CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS HIDRÁULICA DE PUENTES

Transcripción

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2 TIPOS DE RÍO: R SECCIÓN N TRANSVERSAL DEL RÍO: R

3 REMANSO: MEDIDAS PROTECTORAS EN ESTRIBOS:

4 CRUCES VIAL OBLICUO:

5 CRUCE VIAL PERPENDICULAR:

6 INTERACCIÓN N DE UN CURSO DE AGUA CON LA OBRA VIAL:

7 RESPUESTAS DEL RÍO R O A LAS INTRUSIONES VIALES Y AL DESARROLLO DEL RÍOR

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13 CONCEPTOS HIDRÁULICOS BÁSICOSB SICOS: Escurrimiento Permanente a Superficie Libre Fórmula de Chezy U := C R i Siendo: U: Velocidad media en el canal C: Factor de resistencia de Chezy R: Radio hidráulico R := Ω χ Ω: Área de flujo χ: Perímetro mojado i: Pendiente de la línea de energía En régimen uniforme la pendiente de la línea de energía es igual a la pendiente de la superficie del agua e igual a la pendiente del fondo del canal.

14 Factor de resistencia de Chezy Fórmula de Manning: C := n R 6 n: coeficiente de rugosidad de Manning Ecuación de Manning: U 3 := n R i CAUDAL: Q := Ω n R 3 i

15 VELOCIDADES LÍMITESL MITES: La velocidad máxima de un escurrimiento a superficie libre viene dado por la naturaleza de las paredes, podemos decir que: Tierra Hormigón 0.60 a 0.70 m/s 5 m/s. La velocidad mínima, sería la necesaria para evitar embanques y formación de plantas acuáticas, según Kennedy: En general β = 0.55 y s = 0.64 β es función del material en suspensión U min = β h s

16 MÁXIMA INCLINACIÓN ADMISIBLE PARA LOS TALUDES: NATURALEZA DEL TERRENO Roca firme (pequeños canales) Roca firme Roca compacta Rocas sedimentarias Tierra vegetal compacta Tierra vegetal y suelos arcilloarenosos Suelos Arenosos Arena fina suelta (Médanos) m = tg φ Longitud del talud t = (+m )^0.5.h h h.8034 h h.444 h h h h

17 DISTRIBUCIÓN N DE VELOCIDADES EN UNA SECCIÓN:

18 TIRANTE CRÍTICO TICO: Para una sección rectangular: h c = 3 Q g B

19 EXPERIENCIA DE BAKMETEFF:

20 ECUACIÓN N DE ENERGÍA: Para nuestro caso en que estamos tratando un movimiento permanente y unidimensional, las ecuaciones básicas serían: Ecuación de continuidad: Q U Ω = U Ω = = cte Ecuación de energía: z p U + + α = z + + α + ΔJ γ g p γ U g

21 ANÁLISIS HIDRÁULICO DE UN PUENTE: EFECTOS DE LA CONTRACCIÓN: REMANSO

22 La contracción del flujo causa una pérdida de energía, la mayor parte ocurre en la re-expansión de aguas abajo:

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24 CAUDAL: Por ecuación de Chezy-Manning: q = A R n /3 S / 0 K n /3 = A R (para una pendiente constante) RELACIÓN DE APERTURA DEL PUENTE: (Utilizada para los gráficos y tablas) La sección irregular en cursos naturales y la variación de la rugosidad, resulta en una variación en la velocidad en la sección transversal del río: Expresada en función de caudales: M = Q a Q + Q b = b + Q c Qb Q M = coeficiente que pondera Q libre = Qb vs Q obstruído = Qa+Qc

25 COEFICIENTE DE ENERGÍA CINÉTICA: ( q V ) α = Q V V Q = g A g En la sección de la contracción: α ( q V ) = Q V se obtiene de la siguiente tabla:

26 TIPOS DE FLUJO:: CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS

27 HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA A VIAL ECUACIÓN DE ENERGÍA Y DETERMINACIÓN DE h *

28 HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA A VIAL HIPÓTESIS: - Canal recto - Área transversal uniforme - La pendiente de fondo es aproximadamente constante entre y 4. - El flujo está libre de contracciones y expansiones - No hay erosión apreciable en el lecho de la contracción - Flujo subcrítico (FLUJO TIPO I)

29 CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS HIDR ULICA DE PUENTES Igualando energías entre las secciones y 4: h T g V y g V y L S + + = α α Siendo h T la pérdida total de energía entre las secciones y = L S h g V g V y y T α α reemplazando: b h g V g V h + = 4 4 * α α Las pérdidas pueden expresarse como producto de un coeficiente de pérdida, K* y la altura de velocidad en la sección : g V K h n b * = α

30 CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS HIDR ULICA DE PUENTES Siendo V n la velocidad media en la sección contraída, para el nivel de agua normal, antes de construido el puente. Reemplazando: g V K g V g V h n * 4 4 * + = α α α Asumiendo que las secciones transversales en y 4 son iguales, α 4 = α Por condición de continuidad: 4 4 n A n V V A V A = = Las velocidades son proporcionales a las áreas, luego puede expresarse: g V K g V A A A A h n n n n * 4 * + = α Representa la diferencia de energía cinética entre la sección y 4

31 CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS HIDR ULICA DE PUENTES Variables: h * = remanso total K*= coeficiente de pérdidas totales en el remanso α = coeficiente de corrección de altura de velocidad en las sección y 4. α = coeficiente de corrección de altura de velocidad en la contracción. A n = Área mojada en la contracción con nivel de agua normal. V n = Q/A n : Velocidad media en la contracción con tirante normal A 4 = Área mojada en la sección 4 (luego de restablecido el régimen normal) A = Área mojada en la sección (con la contracción) g V K g V A A A A h n n n n * 4 * + = α

32 CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS HIDR ULICA DE PUENTES Hallar h * es un PROCESO ITERATIVO: g V K h n * * α º Se determina: A = f (h * ) 3º Se calcula: g V K g V A A A A h n n n n * 4 * + = α 4º Se compara h * con el estimado. º Se estima:

33 Determinación del coeficiente de pérdidas K*: K * = K b + ΔK p + ΔK e + ΔK s El símbolo K b es el coeficiente de remanso para un puente en el que sólo se considera la relación de apertura M. -El valor total del coeficiente K*, también se ve afectado por : -Número, tamaño, forma y orientación de pilas en la contracción -Excentricidad o posición asimétrica del puente con respecto a la sección transversal -Inclinación o ángulo entre el eje del camino y el eje del canal.

34 K * = K b + ΔK p + ΔK e + ΔK s K b : Tiene en cuenta la LOS ESTRIBOS (Curvas base): El valor de K b aumenta al disminuir M (aumenta la contracción) Para puentes de longitud mayor a 60 m, independientemente de la forma del estribo, se utiliza la curva más baja, porque la geometría del estribo tiene menos importancia cuando la luz del puente aumenta.

35 K * = K CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS b + ΔK p + ΔK e + ΔK s ΔK ΔK p : Tiene en cuenta el EFECTO DE PILAS σ Tipo de pila Tipo de pila ΔKp, depende de: - la relación entre el área de las pilas y el área de apertura del puente: Ap J = An -El tipo de pilas -El valor de la relación de apertura: M -La angularidad de las pilas con la dirección del flujo. ΔK p = σ.δk Para cruces inclinados, se utilizan los mismos gráficos y se varía el cálculo de J, Δn y M. M J

36 K * = K b + ΔK p + ΔK e + ΔK s ΔK e : Tiene en cuenta el EFECTO DE EXCENTRICIDAD: Q = c e donde Qc < Qa Q a Q = a e donde Qa < Qc Q c

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40 K * = K CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS b + ΔK p + ΔK e + ΔK s ΔK s : Tiene en cuenta EFECTO DE INCLINACIÓN ΔKs puede ser positivo o negativo. Respecto del cruce normal, se modifican los valores de: M A n V n = f(a n )

41 ΔKs ϕ El cruce inclinado con ángulos hasta 0º produce resultados objetables para cualquier tipo de estribos para ángulos mayores, la concentración del flujo en los estribos produce remolinos, reduciendo la eficiencia del canal e incrementando las posibilidades de erosión. La longitud H-I y N-O puede definirse arbitrariamente o un valor no mayor a luces del puente. M

42 ECUACIÓN DE ENERGÍA Y DETERMINACIÓN DE h 3 *

43 DETERMINACIÓN DE h 3 *: CONSTRUCCIONES HIDRAULICAS Partiendo de un dato fácilmente mesurable Δh, se puede trazar la curva de remanso: La diferencia en la elevación de la superficie del agua entre aguas arriba y aguas abajo del puente en la proximidad de los estribos Δh, no es el remanso provocado por el puente. Puede definirse el nuevo nivel de agua, conociendo h 3 *. La estimación es válida siempre que el perfil no ascienda por estancamiento desde aguas abajo o por planicies de inundación restringido. * * h3 = hb ( ) D h = K * α b b b V g n Existen correcciones por efecto de pila y de excentricidad. (De tablas en forma similar a lo explicado).

44 DIFERENCIA DE NIVEL EN LA SUPERFICIE DEL AGUA A TRAVÉS DEL PUENTE : Conocidos h 3 * y h *, se puede calcular: Δh = h + h + S * * 3 o 3 L pero se debe determinar primero: L -3 Cruce Normal: Distancia al punto de máximo remanso: L* desde el punto de encuentro del nivel del agua con el terraplén de aguas arriba.

45 Proceso iterativo: º Se estima: Δh y º Se obtiene de tablas: * * h + h3 * L b 3º Se calcula nuevamente: L Δh y 4º Se compara Δh con el estimado. Luego se determina: L -3 con el gráfico anterior Existen correcciones por excentricidad e inclinación que se calculan por medio de tablas.

46 En el caso de Flujo Tipo II, se procede en forma similar, calculando todos los valores y luego se corrigen entrando en: Siendo: Y c = tirante crítico en la sección Y = tirante medio bajo en puente en condiciones normales (sin puente)

47 BIBLIOGRAFÍA: Federal Highway: HDS Hydraulics of Bridge Waterways