIL 3D), cada 40 m sobre el eje del mismo. Las secciones transversales fueron de
anchos variables segn la zona donde se encontraban, pues no todas se podan hacer
tan anchas como se hubiese querido, debido a escasez de data topogrfica, pero cabe
mencionar que al parecer esa zona no pudo ser levantada topogrficamente debido a
una pendiente muy pronunciada casi vertical, de un tramo de cerro que encajonaba al
ro. En la Figura N5.3 se muestra una vista en planta de las secciones transversales del
ro en CIVIL 3D.
Figura N5.3: Secciones Transversales del Ro en CIVIL 3D (Vista en Planta)
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El siguiente paso fue crear sobre el alineamiento del ro el perfil longitudinal del
mismo. En la Figura N5.4 se muestra el perfil longitudinal obtenido.
Figura N5.4: Perfil Longitudinal del Ro en CIVIL 3D
En la Figura N5.5 se muestra algunas de las secciones transversales creadas en CIVIL
3D, en vistas frontales.
Figura N5.5: Secciones Transversales del Ro en CIVIL 3D (Vista Frontal)
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5.1 Exportacin del Ro del CIVIL 3D al HEC RAS
Una vez realizados todos los pasos anteriores en CIVIL 3D, lo siguiente que fue llevar
las secciones del CIVIL 3D al HEC RAS para hacer los clculos hidrulicos necesarios.
Figura N5.6: Botn de Exportacin de CIVIL 3D al HEC RAS
Figura N5.7: Elementos para Exportacin de CIVIL 3D al HEC RAS
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5.2 Importacin del Ro de CIVIL 3D desde HEC RAS
Una vez realizada la exportacin del ro desde CIVIL 3D de manera correcta, lo
siguiente es abrir el HEC RAS e importar la data exportada desde CIVIL 3D. En la Figura
N5.8 se muestra el cono del HEC RAS, el cual aparece por defecto en el escritorio de
una PC, luego de instalar el programa.
Figura N5.8: cono del HEC RAS
Al abrir el programa sale la ventana mostrada en la Figura N5.9.
Figura N5.9: Ventana de Entorno del HEC RAS
Es importante revisar antes de iniciar un proyecto en HEC RAS, las unidades que
reconocer el programa, para la imagen de la Figura N5.9, las unidades estn en el
Sistema Internacional de Unidades (S.I.), no obstante el HEC RAS tambin puede trabar
con el sistema ingls. En la Figura N5.10 se muestra como el usuario puede elegir con
que unidades trabajar en HEC RAS.
Figura N5.10: Eleccin del Sistema de Unidades en HEC RAS
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Definidas las unidades con que se trabajar en HEC RAS, se deber crear un nuevo
proyecto en el programa. En la Figura N5.11 se muestra como el usuario podr crear
un nuevo proyecto, y tambin se muestran otras diversas opciones que ofrece la
pestaa File del HEC RAS.
Figura N5.11: Creacin de un Proyecto en HEC RAS
Para definir un proyecto en HEC RAS, hay que introducir el nombre y ubicacin del
mismo, tal como lo ilustrado en la Figura N5.12.
Figura N5.12: Definicin de un Proyecto en HEC RAS
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Luego de haber creado el proyecto del ro en HEC RAS, deber importarse la geometra
(topografa) del ro que se obtuvo en CIVIL 3D. En la Figura N5.13 se muestra el botn
del editor de geometras del HEC RAS y en la Figura N5.14 su respectiva ventana de
entorno.
Figura N5.13: Definicin de Geometras en HEC RAS
Figura N5.14: Editor de Geometra del HEC RAS
En la Figura N5.15 se muestra la opcin para poder importar la topografa del ro que
se obtuvo en CIVIL 3D al HEC RAS.
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Figura N5.15: Importador de Data Topogrfica en HEC RAS
Luego de dar click en la respectiva opcin, saldrn una serie de ventanas, las cules son
mostradas en desde la Figura N5.16 a la Figura N5.18.
Figura N5.16: Importador Topogrfico en HEC RAS (Unidades)
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Figura N5.17: Importador Topogrfico en HEC RAS (Cauce Principal)
Figura N5.18: Importador Topogrfico en HEC RAS (Secciones Transversales)
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En la Figura N5.19 se muestra como se ver la ventana del editor de geometra del
HEC RAS una vez importada la data topogrfica del CIVIL 3D. Las lneas de color verde
corresponden a las secciones transversales.
Figura N5.19: Data Importada del CIVIL 3D en HEC RAS
Una vez culminada la importacin en HEC RAS, se debe revisar que la importacin haya
sido correcta. El primer chequeo ser ver el dibujo en planta del lveo (eje) del ro, en
este caso vemos que efectivamente coincide con el ro visualizado en Civil 3D. El
segundo chequeo corresponder al control de las secciones transversales del ro. Para
poder visualizar las secciones transversales se deber dar click en el cono mostrado en
la Figura N5.20.
Figura N5.20: Editor de Secciones Transversales en HEC RAS
En este caso se elegir la seccin transversal N80 para controlar, los resultados de
este control son mostrados en la Figura N5.21 y la Figura N5.22. Como se podr
apreciar coinciden tanto las cotas de ambos programas, como el ancho de la seccin
transversal N80, lo mismo podr verificarse seccin por seccin. Una observacin es
que el HEC RAS no coloca el eje del ro en la parte central, como si lo hace el CIVIL 3D,
pero esto no afecta el anlisis y clculo hidrulico.
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Figura N5.21: Seccin Transversal N80 en HEC RAS
Figura N5.22: Seccin Transversal N80 en CIVIL 3D
El HEC RAS tiene una opcin para interpolar secciones transversales y as poder
obtener ms secciones de anlisis, no obstante para el presente estudio no se plante
aumentar secciones, ya que se consider que el nmero de secciones obtenidas del
CIVIL 3D eran suficientes.
Haciendo un repaso de lo hecho hasta el momento, ya tenemos las secciones en el HEC
RAS, es decir tenemos hasta el momento la geometra del cauce. Recordando los
parmetros hidrulicos que faltan, tenemos a la pendiente del cauce, el coeficiente de
Manning del ro, y por ltimo los caudales de diseo.
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5.3 Clculo del Coeficiente de Manning del Ro (n)
Se eligi determinar el coeficiente de Manning del ro, utilizando la frmula de Ven Te
Chow, la cual es la siguiente:
Del Cuadro 2.1:
Reemplazando: ( )
Luego habr que introducir el coeficiente de Manning al HEC RAS. En la Figura N5.23
se muestra la opcin para poder ingresar los coeficientes de Manning al HEC RAS, y en
la Figura N5.24 se muestra la tabla de valores que reconocer el HEC RAS, una vez que
se le ingrese los respectivos valores.
Figura N5.23: Ingreso del Coeficiente de Manning al HEC RAS
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Figura N5.24: Tabla de Coeficientes de Manning en HEC RAS
En la tabla de coeficientes, seleccionar todas las columnas correspondiente, dar click
en el botn Set Values e ingresar el valor correspondiente de 0,018 tal como se ilustra
en la Figura N5.25. Con eso ya estaran todas las secciones trasversales con sus
coeficientes de Manning.
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Figura N5.25: Coeficientes de Manning ingresados en HEC RAS
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5.4 Clculo de la Pendiente del Ro
Para calcular la pendiente del rio, se utiliz el perfil longitudinal del ro trazado en CIVIL
3D. En la Figura N5.26 se muestra la progresiva de la cota inferior del ro y en la Figura
N5.27 se muestra la progresiva de la cota superior del ro, obtenidas a partir del prefil
longitudinal.
Figura N5.26: Progresiva de la Cota Inferior del Ro
Figura N5.27: Progresiva de la Cota Superior del Ro
Luego se calcul la pendiente del ro, considerando una pendiente promedio mediante
la siguiente relacin:
Reemplazando los respectivos valores:
Finalmente se obtuvo:
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5.5 Ingreso de Caudales al HEC RAS
El anlisis hidrulico se realiz en condicin de flujo permanente, no obstante el HEC
RAS no se limita a esta nica condicin, ya que el programa puede hacer clculo con
flujo no permanente, hidrograma de entrada, entre otras opciones ms. Para hacer un
anlisis con flujo permanente hay que dar click en el cono mostrado en
Figura N5.28: Ingreso de un Flujo Permanente en HEC RAS
Luego de dar click en el respectivo cono, aparecer la ventana mostrada en la Figura
N5.29. En la ventana se deber ingresar por lo menos una seccin transversal de
control, por defecto aparece la seccin N840, por ser la seccin ms aguas arriba de
todas las ingresadas al HEC RAS, no obstante se puede ingresar ms secciones de
control dando click en el botn correspondiente mostrado en la Figura N5.29. El
caudal en el caso de trabajar con el Sistema Internacional de Unidades, deber ser
ingresado en m3/s.
Figura N5.29: Ventana para Flujo Permanente en HEC RAS
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En este anlisis hidrulico se eligi trabajar con una sola seccin de control
correspondiente a la seccin N840, sobre esta seccin se aplicaron las condiciones de
borde. Posteriormente se ingresaron los caudales correspondientes a los periodos de
retorno de 100 y 500 aos. Por ser dos caudales a analizar en nmero de perfiles de
flujo deber ponerse 2, luego un enter y automticamente aparecern dos casillas en
las cules se colocarn los caudales de periodos de retorno de 100 y 500 aos, 850
m3/s y 1050 m3/s respectivamente, tal como se muestra en la Figura N5.30.
Figura N5.30: Caudales Ingresados en HEC RAS (Sin Editar)
Los perfiles de flujo se pueden editar a gusto del usuario, para ello bastar dar click en
la opcin mostrada en la Figura N5.31.
Figura N5.31: Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS
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Una vez dado click en el editor de nombre de perfiles de flujo en HEC RAS, aparecer la
ventana mostrada en la Figura N5.32 en la cual simplemente se podr modificar a
conveniencia el nombre del perfil de flujo respectivo.
Figura N5.32: Ventana del Editor de Nombre de Perfiles de Flujo en HEC RAS
Los caudales con sus nombres de perfil editados son mostrados en la Figura N5.33.
Figura N5.33: Caudales Ingresados en HEC RAS (Nombres Editados)
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En la Figura N5.34 se muestra la ventana para condiciones de borde del HEC RAS, el
programa ofrece mltiples opciones para el control de borde. El botn Known W.S.
sirve para ingresar como control un nivel de agua conocido, Critical Depth es para
garantizar condiciones de flujo crtico, Normal Depth controla las pendientes de en
condiciones de tirantes normales y Rating Curve es para ingresar una curva de
descarga del tipo Caudal en funcin de niveles de agua, esta opcin puede ser til
cuando se cuente con informacin completa y segura de una estacin hidromtrica
que genere este tipo de curvas.
Figura N5.34: Ventana para Condiciones de Borde en HEC RAS
Para el anlisis se decidi utilizar las condiciones de control en funcin de la pendiente.
Figura N5.35: Ingreso de la Pendiente Aguas Arriba en HEC RAS
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Figura N5.36: Ingreso de la Pendiente Aguas Abajo en HEC RAS
Luego de introducir las pendientes aguas arriba y aguas de debajo de la seccin de
control (seccin N840), la ventana quedar como la mostrada en la Figura N5.37.
Figura N5.37: Condiciones de Borde en HEC RAS
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5.6 Clculos Hidrulicos sin Puente en HEC RAS
Falta redactar
5.7 Ingreso de un Puente al HEC RAS
Falta redactar
5.8 Clculos Hidrulicos con Puente en HEC RAS
Falta redactar
5.9 Clculo de la Socavacin con HEC RAS
Falta redactar
Cartula para el Ejm de Aplicacin (VDOF)Ejm de Aplicacin con HEC RAS (VDOF)Ejm de Aplicacin con HEC RAS (VDOF)