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ALCANTARILLAS DE HORMIGON

2.1. Alcantarillas de sección rectangular  2.1.1.Tipología Se presentan dos tipos estructurales: •  Losa sobre estribos: en la figura 2.1 .se presenta un esquema de su sección transversal. La estructura puede llevar o no una platea que solamente cumple funciones hidráulicas.

•  Pórticos:  pueden presentarse dos variantes: con zapatas individuales (a su vez puede llevar o no  platea hidráulica) o con platea de fundación. !n la figura 2.2. a izquierda del e"e de simetr#a se  presenta el primer caso $ a derecha el segundo. segundo.

2.1.2. Alcantarilla de losa sobre estribos 1. Generalidades !l rango más usual de aplicación de este tipo de estructuras es de luces entre 1%% m $ &%% m alturas entre 1%% m $ '%% m admitindose vanos mltiples para luces superiores a 2%% m. !n la figura 2.'. se puede o*servar una gráfica que relaciona costos (se toma como costo unitario una alcantarilla de un metro de luz) en función total para luces simples do*les $ triples para un determinado dise+o. !n la misma puede o*servarse que hasta &%% m de luz es más económico el empleo de luz simple. !ntre &%% m $ ,%% m es más conveniente el empleo de dos luces $ a partir de este ltimo valor $a de*e seleccionarse una luz triple. !n cuanto a los valores de tapada má-ima el plano tipo puede admitir un solo valor má-imo. o o*stante $ a los efectos de reducir costos pueden dise+arse (sin que ello complique la conformación del plano tipo) hasta ' categor#as que admitan tres rangos de tapada má-ima (e"emplo 1%% m '%% m $ /%% m). !n planos tipo que admitan una nica tapada má-ima no es conveniente la adopción de alturas de alcantarillas por encima de las que requiere el escurrimiento hidráulico $a que si *ien una ma$or altura requiere una menor longitud del conducto el costo se incrementa nota*lemente. 2. Análisis de las cargas !ste análisis es válido para cualquier tipo de estructura de hormigón. 0argas de*idas al terrapln: se considera el peso propio del terrapln u*icado so*re la alcantarilla incrementado por la transferencia de carga de los prismas ad$acentes a la estructura. Se aplica para el cálculo de esta incidencia la teor#a de arston. 0argas de*idas al tránsito: se emplean las correspondientes a las reglamentaciones vigentes en cada !stado o en cada a#s segn corresponda. ara tapadas de terraplenes inferiores a 1%% m corresponde aplicar la incidencia del impacto. 0argas de*idas a empu"e de tierra so*re los estri*os: puede aplicarse la e-presión:

Ph=K 0. . Z

2.1

siendo

Ph

empu"e del terreno 3g4m 2

K 0

coeficiente de empu"e en reposo

γ 

 peso especifico del material del terrapln en 3g4m '

Z 3. Losas ara luz nica se calcula la losa como simplemente apo$ada para cada las dimensiones que admite el  plano tipo. ara el cálculo de luces mltiples se de*e considerar la carga viva en diferentes situaciones determinando la envolvente de las solicitaciones. ara el dimensionamiento $ a los efectos de simplificar la confección de tipo (menos varia*les) se puede adoptar el criterio de conservar para estas luces el espesor $ la armadura de la luz simple correspondiente cu*riendo los momentos en los apo$os con la armadura resultante de levantar la mitad de los hierros de los tramos contiguos. !ste so*redimensionamiento no afecta prácticamente los costos simplificando además las tareas de o*ra. !n relación al dimensionamiento de losas en alcantarillas o*licuas $ siempre tratando de simplificar $ uniformar planos tipo resulta conveniente adoptar el modelo estructural esquematizado en la figura 2.&.

Se consideran losas derechas de luz L $ la zona de longitud varia*le (área ra$ada) emplea como elemento  portante la viga de *orde. 4. Estribos y pilas 0omo modelo estructural para el dise+o de estri*os se consideran las situaciones más cr#ticas que conforman la envolvente de los casos empotrado5articulado $ articulado5articulado figura 2./. Se adopta este criterio ante la posi*ilidad que puedan producirse cualquiera de las dos situaciones durante su real comportamiento.

!n relación a los estri*os $ pilas para este tipo de estructura es conveniente dise+arlos con hormigón sin armar hasta alturas de 1/% m $ con hormigón armado para alturas ma$ores. !n la figura 2.6. se grafica un e"emplo de estudio de costos de o*ra en función de la altura de los estri*os (se consi dera costo unitario el de una alcantarilla de 7 8 1/% m con estri*os sin armar). !n el e"emplo se considera sólo costos de conducto sin incidencia de muros de ca*ecera.

5. Mros de cabecera 9tendiendo al pro*lema que presenta la geometr#a del muro de ala ante las pendientes longitudinales del conducto se suele dise+ar este tipo de ca*ecera en pendientes menores o igual a 1% . ara el caso de  pendientes superiores se dise+an muros de vuelta. 2.1.3. Alcantarillas p!rtico 1. Generalidades !l rango más usual de aplicación de este tipo de est ructura es de luces entre '%% m $ 6%% m alturas entre &%% $ ;%% m admitindose varios mltiples para luces iguales o ma$ores a &%% m. !n general este tipo de alcantarilla no se la dise+a con tapada de terrapln sino que la losa (con una capa de recu*rimiento) se utiliza como superficie de rodamiento. !sta situación requiere el dise+o de losa de apro-imación para disminuir los asentamientos relativos entre estructura $ terrapln ad$acente. !l modelo con platea admite menores tensiones del suelo de fundación (del orden del &%  del que requieren pórticos so*re zapatas) haciendo posi*le el uso de este tipo de o*ra so*re terrenos de *a"a calidad. 2. Modelo estrctral  0onsiste en pórticos articulados en los apo$os tanto para la fundación so*re zapatas como para fundación so*re platea. ediante el empleo de este modelo los pórticos quedan a cu*ierto de posi*les giros de las *ases. o o*stante la armadura de*erá ser dise+ada para coser fisuras por posi*les empotramientos de los apo$os.

!ste modelo estructural aparte de independizar la armadura del tipo de fundación (disminu$e datos simplificando los planos tipo) reduce los costos de zapatas $ plateas en relación al modelo empotrado.

2.2. A LCANTARILLAS  DE CAÑS  DE  ! R"I#$N  2.2.1. "nidad pre#abricada Se utilizan generalmente para cu*rir *alos caudales de escurrimiento. Se trata de elementos prefa*ricados de mu$ sencilla construcción $ colocación.  o se recomiendan diámetros inferiores a 1%% metros para evitar inconvenien tes en el mantenimiento $ los má-imos alcanzan generalmente 1'% metros $a que diámetros ma$ores los hacen de dif#cil transporte aumentando los peligros de rotura. Las unidades de ca+os se constru$en en hormigón armado con longitudes que oscilan entre 1%% metros $ 12% metros. 9 los efectos de lograr continuidad en la unión de los ca+os se dise+an termi nales apropiados denominados ca"a $ espiga. Se presentan dos tipos de terminales de ca+os figura 2.< :

• =erminal em*utido: denominado tam*in tipo media muesca es aquel en el cual la ca"a $ la espiga se desarrollan dentro del espesor del ca+o. • =erminal e-terior: si el espesor del ca+o no permite al*ergar la ca"a sta se desarrolla por fuera de la circunferencia e-terior del ca+o. Se denomina tam*in terminal tipo *ocina. resenta el inconveniente de requerir un ma$or tra*a"o de conformación de la *ase de asiento donde apo$arán los ca+os en especial cuando la misma se constru$e en hormigón.

Los materiales empleados en la construcción de los ca+os son hormigón clase 7.21 σ> *3   8 21% 3g4cm 2 $ acero tipo ??? βs 8 &.2%% 3g4cm2. !n general para diámetros ma$ores de %
•

@n dise+o racional de los ca+os entorna estos valores e-tremos de altura de terrapln so*re el conducto (tapada) de manera de lograr una estructura económica que pueda ser empleada dentro de un amplio rango de valores de tapada. Si *ien podr#an dise+arse distintos tipos de ca+os para emplearlos con diferentes rangos de tapada esto no es usual en la práctica en la cual se adopta un dise+o nico de estructura a utilizar entre valores l#mites (inferior $ superior) de tapada.

!s desea*le que a los efectos de lograr uniformidad en la distri*ución de cargas so*re el conducto la tapada m#nima no sea inferior al espesor de la ca"a de pavimen to más %2% metros. !n la figura 2.;. se representa un diagrama de solicitaciones (presión vertical en la clave del tu*o) para distintos valores de tapada en un ca+o de 1%% metro de diámetro:

!n la figura 2.;. pueden realizarse las siguientes o*servaciones: •  para tapadas entre %6% metros $ 6%% metros el estado de carga determinante corresponde a una tapada m#nima de %6% metros sumando los efectos de la carga del terrapln $ la del tránsito • tapadas inferiores a %6% metros $ superiores a 6%% metros originan dise+os estructurales no económicos • el estado de cargas más favora*le corresponde a una tapada del orden de 1,% metros a 2%% metros 2. Análisis del co%porta%iento estrctral del condcto La magnitud de la carga estática que acta so*re un conducto no es sólo función del peso del material u*icado so*re el mismo sino tam*in de ciertos esfuerzos cortantes que se generan en los planos verticales definidos por los *ordes del ca+o. !stos esfuerzos son causados por asentamientos diferenciales entre el prisma de suelo situado so*re el conducto $ los prismas ad$acentes $ de acuerdo al movimiento relativo entre estos prismas puede resultar que la carga so*re el conducto sea ma$or o menor que el peso del material u*icado so*re l. Se denomina plano cr#tico al plano horizontal tangente al ca+o en su clave figura 2.1%.

Se define como relación de pro$ección al cociente entre la altura del terrapln por de*a"o del plano cr#tico $ el diánietro del conducto.

p = B_ De

2.2

siendo

p

relación de pro$ección

B

diferencia de cotas entre la clave del conducto $ el terreno natural (igual a la altura del terrapln por de*a"o del plano cr#tico) en m diámetro e-terior del conducto en m

De

Si la relación de pro$ección es igual a la unidad es decir si el conducto está colocado totalmente so*re el terreno natural los asentamientos relativos entre los prismas de terrapln ad$acentes al tu*o situados por de*a"o del plano cr#tico $ el prisma donde se alo"a el conducto (dada su rigidez se lo considera indeforma*le) serán má-imos $ en consecuencia será má-ima la transferencia de cargas de los prismas laterales hacia el prisma central figura 2.11. Si la relación de pro$ección es menor que la unidad en la medida en que dismi nu$a la altura A del prisma  por de*a"o del plano cr#tico menor será el asentamiento relativo $ menor la transferencia de cargas de los  prismas laterales al prisma central. Se estima que un ca+o de hormigón fundado con una relación de pro$ección igual o menor que %< (p B %<) presenta condiciones favora*les para controlar una posi*le transferencia de cargas de los prismas ad$acentes hacia el conducto. Si la relación de pro$ección es cero el ncleo de terrapln cederá en forma uniforme $ no se producirá transferencia de cargas so*re el conducto con lo cual ste sólo soportará el peso del terrapln u*icado so*re l.

Si la relación de pro$ección es negativa se producirá el proceso inverso por cuanto el prisma de suelo u*icado entre el nivel del terreno natural $ la parte superior del conducto sufrirá un descenso relativo respecto a los prismas ad$acentes. !ste descenso provocará una transferencia de cargas del prisma central hacia los laterales lo cual se traducirá en una disminución de la carga actuante s o*re el conducto la cual será en este caso menor que el peso del material u*icado so*re el mismo. !l dise+o estructural del ca+o se realiza aplicando la teor#a de arston para el cálculo de las solicitaciones de*idas al peso del terrapln so*re el mismo.

2.2.3. $olocaci!n de ca'os ara lograr un adecuado comportamiento de las alcantarillas de ca+os de*e procurarse una *uena fundación $ un conveniente relleno $ compactación del terrapln en las ad$acencias del conducto. Se o*tiene una correcta fundación de los ca+os cuando por lo menos el arco cu*ierto por un ángulo al centro de ;%C apo$a so*re una superficie perfectamente conformada. !sto significa conformar un gáli*o con una profundidad m#nima de %1/ De *a"o el terreno natural. 9demás es desea*le a los efectos de disminuir tensiones en el tu*o por parte de asentamientos diferenciales del terrapln en los planos de las pro$ecciones verticales del tu*o que se funde el ca+o por de*a"o del terreno natural no menos de %' De figura 2.12.

Aa"o ningn concepto puede admitirse la fundación de ca+os de hormigón so*re terrenos de relleno. !n caso que la fundación de los ca+os se realice so*re roca de*e e-cavarse la misma por lo menos %'% metros *a"o la cota de fundación $ en un ancho igual a De E%'% metros rellenándose esta ca"a con una cama de suelo perfectamente conformada $ compactada figura 2.1'. Los suelos de fundación de mala calidad (suelos de cinagas mallines +aus etc.) de*en ser reemplazados  por suelos aptos e-cavando a tal efecto una ca"a m#nima de ' De de ancho $ %/ De de profundidad (m#nimo %6% metros) rellenándosela en capas compactadas de no más de %2% metros de espesor figura 2.1'. !n lo que respecta al relleno $ compactación del terrapln en las ad$acencias del conducto puede decirse que una *uena tcnica constructiva tendiente a reducir los asentamientos diferenciales del terrapln en coincidencia con los planos de las pro$ecciones verticales de los tu*os es construir el terrapln compactado donde irá u*icada la alcantarilla hasta %2% metros por encima del ca+o $ cortar posteriormente en zan"a dicho terrapln en toda la longitud del conducto $ en un ancho no ma$or dedos veces el diámetro e-terior figura 2.1&. La construcción del terrapln en las pro-imidades de los tu*os de*e realizarse con suelo o material granular fino cuidadosamente colocado $ compactado alternadamente a am*os lados del conducto en capas de %1/ metros de espesor. De*en emplearse equipos mecánicos de compactación $ la densidad e-igida de*e ser minuciosamente controlada en especial en las capas por de*a"o de la cota de la clave del ca+o. Solamente puede tra*a"arse con equipos pesados de compactación por encima de %6% metros so*re la  parte superior del tu*o. !l conducto de*erá comenzar a construirse a partir del e-tremo aguas a*a"o dirigiendo el terminal de ca"a hacia aguas arri*a figura 2.1/. Fazones de eficiencia hidráulica determinan que la pendiente longitudinal de los tu*os no sea inferior al %/  $ no se recomiendan pendientes superiores al 1%  sin prever o*ras complementarias que controlen la erosión que pueda provocar en el terminal aguas a*a"o la elevada velocidad de escurrimiento.

0on pendientes longitudinales inferiores a 1%  los ca+os pueden fundarse so*re una *ase de suelo de calidad adecuada que no contenga material grueso para evitar concentración de tensiones pero para pendientes superiores a ese valor se de*en fundar s'*re una  *ase de asiento de hormigón.  o o*stante $ ante las dificultades de orden constructivo que ofrece la colocación de los ca+os es aconse"a*le prever la *ase de asiento de hormigón en todos los casos. 0on esta solución se constru$e primero una capa de asiento de %1/ m de espesor colocando luego el ca+o so*re la superficie $a fraguada para  proceder entonces a hormigonar el resto de la *ase de asiento figura 2.16. ara pendientes superiores al 1/  de*erán agregarse escalones a la *ase de asiento de hormigón. !n este

caso la cantidad de escalones de*erá ser un nmero entero $ la longitud de cada uno de ellos apro-imadamente tres metros figura 2.1<.  o se aconse"a colocar ca+os de hormigón con pendientes ma$ores de 2/ . 2.2.&. Aater#a de ca+os !n los casos en que requerimientos de orden hidráulico o de altura de terrapln no permitan la colocación de un tu*o pueden adosarse dos o más reci*iendo entonces la denominación de *ater#a de ca+os. 9l dise+ar *ater#as de ca+os de*e preverse una separación m#nima entre tu*os que permita realizar las operaciones de compactación del terrapln en el espacio intermedio. Se recomienda una separación igual a %/ De. Dado su deficiente comportamiento hidráulico no se estima aconse"a*le el dise+o de *ater#as de ca+os en cauces con fuertes pendientes o con esvia"es aprecia*les. 2.2./. Mros de cabecera !ste tipo de conducto puede no llevar muros de ca*ecera prolongándose los e-tremos a fin de cu*rir el talud de los terraplenes figura 2.1/. !sta solución no es aconse"a*le $a que ofrece una conformación inadecuada para el control de los procesos erosivos en los casos de caudales $ velocidades aprecia*les. !n general se reserva este tipo de o*ra para accesos a propiedades en caminos secundarios en zonas con reducidas precipitaciones pluviales $ en caminos de *a"a calidad. Si *ien los muros de ca*ecera no me"oran aprecia*lemente la eficiencia hidráulica de una alcantarilla de ca+os aportan me"ores condiciones para el control de erosión en los e-tremos proveen un me"or ancla"e de la alcantarilla en laderas con fuertes pendientes protegen los taludes del terrapln en las inmediaciones del conducto favoreciendo su mantenimiento $ ofrecen un me"or aspecto esttico de la estructura. !n la figura 2.1,. se presentan vista $ corte de una alcantarilla de ca+os de hormigón con muros de ca*ecera.