UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América) E.A.P INGENIERIA MECANICA DE FLUIDOS (2013-I)
Erosion en Pilares de Puente Hidraulico
ALUMNO:
- Bojorquez Gomez Felipe PROFESOR: - Alvarado Torres Emilio
Lima – Perú
Martes 16 de Julio del 2013
EROSIÓN EN PILARES DE PUENTE HIDRAULICO Introducción En el Perú, las fallas fallas de puentes por razones razones hidráulicas hidráulicas son probablemente probablemente aun mas altas que que en otros lugares del mundo, por la ocurrencia del Fenómeno del Niño. Esto haría pensar que en nuestro país se debe prestar mucha atención al diseño hidráulico de puentes; sin embargo este no es el caso. El Ministerio de Transportes Transportes y Comunicaciones publico en el 2003 el Manual de Diseño Diseño de Puentes, que si bien trata en detalle detalle los aspectos aspectos estructurales del del puente, solo hace una muy muy breve mención a los factores hidráulicos. hidráulicos. En comparación comparación con los manuales manuales de otros países, el manual peruano no define claramente como establecer el caudal de diseño (su periodo de retorno), como calcular las profundidades de erosión, cuales son los requisitos topográficos para el calculo hidráulico, ni mucho menos cuales deben ser las dimensiones hidráulicas (longitud, altura) altura) del puente. Solo se mencionan sugerencias muy generales y puramente cualitativas cualitativas que que son de poca ayuda ayuda práctica. Este manual manual también también sugiere la aplicación del modelo HEC-RAS para cálculo hidráulico del puente. El modelo numérico HEC-RAS es reconocido como el modelo unidimensional unidimensional más avanzado que existe para el cálculo hidraulico de puentes; las ecuaciones empíricas del calculo de erosión que HEC-RAS emplea representan el estado del arte (aún muy imperfecto) en los conocimientos de erosion en puentes, algunos de los cuales se muestran en el presente documento. Si bien ya existen actualmente modelos tri-dimensionales más sofisticados, ellos aún no son empleados en casos prácticos por las limitaciones limitaciones actuales de cómputo. La falla de puentes en Perú se produce por erosión hidráulica, en la mayoría de casos porque la longitud del puente es demasiado corta. En la costa los ríos tienen cauces relativamente planos y amplios, el puente no cubre el ancho total del río sino sólo una parte del cauce principal y el resto es cubierto mediante la construcción de terraplenes. Este estrechamiento estrechamiento del cauce genera dos efectos negativos: aumenta los niveles de agua e incrementa la profundidad de de erosión. El aumento del del nivel de agua puede puede causar inundación inundación aguas arriba arriba del puente puente y hasta el vertido de agua por encima del mismo, lo que causa la destrucción del terraplén. Por otro lado, la erosión socava la cimentación de los pilares y estribos del puente, pudiendo causar su falla.Es evidente evidente que uno de los aspectos aspectos más importantes importantes del diseño de de un puente con con terraplenes que estrechen un cauce, es precisamente precisamente el dimensionamiento hidráulico de su longitud y elevación para minimizar los riesgos de falla.
OBJETIVOS
*Conocer un poco los problemas que sufren los puentes hidráulicos en la costa del Perú. *Tratar de reducir la erosión en pilares de puente por el flujo de agua a través de simulaciones dándole un mejor perfil aerodinámico a las pilas reduciendo sus vórtices. *Usar modelos de simulación tridimensionales que nos eviten los costos innecesarios y mejoramiento de cálculos en la construcción de los puentes hidráulicos.
NOCIÓN SOBRE HIDRÁULICA DE PUENTES. Un puente sobre un río ancho normalmente consiste de una superestructura de concreto o acero con terraplenes de acceso, que comunican la estructura principal con lar riberas del río. La razón por la cual se construyen terraplenes es meramente económica. En ríos muy anchos, una superestructura de concreto o acero que abarque todo el ancho del río puede resultar excesivamente costosa. El terraplén por ser construido con materiales naturales es comparativamente menos costoso y se emplea para cerrar parte del ancho total del puente, especialmente en las llanuras de inundación donde la concentración del flujo es menor. Sin embargo, cerrar artificialmente el ancho natural de un río tiene consecuencias negativas desde el punto de vista hidráulico y sedimentológico. El tablero se refiere a la superestructura por donde circulan los vehículos, e incluye las vigas, pista, veredas, guardavías, etc. Los pilares son las columnas verticales que transmiten las cargas del tablero y su peso propio al suelo. Los pilares incluyen las obras de cimentación que pueden ser superficiales (zapatas) ó profundas (pilotes.) Los estribos sirven de apoyo a ambos extremos del tablero. Finalmente los terraplenes conectan los estribos con las riberas del río. Los únicos componentes obligatorios de un puente son el tablero y los estribos. Algunos puentes carecen de pilares ó de terraplenes de acceso, especialmente en ríos de poco ancho.
Problemas hidráulicos de los puentes En una estadística de 1976 sobre las causas de fallo ó rotura de 143 puentes en todo el mundo, resultó 1 fallo debido a corrosión, 4 a la fatiga, 4 al viento, 5 a un diseño inadecuado, 11 a los terremotos, 12 a un procedimiento inadecuado de construcción, 14 fallos fueron por sobrecarga e impacto de embarcaciones, 22 por materiales o ejecución defectuosos y finalmente 70 fallos fueron causados por las avenidas (de los cuales 66 fueron debido a la socavación, un 46 % del total). Esto muestra que los aspectos hidráulicos son fundamentales en los puentes fluviales: un buen conocimiento de estos aspectos hará el puente más seguro y más barato. También se desprende que lo que se ha avanzado en el conocimiento de las estructuras las cargas, los materiales y los procedimientos de construcción es mucho más que lo conocido sobre las acciones del agua. Pero no sólo la acción del agua es el objeto de la hidráulica de puentes, sino también cuestiones de concepción del puente y de la misma vía, como son las dimensiones del vano y el emplazamiento del puente. ,
FENÓMENO DE EROSIÓN. La erosión puede entonces ser definida como el aumento de una sección de flujo por la remoción del material del fondo a través de la acción del fluido en movimiento. La erosión total en el cauce de un río está compuesto por tres componentes, que en general son aditivos: La erosión general, debido a los cambios a largo plazo en la elevación del lecho del río (erosión general o sedimentación), la cual podría ocurrir este o no el puente. La erosión por contracción, es el resultado de la restricción de la vía fluvial o canal ya sea natural o debido a un puente y a sus aproximaciones. La erosión local es una consecuencia de la obstrucción del flujo por pilares o estribos, los cuales aceleran el flujo, creando vórtices que remueven el material alrededor de ellos.
Proceso de erosión Comportamiento de los vórtices La geometría del foso de erosión es realmente muy importante ya que es el elemento clave para comprender los fenómenos que ocurren durante el proceso de erosión. Hasta el momento, todos los autores afirman que el foso tiene una geometría sencilla, en forma de cono truncado invertido, con eje aproximadamente situado en el punto de máxima erosión. Desde el instante inicial que el flujo de agua empieza a fluir alrededor de la pila se inicia el proceso de erosión local, en este caso en aguas claras por las condiciones de ensayo que hemos impuesto. Cuando cualquier estructura se sitúa en medio de una corriente de agua, se genera un fenómeno en tres dimensiones debido a la presencia del obstáculo. En el caso de una pila se ha visto que ocurre lo siguiente: El flujo se acelera alrededor de ésta, de manera que el gradiente de velocidad vertical del flujo se transforma en un gradiente de presión en la parte donde impacta directamente sobre la estructura. Este gradiente de presión provoca una corriente vertical hacia abajo que impacta en el lecho, en la base de la pila, donde se forma un vórtice que arrastra el material del lecho alrededor y aguas abajo de la estructura. Éste es el llamado vórtice de herradura, conocido por este nombre debido a la forma que adquiere cuando se observa desde encima. En el inicio este proceso el campo de vórtices que se forma alrededor de la pila sigue la siguiente pauta geométrica:
Una vez que avanza la erosión local los vórtices dejan de comportarse como en la figura anterior. Los vórtices activos que se forman aguas arriba de la pila debido al choque con la pila levantan el material del lecho provocando la mayor erosión local. El comportamiento cuando se llega a la máxima erosión aguas arriba corresponde al siguiente esquema:
La erosión se inicia con la aceleración del flujo alrededor de la pila, posteriormente se forma la cavidad de erosión por la acción de los vórtices primarios y del flujo descendente hasta el momento que no aumenta más la profundidad (o se vuelve insignificante) y llegamos al equilibrio. Así el foso de erosión aguas arriba de la pila a medida que el flujo circula alrededor de la pila va aumentando de tamaño, en cambio, aguas bajo sigue otro proceso. El material es levantado por los vórtices frente a la pila y es arrastrado hasta la parte trasera de la pila donde se va acumulando formando una elevación del lecho respecto a la fosa de erosión que se forma por la discontinuidad que forma la pila en el flujo de velocidades.
En la zona de erosión aguas arriba, como se puede ver en la figura, existe la erosión más activa, donde se han observado los vórtices de herradura, que están en continua actividad, incluso cuando el proceso llega al equilibrio. A partir de aquí hacia aguas arriba, el foso avanza con dos pendientes diferentes. La primera, situada tocando la zona de los vórtices, es un poco más elevada que el ángulo de reposo del sedimento. Son precisamente los vórtices lo que permiten que el material se sostenga en una posición que si no hubiera nada, sería inestable. La segunda pendiente es la situada en la parte superior del foso y es menor que la anterior y aproximadamente igual al ángulo de reposo. La transición entre estas dos partes diferenciadas, se produce a través de una estrecha terraza que va rodeando toda la pared del foso hasta desaparecer suavemente. Es decir, una vista lateral del foso de erosión tendría la siguiente forma:
Analizamos el campo de velocidades :
Vemos que los vectores de velocidad son muy verticales delante de la pila mientras que la parte aguas abajo de la pila se vuelven más horizontales. Los vectores verticales son los responsables del levantamiento del material y los horizontales del arrastre de estas partículas hacia la parte trasera de la pila. Así el comportamiento tridimensional de estos vórtices puede verse esquematizado en la siguiente figura.
Por otra parte, en la superficie libre del agua, el flujo y la pila los vértices herradura interactúan formando una ola llamada vórtice superficial. Además, detrás de la estructura, donde el flujo se ha separado, se producen unos vórtices de estela. Como consecuencia se produce un montículo detrás de la pila. Los vórtices adoptan un papel muy importante en cuanto al traslado de partículas. La turbulencia en ráfagas se da cuando la raíz de vórtice choca con el lecho produciendo desplazamientos de partículas.
Capa límite La capa límite es aquella que tiene lugar cuando se tienen flujos estacionarios con un número de Reynolds grande en el contorno de un cuerpo sólido, pila cuadrada. Lejos del obstáculo, con un flujo incidente laminar, los términos de fuerzas viscosas de la ecuación de Navier-Stokes son despreciables; entonces el campo de velocidades del flujo es consistente con la ecuación de Euler. La unión entre esta solución y la condición de velocidad nula en las paredes del sólido tiene lugar en una la capa límite. El espesor es tanto más pequeño cuanto más grande es el número de Reynolds, sin embargo, la viscosidad cinemática del fluido puede variar muy poco dado que el flujo a alta velocidad se comporta como fluido de baja viscosidad. Mientras el espesor de la capa límite sea delgado, la variación de presión en la superficie del cuerpo es pequeña. Esto controla la resistencia de forma. Cuando existe despegue o separación de la capa límite respecto del cuerpo crece el fuerzo de forma y también lo hace el de fricción.
Cerca de la superficie la velocidad del flujo principal debería disminuir muy rápidamente del lado de atrás del mismo, y por lo tanto habría un fuerte gradiente de presión en sentido contrario al flujo (lo que se llama un gradiente adverso). Ocurre que la capa límite adherida a la superficie del cilindro no puede soportar ese gradiente adverso. El motivo es que debido al gradiente adverso, muy cerca de la superficie se produce una inversión del flujo, que hace que la capa límite (en la cual el flujo es rotacional) se separe de la superficie del cilindro provocando una importante estela detrás del mismo, en la cual el flujo es vorticoso.
La vorticosidad generada en las paredes del sólido situado en el flujo es arrastrada corriente abajo dentro de la estela y los gradientes de velocidad quedan concentrados dentro de una pequeña porción del volumen total del flujo En el siguiente gráfico se muestra la relación entre el coeficiente de arrastre y el número de Reynolds. Según varían estos parámetros la estela que se forma detrás del sólido es distinta.
La experiencia en este ensayo con un Re=0.23*0.000274*1000000=63,02, por lo tanto estamos en el primer tramo del grafo anterior. La estela que se forma detrás de la pila se muestra en la siguiente fotografía:
Calles de vórtices de Von Karman Analizamos el fenómeno que se produce: las ondas a sotavento se rompen en vórtices que se producen en el obstáculo y se separan de él de cada uno de sus lados a una velocidad del orden del 80% de la velocidad de fondo o no perturbada. La formación de una secuencia de vórtices o remolinos agrupados en dos calles es conocida como calles de vórtices de von Karman.
Las partículas que fluyen hacia el obstáculo a una velocidad significativa se encuentran con o tras que ya están más cerca y les impide su aproximación, siendo desviadas de su trayectoria. En la parte delantera del cilindro existe una acumulación de partículas, generado una zona de altas velocidades. En la parte trasera, se da el efecto contrario, una zona de mínimo de acumulación de partículas y, por lo tanto, una zona de bajas, donde la velocidad disminuye y incluso toma dirección opuesta, respecto al flujo no perturbado. Desde el punto de vista de la cizalladura tenemos que, en las capas próximas al obstáculo, las partículas del fluido se apiñan, disminuyen su velocidad, creándose una zona de cizalladura, tanto más cuanto más alto es la velocidad y, por tanto, Re. Otra zona donde existe fuerte cizalladura se da en las proximidades del obstáculo y en la parte trasera, donde se dan mínimos de velocidad (zona de la estela a sotavento del obstáculo). Podemos observar en la práctica que se da este efecto en la anterior Imagen.
Comparación de la erosión local entre pila circular y cuadrada La erosión en pilas cuadradas se da en tres fases explicadas, lo mismo ocurre con las pilas circulares. Actúan los mismos agentes y los mismos factores en el proceso erosivo. La principal diferencia que existe entre ambos tipos de pila es la resistencia al flujo. Una pila circular opone menos resistencia al flujo ya que, de todas las líneas de corriente que inciden en el ancho de la pila, las más exteriores son capaces de deslizar alrededor de ésta sin formar vórtices que son en definitiva los principales causantes de la erosión. La pila circular responde a una forma más aerodinámica. Comparando cómo se comportan las líneas de flujo se obtiene lo siguiente:
Conclusiones *Una mejora en el perfil de pilas reduciría la erosión del puente y evitaría menos desgaste de material por el tema de la vorticosidad. *Una simulación de un puente usando simulaciones tridimensionales como el Ansys reduciría las fallas en los puentes corrigiendo cálculos hidráulicos y mejorando pilares.
Bibliogr afí a *Manual de diseño de puentes (Vol. Apéndice C). DGCF. *Martín Vide, J. (2007). Ingeniería de ríos. Barcelona: Ediciones UPC. *Medina, V; Bateman, A; Velasco, D. Estudio detallado de los parámetros de configuración de un velocímetro acústico de alta frecuencia (ADV, acoustic doppler velocimeter). *RAM. (2007). Recuperado el 24 de marzo de 2010, de Call e de remolinos o vórtices de von Karman: Fenómenos atmosféricos nubosos a sotavento de Islas (I – a): http//www.meteored.com/ram/643/callede-remolinos-o-vortices-de-von-karman-fenomenos-atmosfericos-nubosos-a-sotavento-de-islas-ia/Ramírez Mendoza, I.H; Torres Rosado, S.A. (2008). Modelo tridimensional del flujo de agua en pilas de Puente por simulación numérica . San José de Cúcuta: Universidad Francisco de Paula Santander.
