En este documento se desarrollan los conceptos esenciales que todo diseñador vial debe considerar —desde el comportamiento hidrológico de una cuenca hasta los elementos de drenaje longitudinal y transversal (Obras de Arte) — con el objetivo de promover proyectos más seguros, duraderos y eficientes; el mencionado PDF es propio de la Universidad Pontificia Bolivariana (Módulo de Drenaje Vial), a quienes damos el crédito correspondiente.

Documento PDF: Drenaje Vial Conceptos Básicos Para El Diseñador Geométrico

El mencionado documento con información acerca el drenaje vial, desarrolla los siguientes puntos en su contenido:

1. Planteamiento de un Sistema de Drenaje Vial

1.1 Glosario
1.2 Sistemas de drenaje vial
1.3 Criterios de diseño
1.4 Justificación económica

2. Hidrología

2.1 El ciclo hidrológico
2.2 Información básica para estudios hidrológicos
2.3 Instrumentos de medición hidrológica
2.4 Aspectos morfológicos de las cuencas
2.4.1 Área de la cuenca
2.4.2 Longitud, perímetro y ancho de la cuenca
2.4.3 Parámetros de forma de la cuenca
2.4.4 Pendiente promedio
2.4.5 Índice de alargamiento de la cuenca
2.4.6 Índice de asimetría de la cuenca
2.4.7 Altura y elevación promedio del relieve
2.4.8 Curva hipsométrica
2.4.9 Perfil altimétrico del cauce principal y su pendiente promedio
2.4.10 Caracterización de los cauces según su continuidad de flujo
2.4.11 Tiempo de concentración
2.5 Calculo de escorrentía y caudales de diseño
2.5.1 Método racional
2.5.2 Método U.S Soil Conservation Service
2.6 Estadística de valores extremos
2.7 Calculo de curvas IDF sintéticas

3. Diseño Estructuras Hidráulicas

3.1 Diseño Estructuras Hidráulicas de Captación Superficial
3.1.1 Calzada y Bombeo
3.1.2 Diseño de Cunetas
3.1.3 Diseño de Sumideros
3.2 Diseño Estructuras de Conducción y Evacuación Superficial
3.2.1 Diseño de Box Culvert y Alcantarillas
3.2.1.1 Diseño Hidráulico Alcantarillas
3.2.1.2 Diseño Hidráulico de Box Culverts
3.2.2 Diseño Estructuras de Disipación de Energía
3.3 Otras Estructuras de Drenaje
3.3.1 Diseño de Drenes
3.3.2 Geodren
3.3.3 Zanjas de coronación
3.3.4 Diseños de Redes Pluviales de Alcantarillado

4. Principios básicos de la Hidráulica fluvial

4.1 Ecuación universal de la pérdida de suelo
4.2 Clasificación de los cauces (tiempo y forma)
4.3 Cruces adecuados, gálibos y planeamiento de proyectos viales
4.4 Modelación hidráulica de cauces naturales
4.4.1 Calculo de la rugosidad de un canal natural
4.5 Gradación y degradación de cauces por obras de infraestructura Balanza de Lane
4.6 Socavación
4.6.1Socavación en pilas (S. Local)
4.6.2Socavación en estribos (S. Local)
4.6.3Socavación general
4.7 Estructuras de protección

Recomendaciones de Uso Responsable del Documento PDF

El presente documento de Drenaje Vial, Conceptos Básicos para el Diseñador Geométrico de Carreteras ha sido elaborado con fines técnicos, educativos y de apoyo profesional. Se recomienda utilizar la información contenida como referencia para la planificación, diseño y evaluación de sistemas de drenaje vial, complementándola siempre con normativas vigentes, datos hidrológicos actualizados y criterios de diseño acordes al contexto geográfico y climático del proyecto.

El usuario debe considerar que las condiciones de campo, los parámetros hidrológicos y las políticas institucionales pueden variar significativamente entre regiones, por lo que cualquier diseño debe ser validado mediante cálculos específicos, ensayos de suelos, modelaciones hidráulicas y revisiones técnicas interdisciplinares. Se promueve el uso ético y responsable del material, recordando que la aplicación incorrecta de los conceptos puede generar riesgos técnicos y constructivos.

Si deseas acceder al contenido completo en formato digital, puedes descargar el documento técnico en el siguiente enlace. Este material reúne los fundamentos esenciales del drenaje vial para el diseñador geométrico, ideal para estudiantes, proyectistas y profesionales que buscan una guía clara, estructurada y confiable. A continuación pueden Descargar PDF: Drenaje Vial, Conceptos Básicos para el Diseñador Geométrico.

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Concrete box culvert analysis and design spreadsheet

La planilla Excel fue obtenida de “The engineering Community”, a quienes damos el crédito y agradecimiento correspondiente. La Hoja de Cálculo está en idioma inglés técnico, motivo por el cual no representará mayor complicación para todos nuestros colegas, ya que la simbología y variables son las conocidas en ingeniería civil.

Excel Culvert está compuesta de tres hojas de Cálculo:

Hoja de Cálculo Main – Principal

Dentro de esta hoja se aprecia una sección transversal de la alcantarilla, esta sección es automática, cambiara sus proporciones en función a las medidas ingresadas. En la parte inferior del gráfico se encuentran ocho botones:

Materials – Botón Materiales de la Alcantarilla

Se especifica que las unidades utilizadas son las del sistema internacional, se debe introducir las características de los siguientes materiales:

• Concrete – Concreto
• Steel – Acero
• Soil – Suelo
• Wearing Surface – Capa de Rodadura
• Water – Agua

Geometry – Botón Geometría de la Alcantarilla

Se especifica que las medidas a ingresar son centímetros CM, se debe ingresar el número de celdas (Cells), además se debe ingresar los siguientes datos:

• Wearing surface height – Altura de la capa de rodadura (Espesor)
• Vertical Depth – Altura del terraplén, estructura de pavimento
• Cell clear width – Ancho libre de las celdas (Entre bordes de muros)
• Exterior Wall thickness – Espesor de los muros exteriores
• Interior Wall thickness – Espesor de los muros interiores
• Bottom slab height – Altura de la losa inferior
• Top slab height – Altura de la losa superior
• Cell clear height – Altura libre de las celdas (Entre bordes de losas)

Loads – Botón Cargas

Se especifica que las unidades utilizadas son KN/M2/M, se debe ingresar las carcas actuantes sobre la estructura, son las siguientes:

– Equivalend lane load – Cargas Equivalentes

Dead Loads – Cargas Muertas

– Top Slab Weight – Peso de la losa superior
– Full Concrete Weight – Peso total del hormigón
– Vertical Fill Load – Carga del relleno vertical
– Wearing Surface load – Carga de la superficie de rodadura
– Vertical water load – Carga del agua vertical
– Horizontal water load, top – Empuje horizontal del agua en la parte superior
– Horizontal water load, bottom – Empuje horizontal del agua en la parte inferior
– Horizontal fill load, top – Empuje horizontal del relleno en la parte superior
– Horizontal fill load, bottom – Empuje horizontal del relleno en la parte inferior

Live Loads – Cargas Vivas

– Lane load vertical effect – Efecto vertical de las cargas sobre el carril
– Lane load horizontal effect – Efecto horizontal de las cargas sobre el carril

Analysis – Botón Análisis

Una vez precionado este botón se podrá ver el diagrama de momentos (Midd/End Moments) de la estructura, así como el diagrama de esfuerzos cortantes (Shear forces). Al mismo tiempo existe el botón force details (Detalle de los esfuerzos), mismo que al ser presionado nos mostrará una tabla con los esfuerzos obtenidos en todos los elementos de la alcantarilla, así también nos mostrará valores de las reacciones de apoyo (Incluye un diagrama donde se podrá identificar cada elemento).

Walls, Slabs – Botón muros y losas

Al presionar estos botones Walls y Slabs, se mostrarán los parámetros de cálculo a partir de los cuales se obtienen las cuantías de acero, en el caso de los muros se muestran dos tablas correspondientes al muro exterior e interior, donde se observa los diámetros de barra que se pueden elegir y la distribución calculada a partir de estos. Sucede algo similar al presionar el botón Slab, se muestran dos tablas que corresponden a la losa superior e inferior, de la misma manera se elige diámetros de las diferentes barras, teniendo como resultado final la distribución de acero en función a la opción elegida.

Drawing – Botón Dibujo

Una vez ingresada a esta opción, se nos mostrará en corte transversal el esquema de las barras de acero calculadas a partir de toda la información ingresada, este nos servirá como una buena referencia para la elaboración de nuestros propios planos.

Hoja de Cálculo Works

Esta hoja la consideramos como referencial, ahí podrán ver los cálculos realizados a partir de los datos ingresados, esta todo el análisis y diseño de alcantarilla, es importante revisar siempre las formulas y cálculos realizados, de manera de no incurrir en errores.

Hoja de Cálculo F.E.M.

De igual manera en esta hoja de cálculo podrán revisar todo lo relacionado al análisis estructural de todos los elementos de la estructura (Análisis numérico).
Esperamos que esta planilla Excel (Excel Culvert) les sea de utilidad para el análisis y diseño de alcantarilla cajón, finalizar mencionando que algunas opciones no están habilitadas como ser el botón de reporte (Report) y la posibilidad de cambiar el sistema de unidades. Recuerden siempre revisar todos los cálculos, métodos y fórmulas utilizadas para no incurrir en errores.

Descarga desde GoogleDrive: Aquí

Podría también interesarles el siguiente artículo: Diseño de alcantarillas en carreteras (Diseño hidráulico)

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La construcción de urbanismos a escala mundial es cada vez más creciente, incluso otro tipos de construcciones como fábricas, centro comerciales están a la orden del día. Existe una diversidad de construcciones y de elementos que la rodean. En este caso hablamos de carreteras, autopistas, líneas de transporte férreo y muchos otros. Para todas estas construcciones es necesario contemplar el diseño y construcción de drenajes.

La construcción de los drenajes es de vital importancia en vista de que garantiza la durabilidad de los elementos constructivos. De igual forma, permite la conducción de todo tipo de aguas para evitar que ocurran accidentes. Son empleados porque el equilibrio natural de las aguas es interrumpido por el levantamiento de las edificaciones mencionadas.

Es necesaria la implementación de drenajes que sean diseñados en base a estrictas normas basadas en las características del terreno implicado. De no hacerlo de esa forma, tendríamos grandes inundaciones en los elementos constructivos (urbanismos, fábricas, centro comerciales, entre otros). Además la socavación del suelo sería un mal que podría traer graves consecuencias.

Ya entendida la importancia de la aplicación de los drenajes es momento de hablar de los tipos de drenajes existentes. Pero antes de ello es necesario conocer los tipos de flujo naturales que podemos encontrar en cada topografía de terreno.

Tipos de Flujos Naturales

Es necesario destacar que los drenajes son utilizados para recoger las aguas que se han acumulados en terrenos bajos. Esto sucede precisamente por la topografía del terreno, es decir, por depresiones en toda la extensión. Los flujos o corrientes de aguas que encontraremos a la hora de iniciar un estudio constructivo son los siguientes:

1. Lluvias abundantes
2. Escorrentía natural superficial
3. Elevación de escorrentía subterránea
4. Este tipo de flujos de agua suelen conocer incontrolables, esto por razones obvias del comportamiento natural. Existen otro tipos de flujos conocidos, tales como: Vertido de aguas de industria o afines, Limpiezas, de refrigeración. Estos son controlados por el hombre.

Ahora veamos cuales son los tipos de drenajes que se utilizan para recolectar los flujos ya mencionados.

Tipos de Drenajes

Para determinar el diseño del drenaje a utilizar en un proceso constructivo, es necesario tomar en cuenta el tipo de flujo que posee el terreno en cuestión. Esto incide notablemente en el tratamiento que se escogerá para la recolección debida. Importante destacar que la idea de recolectar las aguas es conducirlas hasta los sitios adecuados. De esta manera, serán producto de algún tratamiento o simplemente continúan su cauce natural. Ahora veamos los tipos de drenajes existentes:

Por Puntos

Tiene por objeto formar depresiones en el terreno en cuestión para conducir las aguas hasta una red subterránea de acueductos.

De Línea

Se forma canales superficies para recoger las aguas a lo largo de toda la longitud del terreno a drenar. Este tiene grandes ventajas con respecto a los drenajes por punto:

• No es necesario construir acueductos subterráneos.
• El desplazamiento de las aguas es mucho más rápido, por lo que posee mayor capacidad de evacuación de aguas.
• El mantenimiento es mucho más sencillo lo que reduce al mínimo las posibilidades de obstrucción.

Superficiales

Son los elaborados a base de hormigón, pueden ser vaciados en obra o elaborados en planta. Muy utilizados en las vialidades.

Con respecto a los canales superficiales a base de hormigón existe uno de ellos que ha traído grandes ventaja. Nos referimos a los de Hormigón Poliéster, que se construyen con la combinación de arena de Sílice, resina de poliéster de alta calidad. En cuanto a las ventajas podemos mencionar:

• Al poseer una pendiente de 0,6 % permite rápida circulación del flujo de aguas.
• Como el drenaje contiene una superficie totalmente lisa el desplazamiento de las aguas y la limpieza del mismo se lleva a cabo fácilmente.
• Es muy resistente a la abrasión y al hielo

Este es un solo ejemplo de todos los drenajes que se utilizan. Existen muchas empresas que ofrecen tipos de drenajes prefabricados, entre ellos están los fibra de acero, madera o vidrio.

Ahora ya tienes principios básicos a tomar en cuenta en el diseño del drenaje para cualquier obra. Aquí en nuestro sitio podrás conocer más de este tipo de temas, haz clic aquí.

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¿Cuál es la función de un desarenador?

Estos son estructuras hidráulicas, cuya función principal es la de eliminar aquellas partículas de cierto tamaño que provienen de una fuente principal que ha permitido su paso; es decir, la arena que traen las aguas servidas o las aguas superficiales a fin de evitar que ingresen al proceso de tratamiento y lo obstaculicen creando serios problemas.

Generalmente los desarenadores se construyen cuando el agua está ingresando a la planta de tratamiento ya sea de agua potable o de aguas servidas, o sea, en el afluente. Son utilizados en tomas para acueductos, en centrales hidroeléctricas (pequeñas), plantas de tratamiento y en sistemas industriales.

Tipos de Desarenadores

Desarenador Tipo Detritus

• Convencional: Es de flujo horizontal, el más utilizado en nuestro medio. Debido a la reducción de velocidad del agua, las partículas se sedimentan. Su forma está determinada por el espacio y el entorno geográfico, en base a esto podría ser rectangular o alargada. La parte esencial de estos es el volumen útil donde ocurre la sedimentación.
• Desarenadores de flujo vertical: la sedimentación ocurre mientras el agua sube, por lo que el flujo circula desde el fondo hasta la parte superior. Las partículas se sedimentan mientras el agua sube. Su diseño varía, algunos son circulares, otros cuadrados o rectangulares. Son construidos por riesgos de tipo locativo o de espacio. Su costo generalmente es más elevado. Son muy utilizados en las plantas de tratamiento de aguas residuales.
• Desarenadores de alta rata: Consisten básicamente en un conjunto de tubos circulares, cuadrados o hexagonales o simplemente láminas planas paralelas, que se disponen con un ángulo de inclinación con el fin de que el agua ascienda con flujo laminar. Es más funcional por su economía y eficiencia, esto es así porque las cargas que soporta son mayores.

Desarenador Tipo Vórtice

Los sistemas de desarenación del tipo vórtice se basan en la formación de un vórtice (remolino) inducido mecánicamente, que captura los sólidos en la tolva central de un tanque circular. Posee dos cámaras, una con fondo plano y pequeño orificio que recoge la arena y otra cámara que tiene fondo inclinado con una gran abertura que lleva a la tolva. A medida que el vórtice dirige los sólidos hacia el centro, unas paletas rotativas aumentan la velocidad lo suficiente para levantar el material orgánico más liviano y así conducirlo a la cámara de arena.

Zonas que conforman un Desarenador

Zona de Entrada

Aquí es donde se reduce la velocidad del agua captada. En esta zona se orientan las líneas de corriente mediante un dispositivo denominado pantalla deflectora, a fin de eliminar turbulencias en la zona de sedimentación, evitar chorros que puedan provocar movimientos rotacionales de la masa líquida y distribuir el afluente de la manera más uniforme posible en el área transversal.

En esta zona se encuentran dos estructuras:

• Vertedero de exceso: Se coloca generalmente en una de las paredes paralelas a la dirección de entrada del flujo y tiene como función evacuar el exceso de caudal que transporta la línea de aducción en épocas de aguas altas. Si no se evacua el caudal excedente, por continuidad, aumenta el régimen de velocidad en la zona de sedimentación y con ello se disminuye la eficiencia del reactor.
  Se debe diseñar para evacuar la totalidad del caudal que pueda transportar la línea de aducción, cuando se de la eventualidad de tener que evacuar toda el agua presente.

• Pantalla deflectora: Separa la zona de entrada y la zona de sedimentación, en ella se realizan ranuras u orificios, de acuerdo con el diseño, a través de los cuales el agua con una velocidad adecuada no superior a los 0.3 m/s, así ocurre la sedimentación. Los orificios pueden ser circulares, cuadrados o rectangulares, siendo los primeros los más adecuados.

Zona de sedimentación

Sus características de régimen de flujo permiten la remoción de los sólidos del agua. La teoría de funcionamiento de la zona de sedimentación se basa en las siguientes suposiciones:

El asentamiento se lleva a cabo tal cual como si habláramos de cualquier recipiente con fluido en reposo.

La concentración de las partículas a la entrada de la zona de sedimentación es homogénea, es decir, la concentración de partículas en suspensión de cada tamaño es uniforme en toda la sección transversal perpendicular al flujo.

La velocidad horizontal del fluido está por debajo de la velocidad de arrastre de los lodos, una vez que la partícula llegue al fondo, permanece allí. La velocidad de las partículas en el desarenador es una línea recta.

En esta zona se encuentra la siguiente estructura:

Cortina para sólidos flotantes: precipita en el fondo del elemento los sólidos que escaparon de la acción desarenadora del reactor, esto lo hace mediante una lámina.

Zona de lodos

En el primer tercio de su extensión almacena entre el 60 y 90 % del lodo sedimentado. En su diseño deben tenerse en cuenta dos aspectos: la forma de remoción de lodos y la velocidad horizontal del agua del fondo, pues si esta es grande las partículas asentadas pueden ser suspendidas de nuevo en el flujo y llevadas al afluente.

Zona de salida

Aquí se distribuye el flujo hacia la salida con el objeto de regular la velocidad.

El tipo de estructura de salida determina en buena parte la mayor o menor proporción de partículas que pueden ser puestas en suspensión en el flujo.

Entre las estructuras de salidas que existen podemos mencionar: vertederos de rebose, canaletas de rebose, orificios (circulares o cuadrados).

Compartimos esta Planilla Excel para Diseño de un desarenador.

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Sistema de alcantarillado pluvial

El sistema de alcantarillado pluvial está compuesto por diferentes estructuras, entre ellas:

• Las cunetas, es un drenaje longitudinal, cuyo objetivo es recoger y concentrar las aguas provenientes de las lluvias que están en las vías y en los terrenos colindantes.
• Las bocas de tormenta o tragantes, estas estructuras verticales son la entrada del agua a los colectores y retienen buena parte del material sólido recogido.
• Los colectores secundarios, tuberías que llevan el agua desde las bocas de tormenta hasta los colectores principales. Estos colectores están enterrados bajo las vías públicas.
• Los colectores principales, tuberías cuyo diámetro es grande que transportan las aguas pluviales hasta su destino final. Son conductos de sección rectangular o de canales abiertos que están ubicados por lo general en las partes más bajas de la ciudad.
• Los pozos de inspección o cámaras de inspección se tratan de cámaras verticales que dan acceso a los colectores y facilitan su mantenimiento.
• Las arcas de expansión, también conocidas como pozos de tormentas, son estructuras que se usan cuando se necesita laminar las avenidas debido a grandes tormentas.
• El vertido final son las estructuras que evitan la erosión en aquellos puntos donde las aguas de lluvia son recogidas y vertidas en en cauces naturales de ríos, de arroyos o de mares.

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Las alcantarillas se utilizan como pasos a través de terraplenes, por lo cual quedan muchas veces enterradas, detectándose su presencia por los cabezales que se asoman en cada extremo (Aguas Arriba y Aguas Abajo). Las dimensiones de su sección son definidas en función al caudal del flujo de agua que la atravesará. La presencia de estas obras de drenaje es de suma importancia dentro los proyectos viales.

Análisis y Diseño de Alcantarillas Cajón

Este documento consta de 17 páginas, a continuación mostramos imágenes previas y los puntos que se desarrollan:

Metrado de Cargas en la alcantarilla (En fajas de 1 m de ancho)

– Carga Muerta

– Presión Vertical del Terreno

– Presión Horizontal del Terreno

– Sobrecarga de la Carga Viva

– Empuje del agua

Combinaciones de cargas

Análisis estructural de la alcantarilla

Calculo del acero

– Losa superior, acero positivo

– Revisión de figuración por distribución de armadura

Verificaron por cortante

Verificación por carga axial

Este documento les sirve como guía para el Análisis y Diseño de Alcantarillas Cajón de una sola Celda (alcantarilla cajón simple), esperamos que sea de utilidad a todos los colegas que trabajan con obras hidráulicas en proyectos viales, damos el crédito y nuestro agradecimiento al autor: MSc. Ing. Arturo Rodríguez Serquén. No olviden dejar sus comentarios y opiniones, saludos a todos los profesionales y estudiantes de ingeniería civil.

Descarga desde GoogleDrive: Aquí

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