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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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
2. Cálculo de la profundidad desocavación
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
CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DESOCAVACION
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)
CALCULO DE LA PROFUNDIDAD DESOCAVACION
. an es ac ones e a egra ac nfluvial
2. Cálculo de la profundidad desocavación
. 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
PARA F ≤ 0,8 LECHOS ARENOSOS
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
PARA F ≤ 0,8 LECHOS ARENOSOS
,
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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