puente canal2

8/12/2019 Puente Canal2

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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


Dnde:

La ecuacin (5), se resuelve por tanteos y se determina y2

7.3 Clculo de y1


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

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