Badenes y Cunetas Libro (1)

7/22/2019 Badenes y Cunetas Libro (1)

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Hidrulica Aplicada

Ing. Arbul Ramos Jos 1


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Hidrulica Aplicada

CAPITULO 07

BADENES Y CUNETAS

I. BADENES

Generalidades

Los badenes son depresiones en el perfil de unacarretera que permiten el paso de vehculos yadems del flujo de una quebrada que atraviesa la vala superficie de rodadura acta tanto como unaporcin del canal como le tramo corto de unacarretera una desventaja del Badn es que por logeneral implica una reduccin en la velocidad de losvehculos que pasan por dicha estructura. La mayorventaja es que permite el paso de material de arrastreque trae el curso del agua, particularmente si este esde gran tamao. El badn debe tener una longitud

aproximadamente igual al ancho del cauce, demanera que la topografa natural se alteremnimamente.

As mismo el perfil de la va debe mantener unatransicin suave y se debe instalar seales queprevengan al conductor de la existencia de un badnpara evitar el transito durante lluvias muy intensas ycuando la va se encuentre seca, los vehculos nosalten debido al cambio brusco de pendiente en losextremos del badn.

Es importante proteger el cauce aguas debajo de los

mismos debido a que se puede producir erosinregresiva que termina destruyendo el camino.

Consta de los siguientes elementos:

a) Plataforma o Capa de Rodadura.

Es la parte fundamental del badn. En sentidolongitudinal, la losa es el segmento de unacircunferencia y en sentido transversal es inclinadacon una pendiente del orden del 2% hacia aguasabajo.

b) Muro de Pie.

Muro localizado en la parte de aguas abajo de laplataforma, constituye la fundacin del badn y seconstruye a todo lo largo de este.

c) Muros de Cabezal.

Son una prolongacin del Muro de Pie en ambosextremos de este, formando un vertedero con elobjetivo de ampliar la capacidad de descarga sobreel badn y adems, protege las laderas contra lasocavacin.

d) Muro de Confinamiento.

Se denomina as al muro localizado en el borde dela plataforma en el sector de aguas arriba, elementoque tiene por objetivo la proteccin del badn.

TIPOS DE BADENES

a) Badn simple:

Es el tipo de badn que consta de todos loselementos.

b) Badn mixto:

Al badn simple que, adems incluye alcantarillapara el paso del agua.

c) Badn macizo:

La singularidad de este tipo de badn, es que suplataforma es de gran espesor. Estos badenes sedisean para cursos de ros o quebradas concaudales de magnitud y con arrastre de material

grueso.

d) Badn combinado:

Son aquellos badenes que se construyen junto aotra estructura, por ejemplo un canal de riegoparalelo a la plataforma como parte constitutiva.

CRITERIOS PARA EL ESTUDIO DE DRENAJESUPERFICIAL DE UNA CARRETERA

Caractersticas topogrficas.

Para el caso de obras de cruce menores(alcantarillas, badenes), el levantamiento

topogrfico realizado para la carretera, debercubrir aquellos sectores donde se emplazarndichas obras, de tal manera que permita definir elperfil longitudinal del cauce tanto aguas arriba yaguas abajo de la seccin de cruce.

En el caso de obras de cruce mayores comopuentes, la amplitud que deber abarcar ellevantamiento topogrfico.



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Estudio de cuencas hidrogrficas.

Se refiere a la identificacin de las cuencashidrogrficas que interceptan el alineamiento de lacarretera, con el objetivo de establecer loscaudales de diseo y efectos de las crecidas. Sedeber indicar la superficie, pendiente y longituddel cauce principal, forma, relieve, tipo decobertura vegetal, calidad y uso de suelos,asimismo; los cambios que han sido realizadospor el hombre, tales como embalses u otras obrasde cruce que pueden alterar significativamente lascaractersticas del flujo.

Caractersticas del cauce.

Se refiere a las caractersticas del lecho, talescomo forma, tipo de suelo, tipo de coberturavegetal, tipo de material de arrastre, slidosflotantes, fenmenos de geodinmica externa yotros factores que inciden en el tamao ydurabilidad de la obra de cruce.

Datos de crecidas.

Se proceder segn las metodologas expuestasen el Captulo III del Manual. Como informacinadicional se analizarn y evaluarn las marcasdejadas por crecidas o eventos anteriores.Adicionalmente, se recopilar la informacinproporcionada por lugareos, con la finalidad decontar con informacin adicional de campo.

Evaluacin de obras de drenaje existentes.

Antes de efectuar la evaluacin de las obras dedrenaje existentes, el Proyectista debe conocer otomar en cuenta lo siguiente:

Nivel de intervencin sobre la va en estudio,tomar en cuenta las conclusiones de los estudiosde pre-inversin, para la coherencia del ciclo delproyecto de inversin.

Contar con las progresivas del proyecto encampo.

La evaluacin hidrulica de las estructurasexistentes, deber ser complementada con las

evaluaciones de un Especialista en Estructuras yObras de arte, para las evaluaciones del estadoestructural de los elementos de una obra dedrenaje existente.

El resultado de la evaluacin de las obras dedrenaje ser presentado en fichas tcnicas decampo.

La evaluacin del comportamiento desde el puntode vista hidrulico estructural de estructurasubicadas aguas arriba o aguas abajo de laestructura proyectada es de mucha utilidad,porque permite contar con informacin relevante

para lograr diseos adecuados, tomando cuentasu funcionamiento ante la presencia de procesosgeomorfolgicos como erosin, sedimentacin u

otros fenmenos, a los que han estadosometidas.

DISEO DE BADENES

DATOS BSICOS PARA EL DISEO

Las investigaciones necesarias se centran en tresaspectos fundamentales:

Topografa del cauce.

Geotecnia y mecnica de suelos del sitio.

Estimacin de caudales mximos.

Se recomienda evitar la colocacin de badenes sobredepsitos de suelos finos susceptibles de ser afectadospor procesos de socavacin y asentamientos.

El diseo de badenes debe contemplar necesariamente laconstruccin de obras de proteccin contra la socavaciny uas de cimentacin en la entrada y salida, as comotambin losas de aproximacin en la entrada y salida delbadn o sea que se debe construir las cimentacionessobre materiales resistentes a la socavacin (roca sana oenrocado) o por debajo de la profundidad esperada desocavacin, para ello se podra uso de empedradopesado colocado localmente, jaulas de gaviones orefuerzo de concreto.

Dependiendo del tipo de material de arrastre quetransporte el curso natural donde se ubicar el badn, sepueden adoptar diseos mixtos, es decir Badn Alcantarilla, que permitan evacuar flujos menores enpocas de estiaje y a su vez flujos de materiales slidos

en perodos extraordinarios, sin embargo, estos diseosdeben ser estudiados minuciosamente para poder serempleados, mediante un estudio integral de la cuencaque drenar el badn, ya que el material transportadopuede originar represamientos, poniendo en riesgo suestabilidad y permanencia.

Tambin se recomienda usar una estructura o una losasuficientemente larga para proteger el permetro mojadodel cauce natural del curso de agua, como tambinagregar proteccin por arriba del nivel esperado de aguasmximas. Mantener un borde libre, tpicamente de entre0.30 y 0.50 metros, entre la parte superior de la superficie

reforzada de rodadura (losa) y el nivel de aguas mximasesperado.

La ventaja de las estructuras tipo badn es que lostrabajos de mantenimiento y limpieza se realizan conmayor eficacia, siendo el riesgo de obstruccin muy bajo.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEO DE BADENES

a) Material slido de arrastre

El material de arrastre es un factor importante en eldiseo del badn, recomendndose que no sobrepase elpermetro mojado contemplado y no afecte los ladosadyacentes de la carretera.

Debido a que el material slido de arrastre constituido porlodo, palizada u otros objetos flotantes, no es posible



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cuantificarlo, se debe recurrir a la experiencia delespecialista, a la recopilacin de antecedentes y alestudio integral de la cuenca, para lograr un diseoadecuado y eficaz.

b) Proteccin contra la socavacin

Es importante que el badn proyectado cuente con obrasde proteccin contra la socavacin, a fin de evitar sucolapso. Segn se requiera, la proteccin debe realizarsetanto aguas arriba como aguas abajo de la estructura,mediante la colocacin de enrocados, gaviones, pantallasde concreto u otro tipo de proteccin contra lasocavacin, en funcin al tipo de material que transportael curso natural.

Asimismo, si el estudio lo amerita, con la finalidad dereducir la energa hidrulica del flujo a la entrada y salidadel badn, se recomienda construir disipadores deenerga, siempre y cuando estas estructuras noconstituyan riesgos de represamientos u obstrucciones.

El diseo del badn tambin deber contemplar uas decimentacin tanto a la entrada como a la salida de laestructura, dichas uas debern desplantarsepreferentemente sobre material resistente a procesoserosivos.

c) Pendiente longitudinal del badn

El diseo hidrulico del badn debe adoptar pendienteslongitudinales de ingreso y salida de la estructura de talmanera que el paso de vehculos a travs de l, sea demanera confortable y no implique dificultades para losconductores y dao a los vehculos.

d) Pendiente transversal del badn

Con la finalidad de reducir el riesgo de obstruccin delbadn como el material de arrastre que transporta cursonatural, se recomienda dotar al badn de una pendientetransversal que permita una adecuada evacuacin delflujo. Se recomienda pendientes transversales para elbadn entre 2 y 3%.

e) Borde libre

El diseo hidrulico del badn tambin debe contemplarmantener un borde libre mnimo entre el nivel del flujomximo esperado y el nivel de la superficie de rodadura,

a fin de evitar probables desbordes que afecten los ladosadyacentes de la plataforma vial. Generalmente, el bordelibre se asume igual a la altura de agua entre el nivel deflujo mximo esperado y el nivel de la lnea de energa,sin embargo, se recomienda adoptar valores entre 0.30 y0.50m.

DISEO HIDRAULICO

Para el diseo hidrulico se idealizar el badn como un

canal trapezoidal con rgimen uniforme.

Este tipo de flujo tiene las siguientes propiedades:

a) La profundidad, rea de la seccin transversal, velocidad

media y gasto son constantes en la seccin del canal.

b) La lnea de energa, el eje hidrulico y el fondo del canal

son paralelos, es decir, las pendientes de la lnea de

energa, de fondo y de la superficie del agua son iguales.

El flujo uniforme que se considera es permanente en el

tiempo. Aun cuando este tipo de flujo es muy raro en las

corrientes naturales, en general, constituye una manera

fcil de idealizar el flujo en el badn y los resultados

tienen una aproximacin prctica adecuada.

Para el clculo de la velocidad media en un flujo uniforme

cumple la ecuacin de Manning, que se expresa por la

siguiente relacin:



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Donde el gasto viene dado por la siguiente relacin:

Donde:

Q: Caudal (m3/s)

V: Velocidad media de flujo (m/s)A: rea de la seccin hidrulica (m2)P: Permetro mojado (m)R: Radio hidrulico (m)S : Pendiente de fondo (m/m)

n: Coeficiente de Manning

CUNETASGeneralidadesLas cunetas son zanjas longitudinales revestidas o sin

revestir abiertas en el terreno, ubicadas a ambos lados o

a un solo lado de la carretera, con el objeto de captar,

conducir y evacuar adecuadamente los flujos del agua

superficial.

Se proyectarn para todos los tramos al pie de los taludes

de corte, longitudinalmente paralela y adyacente a la

calzada del camino y sern de concreto vaciadas en elsitio, prefabricados o de otro material resistente a la

erosin.

3.2.1.-Localizacin en secciones de corte, terrapln y en

separador central.

Las cunetas son estructuras de drenaje que captan las

aguas de escorrenta superficial proveniente de la

plataforma de la va y de los taludes de corte,

conducindolas longitudinalmente hasta asegurar su

adecuada disposicin.

Las cunetas preferentemente sern de seccin triangular

y se proyectarn para todos los tramos al pie de los

taludes de corte.

Sus dimensiones sern fijadas de acuerdo a las

condiciones pluviales, siendo las dimensiones mnimas

aquellas indicadas en el cuadro 3.2.1.a.

El ancho es medido desde el borde de la subrasante

hasta la vertical que pasa por el vrtice inferior. Laprofundidad es medida verticalmente desde el nivel del

borde de la subrasante al fondo o vrtice de la cuneta.

Cuando existan limitaciones de ancho de la plataforma se

podr proyectar cunetas con doble funcin:

Drenaje y rea de emergencia (berma)

Para los cuales se buscar la solucin ms adecuada

tales como: cunetas cubiertas, berma-cuneta, etc

3.2.2.-TIPOS DE CUNETAS

Pueden ser del tipo triangular, trapezoidal o rectangular,

siendo preferentemente de seccin triangular, donde el

ancho es medido desde el borde de la rasante hasta la

vertical que pasa por el vrtice inferior. La profundidad es

medida verticalmente desde el nivel del borde de la

rasante al fondo o vrtice de la cuneta.

a) Cunetas o zanjas de coronacin

Las cunetas o zanjas de coronacin son canales que se

construyen en la parte superior de los taludes de corte,

para recoger las aguas que bajan por las pendientes

naturales y conducirlas hacia la quebrada o descarga

ms prxima del sistema general de drenaje, evitando de

este modo la erosin del terreno, especialmente en

zonas de pendiente pronunciada.

Normalmente son de forma rectangular, pero tambin

pueden ser trapezoidales, si se requiere un mayor

tamao.

Es importante sembrar especies naturales a ambos

lados de la cuneta (pastos, ichu, maleza, races, rboles,

etc); o ramas cortadas amarradas entre s en forma de

estructuras alargadas, las cuales se entierran o se

colocan como estacas siguiendo el contorno de untalud), para evitar que el agua erosione bajo la



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cuneta y sta se obstruya con sedimentos.

Si la pendiente es mayor que 2%, es necesario que el

canal tenga recubrimiento de concreto simple o enrocado,

teniendo en cuenta adems del rea mojada y la

rugosidad del canal. Para pendientes mayores, las

zanjas deben ser escalonadas con emboquillado de

piedra bajo la cada.

FIGURA N 30: Detalle de zanja de coronacin en

pendientes muy pronunciadas

No es recomendable colocar estas zanjas,

paralelas totalmente a la carretera, porque los

tramos finales de la cuneta quedan con una

pendiente excesiva, en la que se tienen que

ejecutar tramos escalonados, como se observa

en la Figura N 30, sino por el contrario, se

trazar la cuneta hacia el interior de la

quebrada, siguiendo las pendientes admisibles para

el tipo de terreno o revestimiento.

Se puede prescindir de las cunetas de

coronacin en taludes de suelos resistentes a la

erosin con declives de 1:2 ( V :H ) o

menores, o cuando durante la construccin sehayan adoptado medidas efectivas de control de la

erosin.

b) Cunetas de banqueta

Son aquellas que se ubican al pie del talud

inclinado de cada banqueta, las cuales consisten

en la construccin de una o ms terrazas

sucesivas con el objetivo de estabilizar un talud.

Pueden tener seccin triangular, rectangular

o trapezoidal, de acuerdo al caudal de

escorrenta superficial que transportar y su

descarga se efectuar hacia un curso natural o

mediante cadas escalonadas hacia las cunetas.

Figura 3.2.2.b.- En la que Detalle de cuneta de

banqueta tpica

DISEO DE CUNETAS

El encuentro de la superficie de rodadura con el talud

interno de la cuneta, debe ser tal que la superficie de

rodadura (concreto asfltico, etc.) no cubra todo el

espesor de pared de la cuneta, tal como se aprecia en la

figura siguiente.

La inclinacin del talud interior de la cuneta (V/H) (1:Z1)

depender, por condiciones de seguridad, de la velocidad

y volumen de diseo de la carretera, ndice Medio Diario

Anual IMDA (veh/da); segn lo indicado en la Tabla sgte

del Manual de Diseo geomtrico DG-2001.



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Taludes a Utilizar:

Seccin transversal

Capacidad de las cunetas

Se rige por dos lmites:

Caudal que transita con la cuneta llena

Caudal que produce la velocidad mxima admisible

Para el diseo hidrulico de las cunetas utilizaremos el

principio del flujo en canales abiertos, usando la ecuacin

de Manning:

Donde:Q : Caudal (m3/seg)

V : Velocidad media (m/s)

A : rea de la seccin (m2)

P : Permetro mojado (m)

R : A/P , Radio hidrulico (m)

S : Pendiente del fondo (m/m)

n : Coeficiente de rugosidad de Manning

Los valores de Manning (n) ms usados, se presentan en

la sgte Tabla:

La siguiente tabla muestra valores del coeficiente de

rugosidad de Manning teniendo en cuenta las

caractersticas del cauce:

Caudal de aporte (Q)

Es el caudal calculado en el rea de aporte

correspondiente a la longitud de cuneta. Se calcula

mediante la siguiente expresin:

Donde:

Q : Caudal en m3/s

C : Coeficiente de escurrimiento de la cuenca

A : rea aportante en Km2

I : Intensidad de la lluvia de diseo en mm/h

Dimensiones mnimas

Las dimensiones sern fijadas de acuerdo a las

condiciones pluviales.

De elegir la seccin triangular, las dimensiones mnimas

sern las indicadas en la Tabla sgte.

Tabla de Dimensiones mnimas



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Para lograr el funcionamiento adecuado de la seccin

hidrulica, se requiere que en los proyectos viales se

considere:

La construccin de una berma exterior de recepcin

con ancho mnimo de 60 cm (entre la cuneta y pie

del talud de corte), con la finalidad de recepcionar la

posible cada de materiales del talud superior, los

cuales al impactar, deterioran las losas y colmatanla seccin hidrulica.

As mismo es necesario establecer la necesidad de

mantenimiento de cunetas por lo menos dos veces

al ao (antes y despus del perodo de lluvia,

especialmente en zonas de sierra y selva del pas).

Cuando existan limitaciones de ancho de la

plataforma se podr proyectar cunetas con doble

funcin:

Drenaje

rea de emergencia (berma)

Para los cuales se buscar la solucin ms

adecuada tales como: Cunetas cubiertas, berma-

cuneta, cuneta tipo batea, etc.

Desage de las cunetas

La descarga de agua de las cunetas se efectuar por medio

de alcantarillas de alivio. En regin seca o poca lluviosa la

longitud de las cunetas ser de 250m como mximo, las

longitudes de recorridos mayores debern justificarsetcnicamente; en regin muy lluviosa se recomienda reducir

esta longitud mxima a 200m. Salvo justificaciones tcnicas,

cuando se tenga presencia de reas agrcolas, viviendas

ubicadas sobre el talud inferior de la carretera que pueden ser

afectadas por descargas de alcantarillas de alivio. En este

aspecto, el proyectista deber realizar una evaluacin

exhaustiva para ubicar adecuadamente los puntos de

descarga de alcantarillas de alivio sin afectar la propiedad

adyacente.

Revestimiento de las cunetas

Las cunetas deben ser revestidas, para evitar la erosin de la

superficie del cauce o conducto, productos de corrientes de

agua que alcancen velocidades medias superiores a los

lmites fijados en la

Tabla de velocidades admisibles;

cuando el terreno es muy permeable que permite la filtracinhacia el pavimento, y consecuentemente su deterioro. El

revestimiento de las cunetas puede ser de concreto, o de ser

el caso de mampostera de piedra, previa verificacin de

velocidades de acuerdo a las pendientes finales del trazo

geomtrico. Se recomienda un revestimiento de concreto fc

= 175 kg/cm2 y espesor de 0.075m.

Velocidades lmites admisibles:

Calculo De La Capacidad De Caudal De Una Cuneta

Usando El Nomograma De Izzard

Cuando la seccin transversal de la cuneta consiste

esencialmente de un pavimento con pendiente uniforme, elcaudal puede ser rpidamente calculado usando el



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nomograma de IZZARD para escurrimiento en un canal

triangular (ver Anexo 5.2). Este nomograma es tambin

aplicable a secciones compuestas de dos o mas partes de

secciones diferentes. El nomograma de IZZARD, permite

calcular la altura de agua en el bordillo de acera para uncaudal dado o viceversa. En estos clculos se debe tener

presente que la altura de agua obtenida es para una longitud

de cuneta suficiente para establecer un escurrimiento

uniforme, siendo esta longitud probablemente 15m.

Invariablemente, una cuneta va gradualmente acumulando

agua de modo que el caudal no es constante a lo largo de su

longitud. Para el calculo del caudal en cunetas es posible el

empleo de la formula de Manning considerando una seccin

triangular. Los valores del coeficiente n de Manning

adoptados, son los que se muestran en la tabla 5.4.Para

cunetas con pendientes pequeas donde es posible la

acumulacin de sedimentos, los valores den mencionados

en la tabla deben ser incrementados en 0.002 a 0.005.

EJEMPLOS APLICATIVOS DE BADENES Y CUNETAS

EJEMPLOS APLICATIVOS DE DISEO DE BADENES

Disear el Badn ubicado en la progresiva 5+152.50 del CAMINO

VECINAL CRUCE NARANJO - SAN MIGUEL SABANAS cuyos

aportes de caudales tanto de la Cuneta del lado Izquierdo, derecho

y la quebrada son 0.0416 , 0.0313 y 0.372 m 3/s respectivamente,

los mismos que fueron obtenidos por clculos hidrolgicos.

Adems considerar un talud(z) de 4.20, solera 2.00 m, rugosidad(n)

de 0.025, pendiente(S) de 2.0%, asumiendo una longitud del Badn

de 4.00 m y una profundidad de 0.30 m la cual va a permitir el

trnsito fluido sin causar ninguna incomodidad para el usuario y

seguridad al paso del trnsito.

Solucin:



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Hidrulica Aplicada

Datos:

Q = 0.445 m3/s

n = 0.025

b = 2.0 m

Z = 4.2

S = 2.0 %

Clculo del rea hidrulica y permetro mojado:

Clculo del Radio hidrulico:

Aplicando la ecuacin de Manning:

Reemplazando en:

Entonces se obtiene:

A = 2.168 m2

P = 3.727 m

R = 0.582 m

BL = 0.10 m

a = 1.00 m

DISEO DEFINITIVO:

2. EJEMPLO APLICATIVO DE DISEO DE CUNETACalcular las dimensiones de la Cuneta, sabiendo que:

- La ubicacin y rea de influencia estn entre las Cotas

altitudinales de 2,500 y 3,000 m.s.n.m., ubicndose esta

zona en San Ignacio y Jan. Dicha rea tiene clima per

hmedo - templado clido con temperatura media de 12

y 17 C, precipitacin promedio anual 3,000 mm. deben

considerarse reas protegidas para preservar el rgimen

hdrico y evitar derrumbes y prdidas de suelos por

erosin hdrica.

Ubicndose en la ZONA DE VIDA, Bosque Muy Hmedo

Montano Bajo tropical (Datos obtenidos del ESTUDIO

HIDROLOGCO REGIONAL DE LA REGIN

CAJAMARCA)

-Para el presente diseo asumiremos un Perodo de

Retorno de obras de drenaje dadas por el MTC el

cual se presentan en la sgte Tabla:



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- El caudal superficial (Q), Q = 0.0175 m3/seg

(obtenido a partir de datos hidrolgicos utilizando el

Mtodo Racional) , pendiente (S) de 2 %0 , ancho

(b) de 0.50 m, con una profundidad de 0.40m,

taludes Z1 =1.0 y Z2 = 1.0

Solucin:

Datos:

Q = 0.0175 m3/s

S = 0.002

b = 0.50 m

Z1 = 1.0

Z2 = 1.0

Bl + Y = 0.30 mPara ello utilizaremos la frmula de Manning:

Los valores de n para la frmula de Manning las

obtenemos de la sgte Tabla:

En donde, n = 0.017 (revestido de concreto spero)

Adems se tiene que:

Entonces reemplazamos:

Asumimos:

Finalmente se tiene:

Ancho superior = 0.50 m

Profundidad = 0.30 m



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Hidrulica Aplicada

Permetro mojado = 0.566 m

rea Hidrulica = 0.04 m2

Radio hidrulico = 0.071 m

Seccin final:


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