Obras De Drenaje 6t65q
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Índice Introducción……………………………………………………………………….. 2 Tipos de drenaje…………………………………………………………………... 5 Losas…………………………………………………………………………..5 Tubos………………………………………………………………………….9 Cajones……………………………………………………………………….14 Bóveda………………………………………………………………………..16 Anexos……………………………………………………………………………….20
Diseño Geométrico de caminos.
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Introducción Al construir una carretera se interrumpe la continuidad de la red de drenaje natural del terreno, por lo que se deben diseñar obras de drenaje transversal (alcantarillas) que restituyan dicha continuidad, permitiendo su paso bajo la carretera en condiciones tales que perturben lo menos posible la circulación del agua en dicha red. Las alcantarillas además de ayudar a que los escurrimientos naturales no se vean afectados, nos permiten proteger el camino de excesivos escurrimientos en los taludes que pueden provocar una pérdida de estabilidad en las terracerías lo cual ocasionaría la aparición de baches en la superficie de rodamiento e inclusive un colapso total del camino.
Hoy en día, México cuenta con una red carretera de más 340,000 km, de las cuales el 33.5% son pavimentadas y el 66.5% no lo son. De la red pavimentada, el 91% comprende carreteras de dos carriles y el resto son de cuatro carriles o más. En su jurisdicción, el 13.8% de la red es federal, el 24.4% es estatal, el 45.7% son caminos rurales y el 15.9% son brechas mejoradas. Es por esta razón que el diseño y construcción de un sistema de drenaje superficial requiere la realización de estudios del clima, suelo e hidrología. Los objetivos principales del drenaje son la preservación de la carretera, ya que ésta juega un papel social y económico. La prevención del impacto negativo al ambiente es de igual manera una de las metas del sistema de drenaje. El diseño y construcción de drenajes subterráneos requiere estudios geológicos especializados. El concepto básico para el diseño del drenaje subterráneo consiste en remover el agua del terreno para interceptarla con un material más poroso que el suelo original.
Diseño Geométrico de caminos.
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Drenaje. Definición. Uno de los elementos que mayores problemas causa a los caminos, si no el que mas, es el agua, ya que provoca la disminución de la resistencia de los suelos, por lo que se presentan las fallas en terraplenes, cortes y superficies de rodamiento. Lo anterior, conduce a resolver el drenaje de tal forma, que el agua se aleje del camino lo más pronto posible. Por tanto un buen drenaje es el alma del camino. El estudio del drenaje, debe iniciarse desde la selección de la ruta, para la cual, se deberá elegir la zona que provoque menos problemas de escurrimiento. Si desde la etapa de elección de la ruta, no se elije la zona más adecuada, se tendrán problemas durante la vida del camino innecesariamente los costos de conservación.
El drenaje de caminos se clasifica en superficial y subterráneo. El drenaje superficial se clasifica, según la posición que las obras guardan con respecto al eje del camino, en longitudinal y transversal. DRENAJE LONGITUDINAL. El drenaje longitudinal es aquel que tiene por objeto captar los escurrimientos para evitar que lleguen al camino o permanezcan en el, de tal manera que no le causen desperfectos. Los tipos de obras que quedan comprendidas en el drenaje longitudinal son: Cunetas.- son canales que se hacen a los lados de la cama del camino en cortes y tienen como función interceptar el agua que escurre a los lados de la corona, del talud de corte y del terreno natural adyacente, para conducirla hacia una corriente natural. Contracunetas.- son zanjas que se construyen aguas arriba de los ceros de los cortes, con el fin de interceptar el agua que escurre por las laderas y conducirla hacia alguna cañada inmediata o parte baja del terreno, evitando que al escurrir por el talud lo erosione y que se aumente el caudal de las cunetas. Bombeo.- el bombeo proporciona a la corona del camino, en las tangentes del trazo horizontal, una pendiente transversal del centro del camino hacia los hombros y su función es la de dar salida expedita al agua que cae sobre la corona y evitar en lo posible que penetre en las terracerías. DRENAJE TRANSVERSAL. El drenaje transversal es el que tiene por objeto dar paso al agua que cruza de un lado a otro del camino, o retirar el agua de la corona; quedan comprendidos en este tipo de drenaje los tubos, losas, cajones, bóvedas, vados, sifones invertidos y puentes.
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Tipos y usos de alcantarillas. Las obras de drenaje transversal se dividen en drenaje menor y drenaje mayor, según la dimensión del claro. Siendo el drenaje mayor aquel que requiere obras con claro mayor de seis metros, a este tipo de obras se le conoce con el nombre de puentes y las obras de drenaje menor se denominan alcantarillas. Para el proyecto de una alcantarilla se deben tomar en cuenta los siguientes factores: a) b) c) d)
Ubicación de la obra. Calculo del área hidráulica. Elección del tipo de obra. Calculo dimensional y estructural.
a) Ubicación de la obra.- Esto se hace conjuntamente con el trazo definitivo, para saber donde se van a ubicar los ejes de las alcantarillas en la planta del camino. b) Calculo del área hidráulica.- Es el área necesaria para dar paso al volumen de agua que se concentra a la entrada de la obra, para ello es necesario conocer la precipitación pluvial, área, pendiente y formación geológica de la cuenca. c) Elección del tipo de obra.- Para elegir el tipo de obra a emplearse se deben considerar los siguientes factores:
1) Altura de terraplén. Los tubos y bóvedas requieren un colchón mínimo de terraplén en los hombros de 0.60m y de 1.0m respectivamente.
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2) Forma de sección en el cruce. Cuando el cruce es amplio o divagante y no está definido, se recomienda una losa de pequeña altura y con claro amplio o en varios tubos; cuando los escurrideros son definidos y la rasante es baja, se pueden utilizar tubos y losas. Si las secciones son estrechas y profundas las obras indicadas son las bóvedas esto depende de la altura del terraplén que va aquedar sobre ellas. 3) Capacidad de sustentación del terreno. Tiene influencia en el costo de las obras y por lo tanto en la elección del tipo de ellas, ya que la cimentación que requieren en cada caso tiene costos distintos. 4) Materiales de construcción disponibles en la región. Los materiales de la región juegan un papel importante en la elección del tipo de obra, ya que si para la construcción de la obra elegida es necesario traer los materiales desde un sitio muy retirado, esto puede encarecer el proyecto.
Tipos de Alcantarillas 1) Losas. Son estructuras formadas por dos muros de mampostería (estribos), sobre los cuales se apoya una losa de concreto reforzado. Hay losas con colchón y losas sin colchón, las SCT tiene elaborados proyectos tipo de hasta seis metros de luz con un espesor de 4.25 metros de colchón y estribos para diferente capacidad de carga.
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Las alcantarillas de la losa están constituidas por los siguientes elementos: LOSA.- Esta funciona como tapa de la alcantarilla. Para el diseño de la losa se debe considerar que está soportando además de su propio peso y el de las terracerías que se encuentran sobre ella la carga viva de los vehículos (H15-S12 o H20-S16). Para la losa se recomienda un f’c = 150 Kg/Cm² al igual que para las guarniciones. ESTRIBOS.- Sirven de soporte de la losa. Son de mampostería de tercera clase con mortero cemento-arena 1:5 y las zapatas pueden ser tanto de mampostería como de concreto. ALEROS.- Los aleros sirven para encauzar la corriente hacia la alcantarilla. Al igual que los estribos, los aleros son de mampostería de tercera clase. ZAMPEADO.- La función del zampeado es evitar posibles erosiones debido a los flujos que estarán presentes en la alcantarilla. FILTRO.- Es recomendable colocar una capa de piedra de 30 centímetros de espesor en las paredes exteriores de los estribos para encauzar las aguas freáticas hacia los drenes. DREN.- El dren es un tubo de PVC de 10Cm de diámetro el cual se utiliza para evitar la presión hidrostática sobre los estribos. Los drenes se colocaran con una separación de 3 metros a todo lo largo de la alcantarilla.
*DISENO DE LOSAS. Para el diseño de una alcantarilla de losa las consideraciones generales a tomar son: I. II. III. IV. V.
Los claros serán de máximo 6.00m. El colchón máximo para este tipo de alcantarillas es de 4.25m. No existe un colchón mínimo. La losa será de concreto reforzado de un un f’c = 150 Kg/Cm² para claros de 1.00 a 4.00 m y para claros mayores el concreto será de resistencia de un f’c = 200 Kg/Cm². Los estribos y los aleros serán de mampostería de tercera clase, existen estribos mixtos de mampostería con zapatas de concreto de f’c = 100 Kg/Cm².
Existen tablas para el diseño rápido de las alcantarillas de losa.
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A continuación se muestra una tabla para el cálculo de las longitudes y de los diámetros del acero de refuerzo para las losas con claro de 1.00m. Estas losas no llevan parrilla superior (Varillas D y E ) y en la parrilla inferior solo llevan varillas A y C.
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Para el diseño de estribos de una losa de 1.00m de claro y considerando una altura del estribo de 1.50m y una capacidad de carga del terreno de 1.00 Kg/Cm², tenemos la siguiente información:
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2) Tubos. Son alcantarillas de sección interior normalmente circular y requieren siempre de un espesor de terraplén o colchón mínimo de 0.60 m para su mejor funcionamiento estructural. Las alcantarillas de tubos tienen una gran ventaja, pues inmediatamente después de tendido el tubo se puede construir el terraplén; así que se recomienda esta tipo de alcantarillas a menos que la pendiente transversal sea mayor de 30°. Para anclar la obra e impedir que la tierra del terraplén caiga en los tubos se colocan muros de cabeza tanto en la entrada como en la salida. Si no hay muros a la salida, se debe prolongar cuando menos un metro la longitud del tubo fuera de la traza del talud del terraplén con el terreno. El material de que están construidos puede ser concreto reforzado, lamina ondulada y polietileno de alta densidad. Cuando se lleva cuneta es recomendable sustituir el muro de cabeza por una caja receptora a la entrada de la obra.
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*DISENO GEOMETRICO DE UNA ALCANTARILLA DE TUBO. Para el diseño de alcantarillado con el uso de tubos se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones: I. II. III. IV.
El espesor mínimo de terraplén sobre el tubo deberá ser de 0.60m, aunque en caos especial se podrá reducir hasta 0.45m. El diámetro mínimo a utilizar será de 75 cm y en caso de ser necesario se utilizaran diámetros más pequeños para obras auxiliares. Las tuberías de concreto serán de una resistencia de 250 Kg/Cm², el acero de refuerzo de la tubería será un Fc= 4200 Kg/cm². La pendiente con la cual se proyectara la alcantarilla de tubo deberá ser la que proporcione el proyecto más económico siempre y cuando se garantice el perfecto funcionamiento hidráulico de esta.
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La pendiente máxima será de 45% y se deberán colocar muros de anclaje para evitar el deslizamiento del tubo. Existen también alcantarillas de doble tubo aunque no es muy recomendable usarlas, puesto que si es necesario incrementar el área hidráulica es preferible colocar una losa que cumpla con el área necesaria a colocar tubos ya que esto podría provocar que los tubos se tapen.
Existen formatos para el diseño de las alcantarillas así como tablas para el cálculo rápido del área hidráulica para los diferentes diámetros de tubos y de las dimensiones de los muros de cabeza. Para obtener el área en hectáreas que puede drenar una alcantarilla de uno o de dos tubos tenemos las siguientes tablas: Para alcantarillas de un tubo.
Para alcantarillas de dos tubos.
Donde: ϕ = Diámetro de la tubería en cm. C = Coeficiente de fricción del terreno.
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A continuación se muestran las tablas correspondientes para obtener las dimensiones de los muros:
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3) Cajón Los cajones son estructuras de sección rectangular con paredes, techos y piso de concreto reforzado cuya construcción requiere cuidados especiales. Trabajan en conjunto como un marco rígido que absorbe el peso y el empuje del terraplén la carga viva y la reacción del terreno. Tanto las losas como los muros son delgados y de poco peso, el conjunto tienen una amplia superficie de sustentación.
El rango más usual de aplicación de este tipo de estructura es de luces entre 3 metros y 6 metros, alturas entre 4 metros y 9 metros, itiéndose varios múltiples para luces iguales o mayores a cuatro metros. En general este tipo de alcantarilla no se la diseña con tapada de terraplén sino que la losa (con una capa de recubrimiento) se utiliza como superficie de rodamiento.
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Esta situación requiere el diseño de losa de aproximación para disminuir los asentamientos relativos entre estructura y terraplena adyacente. El modelo con platea ite menores tensiones del suelo de fundación (del orden de 40% del que requieren pórticos sobre zapatas), haciendo posible el uso de este tipo de obra sobre terrenos de baja calidad. Alcantarilla de cajón prefabricados (BoxCulvert). Son elementos prefabricados de gran tamaño elaborados en concreto reforzado, componen un sistema modular en el que cada parte se conecta con el otro para formar un túnel. Cada elemento se empalma con el otro a través de un espigo, el cual lleva incorporado un sellante bituminoso, que al ser presionado forma un sello hidráulico hermético. Por lo regular son de forma rectangular y sus tamaños varían de acuerdo a la aplicación. Con frecuencia son utilizados para transportar aguas lluvias o servidas (obras de drenaje).
Usos y Aplicaciones Las alcantarillas tipo cajón son empleadas en obras de drenaje en estructuras viales. También utilizadas en alcantarillados de aguas servidas, drenajes pluviales y para conducir cualquier tipo de agua en secciones cubiertas. Ventajas de Uso
Fácil colocación. Mayor capacidad de caudal. permite el paso de vehículos pesados sin necesidad de terraplén. Baja permeabilidad. Juntas estancas. Capacidad de carga de alto tonelaje. (AASHTO-93 - HS-18) 14.50 Ton/eje.
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4) Bóveda La utilización de bóvedas se requiere cuando las alcantarillas circulares no tienen la capacidad de las áreas hidráulicas, se toman en cuenta aspectos como el ancho del cauce, el arrastre de materiales del cauce, la altura de los rellenos de la carretera y la pendiente del cauce. Se pueden clasificar como circulares, con diámetros mayores a 90”, semicirculares y súper claros de flecha alta o baja. Definición. Se considera como bóveda, la obra de drenaje transversal formado por muros unidos por uno o varios arcos y que soportan las cargas de tránsito de vehículos, a través de un relleno. Otra definición de bóveda puede ser: son obras civiles constituidas por una superestructura apoyada sobre una subestructura, en donde la primera es la encargada de soportar las cargas de tráfico vehicular y/o del relleno de suelo sobre ella y éstas son transferidas a la subestructura, la cual se encarga de transmitirlas al suelo soportante. La importancia de las bóvedas radica en que por medio de ellas se puede aprovechar el área utilizada por drenajes naturales como las barrancas, las quebradas y los ríos; así como también son obras de paso para salvar accidentes naturales del terreno. Su uso se aconseja cuando no se pueden colocar tubos, cuando la pendiente transversal es muy fuerte y cuando la profundidad de la quebrada es muy grande. El arco puede ser en forma parabólica, de sección uniforme o variable y estará conformado con los muros; éstos a su vez sirven como muros de retención, cuya función es la de contener el relleno sobre la obra, para que no se derrame al cause u obstáculo a salvar. Al arco se le llama superestructura y a los estribos y pila (si es necesaria), subestructura. Superestructura La superestructura de una bóveda es aquel elemento estructural al que se le denomina arco, el cual está apoyado directamente sobre la subestructura y cuya función principal es soportar con seguridad las cargas a las que se verá sometido. Estas cargas provienen de las presiones originadas por el relleno de tierra, por el tráfico vehicular y por su mismo peso. La geometría del arco puede ser de directriz parabólica, circular, elíptica o formada por la combinación de ellas, siendo su espesor constante o variable, y elaborado de concreto simple, concreto reforzado, mampostería de piedra o mampostería de bloque de concreto. El arco puede ser construido directamente en el sitio que le corresponde en la bóveda o en otros lugares si se utilizan elementos prefabricados. Subestructura La subestructura de una bóveda está constituida por los elementos estructurales conocidos como estribos, éstos se presentan en pareja ya que sirven de apoyo a ambos extremos del arco. La función de los estribos es la de transmitir las reacciones del arco al suelo soportante. Las cargas sobre el estribo son: las reacciones provenientes del arco, las presiones de tierra que sostiene el estribo y el peso propio. Los estribos pueden ser construidos con diferentes materiales: mampostería de piedra, concreto reforzado y mampostería reforzada. Su geometría depende del tipo de material con el que se haya diseñado una vez alcanzada su estabilidad.
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En donde los estribos son muros de apoyo lateral del o los arcos. Los aletones a ala, son obras de protección a la entrada y salida del conducto. El coping o muro de coronamiento, protege la parte vista del arco. Las fundaciones o base, le sirven de apoyo a los estribos. La llave, se ubica entre la unión del arco y el estribo. El arco o superestructura, se ubica sobre los estribos. El drenaje sirve para eliminar la acumulación de agua en la tierra. El arranque es el punto de origen del arco, así, la corona o clave, es la parte más alta del mismo. Otros tipos de bóvedas Existen otros tipos de bóvedas que trabajan como un solo elemento estructural de tal manera que no se puede dividir sus partes en superestructura y subestructura. La geometría es variable, así las hay circulares, rectangulares, cuadradas, elípticas, etc., y los materiales con que se construyen pueden variar también. A continuación se mencionan dos ejemplos de este tipo de bóvedas. Bóvedas Cajón La bóveda cajón es una estructura de concreto reforzado de forma cuadrada o rectangular construida monolíticamente. Las partes que componen una bóveda cajón son: losa superior, paredes laterales y losa de fundación. A diferencia de las bóvedas anteriormente descritas, las de tipo cajón permiten eliminar el relleno de tierra sobre ella, quedando su losa superior expuesta al tráfico vehicular. Su forma particular compuesta por losas planas, permite que el armado del refuerzo sea de fácil colocación y si se requiere construir con elementos prefabricados, la construcción e instalación de éstos es simple.
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a) Losa superior b) Paredes laterales c) Losa inferior Bóvedas metálicas Este tipo de bóvedas, se fabrican de planchas de acero con corrugaciones en sentido perpendicular a su longitud. Las planchas varían en espesor hasta 7.1 mm y se fabrican en anchos diferentes desde 73.2 cm aproximadamente hasta 195.1 cm aproximadamente en tramos de 3.66, 3.05, 2.44 y 1.83m de largo. Las bóvedas metálicas se utilizan en la construcción de puentes pequeños, alcantarillas, entubamiento de arroyos, pasos inferiores de peatones y ganado, depósitos de almacenaje, embalses, arcones e instalaciones similares. La ventaja de éste tipo de bóvedas, proviene principalmente de su material componente, ya que es liviano, posee gran resistencia a la ruptura, inmunidad al daño por incendio, heladas y comején, facilidad de armado, gastos mínimos de conservación y adaptabilidad al cambio de condiciones. Cargas Actuantes en el Análisis de Bóvedas Tipos de Carga Según las normas AASHTO, las estructuras están sometidas a los siguientes tipos de carga, cuando estas existan: carga viva, carga muerta, carga de impacto, carga de viento y otras fuerzas como. Fuerzas longitudinales, fuerzas centrífugas, térmicas, efectos debido a terremotos, etc. En la superestructura de una bóveda, no actúan todos los tipos de cargas antes mencionados, por lo que deberá determinarse cuáles están presentes y bajo que combinación de éstos deberá diseñarse la estructura. Combinaciones de carga según AASHTO Las estructuras se verán sometidas a una serie de cargas que pueden actuar en diferentes combinaciones. Las normas AASHTO establecen combinaciones a las cuales una estructura cualquiera puede estar sometida y se presentan en la tabla siguiente:
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Anexos Fotográficos “Carretera Chihuahua – Parral vía corta tramo PalomasSatevo” Tubos
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Losa
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Cajón
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Bóveda
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Bibliografia. -Manual de drenaje de caminos rurales Secretaria de asentamientos humanos y obras publicas. -Secretaría de comunicaciones y transportes. “estructuras y obras de drenaje” http://solelboneh.com/web/abril http://es.slideshare.net/manuelgerman35/obras-de-drenaje-para-carreteras-15330964 http://es.slideshare.net/israel12500193/obras-de-drenaje-unidad-3 http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/30551/2/Presentacion.pdf
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Introducción Al construir una carretera se interrumpe la continuidad de la red de drenaje natural del terreno, por lo que se deben diseñar obras de drenaje transversal (alcantarillas) que restituyan dicha continuidad, permitiendo su paso bajo la carretera en condiciones tales que perturben lo menos posible la circulación del agua en dicha red. Las alcantarillas además de ayudar a que los escurrimientos naturales no se vean afectados, nos permiten proteger el camino de excesivos escurrimientos en los taludes que pueden provocar una pérdida de estabilidad en las terracerías lo cual ocasionaría la aparición de baches en la superficie de rodamiento e inclusive un colapso total del camino.
Hoy en día, México cuenta con una red carretera de más 340,000 km, de las cuales el 33.5% son pavimentadas y el 66.5% no lo son. De la red pavimentada, el 91% comprende carreteras de dos carriles y el resto son de cuatro carriles o más. En su jurisdicción, el 13.8% de la red es federal, el 24.4% es estatal, el 45.7% son caminos rurales y el 15.9% son brechas mejoradas. Es por esta razón que el diseño y construcción de un sistema de drenaje superficial requiere la realización de estudios del clima, suelo e hidrología. Los objetivos principales del drenaje son la preservación de la carretera, ya que ésta juega un papel social y económico. La prevención del impacto negativo al ambiente es de igual manera una de las metas del sistema de drenaje. El diseño y construcción de drenajes subterráneos requiere estudios geológicos especializados. El concepto básico para el diseño del drenaje subterráneo consiste en remover el agua del terreno para interceptarla con un material más poroso que el suelo original.
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Drenaje. Definición. Uno de los elementos que mayores problemas causa a los caminos, si no el que mas, es el agua, ya que provoca la disminución de la resistencia de los suelos, por lo que se presentan las fallas en terraplenes, cortes y superficies de rodamiento. Lo anterior, conduce a resolver el drenaje de tal forma, que el agua se aleje del camino lo más pronto posible. Por tanto un buen drenaje es el alma del camino. El estudio del drenaje, debe iniciarse desde la selección de la ruta, para la cual, se deberá elegir la zona que provoque menos problemas de escurrimiento. Si desde la etapa de elección de la ruta, no se elije la zona más adecuada, se tendrán problemas durante la vida del camino innecesariamente los costos de conservación.
El drenaje de caminos se clasifica en superficial y subterráneo. El drenaje superficial se clasifica, según la posición que las obras guardan con respecto al eje del camino, en longitudinal y transversal. DRENAJE LONGITUDINAL. El drenaje longitudinal es aquel que tiene por objeto captar los escurrimientos para evitar que lleguen al camino o permanezcan en el, de tal manera que no le causen desperfectos. Los tipos de obras que quedan comprendidas en el drenaje longitudinal son: Cunetas.- son canales que se hacen a los lados de la cama del camino en cortes y tienen como función interceptar el agua que escurre a los lados de la corona, del talud de corte y del terreno natural adyacente, para conducirla hacia una corriente natural. Contracunetas.- son zanjas que se construyen aguas arriba de los ceros de los cortes, con el fin de interceptar el agua que escurre por las laderas y conducirla hacia alguna cañada inmediata o parte baja del terreno, evitando que al escurrir por el talud lo erosione y que se aumente el caudal de las cunetas. Bombeo.- el bombeo proporciona a la corona del camino, en las tangentes del trazo horizontal, una pendiente transversal del centro del camino hacia los hombros y su función es la de dar salida expedita al agua que cae sobre la corona y evitar en lo posible que penetre en las terracerías. DRENAJE TRANSVERSAL. El drenaje transversal es el que tiene por objeto dar paso al agua que cruza de un lado a otro del camino, o retirar el agua de la corona; quedan comprendidos en este tipo de drenaje los tubos, losas, cajones, bóvedas, vados, sifones invertidos y puentes.
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Tipos y usos de alcantarillas. Las obras de drenaje transversal se dividen en drenaje menor y drenaje mayor, según la dimensión del claro. Siendo el drenaje mayor aquel que requiere obras con claro mayor de seis metros, a este tipo de obras se le conoce con el nombre de puentes y las obras de drenaje menor se denominan alcantarillas. Para el proyecto de una alcantarilla se deben tomar en cuenta los siguientes factores: a) b) c) d)
Ubicación de la obra. Calculo del área hidráulica. Elección del tipo de obra. Calculo dimensional y estructural.
a) Ubicación de la obra.- Esto se hace conjuntamente con el trazo definitivo, para saber donde se van a ubicar los ejes de las alcantarillas en la planta del camino. b) Calculo del área hidráulica.- Es el área necesaria para dar paso al volumen de agua que se concentra a la entrada de la obra, para ello es necesario conocer la precipitación pluvial, área, pendiente y formación geológica de la cuenca. c) Elección del tipo de obra.- Para elegir el tipo de obra a emplearse se deben considerar los siguientes factores:
1) Altura de terraplén. Los tubos y bóvedas requieren un colchón mínimo de terraplén en los hombros de 0.60m y de 1.0m respectivamente.
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2) Forma de sección en el cruce. Cuando el cruce es amplio o divagante y no está definido, se recomienda una losa de pequeña altura y con claro amplio o en varios tubos; cuando los escurrideros son definidos y la rasante es baja, se pueden utilizar tubos y losas. Si las secciones son estrechas y profundas las obras indicadas son las bóvedas esto depende de la altura del terraplén que va aquedar sobre ellas. 3) Capacidad de sustentación del terreno. Tiene influencia en el costo de las obras y por lo tanto en la elección del tipo de ellas, ya que la cimentación que requieren en cada caso tiene costos distintos. 4) Materiales de construcción disponibles en la región. Los materiales de la región juegan un papel importante en la elección del tipo de obra, ya que si para la construcción de la obra elegida es necesario traer los materiales desde un sitio muy retirado, esto puede encarecer el proyecto.
Tipos de Alcantarillas 1) Losas. Son estructuras formadas por dos muros de mampostería (estribos), sobre los cuales se apoya una losa de concreto reforzado. Hay losas con colchón y losas sin colchón, las SCT tiene elaborados proyectos tipo de hasta seis metros de luz con un espesor de 4.25 metros de colchón y estribos para diferente capacidad de carga.
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Las alcantarillas de la losa están constituidas por los siguientes elementos: LOSA.- Esta funciona como tapa de la alcantarilla. Para el diseño de la losa se debe considerar que está soportando además de su propio peso y el de las terracerías que se encuentran sobre ella la carga viva de los vehículos (H15-S12 o H20-S16). Para la losa se recomienda un f’c = 150 Kg/Cm² al igual que para las guarniciones. ESTRIBOS.- Sirven de soporte de la losa. Son de mampostería de tercera clase con mortero cemento-arena 1:5 y las zapatas pueden ser tanto de mampostería como de concreto. ALEROS.- Los aleros sirven para encauzar la corriente hacia la alcantarilla. Al igual que los estribos, los aleros son de mampostería de tercera clase. ZAMPEADO.- La función del zampeado es evitar posibles erosiones debido a los flujos que estarán presentes en la alcantarilla. FILTRO.- Es recomendable colocar una capa de piedra de 30 centímetros de espesor en las paredes exteriores de los estribos para encauzar las aguas freáticas hacia los drenes. DREN.- El dren es un tubo de PVC de 10Cm de diámetro el cual se utiliza para evitar la presión hidrostática sobre los estribos. Los drenes se colocaran con una separación de 3 metros a todo lo largo de la alcantarilla.
*DISENO DE LOSAS. Para el diseño de una alcantarilla de losa las consideraciones generales a tomar son: I. II. III. IV. V.
Los claros serán de máximo 6.00m. El colchón máximo para este tipo de alcantarillas es de 4.25m. No existe un colchón mínimo. La losa será de concreto reforzado de un un f’c = 150 Kg/Cm² para claros de 1.00 a 4.00 m y para claros mayores el concreto será de resistencia de un f’c = 200 Kg/Cm². Los estribos y los aleros serán de mampostería de tercera clase, existen estribos mixtos de mampostería con zapatas de concreto de f’c = 100 Kg/Cm².
Existen tablas para el diseño rápido de las alcantarillas de losa.
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A continuación se muestra una tabla para el cálculo de las longitudes y de los diámetros del acero de refuerzo para las losas con claro de 1.00m. Estas losas no llevan parrilla superior (Varillas D y E ) y en la parrilla inferior solo llevan varillas A y C.
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Para el diseño de estribos de una losa de 1.00m de claro y considerando una altura del estribo de 1.50m y una capacidad de carga del terreno de 1.00 Kg/Cm², tenemos la siguiente información:
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2) Tubos. Son alcantarillas de sección interior normalmente circular y requieren siempre de un espesor de terraplén o colchón mínimo de 0.60 m para su mejor funcionamiento estructural. Las alcantarillas de tubos tienen una gran ventaja, pues inmediatamente después de tendido el tubo se puede construir el terraplén; así que se recomienda esta tipo de alcantarillas a menos que la pendiente transversal sea mayor de 30°. Para anclar la obra e impedir que la tierra del terraplén caiga en los tubos se colocan muros de cabeza tanto en la entrada como en la salida. Si no hay muros a la salida, se debe prolongar cuando menos un metro la longitud del tubo fuera de la traza del talud del terraplén con el terreno. El material de que están construidos puede ser concreto reforzado, lamina ondulada y polietileno de alta densidad. Cuando se lleva cuneta es recomendable sustituir el muro de cabeza por una caja receptora a la entrada de la obra.
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*DISENO GEOMETRICO DE UNA ALCANTARILLA DE TUBO. Para el diseño de alcantarillado con el uso de tubos se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones: I. II. III. IV.
El espesor mínimo de terraplén sobre el tubo deberá ser de 0.60m, aunque en caos especial se podrá reducir hasta 0.45m. El diámetro mínimo a utilizar será de 75 cm y en caso de ser necesario se utilizaran diámetros más pequeños para obras auxiliares. Las tuberías de concreto serán de una resistencia de 250 Kg/Cm², el acero de refuerzo de la tubería será un Fc= 4200 Kg/cm². La pendiente con la cual se proyectara la alcantarilla de tubo deberá ser la que proporcione el proyecto más económico siempre y cuando se garantice el perfecto funcionamiento hidráulico de esta.
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V. VI.
La pendiente máxima será de 45% y se deberán colocar muros de anclaje para evitar el deslizamiento del tubo. Existen también alcantarillas de doble tubo aunque no es muy recomendable usarlas, puesto que si es necesario incrementar el área hidráulica es preferible colocar una losa que cumpla con el área necesaria a colocar tubos ya que esto podría provocar que los tubos se tapen.
Existen formatos para el diseño de las alcantarillas así como tablas para el cálculo rápido del área hidráulica para los diferentes diámetros de tubos y de las dimensiones de los muros de cabeza. Para obtener el área en hectáreas que puede drenar una alcantarilla de uno o de dos tubos tenemos las siguientes tablas: Para alcantarillas de un tubo.
Para alcantarillas de dos tubos.
Donde: ϕ = Diámetro de la tubería en cm. C = Coeficiente de fricción del terreno.
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A continuación se muestran las tablas correspondientes para obtener las dimensiones de los muros:
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3) Cajón Los cajones son estructuras de sección rectangular con paredes, techos y piso de concreto reforzado cuya construcción requiere cuidados especiales. Trabajan en conjunto como un marco rígido que absorbe el peso y el empuje del terraplén la carga viva y la reacción del terreno. Tanto las losas como los muros son delgados y de poco peso, el conjunto tienen una amplia superficie de sustentación.
El rango más usual de aplicación de este tipo de estructura es de luces entre 3 metros y 6 metros, alturas entre 4 metros y 9 metros, itiéndose varios múltiples para luces iguales o mayores a cuatro metros. En general este tipo de alcantarilla no se la diseña con tapada de terraplén sino que la losa (con una capa de recubrimiento) se utiliza como superficie de rodamiento.
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Esta situación requiere el diseño de losa de aproximación para disminuir los asentamientos relativos entre estructura y terraplena adyacente. El modelo con platea ite menores tensiones del suelo de fundación (del orden de 40% del que requieren pórticos sobre zapatas), haciendo posible el uso de este tipo de obra sobre terrenos de baja calidad. Alcantarilla de cajón prefabricados (BoxCulvert). Son elementos prefabricados de gran tamaño elaborados en concreto reforzado, componen un sistema modular en el que cada parte se conecta con el otro para formar un túnel. Cada elemento se empalma con el otro a través de un espigo, el cual lleva incorporado un sellante bituminoso, que al ser presionado forma un sello hidráulico hermético. Por lo regular son de forma rectangular y sus tamaños varían de acuerdo a la aplicación. Con frecuencia son utilizados para transportar aguas lluvias o servidas (obras de drenaje).
Usos y Aplicaciones Las alcantarillas tipo cajón son empleadas en obras de drenaje en estructuras viales. También utilizadas en alcantarillados de aguas servidas, drenajes pluviales y para conducir cualquier tipo de agua en secciones cubiertas. Ventajas de Uso
Fácil colocación. Mayor capacidad de caudal. permite el paso de vehículos pesados sin necesidad de terraplén. Baja permeabilidad. Juntas estancas. Capacidad de carga de alto tonelaje. (AASHTO-93 - HS-18) 14.50 Ton/eje.
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4) Bóveda La utilización de bóvedas se requiere cuando las alcantarillas circulares no tienen la capacidad de las áreas hidráulicas, se toman en cuenta aspectos como el ancho del cauce, el arrastre de materiales del cauce, la altura de los rellenos de la carretera y la pendiente del cauce. Se pueden clasificar como circulares, con diámetros mayores a 90”, semicirculares y súper claros de flecha alta o baja. Definición. Se considera como bóveda, la obra de drenaje transversal formado por muros unidos por uno o varios arcos y que soportan las cargas de tránsito de vehículos, a través de un relleno. Otra definición de bóveda puede ser: son obras civiles constituidas por una superestructura apoyada sobre una subestructura, en donde la primera es la encargada de soportar las cargas de tráfico vehicular y/o del relleno de suelo sobre ella y éstas son transferidas a la subestructura, la cual se encarga de transmitirlas al suelo soportante. La importancia de las bóvedas radica en que por medio de ellas se puede aprovechar el área utilizada por drenajes naturales como las barrancas, las quebradas y los ríos; así como también son obras de paso para salvar accidentes naturales del terreno. Su uso se aconseja cuando no se pueden colocar tubos, cuando la pendiente transversal es muy fuerte y cuando la profundidad de la quebrada es muy grande. El arco puede ser en forma parabólica, de sección uniforme o variable y estará conformado con los muros; éstos a su vez sirven como muros de retención, cuya función es la de contener el relleno sobre la obra, para que no se derrame al cause u obstáculo a salvar. Al arco se le llama superestructura y a los estribos y pila (si es necesaria), subestructura. Superestructura La superestructura de una bóveda es aquel elemento estructural al que se le denomina arco, el cual está apoyado directamente sobre la subestructura y cuya función principal es soportar con seguridad las cargas a las que se verá sometido. Estas cargas provienen de las presiones originadas por el relleno de tierra, por el tráfico vehicular y por su mismo peso. La geometría del arco puede ser de directriz parabólica, circular, elíptica o formada por la combinación de ellas, siendo su espesor constante o variable, y elaborado de concreto simple, concreto reforzado, mampostería de piedra o mampostería de bloque de concreto. El arco puede ser construido directamente en el sitio que le corresponde en la bóveda o en otros lugares si se utilizan elementos prefabricados. Subestructura La subestructura de una bóveda está constituida por los elementos estructurales conocidos como estribos, éstos se presentan en pareja ya que sirven de apoyo a ambos extremos del arco. La función de los estribos es la de transmitir las reacciones del arco al suelo soportante. Las cargas sobre el estribo son: las reacciones provenientes del arco, las presiones de tierra que sostiene el estribo y el peso propio. Los estribos pueden ser construidos con diferentes materiales: mampostería de piedra, concreto reforzado y mampostería reforzada. Su geometría depende del tipo de material con el que se haya diseñado una vez alcanzada su estabilidad.
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En donde los estribos son muros de apoyo lateral del o los arcos. Los aletones a ala, son obras de protección a la entrada y salida del conducto. El coping o muro de coronamiento, protege la parte vista del arco. Las fundaciones o base, le sirven de apoyo a los estribos. La llave, se ubica entre la unión del arco y el estribo. El arco o superestructura, se ubica sobre los estribos. El drenaje sirve para eliminar la acumulación de agua en la tierra. El arranque es el punto de origen del arco, así, la corona o clave, es la parte más alta del mismo. Otros tipos de bóvedas Existen otros tipos de bóvedas que trabajan como un solo elemento estructural de tal manera que no se puede dividir sus partes en superestructura y subestructura. La geometría es variable, así las hay circulares, rectangulares, cuadradas, elípticas, etc., y los materiales con que se construyen pueden variar también. A continuación se mencionan dos ejemplos de este tipo de bóvedas. Bóvedas Cajón La bóveda cajón es una estructura de concreto reforzado de forma cuadrada o rectangular construida monolíticamente. Las partes que componen una bóveda cajón son: losa superior, paredes laterales y losa de fundación. A diferencia de las bóvedas anteriormente descritas, las de tipo cajón permiten eliminar el relleno de tierra sobre ella, quedando su losa superior expuesta al tráfico vehicular. Su forma particular compuesta por losas planas, permite que el armado del refuerzo sea de fácil colocación y si se requiere construir con elementos prefabricados, la construcción e instalación de éstos es simple.
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a) Losa superior b) Paredes laterales c) Losa inferior Bóvedas metálicas Este tipo de bóvedas, se fabrican de planchas de acero con corrugaciones en sentido perpendicular a su longitud. Las planchas varían en espesor hasta 7.1 mm y se fabrican en anchos diferentes desde 73.2 cm aproximadamente hasta 195.1 cm aproximadamente en tramos de 3.66, 3.05, 2.44 y 1.83m de largo. Las bóvedas metálicas se utilizan en la construcción de puentes pequeños, alcantarillas, entubamiento de arroyos, pasos inferiores de peatones y ganado, depósitos de almacenaje, embalses, arcones e instalaciones similares. La ventaja de éste tipo de bóvedas, proviene principalmente de su material componente, ya que es liviano, posee gran resistencia a la ruptura, inmunidad al daño por incendio, heladas y comején, facilidad de armado, gastos mínimos de conservación y adaptabilidad al cambio de condiciones. Cargas Actuantes en el Análisis de Bóvedas Tipos de Carga Según las normas AASHTO, las estructuras están sometidas a los siguientes tipos de carga, cuando estas existan: carga viva, carga muerta, carga de impacto, carga de viento y otras fuerzas como. Fuerzas longitudinales, fuerzas centrífugas, térmicas, efectos debido a terremotos, etc. En la superestructura de una bóveda, no actúan todos los tipos de cargas antes mencionados, por lo que deberá determinarse cuáles están presentes y bajo que combinación de éstos deberá diseñarse la estructura. Combinaciones de carga según AASHTO Las estructuras se verán sometidas a una serie de cargas que pueden actuar en diferentes combinaciones. Las normas AASHTO establecen combinaciones a las cuales una estructura cualquiera puede estar sometida y se presentan en la tabla siguiente:
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Anexos Fotográficos “Carretera Chihuahua – Parral vía corta tramo PalomasSatevo” Tubos
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Losa
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Cajón
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Bóveda
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Bibliografia. -Manual de drenaje de caminos rurales Secretaria de asentamientos humanos y obras publicas. -Secretaría de comunicaciones y transportes. “estructuras y obras de drenaje” http://solelboneh.com/web/abril http://es.slideshare.net/manuelgerman35/obras-de-drenaje-para-carreteras-15330964 http://es.slideshare.net/israel12500193/obras-de-drenaje-unidad-3 http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/30551/2/Presentacion.pdf
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