Diseño y Construcción de Alcantarillas Castillo, Frutos, Solano, Torres

Diseo Y construccin de alcantarillas

Universidad Tecnolgica de Chile Inacap rea de Construccin Construccin Civil

Diseo Y construccin de alcantarillas segn Manual de carreteras Volumen N3

Nombre: Cristian Castillo David Torres Elliot Frutos

Oscar Solano Docente: Juan Miguel Fernndez Teruel

Fecha: 09 de junio 2014


Introduccin Las alcantarillas segn el manual de carreteras se definen como una estructura de drenaje, cuya

luz mayor, medida paralela al eje de la carretera, sea de hasta 6 metros.

La alcantarilla debe ser capaz de soportar las cargas del trnsito en la carretera, el peso de la tierra

sobre ella, las cargas durante la construccin debe cumplir requisitos mnimos de tipo estructural.

Las alcantarillas se consideran como estructuras menores aqu se revisaran los aspectos generales

de diseo (antecedentes, estudios, materiales y formas entre otros)

Aqu se revisaran los factores que se deben tomar en cuenta para poder disear y construir

alcantarillas segn el manual de carreteras.


Objetivos Objetivos Objetivo General Conocer cmo se disean y construyen las alcantarillas segn el manual de carretera volumen N3 Objetivos Especficos. -Conocer los antecedentes de terrenos necesarios. -Conocer la Ubicacin, alineacin y pendiente de las alcantarillas. -Conocer Diseo Hidrulico. -Conocer Criterios de Instalacin. -Conocer Condiciones de servicio.


Drenaje Transversal de la Carretera Aspectos Generales Dentro de lo que denominamos drenaje transversal de la carretera, estn contenidas las alcantarillas, cuya funcin es proporcionar un medio para que el agua superficial que escurre por cauces naturales o artificiales de poca importancia, en forma permanente o eventual, pueda atravesar bajo la plataforma de la carretera sin causar daos a sta, riesgos al trfico o a la propiedad adyacente. Se entiende por alcantarilla una estructura de drenaje cuya luz mayor, medida paralela al eje de la carretera, sea de hasta 6 m. La alcantarilla debe ser capaz de soportar las cargas del trfico en la carretera, el peso de la tierra sobre ella, las cargas durante la construccin, etc., es decir, tambin debe cumplir requisitos de tipo estructural. Relativo a su tamao y su bajo costo, en proyectos de gran envergadura, las alcantarillas se vuelven un elemento considerable y de gran importancia, por lo que se debe tener mucho cuidado con los criterios de diseos que se utilizan.

Existen adems, diferentes programas computacionales que facilitan el diseo y elaboracin de las alcantarillas, de manera de lograr la perfeccin cercana, a las diferentes necesidades que cada proyecto posee.


Antecedentes del Terreno Hay que tener en cuenta diferentes elementos y estudios necesarios, antes de iniciar el diseo de una alcantarilla, dentro de los cuales tenemos:

Caractersticas Topogrficas del Lugar.

Mediante el uso de los perfiles transversales y longitudinales del proyecto, se definir el cause de las alcantarillas.

Estudio de la Hoya Hidrogrfica.

Dentro de la hoya hidrogrfica, consideramos toda la vegetacin, relieve y terreno adyacente, que contempla o que se encuentra dentro de los lmites del proyecto.

Caractersticas del Cauce.

Principalmente se evalan los diferentes elementos que podran influir en la durabilidad de la alcantarilla.

Datos de Crecidas.

Completamente nos referimos a datos hidrolgicos, que tienen relacin al volumen de agua desplazado en las diferentes pocas del ao.

Otras Estructuras Existentes.


Ubicacin, Alineacin y Pendiente de las Alcantarillas Aspectos Generales La alcantarilla debe ser capaz de soportar las cargas del trfico en la carretera, el peso de la tierra sobre ella, las cargas durante la construccin, etc., es decir, tambin debe cumplir requisitos de tipo estructural. En general, se obtendr la mejor ubicacin de una alcantarilla cuando sta se proyecta siguiendo la alineacin y pendiente del cauce natural, ya que existe un balance de factores, tales como, la pendiente de la alcantarilla, la velocidad del agua y su capacidad de transportar materiales en suspensin y arrastre de fondo. Cuando se cambia cualquiera de estos factores es necesario compensar con cambios en otro de ellos. Por ejemplo, si se acorta un canal largo, se aumenta la pendiente y como consecuencia, aumenta la velocidad. Un aumento en la velocidad tiene como efecto secundario problemas de erosin, que agrandan la seccin hasta que las prdidas por friccin compensan el aumento de pendiente y reducen la velocidad hasta lmites bajo aquellos que producen erosin. En un caso como el expuesto o en general para prevenir la erosin se puede revestir el cauce, o darle al canal una forma tal que reduzca la velocidad, debido al aumento de la rugosidad. Al alargar un canal corto ocurre la situacin contraria. Se produce una disminucin de la pendiente y como consecuencia disminuye la velocidad. Con esto, la capacidad para transportar materiales en suspensin se reduce y stos se depositan. Para estos casos es necesario tratar de mantener la velocidad original cambiando la forma del canal o disminuyendo la rugosidad.

En general, en la instalacin de alcantarillas, uno debe anticiparse a todas los posibles cambios. No es una opcin reducir los costos, siendo que se esta afectando ciertas caractersticas hidrulicas del diseo. Existe el caso en donde los costos inevitablemente son muy elevados, pero para poder reducirlos se debe estudiar el cambio de direccin y las pendiente naturales dentro de lo posible.


Reglas generales para instalacin de Alcantarillas

Ubicacin en planta

Desde el punto de vista econmico el remplazo de la ubicacin natural del cauce por otra normal o casi normal al eje del camino, implica la disminucin del largo del conducto, el acondicionamiento del cauce y la construccin adicional de un canal de entrada y/o de salida. Estos cambios deben ser diseados en forma cuidadosa para evitar una mala alineacin del canal natural y los problemas de erosin o de depsito de sedimentos, tanto en la alcantarilla como en el terrapln y propiedades vecinas. Como consideraciones generales conviene destacar los siguientes aspectos: - La corriente debe cruzar la carretera en la primera oportunidad, ya que se evita de esta manera posibles derrumbes y deslizamientos por llevar la corriente paralela al pie del terrapln y aguas arriba de l. - Si la oblicuidad del canal con respecto a la normal al eje de la carretera es pequea, conviene hacer la alcantarilla normal al eje y si es grande, conviene reducirla. No hay disminuciones importantes de costos cuando se reduce una oblicuidad moderada. Los lmites entre estos casos debern determinarse por comparacin de costos. A continuacin se muestran las distintas soluciones que podran darse en caso general, de un cauce con fuerte esviaje:


Perfil Longitudinal

La mayora de las alcantarillas se colocan siguiendo la pendiente natural del cauce, sin embargo, en ciertos casos puede resultar aconsejable alterar la situacin existente. Estas modificaciones de pendiente pueden usarse para disminuir la erosin en el o en los tubos de la alcantarilla, inducir el depsito de sedimentos, mejorar las condiciones hidrulicas, acortar las alcantarillas o reducir los requerimientos estructurales. Sin embargo, las alteraciones de la pendiente deben ser estudiadas en forma cuidadosa de tal modo de no producir efectos indeseables. En general, al cambiar la pendiente en cada uno de estos casos, debe tenerse especial cuidado que el terreno de fundacin de la alcantarilla no permita


asentamientos, debiendo ser terreno natural firme o relleno estructural debidamente compactado, en caso contrario las fuerzas de corte causadas por el asentamiento de terraplenes importantes, pueden causar el colapso total de la estructura.

A continuacin, se muestran perfiles longitudinales de alcantarillas ms usuales con sus respectivas estructuras especiales de salida o entrada:


Eleccin del Tipo de Alcantarilla

Para la eleccin del tipo de alcantarilla, consideraremos por separado diferentes elementos:

Forma y seccin:

Las formas usuales de alcantarillas son: circulares, de cajn y mltiples. En casos muy especiales puede resultar econmico el uso de arcos parablicos de grandes dimensiones, los que requerirn de un tratamiento especial que no se ha considerado en este manual. La alcantarilla circular es una de las ms usadas y resiste en forma satisfactoria, en la mayora de los casos, las cargas a que son sometidas. Existen distintos tipos de tubos circulares que se utilizan con este propsito. El dimetro para alcantarillas de caminos locales o de desarrollo deber ser al menos 0,8 m, o bien 1m si la longitud de la obra es mayor a 10 m. En las dems categoras de caminos y carreteras el dimetro mnimo ser de 1 m.

Las alcantarillas de cajn cuadradas o rectangulares pueden ser diseadas para evacuar grandes caudales y pueden acomodarse con cambios de altura, a distintas limitaciones que puedan existir, tales como alturas de terrapln o alturas permisibles de agua en la entrada. Como generalmente se construyen en el lugar deber tomarse en cuenta, el tiempo de construccin al compararlas con las circulares prefabricadas. En los cauces naturales que presentan caudales de diseo importante, si la rasante es baja respecto del fondo del cauce, se suelen ocupar alcantarillas mltiples. Sin embargo, cuando se ensancha un canal para acomodar una batera de alcantarillas mltiples, se tiende a producir depsito de sedimentos tanto en el canal como en la alcantarilla, situacin que deber tenerse presente. En las zonas de los valles transversales de las Regiones III y IV, cuyos cordones montaosos tienen escasa vegetacin, las tormentas intensas, producen un importante arrastre de slidos mezclados con vegetacin seca, los cuales tienden a obstruir las alcantarillas, en especial si estas disminuyen la velocidad del flujo en el cauce natural. Esta situacin es ms grave cuando la seccin de escurrimiento se divide, usando alcantarillas mltiples. En estos casos se recomienda seleccionar obras con la mayor seccin transversal libre, sin sub-divisiones, aun cuando la obra sea de costo mayor. Por igual motivo, conviene instalarlas con una


pendiente tal, que acelere el flujo, aun cuando ello obligue a revestir el cauce a la entrada y a la salida de la obra. La separacin de los tubos en instalaciones mltiples, medidas entre las superficies externas, deber ser igual a la mitad del dimetro del tubo con un mximo de 1 m y un mnimo de 0,4 m, a fin de facilitar la compactacin del material de relleno.

Materiales: Los materiales ms usados para las alcantarillas son el hormign (armado in situ o prefabricado) y el acero corrugado. En la eleccin del material de la alcantarilla se deben tomar en cuenta la durabilidad, resistencia, rugosidad, condiciones del terreno, resistencia a la corrosin, abrasin e impermeabilidad. No es posible dar reglas generales para la eleccin del material ya que depende del tipo de suelo, del agua y de la disponibilidad de los materiales en el lugar. Sin embargo, deber tenerse presente al menos lo siguiente:

a) Segn sea la categora de la carretera se deben considerar las siguientes vidas tiles:

- Autopistas, Autorrutas y Primarios > 50 aos - Colectores y Locales > 30 aos - Desarrollo > 10 aos

b) Si se trata de caminos pavimentados la alcantarilla debe asegurar una

impermeabilidad que evite la saturacin del terrapln adyacente, lo cual puede acarrear asentamientos del terrapln con el consecuente dao al pavimento.

c) Alcantarillas bajo terraplenes con altura superior a 5 m, debern construirse preferentemente de hormign armado, por la dificultad que conlleva el remplazo.

En definitiva el costo de las alcantarillas est altamente influenciado por la seleccin del material, forma y seccin de ellas. En la eleccin del tipo de alcantarillas se considerarn los siguientes factores:


a) Factores Fsicos y Estructurales

- Durabilidad - Altura disponible para la alcantarilla - Carga de tierra sobre ella - Condiciones de apoyo - Rigidez de la alcantarilla - Resistencia al impacto - Tipo de terreno existente

b) Factores Hidrulicos, tales como:

- Caudal de diseo - Forma, pendiente y rea de del cauce - Velocidad de aproximacin - Carga hidrulica total admisible - Arrastre de sedimentos - Condiciones de entrada y salida - Pendiente de la alcantarilla - Rugosidad del conducto - Longitud y tamao de la alcantarilla - Seccin transversal

c) Factores de Construccin y Mantenimiento:

- Accesibilidad del lugar - Disponibilidad de materiales

d) Costos de la Obra.


Diseo Hidrulico Caractersticas del Flujo y Variables de Diseo El rgimen hidrulico del escurrimiento en las alcantarillas es difcil de predecir, sin embargo, existen dos formas bsicas, segn la ubicacin de la seccin que controla hidrulicamente el flujo. Se trata del escurrimiento con control de entrada y aqul con control en la salida, teniendo cada uno de ellos un mtodo de clculo particular. Por medio de clculos hidrulicos se puede determinar el tipo probable de control de escurrimiento bajo el cual funcionar una alcantarilla para un conjunto de condiciones dadas. Sin embargo, pueden evitarse esos clculos determinando la profundidad del agua en Ia entrada para cada tipo de control; y luego adoptar el valor ms alto de dicha profundidad, el cual indicar el tipo de control determinante. Este mtodo para determinar el tipo de control es correcto, excepto para algunos casos, en los cuales la profundidad del agua en la entrada es aproximadamente la misma para muchos tipos de control. En este caso, no es importante la distincin. Un diseo adecuado requiere considerar las siguientes variables de diseo:

Gasto de Diseo

A partir de los derechos de agua que le corresponden a los canales de riego, teniendo presente en este ltimo caso que si el canal se emplaza en ladera, actuar como contrafoso durante las tormentas y el caudal puede aumentar, situacin que se deber considerar en el diseo.


Carga Hidrulica en la Entrada o Profundidad del Remanso: Corresponde a la profundidad del agua en la entrada, medida desde el punto ms bajo (umbral o radier de la alcantarilla). Esta obra, al limitar el paso libre del agua, causar un aumento de nivel hacia aguas arriba y en consecuencia puede ocasionar daos a la carretera o a las propiedades vecinas. Se limitar la carga hidrulica mxima con el fin de proteger la vida de los usuarios o vecinos, proteger la estabilidad del terrapln, no producir inundaciones a los terrenos adyacentes, proteger el curso de agua y las planicies adyacentes, no producir daos a la alcantarilla y a la va, no causar interrupciones al trfico y no sobrepasar los lmites de velocidad de agua recomendados en las alcantarillas y en el cauce a la salida. Dado que la velocidad en la zona del remanso es pequea, en los clculos hidrulicos se acostumbra a suponer que la altura de agua corresponde al nivel de energa total disponible. Consideraciones importantes de tener en cuenta en el diseo son el posible dao a la carretera y a las propiedades vecinas. Si las alturas de terrapln son bajas, la carga a la entrada puede inundar la carretera y causar problemas y demoras al trfico, lo que puede ser especialmente grave dependiendo del nivel de circulacin. Aun cuando, las grandes alturas de terrapln dan la posibilidad de crear un efecto de embalse temporal del agua, disminuyendo los caudales de crecida, estos diseos deben evitarse, considerando los efectos de una posible falla catastrfica del dique y el eventual bloqueo de la obra por arrastre de sedimentos o vegetacin, razn por la cual la carga mxima de diseo a la entrada se limita segn se indica a continuacin:


Altura de Agua a la Salida

Corresponde a la profundidad del agua medida desde el punto ms bajo de la alcantarilla en la seccin de salida. Queda determinada por el cauce hacia aguas abajo cuando existen obstrucciones que remansan el agua.

Velocidad en la Salida Esta velocidad es en general mayor que la velocidad de escurrimiento en el cauce natural y debe limitarse para evitar la socavacin y erosin del cauce hacia aguas abajo. Los valores mximos recomendados se indican a continuacin:


Forma de la Entrada y la Salida Influyen en las prdidas de energa que se producen en estas secciones.

Caractersticas del Tubo. Incluyen la rugosidad, el largo, la pendiente, la forma y el tamao del conducto. Las tres primeras a menudo determinan si la alcantarilla tendr escurrimiento con control en la entrada o en la salida.

Diseo de Entradas y Salidas. Generalmente se dan formas especiales a los extremos de las alcantarillas con el fin de reducir la erosin y el socavamiento, retener el relleno del terrapln, mejorar el aspecto y el comportamiento hidrulico y lograr la estabilidad de los extremos. La entrada debe guiar el flujo hacia la alcantarilla con el mnimo de contraccin posible y la salida debe restablecer las condiciones naturales del flujo hacia aguas abajo. La forma y oblicuidad de las entradas, adems de la geometra de las aristas, afectan la capacidad de descarga de las alcantarillas. La geometra de las aristas, tiene particular importancia cuando el escurrimiento es con control en la entrada. Aunque la forma de las salidas no influye considerablemente en el comportamiento hidrulico, generalmente se disean idnticas a la entrada. Las formas ms usadas de las aristas de las alcantarillas son:

a) Aristas Vivas.

b) Aristas Redondeadas. En que se redondean los bordes de modo que el flujo entre en forma gradual. Esta modificacin es econmica, disminuye la contraccin del flujo a la entrada, y aumenta la capacidad de la alcantarilla, reduciendo el nivel del remanso a la entrada.

c) Aristas Biseladas o Abocinadas. Los bordes se cortan en un ngulo determinado, para producir un efecto similar al de las aristas redondeadas, lo cual tiene ventajas constructivas.


d) Aristas Ranuradas. Corresponden a la primera onda del anillo corrugado de una caera de metal corrugado o al enchufe que tienen los conductos de hormign en uno de los extremos. Cuando se colocan a la entrada en

las alcantarillas pequeas, producen un efecto similar al de las aristas redondeadas.

Otros elementos que se usan en combinacin con las aristas mencionadas anteriormente, en los extremos de las alcantarillas, son los siguientes:

e) Conducto con Extremos Alabeados. Esta forma de terminar las alcantarillas se produce formando en cada lado una pared que parte desde la seccin del tubo y va alabendose hasta tomar la forma del cauce natural. Aun cuando este tipo de transicin mejora las condiciones de escurrimiento, este tipo de entrada es ms costoso y difcil de construir.

f) Muros de Cabecera y Muros de Ala. Los primeros parten desde el dintel de la alcantarilla ya sea inclinados con el ngulo de la pendiente del terrapln o verticales. Los verticales son ms eficientes desde el punto de vista de su funcionamiento hidrulico.

Los muros de ala parten de los lados de la boca de la alcantarilla formando un ngulo determinado con el eje del conducto, y ayudan a guiar el flujo hacia la alcantarilla. Tanto los muros de ala como los de cabecera son generalmente de hormign y se agregan no slo porque mejoran la eficiencia hidrulica sino adems, porque retienen el material e impiden la erosin del terrapln, dan estabilidad estructural a los extremos de la alcantarilla al actuar como contrapeso para una posible fuerza de empuje hacia arriba cuando la alcantarilla est sumergida, colaborando a evitar la cavitacin. Este fenmeno ocurre como resultado de aumentos de velocidades locales, que reducen la presin hasta la presin de vapor del agua. Se forman as burbujas que son arrastradas a zonas de presin ms alta donde colapsan bruscamente. As, se somete al material del conducto a golpes de presin que pueden ocasionar su falla. Cuando el acarreo de slidos flotantes y detritos por parte de la corriente es considerable y puede obstruir la entrada, es indispensable mantener o acelerar la velocidad de aproximacin para transportar dichas materias a travs de la alcantarilla. Bajo estas condiciones adquiere gran importancia el ajuste de la entrada o la forma del canal de llegada y las transiciones alabeadas.


Alcantarillas Con Control de Entrada. El control de entrada, significa que la capacidad de una alcantarilla, est determinada en su entrada, por la profundidad de remanso (He) y por la geometra de la embocadura, que incluye la forma y rea de la seccin transversal del conducto, y el tipo de aristas de aquella. Esquemas:


Con control de entrada, la rugosidad, el largo del conducto y las condiciones de la salida (incluyendo la profundidad del agua inmediatamente aguas abajo) no son factores determinantes de la capacidad de la alcantarilla. Un aumento de la pendiente del conducto, reduce la profundidad del remanso de entrada en una cantidad nfima de manera que cualquier correccin por pendiente, puede despreciarse en las alcantarillas usuales, escurriendo bajo control de entrada. La profundidad del remanso es la distancia vertical desde el umbral de la alcantarilla, en la entrada, hasta la lnea de energa total de esa seccin (profundidad + altura de velocidad). Debido a las pequeas velocidades de la corriente en los remansos y a la dificultad en determinar la altura de velocidad para todos los escurrimientos, se admite que el nivel de agua y la lnea de energa total coinciden, lo que significa que las profundidades del remanso obtenidos de los grficos de este manual, puedan ser mayores que las que se presentan en los casos prcticos, lo que da una mayor seguridad a la obra.

Alcantarillas con Control de Salida. El escurrimiento en alcantarillas con control de salida puede presentarse con conducto lleno o parcialmente lleno, ya sea en una zona o en toda la longitud de la alcantarilla. S cualquier seccin transversal escurre llena, se dice que el escurrimiento es a seccin llena. A continuacin se muestra un esquema con alcantarillas:


Procedimiento para la Seleccin del Tamao de una Alcantarilla. A continuacin se resume el procedimiento detallado para el clculo de las dimensiones de una alcantarilla.

a) Ordenar todos los datos de diseo: caudal (m3/s), longitud de la alcantarilla (m), pendiente de la alcantarilla, profundidad admisible en el remanso de entrada (m). velocidades mximas y medias de la corriente en el cauce natural y eleccin tentativa del tipo de alcantarilla, material, forma del conducto y tipo de entrada.

b) Determinar en primera aproximacin las dimensiones del conducto, suponiendo, por ejemplo, una velocidad en el conducto. Si resulta un ancho excesivo, debido a la limitacin de altura que impone el terrapln puede pensarse en una alcantarilla mltiple.

c) Determinar la profundidad del remanso de entrada suponiendo escurrimiento con control de entrada. Si esta profundidad resulta mayor que la admisible debe ensayarse una nueva dimensin tentativa.

d) Suponer escurrimiento con control de salida y determinar la profundidad en el remanso de entrada. Inicialmente debe determinarse la profundidad de la corriente en la salida y seguir el procedimiento que corresponda segn sea una situacin de salida sumergida o no sumergida.

e) Comparar las profundidades en el remanso de entrada con escurrimientos con control en la entrada y en la salida. El valor determinante es el mayor de ambos, e indica cual es el tipo de control que rige para las dimensiones elegidas, en las condiciones del problema.

f) Si el valor determinante es mayor que el admisible y hay control de salida, elegir una dimensin mayor y repetir el clculo para control de salida.

g) Repetir el procedimiento hasta contar con un tamao adecuado.

h) Calcular la velocidad de salida y verificar que su valor sea menor que los mximos admisibles.

i) Anotar las caractersticas de la alcantarilla finalmente elegida. incluyendo tipo, tamao, profundidad del remanso en la entrada y velocidad de salida.


Conclusin Para el diseo y construccin de alcantarillas se deben tomar en cuenta varios factores como la topografa del terreno, otros de diseo, el disear deber tomar la mejor decisin en base a los antecedentes obtenidos previamente en terreno, por eso siempre el diseo y su construccin debe seguir los criterios de diseo para evitar inconvenientes a la hora de construir..

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