25 aos contribuyendo a la gestin sustentable del aguaMODELACIN DE PUENTES EN FLUJO PERMANENTE USANDO HEC-RASLas notas de este curso, documentacin y ejercicios que lo acompaan son propiedad de:M.I. Alfredo Ranulfo Ocn GutirrezIMTA, 2012

Estimacin de la socavacin en puentes

Guas de modelacin Para modelar la erosin en un puente se debe desarrollar primero un modelo hidrulico del ro conteniendo el puente por analizar.

HEC-RAS permite calcular la erosin por contraccin y la erosin local por pilas y estribos.

Los procedimientos aqu usados se desprenden de la publicacin HEC No. 18.

Para poder calcular la erosin en puentes es necesario activar el clculo de la distribucin de velocidades en las secciones transversales del ro.Guas de modelacin (2)El usuario puede controlar el nmero de franjas en cada elemento del flujo (llanura de inundacin izquierda, derecha y canal principal), stas pueden ser como mximo 45.

Captura de datosLos clculos de erosin se realizan al abrir la ventana Hydraulic Design Functions (funciones de diseo hidrulico) y al seleccionar la funcin Scour at Bridges (erosin en puentes). Una vez seleccionada esta opcin, el programa acceder automticamente al archivo de salida y obtendr el resultado calculado para la seccin de aproximacin, la seccin justo aguas arriba del puente, y las secciones dentro del puente.

Captura de datos

Captura de datosCaptura de Datos de Erosin por ContraccinLa erosin por contraccin puede calcularse en HEC-RAS por medio de las ecuaciones de erosin por contraccin de agua limpia de Laursen (Laursen, 1963) o de fondo vivo (Laursen, 1960). La Figura de la lmina anterior muestra todos los datos para los clculos de erosin por contraccin. Todas las variables excepto K1 y D50 se obtienen de manera automtica del archivo de salida de HEC-RAS. El usuario puede cambiar cualquier variable al valor que crea apropiado. Para calculara la erosin por contraccin, el usuario slo necesita ingresar el D50 (tamao de fraccin promedio del material del fondo) y una temperatura del agua para calcular el factor K1.

Captura de datosD50 : El tamao de partculas del material del fondo que son 50% ms pequeas en la llanura de inundacin izquierda, derecha y canal principal. El usuario debe ingresar este tamao de partculas en milmetros.

Ecuacin: El usuario tiene la opcin de que el programa decida si usa las ecuaciones de erosin por contraccin de fondo vivo o agua limpia, o si selecciona una ecuacin especfica. Si el usuario selecciona la opcin Default (predeterminada), el programa calcular Vc, la velocidad crtica que transportar el material del fondo ms fino que D50. Si la velocidad promedio en la seccin transversal de aproximacin es mayor a Vc, entonces el programa usar la ecuacin de erosin por contraccin de fondo vivo. O en caso contrario, se usar la ecuacin de erosin por contraccin de agua limpia.

Captura de datosK1: Es un exponente para la ecuacin de erosin por contraccin de fondo vivo que explica el modo de transporte del material de fondo. El programa puede calcular un valor para K1 o el usuario puede capturarlo. Para que el programa haga esto, el botn K1 debe estar presionado. Una vez que se captura la temperatura del agua, y el usuario presiona el botn OK, el factor K1 se mostrar en la ventana principal de erosin por contraccin.

Captura de datosEstacin de la Seccin Transversal de Aproximacin: Se refiere a la estacin que se est usando como seccin transversal de aproximacin. Esta seccin transversal debe estar localizada en un punto aguas arriba del puente justo antes de que el flujo comience a contraerse debido a la restriccin de la apertura del puente (seccin 4). El programa asume que la segunda seccin transversal aguas arriba del puente es la seccin transversal de aproximacin. Si este no es el caso, el usuario puede seleccionar una estacin diferente para usarse como seccin transversal de aproximacin.

Captura de datosCaptura de Datos de Erosin en Pilas

La erosin en pilas puede calcularse ya sea por la ecuacin (Richardson, et al, 1990) de Colorado State University (CSU), que es la predeterminada, o por la ecuacin Froehlich (1988), esta ecuacin no se incluye en el reporte de HEC No. 18. El usuario slo debe ingresar la forma de la pila (K1), el ngulo de ataque para el flujo que golpea las pilas, la condicin del fondo (K3), y una fraccin del tamao D95 para el material de fondo. Todos los otros valores se obtienen automticamente del archivo de salida de HEC-RAS.

Captura de datosCaptura de Datos de Erosin en Pilas

Captura de datosV1 Y1 Mximos: Si el usuario selecciona esta opcin, el programa encontrar la velocidad y el tirante mximo localizado en la seccin transversal aguas arriba del puente. El programa usa la salida de distribucin de flujo para obtener estos valores. Por lo tanto se usaran el V1 y Y1 mximos para todas las pilas.

V1 Y1 Local: Si el usuario selecciona esta opcin, el programa encontrara la velocidad (V1) y el tirante (Y1) en la seccin transversal aguas arriba del puente que corresponde a la estacin de eje de cada pila.Method (mtodo): Esta opcin permite escoger entre la ecuacin CSU y la ecuacin Froehlich para calcular la erosin local en las pilas del puente. El mtodo predeterminado es la ecuacin CSU.

Captura de datosPier # (pila #): Este cuadro de seleccin controla cmo los datos se deben capturar. Cuando se selecciona la opcin Apply to All Piers (aplicar a todos las pilas), se aplicarn a todas las pilas los datos que el usuario haya capturado. Shape (forma): Este cuadro de seleccin se usa para establecer la forma de la pila (lmite aguas arriba). El usuario puede seleccionar las siguientes formas de pilas: nariz cuadrada, redonda, cilindro circular, grupo de cilindros, o nariz angular (triangular). Cuando el usuario selecciona una forma, automticamente se establecen el factor K1 para la ecuacin CSU y el factor Pi para la ecuacin Froehlich. El usuario establece la forma para todas las pilas o se puede capturar una forma diferente para cada pila.

Captura de datosa: Este campo se usa para capturar el ancho de la pila. El programa automticamente coloca el valor en este campo en base a los datos de entrada del puente. Sin embargo el usuario puede cambiar el valor.D50: Dimetro medio del material del fondo del cual el 50 % es ms pequeo. Este valor se completa automticamente para cada pila, basado en lo que se captur para la llanura de inundacin izquierda, derecha y canal principal, bajo los datos de erosin por contraccin. El usuario puede cambiar el valor para todas las pilas en general o slo una. Este valor debe capturarse en milmetros.

Captura de datosAngle (ngulo): Este campo se usa para ingresar el ngulo de ataque del flujo que se acerca a la pila. Si el flujo aguas arriba de la pila es perpendicular a la nariz de la pila, entonces el ngulo de ataque se deber ingresar en cero. Si el flujo se aproxima a la nariz de la pila en ngulo, entonces el ngulo de ataque deber ingresarse como un valor positivo en grados. Cuando se ingresa un ngulo, el programa establece de manera automtica un valor para el coeficiente K2. Cuando el ngulo es > 5 grados, K1 se establece como 1.0.

L: Este campo representa la longitud de la pila a travs del puente. El programa establece automticamente en este campo para igualar el ancho del puente. El usuario puede cambiar la longitud de cada una de las pilas o de todas. La longitud se usa para determinar la magnitud del factor K2.

Captura de datosK1: Factor de correccin para la pila con forma de nariz que se usa para la ecuacin CSU. Este factor se establece automticamente cuando el usuario selecciona una pila con forma de nariz. El usuario puede invalidar el valor seleccionado y capturar su propio valor.

K2: El factor de correccin para el ngulo de ataque del flujo en la pila se usa en la ecuacin CSU. Este factor se calcula automticamente ya que el usuario ingresa los siguientes datos de la pila: el ancho (a), la longitud (L), y el ngulo de ataque (ngulo).

K3: El factor de correccin para la condicin del fondo se usa en le ecuacin CSU. El usuario puede seleccionar entre las siguientes opciones: erosin de agua limpia, flujo de fondo plano y de antiduna, dunas pequeas, medianas y grandes.

D95: El tamao medio del material del fondo del cual el 95 por ciento es ms fino. La fraccin de tamao D95 se usa para los clculos del factor K4 y debe ser capturada en milmetros directamente por el usuario.

Captura de datosK4: El factor K4 se usa para disminuir el tirante de la erosin y as explicar el revestimiento del hoyo de erosin. Este factor slo se aplica cuando el material del fondo D50 es mayor a 0.006 pies (1.83 mm) y el D95 es mayor a 0.06 pies (18.3 mm). El programa calcula automticamente este factor y es una funcin de D50, D95, a, y el tirante de agua que se encuentra aguas arriba de la pila. El factor K4 se usa en la ecuacin CSU.

a: El ancho de pila proyectado en relacin a la direccin del flujo. El usuario debe calcular este factor el cual est basado en el ancho, forma, ngulo y longitud de la pila. Este factor se usa de manera especfica en la ecuacin Froehlich.

Phi (pi): Factor de correccin para la nariz de la pila que se usa en la ecuacin Froehlich. Este factor se establece automticamente cuando el usuario selecciona la pila con forma de nariz. El usuario puede invalidar el valor seleccionado e ingresar uno propio.

Captura de datosIngresar Datos de Erosin de EstriboLa erosin en el estribo se puede calcular por medio de las ecuaciones HIRE (Richardson, 1990) o Froehlich (Froehlich, 1989).

Captura de datosComo se muestra en la Figura anterior, la erosin del estribo se calcula de manera separada para el estribo derecho e izquierdo. El usuario slo necesita seleccionar el tipo de estribo. El programa selecciona automticamente los valores para todas las variables que estn basadas en los resultados hidrulicos y la configuracin predeterminada. Sin embargo el usuario puede cambiar cualquier variable.

Una vez que se presion el botn de calcular, la grfica de erosin del puente se actualiza para incluir la erosin del estribo y la ventana de resumen de resultados muestra los resultados para los estribos.

Calculo de la Erosin Total del PuenteLa erosin total es una combinacin de la erosin por contraccin y la erosin individual de la pila y estribo en cada lugar.

Fin del tema Estimacin de la erosin en puentes