PROYECTO DE CURSO II
TRABAJO: EVALUACIÓN DE LA SOCAVACIÓN EN UN PUENTE
Integrantes: Sebastián López Esteban Ortega Pablo Sánchez Gustavo Washima.
Curso: Quinto B
Cuenca, Junio-2011
EVALUACIÓN DE LA SOCAVACIÓN EN PUENTES Una de las causas más comunes de falla de los puentes es la ocurrencia de crecientes que producen socavación excesiva alrededor de pilas y estribos. Prácticamente todas las expresiones comúnmente usadas para el cálculo de la socavación son resultado de investigaciones de laboratorio con muy poca verificación en el campo. El objetivo final de la evaluación de la socavación es identificar los puentes críticos para poder tomar las medidas que lleven a garantizar la seguridad pública y minimizar los efectos negativos resultantes de la falla o del cierre de un puente. El proceso de la evaluación de un puente con relación a socavación es el mismo en casos de puentes construidos o por construir. La diferencia radica en que un puente ya existente no se puede modificar substancialmente y debe procederse a estudiar, diseñar y construir medidas de prevención y control. Si un puente está en la etapa de diseño, es susceptible de ser modificado para mejorar sus condiciones de estabilidad frente a la socavación. La necesidad de minimizar daños en los puentes de los Estados Unidos de América llevó a la Administración Federal de Carreteras (FHWA) a desarrollar e implementar un procedimiento para diseñar e inspeccionar puentes considerando la socavación.
1. Niveles de evaluación de la socavación En general, existen tres niveles de evaluación que se explican a continuación. Nivel I Comprende el estudio de los puentes para determinar su vulnerabilidad ante condiciones que producen problemas relacionados con la socavación y la estabilidad del cauce.La evaluación consiste en ocho pasos listados en orden de ejecución: y y
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Recolección
de información de oficina. Revisión y evaluación de la información recolectada con anterioridad a la visita de campo. Visita de campo y recolección de información en el sitio del puente. Determinación y análisis de las variables que afectan la socavación. Cálculo de profundidades de socavación. Análisis de sensibilidad de las variables más inciertas Evaluación de la estabilidad del puente. Reunión para la revisión de resultados por parte de las entidades participantes.
El Nivel I requiere de información y/o cálculos simplificados sobre aspectos topográficos,hidrológicos, hidráulicos y de suelos. Nivel II
Se recomienda realizar el segundo nivel de evaluación básicamente cuando hay incertidumbre enla información existente, o cuando los efectos de la curva de remanso son tan pronunciados quetienen impacto significativo sobre la socavación. Se requiere por lo tanto de la mismainformación recolectada en el Nivel I pero con tal detalle que permita la realización de perfiles deflujo y analizar las condiciones de transporte de sedimentos en el cauce. La modelaciónhidráulica puede hacerse usando un programa de computador como el HEC-RAS. Nivel III Usa la misma información recolectada en el Nivel II de evaluación pero contempla la realizaciónde modelos físicos y/o matemáticos. Es posible que este nivel requiera detallar aun más lainformación recogida en los niveles anteriores.
2. Evaluación de la socavación aplicando el Nivel I o el Nivel II El proceso de evaluación usado requiere aproximadamente de una semana como mínimo entretrabajo de oficina y de campo una vez la información básica haya sido recolectada. Los pasospara realizar la evaluación de cada puente se resumen a continuación y se ilustran en la siguiente figura.
2.1 Recolección de información de oficina A continuación se presenta un resumen de la información básica deoficina y de campo. y y y y y y y y
Planos de las características generales del puente. Planos de localización del puente. Planos topográficos de la cuenca. Reportes de inspecciones y evaluaciones anteriores. Información hidrológica de niveles y caudales. Información de suelos. Fotografías aéreas. Reportes sobre la cimentación.
2.2 Revisión y evaluación de la información recolectada con anterioridada la visita de campo La revisión de la información existente debe orientarse hacia los siguientes aspectos: y y
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Orientación y profundidad de la cimentación. Fotografías aéreas para detectar migraciones laterales del cauce. El análisis comparativo buscaincluir la fotografía más reciente y una tomada al menos con 20 años de anterioridad. Información geológica y de suelos para estudiar la habilidad del lecho y las bancas para resistirsocavación. La cuenca hidrográfica debe estudiarse para analizar la posibilidad de producción desedimentos, basuras u otros materiales que puedan obstruir el puente. Reportes previos para detectar problemas históricos relacionados con la estabilidad del cauce yla socavación. Información hidrológica relacionada con niveles máximos, caudales pico, velocidades, yperfiles de la superficie del agua. La evaluación de la estabilidad de un puente debe hacerseconsiderando el caudal correspondiente a períodos de retorno de diseñoy debe chequearse para períodos de retorno de una creciente extraordinaria. Este último chequeo se hacecon el fin de considerar la vulnerabilidad de puentes construidos o por construir ante la presenciade eventos extraordinarios y poder determinar las medidas de control o prevención. Factores ajenos al puente que afectan su estabilidad como presas, explotación de materiales,etc.
2.3 Visita de campo y recolección de información en el sitio del puente El equipo mínimo requerido incluye equipo de topografía, correntómetro, equipo de sondeomanual, cámara de retratar, y formatos de evaluación (ANEXO 2). Es siempre recomendableaforar el caudal presente para calibrar el modelo hidráulico y determinar algunos parámetroscomo el gradiente hidráulico que faciliten la modelación durante crecientes. La información decampo requerida incluye:
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Tipo de río. Secciones transversales del cauce en las caras aguas arriba y aguas abajo del puente del puente. Secciones transversales del cauce aguas arriba y aguas abajo del puente, separadas de laestructura aproximadamente una distancia equivalente a una luz del puente. Profundidades características incluyendo el Nivel de Aguas Máximas Extraordinario (NAME)y datos sobre velocidad del agua. Pendiente longitudinal del cauce tomando co mo base los niveles del agua. Material del lecho, las bancas y las laderas del cauce. Cobertura vegetal de las laderas del cauce y signos de erosión. Sondeos alrededor de pilas y estribos del puente. Verificación del ángulo de ataque del flujo visualizado para el cauce lleno y para caudales decreciente. Elevación del lecho del cauce a lo largo del thalweg para tratar de determinar si el cauce está enproceso de agradación o degradación. Estimación de la posibilidad de flujo a presión o por encima del puente. Existencia de obras o zonas de alivio en las proximidades del puente. Presencia de árboles que puedan dificultar el acceso del agua a las zonas de alivio. Verificación de la existencia y el estado de las medidas de mitigación. Verificación de la existencia de estructuras que alteren el flujo de agua en la zona del puente.
2.4 Determinación y análisis de las variables que afectan la socavación La mayor diferencia entre el Nivel I y el Nivel II de evaluación está en la forma en que se hace el modelaje hidráulico. El Nivel I requiere un modelación sencilla considera flujo uniforme en la zona del puente. El Nivel II implica considerar flujo variado y el efecto del remanso. En esta etapa pueden usarse programas como el HEC-RAS. Actividades importantes para el cálculo de las profundidades de socavación incluyen: y
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Determinación de los caudales correspondientes al período de retorno de diseño (Qd), a una creciente extraordinaria (Qex), y del caudal que sobrepasa la estructura del puente (Qsp). Si el caudal que sobrepasa la estructura es menor que Qd o Qex, el caudal Qsp es el que produce más velocidad y por tanto la socavación debe analizarse para esta situación. La experiencia ha demostrado que el caudal que está a punto de sobrepasar el puente frecuentemente causa las peores condiciones con relación a la estabilidad de la estructura. Sin embargo, condicionesespeciales de ángulo de ataque, flujo a presión, o presencia de desechos, pueden causar una condición más severa de socavación con caudales menores que los que sobrepasan el puente. Evaluación del coeficiente de rugosidad n de Manning. Este coeficiente puede ser diferente para la sección contraída en la zona del puente y para la sección aguas arriba. Sin embargo, suele considerarse un valor único del coeficiente de rugosidad dada la dificultad de estimarlo con precisión y de diferenciarlo de
una sección a otra. y
Cálculo de la profundidad normal, de la velocidad del flujo, área mojada, perímetro mojado y otros parámetros hidráulicos para Qd, Qex, y Qsp. Si la sección transversal aguas abajo del puente difiere mucho de la sección transversal aguas arriba, los efectos de la curva de remanso son muy pronunciados y se requerirá de un Nivel II de evaluación. Algunos métodos de cálculo de la socavación requieren de valores medios pero otros de valores puntuales de los parámetros hidráulicos al pie de estribos y al frente de las pilas. Si se cuenta solo con valores de velocidad media (Vm) para la sección transversal en la zona del puente, la velocidad para análisis de socavación debe ajustarse como sigue: V = 1.7Vm si la pila está localizada en la parte externa de una curva del río V = 1.25Vm para otras locaciones.
