Apuntes de Ingeniería Civil

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miércoles, 25 de abril de 2012

Drenaje superficial de pavimentos Parte 1

Nota Contiene ejemplo de  diseño de cuneta tradicional
El drenaje de pavimentos es esencial para mantener un buen nivel de servicio y seguridad en el tráfico. El agua sobre el pavimento puede interrumpir el tráfico, reducir la resistencia al patinaje, incrementar el potencial de “hidroplaneo”, limitar la visibilidad debido al salpique y rocío, y, causar la consecuente dificultad en la conducción del vehículo cuando las ruedas frontales se encuentran con charcas. 

El drenaje de pavimentos requiere de la consideración del escurrimiento superficial, del flujo en cunetas y de la capacidad de captación de los sumideros. El diseño de estos elementos depende de la frecuencia de la lluvia y del spread permisible del agua sobre la superficie del pavimento. Este capítulo presenta guías para el diseño de estos elementos.
Las cunetas son elementos hidráulicos utilizados para encausar las aguas lluvias de una vía, calle o avenida y pueden ser cunetas simples y compuestas hacia un sumidero.
Los sumidero son elementos hidráulicos que reciben el aporte de las cunetas para mediante tirantes depositar las aguas lluvias en cámaras o pozos de revisión.


Criterios principales para la selección de la frecuencia y el spread de diseño:

  1. La identificación del tipo la carretera es un buen inicio en el proceso de selección puesto que define la expectativa pública respecto a la presencia del agua sobre la superficie del pavimento. 

  1. La velocidad es importante para la selección del criterio de diseño. Se ha demostrado que para velocidades mayores a 70 km/hr, el agua sobre el pavimento puede causar “hidroplaneo”.

  1. Los volúmenes de tráfico proyectados son un indicador de la importancia económica de mantener la vía abierta al tráfico. 

  1. La intensidad de los eventos de lluvia puede significativamente afectar la selección de la frecuencia y el spread de diseño. 

  1. Los costos de inversión no son ni la menor ni la última consideración. Su consideración es necesaria para formular una aproximación racional en la selección del criterio de diseño. 

Otras consideraciones incluyen los inconvenientes, peligros y molestias a los peatones.

La elevación relativa de la carretera y los terrenos que la rodean es una consideración adicional donde el agua puede ser drenada solamente a través de un sistema de drenaje como en el caso de tramos de carretera deprimidos y en pasos inferiores (paso de una carretera por debajo de otra carretera). 

El spread sobre los carriles de tráfico puede ser tolerado a anchos mayores en aquellas vías donde los volúmenes de tráfico y velocidades sean bajos. Los spreads que ocupan hasta medio carril o más son usualmente considerados como un diseño mínimo en caminos locales de bajo volumen.

La selección del criterio de diseño para carreteras tipo intermedias, puede ser más difícil. Por ejemplo, algunas vías arteriales con volumen de tráfico y velocidades relativamente altos  pueden no tener espaldones los cuales deberían conducir el escurrimiento de diseño sin inundación de las líneas de tráfico. En estas instancias, una evaluación de los riesgos y costos para diferentes spreads puede ser útil para la selección del apropiado criterio de diseño. La tabla 4-1 provee frecuencias y spreads mínimos recomendados en base al tipo de carretera y velocidades del tráfico.

La frecuencia de diseño recomendada para secciones deprimidas o pasos inferiores donde el agua puede ser removida solamente por un sistema de drenaje es de 50 años de período de retorno. El uso de una lluvia de menor frecuencia, tal como una de 100 años, utilizada como de chequeo,  permite evaluar riesgos en sitios críticos donde el agua pueda encharcarse a profundidades apreciables.


Tabla 4-1.  Frecuencia y Spread de Diseño Mínimos Sugeridos
Clasificación de la Carretera
Frecuencia de Diseño
Spread de Diseño
Alto Volumen ó Dividida ó Bi-direccional
< 70 Km/hr
10 años
Espaldón + 1 m
> 70Km/hr
10 años
Espaldón
Punto Deprimido
50 años
Espaldón + 1 m


Colector
<  70 Km/hr
10 años
½ Carril
>70 Km/hr
10 años
Espaldón
Punto Deprimido
10 años
½ Carril


Calles Locales
Bajo ADT
5 años
½ Carril
Alto ADT
10 años
½ Carril
Punto Deprimido
10 años
½ Carril


4.1.2    Selección del Spread y Lluvia de Chequeo     

Durante el proceso de diseño debe utilizarse una lluvia de chequeo, ya que en cualquier momento el escurrimiento sobre el pavimento puede causar inundaciones inaceptables cuando se presentan eventos de menor frecuencia. También, los sumideros deben siempre ser evaluados para una lluvia de chequeo cuando son colocados en serie y terminan en una curva vertical deprimida, donde podrían presentarse encharcamientos con profundidades de agua peligrosas para el tráfico vehicular. 

La frecuencia seleccionada para la lluvia de chequeo debe fundamentarse en los mismos criterios usados para la selección de la lluvia de diseño, es decir, las consecuencias de un spread que exceda aquel spread seleccionado con la de diseño y el potencial de encharcamiento. Donde no ocurran encharcamientos significativos las lluvias de chequeo son normalmente innecesarias.

Los criterios del spread durante la lluvia de chequeo son: (1) un carril abierto al tráfico durante la ocurrencia de la lluvia de chequeo, y (2) un carril libre de agua durante la ocurrencia de la tormenta de chequeo. Estos criterios difieren sustancialmente, pero cada uno establece un estándar mediante el cual el diseño puede ser evaluado.

 Drenaje Superficial

Cuando la lluvia cae sobre un pavimentado inclinado, forma una delgada capa de agua cuyo espesor se incrementa a medida que fluye hacia el extremo aguas abajo del pavimento. Los factores que influyen en la magnitud de la profundidad del agua son: la longitud de la ruta del flujo, la textura del pavimento, la pendiente superficial y la intensidad de la lluvia. A medida que la profundidad del agua sobre el pavimento se incrementa, el potencial de “hidroplaneo” también se incrementa. Más adelante se presenta una discusión sobre el “hidroplaneo”; y, también se presentan guías para el diseño de los siguientes elementos del sistema de drenaje:

  • Pendiente longitudinal del pavimento
  • Pendiente transversal del pavimento
  • Bordillo y cuneta
  • Zanjas medianeras y laterales
  • Plataforma de puentes
  • Barreras medianeras
  • Atenuadores de Impacto  
 4.2.1    “Hidroplaneo”

El hidroplaneo ocurre cuando la capacidad de las estrías y de la superficie del pavimento es excedida y el agua comienza a elevarse enfrente de la llanta. A medida que el agua se eleva, se crea una cuña de agua y esta cuña produce una fuerza hidrodinámica la cual eleva la llanta por encima de la superficie del pavimento. Esto es considerado como un hidroplaneo dinámico total y, ya que el agua ofrece poca resistencia al corte, la llanta pierde su habilidad tractiva y el conductor pierde el control del vehículo. El hidroplaneo puede ocurrir en velocidades de 89 Km/hr con una profundidad de agua de 2 mm.(20).

 El hidroplaneo puede ser reducido aplicando las siguientes medidas:

  1. Diseñe la geometría de la vía de manera de reducir la longitud de recorrido del agua que fluye sobre el pavimento. Esto evitará la formación de la cuña de agua.

  1. Incremente la profundidad de la textura del pavimento mediante métodos tales como el estriado del concreto.  
  1. El uso de pavimento asfáltico de gradación abierta, se ha demostrado, que reduce enormemente el potencial de hidroplaneo.  
  1. El uso de estructuras de drenaje a lo ancho de la calzada, para capturar el flujo de agua sobre el pavimento, reducirá el espesor de la película de agua y reducirá también el potencial de hidroplaneo de la superficie de rodadura.

4.2.2    Pendiente Longitudinal

 La experiencia ha demostrado que los valores de la pendiente longitudinal mínima para calzadas, dados en el “AASHTO Policy on Geometric Design(21)”, proveerán un drenaje del pavimento seguro y aceptable. En adición, las siguientes reglas generales son recomendadas:

  1. La pendiente longitudinal mínima es más importante en el caso de pavimentos con bordillos que sin ellos en razón de que el flujo del agua es controlado por el bordillo. En el caso de pavimentos sin bordillo, pero con pendientes relativamente planas, pueden presentarse problemas de spread si se permite que la vegetación crezca a lo largo del extremo del pavimento.

  1. Las pendientes deseable para las cunetas no debe ser menor que 0.5% para pavimentos con bordillo con un mínimo absoluto de 0.3%. Estas pendientes mínimas pueden ser mantenidas en terrenos muy planos, conformando el perfil de la cuneta o ajustando la pendiente transversal para alcanzar un perfil conformado.

  1. Para proveer un adecuado drenaje en curvas verticales deprimidas, una pendiente mínima de 0.3% debe ser mantenida dentro de los 15 m del punto bajo de la curva. Esto se logra cuando la longitud de la curva en metros dividida para la diferencia algebraica de las pendientes (K), en por ciento, es igual o menor que 50. Esto es representado como:

k = L /G2-G1                                     (4-1)
            Donde:
                        K = constante de curva vertical, m/por ciento
                        L = longitud horizontal de la curva, m
                        Gi = pendiente de la calzada, por ciento

4.2.3        Pendiente Transversal

La tabla 4-2 incluye un rango aceptable de pendientes transversales, especificadas en “AASHTO’s policy on geometric design of highways and streets(21)”.  

Tabla 4-2.   Pendientes Transversales Normales de Pavimentos

Tipo de Superficie
Rango de Pendientes Transversales
Superficie Tipo-Alta
     2 carriles
0.015 – 0.020
     3 ó más carriles, en ambas direcciones
0.015 mínimo; incremente 0.005 a 0.010          por carril; 0.040 máximo
     Superficie intermedia
0.015 – 0.030
     Superficie Tipo-Baja
0.020 – 0.060
Espaldones
     Asfalto ó concreto
0.020 – 0.060
     Con bordillos
>= 0.040

Bordillos y Cunetas

Los bordillos son utilizados, normalmente, en el borde exterior de pavimentos con tráfico de baja velocidad, en instalaciones viales y en ocasiones adyacentes a espaldones en carreteras con velocidades de  mediana a alta. Ellos sirven para los siguientes propósitos:

  • Mantener el escurrimiento superficial dentro de la vía y lejos de propiedades adyacentes.
  • Prevenir la erosión de los taludes laterales en tramos viales sobre terraplenes.
  • Proveer alineación al pavimento
  • Permitir un desarrollo ordenado de las propiedades adyacentes a la vía.

Las cunetas formadas en combinación con bordillos, son disponibles en anchos que varían de 0.30 a 1.0 m. La pendiente transversal de la cuneta puede ser igual a la del pavimento o puede ser diseñada con una pendiente transversal más pronunciada, usualmente 80 mm por metro más inclinada que el espaldón ó carril de estacionamiento (si es usado).  Las recomendaciones geométricas de la ASSHTO establecen que una pendiente del 8% es una pendiente transversal máxima común. 

La combinación bordillo-cuneta forma un canal triangular que puede conducir un escurrimiento igual o menor que el caudal de diseño sin interrupción del tráfico. Cuando ocurre el caudal de diseño se forma un spread que incluye no solamente el ancho de la cuneta sino también carriles de estacionamiento ó espaldones y porciones del carril transitado.



 El spread es lo que interesa al ingeniero hidráulico cuando el agua fluye en la cuneta-bordillo. El spread T, es el ancho del charco de agua sobre el pavimento medido perpendicularmente desde la cara del bordillo, tal como se muestra en la figura 4-1. El límite de este ancho es uno de los criterios más importante del diseño y será discutido en detalle en la sección 4-3.

Cunetas Laterales y Cunetas Medianeras

Las cunetas laterales son usadas en tramos de carretera sin bordillo para conducir el escurrimiento desde el pavimento y desde áreas que drenan hacia la carretera. Debido a limitaciones en el derecho de vía, las cunetas laterales no son usadas generalmente en vías arteriales urbanas. Ellas pueden ser utilizadas en tramos de vía con secciones de corte, en tramos deprimidos, y en otras localizaciones donde se dispone de suficiente derecho de vía y donde los accesos o intersecciones son poco frecuentes.

Para evitar que el drenaje desde las áreas medianeras cruce las líneas de tráfico se recomienda inclinar las áreas medianeras y los espaldones interiores hacia una zanja central. Este diseño es particularmente importante para vías de alta velocidad y para vías con dos o más líneas de tráfico en cada dirección.  

4.2.6    Plataforma en Puentes

El drenaje de estas plataformas es similar al de las calzadas con bordillos. El drenaje efectivo de estas plataformas es importante por las siguientes razones:

  • La plataforma estructural con el acero que la refuerza, es susceptible a la corrosión debido a las sales usadas para el derretimiento del hielo.

  • La humedad sobre la plataforma se congela antes que en la superficie de la calzada.

  • El hidroplaneo ocurre a profundidades menores sobre debido a la reducida textura superficial del concreto de la plataforma.
El  drenaje en la plataforma de los puentes es a menudo menos eficiente que en las calzadas debido a que sus pendientes transversales son más planas, los parapetos acumulan grandes cantidades de basura y los sumideros u hoyos típicos para el drenaje en puentes, son hidráulicamente menos eficientes y de mas fácil obstrucción por la basura. Debido a estas dificultades para proveer y mantener un adecuado sistema de drenaje en plataformas, el flujo proveniente de las cunetas-bordillo  de las calzadas de acceso al puente debe ser interceptado. Por estas razones las pendientes longitudinales nulas ó casi nulas así como áreas deprimidas deben ser evitadas en la plataforma de los puentes.

Una cobertura detallada sobre drenaje en puentes se incluye en la referencia 23.

4.2.7.   Barras Medianeras

Incline los espaldones adyacentes a las barreras medianeras hacia el centro para evitar el escurrimiento a través del pavimento de los carriles transitados. Donde barreras medianeras sean usados, y particularmente sobre curvas horizontales asociadas con peraltes, es necesario instalar sumideros o sumideros ranurados para colectar el agua acumulada contra la barrera. Adicionalmente algunas agencias utilizan sistemas de tuberías para conducir el agua a través de la barrera.

4.2.8.   Atenuadores de Impacto

Debe revisarse  la localización de los atenuadores de impacto para determinar la necesidad de estructuras de drenaje en esta área. Con algunos sistemas de atenuadores de impacto es necesario tener una abertura clara (no obstruida) a medida que el tráfico se aproxima al punto de impacto para permitir que un vehículo impacte sobre el cabezal del sistema. Si el atenuador de impacto esta colocado en un área donde el peralte ú otra grada de separación ocurra, puede necesitarse de sumideros con rejilla o sumideros ranurados para evitar que el agua corra a través de la abertura y fluya sobre las líneas de tráfico o rampas de tráfico. Los bordillos, estructuras tipo bordillo ó zanja no pueden ser usadas para dirigir el agua a través de esta abertura puesto que puede producirse la volcadura de un vehículo.    

4.3       Flujo en Cunetas
                                              
La cuneta es definida, para propósito de este circular, como una sección del pavimento adyacente a la calzada, que conduce el escurrimiento durante la ocurrencia de una lluvia. Ella puede incluir una porción o todo el carril de tráfico. Las cunetas pueden ser clasificadas como de tipo convencional o tipo “shallow swale” (zanjas poco profunda), así ilustradas en la figura 4-1. Las cunetas-bordillo convencionales usualmente tienen una forma triangular con el bordillo formando el lado casi-vertical ó vertical del triangulo. Las cunetas-bordillo convencionales pueden tener una sección transversal recta con la pendiente transversal igual a la de la calzada (figura 4-1, a.1) ó pueden tener una sección transversal compuesta donde la pendiente de la cuneta es mayor que la del pavimento (figura 4-1, a.2), ó a una sección parabólica (figura 4-1, a.3). Las cunetas poco profundas (swale) típicamente tienen una sección en V ó semicircular así mostrado en la figura 4-1, b.1, b.2, y b.3, respectivamente y son a menudo utilizadas en áreas medianeras pavimentadas en vías con la corona invertida.    

4.3.1        Ecuaciones de Capacidad

Los cálculos del flujo en cunetas son necesarios para determinar el spread del agua sobre el espaldón, sobre el carril de estacionamiento o sobre el carril de rodadura. Una ecuación modificada de la fórmula de Manning puede ser usada para calcular el flujo de canales triangulares. La modificación es necesaria puesto que el radio hidráulico en la ecuación no describe adecuadamente la sección transversal de la cuneta, particularmente donde el ancho de superficie libre puede ser más de 40 veces la profundidad junto al bordillo. Para calcular el flujo en la cuneta, la ecuación de Manning es integrada para un incremento de ancho a través de la sección24. La ecuación resultante es:
                                                                             
                                                                              
Donde:
            n   = coeficiente de rugosidad de Manning, (tabla 4-3)
            Q  = caudal, m3/s
             = ancho del flujo (spread), m
            SX = pendiente transversal, m/m
            SL = pendiente longitudinal, m/m
                   
 4.3.2    Secciones Convencionales Cuneta-Bordillo
 
Las cunetas convencionales comienzan en la base inferior del bordillo y usualmente se extienden desde la cara del bordillo hacia el eje de la vía una distancia de 0.30 a 1.0 m. Así mostrado en la figura 4-1, las cuentas pueden tener secciones uniformes, compuestas o curvas. Las secciones uniformes tienen una pendiente transversal igual a la pendiente transversal del espaldón o de la línea de tráfico adyacente a la cuneta. Las cunetas con secciones compuestas son deprimidas en relación a la pendiente del pavimento adyacente. Esto es, la cuneta pavimentada tiene una sección transversal que es más pronunciada que la del pavimento adyacente. Este concepto es ilustrado en el ejemplo 4-1. Las secciones curvadas son a veces encontradas a lo largo de calles antiguas ó carreteras con secciones pavimentadas curvadas. A continuación se presentan los procedimientos para calcular la capacidad de bordillos-cunetas.

Ejemplo de cunetas convencionales con pendiente transversal uniforme



  

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