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FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN: “ESTRUCTURAS DE CRUCE Y/O PASE: ACUEDUCTOS”

INTEGRANTES:  CASTILLO GARCÍA, LELIS DEYSER  HUACO CHERO, JULIO WOODROW  MAZA VÍLCHEZ, HENRY JAVIER  PINGO CHUNGA LENIN ERNESTO  YAHAHUANCA HUAMÁN FLOR YASMIN

DOCENTE: MG. ING. AUGUSTO ALBERTO MOSCOSO BAZALAR

EXPERIENCIA CURRICULAR: OBRAS HIDRÁULICAS

PIURA – PERU 2020

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN......................................................................................................................4 OBJETIVOS...............................................................................................................................5 GENERAL..............................................................................................................................5 ESPECÍFICOS........................................................................................................................5 I.

ACUEDUCTOS EN LA HISTORIA..................................................................................6 1.1.

Acueductos Romanos...................................................................................................6

1.2.

ACUEDUCTOS DE NAZCA......................................................................................6

1.3.

ACUEDUCTOS MODERNOS....................................................................................7

II.

A.

El Acueducto Veluwemeer - Holanda.......................................................................7

B.

Acueducto del Pont du Sart - Bélgica.......................................................................8

C.

Acueducto Ringvaart Haarlemmermeer, Holanda....................................................8

D.

Puente de Magdeburg, Alemania..............................................................................9

DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN ACUEDUCTO........................................................9 2.1.

DEFINICIÓN...............................................................................................................9

2.2.

FINALIDAD..............................................................................................................10

2.3.

VENTAJAS DE UN ACUEDUCTO.........................................................................10

2.4.

FUNCIONAMIENTO................................................................................................11

2.5.

TIPOS DE ACUEDUCTOS.......................................................................................11

A.

ACUEDUCTO SUBTERRANEO..........................................................................11

B.

ACUEDUCTO SEMI-SUBTERRANEO...............................................................12

C.

ACUEDUCTO DESCUBIERTO...........................................................................13

2.6. III.

PARTES DEL ACUEDUCTO....................................................................................13 DISEÑO HIDRÁULICO DE UN ACUEDUCTO........................................................14

3.1. A.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO....................................14 Material...................................................................................................................14 2

B.

Forma de la sección transversal..............................................................................14

C.

Ubicación de la sección de control.........................................................................14

3.2.

DISEÑO DE UN ACUEDUCTO..............................................................................16

3.2.1. LA TRANSICIÓN..................................................................................................16 A.

La Entrada...............................................................................................................17

B.

La Salida.................................................................................................................18

C.

Borde Libre.............................................................................................................20

3.2.2.

EL TRAMO ELEVADO.....................................................................................20

3.2.3. PROTECCIÓN DEL FONDO DEL CANAL Y LOS TALUDES CONTRA LA EROSIÓN.........................................................................................................................22 IV.

EJEMPLO DE CÁLCULO HIDRÁULICO..................................................................22

CONDICIONES HIDRÁULICAS DEL CANAL:...............................................................22 TIPO DE TRANSICIÓN......................................................................................................24 CÁLCULO DE Yn EN EL ACUEDUCTO...........................................................................24 Cálculo de ∆ yE ...........................................................................................................26 CÁLCULO DE LA COTA B................................................................................................26 LONGITUD DE LA TRANSICIÓN....................................................................................27 CÁLCULO DE COTA C......................................................................................................27 CÁLCULO DE Δys .........................................................................................................28 CÁLCULO DE COTA D......................................................................................................28 PLANTA Y PERFIL DE TRANSICIÓN DE ENTRADA....................................................28 PLANTA Y PERFIL DE TRANSICIÓN DE SALIDA........................................................29 BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................................31

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INTRODUCCIÓN La ingeniería civil abarca un gran número de estudios, es muy común encontrarse con problemas relacionados al cauce de aguas, debido a esto los ingenieros civiles tenemos la obligación de aplicar los conocimientos adquiridos en el curso de OBRAS HIDRAULICAS resolviendo este tipo de problemas. En el recorrido de un canal, pueden presentarse diversos accidentes y obstáculos como son: Depresiones del terreno, Quebradas secas, Fallas, Cursos del agua, necesidad de cruzar vías de comunicación (carreteras, vías férreas u otro canal). La solución mediante estructuras hidráulicas es: Acueductos, Sifón, Diques. En el caso del cruce de un canal con una vía de comunicación dependerá de la importancia de la vía de comunicación como del tamaño del canal, para elegir si es preferible pasar el canal encima de la vía o por debajo de ella, en el primer caso la solución será un acueducto, en el segundo caso se optará por un sifón invertido o un conducto cubierto. Un diseño hidráulico integrado para un canal de acueducto desarrollado, tiene como objetivo minimizar el área de vías de agua de agua en movimiento, lo que minimiza la masa de agua en movimiento por unidad de longitud de un canal de acueducto. La minimización de la masa de agua da como resultado en menor carga de agua en el canal de acueducto. Menor carga de agua en acueducto asegura menor cantidad de materiales de construcción y por lo tanto infraestructura y la superestructura costo reduce considerablemente haciendo que el costo estructura de acueducto efectiva. Nuestro trabajo de investigación se centrará en diseño hidráulicos de los acueductos tipo puente canal.

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OBJETIVOS GENERAL  Desarrollar capacidades que nos permiten tener una visión clara y amplia del Diseño Hidráulico de la estructura de pase: acueducto

ESPECÍFICOS  Estudiar los acueductos como estructuras de cruce.  Estudiar el Diseño Hidráulico de un acueducto.  Ejemplificar numéricamente mediante un caso el diseño hidráulico de un acueducto.

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I.

ACUEDUCTOS EN LA HISTORIA

1.1.

Acueductos Romanos Los romanos construyeron numerosos acueductos para proporcionar agua a las ciudades y lugares industriales en su imperio. Estos acueductos estaban entre los mayores logros de ingeniería del mundo antiguo y establecieron un estándar no igualado durante más de mil años tras la caída de Roma. Hoy en día muchas ciudades mantienen y usan los antiguos acueductos, aunque los canales abiertos han sido, normalmente, reemplazados por tuberías. La misma ciudad de Roma, por ser la ciudad más grande, tenía la mayor concentración de acueductos, con agua proporcionada por once acueductos construidos a lo largo de un período de quinientos años. Los estudiosos han llegado a predecir el tamaño de la ciudad por su abastecimiento de agua.

Imagen 01: Parte del sistema de abastecimiento hidráulico, cuyo objetivo era traer el agua desde fuentes y manantiales que podían hallarse a más de 50 kilómetros de distancia.

1.2.

ACUEDUCTOS DE NAZCA Los acueductos, son trabajos de ingeniería hidráulica que debemos revalorar y buscar que se consideren como una maravilla de la ingeniería civil, al igual que el santuario de Tipón, en Cusco. Estos acueductos conducen las filtraciones de los ríos, Aija, Tierra Blancas y Nazca por tramos subterráneos y por tramos descubiertos. En los tramos cubiertos construyeron chimeneas de sección helicoidal cada cierto tramo (50, 100 y 120 m), con el fin de realizar el mantenimiento de las zanjas y cargar con la presión atmosférica al acueducto y mantener el régimen de flujo uniforme, el mismo 6

que no causa erosión ni sedimentación en el canal. Las chimeneas tienen una longitud promedio aproximado de unos 49 m donde se puede ingresar con relativa facilidad a realizar el mantenimiento. Las paredes de estas chimeneas están revestidas con piedras canto rodado, colocados aparentemente sin aglomerante y mantienen su estabilidad a pesar de los fenómenos naturales ocurridos.

Imagen 02: Acueductos de Ocongalla – Ica. Son tres entradas de agua que llevan a un canal para el uso de la población.

1.3.

ACUEDUCTOS MODERNOS

A.

El Acueducto Veluwemeer - Holanda El acueducto fue abierto al tráfico en 2002, y tiene cerca de 25 metros de largo y 19 metros de ancho y tiene una profundidad de 3 metros que permiten a los botes pequeños pasar a través de él. Aproximadamente 28.000 vehículos pasan todos los días. Senderos se han construido a cada lado del acueducto para que el público pueda disfrutar de la vista.

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Imagen 03: Acueducto Veluwemeer – Holanda

B.

Acueducto del Pont du Sart - Bélgica Estructura de hormigón armado que soporta un tramo de 498m del Centrumkanaal en el oeste de Bélgica por encima de la rotonda de conexión entre la N55 y la N552 ubicada cerca de Houdeng-Goegnies. Un mastodonte de 65.000 toneladas de peso soportado por 28 columnas de 3m de diámetro.

Imagen 04: Acueducto del Pont du Sart - Bélgica

C.

Acueducto Ringvaart Haarlemmermeer, Holanda El canal Ringvarrt rodea, por lo que ya hacía suponer el término “ring”, el poder de Haarlemermmeer. El acueducto cruza sobre la autopista A4, entre las poblaciones de Vredeburg y Oude Weterig, a medio camino de La Haya y Amsterdam.

Imagen 05: Acueducto Ringvaart Haarlemmermeer, Holanda

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D.

Puente de Magdeburg, Alemania. ¡El más largo de los acueductos navegables del mundo con 918m! El proyecto se inició en 1905, pero evidentemente sufrió un parón en 1942 por la II Guerra Mundial el cual se prolongó durante la denominada Gerra Fría, hasta que en 1997 se retomaron las obras que terminaron en 2003. Su estructura de hormigón armado cruza por encima del río Elba, conectando el canal Elbe-Havel con el Mittellandkanal y supuso un ahorro de 12km en el transporte de mercancías y de embarcaciones de pasajeros.

Imagen 06: Puente de Magdeburg, Alemania

II.

DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN ACUEDUCTO

2.1.

DEFINICIÓN El acueducto es un conducto, que fluye como canal encima de un puente diseñado, para resistir la carga de agua y su propio peso para atravesar una vía de transporte o para cruzar una depresión o curso de agua no muy profundo. Es una construcción para la conducción de agua a fin de salvar un desnivel.

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Imagen 07: El alineamiento del canal no se modifica y se conservan los diseños de la sección transversal y de la pendiente.

El acueducto, es un conjunto formado por un puente y un conducto, el conducto puede ser de concreto, hierro, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad. En algunos casos el alineamiento del canal no se modifica y se conservan los diseños de la sección transversal y de la pendiente.

Imagen 08: Vista de canal aéreo Cascajal – Chimbote.

2.2.

FINALIDAD La finalidad de un acueducto es pasar agua de un canal de riego por encima de otro canal de riego, un dren o una depresión en el terreno. Por lo general se usa construcciones de concreto armado para este fin. En el caso de cruce con vías de transporte se usará acueductos cuando la rasante de la vía permita una altura libre para el paso de los vehículos de transporte. En caso de cruce de quebradas el puente debe tener suficiente altura para dejar pasar el acueducto las máximas avenidas en el cauce que cruza. Igualmente, si el puente tiene varios pilares, producirá remansamientos y socavaciones que conviene tenerlas en cuenta.

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2.3.

VENTAJAS DE UN ACUEDUCTO Entre las ventajas de un acueducto respecto de otro tipo de estructuras de cruce se pueden mencionar:

 El acueducto, a diferencia del sifón invertido, puede construirse mayormente con materiales locales.  Es la estructura de cruce con funcionamiento más transparente; el flujo de agua es visible y es fácil remover cualquier obstáculo en el curso.  La operación y mantenimiento de un acueducto es tan simple como la de un canal. Las estructuras de cruce mediante tuberías son más susceptibles al atascamiento por la presencia de material de arrastre y sólidos en el agua. Sin embargo, el acueducto no es una solución razonable cuando los desniveles que debe vencer son muy grandes y extendidos. Por otra parte, este tipo de estructura exige buenas a excelentes condiciones de fundación.

2.4.

FUNCIONAMIENTO El agua desciende naturalmente por el canal y no remonta nunca las pendientes. Para hacerla disponible sin bomba, hay que capturarla en un lugar más alto y hacerle seguir una trayectoria que no es su camino natural, hay que crear un camino artificial. Para esto un acueducto es construido a lo largo de los flancos de la colina normalmente, y es necesario en ciertos puntos cruzar los obstáculos que son los huecos y los baches. Para cruzar las crestas, se construye un túnel; y para atravesar los valles, se construye un puente (llamado puente de acueducto).

2.5.

TIPOS DE ACUEDUCTOS

A.

ACUEDUCTO SUBTERRANEO. El acueducto subterráneo, que se utilizaba mayoritariamente para usos agrícolas. Como tenía muchas filtraciones, esto hacía que el agua se llenase de impurezas. Además, su mantenimiento era muy difícil ya que sólo se podía acceder por respiraderos, en los que el aire se viciaba muy fácilmente.

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Las conducciones subterráneas por canal suelen estar comunicadas con la superficie por medio de pozos dispuestos a intervalos regulares. Por ellos se puede acceder al acueducto para su limpieza y mantenimiento. En el caso de los túneles servían también para extraer escombros e introducir materiales durante la construcción, así como para asegurar el correcto trazado y profundidad de la excavación.

Imagen 09: Acueducto Subterráneo.

B.

ACUEDUCTO SEMI-SUBTERRANEO. El Acueducto semienterrado, es también el menos costoso y el que menor mantenimiento necesitaba, en España, en la época del imperio Romano, este tipo de acueducto fue muy utilizado, siendo uno de este tipo el que fue en la antigüedad el acueducto más largo.

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Imagen 10: Acueducto Semi-subterráneo.

C.

ACUEDUCTO DESCUBIERTO El acueducto descubierto, es el más conocido actualmente. Era el que necesitaba más previsión y más cálculos. Se usaba únicamente para salvar obstáculos del terreno con los que se encontraban los otros dos tipos de acueducto.

Imagen 04: Acueducto descubierto.

2.6.

PARTES DEL ACUEDUCTO Un acueducto es la estructura más común para conducir agua a través de una depresión topográfica como una quebrada, un curso de agua o un río. Hidráulicamente se compone de un conducto elevado, con transiciones de entrada y salida cuando su sección es distinta a la del canal de entrada y salida. Estructuralmente se compone de una caja aérea o viga continua con sección constante en forma de "U", dos estribos para apoyar sus extremos y cuando es necesario, pilas intermedias con sus respectivas fundaciones.

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Imagen 05: Esquema de un puente canal.

III.

DISEÑO HIDRÁULICO DE UN ACUEDUCTO

3.1.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO HIDRÁULICO

A.

Material El material utilizado para la construcción del puente canal puede ser: concreto, madera, hierro, u otro material duro, lo cual nos permite elegir el coeficiente de rugosidad.

B.

Forma de la sección transversal Por facilidades de construcción se adopta una sección rectangular, aunque puede ser semicircular o cualquier otra forma.

C.

Ubicación de la sección de control Por lo general, un puente canal cuya vista en planta se muestra en la imagen 05, se diseña para las condiciones del flujo subcrítico (aunque también se puede diseñar para flujo supercrítico), por lo que el puente canal representa una singularidad en el perfil longitudinal del canal, que crea efectos hacia aguas arriba.

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Imagen 06: Esquema vista en planta puente canal.

En la sección 4 de la imagen 06, se tienen las condiciones reales, siendo su tirante real de flujo el correspondiente al Yn del canal, esto debido a que toda singularidad en un flujo subcrítico crea efectos hacia aguas arriba, por lo que esta sección 4, representa una sección de control. La ubicación de una sección de control, resulta importante para definir el sentido de los cálculos hidráulicos, en este caso, desde la sección 4 aguas abajo, hacia la sección 1 aguas arriba. Cabe recalcar que, para el caso de un diseño en flujo supercrítico, el puente canal sería una singularidad que crea efectos hacia aguas abajo, por lo que la sección de control estaría en la sección 1, Y los cálculos se efectuarían desde 1 hacia aguas abajo, hacia la sección 4. Los datos necesarios que se deben contar para su diseño son los siguientes: -

El caudal Q [m³/s]

-

Base del canal B o espejo de agua T en el canal en caso de sección rectangular [m]

-

La rugosidad del canal n

-

La pendiente del canal S [m/m]

-

El talud de las paredes del canal Z [m/m]

-

La pendiente del acueducto Sa [m/m] 15

3.2.

-

La long...