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Diseno DE Obras Hidraulicas - puente canal o acueducto
Hidrología General (Universidad Nacional del Centro del Perú)
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DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil
INDICE
I. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………................2
II. DESCRIPCION………………………………………………………………………....…… 2
2.1 DEFINICION……………………………………………………………………………..2
2.2 FINALIDAD………………………………………………………………………………3
2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS………………………………………………………..3
2.4 FUNCIONAMIENTO…………………………………………………………………….4
2.5 TIPOS DE ACUEDUCTOS……………………………………………………………..4
i. Acueducto subterraneo…………………………………………………………...4
ii. Acueducto semi-subterraneo. ………………………………………………...…5
iii. Acueducto descubierto…………………………………………………………….5
2.6 ACUEDUCTOS EN LA HISTORIA…………………………………………………….5
i. Acueductos Romanos………………………………………………………………5
ii. Acueductos Nazca…………………………………………………………………..6
iii. Acueductos Modernos…………………………………………………………..….7
III. CRITERIOS DE DISEÑO…………………………………………………………………..…8
IV. DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL…………………………………………….…10
4.1 DISEÑO HIDRAULICO………………………………………………………………...10
i. Ubicación…………………………………………………………………………….10
ii. La transición……………………………………………………………………..….10
a. La entrada……………………………………………………………...………11
b. La salida……………………………………………………………………..…12
c. El borde libre………………………………………………………………..…13
iii. El tramo elevado ………………………………………………………………..….13
iv. Protección del fondo del canal y los taludes contra la erosión. ……….….15
4.2 DISEÑO ESTRUCTURAL………………………………………………………………15
i. Criterios estructurales……………………………………………………….…….15
a. Condiciones del suelo………………………………………………….……15
b. Características Estructurales. ………………………………………..……16
ii. Elementos del diseño estructural……………………………………………..…16
a. La caja del Acueducto……………………………………………………..…16
b. La Columnas………………………………………………………………..…16
c. La Zapata ………………………………………………………………………17
V. BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………….…17
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DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil
ACUEDUCTOS
I. INTRODUCCIÓN
El trazado de un canal invariablemente se encuentra con corrientes naturales
(drenajes) y otras obras tales como carreteras y ferrocarriles, y algunas veces
tiene que cruzar valles. Las obras de drenaje transversal son las estructuras que
hacen posibles tales cruces. Por lo general son muy costosas y deben evitarse si
es posible cambiando el trazado del canal y/o desviando los drenajes.
ACUEDUCTO ROMANO
Fuente: IMAGEN GOOGLE
II. DESCRIPCION
2.1 DEFINICION:
El acueducto es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal,
logrando atravesar una depresión. Está formado por un puente y un conducto,
el conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente,
donde el agua escurre por efectos de la gravedad.
Un diseño hidráulico integrado para un canal de acueducto desarrollado, tiene
como objetivo minimizar el área de vías de agua de agua en movimiento, lo que
minimiza la masa de agua en movimiento por unidad de longitud de un canal de
acueducto. La minimización de la masa de agua da como resultado en menor
carga de agua en el canal de acueducto. Menor carga de agua en acueducto
asegura menor cantidad de materiales de construcción y por lo tanto
infraestructura y la superestructura costo reduce considerablemente haciendo
que el costo estructura de acueducto efectiva.
En algunos casos el alineamiento del canal no se modifica y se conservan los
diseños de la sección transversal y de la pendiente.
pág. 2
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DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil
2.2 FINALIDAD
La finalidad de un acueducto es pasar
agua de un canal de riego por encima de
otro canal de riego, un dren o una
depresión en el terreno. Por lo general
se usa construcciones de concreto
armado para este fin. En el caso de
cruce con vías de transporte se usará
acueductos cuando la rasante de la vía
permita una altura libre para el paso de
ACUEDUCTO
Fuente: IMAGEN GOOGLE
los vehículos de transporte. En caso de cruce de quebradas el puente debe tener
suficiente altura para dejar pasar el acueducto las máximas avenidas en el
cauce que cruza. Igualmente, si el puente tiene varios pilares, producirá
remansamientos y socavaciones que conviene tenerlas en cuenta.
2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS
La principal ventaja de un
acueducto es que, al cruzar
el canal o dren, no
obstaculiza el flujo libre del
agua a través de ellos. La
desventaja es que su
construcción interrumpe
durante un periodo
ACUEDUCTO
considerable al riego, lo que Fuente: IMAGEN GOOGLE
hace necesario desvíos correspondientes. Además, el acueducto es una
solución cara ya que se diseña como puente y los apoyos de este deben
calcularse teniendo en cuenta todas las cargas y asegurar que soporten todos
los esfuerzos de la superestructura.
En el caso que se optará por un acueducto con varios conductos circulares, en
los extremos será necesario proyectar tanques o cámaras para mejorar su
funcionamiento. Deberá verificarse si no hay otra solución más barata como por
ejemplo una alcantarilla en el canal o dren por cruzarse, cuando el caudal de
este último lo permite.
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2.4 FUNCIONAMIENTO
El agua desciende naturalmente por el canal y no remonta nunca las pendientes.
Para hacerla disponible sin bomba, hay que capturarla en un lugar más alto y
hacerle seguir una trayectoria que no es su camino natural, hay que crear un
camino artificial. Para esto un acueducto es construido a lo largo de los flancos
de la colina normalmente, y es necesario en ciertos puntos cruzar los
obstáculos que son los huecos y los baches. Para cruzar las crestas, se
construye un túnel; y para atravesar los valles, se construye un puente (llamado
puente de acueducto)
2.5 TIPOS DE ACUEDUCTOS
i. Acueducto subterraneo.
El acueducto subterráneo, que se
utilizaba mayoritariamente para
usos agrícolas. Como tenía
muchas filtraciones, esto hacía que
el agua se llenase de impurezas.
Además, su mantenimiento era
ACUEDUCTO
muy difícil ya que sólo se podía Fuente: IMAGEN GOOGLE
acceder por respiraderos, en los que el aire se viciaba muy fácilmente.
Las conducciones subterráneas por canal suelen estar comunicadas con la
superficie por medio de pozos dispuestos a intervalos regulares. Por ellos se
puede acceder al acueducto para su limpieza y mantenimiento. En el caso
de los túneles servían también para extraer escombros e introducir
materiales durante la construcción, así como para asegurar el correcto
trazado y profundidad de la excavación
ACUEDUCTO ROMANO
Fuente: IMAGEN GOOGLE
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ii. Acueducto semi-subterraneo.
El acueducto semienterrado, es también el menos costoso y el que menor
mantenimiento necesitaba, en España, en la época del imperio romano, este
tipo de acueducto fue muy utilizado, siendo uno de este tipo el que fue en la
antigüedad el acueducto más largo.
ACUEDUCTO SEMISUBTERRANEO
Fuente: IMAGEN GOOGLE
iii. Acueducto descubierto
El acueducto descubierto, es el más conocido actualmente. Era el que
necesitaba más previsión y más cálculos. Se usaba únicamente para salvar
obstáculos del terreno con los que se encontraban los otros dos tipos de
acueducto.
ACUEDUCTO DESCUBIERTO
Fuente: IMAGEN GOOGLE
2.6 ACUEDUCTOS EN LA HISTORIA
i. Acueductos Romanos
Los romanos construyeron numerosos acueductos para proporcionar agua a
las ciudades y lugares industriales en su imperio. Estos acueductos estaban
entre los mayores logros de ingeniería del mundo antiguo y establecieron un
estándar no igualado durante más de mil años tras la caída de Roma. Hoy
en día muchas ciudades mantienen y usan los antiguos acueductos aunque
los canales abiertos han sido, normalmente, reemplazados por tuberías.
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La misma ciudad de Roma, por ser la ciudad más grande, tenía la mayor
concentración de acueductos (11), con agua proporcionada por once
acueductos construidos a lo largo de un período de quinientos años. Los
estudiosos han llegado a predecir el tamaño de la ciudad por su
abastecimiento de agua.
ACUEDUCTO ROMANO
Fuente: IMAGEN GOOGLE
ii. Acueductos Nazca
Los acueductos, son trabajos de
ingeniería hidráulica que debemos
revalorar y buscar que se consideren
como una maravilla de la ingeniería
civil, al igual que el santuario de
Tipón, en Cusco. Estos acueductos ACUEDUCTO NAZCA
Fuente: IMAGEN GOOGLE
conducen las filtraciones de los ríos,
Aija, Tierra Blancas y Nazca por tramos subterráneos y por tramos
descubiertos. En los tramos cubiertos construyeron chimeneas de sección
helicoidal cada cierto tramo (50, 100 y 120 m), con el fin de realizar el
mantenimiento de las zanjas y cargar con la presión atmosférica al
acueducto y mantener el régimen de flujo uniforme, el mismo que no causa
erosión ni sedimentación en el canal. Las chimeneas tienen una longitud
promedio aproximado de unos 49 mt donde se puede ingresar con relativa
facilidad a realizar el mantenimiento. Las paredes de estas chimeneas están
revestidas con piedras canto rodado, colocados aparentemente sin
aglomerante y mantienen su estabilidad a pesar de los fenómenos naturales
ocurridos.
ACUEDUCTO NAZCA
Fuente: IMAGEN GOOGLE
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iii. Acueductos Modernos
- El Acueducto Veluwemeer - Holanda
El acueducto fue abierto al tráfico en 2002, y tiene cerca de 25 metros de
largo y 19 metros de ancho y tiene una profundidad de 3 metros que
permiten a los botes pequeños pasar a través de el. Aproximadamente
28.000 vehículos pasan todos los días. Senderos se han construido a cada
lado del acueducto para que el público pueda disfrutar de la vista.
ACUEDUCTO Fuente:
IMAGEN GOOGLE
- Acueducto del Pont du Sart - Bélgica
Estructura de hormigón armado que soporta
un tramo de 498m del Centrumkanaal en el
oeste de Bélgica por encima de la rotonda de
conexión entre la N55 y la N552 ubicada
cerca de Houdeng-Goegnies. Un mastodonte
de 65.000 toneladas de peso soportado por
28 columnas de 3m de diámetro.
ACUEDUCTO
Fuente: IMAGEN GOOGLE
- Acueducto Ringvaart Haarlemmermeer, Holanda
El canal Ringvarrt rodea, por lo que ya
hacía suponer el término “ring”, el polder
de Haarlemermmeer. El acueducto
cruza sobre la autopista A4, entre las
poblaciones de Vredeburg y Oude
Weterig, a medio camino de La Haya y
Amsterdam. ACUEDUCTO
Fuente: IMAGEN GOOGLE
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- Puente de Magdeburg, Alemania.
El más largo de los acueductos navegables del mundo con 918m! El
proyecto se inició en 1905, pero evidentemente sufrió un parón en 1942 por
la II Guerra Mundial el cual se prolongó durante la denominada Gerra Fría,
hasta que en 1997 se retomaron las obras que terminaron en 2003. Su
estructura de hormigón armado cruza por encima del río Elba, conectabdo el
canal Elbe-Havel con el Mittellandkanal y supuso un ahorro de 12km en el
transporte de mercancias y de embarcaciones de pasajeros.
ACUEDUCTO
Fuente: IMAGEN GOOGLE
III. CRITERIOS DE DISEÑO
Los siguientes requisitos de campo y las limitaciones son considerados para
enfoque de diseño hidráulico integrado:
1. Descarga entrante será igual al saliente la descarga. Si no se cumple esta
condición, habrá acumulación de agua del canal de aguas arriba del acueducto
que puede hacer que el canal no funcional hasta cierto punto, así como hay
posibilidades de ruptura de canal en aguas arriba del acueducto.
Q1 = Q2 = Q3
2. La velocidad en el canal del acueducto estará dentro de 0,9 a 2,5 m / s para
mantener a través del acueducto auto limpieza y no erosionable. El intervalo de
velocidad puede ser desviado a 0,75 a 2.0 m / s.
0,9 ≤ V2 ≤ 2,5 o 0,75 ≤ V2 ≤ 2,0 (9)
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3. La profundidad de flujo en la zona de transición y acueducto será igual a la de
canal de modo que la zona regable de comandos en el lado aguas abajo del
acueducto no disminuya.
y1 = y2 = y3 (10)
4. Las pérdidas totales en la zona de transición y el canal serán dentro perdidas de
carga permisible (HL) en el canal de corte. Si el total es menor HL que la permitida
HL, entonces el tamaño cubeta será más y que dará lugar a la estructura
de un-económico. Si el total HL es más que la HL permitido, la zona regable de
comandos en el lado aguas abajo del acueducto disminuirá y el canal el agua
se acumulará en aguas arriba del acueducto que puede hacer que el canal no
funcional hasta cierto punto, como, así como no habrá posibilidades de ruptura
de canal en aguas arriba del acueducto.
Energía pérdidas = HL3 =K(V2²-V3²) /2g
ESQUEMA DE LA VISTA EN PLANTA DE UN PUENTE CANAL O ACUEDUCTO
Fuente: APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS, Hugo Amado Rojas
rubio-2008
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IV. DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL
4.1 DISEÑO HIDRAULICO
La información mínima para el diseño hidráulico consiste de:
- Las características hidráulicas del canal de riego.
- Las elevaciones del fondo del canal de riego, tanto aguas arriba como
aguas debajo de la estructura.
i. Ubicación
En cuanto a la ubicación del acueducto debe asegurarse que el flujo de
agua hacia la estructura sea lo más uniforme posible, orientar y alinear el
acueducto de tal forma que no sea obstáculo ni para el canal que pasa por
él ni para el canal que cruza. Un acueducto se diseña para las condiciones
del flujo subcrítico, por lo que el acueducto representa una singularidad en el
perfil longitudinal del canal, que crea efectos hacia aguas arriba.
ESQUEMA DE LA VISTA EN PLANTA DE UN PUENTE CANAL O ACUEDUCTO
Fuente: APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS, Hugo Amado Rojas rubio-2008
ii. La transición
La transición aguas arriba y abajo del acueducto debe producir un cambio
gradual de la velocidad del agua en el canal mismo, hacia el tramo elevado,
cambiando también la sección trapezoidal del canal rectangular si está fuera
el caso. En cuanto más alta sea la velocidad del agua en el canal, más
importante sería disponer de una buena transición.
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La longitud de la transición está determinada por la siguiente fórmula:
𝑳 =
�
�
𝟏 −
�
�
𝟐
𝟐𝒕�
�
(�
�
)
Dónde:
𝐿 = Longitud de la transición (m)
𝑇1 = Espejo del acueducto (m)
𝑇2 = Ancho del fondo del canal (m)
𝛼 = ángulo máximo para la línea que conecta el muro lateral de la
estructura con el talud del canal.
a. La entrada
Por lo general las velocidades del agua son más altas en el acueducto
que en el canal, resultando en una aceleración del flujo en la transición
de entrada y una disminución del pelo de agua en una altura suficiente
para producir el incremento de la velocidad necesario y para superar las
pérdidas de cargas por fricción y transición. Cuando se desprecia la
perdida de agua por fricción, que generalmente es mínima, se
puede calcular esta disminución (∆y) del pelo de agua con la ecuación:
∆𝒚 = (𝟏 + �
�
�
�
) ∗ ( 𝒗�
�
𝟐
−
𝒗�
�
𝟐 )/𝟐
Dónde:
∆𝑦 = Disminución del pelo de agua (m)
CI = Coeficiente de pérdida en la entrada (Ver cuadro 1)
�
�
1 = Velocidad del agua en el canal aguas; arriba (m/s)
�
�
2= Velocidad del agua en el acueducto
(m/s)
La elevación A1 en el inicio de la transición de entrada, coincide con la
elevación del fondo del canal en esta progresiva. La elevación B1 la
final de la transición de entrada, o el inicio del acueducto, se determina
según la expresión:
�
�
�
�
𝒕�
�
𝑩 = �
�
�
�
𝒕�
�
𝑨 + 𝒀𝟏 −
(𝒀𝟐 + ∆𝒚 )
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Dónde:
𝑌1 = Tirante de agua en el canal aguas arriba (m)
𝑌2 = Tirante de agua en el acueducto (m)
∆𝑦 = Disminución del pelo de agua (m)
b. La salida
Para estructuras de salida, la velocidad se reduce, por lo menos en
parte, a los efectos de elevar la superficie del agua. Esta elevación en
la superficie del agua, conocida como la recuperación de la altura de
velocidad está normalmente acompañada por una pérdida de
conversión, conocida como la pérdida de salida. El incremento (∆y) de
la superficie del agua para estructuras de salida se puede expresar
como:
∆𝒚 = (𝟏 + �
�
�
�
) ∗ ( 𝒗�
�
𝟐
− 𝒗�
�
𝟐 )/𝟐
Dónde:
∆𝑦 = Incremento del pelo de agua (m)
�
�
𝑂 = Coeficiente de pérdida de la salida (Ver cuadro
1)
�
�
2 = Velocidad del agua en el acueducto (m/seg.)
�
�
3= Velocidad del agua en el canal aguas abajo (m/seg.)
La velocidad C, en el inicio de la transición de salida, coincide con la
elevación del fondo final del acueducto. La elevación D, al final de la
transición de salida, o el inicio del canal aguas abajo del acueducto, se
determina según:
�
�
�
�
𝒕�
�
𝑫 = �
�
�
�
𝒕�
�
𝑪 − [𝒀𝟑 − ( 𝒀𝟐 + ∆𝒚)]
Dónde:
𝑌3 = Tirante de agua en el canal aguas abajo (m)
𝑌2 = Tirante de agua en el acueducto (m)
∆𝑦 = Incremento de la superficie del agua (m)
pág. 12
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Los coeficientes recomendados de CI y Co para usar en los cálculos
se dan en el siguiente cuadro N°1.
TIPO DE TRANSICION CI CO
Curvado 0.10 0.20
Cuadrante cilíndrico 0.15 0.25
Simplificado en línea recta 0.20 0.20
Línea recta 0.30 0.50
Extremos cuadrados 0.30 0.75
CUADRO N°1: COEFICIENTE CI Y Co RECOMENDADOS
c. El borde libre
El borde libre para la transición en la parte adyacente al canal, debe ser
igual al bordo del revestimiento del canal en el caso de un canal en el
caso de un canal revestido, en el caso de un canal en tierra el borde
libre de la transición será.
- 0.15 m, para tirantes de agua hasta 0.40 m
- 0.25 m, para tirantes de agua desde 0.40 m hasta 0.60 m
- 0.30 m, para tirantes de agua desde 0.60 m, hasta a1.50 m
El borde libre de la transacción en la parte adyacente al acueducto, debe
ser igual al borde libre del acueducto mismo.
iii. El tramo elevado
Los acueductos se construyen generalmente de concreto armado. Desde el
punto de vista constructivo, la sección más apropiada en concreto armado
es una sección rectangular. La sección hidráulica más eficiente es aquella
cuya relación entre el ancho (b) y el tirante (y) esa entre 1.0 y 3.0. Para
cualquier relación b / y en este rango, los valores del área mojado, velocidad
y perímetro mojado son casi idénticos, cuando la pendiente del fondo del
acueducto varía entre 0.0001 y 0.100 y para caudales pequeños hasta 2.85
m³ / seg.
pág. 13
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La sección más económica del acueducto tendrá una velocidad de agua
más alta que la velocidad de agua en un canal en tierra y consecuentemente
la pendiente del acueducto será también mayor que la pendiente del canal.
Estudio realizadas muestran que, con una relación b/y igual a 1, 2 ó 3, la
pendiente del acueducto no debe ser mayor de 0.002 para evitar un flujo
supercrítico. Usando un valor para el factor de rugosidad (n), reducido en un
20%, se recomienda verificar si el flujo no se acerca mucho al flujo
supercrítico, para evitar un flujo inestable en el acueducto. El valor común
del factor rugosidad para un acueducto de concreto armado es n = 0.014. La
pendiente del acueducto se determina con:
�
�
�
�
𝒕�
�
𝑩 −
�
�
�
�
𝒕�
�
𝑪
𝒔 = (
𝑳
)
Dónde:
𝑠 = Pendiente de la rasante del acueducto
�
�
𝑜�
�
�
�
𝐵 = Elevación en el inicio del acueducto
(m.s.n.m.)
�
�
𝑜�
�
�
�
𝐶 = Elevación al final del acueducto
(m.s.n.m.)
𝐿 = Longitud del acueducto entre los puntos B y C (m)
La pendiente calculada con la anterior formula debería ser menor de 0.002;
caso contrario habrá que modificar el diseño. El cálculo hidráulico se hace
con la conocida fórmula de MANNING:
𝟓
𝟏 𝑨 ⁄𝟑 𝟏
𝑸 = 𝑺 ⁄𝟐
𝟐
𝒏 𝑷 ⁄𝟑
Dónde:
𝑄 = Caudal (m3 /seg.)
�
�
= Área mojada, by
(m²)
P = Radio hidráulico (m)
𝑆 = La pendiente de la rasante del acueducto
n = Factor de rugosidad de MANNING.
pág. 14
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DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil
iv. Protección del fondo del canal y los taludes contra la erosión.
Cuando una estructura que conduce agua desemboca en un canal en tierra,
se necesita siempre una protección en los primeros metros del canal para
evitar que ocurra erosión:
Para el diseño de la protección se tiene que saber lo siguiente:
La velocidad del agua en la estructura
La velocidad del agua en el canal
La granulometría del material del canal
El ángulo de talud del canal
En el diseño de la protección se puede distinguir dos fases:
1. Determinar la longitud necesaria de la protección.
2. Determinar las características de la construcción, o sea el peso y el
tamaño del material requerido para la protección.
4.2 DISEÑO ESTRUCTURAL
i. Criterios estructurales
a. condiciones del suelo
Para diseñar una estructura de acueducto se tiene que conocer las
condiciones del suelo sobre lo cual se construirá la estructura. Se tiene
que hacer como mínimo una perforación en el sitio de construcción de cada
obra de arte y hasta una profundidad de por lo menos de dos metros por
debajo del nivel de cimentación de la estructura. También se debe anotar
el nivel del mapa freático encontrado al momento de la perforación.
En base a los datos de perforación se puede calcular o estimar la
capacidad de carga del terreno, y calcular la presión lateral en las paredes.
Los datos necesarios que se tiene determinar o estimar en base de las
perforaciones son:
La textura
El peso específico del material seco.
El peso específico del material bajo agua.
El ángulo de fricción interna.
La capacidad portante del suelo.
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DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil
b. Características Estructurales.
Las características de los materiales que se usarán en la construcción:
concreto, armadura, madera, etc.
Concreto (para concreto armado)
Concreto ciclópeo
Armaduras
Densidad del concreto.
Además se tiene que mencionar el tipo de cemento y el recubrimiento
necesario que depende de las condiciones que debe resistir el concreto.
ii. Elementos del diseño estructural
El diseño estructural del acueducto comprende en tres elementos que
forman la estructura, como son:
La caja que conduce el agua o el acueducto.
Las columnas.
Las zapatas.
a. La caja del Acueducto
La caja consiste de una losa soportada por dos vigas laterales,
formando así una canaleta de sección rectangular para transportar el
agua. Las vigas están soportadas en ambos extremos por las columnas.
El caso crítico para el diseño es cuando la caja está llena de agua hasta
la parte superior de las vigas laterales, es decir sin considerar el borde
libre.
El cálculo de la caja se hace en dos etapas, considerando primero las
cargas en la sección transversal y luego las cargas que actúan sobre las
vigas en el sentido longitudinal. Las cargas de sección transversal.
La presión lateral del agua sobre las vigas.
El peso del agua sobre la losa.
El peso propio de la losa.
c. La Columnas
La columna transmite las cargas de caja hacia la zapata, y cuenta con
una viga en la parte superior, la cual forma el soporte para la caja.
Las cargas que actúan sobre la columna son:
Las reacciones de las vigas de la caja.
El peso propio.
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DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil
d. La Zapata
La zapata debe transmitir todas las cargas de la estructura hacia el
terreno, sin aceptar asentamientos inaceptables. El área portante de la
zapata debe ser suficiente para garantizar dicha transmisión y
consecuentemente la presión de la zapata debe ser menor que la
capacidad que la carga del terreno, considerando un factor de seguridad
mayor de tres metros.
PLANO EN PLANTA
Superestructura canal
Subestructura
ESQUEMA DE UN ACUEDUCTO
V. BIBLIOGRAFIA
LUGAR
N
TITULO AUTOR
DE
AÑO N° PAG.
° PUBLICA
CION
1 Hydraulic Structures, Fourth New 2007 43
P. Novak,A.I.B. Moffat,C.
Edition York
2 MANUAL DE DISEÑO DE Lima 2010 356
ANA
OBRAS HIDRAULICAS
3 APUNTES DE ESTRUCTURAS CUSCO 2008 86
Hugo Amado Rojas rubio
HIDRAULICAS
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  • 1. lOMoAR cPSD|19267173 Diseno DE Obras Hidraulicas - puente canal o acueducto Hidrología General (Universidad Nacional del Centro del Perú) Studocu is not sponsored or endorsed by any college or university Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 2. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil INDICE I. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………................2 II. DESCRIPCION………………………………………………………………………....…… 2 2.1 DEFINICION……………………………………………………………………………..2 2.2 FINALIDAD………………………………………………………………………………3 2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS………………………………………………………..3 2.4 FUNCIONAMIENTO…………………………………………………………………….4 2.5 TIPOS DE ACUEDUCTOS……………………………………………………………..4 i. Acueducto subterraneo…………………………………………………………...4 ii. Acueducto semi-subterraneo. ………………………………………………...…5 iii. Acueducto descubierto…………………………………………………………….5 2.6 ACUEDUCTOS EN LA HISTORIA…………………………………………………….5 i. Acueductos Romanos………………………………………………………………5 ii. Acueductos Nazca…………………………………………………………………..6 iii. Acueductos Modernos…………………………………………………………..….7 III. CRITERIOS DE DISEÑO…………………………………………………………………..…8 IV. DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL…………………………………………….…10 4.1 DISEÑO HIDRAULICO………………………………………………………………...10 i. Ubicación…………………………………………………………………………….10 ii. La transición……………………………………………………………………..….10 a. La entrada……………………………………………………………...………11 b. La salida……………………………………………………………………..…12 c. El borde libre………………………………………………………………..…13 iii. El tramo elevado ………………………………………………………………..….13 iv. Protección del fondo del canal y los taludes contra la erosión. ……….….15 4.2 DISEÑO ESTRUCTURAL………………………………………………………………15 i. Criterios estructurales……………………………………………………….…….15 a. Condiciones del suelo………………………………………………….……15 b. Características Estructurales. ………………………………………..……16 ii. Elementos del diseño estructural……………………………………………..…16 a. La caja del Acueducto……………………………………………………..…16 b. La Columnas………………………………………………………………..…16 c. La Zapata ………………………………………………………………………17 V. BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………….…17 pág. 1 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 3. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil ACUEDUCTOS I. INTRODUCCIÓN El trazado de un canal invariablemente se encuentra con corrientes naturales (drenajes) y otras obras tales como carreteras y ferrocarriles, y algunas veces tiene que cruzar valles. Las obras de drenaje transversal son las estructuras que hacen posibles tales cruces. Por lo general son muy costosas y deben evitarse si es posible cambiando el trazado del canal y/o desviando los drenajes. ACUEDUCTO ROMANO Fuente: IMAGEN GOOGLE II. DESCRIPCION 2.1 DEFINICION: El acueducto es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión. Está formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, acero, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad. Un diseño hidráulico integrado para un canal de acueducto desarrollado, tiene como objetivo minimizar el área de vías de agua de agua en movimiento, lo que minimiza la masa de agua en movimiento por unidad de longitud de un canal de acueducto. La minimización de la masa de agua da como resultado en menor carga de agua en el canal de acueducto. Menor carga de agua en acueducto asegura menor cantidad de materiales de construcción y por lo tanto infraestructura y la superestructura costo reduce considerablemente haciendo que el costo estructura de acueducto efectiva. En algunos casos el alineamiento del canal no se modifica y se conservan los diseños de la sección transversal y de la pendiente. pág. 2 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 4. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil 2.2 FINALIDAD La finalidad de un acueducto es pasar agua de un canal de riego por encima de otro canal de riego, un dren o una depresión en el terreno. Por lo general se usa construcciones de concreto armado para este fin. En el caso de cruce con vías de transporte se usará acueductos cuando la rasante de la vía permita una altura libre para el paso de ACUEDUCTO Fuente: IMAGEN GOOGLE los vehículos de transporte. En caso de cruce de quebradas el puente debe tener suficiente altura para dejar pasar el acueducto las máximas avenidas en el cauce que cruza. Igualmente, si el puente tiene varios pilares, producirá remansamientos y socavaciones que conviene tenerlas en cuenta. 2.3 VENTAJAS Y DESVENTAJAS La principal ventaja de un acueducto es que, al cruzar el canal o dren, no obstaculiza el flujo libre del agua a través de ellos. La desventaja es que su construcción interrumpe durante un periodo ACUEDUCTO considerable al riego, lo que Fuente: IMAGEN GOOGLE hace necesario desvíos correspondientes. Además, el acueducto es una solución cara ya que se diseña como puente y los apoyos de este deben calcularse teniendo en cuenta todas las cargas y asegurar que soporten todos los esfuerzos de la superestructura. En el caso que se optará por un acueducto con varios conductos circulares, en los extremos será necesario proyectar tanques o cámaras para mejorar su funcionamiento. Deberá verificarse si no hay otra solución más barata como por ejemplo una alcantarilla en el canal o dren por cruzarse, cuando el caudal de este último lo permite. pág. 3 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 5. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil 2.4 FUNCIONAMIENTO El agua desciende naturalmente por el canal y no remonta nunca las pendientes. Para hacerla disponible sin bomba, hay que capturarla en un lugar más alto y hacerle seguir una trayectoria que no es su camino natural, hay que crear un camino artificial. Para esto un acueducto es construido a lo largo de los flancos de la colina normalmente, y es necesario en ciertos puntos cruzar los obstáculos que son los huecos y los baches. Para cruzar las crestas, se construye un túnel; y para atravesar los valles, se construye un puente (llamado puente de acueducto) 2.5 TIPOS DE ACUEDUCTOS i. Acueducto subterraneo. El acueducto subterráneo, que se utilizaba mayoritariamente para usos agrícolas. Como tenía muchas filtraciones, esto hacía que el agua se llenase de impurezas. Además, su mantenimiento era ACUEDUCTO muy difícil ya que sólo se podía Fuente: IMAGEN GOOGLE acceder por respiraderos, en los que el aire se viciaba muy fácilmente. Las conducciones subterráneas por canal suelen estar comunicadas con la superficie por medio de pozos dispuestos a intervalos regulares. Por ellos se puede acceder al acueducto para su limpieza y mantenimiento. En el caso de los túneles servían también para extraer escombros e introducir materiales durante la construcción, así como para asegurar el correcto trazado y profundidad de la excavación ACUEDUCTO ROMANO Fuente: IMAGEN GOOGLE pág. 4 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 6. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil ii. Acueducto semi-subterraneo. El acueducto semienterrado, es también el menos costoso y el que menor mantenimiento necesitaba, en España, en la época del imperio romano, este tipo de acueducto fue muy utilizado, siendo uno de este tipo el que fue en la antigüedad el acueducto más largo. ACUEDUCTO SEMISUBTERRANEO Fuente: IMAGEN GOOGLE iii. Acueducto descubierto El acueducto descubierto, es el más conocido actualmente. Era el que necesitaba más previsión y más cálculos. Se usaba únicamente para salvar obstáculos del terreno con los que se encontraban los otros dos tipos de acueducto. ACUEDUCTO DESCUBIERTO Fuente: IMAGEN GOOGLE 2.6 ACUEDUCTOS EN LA HISTORIA i. Acueductos Romanos Los romanos construyeron numerosos acueductos para proporcionar agua a las ciudades y lugares industriales en su imperio. Estos acueductos estaban entre los mayores logros de ingeniería del mundo antiguo y establecieron un estándar no igualado durante más de mil años tras la caída de Roma. Hoy en día muchas ciudades mantienen y usan los antiguos acueductos aunque los canales abiertos han sido, normalmente, reemplazados por tuberías. pág. 5 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 7. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil La misma ciudad de Roma, por ser la ciudad más grande, tenía la mayor concentración de acueductos (11), con agua proporcionada por once acueductos construidos a lo largo de un período de quinientos años. Los estudiosos han llegado a predecir el tamaño de la ciudad por su abastecimiento de agua. ACUEDUCTO ROMANO Fuente: IMAGEN GOOGLE ii. Acueductos Nazca Los acueductos, son trabajos de ingeniería hidráulica que debemos revalorar y buscar que se consideren como una maravilla de la ingeniería civil, al igual que el santuario de Tipón, en Cusco. Estos acueductos ACUEDUCTO NAZCA Fuente: IMAGEN GOOGLE conducen las filtraciones de los ríos, Aija, Tierra Blancas y Nazca por tramos subterráneos y por tramos descubiertos. En los tramos cubiertos construyeron chimeneas de sección helicoidal cada cierto tramo (50, 100 y 120 m), con el fin de realizar el mantenimiento de las zanjas y cargar con la presión atmosférica al acueducto y mantener el régimen de flujo uniforme, el mismo que no causa erosión ni sedimentación en el canal. Las chimeneas tienen una longitud promedio aproximado de unos 49 mt donde se puede ingresar con relativa facilidad a realizar el mantenimiento. Las paredes de estas chimeneas están revestidas con piedras canto rodado, colocados aparentemente sin aglomerante y mantienen su estabilidad a pesar de los fenómenos naturales ocurridos. ACUEDUCTO NAZCA Fuente: IMAGEN GOOGLE pág. 6 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 8. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil iii. Acueductos Modernos - El Acueducto Veluwemeer - Holanda El acueducto fue abierto al tráfico en 2002, y tiene cerca de 25 metros de largo y 19 metros de ancho y tiene una profundidad de 3 metros que permiten a los botes pequeños pasar a través de el. Aproximadamente 28.000 vehículos pasan todos los días. Senderos se han construido a cada lado del acueducto para que el público pueda disfrutar de la vista. ACUEDUCTO Fuente: IMAGEN GOOGLE - Acueducto del Pont du Sart - Bélgica Estructura de hormigón armado que soporta un tramo de 498m del Centrumkanaal en el oeste de Bélgica por encima de la rotonda de conexión entre la N55 y la N552 ubicada cerca de Houdeng-Goegnies. Un mastodonte de 65.000 toneladas de peso soportado por 28 columnas de 3m de diámetro. ACUEDUCTO Fuente: IMAGEN GOOGLE - Acueducto Ringvaart Haarlemmermeer, Holanda El canal Ringvarrt rodea, por lo que ya hacía suponer el término “ring”, el polder de Haarlemermmeer. El acueducto cruza sobre la autopista A4, entre las poblaciones de Vredeburg y Oude Weterig, a medio camino de La Haya y Amsterdam. ACUEDUCTO Fuente: IMAGEN GOOGLE pág. 7 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 9. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil - Puente de Magdeburg, Alemania. El más largo de los acueductos navegables del mundo con 918m! El proyecto se inició en 1905, pero evidentemente sufrió un parón en 1942 por la II Guerra Mundial el cual se prolongó durante la denominada Gerra Fría, hasta que en 1997 se retomaron las obras que terminaron en 2003. Su estructura de hormigón armado cruza por encima del río Elba, conectabdo el canal Elbe-Havel con el Mittellandkanal y supuso un ahorro de 12km en el transporte de mercancias y de embarcaciones de pasajeros. ACUEDUCTO Fuente: IMAGEN GOOGLE III. CRITERIOS DE DISEÑO Los siguientes requisitos de campo y las limitaciones son considerados para enfoque de diseño hidráulico integrado: 1. Descarga entrante será igual al saliente la descarga. Si no se cumple esta condición, habrá acumulación de agua del canal de aguas arriba del acueducto que puede hacer que el canal no funcional hasta cierto punto, así como hay posibilidades de ruptura de canal en aguas arriba del acueducto. Q1 = Q2 = Q3 2. La velocidad en el canal del acueducto estará dentro de 0,9 a 2,5 m / s para mantener a través del acueducto auto limpieza y no erosionable. El intervalo de velocidad puede ser desviado a 0,75 a 2.0 m / s. 0,9 ≤ V2 ≤ 2,5 o 0,75 ≤ V2 ≤ 2,0 (9) pág. 8 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 10. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil 3. La profundidad de flujo en la zona de transición y acueducto será igual a la de canal de modo que la zona regable de comandos en el lado aguas abajo del acueducto no disminuya. y1 = y2 = y3 (10) 4. Las pérdidas totales en la zona de transición y el canal serán dentro perdidas de carga permisible (HL) en el canal de corte. Si el total es menor HL que la permitida HL, entonces el tamaño cubeta será más y que dará lugar a la estructura de un-económico. Si el total HL es más que la HL permitido, la zona regable de comandos en el lado aguas abajo del acueducto disminuirá y el canal el agua se acumulará en aguas arriba del acueducto que puede hacer que el canal no funcional hasta cierto punto, como, así como no habrá posibilidades de ruptura de canal en aguas arriba del acueducto. Energía pérdidas = HL3 =K(V2²-V3²) /2g ESQUEMA DE LA VISTA EN PLANTA DE UN PUENTE CANAL O ACUEDUCTO Fuente: APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS, Hugo Amado Rojas rubio-2008 pág. 9 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 11. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil IV. DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL 4.1 DISEÑO HIDRAULICO La información mínima para el diseño hidráulico consiste de: - Las características hidráulicas del canal de riego. - Las elevaciones del fondo del canal de riego, tanto aguas arriba como aguas debajo de la estructura. i. Ubicación En cuanto a la ubicación del acueducto debe asegurarse que el flujo de agua hacia la estructura sea lo más uniforme posible, orientar y alinear el acueducto de tal forma que no sea obstáculo ni para el canal que pasa por él ni para el canal que cruza. Un acueducto se diseña para las condiciones del flujo subcrítico, por lo que el acueducto representa una singularidad en el perfil longitudinal del canal, que crea efectos hacia aguas arriba. ESQUEMA DE LA VISTA EN PLANTA DE UN PUENTE CANAL O ACUEDUCTO Fuente: APUNTES DE ESTRUCTURAS HIDRAULICAS, Hugo Amado Rojas rubio-2008 ii. La transición La transición aguas arriba y abajo del acueducto debe producir un cambio gradual de la velocidad del agua en el canal mismo, hacia el tramo elevado, cambiando también la sección trapezoidal del canal rectangular si está fuera el caso. En cuanto más alta sea la velocidad del agua en el canal, más importante sería disponer de una buena transición. pág. 10 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 12. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil La longitud de la transición está determinada por la siguiente fórmula: 𝑳 = � � 𝟏 − � � 𝟐 𝟐𝒕� � (� � ) Dónde: 𝐿 = Longitud de la transición (m) 𝑇1 = Espejo del acueducto (m) 𝑇2 = Ancho del fondo del canal (m) 𝛼 = ángulo máximo para la línea que conecta el muro lateral de la estructura con el talud del canal. a. La entrada Por lo general las velocidades del agua son más altas en el acueducto que en el canal, resultando en una aceleración del flujo en la transición de entrada y una disminución del pelo de agua en una altura suficiente para producir el incremento de la velocidad necesario y para superar las pérdidas de cargas por fricción y transición. Cuando se desprecia la perdida de agua por fricción, que generalmente es mínima, se puede calcular esta disminución (∆y) del pelo de agua con la ecuación: ∆𝒚 = (𝟏 + � � � � ) ∗ ( 𝒗� � 𝟐 − 𝒗� � 𝟐 )/𝟐 Dónde: ∆𝑦 = Disminución del pelo de agua (m) CI = Coeficiente de pérdida en la entrada (Ver cuadro 1) � � 1 = Velocidad del agua en el canal aguas; arriba (m/s) � � 2= Velocidad del agua en el acueducto (m/s) La elevación A1 en el inicio de la transición de entrada, coincide con la elevación del fondo del canal en esta progresiva. La elevación B1 la final de la transición de entrada, o el inicio del acueducto, se determina según la expresión: � � � � 𝒕� � 𝑩 = � � � � 𝒕� � 𝑨 + 𝒀𝟏 − (𝒀𝟐 + ∆𝒚 ) Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 13. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil Dónde: 𝑌1 = Tirante de agua en el canal aguas arriba (m) 𝑌2 = Tirante de agua en el acueducto (m) ∆𝑦 = Disminución del pelo de agua (m) b. La salida Para estructuras de salida, la velocidad se reduce, por lo menos en parte, a los efectos de elevar la superficie del agua. Esta elevación en la superficie del agua, conocida como la recuperación de la altura de velocidad está normalmente acompañada por una pérdida de conversión, conocida como la pérdida de salida. El incremento (∆y) de la superficie del agua para estructuras de salida se puede expresar como: ∆𝒚 = (𝟏 + � � � � ) ∗ ( 𝒗� � 𝟐 − 𝒗� � 𝟐 )/𝟐 Dónde: ∆𝑦 = Incremento del pelo de agua (m) � � 𝑂 = Coeficiente de pérdida de la salida (Ver cuadro 1) � � 2 = Velocidad del agua en el acueducto (m/seg.) � � 3= Velocidad del agua en el canal aguas abajo (m/seg.) La velocidad C, en el inicio de la transición de salida, coincide con la elevación del fondo final del acueducto. La elevación D, al final de la transición de salida, o el inicio del canal aguas abajo del acueducto, se determina según: � � � � 𝒕� � 𝑫 = � � � � 𝒕� � 𝑪 − [𝒀𝟑 − ( 𝒀𝟐 + ∆𝒚)] Dónde: 𝑌3 = Tirante de agua en el canal aguas abajo (m) 𝑌2 = Tirante de agua en el acueducto (m) ∆𝑦 = Incremento de la superficie del agua (m) pág. 12 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 14. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil Los coeficientes recomendados de CI y Co para usar en los cálculos se dan en el siguiente cuadro N°1. TIPO DE TRANSICION CI CO Curvado 0.10 0.20 Cuadrante cilíndrico 0.15 0.25 Simplificado en línea recta 0.20 0.20 Línea recta 0.30 0.50 Extremos cuadrados 0.30 0.75 CUADRO N°1: COEFICIENTE CI Y Co RECOMENDADOS c. El borde libre El borde libre para la transición en la parte adyacente al canal, debe ser igual al bordo del revestimiento del canal en el caso de un canal en el caso de un canal revestido, en el caso de un canal en tierra el borde libre de la transición será. - 0.15 m, para tirantes de agua hasta 0.40 m - 0.25 m, para tirantes de agua desde 0.40 m hasta 0.60 m - 0.30 m, para tirantes de agua desde 0.60 m, hasta a1.50 m El borde libre de la transacción en la parte adyacente al acueducto, debe ser igual al borde libre del acueducto mismo. iii. El tramo elevado Los acueductos se construyen generalmente de concreto armado. Desde el punto de vista constructivo, la sección más apropiada en concreto armado es una sección rectangular. La sección hidráulica más eficiente es aquella cuya relación entre el ancho (b) y el tirante (y) esa entre 1.0 y 3.0. Para cualquier relación b / y en este rango, los valores del área mojado, velocidad y perímetro mojado son casi idénticos, cuando la pendiente del fondo del acueducto varía entre 0.0001 y 0.100 y para caudales pequeños hasta 2.85 m³ / seg. pág. 13 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 15. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil La sección más económica del acueducto tendrá una velocidad de agua más alta que la velocidad de agua en un canal en tierra y consecuentemente la pendiente del acueducto será también mayor que la pendiente del canal. Estudio realizadas muestran que, con una relación b/y igual a 1, 2 ó 3, la pendiente del acueducto no debe ser mayor de 0.002 para evitar un flujo supercrítico. Usando un valor para el factor de rugosidad (n), reducido en un 20%, se recomienda verificar si el flujo no se acerca mucho al flujo supercrítico, para evitar un flujo inestable en el acueducto. El valor común del factor rugosidad para un acueducto de concreto armado es n = 0.014. La pendiente del acueducto se determina con: � � � � 𝒕� � 𝑩 − � � � � 𝒕� � 𝑪 𝒔 = ( 𝑳 ) Dónde: 𝑠 = Pendiente de la rasante del acueducto � � 𝑜� � � � 𝐵 = Elevación en el inicio del acueducto (m.s.n.m.) � � 𝑜� � � � 𝐶 = Elevación al final del acueducto (m.s.n.m.) 𝐿 = Longitud del acueducto entre los puntos B y C (m) La pendiente calculada con la anterior formula debería ser menor de 0.002; caso contrario habrá que modificar el diseño. El cálculo hidráulico se hace con la conocida fórmula de MANNING: 𝟓 𝟏 𝑨 ⁄𝟑 𝟏 𝑸 = 𝑺 ⁄𝟐 𝟐 𝒏 𝑷 ⁄𝟑 Dónde: 𝑄 = Caudal (m3 /seg.) � � = Área mojada, by (m²) P = Radio hidráulico (m) 𝑆 = La pendiente de la rasante del acueducto n = Factor de rugosidad de MANNING. pág. 14 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 16. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil iv. Protección del fondo del canal y los taludes contra la erosión. Cuando una estructura que conduce agua desemboca en un canal en tierra, se necesita siempre una protección en los primeros metros del canal para evitar que ocurra erosión: Para el diseño de la protección se tiene que saber lo siguiente: La velocidad del agua en la estructura La velocidad del agua en el canal La granulometría del material del canal El ángulo de talud del canal En el diseño de la protección se puede distinguir dos fases: 1. Determinar la longitud necesaria de la protección. 2. Determinar las características de la construcción, o sea el peso y el tamaño del material requerido para la protección. 4.2 DISEÑO ESTRUCTURAL i. Criterios estructurales a. condiciones del suelo Para diseñar una estructura de acueducto se tiene que conocer las condiciones del suelo sobre lo cual se construirá la estructura. Se tiene que hacer como mínimo una perforación en el sitio de construcción de cada obra de arte y hasta una profundidad de por lo menos de dos metros por debajo del nivel de cimentación de la estructura. También se debe anotar el nivel del mapa freático encontrado al momento de la perforación. En base a los datos de perforación se puede calcular o estimar la capacidad de carga del terreno, y calcular la presión lateral en las paredes. Los datos necesarios que se tiene determinar o estimar en base de las perforaciones son: La textura El peso específico del material seco. El peso específico del material bajo agua. El ángulo de fricción interna. La capacidad portante del suelo. pág. 15 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 17. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil b. Características Estructurales. Las características de los materiales que se usarán en la construcción: concreto, armadura, madera, etc. Concreto (para concreto armado) Concreto ciclópeo Armaduras Densidad del concreto. Además se tiene que mencionar el tipo de cemento y el recubrimiento necesario que depende de las condiciones que debe resistir el concreto. ii. Elementos del diseño estructural El diseño estructural del acueducto comprende en tres elementos que forman la estructura, como son: La caja que conduce el agua o el acueducto. Las columnas. Las zapatas. a. La caja del Acueducto La caja consiste de una losa soportada por dos vigas laterales, formando así una canaleta de sección rectangular para transportar el agua. Las vigas están soportadas en ambos extremos por las columnas. El caso crítico para el diseño es cuando la caja está llena de agua hasta la parte superior de las vigas laterales, es decir sin considerar el borde libre. El cálculo de la caja se hace en dos etapas, considerando primero las cargas en la sección transversal y luego las cargas que actúan sobre las vigas en el sentido longitudinal. Las cargas de sección transversal. La presión lateral del agua sobre las vigas. El peso del agua sobre la losa. El peso propio de la losa. c. La Columnas La columna transmite las cargas de caja hacia la zapata, y cuenta con una viga en la parte superior, la cual forma el soporte para la caja. Las cargas que actúan sobre la columna son: Las reacciones de las vigas de la caja. El peso propio. pág. 16 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)
  • 18. lOMoAR cPSD|19267173 DISEÑO DE OBRAS HIDRAULICAS Ing. Civil d. La Zapata La zapata debe transmitir todas las cargas de la estructura hacia el terreno, sin aceptar asentamientos inaceptables. El área portante de la zapata debe ser suficiente para garantizar dicha transmisión y consecuentemente la presión de la zapata debe ser menor que la capacidad que la carga del terreno, considerando un factor de seguridad mayor de tres metros. PLANO EN PLANTA Superestructura canal Subestructura ESQUEMA DE UN ACUEDUCTO V. BIBLIOGRAFIA LUGAR N TITULO AUTOR DE AÑO N° PAG. ° PUBLICA CION 1 Hydraulic Structures, Fourth New 2007 43 P. Novak,A.I.B. Moffat,C. Edition York 2 MANUAL DE DISEÑO DE Lima 2010 356 ANA OBRAS HIDRAULICAS 3 APUNTES DE ESTRUCTURAS CUSCO 2008 86 Hugo Amado Rojas rubio HIDRAULICAS pág. 17 Downloaded by JESUS EISENHOWER ZARATE VILCHEZ (43016497@continental.edu.pe)