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ESTRUCTURAS HIDRAULICAS: PUENTE CANAL 2014
ING. VICTOR CENTA CUEVA Pgina 1
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 ESTRUCTURA
En cada caso se debe escoger la solucin ms conveniente para tener unfuncionamiento 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.
2. 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.
2.1. El puente canal se puede utilizar cuando la diferencia de niveles entre
la rasante del canal y la rasante del obstculo, permite un espacio libesuficiente 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.
2.2. 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.
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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
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B. TIPOS DE PUENTE CANAL:
1. PUENTE CANAL DE MADERA: Las maderas ms apropiadas son elcedro 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 porel 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 deacero 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 suconstruccin 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 ydeben 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.
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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 lavelocidad del agua en el canal.
2. CONDUCTO ELEVADO:Generalmente tiene una seccin hidrulica mspequea 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.
3. TRANSICIN DE SALIDA:Une el puente canal con el canal.
D. Consideraciones para el diseo Hidrulico
1. MaterialEl material utilizado para la construccin del puente canal puede ser:
concreto, madera, hierro, u otro material duro, lo cual nos permite elegir elcoeficiente 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.
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1 2 3 4
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, peromanteniendo 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:
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*( )+
.. ()
() Igualando () y () y despejando:
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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 aproximacinde , 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 Salida
Para 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.
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6. Calculo de las perdidas en las Transiciones
Las perdidas predominantes en las transiciones (por su corta longitud)
corresponden a las perdidas por cambio de direccin siendo su ecuacin:
Dnde:
= perdidas por transicin entre 1 y 2K = 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. Siendo
Los valores de y , dependen del tipo de transicin diseada, en lafiguras 7.4 y en la tabla 7.1, se muestran algunos valores de ellos.
Tabla 1: Valores de
y
, segn el tipo de transicin
Tipo de Transicin Curvado 0.10 0.20
Cuadrante cilndrico 0.25 0.25
Simplificado en lnea recta 0.20 0.30
Lnea recta 0.30 0.50
Extremos Cuadrados 0.30 75
7. CLCULO DE LOS EFECTOS DE LA CURVA DE REMANSO
El 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:
)4...(..........2222
2423244
23343
g
v
g
vkeg
vyg
vyz
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Dnde:
Dnde:
z = diferencial de cotas
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.La ecuacin (4), se resuelve por tanteos y se determina y3; como seindic anteriormente, para un flujo subcrtico y4=yndel tramo delcanal de salida.
7.2 Clculo de y2
Aplicar la ecuacin de la energa entre las secciones 2 y 3:
Dnde:
La ecuacin (5), se resuelve por tanteos y se determina y2
7.3 Clculo de y1
Aplicar la ecuacin de la energa entre las secciones 1 y 2:
2
3
2
R
xnvSE
232 vvv
2
32 RRR
SLz 43
)5...(..........22 32
2
4
4
2
3
343 fhg
vy
g
vyz
LSh Ef 32
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Dnde:
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 CANAL
1. DESARROLLO DEL PROYECTO PUENTE CANAL
1.1 DATOS DEL PROYECTO
Para 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 HIDRULICO
Gasto (m3/s) 3.6Claro (m) 25Plantilla del canal (m) 2.25Pendiente *10- 7.0
1.2 DISEO DEL CANAL TRAPECIAL
Datos:
Q= 3.6m3/seg b= 2.25 mS=0.0007 k=m=1.5 n=0.025 B.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.
)6...(..........2222
2
1
2
2
2
22
2
1121
g
v
g
vke
g
vy
g
vyz
SLz 21
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S: pendiente del canalA; rea hidrulica de la seccin (en este caso trapecial) en m2.R; radio hidrulico de la seccinn: rugosidad del canal (adimensional)
O bien igualando las velocidades calculadas con la ecuacin de Manningy 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 canal
Y= 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 hidrulico
A= rea hidrulica del canalP= permetro mojado (m)
y A P R R^(2/3) V1 V2 A*(R2/3) Qn/s(1/2)1.0000 3.7500 5.8556 0.6404 0.7430 0.7863 0.9600 2.7862 3.40171.1000 4.2900 6.2161 0.6901 0.7810 0.8265 0.8392 3.3503 3.40171.1100 4.3457 6.2522 0.6951 0.7847 0.8304 0.8284 3.4099 3.40171.1090 4.3401 6.2486 0.6946 0.7843 0.8300 0.8295 3.4039 3.4017
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1.3 CARGA DE VELOCIDAD
La 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 ESPECFICA
Se 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:
Se puede determinar por la tabla anterior que el tirante normal Yn= 1.9010m, cumple tanto la igualdad de las velocidades, como la del mdulo de laseccin con el factor hidrulico.
Por tal manera el canal aguas arriba y aguas abajo quedara dimensionado dela siguiente manera:
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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 TRANSICION
Las 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 reducirlas 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
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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
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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.1
Proponiendo:
Sustituyendo en la Ec.1:
Por lo tanto el tirante y2=1.002m se considera como correcto
BERNOULLI ENTRE 2 Y 3 (EXTREMOS DE LA CUBETA)
.Ec.2Dnde:
.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 cubeta
Z3: desnivel existente entre la seccin 2 y 3 (m)
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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.
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.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 EC
Proponiendo:
Sustituyendo en la Ec.: Por lo tanto el tirante y4=1.002m se considera como correcto
1.8 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
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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
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http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/3487/Capitulo4.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Puente_acu%C3%Canal
http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/3487/Capitulo4.pdfhttp://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/3487/Capitulo4.pdfhttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_acu%C3%Canalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_acu%C3%Canalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Puente_acu%C3%Canalhttp://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/3487/Capitulo4.pdf