Clase 14 Calculo Profundidad Socavacion

8/18/2019 Clase 14 Calculo Profundidad Socavacion

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Temas Selectos de

Hidráulica FluvialDr. Arturo Rocha FelicesCLASE 14

INSTITUTO DE LA CONSTRUCCION Y GERENCIA - ICGEmail: [email protected] / Web: www.construccion.org

TEMAS SELECTOS DE

HIDRÁULICA FLUVIAL

EXPOSITOR:Dr. Arturo Rocha Felices

Consultor de Proyectos Hidráulicos

Clase 14

CAPÍTULO 5EROSION EN PILARES DE

PUENTES

CONTENIDO

A. Fallas en puentes. Aspectos1. Morfología y dinámica

TEMAS SELECTOS DEHIDRÁULICA FLUVIAL

hidráulicos en el diseño de

puentes.

B. Cálculo de la profundidadde socavación.

C. Medidas de protección.

uv a

2. El transporte sólido I

3. El transporte sólido II

4. Defensas con espigones

Comentarios sobre el manual

de puentes.

D. Conclusiones y

Recomendaciones.

5. Erosión en pilares de

puentes

6. Sedimentación y purga de

embalses


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Temas Selectos de



CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DE

SOCAVACION1. Manifestaciones de la

degradación fluvial

2. Cálculo de la profundidad desocavación

3. Fórmulas para el cálculo4. Socavación bajo diversas

condiciones

SOCAVACIÓN TOTAL EN LA SECCIÓNSOCAVACIÓN TOTAL EN LA SECCIÓNTRANSVERSAL CORRESPONDIENTE ATRANSVERSAL CORRESPONDIENTE A

UN PUENTEUN PUENTE

Socavación por variación del perfil longitudinaldebido al comportamiento fluvial (Erosióngeneralizada: degradación).

Socavación por contracción de la seccióntransversal (debida al puente y/o a un

.

Erosión local debida a los pilares y estribos.

Q


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yS

V Vc

τ0 τcLA SOCAVACIÓN NO ES

INDEFINIDA. TIENE UN LÍMITE

FALLA DE UN PILAR POR SOCAVACIÓNFALLA DE UN PILAR POR SOCAVACIÓN

SOCAVACIÓN

(EROSIÓN LOCAL)


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LOS VÓRTICESLOS VÓRTICES

Los vórtices desplazan al materialconstituyente del lecho, aun cuando la

,tractiva, no sean suficientes para hacerlo.

τ0= γ R S

La erosión seorigina en losvórtices

Eje horizontal

Eje vertical

VÓRTICES DE EJE HORIZONTALVÓRTICES DE EJE HORIZONTAL((de herradura,de herradura, horseshoehorseshoe vortexvortex))

También llamados torbellinos

del pilar.

Provienen de la vorticidad de la capa límite delescurrimiento en el fondo del canal.

En la mayoría de los casos, se debe a ellos la.

Tienen una naturaleza tridimensional muycomplicada de analizarse y no se ha podidoestablecer una relación matemática entre sudesarrollo y el de la socavación.


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VÓRTICES DE EJE VERTICALVÓRTICES DE EJE VERTICAL

((wakewake--vortexvortex))Son muy importantes cuando el pilar es muyancho.

Se generan por separación de la capa límitedel contorno.

PUENTE INCA

Rumbo a Santa Rosa de,

indestructible construidoen el Siglo XV. (Revista

“CARETAS”)

SIN PILARES… NI VÓRTICES

FORMACIÓN DE VÓRTICES

Vórtices tipo “Herradura”

UMESH C KOTHYARI (Erosión India)


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PILAR

EXTENSIÓN DE LA EROSIÓN LOCALEXTENSIÓN DE LA EROSIÓN LOCAL

yS

L = 2 yS

LA EROSIÓN LOCAL ES UN PROCESO:

VARÍA CON EL TIEMPO

LA SOCAVACIÓNAVANZA HASTA

LLEGAR A UNA

SITUACIÓN DE

EQUILIBRIO

LA SOCAVACIÓN NO ES INDEFINIDA.

TIENE UN LÍMITE

La profundidad de socavacióndeterminará la de la cimentación, la quedebe estar debajo de la profundidad de

socavación.


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CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DESOCAVACION

1. Manifestaciones de la degradaciónfluvial


3. Fórmulas para el cálculo4. Socavación bajo diversas

condiciones

En los estudios de un

puente es importante

realizar un cálculo, lo

El estudio de lasocavación debe

realizarseconjuntamente con

acerca de la profundidad

de socavación.

e e ransporte eSedimentos.

Una subestimación de

la falla de la estructuray una sobreestimación

llevaría a costosinnecesarios.


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La socavación(erosión local)se origina en

¿Hay que analizar

los vórt ices y de allíobtener la

No, porque hasta el momento no hapodido establecerse esta relación.

los vórtices.socavación?

Es por eso que la socavación se calculaa partir de otras variables, como la

velocidad y el tirante.

LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓNLA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN yySS DEPENDE DE:DEPENDE DE:

Corriente:Tirante y

Velocidad Media V

Número de Froude F

F =V

√g y

Transporte sólido: Fondo y Suspensión(distribución granulométrica, más que el tamaño)

Geometría del pilar: Sección transversal(especialmente el ancho)

Dirección de la corriente con respecto al pilar.

K1

K2


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La distribución

granulométrica ampliaprotege de la erosión.

La granulometría

uniforme aumenta laerosión.

Muchas veces, más importante que eltamaño de las partículas es su distribución

granulométrica.

Diámetro

Extendida

Uniforme


1. Manifestaciones de la degradación fluvial

2. Cálculo de la profundidad de socavación

3. Fórmulas para el cálculo

4. Socavación bajo diversas condiciones


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Martín Vide y otros autores realizaron una

investigación bibliográfica sobre fórmulaspara el cálculo de la socavación en pilares

y encontraron unas 70 fórmulas, cuyos

resultados diferían tanto como 1:8.

Las 70 fórmulas se referían sólo

a lechos granulares (cadafórmula tiene sus limitaciones ycampo de aplicación)


. an es ac ones e a egra ac nfluvial


. rmu as para e c cu o

4. Socavación bajo diversascondiciones


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PILARES DE DIFERENTESPILARES DE DIFERENTES

SECCIONES TRANSVERSALES YSECCIONES TRANSVERSALES YEN DIFERENTES CONDICIONESEN DIFERENTES CONDICIONES

uso más generalizado es la que fueestablecida por un grupo de investigadores

de Colorado State University (CSU)

OBSÉRVESE QUE LA FÓRMULA DE C. S. U.

ES ADIMENSIONAL

PARA F ≤ 0,8 LECHOS ARENOSOS

PILARES DE DIFERENTES SECCIONESTRANSVERSALES Y EN DIFERENTES CONDICIONES

(CSU)

yS = 2 K1 K2 K3 K4 ( D0,65

F0,43)

yS: profundidad máxima de socavacióny: tirante inmediatamente aguas arriba del

puente, sin considerar la erosión local.

F: Número de Froude

K 1: Forma de la sección transversal del pilar

K 2: Ángulo de ataque

K 3: Condición del lecho (fase del transporte)

K 4: Acorazamiento del lecho (granulometría)

Los valoresde K indicanla influencia

de:

D: Dimensión del pilar, transversal a la corriente


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d m e d i d a

)

Socavacióncalculada es

menor quela medida

P r o f u n d i d (

º

Socavacióncalculada esmayor quela medida

Comparación entre profundidades de socavaciónmedidas y calculadas usando la fórmula de CSU.

(Thamer Ahmed Mohamed y otros)

Profundidad calculada (m)

yS = D0,65 0,43

PILARES DE DIFERENTES SECCIONESPILARES DE DIFERENTES SECCIONESTRANSVERSALES Y EN DIFERENTES CONDICIONESTRANSVERSALES Y EN DIFERENTES CONDICIONES

(C S U)(C S U)

y 1 2 3 4 y

K1: Depende de la forma de lasección transversal del pilar

ara p ares c rcu ares 1 es gua a ,

Para pilares rectangulares K1 es igual a 1,1

L/D = 2


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CASO PARTICULAR DE LA FÓRMULA DE CSU PARACASO PARTICULAR DE LA FÓRMULA DE CSU PARA

PILARES CIRCULARES (KPILARES CIRCULARES (K11

=1) Y CONSIDERANDO=1) Y CONSIDERANDO

ADEMÁS QUE KADEMÁS QUE K22 = K= K33 = K= K44 = 1= 1


yS D 0,65 0,43

y=

y

CASO PARTICULAR DE LA FÓRMULA DE C. S. U. PARACASO PARTICULAR DE LA FÓRMULA DE C. S. U. PARA

PILARES CIRCULARES (KPILARES CIRCULARES (K11 =1) Y CONSIDERANDO=1) Y CONSIDERANDO

ADEMÁS QUE KADEMÁS QUE K22 = K= K33 = K= K44 = 1= 1

SI F > 0,8 : MODELOS HIDRÁULICOS

yS D 0,65 0,43

y=

y

y

yS Dy

V

√g y


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y

yS = 2 ( )Dy

0,65F

0,43

SI V AUMENTA

EN 50%

yS AUMENTA

EN 19%

EN 50%

yS

AUMENTA

EN 30%

y

yS = 2 ( )Dy

0,65F

0,43

yS = 2 D y0,65

F0,430,35

Si se despeja se obtiene:yS

yS = 1,22 D y0,65

V0,430,135 En m/s


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FÓRMULAS PARA PILARES DE SECCIÓNFÓRMULAS PARA PILARES DE SECCIÓNRECTANGULARRECTANGULAR


,

y

yS = 2,2 ( )Dy

0,65F

0,43

LA FÓRMULA DIFIERE DE AQUELLA

CORRESPONDIENTE A SECCIÓN CIRCULAR SÓLO

EN EL COEFICIENTE (2,2 EN LUGAR DE 2)

D

KK11: Forma de la sección transversal del pilar : Forma de la sección transversal del pilar

L = nDL = 2D

K1= 1,1 K1= 0,9

RECTANGULARES REDONDEADO

L

K1= VARIABLE

D

TRIANGULAR EN GRUPO

Etc.

K1= 0,8 K1= 0,9


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D D

60° K 1= 0,7590° K 1=1,25

K K 11: Forma de la sección transversal del pilar: Forma de la sección transversal del pilar

TRIANGULARES

L/D K 1

L = 4D

D

LENTICULAR

2,0 0,91

3,0 0,76

4,0 0,67

7,0 0,41

K 1= 1,4

2 1,104 1,40

6 Etc.

yS = D0,65 0,43

D

INFLUENCIA DEL ÁNGULO DE ATAQUEINFLUENCIA DEL ÁNGULO DE ATAQUE(SECCIÓN RECTANGULAR) ((SECCIÓN RECTANGULAR) ( K K 33 = K = K 44 = 1)= 1)

VALORES DE K VALORES DE K 22

y, 2 y

ÁNGULOθ

L/D = 4 L/D = 8 L/D = 12

0 1,0 1,0 1,0θ

L

L

15º 1,5 2,0 2,5

30º 2,0 2,5 3,5

45º 2,3 3,3 4,3

90º 2,5 3,9 5,0


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AUN PARA CONDICIONES DE FLUJO

K K 33: Condición del lecho: Condición del lecho(fase del transporte)(fase del transporte)

PERMANENTE, LA PROFUNDIDAD

DE EROSIÓN VARÍA CON EL AVANCE

DE LAS DUNAS

K K 33: Condición del lecho (fase del transporte): Condición del lecho (fase del transporte)

TF = 0, o muy pequeño

Dunas: K3 = 1,1

0,60 < H < 3,00 m

Dunas: K3 = 1,1 a 1,2, ,

Dunas:

> 10,00 mK3 = 1,3


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K K 44: Acorazamiento del lecho: Acorazamiento del lecho

Depende de la granulometría.Posibilidad de que el lecho esté “acorazado”

QQ

El acorazamiento disminuye la profundidad desocavación y entonces K 4 es igual o menor que 1.

Puede ser tan bajo como 0,4, en una situación extrema.

LA MÁXIMA PROFUNDIDAD DE EROSIÓN

ES 1,3 VECES LA PROFUNDIDAD MEDIA

FACTOR DE SEGURIDAD EN EL CÁLCULO

DE LA SOCAVACIÓN: 2

S


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