Diseño de Alcantarilla

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PREDIMENSIÓN DE ALCANTARILLA

1. Introducción: El presente trabajo consiste en el predimensionado de una alcantarilla ubicada en el Barrio Limache (uno de los más grandes de la zona y por lo tanto de mayor cantidad de habitantes), zona Sur de la Ciudad de Salta-Capital, más precisamente sobre la intersección de la calle Dr. Farat Cire Salim y Ruta Provincial Nº 21 (camino a San Agustín). Ya que el punto de emplazamiento sería una de las primeras entradas al Barrio Limache, una alcantarilla proporcionaría mayor seguridad y agilidad a la circulación de los distintos vehículos que entran y salen a diario. También se evitaría de esta manera cortes en épocas de lluvia, por el paso del agua a través del canal lateral a la ruta Nº 21. El plan de trabajo adoptado, tuvo una duración de tres semanas, donde en la primera se recabaron distintos datos e información, por ejemplo: visita a la zona en cuestión, recopilación de datos hidrológicos, relevamiento de alcantarilla cercana, levantamiento de datos topográficos, recopilación de cartillas, libros, planos, fotos, etc. La segunda semana de trabajo se abocó en el cálculo del caudal de diseño, con el ordenamiento de todos los datos hidrológicos, o no, encontrados para dicho fin (división de la cuenca, trazado de perfiles topográficos, cálculo de la sección del canal adyacente a la ruta, croquis de ubicación, etc.). Y por último en la tercera semana se predimensionó a la alcantarilla, de acuerdo a su comportamiento hidráulico y según del nivel de agua de diseño que se obtuvo.

2. Concepto de Alcantarilla: Se denomina alcantarilla, a una estructura de desagüe, de una o varias luces que no exceden de 5 m cada una. Las alcantarillas de pueden construir de Hormigón Simple o Armado y de chapa de hierro ondulado. También se construyen in-situ, en forma de bóveda, cajón o de múltiples luces, simplemente apoyadas o aporticadas.

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3. Primera Etapa: Relevamiento y recolección de datos del lugar donde se proyectará la Obra. 3.1 Croquis de Ubicación: Realizado en la primera visita al lugar, mediante el uso de cintas y ruletas. Tomando medidas a calles que convergen en la entrada y al canal adyacente.

Anexo Planos, Página Nº 13 y 14, Lámina Nº 01 y 02.

4. Predimensión: Datos de Diseño 4.1 Caudal de diseño Q, en m3/seg, con su intervalo de recurrencia medio. Las Obras para control de las aguas superficiales deben eliminar con seguridad los máximos caudales a que puedan estar sometidas con relativa frecuencia. Dicho caudal que llamaremos, caudal de diseño, depende entre otros factores de la precipitación caída y de las características de la cuenca. La determinación de estos derrames o caudales máximos juegan un papel importante en el correcto diseño de una estructura de desagüe. En primer lugar se debe fijar la frecuencia con que se admitirá que la estructura esté sujeta a derrames superiores a los previstos para su Dimensionamiento. En general esta es una cuestión económica, comparando costos, pero en la técnica vial corriente, las estructuras pequeñas (como en nuestro caso) se diseñan para crecientes cuya frecuencia es de 5 a 10 años. El método de cálculo usado para este predimensionado es el Método Racional. Q=

C × A×I 360

donde: C: coeficiente de escorrentía HOJA Nº 2/14

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A: superficie de la cuenca, (ha) I: intensidad de lluvia, constante y distribuida uniformemente en la cuenca, (mm/hs) Este Método es solo válido para cuencas cuya superficie sea menor a 2 km2. La superficie o cuenca de aporte para el proyecto aproximadamente es de 0.148 km2, cumpliendo entonces con dicho requisito. Disponiendo de un plano de curvas de nivel (facilitado por la Municipalidad de Salta), es sencillo delimitar las cuencas y establecer su área, forma, pendiente media y longitud y por último determinar cual será nuestra cuenca de aporte. En el plano se marcaron el talweg (línea de puntos bajos) que es la trayectoria de las aguas y la línea de cresta (puntos altos) para delimitar las cuencas contiguas. El cálculo del área de aporte, sobre la sección de control de la sub-cuenca (adoptada sobre el punto de emplazamiento de la alcantarilla) será el delimitado por las divisiones de aguas en la zona de influencia obteniendo así una superficie aproximada más o menos real. En segundo lugar el coeficiente de escorrentía de la superficie de esta cuenca se obtiene de tabla, teniendo como dato las características del suelo en la sub-cuenca.

Anexo Planos, Página Nº 15, Lámina Nº 03. La tabla es la aportada por la cátedra de Hidráulica General de la Universidad Nacional de Salta, donde para el tipo de superficie, de Barrios con pocas casas el coeficiente es de 0.5.

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Tabla Nº1

Finalmente la intensidad de lluvia de diseño se determina a partir del gráfico adjunto en Anexo Tablas, Tabla Nº1. Teniendo como datos de entrada la Recurrencia de la máxima venida igual a R = 10 años y un tiempo de concentración calculado según la siguiente fórmula empírica dada en la cartilla de la Dirección Nacional de Vialidad –Determinación del Derrame máximo superficial de las Cuencas Imbríferas. L' m tc = C × n = 24min. H donde: tc: tiempo de concentración en min. C: constante. C = 54.8 + 3.67 × [(L-1)/(L+3.2)]² = 54.81 m: constante. m = 1.165 - 0.21 × [ L² /( L² + 7)] = 1.146 L: longitud del cauce principal en km. L = 0,820 km. n: constante. n = 0.30 L’: Longitud virtual del cauce principal en km. L’ = K×L = 0.656km. K: Rugosidad Relativa, tiene en cuenta la rugosidad de Manning. Según Tabla Nº 2, Anexo Tablas. K= 0,80. H: Desnivel virtual en m. Según Lámina 15, página Nº 03. H= 1185.919-1182.968m = H = 2.95m. i = 75 mm/hs. Entonces el cuadal de diseño es de:

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C × A × I 0.5 × 14.61 × 75 m3 Q= = = 1.52 360 360 seg Longitud aproximada de la alcantarilla: La longitud aproximada de la alcantarilla se obtuvo teniendo en cuenta el ancho de calle que empalma a la Ruta Nº 21 (Dr. Farat Cire Salim), manteniéndola a 10.1m y sumándole 2 m de vereda para el cruce peatonal y mayor seguridad. Por lo que: L =14.10m Pendiente de la alcantarilla: La pendiente de la alcantarilla se la consideró igual a la pendiente natural del cauce de la cuneta de la ruta, o sea: i =3%o , que es la mínima necesaria para el escurrimiento del agua, dado que a través de los datos tomados por el levantamiento altimétrico no se pudo obtener una pendiente longitudinal clara de la cuneta. Perfil Longitudinal y Transversales: Anexo planos, Pagina Nº 16, 17, 18 Lámina Nº 04, 05, 06, respectivamente.

5. Relevamiento de Alcantarilla Existente: Se tomaron datos de la alcantarilla ubicada en la intersección de la calle Cabo 1ro. J. Cisterna y Ruta Provincial Nro. 21.

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0,27m. 0,80m. 2,00m.

Figura Nº 1.

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6. Diseño Hidráulico: 6.1 Profundidad admisible del remanso de entrada, m, que es la distancia vertical entre el umbral de entrada, y el nivel permisible de la superficie libre, de dicho remanso o de la corriente en el cauce de entrada. La profundidad admisible, He, para la situación presentada en nuestro proyecto será de 0.85 m, para tener en cuenta la profundidad máxima a la que el agua podrá llegar al tener en una lluvia de diseño, no sobrepasando el nivel de la rasante. Entonces: He =0.85 m Vista en corte de la alcantarilla de emplazamiento, Anexo Planos, Página Nº 19, Lámina Nº 07. 6.2 Velocidades medias y máximas de la corriente en el cauce natural. Estas se obtienen de tablas suministradas por la Cátedra de Hidráulica General para las siguientes características del cauce. Velocidad Máxima: Tierra Vegetal Compacta: para R < 0.50m  Vmáx =0.85 m/seg. Velocidad Media: V med =

Q 1.52 m m = = 0.39 A 3.9179 seg seg

Donde: A: área de la sección, aguas abajo, del cauce de la cuneta. Determina según figura fotográfica y escala:

Figura Nº 2. 6.3 Elección del tipo de Alcantarilla En una primera tentativa, elección del tipo de alcantarilla, material y forma de la sección transversal del conducto y tipo de embocadura. HOJA Nº 7/12

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La alcantarilla a usar en la primera tentativa de predimensionado es la Tipo Cajón de Hormigón Armado. Cabe aclarar que el alto y el ancho aproximado de la sección se los consideró por las limitaciones que existen en el terreno y tomando como comparación a la sección de la alcantarilla relevada aguas arriba, debiendo realizar en la calzada, entrando por la calle Dr. Farat Cire Salim, una pequeña subida de 7.5 % de pendiente y manteniéndose horizontal hasta la Ruta Nº 21, como se ve en la figura precedente. Además una embocadura a la entrada y salida de la alcantarilla para guiar el agua y mantener la pendiente natural del cauce. Adoptamos la embocadura tipo (3), con muros de alas a 45º y una longitud de 1.50 m como se verá abajo.

7. Predimensionado Hidráulico de Alcantarilla: 7.1 Área de la Alcantarilla: Determinar en una primera tentativa, las dimensiones de la sección del conducto, usando algunos de los procedimientos siguientes: a) Uso de alguna expresión aproximada. AAlcant =

Q 1.52 2 = m = 0.51m² 3 3

Usando la expresión empírica de Talbot: AAlcant = C × 3 AC4 = 0.036 × 3 (14.61) = 1.29m ² 4

donde: C =0.036 para terrenos Llanos. AC : área de la cuenca. b) Elección arbitraria Para la cual se toma en definitiva una sección interna de dimensiones: b =2.00 m. h =0.75 m. AAlcant.= 1.50 m² Por las causas remarcadas anteriormente. 7.2 Profundidad del Remanso: Determinar la profundidad del remanso de entrada, He, para el tamaño tentativo de la alcantarilla. a) Suponiendo el escurrimiento con Control de Entrada. Tomando entonces una sección rectangular tipo cajón con muros de ala de 45º de inclinación. Altura de 0.75 m ancho de 2.00 m y longitud de 14.10 m. Se tiene: Datos: HOJA Nº 8/14

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D×B =0.75×2.00 m² =1.50m² Q =1.52m³/seg Q/B =0.76 m³/m.seg

Embocadura

He/D

He (m)

(1)

0.72

0.54

(2)

0.81

0.61

(3)

0.81

0.61

Adoptamos la embocadura tipo (3), con muros de alas a 45º y una longitud de 1.50 m. b) Suponiendo el escurrimiento con Control de Salida. Datos: Q =1.52 m³/seg L =14.1m Ke =0.40 (muros ala formado ángulos entre 15º y 90º) n =0.012 hc =0.29 < D (verifica)

VS =

Q ( R ( 2 / 3) × i (1 / 2 ) ) → donde : VS = HS × B η 1.52 × 0.012

HS =

2/3

 H S + 2.0  iterando esta expresión HS =0.28m < D =0.75m, entonces la   × 0.0031 / 2 × 2.0 5 + 2× HS  salida esta a superficie libre. Entonces: VS =0.56 m/seg R =0.50 m º H1 =

hC + D 0.29 + 0.75 = m = 0.52m 2 2

Cálculo de la altura de remanso. He= h+h1-L×i 19.6 × n² × L  V ²  = 0.024 m × Donde: H = 1 + Ke + R4/3   2g

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He =(0.024+0.52-14.1×0.003)m =0.52m Entonces el Hemáx =0.52m Y como se adoptó una altura de remanso admisible de 0,85 m. debido a la limitación de la altura de la rasante, se verifica el cálculo. 7.3 Dimensiones de Alcantarilla: Anexo Planos, Página Nº 20, Lámina Nº 08. Alcantarilla Recta Tipo Que se ajusta a los requerimientos en campo y a la verificación hidráulica, cuyas dimensiones y armadura de losa se obtiene del plano O-41211-I Mod. De la Dirección de Vialidad de Salta.

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9. Conclusión: Dado a la casi imposibilidad técnica constructiva que se da para su construcción (falta de pendiente, inconveniente para su limpieza debida a su desarrollo longitudinal y sección inadecuada según el estudio hidráulico hecho), existirá un alto riesgo de que esta se obstruya por objetos sólidos o desechos después de la primera venida, no pudiéndose luego su correcta limpieza y pudiendo ser causa de inundaciones en la zona. Sobre todo que resulta de poca solución para el verdadero problema de la zona, en cuanto al comportamiento final del desagüe pluvial, ya que el punto crítico se da en la desembocadura del canal con una boca de tormenta insuficiente al inicio del barrio, provocando ya inundación de calles y anegación con lluvias de mediana intensidad. Se concluye que resultaría más eficaz, económica y conveniente la construcción de un badén, en cuenta de una futura alcantarilla.

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9. Bibliografía: 1. Ingeniería de Tránsito y Carreteras. Tercera Edición- Nicholas J. Garber y Lester A. Hoel. 2. Cartillas de Hidráulica General, por el Ingeniero Fernando Cazon de Narváez de la Universidad Nacional de Salta. 3. Planos facilitados por la Municipalidad Nacional de Salta. 4. Apuntes y Carpeta de la Cátedra de Vías de Comunicación II de la Universidad Nacional de Salta. 5. Cartilla para el dimensionado hidráulico de alcantarillas: Dirección de Vialidad Nacional. 6. III Curso Internacional de Posgrado en Carreteras. Alcantarilla. Rosario Argentina. 1992 7. Determinación del Derrame Máximo Superficial de las Cuencas Imbríferas. Por el Ingeniero Federico Ruhle. Dirección Nacional de Vialidad. 1966.

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___________________________PAVIMENTACIÓN DE AVENIDAS____________________________ CORRECCIONES Folio Nº 3: Coeficiente de Escorrentía (C). Se considera como nuevo C, al caso de superficies con barrios contiguos, con muchos edificios, y cuyo valor es C= 075. Folio Nº 5: Ajuste del Caudal de Diseño.

C × A × I 0,75 × 47,61 × 75 m³ = = 2,28 360 360 seg

Q=

Folio Nº 7: Diseño Hidráulico.

Vmed =

Q 2,28 m m = = 0,58 A 3,92 seg seg

Folio Nº 8: Predimensionado Hidráulico de Alcantarilla. 7.1 Área de Alcantarilla: Según expresión aproximada.

Aalcant =

Q 2,28 = m² = 0,76m² < 1,50m² 3 3

Por lo que en definitiva sigue valiendo las dimensiones de la elección arbitraria. 7.2 Profundidad del Remanso. 7.2.1

Suponiendo el escurrimiento con control de entrada.

Q/B= 2,28m³/2m×seg= 1,14 m²/seg Se adopta la embocadura tipo (3), con control de muros de alas a 45º y una longitud de 1.50 m. He= 0,61 m. 7.2.2

VS =

Suponiendo el escurrimiento con control de salida.

Q ( R ( 2 / 3) × i (1 / 2 ) ) → donde : VS = HS × B η

HS =

2,28 × 0.012  H S × 2.0   2 + 2× HS

  

2/3

× 0.0031 / 2 × 2.0

Iterando esta expresión HS =0,64m < D =0.75m, entonces la salida esta a superficie libre. Entonces: VS =1,78 m/seg R =0.40 m H1 =

hC + D 0.64 + 0.75 = m = 0,70m 2 2

Cálculo de la altura de remanso. He= h+h1-L×i Donde:

19.6 × n ² × L  V ²  = 0.25m × Donde: h = 1 + Ke + R4/3   2g HOJA Nº 13/14

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He = (0.25+0.70-14.1×0.003)m =0.91m Entonces el Hemáx =0.91m >0.75, por lo que no se verifica. Calcular nuevamente con D=0.90m.

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