Socavación en Puentes 31/3/2013 2 Comentarios
Introducción
De acuerdo a la Federal Highway dministration y a numerosos estudios de socavación reali!ados reali!ados en los "ltimos decenios# la socavación en los estri$os y %ilares de los %uentes ha sido# históricamente# la causa m&s im%ortante de 'alla en estas estructuras( Cuando los %ilares de un %uente se esta$lecen en lechos erosiona$les# la alta velocidad local del 'lu)o# causada %or la interacción 'luido*estructura# 'luido*estructura# origina socavación a las !onas aleda+as a los %ilares# ,ue gradualmente se e-tiende %or de$a)o de ellos# eventualmente eventualmente destruy.ndolos( destruy.ndolos( Como ha sido re%ortado re%ortado %or muchos investigadores# como e'ter# ntunes y la Federal Highway dministration( Concepto general de socavación y su relación con la erosión a socavación %uede de'inirse como la erosión local del lecho de un cauce natural( n general# la erosión en un ro consta de tres com%onentes4 la erosión general# erosión en estrechamientos o transversal y erosión local o socavación socavación55 esta "ltima es la ,ue se de$e a la interacción 'luido*estructura en %resencia de un material su%er'icial erosiona$le## es la m&s im%ortante( erosiona$le n la siguiente 'igura# %resentada %or el Dr( 6ocha en su li$ro 7ntroducción a la Hidr&ulica Fluvial se muestra cómo la socavación se adiciona a la erosión general en un cauce natural(modi'icar(
Tipos de socavación
Seg"n 8uan 9artn :ide# en su li$ro 7ngeniera de 6os# hay dos modalidades distintas de erosión local en %ilares y estri$os( * n la %rimera# conocida como socavación en agua clara# la corriente no es ca%a! de %oner en movimiento el material del lecho del ro# %ero los vórtices si son ca%aces de socavar el %ilar( n este caso# al no ha$er arrastre de sedimentos del lecho desde aguas arri$a# no hay rea$astecimiento de materiales en el hueco socavado( * n la segunda modalidad# conocida como socavación en lecho móvil# hay trans%orte de sedimentos del lecho desde aguas arri$a hasta el sitio del %uente y# %or lo tanto# %arte de este sedimento ,ueda atra%ado en el hueco de socavación(
Fórmulas para el cálculo de la profundidad de socavación a %ro'undidad de socavación es t%icamente mucho mayor ,ue la ,ue resulta de la erosión general# seg"n Fischenich y anders# a menudo %or un 'actor de 10( os investigadores han estudiado e-tensamente la %ro'undidad de erosión local y han recomendado muchas 'órmulas em%ricas %ara los %ro%ósitos de %redicción# %ero los resultados de un %ilar es%ec'ico incluso %ara ecuaciones similares varan am%liamente( s# %ues# tal como lo e-%lican Shen# 6aud;ivi y
uide to ?ridge Hydraulics# el es'uer!o cortante crtico %uede ser calculado usando el criterio de Shields# como se muestra4
Donde @c A es'uer!o crtico de corte B=/m2#
Donde :cr A velocidad um$ral media Bm/s# 9- A %eso es%ec'ico de los sedimentos# g A aceleración de la gravedad Bm/s2( De$ido al vórtice de la herradura y la aceleración de la velocidad del 'lu)o alrededor del %ilar# la velocidad local adyacente al %ilar es m&s grande ,ue la velocidad a%ro-imada del 'lu)o de aguas arri$a( =eill sugiere la siguiente ecuación %ara calcular la %ro'undidad de socavación# ds# en un %ilar rectangular en condiciones de lecho vivo %ara E A 04
Donde E es el &ngulo de ata,ue( Hanco B?reusers y otros# 1GG recomienda una ecuación %ara un caso general en el cual el tama+o de las %artculas de los sedimentos son incluidos %or d/$ 1# y D0 A 0(# 2# y mm(
Ina ecuación $asada en la ecuación de Colorado State Iniversity BCSI es sugerida %ara lecho vivo y la %ro'undidad de socavación B6ichardson y otros# 10# ,ue actualmente est& en el manual de HC*1J BS=S# 20014
Donde K1 A 'actor de corrección %or la 'orma de la nari! del %ilar B1 %ara las narices redondeadas y 1(1 %ara las narices rectangulares# K2 A 'actor de corrección %or el &ngulo de ata,ue del 'lu)o B1 %ara un &ngulo de ata,ue de cero y un rango de /$ A L a 12# donde es la longitud del %ilar# K3 A 'actor de corrección %or las condiciones del lecho B1(1 %ara la socavación de agua clara y 1 %ara la socavación de lecho vivo# KL A 'actor de corrección de acora!amiento# y Fr A n"mero de Froude del 'lu)o( n el manual de HC*1J# se %ueden encontrar m&s detalles de la ecuación B( :eiga re%ortó la siguiente ecuación %ara estimar la %ro'undidad de socavación en condiciones de socavación de un lecho vivo Bo lecho móvil de un %ilar circular y 0( M d/$ M L# en la cual la in'luencia del tama+o de los granos es considerada como insigni'icante %ara D M 0(mm en ds/$4
Ina relación alternativa es dada %or e-%erimentos indios de modelos de %ilares de %uentes en un lecho arenoso con condiciones de socavación %or lecho móvil Baursen# 1N24
Hay otra ecuación e-%erimental india e-%resada %or 7nglis B1L en la cual el n"mero de Froude es usando considerando lo siguiente4
Donde Fr es el n"mero de Froude# ,ue se %uede e-%resar como( Donde g A aceleración de la gravedad# y : A velocidad media del 'lu)o( as ecuaciones antes mencionadas re%resentan solo algunos e)em%los de los muchos ,ue se han derivado %ara %redecir la %ro'undidad en %ilas de %uentes(
Comparación de las fórmulas presentadas con mediciones hechas en campo 'ines de 200G# la universidad de Shahre;ord# situada en la %rovincia de Fars# en 7r&n# reali!ó un estudio# donde se investigó el ' enómeno de la socavación en nueve
%uentes# u$icados en cinco ros# con un total de 3G %ilares( l estudio consistió en %ro$ar la $ondad de las 'órmulas m&s utili!adas en la estimación de la socavación en %ilares y estri$os de %uentes con datos realmente medidos luego de avenidas e-tremas ,ue se dieron entre los a+os ,ue duró la investigación( l tirante %romedio aguas arri$a 'ue determinado usando la in'ormación registrada %or un limngra'o y una curva de a'oro dis%oni$les %ara la sección del ro( Durante las investigaciones de cam%o# %roducto de una gran avenida ,ue ocurrió en noviem$re de 1JN# tres de los nueve %uentes cola%saron( stos 'ueron4 Shir ?a$a# Keradeh y >hot$*$ad# en los ros rda;an# Keradeh y 8ahrom Salt res%ectivamente( %artir de la investigación reali!ada %or la universidad de Shahre;ord# se %udo concluir ,ue cuando el tama+o de %artcula de los sedimentos aumenta# la %ro'undidad de socavación disminuye( <# con res%ecto a las 'órmulas de estimación de la socavación en %ilares y estri$os de %uentes# la com%aración estas con las medidas de cam%o revelaron ,ue las ecuaciones de Hanco# CSI# :eiga y =eil e-hi$ieron $uen acuerdo con la in'ormación de cam%o5 %or otro lado# las ecuaciones de la 7ndia e 7nglis so$reestimaron la %ro'undidad de socavación( Referencias ?6IS6S# H(=(C(# =icollet# >( y Shen# H(O( B1G Local Scour Around Cylindrical Piers( 8ournal o' Hydraulic 6esearch# 7H6 CHO# :en @e B1 Hidráulica de Canales Abiertos# 9c>raw* Hill# =ew HO< D97=7S@6@7= BFHO B1J US Department of Transport, Bridge Tecnology, Summary of scanning re!ie" of #uropean practice for bridge scour and stream instability countermeasuresBhtt%4//www('hwa(dot(gov/$ridge/scan*t-t(htm >H6?=7# ?eh!ad B200G A $ield Study of Scour at Bridge Piers in $lood Plain %i!ers( Oater ngineering De%artment# College o' griculture# Shahre;ord Iniversity# Fars * 7r&n 7=>7S# S(C( B1L Te Bea!iour and Control of %i!ers and Canals( 6esearch Pu$l( =o( 13# Central Oater Power 7rrigation and =avigation 6e%ort# Poona 6esearch Station# 7ndia F7SCH=7CH# C( and anders# 9( B2000 Computing Scour &''' ( @echnical =otes Collection# I(S( rmy ngineering( 6esearch and Develo%ment Center# :ic;s$urg# 9S4 Bhtt%4//www(wes(army(mil/el/emrr%/%d'/sr0(%d' H=D6S=# F(9( B1N (pen Cannel $lo" ( 9acmillan# =ew
=@7= H7>HO< 7=S@7@I@ B=H7 B2001 #!aluating Scour at Bridges( Hydraulic ngineering Circular =o( 1J# Lt edition# Pu$lication =o( FHO =H7 01*001# IS De%t( o' @rans%ortation# Federal Highway dministration 6CH# rturo B1J +ntroduccin a la Hidráulica $lu!ial) Facultad de 7ngeniera Civil Q Iniversidad =acional de 7ngeniera BF7C*I=7# ima :7D# 8uan 9artn B2003 +ngenier-a de %-os) l'aomega >ru%o ditor4 Catalu+a
