OBRAS HIDRÁULICAS UNIVERSIDAD DOMINICANA O&M. PROFESOR: ING. HERIBERTO ROSADO PAULA GRUPO:12
PUENTES CANALES
Integrantes: Reinaldo Ivander Peña Rodríguez. Anderson Sánchez Peña. David B. Martínez Cortes. Luis E. Meregildo. Salome Bocio.
¿QUE ES UN PUENTE CANAL? Es una estructura que permite al cruce de un canal a través de depresiones poco profunda del terreno, ríos, arroyos e incorporan condiciones e limites especiales y particulares a un canal y consiste esencialmente en un tramo de conducto soportado por encima del terreno mediante pilas y caballetes también el puente canal puede ser usado para el transporte de embarcaciones comúnmente para este tipo de puente-canales se utilizan esclusas para elevar y descender las naves a este tipo de puente canal también se le llama puente acuífero. Un puente acuífero difiere de un acueducto en que este último tiene como fin transportar agua, mientras que el primero se utiliza para transportar el agua y también se puede utilizar como un medio para transportar los botes. Este es una de las estructura de cruce más importante cuando las condiciones topográficas y geológicas la permiten, el empleo de un puente canal esta indicado sobre todo en aquellos casos que es importante conservar la carga del canal , ya que a diferencia del sifón las perdidas en un puente canal es mínima en relación al sifón.
PUENTES CANALES Puente canal para transponte de Embarcaciones
Puente Canal para transporte de agua
¿CÓMO PUEDE SER EL CONDUCTO DE UN PUENTE CANAL? En un puente canal el conducto puede ser: • Cerrado.
• Abierto. En el caso de que el conducto sea cerrado y trabaje a presión, su funcionamiento será de acuerdo a las leyes del flujo en tubería a presión. El caso más frecuente es el puente canal de conducto abierto o conducto cerrado que no trabaja lleno, en este caso el funcionamiento es semejante al de un canal ordinario, es decir el agua fluye bajo la acción exclusiva de la gravedad.
PUENTES CANALES
Tipos mas comunes de conductos en puentes canales
Puentes Canales Puente canal de conducto abierto
Puente canal de conducto cerrado
FACTIBILIDAD DE UN PUENTE CANAL Un puente canal no se hace o no es factible cuando la rasante proyectada del canal resulte más baja que el nivel de agua del rió por cruzar. Este se utilizará cuando la diferencia de niveles entre la rasante del canal y la rasante de la quebrada o río, permita un espacio libre, suficiente para lograr el paso del agua. En dado caso se utilizará un sifón invertido si el nivel de la superficie libre del agua es mayor que la rasante del obstáculo.
RASANTE DE UN PUENTE CANAL
PARTES HIDRÁULICAS Y ESTRUCTURALES DE UN PUENTE CANAL Así como su nombre lo dice el puente canal es un tipo de puente por lo que sus partes no difieren mucho de lo que es un puente en sí, todo hablando de términos estructurales por lo que este está constituido o está compuesto por la sub-estructura y súper-estructura. Pero en el ámbito hidráulico no difiere de lo que es un canal en si por lo que al igual que un canal estándar este comparte sus partes.
Sus partes son: • Sub- estructura: es la que soporta la súper estructura y consta de pilas, estribos y caballetes. Donde la pila debe estar cimentada sobre roca firme para evitar asentamientos diferenciales. • Súper-estructura: es la soportada por la sub-estructura la cual está compuesta por transición de entrada, compuerta, conducto, transición de salida. • Las transiciones: sirven para pasar en forma gradual de la sección del canal a la del conducto o viceversa según sea transición de entrada o salida; este cambio debe ser gradual para evitar turbulencias y reducir las pérdidas de carga. Estas pueden ser de dos tipos: Transición de entrada: esta une por un estrechamiento progresivo el canal con el puente canal, lo cual provoca un cambio gradual del agua en el canal. Transición de salida: esta une el puente canal con el canal.
Partes Hidráulicas y estructurales de un puente-canal La compuerta: esta es colocada al inicio del conducto tiene como función regular el gasto u obstruirlo completamente cuando sea necesario y debe operarse conjuntamente con unas vertedoras aguas arriba de la compuerta. El conducto: es el elemento sobre el cual fluye el agua y puede ser construido con diversos materiales, las secciones transversales más usadas son la sección rectangular y la semicircular. Conducto elevado: este generalmente tiene una sección hidráulica más pequeña que la del canal. La forma de la sección transversal, por facilidades de construcción se adopta una sección rectangular, aunque puede ser semicircular o cualquier otra forma.
Partes Estructurales:
Partes Hidráulicas:
Partes geométricas de un puente canal Así como su nombre también lo representa, el puente canal o puente de agua es en sí un canal por lo que tiene partes geométricas iguales a la de los canales siempre dependiendo del tipo de sección tales como son:
• Profundidad del flujo, calado o tirante: la profundidad del flujo (h) es la distancia vertical del punto más bajo de la sección del canal a la superficie libre. • Ancho superior: el ancho superior (t) es el ancho de la sección del canal en la superficie libre.
Partes geométricas de un puente canal • Área mojada: el área mojada (a) es el área de la sección transversal del flujo normal a la dirección del flujo.
• Perímetro mojado: el perímetro mojado (p) es la longitud de la línea de la intersección de la superficie mojada del canal con la sección transversal normal a la dirección del flujo.
Partes geométricas de un puente canal • Radio hidráulico: el radio hidráulico (R) es la relación entre el área mojada y el perímetro mojado, se expresa como: R = A/P
• Profundidad hidráulica: la profundidad hidráulica (d) es la relación del área mojada con el ancho superior, se expresa como: d = a / t
• Factor de la sección: el factor de la sección (z), para cálculos de escurrimiento o flujo crítico es el producto del área mojada con la raíz cuadrada de la profundidad
Partes geométricas de un puente canal
Sección transversal de un canal.
Características geométricas e hidráulicas de un puente canal Las características geométricas son la forma de la sección transversal, sus dimensiones y la pendiente longitudinal del fondo del puente-canal. Las características hidráulicas son la profundidad del agua (h, en m), el perímetro mojado (p, en m), el área mojada (a, en m²) y el radio hidráulico (r, en m), todas función de la forma del puente-canal. También son relevantes la rugosidad de las paredes del puente-canal, que es función del material en que ha sido construido, del uso que se le ha dado y del mantenimiento, y la pendiente de la línea de agua, que puede o no ser paralela a la pendiente del fondo del canal.
Tipos de flujos que inciden en un puente canal El puente canal al no ser más que un canal o la prolongación de un canal sobre una depresión soportado por elementos estructurales que en si lo vuelven un puente no pierde sus atributos de canal por lo que los flujos en este pueden ser de diferentes tipos tales como: • Flujo permanente Un flujo permanente es aquel en el que las propiedades fluidas permanecen constantes en el tiempo, aunque pueden no ser constantes en el espacio. Las características del flujo, como son: velocidad (v), caudal (q), y calado (h), son independientes del tiempo, si bien pueden variar a lo largo del canal, siendo x la abscisa de una sección genérica, se tiene que: V = fv(x)
Q = f (x)
Tipos de flujos que inciden en un puente canal • Flujo transitorio o no permanente Un flujo transitorio presenta cambios en sus características a lo largo del tiempo para el cual se analiza el comportamiento del canal. Las características del flujo son función del tiempo; en este caso se tiene que: V = fv(x, t) Q = fq(x, t) H = fh(x, t) Las situaciones de transitoriedad se pueden dar tanto en el flujo subcrítico como en el supercrítico.
• Flujo uniforme
Es el flujo que se da en un canal recto, con sección y pendiente constante, a una distancia considerable (20 a 30 veces la profundidad del agua en el canal) de un punto singular, es decir un punto donde hay una mudanza de sección transversal ya sea de forma o de rugosidad, un cambio de pendiente o una variación en el caudal. En el tramo considerado, se las funciones arriba mencionadas asumen la forma: V = fv(x) = constante
Q = fq(x) = constante H = fh(x) = constante
• Flujo gradualmente variado El flujo es variado si la profundidad de flujo cambia a lo largo del canal. El flujo variado puede ser permanente o no permanente. Debido a que el flujo uniforme no permanente es poco frecuente, el término “flujo no permanente” se utilizará de aquí para adelante para designar exclusivamente el flujo variado no permanente. El flujo variado puede clasificarse además como rápidamente variado o gradualmente variado. El flujo es rápidamente variado si la profundidad del agua cambia de manera abrupta en distancias comparativamente cortas; de otro modo es gradualmente variado. Un flujo rápidamente variado también se conoce como fenómeno local; algunos ejemplos son el resalto hidráulico y la caída hidráulica.
• Flujo crítico Cuando froude vale uno o cuando la velocidad es igual que la raíz cuadrada de la gravedad por la profundidad. • Flujo subcrítico En el caso de flujo subcrítico, también denominado flujo lento, el nivel efectivo del agua en una sección determinada está condicionado al nivel de la sección aguas abajo. • Flujo supercrítico En el caso de flujo supercrítico, también denominado flujo veloz, el nivel del agua efectivo en una sección determinada está condicionado a la condición de contorno situada aguas arriba.
Generalidades sobre este tipo de estructuras El puente canal, como todas las estructuras de cruce, se construye con un material al que se le pueda dar un mejor acabado, que en el canal, con objeto de que este admita velocidades mayores en el agua, por ser más resistente a la erosión. Por lo tanto en beneficio de la economía de la obra, al puente-canal se le dará una sección hidráulica más pequeña que la del canal. Como la estructura trabaja como canal, de acuerdo con su sección, pendiente y rugosidad, su funcionamiento hidráulico puede estudiarse con Dónde: la fórmula de manning: Q - Gasto, en m3/s. A - Área hidráulica, en m2. R - Radio hidráulico, en m. S - Pendiente de la conducción. n - Coeficiente de rugosidad de Manning.
Clasificación de un puente canal Como se vio anteriormente y atendiendo a las condiciones del funcionamiento del tipo de conducto podemos clasificar a los puentes canales en dos tipos: • Puente canal o canoa (conducto abierto) . • Puente canal o acueducto (conducto cerrado).
Puente canal o canoa: Son aquellos cuyo conducto, cerrado o abierto trabaja a la presión atmosférica. Acueducto: Son aquellos en los cuales el conducto funciona a presión superior a la atmosférica.
Clasificación de un puente canal Según el material del que están construidos estos pueden clasificarse en: • Puente canales de madera.
• Puente canal de conducto metálico.
• Puente canal de concreto.
Clasificación de un puente canal Puente canal de madera: Las maderas más apropiadas son el cedro rojo y el ciprés que dan una vida útil hasta de 50 años. Los puentes canales de este material presentan muchas fugas cuando el uso es intermitente por el encogimiento de la madera. Son recomendables como instalaciones provisionales o cuando la lejanía de otros materiales lo hace más económico.
Clasificación de un puente canal
Puente canal con conducto de madera.
Clasificación de un puente canal Canal o puente canal de conducto metálico: Son a base de hojas de acero laminado dando una sección semicircular o circular; si todo el metal que estará en contacto con el agua es galvanizado o se protege con anticorrosivo se pueden obtener de 15 a 30 años de vida útil. En los estados unidos son muy usados los puentes canales de conducto metálico y sub-estructura formada por caballetes de madera o también metálicos.
Clasificación de un puente canal Subestructura metálica de un Puente canal
Puente canal con sección Metálica
Clasificación de un puente canal Puente canal de concreto: Son los más duraderos pero su construcción es más delicada puesto que el concreto no resiste tensiones, es fácil que se produzcan grietas en el conducto, por eso se requiere una cimentación muy firme para evitar asentamientos desiguales en las pilas. las juntas de construcción del conducto se localizan sobre pilas y deben impermeabilizarse, cada tramo del conducto tendrá en un extremo apoyo fijo y apoyo libre en el extremo opuesto.
Clasificación de un puente canal
Puente canal de concreto
Juntas usadas en los diferentes tipos de puentes canales según su material.
CÁLCULOS HIDRÁULICOS DE UN PUENTE CANAL El cálculo hidráulico de un puente canal o canoa comprende los siguientes aspectos. • Calculo de las dimensiones transversales del conducto. • Calculo de la longitud de las transiciones. • Calculo de la sobreelevación del agua en el cauce (cuando el puente canal cruza un rio o arroyo). • Calculo de las pérdidas de carga.
Calculo hidráulico de la sección del conducto. El escurrimiento a través del puente canal es semejante al de un canal común y podemos usar la fórmula de manning. Es recomendable obtener velocidades entre 2 y 3 m/seg. Ya que teniéndose la posibilidad de ajustar la pendiente dentro de un rango bastante amplio esta orden de velocidades nos da secciones más chicas que si aceptáramos velocidades hasta de 0.5 m/seg como se hace en canales donde la pendiente está restringida por la pendiente natural del terreno. Puede presentarse el caso en que la rasante del canal a la entrada y a la salida del puente este ya proyectada y no pueda modificarse, en dicho caso tendremos fija la pendiente para el puente canal pudiéndose aceptar velocidades menores. El gasto Q que se desea conducir será siempre un dato conocido por lo tanto la secuela es suponer las dimensiones de la sección e ir modificando la pendiente hasta obtener mediante las formula de manning el gasto Q deseado y una velocidad aceptable.
Calculo de la longitud de las transiciones. La función de las transiciones es cambiar gradualmente de la sección del canal a la sección del conducto. El ángulo α formado por el eje de la transición y la intersección del nivel del agua con el talud debe estar dentro de los siguientes límites: 12o-30’ a 22o-30’ .
Calculo de la sobre elevación del agua en el cauce. Cuando el puente canal sirve para cruzar un cauce natural o artificial las pilas localizadas dentro del cauce representan una obstrucción que reduce el área hidráulica original por lo cual se origina una sobre elevación del nivel del agua. En algunos casos esta sobre elevación pudiera causar problemas por lo cual es conveniente cuantificarla. De manera bastante aproximada se estima que la sobre elevación es igual a la diferencia de cargas de velocidad en el cauce calculadas para el área hidráulica normal (sin las pilas) y el área hidráulica disminuida por las obstrucción de las pilas fig.
CALCULO DE LA SOBRE ELEVACIÓN DEL AGUA EN EL CAUCE.
Calculo de las pérdidas de carga. Las pérdidas de carga que se consideran para puentes canales o canoas son:
• Perdida de carga por transición.
Se estima entre 0.1 y 0.2 de la diferencia de cargas de la velocidad en el conducto y en el canal. • Perdida de carga por fricción. Se calcula con la formula derivada de la de manning.
Cálculos de diseño de un puente canal Para el diseño de un puente-canal se inicia por la parte hidráulica de este, por lo que se hacen los cálculos para gastos y condiciones normales de trabajo de un canal en si. La sección resultante del calculo hidráulico del puente canal debe de tener un bordo libre apropiado, para permitir cierta fluctuación en el gasto. Si la longitud del conducto es corta su funcionamiento estará regido por la posición y condiciones de las transiciones de entrada y salida. El en puente-canal se tendrá como pérdida de carga la diferencia de niveles entre la superficie libre del agua entre el principio y el final de la estructura será igual al que haya entre las plantillas de las mismas secciones si trabaja como un canal en régimen tranquilo (Flujo sub-critico) y si no influye ningún otro factor. A esta pérdida hay que sumarle las originadas en las transiciones de entrada y de salida. En caso de que haya peligro de entapotamiento por sedimentación en la estructura, se puede colocar un desarenador a la entrada de la misma o bien darle mayor velocidad al agua.
Cálculos de diseño de un puente canal
Cálculos de diseño de un puente canal Desarenador: es una estructura diseñada para retener la arena o los sedimentos que pudiesen incurrir o entaponar el canal.
CÁLCULOS DE DISEÑO DE UN PUENTE CANAL Una vez definido el funcionamiento hidráulico y por consiguiente de las dimensiones que deben tener sus partes, se procederá con el cálculo estructural. El puente-canal puede ser de un solo claro cuando de un modo económico se pueda salvar el espacio de la depresión con él, pero si el espacio es grande, tendrán que construirse varios tramos. En cada caso se harán las alternativas que se crean convenientes para escoger las longitudes correctas, el número de tramos y las posiciones de los apoyos. Los apoyos extremos pueden ser estribos o caballetes y los intermedios pilas o caballetes.
Cálculos de diseño de un puente canal Tales apoyos serán calculados como si fuese un puente que llevara una carga normal, para que soporten todos los esfuerzos que le transmita la superestructura y las cargas que reciba directamente, y serán desplantados sobre material firme y protegidos contra posibles asentamientos, deslaves, socavaciones, etc.
Conviene primero estudiar la superestructura, para que definidas las cargas que transmite a la subestructura se proceda a calcular ésta. En la superestructura se distinguen dos formas de trabajo:
El primero es de formar una cubeta impermeable de un canal por donde escurre el agua. El segundo es en sentido longitudinal, para lograr que todo el tramo, cargado con agua y todas las cargas que deba soportar, trabaje como viga o como puente apoyado en sus extremos.
Cálculos de diseño de un puente canal
Pilas de un puente-canal
Cálculos de diseño de un puente canal
Puente canal conformado de dos tramos
PROBLEMA PRACTICO Calculemos una sección rectangular de concreto para un puente canal que deba conducir 1.5 m3/seg con una pendiente S=0.007
Para que la sección no resulte muy desproporcionada podemos aceptar la relación b=2d y 20 cm de bordo libre. Resulta práctico tabular los cálculos de la manera que se ilustra a continuación.
PROBLEMA PRACTICO
Para secciones semicirculares o circulares el cálculo del radio hidráulico se complica, pero existen tablas con la que se proporcionan valores calculados del área hidráulica, perímetro mojado y radio hidráulico para diferentes relaciones del diámetro (D) el tirante del agua (d).
Puente canal de Magdeburgo El puente canal de Magdeburgo es el más grande en su clase en toda Europa, conectando dos importantes canales de Alemania. Esta obra de 918 m de longitud se comenzó a construir en 1997 y quedó completada en octubre de 2003, con un costo de aproximadamente 500 millones de euros. Aunque en 1919 se había planeado ya un puente que conectara los canales, su construcción fue pospuesta por ambas guerras mundiales y la separación de Alemania durante la guerra fría. Como dato adicional, cabe comentar como para hacer los cálculos de un puente como este no se toma en cuenta el peso que puedan llegar a tener los barcos, sino que solamente importa el peso del agua. Esto es debido al principio de Arquímedes: un barco siempre desplaza una cantidad de agua que pesa exactamente igual que el barco, por lo tanto si sobre el canal pasa un barco, el equivalente a su peso de agua es desalojado y ya no afecta al puente canal sino que es repartido por el resto del sistema fluvial. A continuación un breve corto sobre esta obra de ingeniería
GRACIAS POR SU COLABORACIÓN.
