ESTRUCTURAS HIDRAULICAS: PUENTE CANAL

ESTRUCTURAS HIDRAULICAS: PUENTE CANAL2014

I. INTRODUCCIN:

Son las estructuras de cruce mediante las cuales es posible cruzar un canal con cualquier obstculo que se encuentra a su paso.El obstculo Puede ser por ejemplo: Una Va de Ferrocarril Un camino Un rio Un dren Una depresin o sobre elevacin natural o artificial del terreno

Para salvar el obstculo, se debe recurrir a una estructura de cruce que puede ser:

Puente canal Sifn Invertido Alcantarilla Tnel

ELECCIN DEL TIPO DE ESTRUCTURAEn cada caso se debe escoger la solucin ms conveniente para tener un funcionamiento hidrulico correcto, la menor prdida de carga posible y la mayor economa factible.1. Cuando el nivel del agua es menor que la rasante del obstculo, se puede utilizar una alcantarilla, y si el obstculo es muy grande se puede usar un tnel.1. Cuando el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstculo, se puede utilizar como estructura de cruce un puente canal o un sifn invertido.1. El puente canal se puede utilizar cuando la diferencia de niveles entre la rasante del canal y la rasante del obstculo, permite un espacio libe suficiente para lograr el paso de vehculos en el caso de caminos o ferrocarriles; o el paso del agua en el caso de canales, drenes, arroyos o ros.1. El sifn invertido se puede utilizar si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstculo, y no se tiene el espacio libre suficiente para lograr el paso de vehculos o del agua.

II. OBJETIVOS

OBJETIVO PRINCIPAL

Aprender a disear un puente canal.

OBJETIVOS ESPECIFICOS Conocer e identificar las partes de un puente canal. Saber las consideraciones para el diseo hidrulico. Realizar los clculos adecuados para el diseo del puente canal.

III. MARCO TERICO: A. DEFINICIN DE PUENTE CANAL:El puente canal o acueducto, es una estructura utiliza para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresin. La depresin puede ser otro canal, un camino, una va de ferrocarril o un dren.El puente canal es un conjunto formado por un puente y un conducto puede ser de concreto, hierro, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad.

Figura 1. Puente Canal

B. TIPOS DE PUENTE CANAL:1. PUENTE CANAL DE MADERA: Las maderas ms apropiadas son el cedro y el ciprs, que dan una vida til hasta 50 aos. Los puentes canales de ste material presentan muchas fugas cuando el uso es intermitente por el encogimiento de la madera. Son recomendables como instalaciones provisionales o cuando la lejana de otras materiales lo hace ms econmico.

2. PUENTE CANAL DE CONDUCTO METLICO: Son a base de hojas de acero laminado dando una seccin semicircular o circular; si todo el metal que estar en contacto con el agua es galvanizado o se protege con anticorrosivo se pueden obtener de 15 a 30 aos de vida til.En los Estados Unidos son muy usados los canales de conducto metlico y formado por caballetes de madera o tambin metlicos.

3. PUENTE CANAL DE CONCRETO: Son los ms duraderos pero su construccin es ms delicada puesto que el concreto no resiste tensiones, es fcil que se produzcan grietas en el concreto, por eso se requiere una cimentacin muy firme para evitar asentamientos desiguales en las pilas.Las juntas de construccin del conducto se localizan sobre las pilas y deben impermeabilizarse, cada tramo del conducto tendr en un extremo apoyo fijo y apoyo libre en el extremo opuesto.

Por lo general un puente canal tiene la forma de la figura 2, vista en planta.

C. ELEMENTOS HIDRULICOS DE UN PUENTE CANAL:En el diseo hidrulico se pueden distinguir los siguientes componentes:1. TRANSICIN DE ENTRADA: Une por un estrechamiento progresivo el canal con el puente canal, lo cual provoca un cambio gradual de la velocidad del agua en el canal.1. CONDUCTO ELEVADO: Generalmente tiene una seccin hidrulica ms pequea que la del canal. La pendiente de ste conducto, debe ajustarse lo ms posible a la pendiente del canal, a fin de evitar cambios en la rasante de fondo del mismo. Debe procurarse que en el conducto el flujo sea subcrtico.1. TRANSICIN DE SALIDA: Une el puente canal con el canal.

D. Consideraciones para el diseo Hidrulico1. MaterialEl material utilizado para la construccin del puente canal puede ser: concreto, madera, hierro, u otro material duro, lo cual nos permite elegir el coeficiente de rugosidad.2. Forma de la seccin transversalPor facilidades de construccin se adopta una seccin rectangular, aunque puede ser semicircular o cualquier otra forma.3. Ubicacin de la seccin de controlPor lo general, un puente canal cuya vista en planta se muestra en la figura 3 se disea para las condiciones de flujo subcritico (aunque tambin se puede disear para flujo supercrtico), por lo que un puente canal representa una singularidad en el perfil longitudinal del canal, crea efectos hacia aguas arriba.

Figura 3

En la seccin 4 de la figura 3, se tienen las condiciones reales, siendo su tirante real de flujo el correspondiente al Yn del canal, esto debido a que toda singularidad en un flujo subcritico crea efectos hacia aguas arriba, por lo que esta seccin 4, representa una seccin de control.La ubicacin de una seccin de control, resulta importante para definir el sentido de los clculos hidrulicos, en este caso, desde la seccin 4 aguas abajo, hacia la seccin 1 aguas arriba.Cabe recalcar que para el caso de un diseo en flujo supercrtico, el puente canal sera una singularidad que crea efectos hacia aguas abajo, por lo que la seccin de control estara en la seccin 1, y los clculos se efectuaran desde 1 hacia aguas abajo, hacia la seccin 4.

4. Diseo del conducto elevadoPor condiciones econmicas el ancho debe ser lo menor posible, pero manteniendo siempre el mismo tipo de flujo, en este caso flujo subcritico. A fin de que las dimensiones sean las mnimas posibles se disea para condiciones cercanas a las crticas.Para una seccin rectangular, en condiciones crticas se cumplen las siguientes ecuaciones

Particularizando a una seccin transversal:

.. ()

()

Igualando () y () y despejando:

De donde despejando b se tiene:

. (3)La ecuacin (3) como Q es conocido (Se debe conocer el caudal de diseo), para calcular b, se requiere conocer . Como una aproximacin de , puede tomarse el valor de E4, calculado como:

Calculado el valor de b (Critico) con la ecuacin (3), para propiciar el flujo subcritico en el acueducto, se toma un valor mayor que este. Un valor mayor del ancho se solera reduce el efecto de la curva de remanso que se origina en el acueducto. Resulta aceptable que la curva de remanso afecte el 10% del borde libre.En resumen, para definir el ancho del acueducto, se calcula el valor de b utilizando la ecuacin (3), luego se ampla su valor en forma adecuada recordando que un mayor valor disminuye el efecto por curva de remanso, pero disminuye la velocidad en el acueducto.5. Calculo de la transicin de SalidaPara el caso de una transicin recta la ecuacin utilizada es

Dnde: L= Longitud de transicin = espejo de agua en el canal= b = ancho de solera del conducto.La transicin de entrada se disea en forma similar, siendo:= espejo de agua en el canal= b = ancho de solera del conducto.

6. Calculo de las perdidas en las TransicionesLas perdidas predominantes en las transiciones (por su corta longitud) corresponden a las perdidas por cambio de direccin siendo su ecuacin: Siendo Dnde: = perdidas por transicin entre 1 y 2 K = Coeficiente de prdidas de transicin, puede ser= Coeficiente de prdidas en la transicin de entrada= Coeficiente de prdidas en la transicin de salida. = Diferencia de cargas de velocidad, valor siempre positivo.V1 = velocidad en el punto 1V2= velocidad en el punto 2Los valores de y , dependen del tipo de transicin diseada, en la figura 4 y en la tabla 1, se muestran algunos valores de ellos.Tabla 1: Valores de y , segn el tipo de transicinTipo de Transicin

Curvado0.100.20

Cuadrante cilndrico0.250.25

Simplificado en lnea recta0.200.30

Lnea recta0.300.50

Extremos Cuadrados0.3075

Figura 47. CLCULO DE LOS EFECTOS DE LA CURVA DE REMANSOEl efecto de la curva de remanso incide en los tirantes de las secciones (1), (2), (3) y (4)7.1 Clculo de y3

Aplicar la ecuacin de la energa entre las secciones 3 y 4:

Dnde: z3-4 = diferencial de cotas entre punto 3 y 4 Y3 = Tirante en el punto 3Y4 = tirante en el punto 4Ks= Coeficiente de prdidas en la transicin de salidaV3 = velocidad en el punto 3V4= velocidad en el punto 4S = pendiente de la transicinL= longitud del punto 3 al 4

La ecuacin (4), se resuelve por tanteos y se determina y3; como se indic anteriormente, para un flujo subcrtico y4=yn del tramo del canal de salida.

7.2 Clculo de y2

Aplicar la ecuacin de la energa entre las secciones 2 y 3:

La ecuacin (5), se resuelve por tanteos y se determina y2Dnde:z2-3 = diferencial de cotas entre punto 2 y 3 Y3 = Tirante en el punto 3Y2 = tirante en el punto 2R= Radio HidraulicoV3 = velocidad en el punto 3V2= velocidad en el punto 2S = pendiente del puente canalL= longitud del punto 2 al 3

7.3 Clculo de y1

Aplicar la ecuacin de la energa entre las secciones 1 y 2:

Dnde: z1-2 = diferencial de cotas entre punto 1 y 2 Y1 = Tirante en el punto 1Y2 = tirante en el punto 2Ke= Coeficiente de prdidas en la transicin de entradaV1= velocidad en el punto 1V2 = velocidad en el punto 2S = pendiente de la transicinL= longitud del punto 1 al 2

La ecuacin (6), se resuelve por tanteos y se determina y1.

7.4 Clculo de la altura de remanso

La altura de remanso producido ser:

hremanso = y1 - y4IV. CALCULOS: DISEO DE UN PUENTE CANAL1. DESARROLLO DEL PROYECTO PUENTE CANAL1.1 DATOS DEL PROYECTOPara este caso la informacin estar en funcin de los datos asumidos para el siguiente ejemplo para realizar los clculos subsecuentes que sern los siguientes:CALCULO HIDRULICOGasto (m3/s)3.6

Claro (m)25

Plantilla del canal (m)2.25

Pendiente *10-4 7.0

1.2 DISEO DEL CANAL TRAPECIALDatos:Q= 3.6m3/segb= 2.25 m S=0.0007k=m=1.5n=0.025B.L=0.60 m CALCULO TIRANTE NORMAL:Se podr determinar por tanteos igualando el factor hidrulico con el mdulo de la seccin partiendo de los datos conocidos:

En dnde;Q: gasto de demanda, en m3/seg.S: pendiente del canalA; rea hidrulica de la seccin (en este caso trapecial) en m2.R; radio hidrulico de la seccin n: rugosidad del canal (adimensional)O bien igualando las velocidades calculadas con la ecuacin de Manning y por continuidad. y Se proceder con el clculo del tirante normal, proponiendo tirantes, cuyo valor determinado haga que se cumpla la igualdad.Para ello se definirn las siguientes formulas:

Donde;A= rea hidrulica del canalY= tirante normal (m).b= plantilla del canal (m).m= talud del canal (m)

Donde;P= permetro mojado (m)Y= tirante normal (m).b= plantilla del canal (m).m= talud del canal

Donde;R; radio hidrulicoA= rea hidrulica del canalP= permetro mojado (m)

yAPRR^(2/3)V1V2A*(R2/3)Qn/s(1/2)

1.00003.75005.85560.64040.74300.78630.96002.78623.4017

1.10004.29006.21610.69010.78100.82650.83923.35033.4017

1.11004.34576.25220.69510.78470.83040.82843.40993.4017

1.10904.34016.24860.69460.78430.83000.82953.40393.4017

Se puede determinar por la tabla anterior que el tirante normal Yn= 1.9010 m, cumple tanto la igualdad de las velocidades, como la del mdulo de la seccin con el factor hidrulico. Por tal manera el canal aguas arriba y aguas abajo quedara dimensionado de la siguiente manera:

1.3 CARGA DE VELOCIDADLa carga de velocidad se determinara de acuerdo a la siguiente formula:

Donde; hv; carga de velocidad (m)V=velocidad determinada en el cuadro anterior.g; aceleracin de la gravedad en (m/s2)

1.4 ENERGIA ESPECFICASe calculara de la siguiente manera:

1.5 DISEO DE LA SECCION DE LA CUBETA Se calculara la plantilla (b) o ancho mnimo para una seccin crtica rectangular, en la que el tirante crtico vale dos tercios de la energa especfica:

Dnde:dc: tirante critico (m)E: energa especifica (m)

Dnde:b; plantilla critica (m)Q; caudal (m3/s)dc; tirante critico(m)g; aceleracin de la gravedad (m/s2)

Calculada esta plantilla para la seccin y efectuando el anlisis hidrulico se vio que para valores menores de 2.0 m, se produca un remanso inadmisible a la entrada de la estructura, por lo que se adopta esta valor como definitivo de la estructura.

1.6 LONGITUD DE TRANSICIONLas transiciones tienen su justificacin cuando al canal en su localizacin tenga que intercalrsele alguna estructura que obliga a cambiar de seccin, para logar un cambio de seccin de manera gradual, logrando as reducir las prdidas de carga.La Long. De transicin se determinara mediante la siguiente formula, de acuerdo al criterio de HINDS

Dnde

Sustituyendo:

1.7 FUNCIONAMIENTO HIDRAULICO

Calculada la longitud de las transiciones, se disea la estructura sobre la seccin topogrfica del cruce procurando que las transiciones queden firmes en el terreno natural, indicando tambin los claros con la posicin de los apoyos

El puente canal funcionara correctamente sin producir remanso apreciable en el canal aguas arriba si la suma de las prdidas de carga a lo largo de la estructura es igual a la carga disponible que ser el desnivel de la plantilla entre los puntos de entrada y salida de la estructura

El anlisis hidrulico nos permitir verificar si la seccin propuesta y sus velocidades cumplen la condicin anterior o en su caso modificarla para abatir las perdidas.

Las profundidades del agua se determinan mediante el teorema de Bernoulli aplicando entre cada par de secciones convenientes de la estructura partiendo de la salida ya que el flujo es a rgimen permanente uniforme.

BERNOULLI ENTRE 1 Y 2 (TRANSICION DE SALIDA)

Dnde:z2: desnivel entre los puntos 1 y 2, en metros.y1: tirante normal del canal, en metros.hv1: carga de velocidad en el canal, en metros.y2: tirante a la salida de la cubeta, en metros.hv2: carga de velocidad a la salida de la cubeta, en metros.hts: prdida de carga por transicin de salida

Sustituyendo tenemos: ..Ec.1La manera en la que entraremos ser por tanteos, proponiendo un tirante, cuya rea hidrulica, permetro mojado y radio hidrulico, mediante clculos sencillos nos ayuden a igualar la EC.1Proponiendo:

Sustituyendo en la Ec.1:

Por lo tanto el tirante y2=1.002m se considera como correctoBERNOULLI ENTRE 2 Y 3 (EXTREMOS DE LA CUBETA)

. Ec.2 Dnde:.y3: tirante de la cubeta en su seccin 3, en metros..hv3: carga de velocidad en la cubeta en su seccin 3, en metros..y2: tirante a la salida de la cubeta, en metros..hf: prdidas de friccin a lo largo de la cubetaZ3: desnivel existente entre la seccin 2 y 3 (m)

Proponiendo:

LA VELOCIDAD ENTRE LOS EXTREMOS SERA LA MEDIA

La perdida por friccin ser:

Sustituyendo en la Ec.2:

Por lo tanto el tirante y 3= 1.0318m se considera como correcto

BERNOULLI ENTRE 3 Y 4 (CUBETA Y TRANSICION)

Dnde:.z4: desnivel entre los puntos 3 y 4, en metros..y4: tirante normal del canal, en metros..hv4: carga de velocidad en el canal, en metros..y3: tirante a la salida de la cubeta, en metros..hv3: carga de velocidad a la salida de la cubeta, en metros..hte: prdida de carga por transicin de entrada

Sustituyendo tenemos:

La manera en la que entraremos ser por tanteos, proponiendo un tirante, cuya rea hidrulica, permetro mojado y radio hidrulico, mediante clculos sencillos nos ayuden a igualar la ECProponiendo:

Sustituyendo en la Ec.:

Por lo tanto el tirante y4=1.002m se considera como correcto1.8 CONCLUSIONPuesto que el tirante normal en el canal es de 1.1090 y el calculado impuesto por las prdidas es de 1.1659, se produce un pequeo remanso de 1.1659-1.1090= 0.0569 m que invade el bordo libre en un 9.48 % lo cual es aceptable.1.9 .SECCION DEFINITIVA DEL PUENTE CANAL

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Aprendimos a disear un puente canal. Logramos conocer e identificar las partes de un puente canal. Pudimos conocer las consideraciones para el diseo hidrulico. Realizamos los clculos adecuados para el diseo del puente canal.

VI. BIBLIOGRAFIA

Texto Diseo de Estructuras Hidrulicas. VILLON BEJAR, Mximo. Segunda Edicin. Editorial Villon. Marzo del 2005, Lima Per. 185 pg. Internet http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/3487/Capitulo4.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_acu%C3%Canal

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