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• Andy Silva Perez

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ALCANTARILLA 2014

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ALCANTARILLA 2014

1. INTRODUCCIÓN:

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n una vía de comunicación, no solo exige una adecuada planeación económica y la selección conveniente de la ruta y materiales de construcción a emplear, sino el diseño racional de estructuras de drenaje, capaces de desalojar en todo momento en forma eficiente el escurrimiento aportado por las lluvias en cualquier tramo de la carretera. En el siguiente trabajo presentaremos una de las soluciones que se emplean para desalojar las aguas en forma transversal a la sección de la vía para drenajes de pequeñas dimensiones, la cual se le llama Alcantarilla. La Alcantarilla es una estructura hidráulica que puede conducir aguas de creciente, aguas de drenaje, corrientes naturales por debajo de la estructura de relleno en tierras o en rocas; teniendo en cuenta muy importante si la alcantarilla fluye llena o no.

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ALCANTARILLA 2014 2. DEFINICIÓN:

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as alcantarillas son conductos serrados que se construyen transversalmente a un terraplén, y por debajo de este, con el objeto de conducir agua de lluvia proveniente de las cunetas y contra cunetas hacia cauces naturales, eliminando peligros de daños e interrupciones del tránsito. Usualmente las alcantarillas son enterradas, las cuales pueden fluir llenas o parcialmente llenas dependiendo de ciertos factores tales como: diámetro, longitud, rugosidad y principalmente los niveles de agua, tanto a la entrada como a la de salida. Es así como desde el punto de vista práctico, las alcantarillas se han clasificado en función de las características del flujo a la entrada y a la salida de la misma. La diferencia entre una alcantarilla y un puente, consiste en que la parte superior de una alcantarilla generalmente no forma parte del pavimento de una carretera. Con mayor frecuencia, la diferencia se establece en base a su longitud. En general, las estructuras que tienen luces menores a 6 metros se llaman alcantarillas, en tanto que aquellas cuya luz sea mayor a 6 metros se denominan puentes. Otra diferencia que radica entre alcantarillas y puentes, es que las primeras se diseñan por lo general para un flujo máximo bajo ciertas condiciones en tanto que los puentes se diseñan para permitir el paso de sedimentos y desechos así como de embarcaciones flotantes.

En la figura se observa la aplicación de una alcantarilla debajo de un terraplén y el recorrido de su caudal.

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ALCANTARILLA 2014 3. PARTES DE UNA ALCANTARILLA: Una alcantarilla consta de 6 partes principales: 3.1. Bocatoma: entrada o abanico (INTEL). 3.2. Barril: cuerpo central o garganta. 3.3. Difusor: salida o abanico de expansión (OULET). 3.4. Batea: es el fondo del barril o cuerpo central. 3.5. Corona o clave: es el techo del cuerpo central o garganta. 3.6. Muros aletas: son los muros que permiten la transición del flujo a la entrada y a la salida de la estructura de cruce.

Vista de las partes de una alcantarilla

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ALCANTARILLA 2014 4. UBICACIÓN EN PLANTA: La ubicación en planta ideal es la que sigue la dirección de la corriente, sin embargo, según requerimiento del Proyecto la ubicación natural puede desplazarse, lo cual implica el acondicionamiento del cauce, a la entrada y salida con la construcción de obras de encauzamiento u otras obras complementarias. 5. CONSIDERACIONES DE DISENO: El diseño hidráulico tiene como objetivo proporcionar una instalación o sistema de drenaje adecuado, seguro y económico para el flujo que se estima pasara por el durante su vida útil de diseño, sin riesgos no razonables para la vida, estructura de la carretera y propiedades. Por lo general se debe tener en cuenta lo siguiente: a) La localización del eje de la alcantarilla con respecto al del camino se determina por estudio de los planos cartográficos o en el campo y, generalmente debe estar ubicada sobre el eje de un curso de agua natural existente, o bien en el fondo de una depresión, en el caso de que no exista un curso de agua. b) Por lo regular, el alineamiento de la alcantarilla debe coincidir con el de la corriente natural y, de ser posible, deberá cruzar el camino en ángulo recto.

Debe cruzar en forma recta a la via

c) El gradiente hidráulico de la alcantarilla debe coincidir por lo general con el que tenga la corriente. Si la pendiente se reduce en la alcantarilla, da lugar a una reducción de la velocidad, lo que origina que los sedimentos transportados por la corriente se depositen a lo largo de la alcantarilla. Por el contrario, si la pendiente de la alcantarilla se aumenta considerablemente respecto del cauce natural, se obtienen velocidades altas que pueden dar inicio a los problemas de erosión a lo largo y a la salida de la estructura.

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ALCANTARILLA 2014 6. CLASES DE ALCANTARILLAS

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l requerimiento del diseño de una alcantarilla tiene su origen tras la necesidad de cruzar una torrente o para restringir parte del flujo de una ladera cortado por una vía, es construido como un dren colector de descarga de aguas excedentes. Por tal motivo las alcantarillas se clasifican según la sección geométrica de su barril, la forma en que el agua fluye sobre la batea y por las obras auxiliares de entrada y salida del flujo a la estructura principal. Primeras alcantarillas El tipo más antiguo de alcantarilla tenía efectivamente forma de puentecito: sobre dos muros de ladrillo, se sujetaba una bóveda de cañón también de ladrillo. En la parte inferior se formaba un canal que, cuando la alcantarilla era de tamaño pequeño, iba de pared a pared y cuando era de mayor tamaño, dejaba unos pasos en uno o en los dos lados del canal. En cualquier caso, el tamaño más pequeño de la alcantarilla, permitía el paso de una persona, aunque fuera necesario adoptar posturas incómodas para trabajar. Cuando en vez de una bóveda se cubría con una losa de piedra o de hormigón (generalmente en tamaños pequeños) tomaba el nombre de atarjea, nombre que actualmente se da también a otros tipos de conducciones. Alcantarillas actuales Ahora se hacen generalmente con conductos prefabricados de hormigón, con diferentes tipos de sección transversal. 1. Sección circular, para pequeños caudales.

Se emplea para caudales bajos y cuando la altura de la rasante es bajo.

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ALCANTARILLA 2014 2. Sección rectangular, para caudales medianos o grandes (5 m/s).

Para caudales grandes pueden utilizarse secciones con la forma de la vieja alcantarilla, aunque a veces en vez de abovedada, tienen la parte superior adintelada. En su parte inferior, tiene un canal semejante al descrito anteriormente. Las alcantarillas forman una red, el alcantarillado, que va reuniendo las aguas usadas mediante ramales, hacia grandes conducciones que se llaman colectores.

Alcantarillas a cielo abierto

Sistema de alcantarillado a cielo abierto de Ollantaytambo, basado en esguevas. Aunque ya no se usa, cuando las aguas sucias iban a cielo abierto, sin cubierta, la conducción se llamaba esgueva.

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ALCANTARILLA 2014 7. DISEÑO HIDRAULICO El diseño hidráulico de las alcantarillas comprende el siguiente procedimiento general:  Obtener los datos topográficos del lugar y trazar la sección transversal del camino en el lugar de la alcantarilla, incluyendo un perfil del curso de la corriente aguas arriba y aguas abajo.  Establecer las elevaciones de las cotas de coronación de la alcantarilla en la entrada y a la salida, determinando la pendiente y longitud de la alcantarilla.  Determinar el tirante permisible aguas arriba y el probable aguas abajo para la avenida de diseño. 





Seleccionar tipo y dimensiones de la alcantarilla. Asimismo el diseño de la entrada, muy importante para lograr el buen funcionamiento hidráulico de la estructura. Examinar la necesidad de disipadores de energía en los lugares que sea necesario, así como de dispositivos de protección adecuados para prevenir la erosión destructiva de la alcantarilla. Disponer de lugares apropiados y seguros para la evacuación a través de las alcantarillas, de las aguas provenientes de la descarga de las cunetas y contra cunetas en el drenaje longitudinal.

A partir de esta experimentación, se han puesto de manifiesto dos formas fundamentales típicas de escurrimiento en alcantarillas, que incluyen todas las demás: 1) Escurrimiento con control de entrada 2) Escurrimiento con control de salida Entendiendo por sección de control, aquella sección donde existe una relación definida entre el caudal y el tirante. Es la sección en la cual se asume que se desarrolla un tirante próximo al crítico. En el escurrimiento con control de entrada, el caudal que puede pasar por la alcantarilla, depende fundamentalmente de las condiciones de entrada a la misma. Es decir, depende de la sección transversal del conducto, de la geometría de la embocadura y de la profundidad del agua a la entrada o altura del remanso. En este tipo de

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ALCANTARILLA 2014 escurrimiento no influyen las características del conducto mismo. En cambio, en el escurrimiento con control de salida debe agregarse a las anteriores el nivel del agua a la salida, la pendiente, longitud y rugosidad del conducto. En este trabajo se presentan los gráficos y se explican los cálculos necesarios para diseñar alcantarillas que trabajan con control de entrada y aquellas que trabajan con control de salida. No es sencillo determinar de antemano si una alcantarilla va a trabajar con control de entrada o de salida. Para responder a esa pregunta habría que realizar cálculos largos y complejos, lo cual quitaría practicidad al método. Por esa razón, la Dirección Nacional de Vialidad (DNV) permite que se calcule, para el caudal de diseño de la alcantarilla, el nivel a la entrada de la misma como si ésta trabajara con control de entrada, luego se deberá calcular como si trabajara con control de salida, y finalmente, se elige el mayor nivel entre ambos. Flujo con control de entrada En el flujo con control de entrada el tirante crítico se forma en las proximidades de la sección de entrada a la alcantarilla, quedando hacia aguas arriba de dicha sección un remanso en flujo subcrítico, y aguas abajo, un flujo supercrítico. De modo que lo que ocurre desde la sección hacia aguas arriba, tiene influencia en el nivel a la entrada de la alcantarilla, pero no tiene ninguna influencia lo que ocurre aguas abajo de dicha sección. Por eso, las variables que intervienen en este tipo de flujo son:   

Tipo y dimensiones de la sección transversal. Ej: circular con diámetro=2m. Geometría de la embocadura. Ej: Con alas a 30º con respecto al eje. Nivel de agua a la entrada. Se utiliza la altura He.

Si bien no es sencillo predefinir cuando un flujo tendrá control de entrada, los casos más típicos son aquellos en los cuales: 1) La entrada está descubierta y la pendiente es supercrítica pudiendo o no fluir llena la sección en parte del conducto. 2) La entrada está sumergida, y sin embargo no fluye lleno el conducto pudendo ser subcrítica o supercrítica la pendiente.

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Flujo con control de entrada. Caso típico Fuete: Carciente, 1985.

Flujo con control de entrada. Caso típico. Fuete: Carciente, 1985.

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ALCANTARILLA 2014 Cálculos para flujo con control de entrada El procedimiento de cálculo es muy sencillo para este tipo de flujo, y puede plantearse en los siguientes pasos: 1) Se adopta un caudal de diseño. 2) Se propone un tipo de alcantarilla (forma y dimensiones). 3) Se elige un tipo de entrada. 4) Se calcula el nivel que debe formarse a la entrada (He) necesario para permitir el paso del caudal de diseño. Si ese nivel verifica las condiciones de nuestro proyecto, es decir, no supera la altura máxima admisible para el agua a la entrada de la alcantarilla de acuerdo a los condicionantes de diseño planteados en el problema en cuestión, se continúa en el paso 5, de lo contrario, se vuelve al paso 2. 5) Se observa que el nivel He no sea demasiado pequeño, es decir, que la alcantarilla no se haya sobredimensionado, pues esto ocasionaría costos excesivos e innecesarios. 6) Se adopta la alcantarilla propuesta como una de las posibles soluciones del problema. Para este tipo de flujo tenemos nomogramas que interrelacionan las variables involucradas. En la figura 3 se presenta uno de estos nomogramas. En particular se presenta el nomograma que construido para secciones transversales de alcantarilla tipo bóveda, donde la altura y en ancho máximo de la bóveda definen la geometría de la sección. Supongamos que se desea conocer cuál es el nivel que tendrá el agua a la entrada de mi alcantarilla, si coloco una alcantarilla de ciertas dimensiones, con ciertas características de entrada y para un caudal de diseño dado.

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Nomograma para cálculo en flujo con control de entrada Fuente: Carciente, 1985.

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ALCANTARILLA 2014 El procedimiento de cálculo es el siguiente: 1- Se busca en la primera recta vertical del nomograma, las dimensiones de la alcantarilla que deseo verificar. Por ej: 0,91m x 0,56m, para una secc. abovedada. 2- Se elige el caudal de diseño en la segunda recta. Por ejm: 0,60 m3/s.

3- Se traza una recta que una ambos puntos, y se prolonga hasta que intersecta la primera de el trío de rectas que están a la derecha del nomograma. Luego se traza una horizontal, y se elige el valor de He / D que corresponde al tipo de entrada adoptado. Por ej: para el tipo de entrada (3), es decir con el conducto sobresaliente del talud, sin cabezal, se adopta un He / D = 1,3. Es decir que He = 1,3 x D = 0,73m. Está claro que el valor obtenido no es demasiado grande pues no llega ni siquiera a la altura de 0,91m de la alcantarilla, pero podría ser demasiado pequeño, con lo cual se aconsejaría redimensionar la alcantarilla, reduciendo sus dimensiones de sección o tomando otro tipo de sección con nuevas dimensiones. Es importante aclarar que el valor He al que se refiere el nomograma no es exactamente el tirante del agua en la sección de entrada, sino la suma de este más la energía de velocidad. Sin embargo, la energía de velocidad es muy pequeña a la entrada y puede suponerse casi nula en la mayoría de los casos. Además de eso, el valor de He obtenido de este modo no ofrece una seguridad extra pues sobre estima el nivel del agua que en definitiva es el que nos interesa conocer. Flujo con control de entrada En el flujo con control de salida el tirante crítico se forma en las proximidades de la sección de salida de la alcantarilla, quedando hacia aguas arriba de dicha sección un remanso en flujo subcrítico, y aguas abajo, un flujo supercrítico. De modo que todo lo que ocurre desde la sección de salida hacia aguas arriba tiene influencia en el nivel a la entrada de la alcantarilla. Por eso, las variables que intervienen en este tipo de flujo son las mismas que intervienen en el control de entrada más las que corresponden al tramo entre esta sección y la de salida:

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ALCANTARILLA 2014       

Tipo y dimensiones de la sección transversal. Ej: circular con diám=2m. Geometría de la embocadura. Ej: Con alas a 30º con respecto al eje. Nivel de agua a la entrada. Se utiliza la altura He. Nivel de agua a la salida. Pendiente del conducto. Rugosidad del conducto. Largo del conducto.

Al igual que en control de entrada, tampoco aquí es sencillo predefinir cuando un flujo tendrá control de salida, los casos más típicos son aquellos en los cuales: 1) La altura del agua no sumerge la entrada y la pendiente del conducto es subcrítica 2) La alcantarilla fluyendo a plena capacidad

Flujo con control de salida. Caso típico. Fuete: Carciente, 1985.

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Flujo con control de salida. Caso típico. Fuete: Carciente, 1985.

En el caso de flujo con control de salida comienzan a intervenir en el cálculo las características del flujo en la alcantarilla y a la salida de la misma. Desde el punto de vista del cálculo conviene identificar distintos tipos de escurrimiento en alcantarillas con control de salida. La figura XX6 presenta cuatro tipos de flujo con control de salida: A) Caso de sección llena con nivel aguas abajo por encima del dintel de la sección de salida. B) Caso de sección llena con nivel aguas abajo por debajo del dintel de la sección de salida. C) Caso de sección parcialmente llena en un tramo del conducto. D) Caso de sección parcialmente llena en todo el conducto.

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Clasificación del flujo con control de salida.

Cálculos para flujo con control de salida Si planteamos la ecuación de energía entre la entrada y la salida de la alcantarilla, resulta una ecuación general del tipo:

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ALCANTARILLA 2014 Dónde: He = nivel a la entrada H1= nivel a la salida H = energía empleada en la obtención de energía de velocidad a la salida, mas la perdida por fricción y pérdidas a la entrada. L = Longitud del condudcto i = pendiente del conducto A continuación se presenta el procedimiento de cálculo para el caso A, que prescinde del nomograma, y luego para los casos B, C y D, que se resuelven del mismo modo a partir de los nomogramas. Caso A En este caso: H= hv+he+hf (1) Donde: Hv=(v2)/(2*g)

( 5) Lo cual viene de: Hf=Lxsf Donde Sf se calcula sabiendo que:

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Multiplicando por 2g en numerador y denominador, resulta la ecuación (5). El valor de H se calcula, entonces según la ecuación:

Donde la velocidad es:

El coeficiente Ke (o Ce) es un coeficiente experimental que tiene en cuenta las pérdidas en la entrada a la alcantarilla. En la figura 7 se presenta una tabla con los principales valores de Ce en función del tipo de embocadura de entrada. Una vez que se ha determinado el valor de H, el resto de las variables de la ecuación inicial son conocidas. Así, H1 es el nivel aguas abajo que se asume conocido, el término L.i, es la longitud de la alcantarilla multiplicada por su pendiente, ambos elementos preestablecidos en el diseño de la misma.

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Principales tipos de embocadura de entrada. Fuente: Cariciente, 1985.

Casos B, C y D En los tres casos nos basamos en la ecuación (1) para su resolución. De la misa, sólo conocemos el término L.i. Para la estimación de H1, que representa el nivel de agua a la salida, se adopta el mayor entre: a) Hs, que es el nivel de agua a la salida cuando es conocido, y

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ALCANTARILLA 2014 b) El promedio entre hc y D. O sea:

(12) Donde: hc es el tirante crítico para el caudal de diseño. Se proponen tablas para estimar rápidamente valores de hc. D es el diámetro o altura de la alcantarilla. Para la estimación de H, se utilizan los nomogramas según el procedimiento que se presenta a continuación. En la figura 8, se presenta un nomograma típico para diseño de alcantarillas con control de salida. Al igual que se hizo en flujo con control de entrada, vamos a suponer que se desea conocer cuál es el nivel que tendrá el agua a la entrada de mi alcantarilla, si coloco una alcantarilla de ciertas dimensiones, de cierto material, con cierta pendiente, con ciertas características de entrada y para un caudal de diseño dado. Notar que en este caso interesa el material de la alcantarilla porque nos define la rugosidad n, también influye la pendiente, y su condición de nivel aguas abajo. El procedimiento de cálculo es el siguiente: 1- Se traza una recta que une las dimensiones de la sección transversal de la alcantarilla con la longitud de la misma, definiendo un punto en la recta de paso. Notar que hay dos (o más) curvas de longitud, de las que debe elegirse la que corresponde a las condiciones de embocadura que corresponda a nuestro diseño en particular. 2- Se une el caudal de diseño, con ese punto recién definido en la recta de paso, cortando la recta de H. Ese valor de H obtenido, se introduce en la ecuación (1), junto con H1 y con L.i, para obtener el valor de He buscado. Se compara este valor de He obtenido con el obtenido en el cálculo con control de entrada y se elige el mayor.

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Nomograma para flujo con control de salida Fuente: Carciente, 1985.

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ALCANTARILLA 2014 8. DISEÑO DE SECCIÓN RECTANGULAR Luego de establecer el tipo de flujo, el dimensionamiento se lo realiza al encontrar una altura H, que satisfaga la condición del M.O.P. H >= 1.20 He Donde He es la altura de remanso a producirse aguas arriba de la entrada a una distancia impuesta d1. Por recomendaciones se adopta d1 = 2m.

Alcantarillas Caso 3, con entrada y salida libre Condiciones del caso 3: Sa>Sc, dm < dc

Para encontrar He, es menester calcular la pérdida entre las secciones 1 y 2 (h1-2) y lavelocidad a la entrada V1:

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Ejemplo de diseño: Así, se calcula entonces He:

Obtenido He, deberá adoptarse una altura que satisfaga la condición: H>=1.2He Se impone entonces H = 1.5 m >= 1.23 = He Esta altura H, cumple además con otra condición, según la cual: H>= hc/0.8 Así: He = 1.23 1.047 = hc/0.8 Cálculo de la Pendiente Crítica Con los datos establecidos (Q, n, Sa, Tm, dm) -Calculamos un caudal unitario (q)

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Con este q, obtenemos el tirante crítico (hc):

g, es la aceleración de gravedad

hc= 0.838m Es necesario obtener los valores de velocidad crítica Vc y radio hidráulico R.

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9. DISEÑO ALCANTARILLA CIRCULAR. Procedimedimento para el cálculo: 1. Determinar la pendiente crítica 2. Establecer condición de trabajo 3. Adoptar la sección definitiva. Condición de trabajo: Comparando la pendiente crítica = 0.015 y la pendiente de construcción = 0.02 (2%), se concluye: - El régimen será supercrítico - La alcantarilla será del tipo 3 para alcantarillas con entrada libre Dimensionamiento de sección circular El proceso es exactamente igual que para las alcantarillas rectangulares, y se resume en: 1. Determinar la condición de trabajo 2. Cálculo de He 3. Cumplir la condición de entrada libre según el M.O.P

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ALCANTARILLA 2014 EJEMPLO DE APLICACIÓN Cálculo de He:

Por último, chequear la condición de entrada libre D > 1.2 He D = 1.50 m > 1.49 m = 1.2 He Cálculo de la Pendiente Crítica Con los datos establecidos (Q, n, Sa, Tm, dm) imponemos un valor de diámetro D= 1.50m. El proceso siguiente difiere un poco de las alcantarillas rectangulares, por la seccióncircular. Para ilustrar este proceso se debe conocer las variables:

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h es el tirante T es el espejo D, el diámetro Alfa y teta, los ángulos formados por dos radios que intersecan con los extremos del espejo Comenzamos por calcular el tirante crítico hc, ahora con:

La condición de hc puede ser: hc< D/2 o hc> D/2, según sea el caso, se puede obtener alfapor simple trigonometría:

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Para calcular la pendiente crítica, según Manning se tiene: n acero corrugado = 0.024

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ALCANTARILLA 2014 La pendiente crítica es inferior a la pendiente de construcción, por lo que nos enmarcamos en igual tipo de flujo y condición de trabajo que las alcantarillas rectangulares. Nótese que Sc es ligeramente inferior a Sa. Dimensionamiento de sección circular, abscisa 15+854.8

10.

ALCANTARILLAS CORRUGADAS.

OBJETO Esta norma establece los requisitos generales para las alcantarillas metálicas galvanizadas corrugadas. ALCANCE Esta norma se aplica a alcantarillas tubulares de acero galvanizadas corrugadas con diámetros nominales comprendidos entre 300 mm y 7 925 mm. DEFINICIONES Para efectos de esta norma se adopta las siguientes definiciones: Alcantarilla. Conducto destinado a encauzar aguas fluviales, lluvias y/o servidas y darles paso. Corrugado (ondulado). Perfil longitudinal de la alcantarilla, destinado a aumentar su resistencia mecánica.

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ALCANTARILLA 2014 Diámetro nominal (Dn). El menor diámetro interior de la alcantarilla circular, utilizado para designarla. Espesor (e). Dimensión nominal del material base, sin recubrimiento. Espesor de recubrimiento. Espesor de la capa protectora. Galvanizado. Procedimiento por el cual se ha depositado sobre el material base una capa protectora de zinc. Longitud

de

arco.

Longitud

entre

agujeros

medida

sobre

la

unión

circunferencial de la alcantarilla. Recubrimiento. Capa metálica o no metálica destinada a proteger el material base. Placa. Una de las partes constitutivas de la alcantarilla diseñada para facilitar su transporte y luego el armado en el sitio que va a utilizarse. Traslape. Parte de una placa que va superpuesta sobre otra para facilitar la unión. Unión Circunferencial. Diseño para mantener la continuidad longitudinal de la alcantarilla Unión Longitudinal. Diseño para mantener la continuidad circunferencial de la alcantarilla Traslape Circunferencial. Parte de una placa que va superpuesta sobre otra para facilitar la unión longitudinal y conformar un anillo. Traslape Longitudinal. Parte de una placa que va superpuesta sobre otra para facilitar la unión circunferencial y avanzar longitudinalmente

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ALCANTARILLA 2014 FIGURA Uniones y Traslapes

SIMBOLOGÍA En el contenido de esta norma se utilizará la simbología establecida en la tabla 1 (Ver figura 1b).

TABLA Símbolos y designaciones

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REQUISITOS Requisitos específicos Diámetro. Los diámetros nominales pueden variar entre 300 mm y 7925 mm. Tolerancia. Luego de armado un anillo de la alcantarilla, el promedio del diámetro nominal de 4 medidas, tomadas a 45°, no variará de +/- 12,0 mm d el diámetro nominal para diámetros que van hasta 1200 mm y +/- 1% para diámetros mayores que 1200 mm. Uniones. Para formar la alcantarilla, las placas deben unirse circunferencial y longitudinalmente, luego de traslaparlas y fijarlas por medio de tornillos y tuercas, según el literal d.3 del numeral Traslape circunferencial. Debe tener un mínimo especificado en la tabla 2. Traslape longitudinal. No debe ser inferior a lo especificado en la tabla 2. TABLA 2. Dimensiones y tolerancias para corrugado

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ALCANTARILLA 2014 * PP = paso pequeño; PM = paso mediano; PG = paso grande ** Para uniones con tornillos M12 *** Para uniones con tornillos M16 Tornillos. Los tornillos que deben usarse son: para paso pequeño M12; para paso mediano M12 ó M16 y para paso grande M20. Los tornillos - tuercas deben galvanizarse en caliente y cumplir con los requisitos de la NTE INEN 1 677. Placas Longitud. Las placas tendrán una longitud útil que debe medirse en dirección del eje de la alcantarilla, no menor de 0,60 m. Número. El número de placas que conforman un anillo debe ser máximo tres para diámetros hasta 2000 mm y máximo cuatro para diámetros mayores a 2000 mm y menores o iguales a 3000 mm. Corrugado (ondulado). 

Forma. Está constituida por dos arcos de sentido contrario (ver figura 1b), unidos por un segmento recto (tangente).



Dimensiones. Las dimensiones del corrugado deben ser las establecidas en la tabla 2.

Agujeros 

Dimensiones. Los agujeros para las uniones longitudinales deben ser circulares de los siguientes diámetros: 16 mm para tornillos M12, 20 mm para tornillos M16 y 24 mm para tornillos M20. Los agujeros para las uniones circunferenciales

deben ser

ovalados de

los

siguientes

diámetros: 16 x 20 para M12; 20 x 25 para M16 y circulares de 24 para M20.

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ALCANTARILLA 2014 

Tolerancias. La tolerancia para las dimensiones de los agujeros de las uniones longitudinales y circunferenciales deberá ser de ± 1 mm tanto para los agujeros circulares como para los agujeros ovalados.



Distribución de los agujeros

Uniones circunferenciales. Para los pasos pequeños y medianos, las longitudes del arco deben estar comprendidas entre 314 mm y 480 mm. Para el paso grande debe tener máximo 250 mm de arco. Uniones longitudinales. Los agujeros deben estar distribuidos en dos filas alternativas, cuyas medidas se realizarán al centro del agujero, de acuerdo a: 1) La primera fila estará a una distancia del borde: PP = 25 mm PM = 25 mm PG = 35 mm 2) La segunda fila estará a una distancia de la primera: PP = 40 mm PM = 50 mm PG = 50 mm 3) El número de tornillos por metro en cada traslape circunferencial debe ser mínimo PP = 10 tornillos M12 PM = 8 tornillos M16 ó 10 tornillos M12 PG = 13 tornillos M20

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ALCANTARILLA 2014 Tolerancias.

Espesor. Los espesores nominales deben variar entre 1,5 mm y 7,14 mm y sus tolerancias sin recubrimiento deben cumplir con lo especificado en la tabla 1 y en la tabla 12 de la NTE INEN 115. Requisitos mecánicos

(*) Para probetas de Lo = 50 mm

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ALCANTARILLA 2014 11.

SELECCIÓN DEL CAUDAL DE DISEÑO

Normalmente se adopta para la alcantarilla el caudal producido por una tormenta con un tiempo de retorno de 25 a 50 años, dependiendo básicamente del grado de daños que podría ocasionar una falla funcional de la alcantarilla. También se asume que se conocen las características geométricas del obstáculo que atraviesa la alcantarilla. Por ejemplo, se conoce la altura del terraplén del camino que se va a atravesar. Además, deben ser tenidos en cuenta otros factores, como por ejemplo el paquete estructural del camino, que incluye capas de distintos materiales y densidades. En general, conviene evitar el contacto del agua con el paquete estructural. Por esta razón se exige que el nivel del agua a la entrada de la alcantarilla no supere un cierto límite asociado a la conservación física del camino. Por otro lado, es importante considerar la resistencia de la alcantarilla para que pueda soportar el peso de la tapada de tierra que la confina. Esto podría condicionar el material empleado en la alcantarilla. Con esto quiere ponerse de manifiesto que existen varios factores que se condicionan el dimensionamiento hidráulico de las alcantarillas, factores que se analizan a cada caso en particular, y que están fuertemente ligados a la experiencia del proyectista. Es evidente que en toda obra de ingeniería se procura maximizar la relación beneficiocosto, por lo que el factor económico desempeña un rol principal en la selección de la alcantarilla más adecuada al problema planteado. Por último, cabe mencionar que los casos atendidos en este trabajo corresponden a las situaciones que se presentan más comúnmente en el diseño, en lo que respecta al material y forma de las alcantarillas. Cualquier modificación sobre la misma deberá ser contemplada con el criterio adecuado, o bien, consultado en bibliografía más específica. En este sentido se asume que todas las alcantarillas tienen sección transversal uniforme, con forma circular, ovalada o bóveda, tanto de hormigón como metálicas; y de sección rectangular, sólo de hormigón. La entrada puede consistir en el conducto de la alcantarilla prolongado fuera del terraplén (embocadura saliente), o cortado en bisel, según la pendiente de los taludes. Algunas alcantarillas tienen muros de cabecera, de ala y plateas de entrada, o entradas “estándar” metálicas, o de hormigón. En síntesis, el diseño de alcantarillas consiste en determinar el tipo de sección, material y embocadura de alcantarilla que, para la longitud y pendiente que posee, sea capaz de

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ALCANTARILLA 2014 evacuar el caudal de diseño, provocando un nivel de agua en la entrada que no ponga en peligro de falla estructural, ni funcional la estructura que se desea atravesar optimizando los recursos disponibles. Es decir, buscar la solución técnico-económica más conveniente. Como se verá más adelante, el procedimiento para el diseño de alcantarillas no sigue un camino único y exacto, sino que, por el contrario, es iterativo. La solución óptima no existe, sino que existen un conjunto de alternativas que resuelven el problema planteado. Además de los factores mencionados, puede variarse la ubicación y posición de la alcantarilla, lo cual modifica longitudes y pendiente, etc. El criterio y buen juicio del Ingeniero darán la última palabra.

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ALCANTARILLA 2014 12.

TIPOS DE FLUJO EN ALCANTARILLAS.

Según sean las relaciones entre los niveles en las secciones Aguas Arriba y aguas abajo de la alcantarilla, con los parámetros característicos de ésta (longitud, diámetro, rugosidad, pendiente, etc) se distinguen seis tipos diferentes de flujo en alcantarillas. El caudal circulante por la alcantarilla siempre resulta de la aplicación de un balance de energía entre las secciones que funcionan como controles, dado que allí se pueden conocer todas las características del flujo. En el balance de energía se consideran pérdidas por fricción en la llegada a la alcantarilla, pérdidas localizadas en la entrada y pérdidas distribuidas por fricción a lo largo de la alcantarilla.

ALCANTARILLA TIPO 1.

Si se cumple que:

h la alcantarilla funciona como una tubería con entrada y salida ahogadas,

y se está en presencia de una alcantarilla tipo 1. El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:

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ALCANTARILLA TIPO 2. Si se cumple que:

la alcantarilla funciona como una tubería con entrada ahogada y salida con flujo lleno, y se está en presencia de una alcantarilla tipo 2. Este es el caso denominado Alcantarilla Hidráulicamente Larga El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:

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ALCANTARILLA TIPO 3.

Si se cumple que:

se está las mismas condiciones del caso anterior, sin embargo puede darse que la alcantarilla funcione como un orificio en cuyo caso se trata de un flujo tipo 3. Este es el caso denominado Alcantarilla Hidráulicamente Corta Se va a dar el caso de flujo tipo 2 o tipo 3 dependiendo de como sea la fricción y la pendiente. A mayores pendientes y fricciones más pequeñas se dará el flujo tipo 3. Para distinguir los tipos 2 y 3 de flujo se recurre al auxilio de las curvas de la Figura 1, construidas experimentalmente por Bodane, donde las variables consideradas

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ALCANTARILLA 2014

Son la pendiente de la alcantarilla y su relación diámetro-longitud. El caudal circulante puede calcularse como si de un orificio se tratara a través de la expresión:

ALCANTARILLA TIPO 4.

Si se cumple que:

Se tienen condiciones de flujo a superficie libre en la alcantarilla. La alcantarilla funciona como un canal de pendiente fuerte en régimen supercrítico y por tanto se tendrá tirante crítico en la sección de entrada (2). En este caso se está en presencia de un flujo tipo 4. El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:

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ALCANTARILLA 2014

ALCANTARILLA TIPO 5.

Si se cumple que:

se tienen condiciones de flujo a superficie libre en la alcantarilla. La alcantarilla funciona como un canal de pendiente suave en régimen subcrítico con caída libre en la salida, por lo que se tendrá tirante crítico en la sección de salida (3). En este caso se está en presencia de un flujo tipo 5. Para auxiliarse en la diferenciación de los flujos tipo 4 y 5 se recurre a las Figuras 2 y 3. El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:

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ALCANTARILLA 2014

ALCANTARILLA TIPO 6.

Si se cumple que

Se tienen condiciones de flujo a superficie libre en la alcantarilla. La alcantarilla funciona en régimen subcrítico pero, a diferencia de los tipos de flujo anteriores sin alcanzar el tirante crítico en ninguna sección. En este caso se está en presencia de un flujo tipo 6. El caudal circulante puede calcularse a través de la expresión:

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PROCEDIMIENTO DE CALCULO.

En las expresiones anteriores el término CD corresponde a un coeficiente de descarga, que refleja las pérdidas localizadas en la alcantarilla. Para los tipos de flujo 1 y 2 los valores del coeficiente de descarga se extraen de la Tabla 1; para el tipo 3 se extraen de la Tabla 2 y para los tipos 4, 5 y 6 se extraen de la Tabla 3. La Tabla 4 permite calcular el caudal, el área y la conductividad hidráulica K

En condiciones de flujo crítico, para un tirante crítico dado, en canales circulares. Las figuras 4 y 5 auxilian para el cálculo del caudal circulante en los tipos 4 y 5 de flujo. Obs: En todos los casos las pérdidas por fricción se calculan como

Identificación del tipo de flujo Para el cálculo del caudal, primero se debe identificar el tipo de escurrimiento, luego calcular el mismo y finalmente verificar si se está en las condiciones consideradas. El tipo de escurrimiento puede ser identificado con el siguiente diagrama:

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ALCANTARILLA 2014 13.

DISEÑO ESTRUCTURAL

Se dispone de alcantarillas de acero y de concreto armado. 1. Alcantarilla de acero: Generalmente corrugadas. (Mayor resistencia)

Tipos:

2. Alcantarilla de Concreto Armado: Generalmente rectangulares.

CARGAS: Cargas Vivas: Cargas en movimiento, incluido impacto. Cargas Muertas: Causada por el relleno del terraplén, más las cargas superpuestas sobre la superficie, concentradas o distribuidas. CARGAS SOBRE ALCANTARILLAS: CARGA VIVA.- El efecto de la carga viva es inversamente proporcional a la altura del terraplén sobre la corona de la tubería. Mediante estudios efectuados en carreteras se ha establecido las siguientes relaciones:

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CARGA MUERTA: Corresponde al peso del prisma de suelo sobre la tubería, la

presión unitaria de este prisma actúa sobre el plano horizontal de la corona de la tubería.

14.

CONTROL DE LA EROSIÓN ALREDEDOR DE LAS ALCANTARILLAS

Una alcantarilla es un tubo colocado en la tierra para llevar agua por debajo de una carretera o camino. Si una carretera tiene una zanja de drenaje junto a ella, una alcantarilla será necesaria para cada calzada que cruce la zanja. Las tuberías más grandes pueden ir por debajo de la carretera en sí o pueden ser utilizadas para desviar el agua alrededor de los estacionamientos. Debido a su proximidad al agua en movimiento, las áreas alrededor de las alcantarillas son propensas a la erosión, sobre todo si el tubo de la alcantarilla no está instalado correctamente o es demasiado pequeño. Asegúrate de que el tubo se mantiene libre de obstrucciones y sé consciente de las maneras de minimizar la erosión. Para el control de la erosión de una alcantarilla ve depender según la velocidad que fluye el caudal no sea relativamente alta.

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ALCANTARILLA 2014 Protección de las estructuras a la salida de las Alcantarillas. Las estructuras de protección a la salida de las alcantarillas y/o aguas abajo, se instalan con la finalidad de evitar cualquier acción erosiva del flujo que perjudique la estabilidad de las mismas, además de brindar protección a la zona aledaña al terraplén de la carretera. Las estructuras de protección de la salida que se plantean son las que a continuación se describen. Posibles Formas de evitar la erosión y socavación. Las obras de alcantarillado pueden requerir de una estructura adicional de hormigón o piedra inmediatamente aguas abajo o aguas arriba a efectos de impedir la posible socavación del material de tierra por efecto dinámico del agua. Estas estructuras tienen forma de piletón donde la energía del agua saliente de la alcantarilla se disipa sin provocar daños.

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ANEXOS

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ALCANTARILLA 2014 Vistas de diferentes tipos de alcantarillas

Alcantarilla multicelda de tres cajones de sección rectangular.

Alcantarilla de sección rectangular de dos cajones.

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Alcantarilla de sección rectangular.

Alcantarilla multicelda de dos cajones de sección rectangular.

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Referencias Bibliográficas 1. Rühle, F. (1966). “Traducción y Adaptación de los Gráficos Hidráulicos para el diseño de Alcantarillas preparados por el Bureau of Public Roads – EEUU, 1964”. Dirección Nacional de Vialidad. 2. Cátedra de Transporte II. (1992). “Diseño geométrico de caminos, Cap III: Drenaje”. F.C.E.F. y N. – U.N.C. 3. Carciente, Jacob (1985). “Carreteras: estudio y proyecto”. Ed. Vega, Caracas. 4. Manual de hidrología, hidráulica y drenaje(MTC)

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