Obras de Drenaje

Diseo Geomtrico de caminos. Pgina 1

ndice

Introduccin.. 2

Tipos de drenaje... 5

Losas..5

Tubos.9

Cajones.14

Bveda..16

Anexos.20


Introduccin

Al construir una carretera se interrumpe la continuidad de la red de drenaje natural del terreno,

por lo que se deben disear obras de drenaje transversal (alcantarillas) que restituyan dicha

continuidad, permitiendo su paso bajo la carretera en condiciones tales que perturben lo menos

posible la circulacin del agua en dicha red.

Las alcantarillas adems de ayudar a que los escurrimientos naturales no se vean afectados, nos

permiten proteger el camino de excesivos escurrimientos en los taludes que pueden provocar una

prdida de estabilidad en las terraceras lo cual ocasionara la aparicin de baches en la superficie

de rodamiento e inclusive un colapso total del camino.

Hoy en da, Mxico cuenta con una red carretera de ms 340,000 km, de las cuales el 33.5% son pavimentadas y el 66.5% no lo son. De la red pavimentada, el 91% comprende carreteras de dos carriles y el resto son de cuatro carriles o ms. En su jurisdiccin, el 13.8% de la red es federal, el 24.4% es estatal, el 45.7% son caminos rurales y el 15.9% son brechas mejoradas. Es por esta razn que el diseo y construccin de un sistema de drenaje superficial requiere la realizacin de estudios del clima, suelo e hidrologa. Los objetivos principales del drenaje son la preservacin de la carretera, ya que sta juega un papel social y econmico. La prevencin del impacto negativo al ambiente es de igual manera una de las metas del sistema de drenaje. El diseo y construccin de drenajes subterrneos requiere estudios geolgicos especializados. El concepto bsico para el diseo del drenaje subterrneo consiste en remover el agua del terreno para interceptarla con un material ms poroso que el suelo original.


Drenaje.

Definicin.

Uno de los elementos que mayores problemas causa a los caminos, si no el que mas, es el

agua, ya que provoca la disminucin de la resistencia de los suelos, por lo que se

presentan las fallas en terraplenes, cortes y superficies de rodamiento. Lo anterior,

conduce a resolver el drenaje de tal forma, que el agua se aleje del camino lo ms pronto

posible. Por tanto un buen drenaje es el alma del camino.

El estudio del drenaje, debe iniciarse desde la seleccin de la ruta, para la cual, se deber

elegir la zona que provoque menos problemas de escurrimiento.

Si desde la etapa de eleccin de la ruta, no se elije la zona ms adecuada, se tendrn

problemas durante la vida del camino innecesariamente los costos de conservacin.

El drenaje de caminos se clasifica en superficial y subterrneo.

El drenaje superficial se clasifica, segn la posicin que las obras guardan con respecto al

eje del camino, en longitudinal y transversal.

DRENAJE LONGITUDINAL.

El drenaje longitudinal es aquel que tiene por objeto captar los escurrimientos para evitar

que lleguen al camino o permanezcan en el, de tal manera que no le causen desperfectos.

Los tipos de obras que quedan comprendidas en el drenaje longitudinal son:

Cunetas.- son canales que se hacen a los lados de la cama del camino en cortes y tienen

como funcin interceptar el agua que escurre a los lados de la corona, del talud de corte y

del terreno natural adyacente, para conducirla hacia una corriente natural.

Contracunetas.- son zanjas que se construyen aguas arriba de los ceros de los cortes, con

el fin de interceptar el agua que escurre por las laderas y conducirla hacia alguna caada

inmediata o parte baja del terreno, evitando que al escurrir por el talud lo erosione y que se

aumente el caudal de las cunetas.

Bombeo.- el bombeo proporciona a la corona del camino, en las tangentes del trazo

horizontal, una pendiente transversal del centro del camino hacia los hombros y su funcin

es la de dar salida expedita al agua que cae sobre la corona y evitar en lo posible que

penetre en las terraceras.

DRENAJE TRANSVERSAL.

El drenaje transversal es el que tiene por objeto dar paso al agua que cruza de un lado a

otro del camino, o retirar el agua de la corona; quedan comprendidos en este tipo de

drenaje los tubos, losas, cajones, bvedas, vados, sifones invertidos y puentes.


Tipos y usos de alcantarillas.

Las obras de drenaje transversal se dividen en drenaje menor y drenaje mayor, segn la dimensin

del claro. Siendo el drenaje mayor aquel que requiere obras con claro mayor de seis metros, a este

tipo de obras se le conoce con el nombre de puentes y las obras de drenaje menor se denominan

alcantarillas.

Para el proyecto de una alcantarilla se deben tomar en cuenta los siguientes factores:

a) Ubicacin de la obra.

b) Calculo del rea hidrulica.

c) Eleccin del tipo de obra.

d) Calculo dimensional y estructural.

a) Ubicacin de la obra.- Esto se hace conjuntamente con el trazo definitivo, para saber donde se van

a ubicar los ejes de las alcantarillas en la planta del camino.

b) Calculo del rea hidrulica.- Es el rea necesaria para dar paso al volumen de agua que se

concentra a la entrada de la obra, para ello es necesario conocer la precipitacin pluvial, rea,

pendiente y formacin geolgica de la cuenca.

c) Eleccin del tipo de obra.- Para elegir el tipo de obra a emplearse se deben considerar los

siguientes factores:

1) Altura de terrapln.

Los tubos y bvedas requieren un colchn mnimo de terrapln en los hombros de 0.60m y

de 1.0m respectivamente.


2) Forma de seccin en el cruce.

Cuando el cruce es amplio o divagante y no est definido, se recomienda una losa de

pequea altura y con claro amplio o en varios tubos; cuando los escurrideros son definidos

y la rasante es baja, se pueden utilizar tubos y losas. Si las secciones son estrechas y

profundas las obras indicadas son las bvedas esto depende de la altura del terrapln que

va aquedar sobre ellas.

3) Capacidad de sustentacin del terreno.

Tiene influencia en el costo de las obras y por lo tanto en la eleccin del tipo de ellas, ya

que la cimentacin que requieren en cada caso tiene costos distintos.

4) Materiales de construccin disponibles en la regin.

Los materiales de la regin juegan un papel importante en la eleccin del tipo de obra, ya

que si para la construccin de la obra elegida es necesario traer los materiales desde un

sitio muy retirado, esto puede encarecer el proyecto.

Tipos de Alcantarillas

1) Losas.

Son estructuras formadas por dos muros de mampostera (estribos), sobre los cuales se

apoya una losa de concreto reforzado.

Hay losas con colchn y losas sin colchn, las SCT tiene elaborados proyectos tipo de

hasta seis metros de luz con un espesor de 4.25 metros de colchn y estribos para

diferente capacidad de carga.


Las alcantarillas de la losa estn constituidas por los siguientes elementos:

LOSA.- Esta funciona como tapa de la alcantarilla. Para el diseo de la losa se debe

considerar que est soportando adems de su propio peso y el de las terraceras que se

encuentran sobre ella la carga viva de los vehculos (H15-S12 o H20-S16). Para la losa se

recomienda un fc = 150 Kg/Cm al igual que para las guarniciones.

ESTRIBOS.- Sirven de soporte de la losa. Son de mampostera de tercera clase con

mortero cemento-arena 1:5 y las zapatas pueden ser tanto de mampostera como de

concreto.

ALEROS.- Los aleros sirven para encauzar la corriente hacia la alcantarilla. Al igual que

los estribos, los aleros son de mampostera de tercera clase.

ZAMPEADO.- La funcin del zampeado es evitar posibles erosiones debido a los flujos

que estarn presentes en la alcantarilla.

FILTRO.- Es recomendable colocar una capa de piedra de 30 centmetros de espesor en

las paredes exteriores de los estribos para encauzar las aguas freticas hacia los drenes.

DREN.- El dren es un tubo de PVC de 10Cm de dimetro el cual se utiliza para evitar la

presin hidrosttica sobre los estribos. Los drenes se colocaran con una separacin de 3

metros a todo lo largo de la alcantarilla.

*DISENO DE LOSAS.

Para el diseo de una alcantarilla de losa las consideraciones generales a tomar son:

I. Los claros sern de mximo 6.00m.

II. El colchn mximo para este tipo de alcantarillas es de 4.25m.

III. No existe un colchn mnimo.

IV. La losa ser de concreto reforzado de un un fc = 150 Kg/Cm para claros de 1.00 a

4.00 m y para claros mayores el concreto ser de resistencia de un fc = 200 Kg/Cm.

V. Los estribos y los aleros sern de mampostera de tercera clase, existen estribos

mixtos de mampostera con zapatas de concreto de fc = 100 Kg/Cm.

Existen tablas para el diseo rpido de las alcantarillas de losa.


A continuacin se muestra una tabla para el clculo de las longitudes y de los dimetros del

acero de refuerzo para las losas con claro de 1.00m. Estas losas no llevan parrilla superior

(Varillas D y E ) y en la parrilla inferior solo llevan varillas A y C.


Para el diseo de estribos de una losa de 1.00m de claro y considerando una altura del estribo

de 1.50m y una capacidad de carga del terreno de 1.00 Kg/Cm, tenemos la siguiente

informacin:


2) Tubos.

Son alcantarillas de seccin interior normalmente circular y requieren siempre de un

espesor de terrapln o colchn mnimo de 0.60 m para su mejor funcionamiento

estructural.

Las alcantarillas de tubos tienen una gran ventaja, pues inmediatamente despus de

tendido el tubo se puede construir el terrapln; as que se recomienda esta tipo de

alcantarillas a menos que la pendiente transversal sea mayor de 30.

Para anclar la obra e impedir que la tierra del terrapln caiga en los tubos se colocan

muros de cabeza tanto en la entrada como en la salida.

Si no hay muros a la salida, se debe prolongar cuando menos un metro la longitud del tubo

fuera de la traza del talud del terrapln con el terreno.

El material de que estn construidos puede ser concreto reforzado, lamina ondulada y

polietileno de alta densidad.

Cuando se lleva cuneta es recomendable sustituir el muro de cabeza por una caja

receptora a la entrada de la obra.


*DISENO GEOMETRICO DE UNA ALCANTARILLA DE TUBO.

Para el diseo de alcantarillado con el uso de tubos se debe tener en cuenta las siguientes

consideraciones:

I. El espesor mnimo de terrapln sobre el tubo deber ser de 0.60m, aunque en caos

especial se podr reducir hasta 0.45m.

II. El dimetro mnimo a utilizar ser de 75 cm y en caso de ser necesario se utilizaran

dimetros ms pequeos para obras auxiliares.

III. Las tuberas de concreto sern de una resistencia de 250 Kg/Cm, el acero de refuerzo

de la tubera ser un Fc= 4200 Kg/cm.

IV. La pendiente con la cual se proyectara la alcantarilla de tubo deber ser la que

proporcione el proyecto ms econmico siempre y cuando se garantice el perfecto

funcionamiento hidrulico de esta.


V. La pendiente mxima ser de 45% y se debern colocar muros de anclaje para evitar

el deslizamiento del tubo.

VI. Existen tambin alcantarillas de doble tubo aunque no es muy recomendable usarlas,

puesto que si es necesario incrementar el rea hidrulica es preferible colocar una losa

que cumpla con el rea necesaria a colocar tubos ya que esto podra provocar que los

tubos se tapen.

Existen formatos para el diseo de las alcantarillas as como tablas para el clculo rpido del

rea hidrulica para los diferentes dimetros de tubos y de las dimensiones de los muros de

cabeza.

Para obtener el rea en hectreas que puede drenar una alcantarilla de uno o de dos tubos

tenemos las siguientes tablas:

Para alcantarillas de un tubo.

Para alcantarillas de dos tubos.

Donde:

= Dimetro de la tubera en cm.

C = Coeficiente de friccin del terreno.


A continuacin se muestran las tablas correspondientes para obtener las dimensiones de los

muros:


3) Cajn

Los cajones son estructuras de seccin rectangular con paredes, techos y piso de concreto

reforzado cuya construccin requiere cuidados especiales. Trabajan en conjunto como un

marco rgido que absorbe el peso y el empuje del terrapln la carga viva y la reaccin del

terreno.

Tanto las losas como los muros son delgados y de poco peso, el conjunto tienen una amplia

superficie de sustentacin.

El rango ms usual de aplicacin de este tipo de estructura es de luces entre 3 metros y 6

metros, alturas entre 4 metros y 9 metros, admitindose varios mltiples para luces iguales o

mayores a cuatro metros. En general este tipo de alcantarilla no se la disea con tapada de

terrapln sino que la losa (con una capa de recubrimiento) se utiliza como superficie de

rodamiento.


Esta situacin requiere el diseo de losa de aproximacin para disminuir los asentamientos

relativos entre estructura y terraplena adyacente.

El modelo con platea admite menores tensiones del suelo de fundacin (del orden de 40% del

que requieren prticos sobre zapatas), haciendo posible el uso de este tipo de obra sobre

terrenos de baja calidad.

Alcantarilla de cajn prefabricados (BoxCulvert).

Son elementos prefabricados de gran tamao elaborados en concreto reforzado, componen un

sistema modular en el que cada parte se conecta con el otro para formar un tnel. Cada

elemento se empalma con el otro a travs de un espigo, el cual lleva incorporado un sellante

bituminoso, que al ser presionado forma un sello hidrulico hermtico. Por lo regular son de

forma rectangular y sus tamaos varan de acuerdo a la aplicacin. Con frecuencia son

utilizados para transportar aguas lluvias o servidas (obras de drenaje).

Usos y Aplicaciones

Las alcantarillas tipo cajn son empleadas en obras de drenaje en estructuras viales. Tambin

utilizadas en alcantarillados de aguas servidas, drenajes pluviales y para conducir cualquier tipo de

agua en secciones cubiertas.

Ventajas de Uso

Fcil colocacin.

Mayor capacidad de caudal.

permite el paso de vehculos pesados sin necesidad de terrapln.

Baja permeabilidad.

Juntas estancas.

Capacidad de carga de alto tonelaje. (AASHTO-93 - HS-18) 14.50 Ton/eje.


4) Bveda

La utilizacin de bvedas se requiere cuando las alcantarillas circulares no tienen la capacidad de las reas hidrulicas, se toman en cuenta aspectos como el ancho del cauce, el arrastre de materiales del cauce, la altura de los rellenos de la carretera y la pendiente del cauce. Se pueden clasificar como circulares, con dimetros mayores a 90, semicirculares y sper claros de flecha alta o baja.

Definicin.

Se considera como bveda, la obra de drenaje transversal formado por muros unidos por uno o varios arcos y que soportan las cargas de trnsito de vehculos, a travs de un relleno. Otra definicin de bveda puede ser: son obras civiles constituidas por una superestructura apoyada sobre una subestructura, en donde la primera es la encargada de soportar las cargas de trfico vehicular y/o del relleno de suelo sobre ella y stas son transferidas a la subestructura, la cual se encarga de transmitirlas al suelo soportante. La importancia de las bvedas radica en que por medio de ellas se puede aprovechar el rea utilizada por drenajes naturales como las barrancas, las quebradas y los ros; as como tambin son obras de paso para salvar accidentes naturales del terreno. Su uso se aconseja cuando no se pueden colocar tubos, cuando la pendiente transversal es muy fuerte y cuando la profundidad de la quebrada es muy grande. El arco puede ser en forma parablica, de seccin uniforme o variable y estar conformado con los muros; stos a su vez sirven como muros de retencin, cuya funcin es la de contener el relleno sobre la obra, para que no se derrame al cause u obstculo a salvar. Al arco se le llama superestructura y a los estribos y pila (si es necesaria), subestructura. Superestructura La superestructura de una bveda es aquel elemento estructural al que se le denomina arco, el cual est apoyado directamente sobre la subestructura y cuya funcin principal es soportar con seguridad las cargas a las que se ver sometido. Estas cargas provienen de las presiones originadas por el relleno de tierra, por el trfico vehicular y por su mismo peso. La geometra del arco puede ser de directriz parablica, circular, elptica o formada por la combinacin de ellas, siendo su espesor constante o variable, y elaborado de concreto simple, concreto reforzado, mampostera de piedra o mampostera de bloque de concreto. El arco puede ser construido directamente en el sitio que le corresponde en la bveda o en otros lugares si se utilizan elementos prefabricados. Subestructura La subestructura de una bveda est constituida por los elementos estructurales conocidos como estribos, stos se presentan en pareja ya que sirven de apoyo a ambos extremos del arco. La funcin de los estribos es la de transmitir las reacciones del arco al suelo soportante. Las cargas sobre el estribo son: las reacciones provenientes del arco, las presiones de tierra que sostiene el estribo y el peso propio. Los estribos pueden ser construidos con diferentes materiales: mampostera de piedra, concreto reforzado y mampostera reforzada. Su geometra depende del tipo de material con el que se haya diseado una vez alcanzada su estabilidad.


En donde los estribos son muros de apoyo lateral del o los arcos. Los aletones a ala, son obras de proteccin a la entrada y salida del conducto. El coping o muro de coronamiento, protege la parte vista del arco. Las fundaciones o base, le sirven de apoyo a los estribos. La llave, se ubica entre la unin del arco y el estribo. El arco o superestructura, se ubica sobre los estribos. El drenaje sirve para eliminar la acumulacin de agua en la tierra. El arranque es el punto de origen del arco, as, la corona o clave, es la parte ms alta del mismo. Otros tipos de bvedas Existen otros tipos de bvedas que trabajan como un solo elemento estructural de tal manera que no se puede dividir sus partes en superestructura y subestructura. La geometra es variable, as las hay circulares, rectangulares, cuadradas, elpticas, etc., y los materiales con que se construyen pueden variar tambin. A continuacin se mencionan dos ejemplos de este tipo de bvedas. Bvedas Cajn La bveda cajn es una estructura de concreto reforzado de forma cuadrada o rectangular construida monolticamente. Las partes que componen una bveda cajn son: losa superior, paredes laterales y losa de fundacin. A diferencia de las bvedas anteriormente descritas, las de tipo cajn permiten eliminar el relleno de tierra sobre ella, quedando su losa superior expuesta al trfico vehicular. Su forma particular compuesta por losas planas, permite que el armado del refuerzo sea de fcil colocacin y si se requiere construir con elementos prefabricados, la construccin e instalacin de stos es simple.


a) Losa superior b) Paredes laterales c) Losa inferior Bvedas metlicas Este tipo de bvedas, se fabrican de planchas de acero con corrugaciones en sentido perpendicular a su longitud. Las planchas varan en espesor hasta 7.1 mm y se fabrican en anchos diferentes desde 73.2 cm aproximadamente hasta 195.1 cm aproximadamente en tramos de 3.66, 3.05, 2.44 y 1.83m de largo. Las bvedas metlicas se utilizan en la construccin de puentes pequeos, alcantarillas, entubamiento de arroyos, pasos inferiores de peatones y ganado, depsitos de almacenaje, embalses, arcones e instalaciones similares. La ventaja de ste tipo de bvedas, proviene principalmente de su material componente, ya que es liviano, posee gran resistencia a la ruptura, inmunidad al dao por incendio, heladas y comejn, facilidad de armado, gastos mnimos de conservacin y adaptabilidad al cambio de condiciones. Cargas Actuantes en el Anlisis de Bvedas Tipos de Carga Segn las normas AASHTO, las estructuras estn sometidas a los siguientes tipos de carga, cuando estas existan: carga viva, carga muerta, carga de impacto, carga de viento y otras fuerzas como. Fuerzas longitudinales, fuerzas centrfugas, trmicas, efectos debido a terremotos, etc. En la superestructura de una bveda, no actan todos los tipos de cargas antes mencionados, por lo que deber determinarse cules estn presentes y bajo que combinacin de stos deber disearse la estructura. Combinaciones de carga segn AASHTO Las estructuras se vern sometidas a una serie de cargas que pueden actuar en diferentes combinaciones. Las normas AASHTO establecen combinaciones a las cuales una estructura cualquiera puede estar sometida y se presentan en la tabla siguiente:


Anexos Fotogrficos Carretera Chihuahua Parral va corta tramo Palomas-

Satevo

Tubos


Losa


Cajn


Bveda


Bibliografia.

-Manual de drenaje de caminos rurales Secretaria de asentamientos humanos y obras publicas.

-Secretara de comunicaciones y transportes. estructuras y obras de drenaje

http://solelboneh.com/web/abril

http://es.slideshare.net/manuelgerman35/obras-de-drenaje-para-carreteras-15330964

http://es.slideshare.net/israel12500193/obras-de-drenaje-unidad-3

http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/30551/2/Presentacion.pdf

Documents

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