1-Presentación Estructuras Hidraulicas Especial Estructuras-2015

Cartagena de Indias, Octubre 10 y 16, de 2015

ESTRUCTURAS HIDRAULICASAsignatura Electiva

Aspectos de diseño para estructuras hidráulicas

Docente. Dalia Moreno EgelM.Sc. Recursos Hídricos

UNIVERSIDAD DE CARTAGENAFacultad de Ingenieria

Especialización en Estructuras

Contenidos del Curso

.

1

• Clasificación de las estructuras hidráulicas• Variables de diseño. Conceptos y aspectos

fundamentales

2• Diseño de estructuras para el cruce de carreteras• Diseño de box culverts

3

• Estructuras costeras. Variables de diseño• Interacción Ola-estructura. Fuerzas sobre

superficies sumergidas

4• Fuerzas sobre pilotes, paredes verticales

simples y muros encajonados



Estructura hidráulica. OBJETO DEL DISEÑO: Interactuar con el agua u otro líquido para mejorar su aprovechamiento o controlar sus efectos destructivos.

Clasificación de las estructuras hidráulicas de acuerdo con su uso

Estructuras Hidráulicas

Almacenamiento

Aforo y Control de

Flujo

Conducción

Disipación de Energía

•Presas, depósitos, embalses.•Tanques: abiertos o cerrados.

•Conductos cerrados a presión:redes de tuberías, túneles.•Conductos abiertos: canales, canaletas, alcantarillados, etc..•Conductos abiertos a velocidades altas: rebosaderos, transiciones de flujo rápido.•Conductos cortos: cerrados o abiertos: culverts, conductos de salida, desagües

•Tanques o torres de oscilaciones. •Estanques de amortiguación. •Estructuras de caída•Presas de control o de cierre.

•Orificios, boquillas, venturímetros, etc.•Vertederos, canaletas, compuertas, etc.•Compuertas y válvulas.•Sifones.


Conversión de Energía

Recolección o Difusión

Control de Sedimentos y Químicos.

Estabilización de Cauces y

Orillas

•Bombas•Turbinas•Pistones•Transmisiones hidráulicas

•Tanques y Estanques de Sedimentación•Trampas y Depresiones de Fondo.. •Entramados y Rejillas•Compuertas Deslizantes. •Lechos Filtrantes. •Estanques de Mezclado.

•Muros, Bordes o Jarillones•Cortes o Cierres•Diques, Espolones, Anclajes y Revestimientos•Esclusas y Presas de Navegación•Rompe Olas•Espolones y Malecones

•Bocatomas•Galerías de Infiltración y de Drenajes•Pozos Artesianos o por Bombeo•Imbornales•Tubos Perforados

Sumergidas• Estacionarias• Móviles

Clasificación de las estructuras hidráulicas de acuerdo con su uso

Variables de diseño para Estructuras Hidráulicas

Hidráulico

Estructural

De Estabilidad

Ambiental

Variables de Diseño • Resistencia al

volcamiento• Resistencia la

deslizamiento• Socavación

• Sección transversal• Espesor adecuado• Resistencia, refuerzo• Cargas y momentos

• Caudal, tirante• Velocidad, sección

transversal• Altura, oleaje, marea




Costeras

Posición en la línea de costa

Efecto sobre el oleaje

Deformabilidad de la estructura

•Estructuras reflejantes•Estructuras disipativas•Estructuras transmisoras•Estructuras mixtas

•Indeformables o monolíticas•Semi-deformables•Deformables

•Paralelas y sobre la línea de costa•Perpendiculares a la línea de costa•Paralelas a la línea de costa pero sin contacto con ella



CARGAS•Carga muerta•Carga viva•Presiones laterales •Presiones por oscilaciones•Empuje hidrostático•Movimientos por sismos•Carga por ejes de los vehículos



Estudios Para el Diseño:•Hidráulicos, Hidrológico, oceanográfico•Geológico y Geotécnico•Topográfico y batimétrico•Estructurales y de estabilidad•Ambientales•Factibilidad económicaSE REQUIERE UN GRUPO INTERDISCIPLINARIO DE PROFESIONALES

ESTRUCTURAS PARA EL CRUCE DE CARRETERAS.

DISEÑO HIDRÁULICO DE ALCANTARILLAS (Culvert y Boxculvert).

CULVERT: conducto corto que tiene por función transportar el caudal de un cauce natural o de un canal artificial por debajo de las bancas de una vía con el fin de permitir el drenaje de las aguas e impedir la socavación de los taludes de la carretera.

ASPECTOS DE DISEÑO

1) Localización de la estructura: Canal natural2) Frecuencia mínima de diseño y una mayor

para control por inundaciones (min 10 años)3) Condiciones del cauce y de la cuenca de

drenaje en el sitio4) Tamaño mínimo de la sección transversal del

conducto, altura permitida a la entrada y flujo de inundación en la vía

ESTRUCTURAS PARA EL CRUCE DE CARRETERAS-Culverts

ESTRUCTURAS PARA EL CRUCE DE CARRETERAS

ASPECTOS DE DISEÑO

4) Seguridad pública 5) Mantenimiento, 6) Frecuencia de inundación de las propiedades ubicadas aguas arriba y aguas abajo de la estructura, 7) Riesgos potenciales por obstrucciones

Estudios previos para el diseño

Estudios hidrológicos: •Determinar la cuenca de drenaje•Precipitaciones •Aportes de caudal, escorrentía, etc.•Cobertura vegetal•Hidrogramas: capacidad de almacenamiento


Estudios topográficos:•Mapa topográfico de la cuenca• Fotos aéreas de la zona, antes de la vía• Levantamiento del cauce: eje 200 a 500m aguas arriba y aguas abajo del cruce de la vía, 50m mínimo a cada lado•Secciones transversales •Curvas de nivel cada 0.50m

Estudios previos para el diseñoEstudios topográficos:•Secciones transversales antes y después del cruce (laterales 50m) (al menos 3 cada 30 m antes, después)• Pendiente del cauce natural• Posibles obstrucciones en el cauce aguas abajo•Tipo de relieve y cobertura vegetal de la cuenca

Estudios hidráulicos:•Definir el caudal de diseño. Caudal pico•Determinar la altura permisible a la entrada.•Determinar la altura del agua a la salida.•Determinar la pendiente del conducto y su longitud.•Seleccionar el tipo de entrada adecuada.•Determinar la velocidad permisible del flujo a la salida.


Diseño hidráulico de Culverts

•Diseño hidráulico: determinar el tamaño y tipo de conducto que transporte de manera más económica y segura el caudal de diseño•Velocidades del flujo a la salida del canal•Prevenir erosión en el cauce•Velocidad mínima (0.75 a o.9m/s) no sedimentación. Velocidad máxima 5m/s

Hidráulica de los Culverts

1. Condiciones del flujo• Sección transversal llena, plena o a

presión (tubería, orificio)• Sección transversal parcialmente llena

(canal)2. Tipos de controles de flujo• Control a la entrada• Control a la salida


1. Secciones transversales• Sección circular, ovalada,• Sección rectangular (box culvert) 2. Tipos de flujo a la entrada y salida• Entrada totalmente sumergida (orificio)• Entrada parcialmente sumergida

(vertedero)• Salida totalmente sumergida• Salida parcialmente sumergida


CONTROL A LA ENTRADA: Sección típica

Tomado de: Federal Highway AdministrationPublicación No. FHWA-NHI-01-020 Septiembre 2001



CONTROL A LA ENTRADA: Sección típica




CONTROL A LA SALIDA




FACTORCONTROL A LA

ENTRADACONTROL A LA

SALIDA

Cabeza hidráulica a la entrada SI SIÁrea de la sección a la entrada SI SIConfiguración del borde de la entrada SI SI

Forma de la entrada SI SI

Rugosidad del fondo SIArea de la sección transversal SIforma de la sección transversal SILongitud de todo el conducto SIPendiente longitudinal del conducto * SI

Nivel del agua a la salida SI* Puede afectar ligeramente el control a la entrada, pero se puede negar su efecto

FACTORES QUE INCIDEN EN EL COMPORTAMIENTO DE UN CULVERT



Entrada proyectante

Entrada con cabezal y aletas



Entradas mejoradas con cabezal y aletas



Valores del coeficiente de entrada CE



fo HHeHvdLSgV

dH 2

21

1 2

gV

RCLCeH

2)1(

2

2



Carta para control a la entrada



Carta para control a la Salida



Procedimiento de Diseño.A. Datos de entrada:1. Descarga de diseño (Q25 o Q50, en m3/s; longitud aproximada del culvert, L, (m); pendiente del culvert So, en m/m.2. Cabeza permisible a la entrada HE, (m), que es la distancia vertical desde la base del culvert a la entrada hasta la elevación de la superficie del agua permitida en el remanso a la entrada o en el canal de acceso aguas arriba. Generalmente se toma igual a la altura de la banca menos 0,4 o 0,5m.



Procedimiento de Diseño.A. Datos de entrada: 3.Las velocidades media y máxima en la corriente natural a la salida.4.Tipo de culvert, material, forma de la sección transversal y tipo de entrada.5.Determine el valor del coeficiente Ce para evaluar las pérdidas en la entrada (Ver Tabla)



Procedimiento de Diseño.

B. Seleccione un primer tamaño por tanteo de la siguiente forma:

1.Por selección arbitraria2.Usando los nomogramas de control a la entrada para culvert. Asuma un primer valor para HE/D igual a 1,5 y con el valor de Q determine un primer tamaño por tanteo. Si el tamaño es mayor que la altura permitida, seleccione múltiples conductos dividiendo el valor de la descarga por el número de elementos.



Procedimiento de Diseño. Determine la altura del remanso a la entrada HE para el tamaño por tanteo a) Asumiendo CONTROL A LA ENTRADA1.Usando el tamaño por tanteo del paso anterior, determine la relación HE/D utilizando el nomograma adecuado y la altura del remanso a la entrada HE.•Si HE es mayor que la altura permitida ensaye otro tamaño hasta que HE sea aceptable para control a la entrada.



Procedimiento de Diseño. Determine la altura del remanso a la entrada HE para el tamaño por tanteo b) Asumiendo CONTROL A LA SALIDA1.Calcule con el nomograma apropiado el valor de H, en función de L, CE y Q.2.Calcule el valor de ho en función de Hs de la siguiente manera: Si Hs es igual o mayor que la altura del culvert a la salida, ho es igual a Hs. Calcule HE de acuerdo con la ecuación HE= H + hO- SoL.



Procedimiento de Diseño. b) Asumiendo CONTROL A LA SALIDA

3.Si Hs es menor que la altura del culvert a la salida, haga hO igual al valor que resulte mayor entre dc y Hs ; siendo dc la tirante crítica y D el diámetro del culvert o la altura del boxculvert.4. Determine HE utilizando la ecuación HE = H + hO – SoL



Procedimiento de Diseño. b) Asumiendo CONTROL A LA SALIDA

5.Compare los valore de HE hallados en 2.a) y en 4.b). El mayor valor determina el control hidráulico existente para las condiciones dadas6.Si el control a la entrada predomina y HE dio mayor que la aceptable, seleccione una dimensión mayor para el culvert y calcule nuevamente HE. No es necesario verificar para control a la entrada pues HE fue adecuado para esa condición.



Procedimiento de Diseño. C. Seleccione un nuevo tamaño y calcule HE para esta nueva selección con el procedimiento anteriormente anotado. D. Calcule las velocidades a la salida para las diferentes selecciones con el fin de establecer si se requiere protección en el canal aguas abajo. F. Haga la selección definitiva por costos.

Universidad de Cartagena

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