Programa de cómputo para el diseño hidráulico y estructural de alcantarillas metálicas corrugadas convencionales de sección circular

Abstract

Las alcantarillas son conductos que transportan corrientes de aguas pluviales o de drenaje por debajo de carreteras, vías férreas, canales u otros tipos de obstrucciones. Constan de un conducto bajo el relleno del terraplén y obras de protección a la entrada y salida. Son construidas de una variedad de formas, materiales y configuraciones a la entrada y salida que dependen principalmente del perfil de la carretera, topografía, características del cauce, costos de construcción, mantenimiento y tiempo de vida útil. Entre los tipos de alcantarillas es comúnmente usada la tubería metálica corrugada, que al ser enterrada forma un sistema de interacción suelo-acero para soportar las condiciones de cargas más severas, además de ofrecer otras ventajas como la durabilidad, facilidad de instalación, y transporte. Para la forma circular se alcanzan diámetros de 0.60 hasta 7.70m. Los criterios de diseño dependen de factores como el análisis hidrológico, las condiciones de sitio y las especificaciones técnicas de alcantarillas. Esta información permite realizar correctamente el diseño hidráulico y estructural de la alcantarilla y las obras de protección ubicadas a la entrada y salida. En el diseño hidráulico de una alcantarilla, las condiciones aguas arriba, aguas abajo y las características hidráulicas en la alcantarilla pueden agruparse en dos tipos de condiciones de flujo: control de entrada y control de salida. Se analiza para ambos casos comparando la carga hidráulica que se origina a la entrada por efecto de la contracción del flujo debido a la alcantarilla con la carga hidráulica disponible en la entrada. Esto se logra a través de un proceso iterativo que busca determinar características como tamaño, forma y número para las condiciones hidráulicas y de sitio dadas. El diseño estructural de la alcantarilla metálica corrugada busca determinar el espesor, tipo de corrugación o refuerzo dependiendo de la altura de cobertura y del tipo de carga viva. Mientras que las obras de protección en la entrada y salida dependerán de la estabilidad estructural del material de relleno, control de erosión del cauce y el mejoramiento de la capacidad hidráulica. Las estructuras de transición de flujo a la entrada (cabezal tipo alero) son diseñadas para mejorar la capacidad de la alcantarilla, reducir las pérdidas de carga o en el caso de régimen supercrítico, evitar que se forme un salto hidráulico. La erosión a la entrada de la alcantarilla no es frecuente, salvo excepciones como la no alineación de la alcantarilla con respecto al cauce. Mientras que las estructuras de protección a la salida como transición de flujo (cabezal tipo alero) y disipadores de energía buscan redistribuir el flujo sin que se produzca excesiva separación, turbulencia ni erosione el cauce aguas abajo. La erosión en la salida de la alcantarilla es una condición común por eso se requiere necesariamente determinar la condición del flujo y potencial de socavación del cauce. La estimación de la geometría más desfavorable del hoyo de socavación que se producirá a la salida de la alcantarilla es un cálculo que juntamente con la información del reconocimiento de sitio y el mantenimiento histórico sirven para determinar la necesidad de emplear estructuras de protección. Uno de los métodos de protección es a través de la poza de enrocado, que consiste en un hoyo de socavación preformado y revestido con rocas para que funcione como un disipador de energía por formación de un salto hidráulico. El diseño de esta estructura se limita al número de Froude 3. Todos estos fundamentos teóricos y criterios de diseño han sido revisados en este informe con el fin de establecer los algoritmos de diseño para la elaboración del programa de cómputo “TMCir”. El TMCir es un programa de cómputo creado para el diseño hidráulico y estructural de alcantarillas metálicas corrugadas de sección circular, así como también para el análisis de alcantarillas existentes con el fin de brindar una herramienta productiva que facilite el diseño de alcantarillas como parte de la realización de proyectos hidráulicos y viales. Este compuesto de 08 subprogramas o módulos permitiéndole al usuario interactuar de manera flexible con el programa ya que pueden ser usadas de acuerdo al requerimiento en todas las fases del proyecto en forma independiente o siguiendo la secuencia que establezca el usuario con la posibilidad de imprimir los resultados y mostrar una representación gráfica en AutoCAD. Los módulos que componen el programa son: Diseño hidráulico de alcantarillas circulares, transiciones rectas de entrada y salida, cálculo de socavación a la salida, diseño de pozas de enrocado, diseño estructural de alcantarillas metálicas corrugadas, diseño estructural de cabezales tipo alero y diseño estructural de soleras (losas de fondo).