DISEO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL
DISEO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL
INDICE Proposicin del problema 11. DESARROLLO DEL PROYECTO 31.1 Datos de proyecto31.2 Diseo del canal trapecial31.3 Carga de velocidad61.4 Energa Especfica 61.5 Diseo de la seccin de la cubeta61.6 Longitud de transicin71.7 Funcionamiento hidrulico 81.8 Conclusin 121.9 Seccin definitiva de la Cubeta 13
2. CALCULO ESTRUCTURAL142.1 Anlisis estructural de la cubeta162.2 Calculo de los esfuerzos cortantes y momentos positivos192.3 Esfuerzos cortantes y momentos reales21
3. DISEO ESTRUCTURAL DE LA CUBETA22 3.1 Revision de la seccin transversal23 3.2 Revision como viga apoyada longitudinalmente24 3.3 CONCLUSIONES 26 4. ARMADO FINAL DE LA SECCIN CENTRAL 27
Proposicin del problemaDebido a las condiciones topogrficas, y estratigrficas del Distrito de riego Tepetitlan que aprovecha el cauce del ro Jaltepec, perteneciente al distrito de riego 033, en el estado de Mxico, el distrito se reporta con una superficie de 17,738 hectreas, se procede a realizar el proyecto de puente canal ESCUTIA en el Km. 1+000 en uno de sus 3 canales, Enyege, tambin conocido como zanja Tepetitln, en su cruce por un arroyo, debiendo llevar un gasto de 3.6 m3/seg.
1. DESARROLLO DEL PROYECTO PUENTE CANAL1.1 DATOS DEL PROYECTOPara este caso la informacin estar en funcin de los datos proporcionados por el profesor para realizar los clculos subsecuentes que sern los siguientes: Calculo hidrulico Calculo estructuralALTERNATIVA No.12Gasto (m3/s)3.6
Claro (m)25
Plantilla del canal (m)2.25
Pendiente *10-4 7.0
1.2 DISEO DEL CANAL TRAPECIALDatos:Q= 3.6m3/segb= 2.25 m S=0.0007k=m=1.5n=0.025B.L=0.60 m CALCULO TIRANTE NORMAL:Se podr determinar por tanteos igualando el factor hidrulico con el mdulo de la seccin partiendo de los datos conocidos:
En dnde;Q; gasto de demanda, en m3/seg.S; pendiente del canalA; rea hidrulica de la seccin (en este caso trapecial) en m2.R; radio hidrulico de la seccin .n; rugosidad del canal (adimensional)
O bien igualando las velocidades calculadas con la ecuacin de Manning y por continuidad.
Se proceder con el clculo del tirante normal, proponiendo tirantes, cuyo valor determinado haga que se cumpla la igualdad.Para ello se definirn las siguientes formulas:
Donde;A= rea hidrulica del canalY= tirante normal (m).b= plantilla del canal (m).m= talud del canal (m)
Donde;P= permetro mojado (m)Y= tirante normal (m).b= plantilla del canal (m).m= talud del canal
Donde;R; radio hidrulicoA= rea hidrulica del canalP= permetro mojado (m)
yAPRR^(2/3)V1V2A*(R2/3)Qn/s(1/2)
1.00003.75005.85560.64040.74300.78630.96002.78623.4017
1.10004.29006.21610.69010.78100.82650.83923.35033.4017
1.11004.34576.25220.69510.78470.83040.82843.40993.4017
1.10904.34016.24860.69460.78430.83000.82953.40393.4017
Se puede determinar por la tabla anterior que el tirante normal Yn= 1.9010 m, cumple tanto la igualdad de las velocidades, como la del mdulo de la seccin con el factor hidrulico. Por tal manera el canal aguas arriba y aguas abajo quedara dimensionado de la siguiente manera:
1.3 CARGA DE VELOCIDADLa carga de velocidad se determinara de acuerdo a la siguiente formula:
Donde; Hv; carga de velocidad (m)V=velocidad determinada en el cuadro anterior.g; aceleracin de la gravedad en (m/s2)
1.4 ENERGIA ESPECFICASe calculara de la siguiente manera:
1.5 DISEO DE LA SECCION DE LA CUBETA Se calculara la plantilla (b) o ancho mnimo para una seccin crtica rectangular, en la que el tirante crtico vale dos tercios de la energa especfica:
Dnde:dc; tirante critico(m)E; energa especifica (m)
Dnde:b; plantilla critica (m)Q; caudal (m3/s)dc; tirante critico(m)g; aceleracin de la gravedad (m/s2)
Calculada esta plantilla para la seccin y efectuando el anlisis hidrulico se vio que para valores menores de 2.0 m, se produca un remanso inadmisible a la entrada de la estructura, por lo que se adopta esta valor como definitivo de la estructura.1.6 LONGITUD DE TRANSICIONLas transiciones tienen su justificacin cuando al canal en su localizacin tenga que intercalrsele alguna estructura que obliga a cambiar de seccin, para logar un cambio de seccin de manera gradual, logrando as reducir las prdidas de carga.La Long. De transicin se determinara mediante la siguiente formula, de acuerdo al criterio de HINDS
Dnde
Sustituyendo:
1.7 FUNCIONAMIENTO HIDRAULICO
Calculada la longitud de las transiciones, se disea la estructura sobre la seccin topogrfica del cruce procurando que las transiciones queden firmes en el terreno natural, indicando tambin los claros con la posicin de los apoyos
El puente canal funcionara correctamente sin producir remanso apreciable en el canal aguas arriba si la suma de las prdidas de carga a lo largo de la estructura es igual a la carga disponible que ser el desnivel de la plantilla entre los puntos de entrada y salida de la estructura
El anlisis hidrulico nos permitir verificar si la seccin propuesta y sus velocidades cumplen la condicin anterior o en su caso modificarla para abatir las perdidas.
Las profundidades del agua se determinan mediante el teorema de Bernoulli aplicando entre cada par de secciones convenientes de la estructura partiendo de la salida ya que el flujo es a rgimen permanente uniforme.
BERNOULLI ENTRE 1 Y 2 (TRANSICION DE SALIDA)
.z2; desnivel entre los puntos 1 y 2, en metros..y1; tirante normal del canal, en metros..hv1; carga de velocidad en el canal, en metros..y2; tirante a la salida de la cubeta, en metros..hv2; carga de velocidad a la salida de la cubeta, en metros..hts; prdida de carga por transicin de salida
Sustituyendo tenemos: ..Ec.1La manera en la que entraremos ser por tanteos, proponiendo un tirante, cuya rea hidrulica, permetro mojado y radio hidrulico, mediante clculos sencillos nos ayuden a igualar la EC.1
Proponiendo:
Sustituyendo en la Ec.1:
Por lo tanto el tirante y2=1.002m se considera como correctoBERNOULLI ENTRE 2 Y 3(EXTREMOS DE LA CUBETA)
.Ec.2.y3; tirante de la cubeta en su seccin 3, en metros..hv3; carga de velocidad en la cubeta en su seccin 3, en metros..y2; tirante a la salida de la cubeta, en metros..hf; prdidas de friccin a lo largo de la cubetaZ3: desnivel existente entre la seccin 2 y 3 (m)
Proponiendo:
LA VELOCIDAD ENTRE LOS EXTREMOS SERA LA MEDIA
La perdida por friccin ser:
Sustituyendo en la Ec.2:
Por lo tanto el tirante y 3= 1.0318m se considera como correcto
BERNOULLI ENTRE 3 Y 4 (CUBETA Y TRANSICION)
.z4; desnivel entre los puntos 3 y 4, en metros..y4; tirante normal del canal, en metros..hv4; carga de velocidad en el canal, en metros..y3; tirante a la salida de la cubeta, en metros..hv3; carga de velocidad a la salida de la cubeta, en metros..hte; prdida de carga por transicin de entrada
Sustituyendo tenemos:
La manera en la que entraremos ser por tanteos, proponiendo un tirante, cuya rea hidrulica, permetro mojado y radio hidrulico, mediante clculos sencillos nos ayuden a igualar la ECProponiendo:
Sustituyendo en la Ec.:
Por lo tanto el tirante y4=1.002m se considera como correcto
1.8 CONCLUSIONPuesto que el tirante normal en el canal es de 1.1090 y el calculado impuesto por las prdidas es de 1.1659, se produce un pequeo remanso de 1.1659-1.1090= 0.0569 m que invade el bordo libre en un 9.48 % lo cual es aceptable.
1.9 .SECCION DEFINITIVA DEL PUENTE CANAL
2. CALCULO ESTRUCTURALEl diseo estructural consistir como sabemos, en revisar si la seccin propuesta segn las dimensiones determinadas por el anlisis hidrulico puede soportar los esfuerzos que le impondrn las cargas a las que estar sometida. Anlisis de cargasPropuesta la seccin con las dimensiones y espesores indicados, se procede a revisarla:
Seccin transversalCargas que actan sobre las paredes:1.- Empuje del agua (considerando que el agua invade el bordo libre, como caso ms desfavorable):
Dist en y=
Por lo tanto el momento queda de la siguiente manera:
2.- Empuje del viento (considerando la presin del viento = 244 kg/m2)
Dist en y=
Por lo tanto el momento queda de la siguiente manera:
Cargas verticales:a) Peso propio de la seccin:
Por lo tanto:
b) Peso del agua (considerando el conducto lleno)
Cargas actuantes sobre la losa central:
Suponiendo la losa vaca y simplemente apoyada:
En el caso de la losa llena:
Momentos en el centro del claro:1). Combinacin de viento y cubeta vaca:
2). Combinacin de losa cargada ms empuje hidrosttico:
2.1 ANALISIS ESTRUCTURAL DE LA CUBETAEn el presente ejemplo considerando que la resistencia del terreno de fundacin lo permite, se diseara la estructura de la cubeta como una viga continua sobre dos apoyos y con los claros indicadosPara determinar los momentos flexionantes se aplicara el mtodo de Cross que proporciona precisin suficiente para este tipo de anlisisSE ANALIZARA LA ESTRUCTURA CARGANDOLA CON UNA CARGA UNITARIA UNIFORMEMENTE REPARTIDA DE 1000 KG OBTENIENDOSE POSTERIORMENTE LOS MOMENTOS REALES POR PROPORCIONALIDAD CON LAS CARGAS REALES
METODO DE CROSS Aplicacin del mtodo de Cross al clculo del marco rigido.
Sustituyendo:
Factor de distribucin:
MOMENTOS INICIALES DE EMPOTRAMIENTO
NUDOABCD
BARRAABBABCCBCDDC
FD0.60000.40.40.6
MOMENTO-4882.812513020.8333-13020.83334882.8125
DISTRIBUCION-4882.8125-3255.208333255.208334882.8125
TRANS1627.60417-1627.60417
DISTRIBUCION-976.5625-651.041667651.041667976.5625
TRANS325.520833-325.520833
DISTRIBUCION-195.3125-130.208333130.208333195.3125
TRANS65.1041667-65.1041667
DISTRIBUCION-39.0625-26.041666726.041666739.0625
TRANS13.0208333-13.0208333
DISTRIBUCION-7.8125-5.208333335.208333337.8125
TRANS2.60416667-2.60416667
DISTRIBUCION-1.5625-1.041666671.041666671.5625
TRANS0.52083333-0.52083333
DISTRIBUCION-0.3125-0.208333330.208333330.3125
TRANS0.10416667-0.10416667
DISTRIBUCION-0.0625-0.041666670.041666670.0625
TRANS0.02083333-0.02083333
DISTRIBUCION-0.0125-0.008333330.008333330.0125
TRANS0.00416667-0.00416667
DISTRIBUCION-0.0025-0.001666670.001666670.0025
TRANS0.00083333-0.00083333
DISTRIBUCION-0.0005-0.000333330.000333330.0005
TRANS0.0000000
FINAL-10986.328010986.3280-10986.328010986.3280
2.2 CALCULO DE LOS ESFUERZOS CORTANTES Y MOMENTOS POSITIVOSPara determinar los momentos en los sitios y secciones convenientes, analizaremos cada tramo como viga independiente en equilibrioBARRA A-B
Cortante isosttico:
Cortante hiperesttico:
Punto de esfuerzo cortante nulo:
Momento positivo mximo
BARRA B-C
Cortante isosttico:
Cortante hiperesttico:
Punto de esfuerzo cortante nulo:
Momento positivo mximo
CONOCIDOS LOS EFECTOS DE LA CARGA UNITARIA, CON LA CARGA REAL DE 7808.4 (PESO DEL CONDUCTO LLENO) SE PROCEDE A CALCULAR EL FACTOR DE CARGA PARA DETERMINAR LOS ESFUERZOS CORTANTES Y MOMENTOS REALES
2.3 ESFUERZOS CORTANTES Y MOMENTOS REALESSern los calculados mediante la carga unitaria multiplicados por el factor de carga 7.8084
RB=VBC+VBA=86929.4530ESTA SERA LA CARGA QUE DEBEN SOPORTAR LOS APOYOS INTERMEDIOS PARA SU DISEO
3 DISEO ESTRUCTURALSe procede a continuacin a revisar los espesores de la seccin de concreto propuesta y a calcular las reas de esfuerzos necesariasPara el anlisis estructural de concreto reforzado se pueden aplicar varios mtodos como el de diseo por esfuerzos de trabajo", el de "diseo por resistencia ultima" u otros derivados de estos criterios.Sea cual fuere el mtodo de clculo, el presente ejercicio se tomara como gua para el anlisis de estructuras ms complicadasTratndose de una estructura sencilla y de las dimensiones como la del caso, se aplicara el mtodo de esfuerzos de trabajo
Constantes de diseo
CON ESTRIBOS SIN ESTRIBOS
3.1 REVISION DE LA SECCIN TRANSVERSALLas condiciones de carga son:1.-Empuje del agua
2.- Empuje del viento
Por los valores anteriores, se puede determinar que el empuje del agua es el que domina:
Peralte por momento
Peralte por esfuerzo cortante
Area de refuerzo:
REFUERZO QUE SE COLOCARIA COMO EN UN CANTILIVER POR LA PARTE INTERIOR Y QUE SERA CUBIERTO POR LOS ARMADOS DE LAS VIGAS LONGITUDINALES Refuerzo por temperatura:En sentido longitudinal paralelo a las vigas que se da por especificacin (0.15 % de la seccin que se arma)
rea cubierta con varillas de 3/8 @26 cts. 3.2 REVISION COMO VIGA APOYADA LONGITUDINALMENTE
LAS PAREDES DE LA CUBETA SE HARAN FUNCIONAR COMO VIGAS Y LOS ESFUERZOS CORTANTES Y MOMENTOS POR VIGA SERAN:
Peralte por momento: Peralte por esfuerzo cortante:
Refuerzo positivo:
Se colocaran 4 varillas de 1 por la parte inferior del tramo central Refuerzo negativo:
Se colocaran 4 varillas de 1 por la parte superior de os apoyos en dos capas, para dar espacio a los recubrimientos.
Revision por adherencia:
Fatiga real por adherencia:
Estribos:Se tomara todo el esfuerzo cortante con estribos
Usando estribos de dos ramas de 3/8"
Separados a:
Se colocaran estribos de 3/8 a cada 12 cms.
3.3 CONCLUSIONES1.- Para el armado final se debe tener presente que al colocar el doble de cada de varillas para el armado de las vigas, el peralte efectivo se reduce aumentando el esfuerzo necesario, por lo que al final se recomienda armar con 5 varillas tanto para el refuerzo positivo como el negativo.2.- Solo se ha analizado el caso desfavorable, el claro central con los valores mximos de esfuerzos, cortantes y momentos. Es conveniente revisar en la misma forma los armados de los claros extremos que pueden ser sensiblemente menores contribuyendo notablemente a un diseo ms acertado y a la economa de la estructura.3. En el diseo se ha considerado que la sper estructura soporta las cargas por la accin de las paredes trabajando como vigas sin tomar en cuenta la participacin de la losa del fondo de la cubeta. De hecho la estructura longitudinal de la cubeta proporciona en forma monoltica, la rigidez y resistencia trabajando como viga (U)Se puede determinar esa capacidad estimando el momento resistente de la seccin en "U" que para un buen funcionamiento debe ser mayor que el momento flexionante mximo de la estructuraNo suele efectuarse este anlisis ya que las dos vigas son suficientes para soportar la estructura.
4. ARMADO FINAL DE LA SECCIN CENTRAL
Benemerita Universidad Autonoma De PueblaObras Hidraulicas II27
