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CLCULO DE LA SOCAVACIN EN PUENTESA largo plazo o agradacin Migracin del cauce
SOCAVACIN GENERAL POR CONTRACCIN SOCAVACIN LOCAL EN PILAS SOCAVACIN LOCAL EN ESTRIBOS
La hidrulica fluvial tiene un carcter emprico por lo que no hay mtodos nicos ni precisos para determinar el comportamiento de un ro ni su respuesta ante intervenciones antrpicas La hidrulica fluvial, sigue siendo ms un arte que una ciencia Mucho depende de la forma en que el ingeniero entienda el comportamiento de un ro y visualice su interaccin con el entorno
Formas de socavacin
Dos formas de transporte de sedimentos se presentan en un cauce segn que haya o no haya movimiento de sedimentos desde aguas arriba:
Lecho mvil
V > Vc V < Vc
Agua clara
Velocidad del flujoChezy Manning
1 2 / 3 1/ 2 V = C RI = R I n 1 R 6 C= n 12 R C = 18 log D 90
m/s
m1/2/s
m1/2/s
Melville and Sutherland HEC-18
h Vc = 5.75U *c log 5.53 D
Vc = 6.19h D
1 6
1 3 50
Socavacin por contraccin en puentesLischtvan-Levediev
h 3 Hs = 0.28 0.68Dm 5
1 1+ z
h 3 Hs = 1.18 0.60 s 5
1 1+ x
Straub
B1 Hs = B 2H s Q2 = Q h1 1 6 7
0.642
h1
Laursen
B1 B 2
k1
0.025Q 2 Hs = 2 2 2 D m3 B 2
3 7
Socavacin por contraccin en puentes Lecho mvil Ecuacin de Laursen
H s Q2 = h1 Q1
6 7
B1 B 2
k1
Nivel de creciente
Ds = Hs - h2h Hs hmLecho natural en aguas bajas
Ds
Ds = Hs h1Lecho socavado
V*/w< 0.50 0.50 a 2.0 > 2.0
K10.59 0.64 0.69
Modo de transporte del sedimento de lecho Mucho del material en contacto con el lecho Algo de material de lecho suspendido Mucho material del lecho suspendido
V* =
gh1 I 1
Notas: Los anchos B1 y B2 no son siempre fciles de definir. En algunos casos se acepta tomar el ancho de la superficie libre del agua o el ancho del fondo descontando el ancho de las pilas. Debe guardarse siempre consistencia cualquiera que sea el ancho que se use. La seccin de aproximacin o de aguas arriba se debe localizar en un punto antes del puente en que el flujo empieza a contraerse. La socavacin por contraccin puede calcularse independientemente para el cauce principal y las laderas izquierda o derecha. Las profundidades de socavacin en lecho mvil disminuyen si el lecho tiene materiales gruesos que causen acorazamiento del cauce. Si existe esta posibilidad, es conveniente que se calcule la profundidad de socavacin usando la ecuacin correspondiente a agua clara en adicin a la de lecho mvil y se escoja la menor profundidad calculada.
Socavacin por contraccin en puentes Agua claraEcuacin de Laursen
0.025Q 2 Hs = 2 2 2 3 Dm B22 2 3/ 7
3 7
nQ Hs = K (G 1) D W 2 m s s
Ks = parmetro de Shields = 0.039 Gs = gravedad especfica del material del lecho = 2.65 n = coeficiente de rugosidad de Manning = 0.041 Dm1/6 Ds = Hs - h2
Para cauces con lecho estratificado, la socavacin se puede determinar usando las ecuaciones sucesivamente para cada capa usando el Dm correspondiente. La socavacin por contraccin puede resultar muy grande en algunos casos (Ds > 1.5 m), por lo que las velocidades en la zona del puente se reducen como consecuencia del aumento de la seccin hidrulica. Para tener en cuenta este efecto, se sugiere realizar de nuevo la modelacin hidrulica del puente usando el perfil del lecho socavado por contraccin. Con este nuevo perfil, se recalcula la socavacin por contraccin que debe resultar menor y se procede despus a calcular la socavacin local, (HEC 18, 1993). La profundidad de socavacin por contraccin puede obtenerse con parmetros medios para toda la seccin transversal, o puede obtenerse por tubos de corriente aprovechando la informacin hidrulica de programas como el HEC-RAS y usando las mismas ecuaciones vistas.
CLCULO DE LA SOCAVACIN LOCAL EN PILAS1104
1102
1100
1098
Ds ds
1096
1094
1092 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Ecuaciones para calcular socavacin local en pilasAutor Laursen Toch LarrasArunachalam
Fecha y 1953, 1956 1963 1965 1967 1966 1965
Ecuacin ds = KgKfa ds = KgKad s = 105Ka 0.75 .ds = 1 . 334 q 2 / 3 1 / 6
1 . 95
1 . 334 q a5/ 6
2 / 3
1
Carsten Breusers
N 1.25 s d s = 0.546a N s 5.02
1.4 a
Breusers, 1977 Nicollet y Shen Jain Fischer CSU y 1980 2001
V h l d s = af 1 f 2 f 3 ( forma ) f 4 a a Vc h d s = 186a . a0.5
(
Fr Frc
)
0.25
ds a = 2 .0 K f K K C k A h h
0.65
Fr 0.43
Melville y 1988 Sutherland
d s = aK i K h K D K K f K
Froehlich Melville
1991d s = 0.32 K ( a) f
0.62
h
0.47
Fr
0.22
D
0.09 50
+a
199
d s = 2.4a
Para pilas con punta circular alineadas con el flujo
ds 2.4a para Fr 0.8
ds 3.0a para Fr > 0.8
Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU)
ds a = 2 .0 K f K K c K a h hV Fr = gh
0.65
Fr
0.43
KfForma de la pila Nariz cuadrada Nariz redonda Cilndrica Punta aguda Grupo de cilindros
Kf1.1 1.0 1.0 0.9 1.0
Kngulo de ataque 0 15 30 45 90
l/a = 41.0 1.5 2.0 2.3 2.5
l/a = 81.00 2.00 2.75 3.30 3.900.65
l/a = 121.0 2.5 3.5 4.3 5.0
l K = cos + sen a
KcCondicin del lecho Socavacin en agua clara Lecho plano y antidunas Dunas pequeas Dunas mediana Dunas grandes Altura de la duna H Kc [pies] N/A 1.1 N/A 1.1 2 < H < 10 1.1 10 < H < 30 1.1 a 1.2 H > 30 1.3
acorazamiento del hueco de socavacin para D50 0.002 m D50 < 2 mm o D95 < 20 mm D50 2 mm o D95 20 mm
Ka disminuye la profundidad de socavacin porD95 0.02 m Ka = 1.0
K a = 0.4(VR )VicDx Dx = 0.645 a 0.053
0.15
V1 Vi cD 50 VR = >0 VcD 50 VicD 95
VcDx
VcDx = 6.19h D
1 6
1 3 x
El valor mnimo de Ka es 0.4
Efectos a considerar Pilas de gran anchoh K w = 1.00 a0.13 0.25
Fr
para V / Vc 1
Pilas complejas
Grupo de pilotes
Col. n
Col. 1 Fila m
R
Fila 1
Plano de proyeccinde Plano cin ec proy
Flujo+ +
Grupo de pilotes sesgados al flujo
*pg =
sp
+
Proyecte dos filas y una columna en el plano de proyeccin
Efecto de pilas con columnas mltiples sesgadas al flujo10 10
2
MULTIPLES COLUMNASJO FLU
6
L/a=3
JO FLU
2
PILA EQUIVALENTE
Efecto de la acumulacin de basura en las pilas
Efecto del tiempo de duracin de la creciente Efecto del espaciamiento entre las pilas Tamao del hueco de socavacin local en las pilas B = 2 ds Pila ds
CLCULO DE LA SOCAVACIN LOCAL EN ESTRIBOS1104
1102
1100
ds1098
Ds ds
1096
1094
1092 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Ecuaciones para calcular socavacin local en estribosFroehlich 1989 L ds = 2.27 K f K he he 0.43
Fre 0.61 + 1
Melville
199
ds L
= K i K h K D K K f K K g
ds = K i K L K D K K f K K g h
HIRE
1990
Kf K Fr 0.33 d s = 4h 0.55
Estribo izquierdo Puente
Estribo derecho
L1
L1
L2
L2 Seccin transversal aguas arriba
Seccin transversal en el puente
Casos 1 y 2. Estribos alejados del cauce principal
Estribo izquierdoPuente
Estribo derecho Borde del cauce principal
L1 Seccin transversal en el puente
L2
L2 Seccin transversal aguas arriba
Casos 3 y 4. Estribos al borde o en el cauce principal.
Mtodo de Froehlich
L ds = 2.27 K f K h he eFre = Ve ghe
0.43
Fre
0.61
+1
KfKf1.00 0.82 0.55
Descripcin Estribo con pared vertical Estribo con pared vertical y aletas Estribo con pendiente hacia el cauce
K
K = (/90)0.13
Comentarios al clculo de la socavacinLas ecuaciones fueron en su mayora deducidas de modelacin fsica en laboratorio con muy poca verificacin en el campo y por lo tanto, no se tiene certeza sobre su representatividad al usarlas con prototipos. Las ecuaciones consideran flujo permanente en cauces aluviales. El caudal mximo de diseo se presenta en tiempos muy cortos y seguramente menores a los necesarios para que se alcancen las profundidades mximas de socavacin calculadas. La mayora de investigaciones para deducir ecuaciones de socavacin local, han sido hechas generalmente bajo condiciones insignificantes de socavacin por contraccin, por lo que ambos efectos deben considerarse en forma separada al hacer la evaluacin de la socavacin total.
Para algunos mtodos, no se sabe con certeza si deben usarse valores medios o puntuales de parmetros como velocidad y profundidad del agua. Los parmetros de entrada se obtienen puntualmente y corresponden a valores representativos en el momento en que se hacen las mediciones de campo, pero no representan las variaciones que puedan ocurrir en un ro a lo largo del tiempo. Los mtodos no tienen en cuenta el tiempo de duracin de la avenida y el tiempo necesario para degradar el suelo, el cual es mayor en los suelos cohesivos. Los resultados de la profundidad de socavacin pueden diferir bastante de un autor a otro.
No hay suficiente evidencia sobre la confiabilidad de los mtodos para calcular profundidades de socavacin en estribos, debido a que las ecuaciones consideran bsicamente el caso de estribos construidos en el cauce principal compuesto por materiales aluviales. Los mtodos existentes para calcular la socavacin frecuentemente predicen un valor conservador con el objetivo de incorporar algn grado de seguridad en el diseo de un puente por construir, o en la evaluacin de un puente ya construido. Sin embargo, este factor de seguridad es desconocido y desde que haya incertidumbre siempre hay un factor riesgo asociado con un diseo. La profundidad de socavacin es una variable estocstica puesto que depende de variables hidrulicas como caudal, profundidad del flujo y velocidad que tambin lo son, ya que tienen asociada a ellas una distribucin probabilstica. Sin embargo, la gran mayora de las ecuaciones para encontrar la profundidad de socavacin se basan en un enfoque determinstico en que todos los parmetros involucrados se asumen conocidos con certeza.
Las ecuaciones dan un orden de magnitud para que mediante el anlisis de todas las variables involucradas en el fenmeno, pueda decidirse sobre las elevaciones de cimentacin del puente.
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