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Hidráulica FluvialDr. Arturo Rocha FelicesCLASE 13
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TEMAS SELECTOS DE
HIDRÁULICA FLUVIAL
EXPOSITOR:Dr. Arturo Rocha Felices
Consultor de Proyectos Hidráulicos
Clase 13
TEMAS SELECTOS DE HIDRÁULICAFLUVIAL
1. Morfología y dinámica fluvial
2. El transporte sólido I
3. El transporte sólido II
4. Defensas con espigones
5. Erosión en pilares de puentes
6. Sedimentación y purga de embalses
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CAPÍTULO 5
EROSION EN PILARES DE PUENTESCONTENIDO
A. Fallas en puentes. Aspectos hidráulicos
en el diseño de puentes.
B. Cálculo de la profundidad de socavación.
C. Medidas de protección. Comentarios sobreel manual de puentes.
D. Conclusiones y Recomendaciones.
FALLAS EN LOS PUENTES. ASPECTOSHIDRAULICOS EN EL DISEÑO
DE LOS PUENTES
1. Aspectos generales
2. Fallas en puentes
3. Hidráulica de Puentes
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PUENTERÍO
INTERACCIÓN
UNA ESTRUCTURA HIDRÁULICA QUE
PRODUZCA LA MENOR PERTURBACIÓN
POSIBLE EN EL RÍO.
1
Y, QUE A UN COSTO RAZONABLE DEBACUMPLIR ADECUADAMENTE LOS
FINES BUSCADOS.
2
PUENTESPUENTESSuperestructura: el tablero
Infraestructura: cimientos, estribos y pilares
B = L = ?
PILAR
Los estribos van en losextremos y empalmancon los terraplenes de
aproximación.
Los pilares (pilas) sonlos apoyos
intermedios, cuandohay más de un tramo.
Los cimientos soportan el peso de la estructura
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TERRAPLÉNDE ACCESO
TERRAPLÉNDE ACCESO
MARGEN IZQUIERDAMARGEN DERECHA
CALZADA
ZAPATAS
ESTRIBOS PILARES
B =? L = ?
La profundidad de
socavación
determinará la de la
Q
cimentación, la quedebe estar debajo de
la profundidad de
socavación.
¿POR QUÉ SE PRODUCE LA¿POR QUÉ SE PRODUCE LASOCAVACIÓN?SOCAVACIÓN?
Aparecen velocidades locales
mucho mayores que lavelocidad media de lacorriente.
Aparecen vórtices endiferentes direcciones.
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PILARES Y
ESTRIBOS
ELEMENTOS EXTRAÑOS
DENTRO DE LA CORRIENTE
CHOQUE DELFLUJO CONTRA
UN PILAR
VORTICOSAS
Con aporte
FLUJO
Sin aportede sólidos.
V < Vc
V > Vc
HAMILL, L. (1999) Bridge Hydraulics. E & F Spon, London and New York.
FLUJO
PILAR
Falla típica por erosión local(Martín Vide)
10Simulación de la socavación al pie de un
pilar de puente (Modelo CCHE3D).
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MELVILLE, B. W. & COLEMAN, S. E. (2000) Bridge Scour. Water ResourcesPublications, Highlands Ranch (CO).
Nueva Zelanda
DISEÑO DE LA CIMENTACIÓNDISEÑO DE LA CIMENTACIÓNDE PUENTESDE PUENTES
LABOR ESENCIALMENTEMULTIDISCIPLINARIA
Vialidad
Hidráulica Fluvial
Transporte de
Análisis Estructural
Modelos hidráulicosCostosProcedimientos de
Hidrología
Geología
Geotecnia
construcciónOtras (Topografía,Batimetría, etc.)
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FALLAS EN LOS PUENTES. ASPECTOS
HIDRAULICOS EN EL DISEÑODE LOS PUENTES
1. Aspectos generales
2. Fallas en puentes
3. Hidráulica de
Puentes
¿POR QUÉ FALLAN¿POR QUÉ FALLAN
LOS PUENTES?LOS PUENTES?
¿POR QUÉ SE ESTUDIA¿POR QUÉ SE ESTUDIA
LAS FALLAS OCURRIDAS ENLAS FALLAS OCURRIDAS EN
LOS PUENTES?LOS PUENTES?
EL ESTUDIO DE LAS FALLAS ES FUENTE DE CONOCIMIENTO.
Lima, Puente Balta. 14 marzo 2009
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CAUSAS MÁS FRECUENTES DECAUSAS MÁS FRECUENTES DE
FALLAS DE GRANDES PUENTESFALLAS DE GRANDES PUENTESA NIVEL MUNDIALA NIVEL MUNDIAL
oque con cuerpos ex ra os(embarcaciones, bloques de hielo, etc.)
Comportamiento fluvial (Socavación,dinámica fluvial)
Sismos.
15
Estas causas pueden presentarse aisladaso combinadas
¿Pueden ocurrir dos omás eventos, con su
máxima intensidad, en¡Su probabilidades remota, pero
Debe examinarse cuidadosamente la
orma s mu t nea
“ Eventos extremos”
no es mpos e
Q
probabilidad de ocurrencia de eventosextremos, aislada o conjunta, para noexagerar los costos de la estructura.
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INFORMACIÓN ESTADÍSTICA SOBREINFORMACIÓN ESTADÍSTICA SOBREFALLAS EN 143 PUENTES DE TODO ELFALLAS EN 143 PUENTES DE TODO EL
MUNDOMUNDO(Smith D. W., 1971)Corrosión (1)
Viento (4)
Diseño inadecuado (5)
Sismos (11)
Construcción (12)
Sobrecar a e im acto de embarcaciones
(14)Materiales defectuosos (22)
Avenidas (70)
17PRÁCTICAMENTE EL 50% DE LAS FALLAS TUVO SU
ORIGEN EN PROBLEMAS HIDRÁULICOS
70/143
Shirole y HoltPeriodo de estudio 30 años
Puentes fallados: 1000
( de los 600 000 existentes60%: Socavación
AASHTO(American Association of State Highway and
.
Causa más común:
“La mayor parte de los puentes que hanfallado, en USA y en todo el mundo, ha
sido debido a la socavación.”
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MEGANIÑO1982-83
55 PUENTES
DESTRUIDOS O AFECTADOS
FALLAS EN EL PERÚFALLAS EN EL PERÚ
MEGANIÑO1997-98
58 PUENTES
PUENTE REQUE(Marzo 1998)
28 PUENTES
AFECTADOS
LOS DAÑOS EN LA INFRAESTRUCURA VIALFUERON CONSIDERABLES
MEGANIÑO 1997MEGANIÑO 1997--9898
INFORME SOBRE LOS DAÑOS
PUENTE PARCA.El único acceso a la
uebrada de SantaEulalia, fue arrasadopor los huaicos yaisló a decenas defamilias. (1998)
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LOS DAÑOS DE ORIGEN HIDRAÚLICOLOS DAÑOS DE ORIGEN HIDRAÚLICO
QUE SUFREN LOS PUENTES TIENENQUE SUFREN LOS PUENTES TIENENDIVERSOS ORÍGENESDIVERSOS ORÍGENES
Fundamentalmente provienen de noprever debidamente elcomportamiento de ríos y quebradas.
De la mala ubicación de las obras.
De su insuficiente dimensionamiento.
PRÁCTICAMENTE LA TOTALIDAD DE LAS FALLAS
OCURIDAS EN EL PERÚ EN LAS ÚLTIMAS
DÉCADAS TUVO SU ORIGEN EN PROBLEMAS DE
HIDRÁULICA FLUVIAL Y NO EN LOS LLAMADOS
”PROBLEMAS ESTRUCTURALES”.
ES INDISPENSABLE MIRAR EL PROBLEMA
DESDE ESTA PERSPECTIVA Y ESTUDIAR EL
COMPORTAMIENTO FLUVIAL Y SU
INTERACCIÓN CON LOS PUENTES.
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FALLAS EN LOS PUENTES. ASPECTOSHIDRAULICOS EN EL DISEÑO
DE LOS PUENTES
1.Aspectos generales
2.Fallas en puentes
. u u
HIDRÁULICA DE PUENTESHIDRÁULICA DE PUENTES
Aspectos de la Hidráulica Fluvialaplicada al diseño de puentes.
frente a la acción del agua.
Calcular las profundidades de erosión.Garantizar el tránsito de la Avenida deDiseño.
RÍO
PUENTE
MOVILIDAD
ESTABILIDAD
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En el diseño de puentes es
importantísimo realizar un estudiode Hidráulica Fluvial, lo
suficientemente profundo como
para prever y controlar los efectos
de la interacción río-puente.
LOS RÍOS SON ELEMENTOSLOS RÍOS SON ELEMENTOSFUNDAMENTALMENTE DINÁMICOS ENFUNDAMENTALMENTE DINÁMICOS EN
EL TIEMPO Y EN EL ESPACIO.EL TIEMPO Y EN EL ESPACIO.
HIDRÁULICA DE PUENTESHIDRÁULICA DE PUENTES
a) El conocimiento del río.
b La avenida, o el hidro rama, de
diseño.
c) Emplazamiento del puente.
d) Alineación del puente con respecto a
.
e) Luz y altura del tablero.
f) Otros.
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Es fundamental tener un buen conocimiento del río
Determinación del tipo de río: recto, entrelazado o
a) Conocimiento del río
meándrico.
El diseño está ligado al tipo de río
Tipo de río = tramo fluvial comprometido
Analizar las características de cada tramo fluvial (arenoso,pedregoso, pendientes, etc.)
s a a e ramo uv a comprome o ncauzam en o
Condiciones de aproximación.
EL DISEÑO DE UN PUENTE IMPLICA UN RIGUROSOESTUDIO DE HIDRÁULICA FLUVIAL, COORDINADO CON
ASPECTOS HIDROLÓGICOS Y SEDIMENTOLÓGICOS.
HIDRÁULICA DE PUENTESHIDRÁULICA DE PUENTES
La selección de la Avenida de Diseñocorresponde al Jefe del Proyecto (es una de las
b) La avenida, o el hidrograma, de diseño…
decisiones más importantes). Está asociada a:
• Comportamiento del tramo fluvial comprometido• La sección en la que se ubica el puente
• Las socavaciones previstas
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• Importancia y costo de la obra
• Otros aspectos. Es decir, que proviene de unanálisis técnico económico y
no exclusivamente de unanálisis hidrológico.
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La AASHTO (American Association of State
b) … La avenida, o el hidrograma, de diseño...
g way an ransportat on c a srecomienda la Avenida Centenaria o “aquellaque siendo menor alcance el nivel del tablero”.
PARA EL CÁLCULO DE LA SOCAVACIÓNPARA EL CÁLCULO DE LA SOCAVACIÓN
e era g way m n s ra on
Manual “HEC-18” (Lechos arenosos)
Hydraulic Engineering Circular Nº 18:
Evaluating Scour at Bridges.
HIDRÁULICA DE PUENTESHIDRÁULICA DE PUENTES
No siempre es útil el concepto de Avenida de
b) … La avenida, o el hidrograma, de diseño.
se o. veces ay que recurr r a concep o eHidrograma de Diseño, según nuestra
experiencia en proyectos nacionales.
Consideraciones de Diseño de EstructurasHidrául icas Sujetas al Fenómeno de El Niño (XIV
,
El concepto de Avenida (Caudal) suele implicarun valor instantáneo. Durante los grandes Niñosse presenta un tren de ondas, que debe sertomado en cuenta.
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Durante el Fenómeno de El Niño lasavenidas se caracterizan, más que por unvalor puntual, por un tren de ondas descrito
b) … La avenida, o el hidrograma, de diseño.
por un rograma e rec as.
RÍO PIURA
HIDRÁULICA DE PUENTESHIDRÁULICA DE PUENTES
Hay que compatibilizar las necesidades viales conlas hidráulicas (en el más amplio sentido del término)
c) Emplazamiento del puente
Richardson y otros autores señalan la importancia
de:La morfología fluvial
El alineamiento del río
Las característicashidrológicas
Longitud del puente
fluvial con el tiempo
El material constituyentedel lecho y de lasmárgenes
Los costos del eventualencauzamiento
ro emas eexpropiaciones
Costos de mantenimiento
Procedimientos deconstrucción
Otros factores.
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d) Alineación del puente conrespecto de la corriente
Se debe determinar el talweg, φ (Q)
La dirección de la corriente, φ (Q)
sobre los pilares.
HIDRÁULICA DE PUENTESHIDRÁULICA DE PUENTES
No siempre la “máxima avenida” es la más
e) Luz y altura del tablero
desfavorable.Hay que verificar los niveles de la superficie libre
para diferentes caudales, en función de ladegradación o agradación del lecho.Las avenidas deben poder transitar con el pelode agua debajo del tablero. “Borde libre”.Debe considerarse la posibilidad de cuerposextraños (Ejemplo, palizadas)Dimensiones del vano (o vanos): longitud y alturalibres.Capacidad de descarga del vano (s)
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Sobreelevación aguas abajo por obstrucciónparcial del cauce de avenidas.
f) Otros
Erosión por estrechamiento del cauce.Socavación (erosión local) por pilares yestribos.
H I D R Á U L I C A D E P U E N T E S
¡¡¡ EL PUENTE FORMA PARTE DE UN¡¡¡ EL PUENTE FORMA PARTE DE UNCAMINO E INTERACTÚA CON UN RÍO!!!CAMINO E INTERACTÚA CON UN RÍO!!!
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