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
SOCAVACIÓN DEBIDO A LA CONTRACCIÓN
Algunos método utilizados son el de
Lischtvan-Levediev
Straub
Laursen
Donde este ultimo mencionado es el mas
utilizado en los E.U.
SOCAVACIÓN DEBIDO A LA CONTRACCIÓN
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
SOCAVACIÓN POR PILASTRAS
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
SOCAVACIÓN POR PILASTRAS
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
SOCAVACIÓN POR 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
SOCAVACIÓN POR PILASTRA
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
SOCAVACIÓN POR PILASTRA
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.
SOCAVACIÓN DEBIDO A ESTRIBOS
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
SOCAVACIÓN DEBIDO A ESTRIBOS
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
SOCAVACIÓN DEBIDO A ESTRIBOS
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
COMPUTO DE SOCAVACIÓN CON HEC-RAS 4.0
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
COMPUTO DE SOCAVACIÓN CON HEC-RAS 4.0
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
COMPUTO DE SOCAVACIÓN CON HEC-RAS 4.0
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
COMPUTO DE SOCAVACIÓN POR
CONTRACCION
Pantalla de reporte de cómputos
de socavación por contracción
COMPUTO DE SOCAVACIÓN CON HEC-RAS 4.0
Pestana Pier
Requiere
ángulo en
que el flujo
impacta la
pilastra
D95
Presionamos
Compute
COMPUTO DE SOCAVACIÓN POR
PILASTRAS
Pantalla para insertar datos y computar
socavación por pilastras. HEC-RAS 4.0
COMPUTO DE SOCAVACIÓN CON HEC-RAS 4.0
Presionando Report
Podemos ver los
resultados de los
calculos
Y el método utilizado
para el computo
COMPUTO DE SOCAVACIÓN POR
PILASTRAS
Pantalla de resultado de cómputos de
socavación debido a las pilastras. HEC-RAS
4.0
COMPUTO DE SOCAVACIÓN CON 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
COMPUTO DE SOCAVACIÓN POR
ESTRIBOS
COMPUTO DE SOCAVACIÓN CON HEC-RAS 4.0
Vemos los
resultados de la
misma forma
Notamos que el
método utilizado
fue HIRE
Resultando unos
números
demasiado
conservadores
COMPUTO DE SOCAVACIÓN POR
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
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