Desarrollo Del Proyecto Puente Canal

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL

INDICE Proposición del problema

1

1. DESARROLLO DEL PROYECTO 1.1 Datos de proyecto 1.2 Diseño del canal trapecial 1.3 Carga de velocidad 1.4 Energía Específica 1.5 Diseño de la sección de la cubeta 1.6 Longitud de transición 1.7 Funcionamiento hidráulico 1.8 Conclusión 1.9 Sección definitiva de la Cubeta

3 3 3 6 6 6 7 8 12 13

2. CALCULO ESTRUCTURAL 2.1 Análisis estructural de la cubeta 2.2 Calculo de los esfuerzos cortantes y momentos positivos 2.3 Esfuerzos cortantes y momentos reales

14 16 19 21

3. DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA CUBETA 3.1 Revision de la sección transversal 3.2 Revision como viga apoyada longitudinalmente longitudinalmente 3.3 CONCLUSIONES

22 23 24

4. ARMADO FINAL DE LA SECCIÓN CENTRAL

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26

1

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL Proposición del problema Debido a las condiciones topográficas, topográficas, y estratigráficas del Distrito de riego Tepetitlan que aprovecha el cauce del río Jaltepec, perteneciente al distrito de riego 033, en el estado de México, el distrito se reporta con una una superficie de 17,738 hectáreas, hectáreas, se procede a realizar realizar el proyecto de puente canal ESCUTIA en el Km. 1+000 en uno de sus 3 canales, Enyege, también conocido como zanja Tepetitlán, en su cruce por un arroyo, debiendo llevar un gasto de 3.6 m3/seg.

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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 1. DESARROLLO DEL PROYECTO PUENTE CANAL 1.1 DATOS DEL PROYECTO

Para este caso la información estará en función de los datos proporcionados por el profesor para realizar los cálculos subsecuentes que serán los siguientes:  

Calculo hidráulico Calculo estructural

ALTERNATIVA No.12 Gasto (m3/s) Claro (m) Plantilla del canal (m) Pendiente *10-4

3.6 25 2.25 7.0

1.2 DISEÑO DEL CANAL TRAPECIAL Datos: Q= 3.6m3/seg

b= 2.25 m

S=0.0007

k=m=1.5



n=0.025

B.L=0.60 m

CALCULO TIRANTE NORMAL:

Se podrá determinar por tanteos igualando el factor hidráulico con el módulo de la sección partiendo de los datos conocidos:

 

En dónde; Q; gasto de demanda, en m3/seg. S; pendiente del canal A; área hidráulica de la sección (en este caso trapecial) en m2. R; radio hidráulico de la sección .n; rugosidad del canal (adimensional)

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3

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL O bien igualando las velocidades calculadas con la ecuación de Manning y por continuidad.

     

Se procederá con el cálculo del tirante normal, proponiendo tirantes, cuyo valor determinado haga que se cumpla la igualdad. Para ello se definirán las siguientes formulas:

Donde; A= área hidráulica del canal Y= tirante normal (m) .b= plantilla del canal (m) .m= talud del canal (m)

Donde; P= perímetro mojado (m) Y= tirante normal (m) .b= plantilla del canal (m) .m= talud del canal

Donde; R; radio hidráulico A= área hidráulica del canal P= perímetro mojado (m)

  

  


4


y

A

P

R

R^(2/3)

V1

V2

A*(R2/3)

Qn/s(1/2)

1.0000

3.7500

5.8556

0.6404

0.7430

0.7863

0.9600

2.7862

3.4017

1.1000 1.1100 1.1090

4.2900 4.3457 4.3401

6.2161 6.2522 6.2486

0.6901 0.6951 0.6946

0.7810 0.7847 0.7843

0.8265 0.8304 0.8300

0.8392 0.8284 0.8295

3.3503 3.4099 3.4039

3.4017 3.4017 3.4017

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 módulo de la sección con el factor hidráulico. Por tal manera el canal aguas arriba y aguas abajo quedara dimensionado de la siguiente manera:


5

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 1.3 CARGA DE VELOCIDAD La 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; aceleración de la gravedad en (m/s2)

            1.4 ENERGIA ESPECÍFICA Se calculara de la siguiente manera:

 

1.5 DISEÑO DE LA SECCION DE LA CUBETA Se calculara la plantilla (b) o ancho mínimo para una sección crítica rectangular, en la que el tirante crítico vale dos tercios de la energía específica:

       

Dónde: dc; tirante critico(m) E; energía especifica (m)


6


                Dónde: b; plantilla critica (m) Q; caudal (m3/s) dc; tirante critico(m) g; aceleración de la gravedad (m/s2) Calculada esta plantilla para la sección y efectuando el análisis hidráulico se vio que para valores menores de 2.0 m, se producía 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 TRANSICION Las transiciones tienen su justificación cuando al canal en su localización tenga que intercalársele alguna estructura que obliga a cambiar de sección, para logar un cambio de sección de manera gradual, logrando así reducir las pérdidas de carga. La Long. De transición se determinara mediante la siguiente formula, de acuerdo al criterio de HINDS

Dónde

Sustituyendo:

                         


7

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 1.7 FUNCIONAMIENTO HIDRAULICO Calculada la longitud de las transiciones, se diseña la estructura sobre la sección topográfica del cruce procurando que las transiciones queden firmes en el terreno natural, indicando también los claros con la posición de los apoyos

El puente canal funcionara correctamente sin producir remanso apreciable en el canal aguas arriba si la suma de las pérdidas de carga a lo largo de la estructura es igual a la carga disponible que será el desnivel de la plantilla entre los puntos de entrada y salida de la estructura El análisis hidráulico nos permitirá verificar si la sección propuesta y sus velocidades cumplen la condición 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 régimen permanente uniforme.


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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 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; pérdida de carga por transición de salida

              Sustituyendo tenemos:

…………………………..Ec.1

La manera en la que entraremos será por tanteos, proponiendo un tirante, cuya área hidráulica, perímetro mojado y radio hidráulico, mediante cálculos 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 correcto


9

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL BERNOULLI ENTRE 2 Y 3(EXTREMOS DE LA CUBETA)



………………….Ec.2

.y3; tirante de la cubeta en su sección 3, en metros. .hv3; carga de velocidad en la cubeta en su sección 3, en metros. .y2; tirante a la salida de la cubeta, en metros. .hf; pérdidas de fricción a lo largo de la cubeta Z3: desnivel existente entre la sección 2 y 3 (m)

                                                    Proponiendo:


10

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL LA VELOCIDAD ENTRE LOS EXTREMOS SERA LA MEDIA

               La perdida por fricción será:

         (  )           

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; pérdida de carga por transición de entrada

              


11

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL Sustituyendo tenemos:

 

La manera en la que entraremos será por tanteos, proponiendo un tirante, cuya área hidráulica, perímetro mojado y radio hidráulico, mediante cálculos sencillos nos ayuden a igualar la EC

                               

Proponiendo:

Sustituyendo en la Ec.:

Por lo tanto el tirante y4=1.002m se considera como correcto

1.8 CONCLUSION Puesto que el tirante normal en el canal es de 1.1090 y el calculado impuesto por las pérdidas es de 1.1659, se produce un pequeño remanso de 1.1659-1.1090= 0.0569 m que invade el bordo libre en un 9.48 % lo cual es aceptable.


12

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 1.9 .SECCION DEFINITIVA DEL PUENTE CANAL


13

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 2. CALCULO ESTRUCTURAL El diseño estructural consistirá como sabemos, en revisar si la sección propuesta según las dimensiones determinadas por el análisis hidráulico puede soportar los esfuerzos que le impondrán las cargas a las que estará sometida. 

Análisis de cargas

Propuesta la sección con las dimensiones y espesores indicados, se procede a revisarla:

Sección transversal Cargas que actúan sobre las paredes: 1.- Empuje del agua (considerando que el agua invade el bordo libre, como caso m ás desfavorable):

Dist en y=

          

Por lo tanto el momento queda de la siguiente manera:

 

2.- Empuje del viento (considerando la presión del viento = 244 kg/m2)

Dist en y=

       

Por lo tanto el momento queda de la siguiente manera:

   Benemerita Universidad Autonoma De Puebla Obras Hidraulicas II

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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL Cargas verticales: a) Peso propio de la sección:

                   

Por lo tanto:

b)

Peso del agua (considerando el conducto lleno)

                                                     

Cargas actuantes sobre la losa central:

Suponiendo la losa vacía y simplemente apoyada:

En el caso de la losa llena:


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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL Momentos en el centro del claro: 1). Combinación de viento y cubeta vacía:

     

2). Combinación de losa cargada más empuje hidrostático:

2.1 ANALISIS ESTRUCTURAL DE LA CUBETA

En el presente ejemplo considerando que la resistencia del terreno de fundación lo permite, se diseñara la estructura de la cubeta como una viga continua sobre dos apoyos y con los claros indicados Para determinar los momentos flexionantes se aplicara el método de Cross que proporciona precisión suficiente para este tipo de análisis SE ANALIZARA LA ESTRUCTURA CARGANDOLA CON UNA CARGA UNITARIA UNIFORMEMENTE REPARTIDA DE 1000 KG OBTENIENDOSE POSTERIORMENTE LOS MOMENTOS REALES POR PROPORCIONALIDAD CON LAS CARGAS REALES


16

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL METODO DE CROSS 

Aplicación del método de Cross al cálculo del marco rigido.

Sustituyendo:



                             

Factor de distribución:

MOMENTOS INICIALES DE EMPOTRAMIENTO

                                    


17

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL NUDO BARRA

A

C

D

BA

BC

CB

CD

0.6000

0.4

0.4

0.6

MOMENTO

-4882.8125

13020.8333

-13020.8333

4882.8125

DISTRIBUCION

-4882.8125

-3255.20833

3255.20833

4882.8125

1627.60417

-1627.60417

-651.041667

651.041667

325.520833

-325.520833

-130.208333

130.208333

65.1041667

-65.1041667

-26.0416667

26.0416667

13.0208333

-13.0208333

-5.20833333

5.20833333

2.60416667

-2.60416667

-1.04166667

1.04166667

0.52083333

-0.52083333

-0.20833333

0.20833333

0.10416667

-0.10416667

-0.04166667

0.04166667

0.02083333

-0.02083333

-0.00833333

0.00833333

0.00416667

-0.00416667

-0.00166667

0.00166667

0.00083333

-0.00083333

FD

AB

B

TRANS DISTRIBUCION

-976.5625

TRANS DISTRIBUCION

-195.3125

TRANS DISTRIBUCION

-39.0625

TRANS DISTRIBUCION

-7.8125

TRANS DISTRIBUCION

-1.5625

TRANS DISTRIBUCION

-0.3125

TRANS DISTRIBUCION

-0.0625

TRANS DISTRIBUCION

-0.0125

TRANS DISTRIBUCION

-0.0025

TRANS

DC

976.5625 195.3125 39.0625 7.8125 1.5625 0.3125 0.0625 0.0125 0.0025

DISTRIBUCION

-0.0005

-0.00033333

0.00033333

0.0005

TRANS

0.0000

0

0

0

FINAL

-10986.3280

10986.3280

-10986.3280

10986.3280


18

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 2.2 CALCULO DE LOS ESFUERZOS CORTANTES Y MOMENTOS POSITIVOS Para determinar los momentos en los sitios y secciones convenientes, analizaremos cada tramo como viga independiente en equilibrio

BARRA A-B

Cortante isostático:

                          Cortante hiperestático:

Punto de esfuerzo cortante nulo:


19

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL Momento positivo máximo

             BARRA B-C

Cortante isostático:

                  Cortante hiperestático:

Punto de esfuerzo cortante nulo:


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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL Momento positivo máximo

            

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 REALES

Serán los calculados mediante la carga unitaria multiplicados por el factor de carga 7.8084

RB=VBC+VBA=

                   

86929.4530 ESTA SERA LA CARGA QUE DEBEN SOPORTAR LOS APOYOS INTERMEDIOS PARA SU DISEÑO


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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 3 DISEÑO ESTRUCTURAL Se procede a continuación a revisar los espesores de la sección de concreto propuesta y a calcular las áreas de esfuerzos necesarias Para el análisis estructural de concreto reforzado se pueden aplicar varios métodos como el de diseño por esfuerzos de trabajo", el de "diseño por resistencia ultima" u otros derivados de estos criterios. Sea cual fuere el método de cálculo, el presente ejercicio se tomara como guía para el análisis de estructuras más complicadas Tratándose de una estructura sencilla y de las dimensiones como la del caso, se aplicara el método de esfuerzos de trabajo



Constantes de diseño

                                   

CON ESTRIBOS SIN ESTRIBOS


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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 3.1 REVISION DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL Las 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 especificación (0.15 % de la sección que se arma)

   Área cubierta con varillas de 3/8” @26 cts.


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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 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 ¼ ” por la parte inf erior del tramo central



Refuerzo negativo:

     

Se colocaran 4 varillas de 1 ¼ ” por la parte superior de os apoyos en dos capas, para dar espacio a los recubrimientos.


24

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 





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.


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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 3.3 CONCLUSIONES 1.- 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 máximos 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 diseño más acertado y a la economía de la estructura. 3. En el diseño se ha considerado que la súper estructura soporta las cargas por la acción de las paredes trabajando como vigas sin tomar en cuenta la participación de la losa del fondo de la cubeta. De hecho la estructura longitudinal de la cubeta proporciona en forma monolítica, la rigidez y resistencia trabajando como viga (U) Se puede determinar esa capacidad estimando el momento resistente de la sección en "U" que para un buen funcionamiento debe ser mayor que el momento flexionante máximo de la estructura No suele efectuarse este análisis ya que las dos vigas son suficientes para soportar la estructura.


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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CANAL 4. ARMADO FINAL DE LA SECCIÓN CENTRAL


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Desarrollo Del Proyecto Puente Canal

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