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UNIVERSIDAD RICARDO PALMA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

TALLER DE OBRAS HIDRAULICAS “DISEÑO DE ALCANTARILLADO” DOCENTE:

ING. CALDERON RUFASTO, JACINTO

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA Facultad De Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil

“El presente trabajo está dedicado a los ingenieros que se esfuerzan por guiarnos y dotarnos de conocimientos para poder desenvolvernos de una manera muy eficiente en el campo de la Ingeniería Civil”.

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INTRODUCCIÓN Al desarrollarse la construcción de algunas obras de Ingeniería tales como las carreteras que cruzan el cauce natural, o artificial, se hace indispensable la construcción de obras apropiadas para drenar el agua que impide la construcción de dicha obra. Los drenajes transversales de carretera se hacen mediante alcantarillas, puentes y caídas. Con frecuencia, las alcantarillas tienen una luz más pequeña ( D Yt > D Alcantarilla llena Tipo II: salida no sumergida Figura 2

H > H*

1.2 ≤ H* ≤ 1.5

Yt < D Alcantarilla llena Tipo III: Salida no sumergida H>H Yt < D Parcialmente llena Tipo VI: Salida no sumergida H < H* Yt > yc Flujo subcrítico en la alcantarilla

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA Facultad De Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil Tipo V: Salida no sumergida H < H* Yt < Yc Flujo subcrítico en la alcantarilla Flujo supercrítico en la salida Tipo VI: Salida no sumergida H < H* Yt < Yc Flujo supercrítico en la alcantarilla Flujo supercrítico en la entrada En diseños preliminares rápidos se recomienda usar H* = 1.5 D Los tipos I y II corresponden a flujo confinado en tuberías y los otros tipos a flujo en canales abiertos. 7. CRITERIOS DE DISEÑO 1. El diseño hidráulico de una alcantarilla consiste en la selección de su diámetro de manera que resulte una velocidad promedio de 1.25 m/seg., en ciertos casos se suele dar a la alcantarilla una velocidad igual a la del canal donde ésta será construida, sólo en casos especiales la velocidad será mayor a 1.25 m/seg. 2. La cota de fondo de la alcantarilla en la transición de entrada, se obtiene restando a la superficie normal del agua, el diámetro del tubo más 1.5 veces la carga de velocidad del tubo cuando éste fluye lleno o el 20% del tirante de la alcantarilla. 3. La pendiente de la alcantarilla debe ser igual a pendiente del canal. 4. El relleno encima de la alcantarilla o cobertura mínima de terreno para caminos parcelarios es de 0.60 m y para cruces con la panamericana de 0.9 m. 5. La transición tanto de entrada como de salida en algunos casos se conectan a la alcantarilla mediante una rampa con inclinación máxima de 4:1.

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA Facultad De Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil 6. El talud máximo del camino encima de la alcantarilla no debe ser mayor de 1.5:1 7. En cruce de canales con camino, las alcantarillas no deben diseñarse en flujo supercrítico. 8. Se debe determinar la necesidad de collarines en la alcantarilla. 9. Normalmente las alcantarillas trabajan con nivel del agua libre, llegando a mojar toda su sección en periodos con caudales máximos. 10. Las pérdidas de energía máximas pueden ser calculadas según la fórmula: 𝑝𝑒𝑟𝑑 = (𝑃𝑒 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑠) ∗

𝑉𝑎2 2𝑔

Donde los coeficientes de pérdida pueden ser determinadas según lo explicado anteriormente: Pe = Pérdidas por entrada Ps = Pérdidas por salida Pf = Pérdidas por fricción en el tubo Va = Velocidad en la alcantarilla El factor f de las pérdidas por fricción, se puede calcular mediante el diagrama de Moody o por el método que más se crea conveniente. 8. TIPOS DE ALCANTARILLAS POR SU CAPACIDAD a. Alcantarilla de un tubo Para caudales iguales o menores a 1.2 m3/seg Q max = Di2 (m3/seg) Longitud de Transiciones LP ≥ 4 Di La transición de entrada no lleva protección y la transición de salida lleva una protección de enrocado con un espesor de la capa igual a 0.20m. Longitud de protección LP ≥ 3 Di Diámetro interno mínimo Di = 0.51

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b. Alcantarilla de 2 tubos Para caudales que oscilan entre 0.5 m3/s y 2.2 m3/s. Q max = 2 Di2 (m3/s) Longitud de las transiciones Lt ≥ 5 Di Las transiciones de entrada y salida llevan protección de enrocado con un espesor de la capa de roca de 0.25 m hasta una altura sobre el fondo del canal de 1.2 D. Longitud de protección en la entrada. Lp ≥ 4 Di Longitud de protección en la salida. Lp ≥ 5 Di Diámetro interno mínimo. Di = 0.51 m. c. Alcantarilla de 2 ojos Para caudales que oscilan entre 1.5 m3/s y 4.5m3/s Sección del ojo = Ancho x Altura D x 1.25 D Capacidad Máxima de la alcantarilla Q max = 3.1 D2 (m3/s) Entrada y salida con protección de enrocado y con espesor de la capa de roca de 0.25 m. Longitud de las transiciones Lt = D + b b = plantilla del canal Longitud de protección en la entrada. Lp = 3 D

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA Facultad De Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil Longitud de protección en la salida. Lp = 5 D Diámetro interno mínimo. Di = 0.80 m. d. Alcantarilla de 3 ojos. Para caudales que oscilan entre 2.3 m3/s y 10.5 m3/s. Sección del ojo = ancho x altura. D x 1.25 D. Q max = 4.8 D2 (m3/s). Entrada y salida con protección de enrocado y con un espesor de la capa de roca de 0.25 m. Longitud de las transiciones Lt = D + b. b = Plantilla del canal. Longitud de protección de la entrada. Lp ≥ 3 D. Longitud de la protección de la salida. Lp ≥ 5 D. Diámetro interno mínimo. Di = 0.80 m 9. COLLARINES PARA LOS TUBOS Estos se construyen cuando existe la posibilidad de una remoción de las partículas del suelo en los puntos de emergencia y exista peligro de falla de la estructura por tubificación, debido al agua que se mueve alrededor de la superficie del tubo en toda su longitud.

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA Facultad De Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil FIGURA 3. COLLARINES PARA TUBOS

Fuente: ANA (Manual). Tabla 1: Dimensiones ∅ tubo

h (m)

e (m)

18” 1.52 21” 1.60 24” 1.68 27” 1.90 30” 2.13 36” 2.60 42” 2.82 48” 3.00 54” 3.50 60” 3.65 Fuente: ANA (Manual).

0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15

II. METODOLOGIA Y PROCEDIMIENTO 1. DISEÑO HIDRAULICO  CONSIDERACIONES DE DISEÑO Las siguientes consideraciones para el diseño de una alcantarilla son proporcionadas por el Bureau of Reclamation:  Las alcantarillas son diseñadas para una presión hidrostática interna mínima, es decir, el gradiente hidráulico está un poco por encima de la parte superior del tubo y a veces dentro del tubo mismo.

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 La elección del diámetro de la alcantarilla, se hace en función del caudal de tal forma que no sobrepase a velocidad admisible, se puede usar la tabla 01. Con esta tabla se puede definir el diámetro para: Una velocidad máxima admisible de 1.06m/s (3.5pies/s), para una alcantarilla con transición en tierra, tanto a la entrada como para la salida Una velocidad máxima admisible de 1.5 m/s (5pies/s), para una salida.

Tabla 2: Transición de tierra Vmax=1.06 m/s

Caudal (m3/s)

Transición de concreto Vmax=1.52 m/s

Caudal (m3/s)

Tuberías

Dímetro (pulg.)

Diámetro (cm)

Área (m2)

0.000-0.076

0.000 - 0.110

12

30.48

0.073

0.077 - 0.112

0.111 - 0.173

15

38.1

0.114

0.123 - 0.176

0.174 - 0.249

18

45.72

0.164

0.177 - 0.238

0.250 - 0.340

21

53.34

0.223

0.239 - 0.311

0.341 - 0.445

24

60.96

0.292

0.312 - 0.393

0.446 - 0.564

27

68.58

0.369

0.394 - 0.487

0.565 - 0.694

30

76.2

0.456

0.488 - 0.589

0.605 - 0.841

33

83.82

0.552

0.590 - 0.699

0.842 - 1.000

36

91.44

0.657

0.700 -0.821

1.001 - 1.175

39

99.06

0.771

0.822 - 0.954

1.176 - 1.362

42

106.68

0.894

0.955 - 1.096

1.363 - 1.563

45

114.3

1.026

1.097 - 1.246

1.564 - 1.778

48

121.92

1.167

1.247 - 1.407

1.779 - 2.008

51

129.54

1.318

1.408 - 1.578

2.009 - 2.251

54

137.16

1.478

1.579 - 1.756

2.252 - 2.509

57

144.78

1.646

1.757 - 1.946

2.510 - 2.781

60

152.4

1.824

2.147 - 2.356

66

167.64

2.207

2.357 - 2.574

69

175.26

2.412

2.575-2.803

72

182.88

2.627

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA Facultad De Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil  La máxima elevación del nivel del agua en la entrada de la alcantarilla es igual al diámetro de la tubería más 1.5 la carga de velocidad en la alcantarilla es decir: D+1.5 hv Donde:

 La pendiente mínima de la alcantarilla es de 0.005(So=5%0)  Cobertura de tierra mínima entre la corona del camino y el tubo: 

En carretas principales y ferrocarriles coberturas mínimas de 0.9 m (3pies).



En carreteras de fincas (parcelas) coberturas mínimas de 0.60m (2pies)

 Talud a la orilla de camino: 1.5:1  Las transiciones reducen las pérdidas de carga y previenen la erosión disminuyendo los cambios de velocidad. Las transiciones de concreto son necesarias en los siguientes casos: 

En los cruces de ferrocarriles y carreteras principales



En las alcantarillas con diámetro mayor de 36 pulg (91.44 cm)



En las alcantarillas con velocidades mayores de 1.06m/s (3.5pies/s),

La pendiente máxima de la transición admite un talud de 4:1  Collares que incrementan la longitud del movimiento del agua a través del exterior del tubo.  Las pérdidas asumidas son de 1.5 veces la carga de velocidad en la tubería más las perdidas por fricción. Hr1=1.5hv+hfE

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 Para el cálculo de las pérdidas de las en las alcantarillas funcionando llena, se puede usar la siguiente formula, en el sistema métrico decimal.

Dónde: HT2= carga, en m. Ke= coeficiente de perdida a la entrada. D = diámetro de la tubería, en m. n= coeficiente de rugosidad. L = longitud de la alcantarilla, en m. Q = caudal, en m3/s Se han determinado valores experimentales de Kc para las diferentes condiciones de la entrada, los cuales varían en forma que se indica.

Tabla 3: Tipo de entrada Para entradas con aristas rectangulares instaladas al ras en los muros de cabeza verticales

Variación

Promedio

0.43-0.70

0.5

para entradas con aristas redondeadas instaladas al ras en muros de cabeza verticales r/D>=0.15

0.08-0.27

0.1

para tubo de concreto de espiga o de campana instalado al ras en el muro de cabeza vertical

0.10-0.33

0.15

para tubos de concreto salientes con extremos de espiga o de campana Para tubos de acero o de metal ondulado

0.2

0.5-0.9

0.85

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 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO Un procedimiento significativo para el diseño de una alcantarilla, cuyos parámetros se indican en la siguiente figura, es como sigue:

1.

Calcular las dimensiones del canal, es decir, definir sus dimensiones y parámetros hidráulicos.

2.

Calcular las dimensiones de la alcantarilla, para esto, con el caudal conocido, usando la tabla, 01 determinar el diámetro de la alcantarilla, recordar que para una transición de tierra elegir v=1.52 m/s.

3.

Calcular el área A con el diámetro elegido:

4.

Calcular la velocidad en el conducto, para esto, con el caudal dado y el área calculada, usar la ecuación de continuidad:

5.

Calcular la carga de velocidad en la alcantarilla:

6.

Calcular la elevación del nivel de agua a la entrada de la alcantarilla: NAEA=Cota A+y Dónde: NAEA = Elevación del nivel de agua en el canal, a la entrada de la alcantarilla. Cota A = cota de fondo del canal antes de la transición. Y = tirante en el canal.

7.

Calcular cotas. Cota B= NAEA – 1.5 hv-D Cota F = Cota B+D +cobertura Cota E = Cota A + H Dónde: Cota B = elevación del fondo de la tubería al inicio de la alcantarilla. Cota F = elevación de la carretera, o fondo del canal a atravesar.

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA Facultad De Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil Cota E = elevación del ancho de corona del canal. H = profundidad del canal (incluye bordo libre) Cobertura = profundidad de cobertura de la alcantarilla 8. Calcular la longitud total de la alcantarilla:

Dónde: Z = talud del camino Esta longitud se redondea de acuerdo a un múltiplo de la longitud de tuberías que existen en el mercado. 9.

Calcular caída en la tubería:

Dónde: = diferencia de cotas, al inicio y al final de la alcantarilla. L= longitud de la tubería.

= pendiente de la tubería. = 0.05 10. Calcular Cota C:

Dónde: Cota C = elevación del fondo al final de la alcantarilla. 11. Calcular la pendiente de la línea de energía:

12. Calcular hfE :

13. Calcular las pérdidas asumidas hT1, usando la ecuación 9.1:

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA Facultad De Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil 14. Calcular el nivel del agua a la salida de la alcantarilla, NASA:

NASA = NAEA 15. Calcular cota en D: Cota D = NASA – y

Dónde: Cota D = elevación del fondo del canal después de la alcantarilla y = tirante en el canal. 16. Calcular las longitudes de las transiciones:

L1 = 3D o 5’ mín. L2 = 4D o 5’ mín. Se puede utilizar también la ecuación de Hinds:

17. Calcular el talud de la transición:

Verificar que sea menor que el talud 4:1, es decir que Z≥4

18. Calcular las pérdidas reales hT2, usando la siguiente ecuación

Dónde: = carga, en m = coeficiente de pérdidas a la entrada.

UNIVERSIDAD RICARDO PALMA Facultad De Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil D = diámetro de la tubería, en m n = coeficiente de rugosidad. L = longitud de la alcantarilla, en m

Q = caudal, en m3/s 19. Verificar que

≤

III. RESULTADOS Y DISCUSION EN EL PROGRAMA MATHCAD

01. EJEMPLO N° 1: DEL MANUAL DE (ANA)

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02.EJEMPLO N° 2: DEL MANUAL DE (ANA).

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03.EJEMPLO N° 3: DEL MANUAL DE (ANA)

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UNIVERSIDAD RICARDO PALMA Facultad De Ingeniería Escuela Profesional de Ingeniería Civil IV.

CONCLUSIONES  Se encontró diversos métodos de diseño hidráulico de una alcantarilla, dentro de los cuales tratamos el Método de Chanson H. y el Metodo de USBR. Desing of Small Canal Structures.  Se logró identificar las partes, tipos de alcantarillas así como el tipo de flujo presente en la alcantarilla a diseñar.

 Se logró establecer las circunstancias en las cuales será necesario la construcción de dicha obra hidráulica en la labor profesional.

V. BIBLIOGRAFIA  AUTORIDAD NACIONAL DEL AGUA.- Lima diciembre de 2010. MANUAL: “CRITERIOS DE DISEÑOS DE OBRAS HIDRAULICAS PARA LA FORMULACION DE PROYECTOS HIDRAULICOS MULTISECTORIALES Y DE AFIANZAMIENTO HIDRICO”.  DISEÑO DE ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS.- Máximo Villón Béjar, Editorial Vilón,Primera edición, Lima, 2005. - Alcantarilla.  http://cybertesis.urp.edu.pe/bitstream/urp/162/1/quispe_po.pdf UNIVERSIDAD RICARDO PALMA -TESIS ALCANTARILLA.- Bachiller Quispe Palomino Piter Orlando.- Factores que determinan el diseño de una alcantarilla.Lima, 2008  http://www.fing.edu.uy/imfia/imfiaweb/sites/default/files/Teo7_09_b.pdf CALCULO DE ALCANTARILLAS.- Curso de Hidrología e Hidráulica Aplicadas.