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 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 acuifero. Un puente acuífero difiere de un acueducto en que este último tiene como fin transportar agua, mientras mientras que el primero se utiliza utiliza para transportar el agua y también se puede utilizar como un medio para transportar los botes. En un puente canal El conducto puede ser cerrado o 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 puente-canal 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. 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.
Factibilidad de un puente canal Un puente canal no es factible cuando la rasante proyectada del canal resulte más baja que el nivel de agua del rió por cruzar.
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. 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. 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.
Partes geométricas de un puente canal Así como su nombre también lo representa, el puente canal o puente acuífero 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. 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. 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 hidráulica, se expresa como: Z = A. SQRT (D)
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. La perdida de carga en un puente-canal, es la pérdida de energía dinámica del fluido debido a la fricción de las partículas del fluido entre sí y contra las paredes del canal que las contiene. Pueden ser continuas, a lo largo de conductos regulares, o accidental o localizada, debido a circunstancias particulares, como un estrechamiento, un cambio de dirección, la presencia de una válvula, etc. Entre las transiciones que con mayor frecuencia se presentan en canales de montañas y se pueden mencionar las caídas y las rápidas.
Generalidades sobre este tipo de estructuras hidráulicas 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 puentecanal 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 la fórmula de Manning:
Dónde: 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 Atendiendo a las condiciones del funcionamiento del tipo de conducto podemos clasificar a los puentes canales en dos tipos: a) Puente canal o canoa o puente acuífero. b) Acueducto. 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. Los puentes canales pueden ser construidos de madera, de metal o de concreto.
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.
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.
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.
Tipos de juntas para los diferentes tipos de puentes canales
Cálculos hidráulicos de un puente canal. El cálculo hidráulico de un puente canal o canoa comprende los siguientes aspectos. 1. Calculo de las dimensiones transversales del conducto 2. Calculo de la longitud de las transiciones 3. Calculo de la sobreelevación del agua en el cauce (cuando el puente canal cruza un rio o arroyo). 4. Calculo de las pérdidas de carga.
Calculo hidráulico de la sección del conducto. El escurrimiento atraves 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 lo 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: 12 o-30’ a 22o30’ .
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. (IV -2)
Calculo de las pérdidas de carga. Las pérdidas de carga que se consideran para puentes canales o canoas son: a) 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. b) Perdida de carga por fricción. Se calcula con la formula derivada de la de Manning.
Cálculos estructurales e hidráulicos de un puente canal. El puente-canal se calcula para gasto y condiciones normales de trabajo. La sección resultante debe de tener un bordo libre apropiado, para permitir cierta fluctuación en el gasto. Si el claro es corto 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 canal en régimen tranquilo 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 azolves en la estructura, se puede colocar un desarenador a la entrada de la misma o bien darle mayor velocidad al agua. 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. Tales apoyos serán calculados como los caminos o ferrocarriles, 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. El puente-canal se calcula para gasto y condiciones normales de trabajo, la sección resultante debe de tener un libre bordo apropiado para permitir cierta fluctuación en el gasto, aunado a esto y en beneficio de la economía de la obra, al puente-canal se le dará una sección hidráulica más pequeña que la del canal. Este se diseña para las condiciones del flujo sub crítico (aunque también se puede diseñar para flujo supercrítico), por lo que el puente canal representa una singularidad en el perfil longitudinal del canal, que crea efectos hacia aguas arriba. Unidades Las unidades utilizadas para todos los análisis y diseños son las del Sistema Internacional y el MKS (Metro, Kilogramo, Segundo).
Resulta práctico tabular los cálculos de la manera que se ilustra a continuación. 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 .
A=bd P=b+2d
Para secciones semicirculares o circulares el cálculo del radio hidráulico se complica, pero existen tablas con la que se proporciona a continuación con valores calculados del área hidráulica, perímetro mojado y radio hidráulico para diferentes relaciones del diámetro (D) el tirante del agua (d).
