Teoria Segundo Parcial_civ-325

8/8/2019 Teoria Segundo Parcial_civ-325

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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS FACULTAD DE INGENIERÍA - INGENIERÍA CIVIL - IEM

CARRETERAS II CIV ± 325 DOCENTE: ING. LEJSEK

TEMA Nº3

DRENAJE DE CARRETERAS

El agua que llega a la carretera, puentes y alcantarillas (Existe un terraplén para alcanzar la

rasante) en puentes la plataforma de esta forma parte del pavimento.

El agua que cae sobre la carretera debe ser evacuada lo más rápidamente. Esta agua es recogidapor las cunetas laterales (tienen la misma pendiente de la rasante).

Las zanjas de coronación se las ubica en el talud a fin de evitar que el agua de los taludes lleguena la plataforma, conduciendo el agua hacia los aliviaderos y estos a las alcantarillas.





Dependiendo del tipo de terreno, el volumen estimado de agua, la pendiente, se puede determinar(Calcular) si las zanjas de coronación , deben tener un recubrimiento. (recubrimiento= empedrado+ Hº, puede ser también Hº).

Sección: - Triangular

- TrapezoidalSon más fáciles de construir a mano.

También se puede recubrir las cunetas con pasto (Vegetación)reduce la erosión, reduce la velocidad, pero su mantenimientoes dificultoso.

El drenaje utiliza 3 fuentes de estudio:

1) La topografía.

2)

Geología y Geotécnia.3) Hidrología, hidráulica.

1. TOPOGRAFÍAR ealizar levantamientos topográficos para emplazar nuestras obras de drenaje (Tener unafaja).

2. GEOLOGÍA Y GEOTÉCNIAConocer el tipo de suelo y estratos sobre el que se tiene el cauce de agua, si existecapacidad de arrastre de material. Conocer la calidad de los materiales con los que se va adiseñar las obras de drenaje. (Vmax, Vmin)

3. HIDROLOGÍA E HIDRÁULICALa hidrología es la ciencia que trata sobre las precipitaciones pluviales, origen, distribución;efectos sobre la superficie terrestre. Nos sirve para saber el comportamiento del agua y laestructura para poder diseñar los elementos de drenaje.

No interesa cuanto es la precipitación, sino que cuanto llega a la estructura.

Las soluciones que encontramos estarán dados en base a la estadística (En lasprecipitaciones pluviales), la hidráulica (cálculo de las estructuras hidráulicas), estructura(capacidad de soporte de los elementos de drenaje).

Para medir precipitaciones se debe tomar en cuenta: la intensidad, duración y frecuencia.

Dentro de la hidrología, se debe considerar el ciclo hidrológico.

a) Precipitaciónb) Infiltraciónc) Escurrimiento superficiald) Evapotranspiración

No toda el agua que llueve llega a la carretera, esto está en función a 2 parámetros:- Duración de la lluvia.- Intensidad de la lluvia.





Duración: es el tiempo que demora en caer una determinada cantidad de agua sobre unazona.

Intensidad: Es la cantidad de agua que cae en la unidad de tiempo y se mide en [mm/hr][pulg/hr], [lt/hr].

Cuando se diseñan las estructuras de drenaje se debe escoger un periodo de tiempo demanera que las diferentes precipitaciones que se produzcan no sobrepasen la capacidad dela obra, apareciendo un tercer factor ³Frecuencia´, o también peridos de retorno, que sedefine:

Período de retorno (Frecuencia): Como la determinada intensidad de lluvia que serepite para una determinada duración. De ahí nace el gráfico: Intensidad, duración,frecuencia.

³Periodo de retorno es el tiempo de vida de la estructura´

Mientras más importante sea la obra sedebe considerar un período de retornomayor, los aspectos económicos son losque determinan los períodos de retorno.

ó

K: De toda la zona.

OBRAS DE ARTE.-

Puentes: Calcular su sección para un periodo de retorno de 50 años. Pero se debe verificarpara los 100 años.

Alcantarillas: Generalmente se utiliza un periodo de retorno de 25 años con unaverificación a 50 años.

Obras menores: (Cunetas, zanjas de coronación, vertederos, alcantarillas menores) unperiodo de 5 años y una verificación a 10 años.

Por ejemplo para un periodo de diseño de 50 años, esta lluvia se producirá dentro de los 50años, pudiendo ocurrir mañana o dentro de 50 años. Para determinar esto utilizamos elcálculo de probabilidades y la estadística, para esto se debe o puede consultar el método deGumbel.

METODO DE GUMBEL.- Ajustes para obtener las curvas (modificadas); intensidad,frecuencia, duración.





C1 --" Mayor valor de coeficiente de escorrentíaC2 --" Menor valor de coeficiente de escorrentía

Se debe tomar un coeficiente deescorrentía ponderado (No tomar elmáximo valor ni el mínimo valor,

tampoco el promedio) ponderar segúnel área de aporte.

C uenca pequeña: Cuenca que es susceptible a precipitaciones de alta intensidad y de cortaduración, hay que darle más preponderancia a la cuenca y no así a los parámetros o

condiciones hidráulicas (cursos de aguas).C uenca grande: Importa el curso de agua, su longitud, almacenamiento y al a hidrologíade la corriente

C oeficientes de Escorrentía: - Topografía- Permeabilidad- Vegetación- Capacidad de almacenaje

T opografía: R elieve del terreno:

PENDIENTES(+) 30 % 10 % - 30 % 5 % - 10 % (-) 5 %

40 30 20 10

Ejemplo: (De la tabla 4.24 2b) C: Coeficiente de Escorrentía

1. Terreno accidentado -- " 302. Bastante permeable -- " 103. Poca vegetación (10%) --" 154. Poca capacidad de almacenaje--" 15

7 k = 70

K 75 -100 50-75 30-50 25-30C 0.50-0.65

Interpolando:

C1 0.8C2 0.67C3 0.59C4 0.35C5 0.40

C6 0.70

C1 * A1C2 * A2C3 * A3

C4 * A4C5 * A5C6 * A6

Coeficiente deponderación





Entonces: K = 0.70; C = 0.63

PARA OBTENER UN COEFICIENTE DE ESCORRENTÍA EN CAMPO.- Mediante mediciones en campo se tendrá que conocer; la intensidad, el área de la zona, unaforo cerca de la alcantarilla, etc. Nos darán resultados más reales.

CAUDAL DE CURSOS CONTINUOS:

C uencas grandes: Estudiar la hidrología del cauce, se utiliza la fórmula de Manning, peroson de ayuda construcciones próximas, caminos próximos, dándonos una referencia delcaudal que vamos a transportar.

En el caso de cauces bien definidos, determinar un sector próximo al lugar donde vamos aconstruir, tomar una longitud de 60 ± 80 m. Coeficiente de rugosidad lo más uniforme

Levantamos 2 secciones:

Determinar las aguas máximas en el lugar por lasmarcas que deja o por información de lugareños.

FOR MULA DE MANNING.- Manning:

Donde: Q: Caudal (m3 /s)

n: Coeficiente de rugosidad de ManningS: Pendiente --" Diferencia de cotas de los niveles de aguas máximas.A: Área de la sección (m2)

R : R adio Hidráulico À

A: Área media entre la sección 1 y 2.

P: Perímetro mojado medio entre la sección 1 y 2.





NAM: Nivel de Aguas Máximo

Hasta aquí solo consideramos la energía potencial, ahora la energía cinética es:

este valor lo restamos al de la pendiente:

Con este valor calculamos el caudal Q¶.

Este caudal nos permite establecer el escurrimiento entre las secciones y la

longitud definidos

CURSOS NO PER MANENTES.- En el caso de cursos no permanentes se utilizan fórmulas empíricas:

C uencas PequeñasUsamos fórmulas empíricas o semiempíricas, la más empleada es la fórmula racional:

Fórmula racional: Donde:

Q: Caudal (m3 /s)A: Área (Ha) (Área de cuenca en hectáreas) A 400 (Ha) ( 1 Ha = 10000 m2)I: Intensidad de lluvia determinada para el período de duración de la lluvia (Intensidad de

agua máxima que puede llegar a la obra de drenaje) (mm/hr)C: Coeficiente de escorrentía.

Esta fórmula fue establecida considerando que sobre la cuenca cae una lluvia de intensidaduniforme y durante un tiempo necesario para que cada uno de los puntos inclusive el másalejado puede contribuir al caudal de la cuenca.

El caudal será proporcional a la intensidad de lluvia disminuidapor el coeficiente de escorrentía y proporcional al área de lacuenca.

360 --" Factor de conversión para Q (m3 /s)

El área A es la proyección horizontal de la cuenca dada suhectárea.

El agua precipita en una superficiehorizontal.

3627

3393





La intensidad la establecemos en base al diagrama: intensidad, duración, frecuencia.

La condición por lo que se ha establecido la fórmula considera que la precipitación sobre

toda la cuenca tenga una duración igual al tiempo de recorrido de una gota de agua desde elpunto más alejado llegue a la obra de drenaje, ese tiempo se llama tiempo de concentración.

Duración de la lluvia = Tiempo de concentración

TIEMPO DE CONCETRACIÓN.- Tiempo requerido para que una gota de agua más alejadade la cuenca llegue al punto de medición.

Este tiempo a veces es muy difícil de medir y existen expresiones matemáticas paraestablecer estos tiempos.

Kirpik:

Donde:

tc: Tiempo de concentración [hr]L: Longitud más alejada de la cuenca (Dist. Pto más alejado del Pto de medición) [km]H: Desnivel entre el pto. más alejado al pto. de Medición [m]

Con el tiempo de concentración en el gráfico; Intensidad, Duración, Frecuencia, se tiene laintensidad máxima:

tc: (duración) expresamos en minutos para poderubicarlo en la gráfica.

I25: utilizamos este valor en la ecuación racional.

Existen otras fórmulas similares:

BUR KLI ± ZIEGLER

C: Coeficiente de escorrentíaI: Intensidad de lluvia [mm/hr]

A: Área [Ha]S: Pendiente Máxima (Pdte. De la cuneta)A " 200 [Ha]

TALBOT

Se obtiene directamente el área de la alcantarilla u obras requeridas para el caudal.





S: Área de la sección [m2]A: Área cuenca [Ha]K: Coeficiente que depende del tipo de terrenoA 20000 [Ha]

Esta formula esta basada en:

- Observaciones en EEUU, no considera la intensidad de lluvias, frecuencia, velocidad deescurrimiento; Es derivada para áreas 20000 [Ha], en áreas mayores puede darvalores altos, se supone que ha sido desarrollada para precipitaciones de 100 [mm/hr]y una velocidad de escurrimiento V " 3 [m/s].

- Se usa para una primera aproximación de obras de drenaje y se debe hacer un ajustepara los valores de K en cada terreno.

TIPO DE TERRENO K

- Terrenos montañosos, rocosos con pendientes fuertes.

- Terreno ondulado con pendiente moderada.

- Valles aislados, irregulares muy anchos en relación a su longitud.

- Terrenos agrícolas con cuenca a desaguar y longitud 3 a 4 veces su ancho.

- Terreno muy llano (plano) no sujeto a nevadas o inundaciones.

0.18

0.12

0.09

0.06

0.04

DISEÑO DE CONDUCTOS ABIERTOS (CANALES ABIERTOS).- Son conductos por el que circula el agua con la presión atmosférica, pero puede habercanales cerrados en los casos en que se mantenga la condición de circular el agua con lapresión atmosférica.

Cunetas, zanjas de coronación, todo elemento en el que se tiene presión atmosférica.

La sección más económica es aquella que tiene el menor perímetro mojado.

1ra. La 1ra y 2da son las más fáciles de construir.

2da.La 3ra. Se la construye en áreas urbanas y no en caminos

3ra. rurales debido a la posibilidad de accidentes que pudieraocasionar.

Las cunetas pueden ser directamente escavadas (roca) o también pueden ser revestidas conun material resistente a la erosión.

Los flujos en los canales pueden ser:





- Permanentes ----" Caudal Constante uniformeno uniforme

- Variables

FLUJO PER MANENTE.-

Se produce cuando el caudal es constante entre 2 secciones, existe continuidad en lacorriente.

FLUJO UNIFOR ME.- Es uniforme cuando la velocidad es constante al igual que la sección.

FLUJO NO UNIFOR ME.- Cuando la sección no es constante.

Si se tiene continuidad: Q = V1 A1 = V2 A2

Es importante considerar las energías que se producen y el flujo:

La energía total referida al nivel dereferencia y energía específica referidaal fondo del canal y la pendiente del

canal.

Energía potencial, tirante medido desde el fondo del canal o sobre un nivel de comparación,la otra energía es la de la velocidad.

La energía específica:

si consideramos la base del canal como nivel de

referencia.

Gradiente de Energía.- Cuando la circulación se produce uniformemente, la gradiente de energía es paralelo a labase del canal, si no es uniforme ya no es paralelo.

Flujo en Canales

PermanenteQ ctte.

Uniforme

No Uniforme

VelocidadConstante





Si (+) PendienteEntontes:" Energía Cinética" Tirante

Si (-) PendienteEntonces: Energía Cinética Velocidad Tirante

Pendientes fuertes tienen velocidades grandes y tirantes pequeños.Pendientes suaves tienen velocidades pequeñas y tirantes grandes.

No se debe diseñar para flujo crítico por ser inestable. En el flujo supercrítico se puedeerosionar el canal. En el flujo subcrítico puede haber asentamiento (sedimentaciones), lapendiente mínima para canales revestidos 0.75 %, en canales de tierra no revestidospendiente mínima de 0.20 %

El tirante crítico y la velocidad crítica dependen del caudal, forma del caudal, área de lasección y son independientes de la rugosidad.

La pendiente crítica depende del caudal, área de la sección y de la rugosidad del canal.

Los flujos supercríticos son difíciles de controlar ya que cambios básicos en el alineamientoen la sección producen rebalses en los canales. El flujo supercrítico está controlado por los

accidentes arriba del canal, en cambio los flujos subcríticos son comunes de los canales dedesagüe, más fáciles de controlar y son susceptibles a cualquier obstáculo aguas abajo delcanal.

Generalmente los flujos supercríticos se producen en canales de desague o en vertederos delas zanjas de coronación, en estos vertederos para disipar en parte la energía cinética serecurre a la construcción de un dentellado o graderías que reducen la energía cinética.

Los flujos subcríticos son más sencillos, las secciones transversales aguas abajo influyen enel flujo subcrítico.

El diseño de canales se refiere principalmente a la obtención o determinación de la secciónadecuada mediante datos como el caudal y la pendiente.

Debe determinarse también la velocidad en el canal a fin de evitar la erosión del mismo. Lafórmula más empleada para el diseño de canales es la fórmula de Manning siendo estaaceptable cuando las condiciones son constantes, el caudal, la rugosidad y la pendiente.

Se ha establecido que la sección más económica de los canales es la que tiene el perímetromojado menor. Para diseño de canales es necesario que en el proyecto se haga unaseparación de secciones homogéneas, es decir secciones que tengan la misma pendiente,que no tenga aportes adicionales fuera del área de precipitación, se utiliza la función de la





formula racional para el calculo de los caudales sobre todo porque son áreas relativamentepequeñas. Estos canales se calculan tanto para cunetas laterales, como para zanjas decoronación y se debe determinar el área, definir una sección sea triangular, trapecial orectangular, la pendiente está en función de la rasante del camino y se debe verificar lavelocidad en el canal y comparar con velocidades admisibles de acuerdo al tipo de terreno otipo de revestimiento.

TIPO DE SUELO VELOCIDAD MÁXIMARECOMENDABLE (m/s)

y Hierba bien cuidada en cualquier clase de terreno.y Terreno parcialmente cuidado cubierto de vegetacióny Arena fina no coloidal.y Arcilla arenosa no coloidal.y Arcilla limosa no coloidal.y Arcilla dura.y Grava fina.y Arcilla dura muy coloidal.y Limos aluviales coloidales.y Limos aluviales no coloidales.

y M ateriales gradados no coloidales.

De arcilla o Grava De limo o Grava Esquisto Arcilloso Grava Grava Gruesa De grava o cantos rodados Pizarra blanda Mampostería y hormigón

1.80

0.60 ± 1.20

0.750.750.901.001.201.40

1.400.90

1.401.601.801.802.002.301.504.50

La sección se diseña con Manning:

Manning:

Donde: Q: Caudal (m3 /s)

n: Coeficiente de rugosidad de ManningS: Pendiente --" Diferencia de cotas de los niveles de aguas máximas.A: Área de la sección (m2)

R : R adio Hidráulico À

A: Área media entre la sección 1 y 2.

P: Perímetro mojado medio entre la sección 1 y 2.

Q, S , n : datosSección ± dimensiones , velocidad: incógnitas.

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