Hidráulica II Proyecto Final Diseño de Puente Canal Ing. German Palenque Docente UPSA Rodrigo Lacio Saucedo 2016112930 Jorge Ibarra Mogro 2015110445 Juan Pablo Urioste 2015111638 Lucas Campero Volpe 2016111739 Santa Cruz de la Sierra, Bolivia – II/2019 Diseño de Puentes Canal Descripción de la Obra El puente acuífero de Magdeburgo, Alemania ¿Dos ríos que se cruzan? Pues no, se trata del Puente Acuífero de Magdeburgo, el más largo del mundo con una longitud total de 918 metros. Se trata de un acueducto navegable en Alemania que abrió sus puertas en octubre de 2003, conectando el Canal de Elbe-Havel al Mittellandkanal, y cruzando el río Elba. La construcción comenzó en 1997, y después de seis años y alrededor de 500 millones euros, el puente gigantesco del agua ahora conecta el puerto interior de Berlín con los puertos a lo largo del río del Rin. El enorme canal creado para transportar las naves sobre Elbe llevó 24.000 toneladas métricas de acero y de 68.000 metros cúbicos de concreto la estructura. Hasta la inauguración del puente del agua en octubre de 2003, las naves que se movían entre el canal Midland y el canal de Elbe-Havel tuvieron que desviarse 12 kilómetros a través de la cerradura de Rothensee, del Elbe y de la cerradura de Niegripp. Datos generales Largo total: 918 metros. Anchura del canal: 34 metros. Profundidad del agua: 4.25 metros. Claro máximo: 106 metros. Separación: 90.00 x 6.25 metros Construido con cerca de 68.000 metros cúbicos de concreto y 24.000 toneladas métricas de acero. La construcción comenzó en 1997 y concluyó en 2003. Como dato adicional, cabe comentar como para hacer los cálculos de un puente como este no se toma en cuenta el peso que puedan llegar a tener los barcos, sino que solamente importa el peso del agua. Esto es debido al principio de Arquímedes: un barco siempre desplaza una cantidad de agua que pesa exactamente igual que el barco, por lo tanto, si sobre el canal pasa un barco, el equivalente a su peso de agua es desalojado y ya no afecta al canal-puente, sino que es repartido por el resto del sistema fluvial. Definición El puente canal o acueducto, es una estructura utilizada para conducir el agua de un canal, logrando atravesar una depresión u obstáculo. Esta formado por un puente y un conducto puede ser de concreto, hierro, madera u otro material resistente, donde el agua escurre por efectos de la gravedad. El obstáculo puede ser, por ejemplo: Una vía de ferrocarril Un camino Un rio Un dren Una depresión o sobre elevación natural o artificial del terreno Elementos hidráulicos Transición de entrada, une por un estrechamiento progresivo el canal con el puente canal, lo cual provoca un cambio gradual de la velocidad del agua en el canal. Conducto elevado, generalmente tiene una sección hidráulica más pequeña que la del canal. La pendiente de este conducto debe ajustarse lo más posible a la pendiente del canal, a fin de evitar cambios en la rasante de fondo del mismo. Debe procurarse que en el conducto el flujo sea subcrítico. Transición de salida, une el puente canal con el canal. Criterios de Diseño 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. Forma de la sección transversal, por facilidades de construcción se adopta una sección rectangular, aunque puede ser semicircular o cualquier otra forma. Ubicación de la sección de control, un puente canal cuya vista en planta se muestra en la figura 7.3, 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. En la sección 4 de la figura 7.3, se tienen las condiciones reales, siendo su tirante real de flujo el correspondiente al tirante normal 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. Análisis Hidráulico Por condiciones económicas el ancho debe ser lo menor posible, pero manteniendo siempre el mismo tipo de flujo, en este caso flujo subcrítico. A fin de que las dimensiones sean las mínimas posibles se diseña para condiciones cercanas a las críticas. Para una sección rectangular, en condiciones críticas se cumplen las siguientes ecuaciones: Igualando (7.1) y (7.2) y de donde despejando b resulta: En la ecuación (7.3), como Q es conocido (se debe conocer el caudal de diseño), para calcular b, se requiere conocer Emin. Como una aproximación de Emin, puede tomarse el valor de E4, calculado como: Calculado el valor de b (crítico) con la ecuación (7.3), para propiciar un flujo subcrítico en el conducto, se toma un valor mayor que este. Un valor mayor del ancho de solera reduce el efecto de la curva de remanso que se origina en el conducto. Resulta aceptable que la, curva de remanso afecte el 10 % del bordo libre. En resumen, para definir el ancho del conducto, se calcula b utilizando la ecuación (7.3), luego se amplía su valor en forma adecuada, recordando que un mayor valor disminuye el efecto por curva de remanso, pero disminuye la velocidad en el conducto. Cálculo de la transición de salida Para el caso de una transición recta la ecuación utilizada es: donde: TI = espejo de agua en el canal T2= b = ancho de solera del conducto La transición de entrada se diseña en forma similar, siendo: TI= espejo de agua en el canal T2= b = ancho de solera del conducto Cálculo de las pérdidas en las transiciones Las pérdidas predominantes en las transiciones (por su corta longitud) corresponden a las pérdidas por cambio de dirección, siendo su ecuación: Donde: h1-2= pérdidas por transición entre 1y 2 K = coeficiente de pérdidas en la transición, puede ser: o Ke = coeficiente de pérdidas en la transición de entrada o Ks = coeficiente de pérdidas en la transición de salida Ah = diferencia de cargas de velocidad, valor siempre positivo Los valores de Ke y Ks dependen del tipo de transición diseñada, en la figura 7.4 Yen la tabla 7.1, se muestran algunos valores de ellos. Tabla 7.1 Valores de Ke y Ks, según el tipo de transición: Figura 7.4 Coeficientes de pérdida de energía para transiciones de sección trapezoidal a rectangular Cálculo de los efectos de la curva de remanso El efecto de la curva de remanso incide en los tirantes de las secciones (1), (2), (3) y (4). Cálculo de Y3 Aplicar la ecuación de la energía entre las secciones 3 y 4: donde: Z3-4 = SL La ecuación (7.4), se resuelve por tanteos y se determina Y3; como se indicó anteriormente, para un flujo subcrítico Y4 = YN del tramo del canal de salida. Cálculo de Y2 Aplicar la ecuación de la energía entre las secciones 2 y 3: donde: La ecuación (7.5), se resuelve por tanteos y se determina y2. Cálculo de Y1 Aplicar la ecuación de la energía entre las secciones 1 y 2: donde: La ecuación (7.6), se resuelve por tanteos y se determina y1. Cálculo de la altura de remanso La altura de remanso producido será:
