Calderas 5006-11-socavacion canalespuentes

Tema Especial

SOCAVACIÓN EN CANALES CON PUENTES

Carmelo O. Calderas

Prof. R. Zapata – INCI 5006

5/26/11

AGENDA

Introducción de termino socavación

Socavación

por contracción

en pilastras

en estribos

deposición aguas debajo del puente

Software disponibles

Cómputos con HEC-RAS 4.0

Preguntas

SOCAVACIÓN

Es la suspensión de partículas del material

en el lecho

Debido a esfuerzos cortantes

Que estos son provocados por la interacción

entre la obstrucción o cambio en el área de

flujo normal del canal y el flujo del cana

Es un tema resiénteme estudiado, donde el

primer artículo fue en el 1949 por Laursen

SOCAVACIÓN

No existen método exactos para el computo

de la profundidad de socavación

Pero si muchos estudios que han propuesto

métodos que solo ayudan a conocer el orden

del valor real

Los diferentes métodos toman en

consideración diferentes factores y

propiedades del canal

SOCAVACIÓN DEBIDO A LA CONTRACCIÓN

Es la socavación causada por la disminución

al área de flujo, aumentando así la velocidad

promedio del flujo del canal

Cusas:

Construcción de terraplenes para el acceso al

puente

Colocación de pilastras y/o estribos


Algunos método utilizados son el de

Lischtvan-Levediev

Straub

Laursen

Donde este ultimo mencionado es el mas

utilizado en los E.U.


Método de Laursen

Donde: Ks = parámetro de Shields =

0.039

Gs = grevedad especifica del material del fondon

n = coeficiente de rugosidad de Manning

Ds = Hs – hs

Ds = profundidad promedio de socavación (m)

Hs = profundidad promedio del flujo, en el are de socavación luego de la socavación (m)

h2 = profundidad existente en la sección contraída, antes de la socavación (m)

Q2 =caudal a través del puente (m3/s)

Dm = diámetro medio efectivo del material del lecho ≈ 1.25D50 (m)

B2 = ancho efectivo del cauce en el puente sin contar las pilastras (m)

Ecuación simplificada del

método Laursen para agua

clara.

SOCAVACIÓN POR PILASTRAS

Al interrumpir el

flujo crea una

serie de vórtices

que terminan el

a base la

pilastra

removiendo el

material del

lecho

Comportamiento de flujo en pilastra

cilíndrica. Raudkivi. A. J., 1986


Como se aprecia en la imagen existen dos (2) tipos de vórtices que controlan la socavación en las pilastras,

Vórtices de herraduraCreados por la onda que se forma en la pilastras

Creando presiones hacia el fondo

Se convierten en vórtices que se alojan al pie de la pilastra

Suspendiendo el material del lecho y trasportándolo lejos de la pilastra


Vórtices de estela

Son creados al pie de la pilastra

Se mueven hacia arriba

Arrastrando con poco cantidad de partículas

Transportándolas lejos

Existe también un fenómeno que ocurre al pie de la pilastras debido a la fuerza de arrastre del fluido

Creando un hueco de socavación

Hueco de socavación en la pilastra

circular. Raudkivi. A. J., 1986

SOCAVACIÓN POR PILASTRA

No se he encontrado ninguna solución exacta

La primera propuesta fue el 1965, por Breusers

Proponiendo que Hs = 1.4 veces el ancho de la pilastra

Hasta el momento se han generado varios métodos, ninguno de carácter confiable

Todo siendo una relación por factores aplicados al ancho de la pilastra


La figura muestra una relación de los diferentes métodos

Creada por Jones

Donde se aprecia los diferentes valores

Siendo el método de CSU, Universidad Estatal de Colorado el valor medio

Relación de los diferentes métodos de

los diferentes investigadores. Jones

HEC-18


Donde: ds = profundidad de

socavación (m)

Kf = coeficiente de la forma de

la nariz de la pila

Kg = coeficiente de la relación

Hs/a

a = ancho de pila (m)

Método de Laursen y

Toch, 1956

Este método fue

estudiado para la

socavación máxima

Fue presentado en

unas grafías pero

resumido en esta

ecuación

Método de Laursen y Toch


Factor de corrección de Kf para forma de

nariz. Juárez Badillo E. y Rico Rodríguez

A. (1992)

Grafico para estimar Kg. Juárez

Badillo E. y Rico Rodríguez A. (1992)

SOCAVACIÓN DEBIDO A ESTRIBOS

Se encuentran menos estudios que para las

pilastras

Aunque se piensa que los factores que

generan esta socavación son parecidos a los

de las pilastras

De igual forma la socavación es provocada

por vórtices que se forman con la interacción

del caudal.


Existen dos (2)

vórtices

principales

Vórtice horizontal Causa y

comportamiento

igual a vórtice

herradura

Vórtice vertical Causa y

comportamiento

parecido a vórtice de

estela

Comportamiento de flujo en estribo.

Presentación Socavación, Jaime

Suarez


Existen varios métodos para el computo de

esta socavación, dando todo un estimado

demasiado conservador

Algunos de estos método son por:

Liu

Chang y Skinner

Laursen

Artamonov

Froehlich

HIRE (utilizado por

HEC-RAS 4.0)

Melville


Nos enfocaremos solo en el

método de Leursen

El uso de esta ecuación tiene

vario requisitos estos son:

Pared vertical

No hay flujo sobre el puente

La relación de (L/h < 25) para

el estribo

La ecuación provee

profundidad de socavación

incluyendo el factor por

contracción

Para valores máximos de

ds/h igual a 4

Se resuelve por iteraciones

Dirección del flujo con

respecto al estribo igual a cero

(0)

Donde:h = profundidad del flujo

L = longitud del estribo

τ = esfuerzo cortante en el

lecho aguas arriba del estribo

τc = esfuerzo cortante critico

para D50 del material del

lecho

Kf = 0.9 corrección para

estribos a 45º de inclinación

Socavación en agua clara. Método Laursen

SOCAVACIÓN TOTAL

Es la suma total de todos lo tipos de socavación

de los cuales en este informe se mencionan

tres de estos cinco tipos de socavación.

Estos son:

degradación a largo plazo

migración lateral de la corriente

socavación general por contracción u otras causas

socavación local en pilas

socavación local en estribos.

DEPOSICIÓN AGUAS DEBAJO DE LOS PUENTES

Esto es el material depositado en las pilastras y

en extraños casos en los estribos

Este material se deposita cuando en las

grandes crecidas es transportado de aguas

arriba

Esto afecta la pilastra ya que se deposita en el

pie de la misma, aumentando su ancho

Y como sabemos que la profundidad de

socavación local depende proporcionalmente

del ancho de la pilastra

DEPOSICIÓN AGUAS DEBAJO DE LOS PUENTES

No hay muchos estudios sobre este proceso de deposición de basura en las pilastras del puente

Para el 1956, Laursen y Toch realizaron estudios cualitativos

Presentaron un método para estimar el efecto de esta deposición en el pie de la pilastra

Aunque poco confiable para usa de diseño

Para cómputos

se aumenta el ancho de las pilastras en el cómputo de la profundidad de socavación local

Pero esto solo esta a criterios del diseñador

SOFTWARE PARA ESTUDIOS DE SOCAVACION

HEC-RAS 4.0

Uno de los mas utilizados

Creadores, U.S. Army Corp of Engineering

CAESAR

Utilizado para la inspección de puentes

Recomendado por Departamento de Agricultura de los Estados Unidos

River CAD

Programa utilizado para modelar canales

Permite el estudio de transporte de sedimento

COMPUTO DE SOCAVACIÓN CON HEC-RAS 4.0

Utilizaremos un diseño de un puente

previamente detallado en el programa

Se computara la socavación

Por contracción

Debido a las pilastras

Debido a los estribos


Ventana principal

del programa

Podemos ver la

geometría del

canal y del puente

Contamos con

2 estribos

3 pilastras

Contracción de

19%Pantalla principal programa HEC-RAS y

vista 3D de diseño de puente


Hidraulic DesignFuntion Ventana Bridge

Sour

Contraction

Solo se ingresa D50

Luego de oprime K1

Finalmente Compute

Pantalla para entrar data de contracción

del puente y su cómputo

COMPUTO DE SOCAVACIÓN POR

CONTRACCION


Se observa las líneas

de socavación en el

perfil

Por ultimo de oprime

Report

En la figura vemos los

resultados del

computo

Y el método utilizado

para el computo


CONTRACCION

Pantalla de reporte de cómputos

de socavación por contracción


Pestana Pier

Requiere

ángulo en

que el flujo

impacta la

pilastra

D95

Presionamos

Compute


PILASTRAS

Pantalla para insertar datos y computar

socavación por pilastras. HEC-RAS 4.0


Presionando Report

Podemos ver los

resultados de los

calculos

Y el método utilizado

para el computo


PILASTRAS

Pantalla de resultado de cómputos de

socavación debido a las pilastras. HEC-RAS

4.0


Presionamos pestaña Abutment

Solo requieres escoger el tipo de estribo

Luego presionamos Compute

Vemos marcado en en la sección la socavación

Ventana para entrar datos para el cómputo

de socavación en estribos. HEC-RAS 4.0


ESTRIBOS


Vemos los

resultados de la

misma forma

Notamos que el

método utilizado

fue HIRE

Resultando unos

números

demasiado

conservadores


ESTRIBOS

Ventana de reporte de cómputos

para socavación por estribos. HEC-

RAS 4.0

REFERENCIAS

GUEVARA, M.E.,"SOCAVACIÓN EN PUENTES", UNIVERSIDAD DEL CAUCA, POPAYÁN, 1998, CAP 3 CALCULO DE LA SOCAVACIÓN, CAP 1 TIPO DE SOCAVACIÓN

Akan A. O., Open Chanel hydraulics, cap 7.2 Scour at Bridge

Moncada, Aguirre, Bolívar. “Efecto de un aro sobre la socavación en pilas circulares”. Revista de ciencias e ingeniería. Vol. 28, No 3, agosto-noviembre, 2007

“Habilitan paso en puente de Patzun”. Comunitario. 22/06/10. www.prensalibre.com

Suarez, J. Presentación Socavación, Cap 4 Criterios Básicos

Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas. “Erosión for contracction y por estribo

En puentes aliviadores en valle de inundación”. Vol. 5, Nº 2. Junio 1998

United States Department of Agricultur, “Bridge Scour Evaluation: Screening, Analysis, & Countermeasures”. September 1998

Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas. Universidad Nacional del Litoral. “Erosión en estribos de puentes aliviadores y su interacción con la distribución de caudales”. 2003

GOVINDASAMY, A. “Simplified method for estimating future scour depth at existing bridges”. May 2009

http://www.prensalibre.com/

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