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  • 8/22/2019 2-Dos Estructuras Hidraulicas de Vertimiento de Aguas En

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    DOS ESTRUCTURAS HIDRULICAS DE VERTIMIENTO DE AGUASEN LADERAS DE MEDIA A FUERTE PENDIENTE DISEADAS EN LA

    UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES

    FERNANDO MEJA FERNNDEZ

    PROYECCIN Y POTENCIALIDADES DE LA BIOINGENIERA PARA LA REDUCCIN DE RIESGOS EN BOGOTD.C.BOGOT, 13 AL 15 DE MARZO DE 2013

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    PROYECCIN Y POTENCIALIDADES DE LA BIOINGENIERA PARA LA REDUCCIN DE RIESGOS EN BOGOTD.C.BOGOT, 13 AL 15 DE MARZO DE 2013

    Haciendo una breve resea de las investigacionesasociadas al tema de esta conferencia se tiene:

    En el ao de 1978 el Ingeniero Jorge RamrezGiraldo (fallecido) dise el denominado CANALDE PANTALLAS DEFLECTORAS (CPD) a partir deestudios en modelos hidrulicos hechos enManizales.

    Los resultados de su investigacin se conocieroninicialmente en el Boletn de Vas No. 37 deenero marzo de 1978, publicacin de laUniversidad Nacional de Colombia Sede

    Manizales, donde l era profesor de muchos aosy muchos reconocimientos. Se le rinde aqu unsentido homenaje, como maestro y pionero enestos diseos en la regin.

    ANTECEDENTES

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    Antecedentes

    En 1980, la fase 2 correspondi al diseo, porla va de una investigacin en modeloshidrulicos, del denominado a su vez CANALDE RPIDAS CON TAPA Y COLUMPIO (CRTC),realizado por el autor de esta conferencia

    como nueva alternativa para el diseo deestructuras de vertimiento de aguas llovidas yservidas en laderas de pendiente media afuerte, mayor del 50%, estudiada sobremodelos hidrulicos. Los resultados se

    publicaron de igual forma y de manera inicialen el Boletn de Vas No. 47 de enero diciembre de 1981.

    Fuente: Propia.

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    Antecedentes

    La fase 3 (que junto a la fase 4 se encarg de laoptimizacin del diseo del CRTC), fue llevada acabo en 2001 2002 con la participacin de losestudiantes Ingenieros Civiles Eduardo Brand

    Ruiz y Robinson Ramrez Hernndez, quienestrabajaron en el diseo y construccin denuevos modelos hidrulicos del Canal deRpidas con Tapa y Columpio, en mejorescondiciones de laboratorio frente a las que se

    tuvieron en la fase 2. Fuente: Propia.

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    Antecedentes

    Las estudiantes Ingenieras CivilesJackelline Gonzlez Blandn y ClaudiaMarcela Gonzlez Blandn, y laestudiante Ingeniera Electrnica Liliana

    Romo Melo, participaron a su vez en lasiguiente fase de este estudio, la fase 4(2002), correspondiente a la operaciny anlisis de resultados de los nuevosmodelos del CRTC, de donde surgieron

    conclusiones definitivas sobre el diseoptimo de esta estructura.Fuente: Propia.

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    Una ltima etapa en este proceso(2003) fue el diseo de la transicinentre el Canal de Rpidas con Tapa yColumpio (CRTC) y el Canal de PantallasDeflectoras (CPD) y la optimizacin de

    ste ltimo, la cual se denomin fase 5,con la participacin de las estudiantesIngenieras Civiles Merlyn J. RiascosDelgado y Ana Mara Lucero Carvajal.

    Antecedentes

    Fuente: Propia.

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    ESTRUCTURAS DE VERTIMIENTO DE AGUASEn nuestra regin andina se amerita eldiseo y construccin de obras hidrulicasadecuadas, estructuras de vertimiento querecojan, conduzcan y manejen el agua queescurre por las laderas, disipando su energay previniendo la erosin.

    Las obras se basan en la disminucin de laenerga del agua mediante estructuras dedisipacin o disipadores de energa .

    Elementos cuyo objetivo es transformar laenerga cintica o parte de ella en calor,

    generar friccin entre el agua y la superficiedel canal, saltos hidrulicos e impactos ogolpes del agua contra el fondo del canal.

    Fuente: Desconocida.

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    Estructuras de vertimiento de aguas

    Canales abiertos que se construyendesde la corona hasta el pie deltalud o ladera.

    Entre las estructuras de vertimientose tienen: el canal de rpidasescalonadas, el canal de rpidaslisas, y la combinacin de rpidaslisas y rpidas escalonadas o deotras estructuras de vertimiento de

    aguas, como en este caso lo son elCRTC y el CPD, fruto deinvestigaciones. Fuente: Propia.

    CPD CRTC

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    Rpidas lisas

    Canales de fondo liso donde el aguaescurre a velocidad apreciable llegando alpie de la ladera o talud con gran cantidadde energa cintica que requiere serdisipada.

    Para esto se emplean tanquesamortiguadores con dentellones obloques.

    El canal diseado debe ser capaz deresistir las velocidades que se desarrollenen l y de conducir el agua sin rebosarse.

    Rpida lisa

    Fuente: Propia.

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    Rpidas escalonadas

    Son canales con gradas oescalones donde, a la vez quese conduce el agua, se vadisipando la energa cintica

    del flujo por impacto con losescalones, llegando el agua alpie de la rpida con energadisipada por lo que no sehace necesaria algunaestructura adicional, o, dado

    el caso, una estructurapequea.

    Canales de rpidas escalonadas

    Fuente: Propia.

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    Combinacin de rpidas lisas y escalonadas

    Son estructuras conformadas porcanales de rpidas lisas que incluyenen su desarrollo longitudinal unescaln u otro elemento disipador dela energa cintica del flujo.

    A este tipo de estructuras pertenecenel Canal de Pantallas Deflectoras(CPD) y el Canal de Rpidas con Tapa yColumpio (CRTC)

    Requieren un diseo especial.

    Fuente: Propia.

    Canal de Rpidas con Tapa y

    Columpio - CRTC

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    Canal de pantallas deflectoras - CPD

    Es un canal de seccin rectangular y fondo liso que incluye pantallas deflectorasalternas colocadas a 45 con el eje del canal, las cuales cumplen el papel deelementos disipadores de energa, y pestaas longitudinales sobre los bordes deambas paredes del canal que impiden que la estructura rebose.

    Canal de pantallas deflectoras

    Fuente: Propia.

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    Esquema de diseo del CPD

    Fuente: Propia.

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    Caractersticas del CPD

    Capacidad prcticamente constante

    Adaptabilidad a las sinuosidades de losperfiles Economa notable en la excavacin Baja velocidad en relacin con la del canal

    sin pantallas Disipacin de energa dentro del canal

    Auto limpieza Facilidad y sencillez en la formaletera.

    El CPD es aplicable al caso de conducciones a lolargo de pendientes pronunciadas (entre el 10% yel 50%). Principales caractersticas:

    Canal de pantallas

    deflectoras - CPD

    Fuente: Propia.

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    Canal de rpidas con tapa y columpio - CRTC

    Conformado por una serie derpidas lisas que se interrumpenen las terrazas de un talud.

    En la transicin de una rpida aotra se tiene un columpio.

    Gran parte de la energa se disipaen el mdulo columpio-tapa.

    En el momento de llegada del aguaal pie de la ladera o talud elporcentaje de energa disipada en

    toda la trayectoria de la estructurasea lo ms alta posible.

    Canal de Rpidas con Tapa y Columpio

    Fuente: Propia.

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    a

    a

    a

    1.5a

    2a

    1.5a .

    28a

    TAPA SOBRE ESCALN

    DEFLECTOR

    5a

    1.5a

    2a

    .35

    a

    aa

    a

    1.5a

    a

    a

    aa

    a

    a

    PERFILPLANTA FRENTE

    1.5a

    .28a

    a

    aa

    DETALLE COLUMPIO

    PERFIL, ESC. 1:5

    TAPA SOBRE RPIDA

    .28a

    TAPA SOBRE ESCALN

    TAPA SOBRE RPIDA

    DEFLECTOR

    DEFLECTOR

    COLUMPIO

    TAPA SOBRE ESCALN

    DEFLECTOR

    TAPA SOBRE RPIDA

    TAPA SOBRE ESCALN

    .35

    a

    45

    VARIABLE

    < 10a

    PERFIL

    Esquema de diseo del CRTC

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    Esquema de diseo del CRTC

    a

    aa

    0.

    28a

    1.5a

    a

    1.5a

    2a

    0.3

    5a

    45

    altura entre escalones = 5a

    pend

    .

    Tapa sobre escalones

    Tapa sobre rpida

    Deflector

    Rpida

    Columpio

    FRENTE

    PERFIL

    a

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    Caractersticas del CRTC

    Complementario con el Canal de Pantallas Deflectoras

    Evita la presencia de obstculos en el flujo.

    Gran capacidad de descarga

    Capacidad prcticamente constante Puede adaptarse fcilmente al perfil del talud

    Altos niveles de disipacin de energa

    Admite colectores laterales

    Las tapas sirven de puente

    Fcil mantenimiento

    Fuente: Propia.

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    El CPD y el CRTC se complementan

    El CRTC puede recibir las aguas deun CPD o entregrselas a lcuando la pendiente se suavice,cubrindose as todos los rangosde pendiente; por tanto, el CRTC

    y el CPD se complementan.Fuente: Propia.

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    Normas de diseo del CPD y del CRTC y de la

    transicin entre ambos

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    Se requiere disear un canal de pantallas

    deflectoras - CPDAlternativa 1: Diseo original del CPD

    Diseo obtenido de las investigaciones realizadas por el profesorIngeniero Jorge Ramrez Giraldo.

    Sin embargo, en el ao 2003 se optimiz el diseo original con el fin deunificar para un mismo caudal el ancho del CPD y del CRTC.

    A este diseo optimizado se le denominar aqu laAlternativa 2dediseo del CPD.

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    Criterios de diseo del CPD

    Cuando el sistema de vertimiento de aguas requiera, en razn de laspendientes que se manejan (entre el 10% y el 50%), disear nicamente unCanal de Pantallas Deflectoras, los criterios de diseo que se utilizaran (porigual para las alternativas 1 y 2) seran los siguientes:

    La seccin debe disearse para el tramo de mayor pendiente La velocidad de entrada del canal no debe ser mayor que la que tendra dentro

    de l en una pendiente del 50%. La entrega del canal puede consistir en aletas y enrocado. Deben calcularse curvas horizontales y verticales. Se deben colocar drenajes paralelos. La entrega de tributarios al canal, como tuberas, cunetas, etc., debe

    efectuarse en el punto medio entre dos pantallas. Las pantallas pueden prefabricarse. El diseo es aplicable tambin a alcantarillas de cajn.

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    0,14 b

    CPDalternativa 1. Refuerzo estructural sugerido

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    En el diseo del CPD alternativa 1 se procede a:

    1. Obtener el valor de b en funcin del caudal de diseo del CPD y enfuncin de la pendiente media del CPD a disear, a partir de las siguientesrelaciones:

    Ec. 1 para pendiente del 10%

    b, ancho del CPD, en m; Q, caudal de diseo del CPD, en m3/s

    Ec. 2 para pendiente del 50%

    4.0*98.0 Qb

    4.0*04.1 Qb

    Diseo CPDalternativa 1

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    2. Obtener el valor de V, velocidad promedio del agua en el CPD, enfuncin del caudal de diseo y en funcin de la pendiente media del CPD adisear, a partir de las siguientes relaciones:

    Ec. 3 para pendiente del 10%

    V, Velocidad promedio en el CPD, en m/s;, caudal de diseo del CPD, enm3/s

    Ec. 4 para pendiente del 50%

    Diseo CPDalternativa 1

    2.0*64.2 QV

    2.0*42.4 QV

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    POTENCIALIDADES DE LA BIOINGENIERA

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    Representacin grfica de ecuaciones 1y 2Las representaciones grficas de las ecuaciones 1 y 2 se muestran en lassiguientes figuras:

    Diseo original del CPD para pendientes del 10% y 50%

    Ancho del canal Vs Caudal

    0.1

    1.0

    10.0

    0.1 1.0 10.0

    Caudal, Q (m3/s)

    Anchodelcanal,b(m)

    Pendiente del 10% Pendiente del 50%

    b10%= 0.98*Q2/5

    b50%= 1.04*Q2/5

    POTENCIALIDADES DE LA BIOINGENIERA

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    Diseo original del CPD para pendientes del 10% y 50%

    Velocidad en el canal Vs Caudal

    1.0

    10.0

    0.1 1.0 10.0

    Caudal, Q (m3/s)

    Velocidadenelcana

    l,V(m/s)

    Pendiente del 10% Pendiente del 50%

    V10%= 2.64*Q1/5

    V50%= 4.42*Q1/5

    Representacin grfica de ecuaciones 3 y 4

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    PROYECCIN Y POTENCIALIDADES DE LA BIOINGENIERA PARA LA REDUCCIN DE RIESGOS EN BOGOT

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    CPDdiseo optimizado

    Alternativa 2: Diseo optimizado delCPD

    Los criterios de diseo que seutilizaran para esta alternativa 2seran los mismos de la alternativa 1.

    3/8 cada 20

    cm

    0,14 a

    0,1 a

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    En el diseo del CPD alternativa 2 (diseo optimizado) se procede de igualmanera a:

    1. Obtener el valor de a en funcin del caudal de diseo del CPD y enfuncin de la pendiente media del CPD, a partir de la siguiente relacinnica, obtenida como un promedio de las que se tendran para pendientesdel 10% y del 50%, habida cuenta de la muy poca diferencia que se obtuvoentre ellas:

    Ec. 5

    a, ancho del CPD, en m; Q, caudal de diseo del CPD, en m3

    /s

    CPDdiseo optimizado

    4.0*905.0 Qa

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    2. Obtener el valor de V en funcin del caudal de diseo y en funcin de lapendiente media del CPD a disear, a partir de las siguientes relaciones:

    Ec. 6 ,para pendiente del 10%

    V, velocidad promedio en el CPD, en m/s; Q, caudal de diseo del CPD, enm3/s

    Ec. 7 ,para pendiente del 50%

    CPDdiseo optimizado

    2.0*890.4 QV

    2.0*328.5 QV

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    PROYECCIN Y POTENCIALIDADES DE LA BIOINGENIERA PARA LA REDUCCIN DE RIESGOS EN BOGOT

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    La representacin grfica de las ecuaciones 5, 6 Y 7 se muestra en las siguientesfiguras:

    Diseo optimizado del CPD para pendientes del 10% y 50%

    Ancho del canal Vs Caudal

    0.1

    1.0

    10.0

    0.1 1.0 10.0

    Caudal, Q (m 3/s)

    Anchodelcanal,a(m)

    a = 0.905*Q2/5

    Representacin grfica de ecuaciones 5, 6 y 7

    PROYECCIN Y POTENCIALIDADES DE LA BIOINGENIERA PARA LA REDUCCIN DE RIESGOS EN BOGOT

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    Diseo optimizado del CPD para pendientes del 10% y 50%

    Velocidad en el canal Vs Caudal

    1.0

    10.0

    0.1 1.0 10.0

    Caudal, Q (m3/s)

    Velocidadenelcan

    al,V(m/s)

    Pendiente del 10% Pendiente del 50%

    V10%= 4.890*Q1/5

    V50%= 5.328*Q1/5

    Representacin grfica de ecuaciones 6y 7

    PROYECCIN Y POTENCIALIDADES DE LA BIOINGENIERA PARA LA REDUCCIN DE RIESGOS EN BOGOTD.C.BOGOT, 13 AL 15 DE MARZO DE 2013

    PROYECCIN Y POTENCIALIDADES DE LA BIOINGENIERA PARA LA REDUCCIN DE RIESGOS EN BOGOT

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    Se requiere disear un canal de rpidas con tapa y

    columpio - CRTCUna primera alternativa de este diseo fue presentada por el autor de estaconferencia en 1980/81.

    Esta alternativa fue revisada en el ao 2002 , por lo que finalmente ha sidoreemplazada por una segunda y definitiva alternativa .

    Cuando el sistema de vertimiento de aguas requiera disear nicamente unCanal de Rpidas con Tapa y Columpio (CRTC), los criterios de diseo que seutilizaran seran los siguientes:

    La seccin debe disearse para el tramo de mayor pendiente. La superficie del fondo y paredes debe ser lisa. La velocidad de entrada del canal no debe ser mayor que la que tendra dentro

    de la primera rpida.

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    Se deben colocar filtros paralelos. Si el canal se desarrolla a lo largo de un talud

    estabilizado con terrazas, se hacen c

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    CRTC. Refuerzo estructural sugerido

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    En el diseo del CRTC se procede de igual manera a:

    1. Obtener el valor de a en funcin del caudal de diseo del CRTC y en funcinde la pendiente media , a partir de la siguiente relacin nica:

    Ec. 8

    a, ancho del CRTC, en m; Q, caudal de diseo del CRTC, en m3/s

    Se requiere disear un canal de rpidas con tapa y

    columpio - CRTC

    4.0*905.0 Qa

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    2. Obtener el valor de V rap, y de Vprom en funcin del caudal de diseo a partir delas siguientes relaciones:

    Ec. 9

    V rap, Velocidad mxima en la rpida (antes de entrar al columpio) del CRTC, en m/s.Q, Caudal de diseo del CRTC, en m3/s.

    Ec. 10

    V prom, velocidad promedio a lo largo del CRTC, en m/s.

    Q, caudal de diseo del CRTC, en m3/s.

    Una vez calculada la velocidad por esta va, su valor se compara con lasvelocidades mximas permisibles en canales revestidos.

    Se requiere disear un canal de rpidas con tapa ycolumpio - CRTC

    2.0*457.9 QVrp

    2.0*230.7 QVprom

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    La representacin grfica de las ecuaciones 8, 9 y 10 se muestra en lassiguientes figuras:

    REPRESENTACIN GRFICA DE ECUACIN 8

    Se requiere disear un canal de rpidas con tapa y

    columpio - CRTC

    Diseo del CRTC

    Ancho del canal Vs Caudal

    0.1

    1.0

    10.0

    0.1 1.0 10.0

    Caudal, Q (m3/s)

    Anch

    odelcanal,a(m)

    a = 0.905*Q2/5

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    Diseo del CRTCVelocidad en el canal Vs Caudal

    1.0

    10.0

    100.0

    0.1 1.0 10.0

    Caudal, Q (m3/s)

    Velocidadenelca

    nal,V(m/s)

    Velocidad en la rpida Velocidad promedio en el CRTC

    Vrap= 9.457*(Q)1/5

    Vprom= 7.23*(Q)1/5

    Representacin grfica de ecuaciones 9y 10

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    Se requiere disear un CPD que entrega a un CRTC

    Los criterios de diseo del CPD sern los planteados atrs, seleccionados decualquiera de las dos alternativas presentadas.

    Los criterios de diseo del CRTC sern los planteados atrs.

    El caudal de diseo de ambas estructuras es el mismo.

    Sin embargo, si se escoge para el diseo de un CPD la alternativa 1, se requiereel diseo de una transicin.

    Se recomienda en este caso optar de una vez por la alternativa 2 (DISEOOPTIMIZADO), eliminando la necesidad de la mencionada transicin.

    La nica recomendacin especial para este caso es que el CPD entregue al

    primer columpio del CRTC. Es decir, el tramo final del CPD se comporta comouna de las rpidas del CRTC.

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    El caudal de diseo quegobierna es el del CRTC y elsistema se disea con base enlos siguientes criterios:

    El CRTC se debe disear talcomo se indic atrs.

    El CPD se debe disear talcomo se indic atrs, con elmismo caudal de diseo delCRTC.

    Se requiere disear un CRTC que entrega a un CPD

    Fuente: Propia.

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    Se disea una estructura de transicin entre el CRTC y el CPD con lassiguientes caractersticas:

    En la zona donde se haga necesaria la transicin de un CRTC a un CPD, debetenerse, como remate del primero, un columpio.

    A partir del extremo de ambos (columpio y tapa horizontal) se tendra eldiseo geomtrico de la transicin as:

    Del extremo del columpio se desarrollara el fondo del CPD con un anchoigual al del CRTC, pero con la pendiente exigida por la topografa.

    Del extremo de la tapa horizontal se desarrollara a su vez la tapa de la

    transicin, de dimensin 2a, con el mismo ancho del CPD y rematando enun deflector de longitud 0.7 a, como se muestra en la figura siguiente:

    Se requiere disear un CRTC que entrega a un CPD

    D.C.BOGOT, 13 AL 15 DE MARZO DE 2013

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    Transicin del canal de rpidas con tapa ycolumpio- CRTC al canal de pantallas deflectoras-CPD

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    Se suprimen las dos primeras pantallas deflectoras del CPD.

    Se debe adoptar el elemento denominado Tapa CPD que se ubica a unadistancia de 1.84a respecto al borde inferior del deflector de la transicin ycon una longitud de 4a.

    Transicin del canal de rpidas con tapa y

    columpio- CRTC al canal de pantallas deflectoras-CPD

    Fuente: Propia.

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    NUNCA MS DEBERAN DISEARSE:

    Canales de Rpidas con Tapa y Columpiocon los criterios de diseo de la primeraalternativa, por obsoletos. Todos los CRTCque se diseen deben obedecer, entonces, a

    los criterios planteados para la segundaalternativa.

    Los denominados Canales de Rpidas conTapa (CRT) (que eventualmente se disean yconstruyen an y que fueron los

    predecesores del CRTC -no tenan columpioni deflector en el extremo de la tapainclinada-) por empricos y obsoletos. Sudiseo fue cambiado desde principios de ladcada del 80, en el siglo pasado, por elCRTC.

    RECOMENDACIONES DE DISEOCanal de Rpidas con Tapa - CRT

    Fuente: Propia.

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    Las dimensiones del dentelln deanclaje del columpio del CRTC sonsugeridas, pues dependen de lamagnitud de a (ancho del canal) y de lascaractersticas del suelo de fundacin.

    Es posible y hasta conveniente construiruna ranura transversal en el centro dellabio del deflector a la salida delcolumpio del CRTC, para evitar que ste

    se mantenga lleno de agua y seconvierta en foco infeccioso. Sinembargo, la ranura puede reemplazarsepor un tubo de 5 a 10 cm de dimetro,segn dimensiones del deflector.

    RECOMENDACIONES DE CONSTRUCCIN

    Fuente: Propia.

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    El refuerzo sugerido en el diseo

    estructural de los canales, para unconcreto de 210 kg/cm2, es fruto de lasexperiencias, pero debe tomarse como

    eso, una sugerencia.

    Una ilustracin sobre la formaletera,comnmente usada en la construccinde los canales se muestra en esta

    fotografa.

    Recomendaciones de construccin

    Fuente: Desconocida.

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    GRACIAS

    CONTACTO:[email protected]