Hoja de Calculo - Puente Canal

DI SEÑO PUENTE CANAL Son las obras mediante las cuales es posible crusar una canal con cualquier obstaculo que se e El obstaculo puede ser por ejemplo: . Una via de ferrocarril . Un camino . Un río . Un dren Para salvar el obstaculo, se debe recurrir a na estructura de cruce que puede ser: . Puente canal . Sifon invertido . Alcantarilla Tunel . DEFINICION Es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atr avesar una depresio El puente canal es un conjunto formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser d hierro,madera u otro material resitente, donde el agua escurre por efectos de gravedad. ELEMENTOS HIDRAULICOS DE UN PUENTE CANAL 1. Transicion de entrada, une por un estrechamiento progresivo el canal con el puent 2. Conducto elevado, generalmente tiene una seccion hidraulica mas pequeña que el 3. Transicion de salida, une el puente canal con el canal. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO HIDRAULICO Material  1 Forma de la seccion transversal  2 Ubicación de la seccion de control  3 Por lo general, un puente canal cuya vista enplanta se muestra en la figura, se dise las condiciones del flujo subcritico, por lo que el puente canal presentauna singular tudinal del canal, que crea efectos sobre aguas arriba.

1

4

2

Diseño de conducto elevado

3

4

Por condiciones economicas el ancho debe ser lo menor posible, pero manteniend de flujo, en este caso flujo subcrítco. Afin de que las dimensiones sean los minimo condiciones cercanas a las criticas. Para una seccion rectangular, en condiciones criticas se cumplen las siguientes ecu ……… (1)

……… (2)

Igualando (1) y (2) tenemos:

De donde despejando b, se tiene: ……… (3)

En la ecuacion (3) ,como Q es conocido (se debe conocer el caudal de diseño), para se requiere conocer Emm ……… (4)

Para el analisis necesitamos conocer los siguientes parametros: T(m)= Y(m)= b(m)= Z= V (m/s)=

1.50 1.00 0.80 0.50 0.80

de acuerdo a:

De la ecuacion (4), hallamos Emm, tenemos: Emm=

1.03

Para aplicar la formula (3), necesitamos el Q, entonces hallando el caudal: Q =

1.04

(m3/s)

Aplicando la ecuacion (3), obtenemos b, para un flujo critico, pero para un flujo su aumentamos este ancho en un 10%, por tal obtenemos: b =

0.639

m

Por condiciones economicas el ancho debe ser lo menor posible, pero manteniend de flujo, en este caso flujo subcrítco. Afin de que las dimensiones sean los minimo condiciones cercanas a las criticas. Para una seccion rectangular, en condiciones criticas se cumplen las siguientes ecu ……… (1)

……… (2)

Igualando (1) y (2) tenemos:

De donde despejando b, se tiene: ……… (3)

En la ecuacion (3) ,como Q es conocido (se debe conocer el caudal de diseño), para se requiere conocer Emm ……… (4)

Para el analisis necesitamos conocer los siguientes parametros: T(m)= Y(m)= b(m)= Z= V (m/s)=

1.50 1.00 0.80 0.50 0.80

de acuerdo a:

De la ecuacion (4), hallamos Emm, tenemos: Emm=

1.03

Para aplicar la formula (3), necesitamos el Q, entonces hallando el caudal: Q =

1.04

(m3/s)

Aplicando la ecuacion (3), obtenemos b, para un flujo critico, pero para un flujo su aumentamos este ancho en un 10%, por tal obtenemos: b =

0.639

m

B Nuestra seccion transversal del canal sobre el puente será como se muestra

y 0

b A continuacion calculamos el tirante del canal y  , para lo cual daremos uso de la fo ya mostrado anteriormente: Como los datos necesarios para el calculo ……… (2) dieron y hallaron anteriormente, tenemos y = 0.64 0.646 6

Seguidamente calculamos el bordo libre B ,que frecuentemente es el 20% de la ba B =

0.128

m

y finalmente la velocidad con que circula en el canal puente: Entonces: V =

5

2.517

m/s

Calculo de la transicion de entrada y salida

Para el caso de una transicion tr ansicion de entrada recta la euacion utilizada es: b: Ancho de de solera solera del conducto conducto T1: Espejo Espejo de agua agua en el canal canal

L =

1.039

T1

b

L Para el caso de una transicion tr ansicion de salida recta la euacion utilizada es: b: Ancho de de solera solera del conducto conducto T2: Espejo Espejo de agua en el el canal de de salida salida

Para lo cual necesitamos el valor de T2:

L =

T2 =

1.8

1.401

b

T2

L 6

Calculo de las perdidas en las transiciones

Las perdidas predominantes en las transiciones (por su corta longitud) correspond perdidas por cambio de direccion, siendo su ecuacion: Donde:

h 1-2 : Perdidas por transicion entr

K : coeficiente de perdidas en l Ke : coeficiente d Ks : coeficiente d ∆hv : diferencia de cargas de velo

Ademas donde: ………………..

siendo V1 > V2

Los valores de Ke y Ks, dependerá del tipo de transicion diseñada, en la tabla sigt. S de ellos. TIPO DE TRANSICION 

Curvado Cuadrante cilindrico Simplificado en linea recta Linea recta Extremos cuadrados

Ke 0.10 0.15 0.20 0.30 0.30

Ks 0.20 0.25 0.30 0.50 0.75

Para el analisis de este parametro se ha automatisado el cuadro que se muestra po requiere que se seleccione la selda de color GRISS para que aparesca una lista de transicion que se desee.

CALCULO DE PERDIDAS EN LAS TRANSICIONES Linea recta

h(e)

0.00979

Ke: Ks: Ke: Ks: he: hs:

0.30 0.50

h(s)

0.01631

Coeficiente de perdidas en la transicion de entrada Coeficiente de perdidas en la transicion de salida perdidas en la transicion de entrada perdidas en la transicion de salida

cuentre asu paso

. e concreto,

canal. canal.

a para idad en el perfil longi

siempre el mismo tipo osibles, se diseña para

ciones:

calcular b,

Z=0

critico

rmula (2), de este, ya se : m

se:

m

n a las

e1y2 a transicion, puede ser: perdidas en la transicion de entrada perdidas en la transicion de salida cidad, valor siempre positivo.

e muestra algunos valores

steriormente. Donde se plegable y se seleccione el tipo de

Curvado Cuadrante cili

Simplificado e Linea recta Extremos cua

drico

n linea recta rados

Anteriormente ya se pudo calcular: Ru =

12367.00

Kg

Calculando el momento ultimo Mu: b = a = d = Mu =

13604

1.25 0.40 0.25

m m m

Kg - m

Calculo del acero longitudinal: Recubrimiento(cm): C = Diametro de varilla:

4

1.59

Entonces el peralte efectivo sera:

Altura de viga(cm): d = 45.2 fy = 4200

As =

7.961

50 

cm

Varilla

Diametro

Area

1/4" 3/8" 1/2" 5/8" 3/4" 7/8" 1"

0.635 0.952 1.270 1.588 1.905 2.222 2.540

0.32 0.71 1.29 2.00 2.84 3.87 5.10

Seleccione valilla:

5/8

Area de varilla:

2.00

cm2

Calculando numero de varillas: Nº varillas :

3.98  

Calculo de acero transversal: - La fuerza cortante ultima en la viga es igual a: 2 Ru =

24734

Kg

Como consecuencia el esfuerzo cortante(Tu): Previo a esto se tuvo que calcular el Tc: Tu =

13.68

Kg/cm2

Tc =

6.16

Kg/cm2

Entonces:

Tu > Tc 

Si el esfuerzo cortante es mayor que el esfuerzo cortante admisible, y parte debe de ser asumido por el refuerzo adicional, que en este caso seran los estribos. El area de refuerzo se calcula: Donde: Tu Tc Ay b S

Entonces: b S Tu Tc fy

= = = = =

0.40 0.55 13.68 6.16 4200

: : : : :

Esfuerzo cortante ultimo Esfuerzo cortante permisible Area de refuerzo ancho de la viga Distancia de la reaccion R hasta la cara de la columna

cm cm Kg/cm2 Kg/cm2 Kg/cm2

Ay =

3.94

cm2

El numero de estribos calculado es:

1/4 0.32

Seleccione valilla:

Area de varilla: n =

6.2

varillas

Caculando el espaciamiento entre estribos (e): e =

8.938

cm

Se colocaran estribos de Sobre toda la longitud de la viga

1/4

a una distancia de:

5.0

Las cuatro reacciones Ru son reemplazadas por una reaccion Rtotal en el centro de la columna. R tot = 4 Ru

R tot =

49468

Kg

Cargas que actuan sobre la columna:

- Reacciones (R) de las vigas laterales - Peso propio G3 y G4. G3 = (m) (c) (b+2d) ; ;

G4 =

(a)(c)(g)

Donde: m C b a g d c

: : : : : : :

Altura de la viga (m) Espesor de la columna (m) Ancho de la caja (m) Ancho de la columna (m) Altura de la columna (m) Espesor de las vigas laterales de la caja (m) Peso específico del concreto (Kg/m3)

= = = = = = =

50 0.4 1.25 0.40 3.25 0.25 2400

- Peso propio de la viga superior: Para lo cual necesitamos saber la longitud dela viga lateral: G3 =

1027.2

2.14

Kg

- Peso propio de la Columna: G4 =

1248.0

Kg

Carga Ultima:

Pu = R tot + 1.5(G3 + G4) Pu =

52881

Kg

Ademas de la carga ultima, la columna debe resistir tambien un Mu = (Pu)(e), Do siendo e la excentricidad minima a = Mu =

40.00 211523.2

cm Kg - cm

Los efectos de la Esbeltez pueden despreciarse cuando el factor: KL/n < 22 K =

= A = a*c =

2.0

213333

cm4

1600

cm2

Para el concreto

hallando n: n =

11.55

Factor KL/n : =

56.29

SI se considera los efec

- La carga critica de la columna Pcr  es calculada como sigue: ;

Ec =

; = =

148507.63

EI =

12672650999 Kg - cm2

Pcr =

296033.26

Kg

El momento ultimo debe de ser simplificado: Mc =

Pu = Mu =

52881 211523

1.2(Mu)

Mc =

253827.84

Kg - cm

La columna debe de diseñarse para soportar las cargas calculadas anteriormente: Pu = Mc =

52881 Kg 253827.84 Kg - cm

 Acero minimo:

El acero minimo debe ser no menro del 1% de la seccion de la colu As mínimo =

Para el calculo de teoria: Ancho (K) : Longitud : Espesor(d) :

2.8 2.8 0.4

16

cm2

m m m

CONDICION - La presion de la zapata debe ser menor que la capacidad de carga del terreno considerando un f  mayor que 3.0 ,osea σc /σt es mayor o igual a3.0

- El casa de este ejemplo es solo el diseño de una zapata cuadricular. CALCULOS G5

Peso propio de la zapata: c

G5 = G5 = CASO I :

7526.4 4390.4

= 2400

K

(SIN AGUA) (BAJO AGUA)

DREN CON AGUA

Sistema de carga simetrica, la presion de la zapata sobre el terreno esta dada por: t



c/t =

3.238

es mayor que

3.00

=

0.463

R : c =

OK

Donde:

σt :

R G3 G4 G5

: : : :

σc :

La presion de la zapata sobre el terreno Reaccion de la viga lateral hacia la columna (Kg) Peso Propio de la viga Superior en la columna Peso propio de la columna. Peso proprio de la zapata Capacidad de carga del terreno

CASO II :

Condicion importante, ubicación del resultante de todos las cargas, tanto de las reacciones (R) asi como el momento generado por la excentricidad de estas reacciones. Momento generado por la excentricidad. Donde: R : Reaccion viga lateral C : Ancho de columna Reemplazando valores tenemos: M =

148260

Kg - cm

La excentricidad de las cargas verticales para el caso del dren con agua:

e =

6.899

cm

Si excentricidad es menor que K/6 las presiones se calculan con: 



1 = (Rv / K*K) + (M / W)

G5 =

Bajo agua Rv =

4390.4

21491.6

2 = (Rv / K*K) - (M / W)

Rv M K*K W w

= = = = =

Entonces:

2R + G3 + G4 + G5 2R (0.25 C) Area de la zapata (cm2) Modulo de la seccion (cm3) K^3 / 6 K/6 =

46.67

Como : e w = 1 = 2 = 

<

cm K/6

Usar formulas dadas para  1 y  2

3.00

OK

3658666.7 cm3 0.315 0.234

Kg / cm2 Kg / cm3

Factor de seguridad c

/ 1 =

4.77

es mayor que

Si la relacion anterior se cumple El calculo estructural se realizara con la base del caso I que es el caso mas critico y en base a la fuerza ultima: Vu = 4Ru + 1.5(G3 + G4) Vu =

52880.8

Kg

Carga unitaria sobre la parte inferior u

=

0.6745

Kg/cm2

La seccion perimetrica "a b c d"esta ubicada a una distancia de d/2 = de la cara de la columna

Area =

6400

cm2

A

20

B

La fuerza ultima Vu1: Vu1 = Vu1 =

u

(K^2 - Aabcd) 48564 Kg C

D

El esfuerzo cortante es: τu1

= Vu1 / (Bc * d)

τu1

=

3.794

Bc : longitud de la seccion critica "abcd" d : Espesor de la zapata Kg/cm2

τu1

es menor que

6.16

Kg/cm2

OK

Fuerza ultima Vu2: Vu2 = A*u

A : Area de la zapata u : Presion sobre el terreno calculado ant.

Vu2 =

Kg

15108.8

El esfuerzo cortante es: τu2

= Vu2 / (K*d)

τu2

=

1.349

Kg/cm2 τu2

es menor que

6.16

Kg/cm2

OK

El refuerzo de la zapata se calculo en base eal momento: Mu = 0.25(A*u)(K-C) Mu =

1359792

Kg/cm

Refuerzo en la Zapata: 1/2 1.29 1.27

Seleccione valilla:

Area de varilla: Diametro de varilla : Recubrimiento: d = b =

30.60 280.00

cm cm

7.5

Recomendado (ACI)

d : Peralte efectivo

As =

Acero minimo:

11.76

cm2/m

14.563

cm2

As es menor que  As :

SE NECESITAN :

14.563

SE COLOCARÁ EL ACERO MINIMO

14.563

11.29

VARILLAS DE

1/2

PULGADA

LLENAR DATOS SELECCIONAR

h

d m

R

R

G3

a g

G4

d

G5

K

2R 2R

c

cm

h

m

d m

R

R

G3

a g

G4

de e=0.10 a,

d

G5

K

os de ESBELTEZ

210 2.4

Kg Kg - cm

na:

actor de seguridad

d

7413 1.5

cm

1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1