Puentes y obras de Arte(Socavacion) 21-04-2015

Socavacin en Puentes Teora y Calculo Pgina 1

UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUI

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

CURSO: Puentes y Obras de arte

CICLO:

IX

TEMA: Socavacin en Puentes

Teora y Clculo

DOCENTE: fgfg

ALUMNOS:

fg sdf rt

ILO - PERU

2015


INDICE

CAPITULO 1: INTRODUCCIN..3 CAPITULO 2: OBJETIVOS.4 CAPITULO 3: MARCO TERICO...4 3.1 SOCAVACIN....4 3.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SOCAVACIN..5 3.2.1 FACTORES GEOMORFOLGICOS.5 3.2.2 FACTORES DE TRANSPORTE5 3.3 TIPOS DE SOCAVACIN.6 3.3.1 SOCAVACIN GENERAL6 3.3.2 SOCAVACIN LOCAL...6 3.3.3 SOCAVACIN POR CONTRACCIN DEL CAUCE.7 3.3.4 SOCAVACIN LOCAL EN LOS ESTRIBOS7 3.3.5 SOCAVACIN LOCAL EN LAS PILAS..7 3.4 CAUDAL PARA EL CLCULO DE SOCAVACIN...7 CAPITULO 4: CALCULOS DE LA SOCAVACION8 4.1 CLCULOS DE SOCAVACIN GENERAL EN SUELOS NO COHESIVOS8 4.2 SOCAVACIN GENERAL PARA SUELOS GRANULARES.12 4.3 SOCAVACION GENERAL PARA SUELOS COHESIVOS12 4.4 CLCULOS DE EROSION ALREDEDOR DE PILARES.14 4.4.1 METODO DE LAURSEN Y TOCH14 4.4.2 METODO DE YAROSLAVTZIEV..17 4.4.3 MTODO DE LARRAS..19 4.5 SOCAVACION LOCAL EN ESTRIBOS21 4.5.1 CLCULOS DE SOCAVACION AL PIE DE ESTRIBOS..21 4.5.1.1. METODO DE LIU, CHANG Y SKINNER..21 4.5.1.2. METODO DE FROELICH23


CAPITULO 1

INTRODUCCIN

El conocimiento de los procesos hidrodinmicos y morfolgicos de una corriente aluvial, dadas unas condiciones hidrolgicas conocidas, permite desarrollar un adecuado plan de manejo de los diseos hidrulicos que se lleven a cabo en dicho cauce. Entre los procesos fluviales, se destacan tres procesos como elementales: la erosin, el transporte y la depositacin de sedimentos.

La socavacin general es un proceso fsico complejo, cuyas bases tericas an no se encuentran bien definidas y no es posible estimar con confianza los cambios en el lecho tras el trnsito de un flujo. Los factores que influyen en la socavacin general se pueden agrupar en tres grupos: factores geomorfolgicos, factores de transporte y el tipo de material que conforma el lecho; todos factores nicos para cada ro, lo cual dificulta la existencia de una ley general

Uno de los factores fundamentales para estimar la profundidad de socavacin en cualquier tipo de cauce natural es el tipo de material del lecho que conforma el cauce y est expuesto a las fuerzas erosivas de la corriente. El tipo de material que conforma el cauce hace referencia al tamao del mismo, e investigaciones han demostrado que en ros aluviales, es decir, aquellos que corren sobre materiales transportados por el propio ro en el pasado geolgico, la granulometra del material del lecho est directamente relacionada con las caractersticas geomorfolgicas de un corriente.


CAPITULO 2

OBJETIVOS

1. Brindar informacin conceptual acerca de la socavacin y problemas relacionados a esta.

2. Definir una metodologa que ayude a calcular la profundidad de socavacin en cimentaciones de puentes.

CAPITULO 3

MARCO TERICO

3.1 SOCAVACIN

La socavacin es un tipo de erosin hdrica que hace referencia a la prdida del material del lecho y mrgenes de un cauce, debido a la capacidad de transporte asociada a un evento hidrolgico. La reduccin de este nivel respecto a un nivel de referencia es denominada profundidad de socavacin.

La profundidad de socavacin alcanzada depende del tipo y tamao de las partculas que conforman el lecho y la magnitud y duracin del evento hidrolgico.

La socavacin depende de muchos factores, que pueden agruparse en dos grupos principales: los factores geomorfolgicos y los factores de transporte. Adems, la socavacin puede clasificarse en dos tipos segn su naturaleza: socavacin general y socavacin local.


3.2 FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SOCAVACIN

3.2.1 FACTORES GEOMORFOLGICOS

Los factores geomorfolgicos hacen referencia a las caractersticas de la cuenca y el ro analizado. Dentro de las caractersticas de la cuenca se incluyen los factores climticos y los usos y tipos de suelos, elementos de primera importancia para determinar las tasas de erosin y transporte en el sitio de inters. Las caractersticas de mayor inters son la pendiente, la geometra de la seccin transversal, su forma en planta, las caractersticas del material del lecho y las condiciones de borde del canal.

3.2.2 FACTORES DE TRANSPORTE

Los factores de transporte se relacionan con el transporte tanto de agua como de sedimentos. Las caractersticas del flujo, como la


velocidad, duracin, caudal y frecuencia, as como las tasas de transporte y tipo de sedimento transportado durante tales eventos, son necesarias para estimar la profundidad de socavacin.

3.3 TIPOS DE SOCAVACIN

3.3.1 SOCAVACIN GENERAL

La socavacin general es aquella disminucin en el nivel base del lecho del cauce como consecuencia de aumento en la velocidad y el esfuerzo cortante del flujo en el lecho, que pone en movimiento las partculas de fondo y de las mrgenes que se encuentran en equilibrio, indistintamente de la presencia o no de cualquier estructura antropognica.

3.3.2 SOCAVACIN LOCAL

Contrario a la socavacin general, la socavacin local es el descenso abrupto en el lecho fluvial, generado por la remocin del material de fondo debido a algn elemento fsico componente de alguna obra dentro del cauce o alguna singularidad natural que se encuentre interpuesta dentro de la corriente. Dada la complejidad del movimiento del fluido causante de la socavacin localizada, su anlisis se deriva en teoras diferentes y en ocasiones contradictorias, dependiendo de las condiciones que se hayan tenido en cuenta para su definicin. Este tipo de socavacin ha sido ms estudiado que la socavacin general, pues los anlisis de socavacin se realizan, en su mayora, para conocer el diseo de cimentaciones de obras que estn en contacto directo con el cauce (puentes, espolones, estribos, pilas, etc), ya que son obras de importancia en la subestimacin de la socavacin podra conllevar a la destruccin total de la estructura, o la sobreestimacin llevara a adoptar profundidades de cimentacin que hacen extremadamente costosa la obra.


3.3.3 SOCAVACIN POR CONTRACCIN DEL CAUCE La construccin de un puente puede disminuir el ancho del cauce para el paso de grandes caudales y al presentarse los caudales, se produce un aumento extraordinario de las velocidades en la contraccin, producindose socavacin del fondo del cauce en el sector contrado. 3.3.4 SOCAVACIN LOCAL EN LOS ESTRIBOS Junto a los estribos del puente se genera turbulencia, la cual produce erosin adicional y disminuye localmente el nivel del fondo del cauce junto al estribo. Los vrtices junto a los estribos forman fosas profundas de erosin especialmente en los extremos del estribo junto al sitio de estrechamiento del cauce. Esta socavacin debe adicionarse a la profundidad de socavacin producto de la contraccin de la seccin del cauce. 3.3.5 SOCAVACIN LOCAL EN LAS PILAS En las pilas dentro del cauce se producen remolinos de turbulencia, los cuales hacen que el nivel del ro descienda especialmente junto a estas estructuras. Alrededor de las pilas se forma una fosa profunda por socavacin, producida por un sistema de vrtices generados por la interferencia que la pila causa al flujo. 3.4 CAUDAL PARA EL CLCULO DE SOCAVACIN Laursen (1970) recomienda que la socavacin en un puente debe disearse para el caudal mximo probable y no para un caudal de retorno especfico, debido a que la posibilidad de que ocurra la precipitacin mxima probable durante la vida til del puente es muy alta y en el caso de que esta ocurra, si el puente no est diseado para este caudal, la socavacin destruye totalmente el Recomienda utilizar periodos de retorno de 500 aos para puentes importantes, cuya destruccin pueda generar daos sociales o econmicos importantes.


CAPITULO 4

CALCULOS DE LA SOCAVACION

4.1 CLCULOS DE SOCAVACIN GENERAL EN SUELOS NO COHESIVOS

Los clculos de socavacin general se pueden efectuar considerando el procedimiento planteado por Lischtvan-Lebediev, el cual se encuentra descrito de manera detallada en el Tomo III del libro de Mecnica de Suelos de Jurez Badillo y Rico Rodrguez, Noriega Limusa Editores, 1994, pginas 366-378.

En el anlisis de la socavacin general mediante este mtodo se hace uso de las siguientes variables definidas:

Qd: caudal mximo de avenidas correspondiente a un periodo de retorno seleccionado.

Be: ancho superficial del ro o curso natural en la seccin en estudio. Al ancho total debe descontarse el ancho efectivo de los pilares.


Hm: tirante medio de la seccin, el cual se obtiene dividiendo el rea hidrulica entre el ancho efectivo, Be.

: Coeficiente de contraccin, que toma en cuenta el efecto de la presencia de pilares y estribos, cuando hay un puente localizado en el tramo en anlisis. Si se considera que el efecto de contraccin es despreciable o no hay obstculos en el cauce, el coeficiente que se adopta es = 1. Los valores de a adoptar se indican en la tabla siguiente

Ho: profundidad mxima de la seccin antes de la erosin.

, beta: el coeficiente se obtiene de la tabla A-3.2 de la

referencia antes sealada. es funcin de la probabilidad anual

(en %) de que se presente el gasto o caudal de diseo.


dm: dimetro medio (en mm) de los granos del fondo.

x: exponente variable que depende del dimetro del material y

que se encuentra en la tabla A-3.3 de la referencia anteriormente

sealada.

Hs: profundidad socavada

Segn el planteamiento de Lischtvan-Lebediev, la erosin se

detendr cuando a una profundidad alcanzada, el valor Vr de la

velocidad de la corriente capaz de producir arrastre llega a ser

igual al valor Ve correspondiente a la velocidad que se necesita

para que el fondo se degrade (erosione).


Las expresiones de Ve y Vr son las siguientes:

La profundidad de socavacin se deduce aplicando la condicin de

equilibrio, esto es: vr = ve

De la expresin anterior se despeja Hs y con ello se deduce la

profundidad de socavacin:

Prof. de socav. = Hs Ho

x

sme Hdv28.0

68.0

s

or

H

Hv

3/5

x

sm

s

o HdH

H 28.03/5

68.0


4.2 SOCAVACIN GENERAL PARA SUELOS GRANULARES

4.3 SOCAVACION GENERAL PARA SUELOS COHESIVOS


4.4 CLCULOS DE EROSION ALREDEDOR DE PILARES

4.4.1 METODO DE LAURSEN Y TOCH

De acuerdo con este mtodo, cuando la mayor dimensin

transversal del pilar est alineado con el flujo, la socavacin puede

calcularse con la expresin:

So = K1 K2 b

donde:

So profundidad de socavacin, medida desde el fondo

K1 coeficiente que depende de la relacin tirante de agua entre

ancho del pilar (H/b) (ver grfico)

K2 coeficiente que depende de la forma del extremo del pilar que

da frente a la corriente incidente

b ancho del pilar


Cuando la corriente incide oblicuamente y forma un ngulo con el eje del pilar, la socavacin puede determinarse con la expresin: So = K1 K3 b Donde K3 depende del ngulo y de la relacin longitud del pilar (a) entre ancho del pilar (b) (ver grfico)


4.4.2 METODO DE YAROSLAVTZIEV

La frmula para el clculo de la socavacin en el caso de suelos no

cohesivos es la siguiente:

( )

La expresin debida a Yaroslavtziev fue obtenida como resultado de la observacin directa de varios puentes en la ex Unin Sovitica. En la ecuacin anterior cada uno de los trminos tiene el siguiente significado: So profundidad de socavacin, en m Kf coeficiente que depende de la forma de la nariz del pilar y del ngulo de incidencia entre la corriente y el eje del pilar Kv coeficiente definido por la expresin:

v velocidad media de la corriente aguas arriba del pilar, despus de haberse producido la erosin general, en m/s g aceleracin de la gravedad = 9.81 m/s2

b1 proyeccin en un plano perpendicular a la corriente de la seccin del pilar e coeficiente de correccin cuyo valor depende de la ubicacin del pilar en el cauce:

Si el pilar est en el cauce principal: e = 0.6 Si el pilar est en el cauce de avenidas: e = 1.0

KH coeficiente que toma en cuenta la profundidad de la corriente; definido por la expresin:

H tirante de la corriente frente al pilar, luego de producida la socavacin general d dimetro d85, en m, de las partculas gruesas que conforman el lecho


4.4.3 MTODO DE LARRAS

La profundidad de socavacin se calcula con la ecuacin:

donde:

a ancho del pilar, en m

K = Kf K


Kf factor de correccin por la forma del pilar K factor de correccin por el ngulo de incidencia de la corriente

Tabla de Valores de Kf

Tabla de Valores de K


4.5 SOCAVACION LOCAL EN ESTRIBOS

4.5.1 CLCULOS DE SOCAVACION AL PIE DE ESTRIBOS

4.5.1.1. METODO DE LIU, CHANG Y SKINNER

Este mtodo se basa en las siguientes hiptesis: La socavacin se produce en un lecho mvil Los estribos se proyectan dentro del cauce principal, tal como lo muestra la figura No existe flujo sobre las bancas del cauce de inundacin El largo del estribo (ver figura) es menor que 25 veces la profundidad media del agua (L/h < 25) El flujo es subcrtico El Lecho del cauce es arenoso Las ecuaciones deben ser ajustadas por un factor de correccin K para considerar el efecto del ngulo de incidencia del flujo. Los valores de las profundidades de socavacin deben ser incrementados en un 30% cuando se presentan dunas en el cauce de aproximacin al estribo. Si existe lecho plano o lecho con antidunas, las ecuaciones deben aplicarse tal como se exponen a menos que las antidunas ocurran en el estribo, caso para el cual la profundidad de socavacin debe incrementarse en un 20%.


La profundidad de socavacin se calcula con la ecuacin:

(

)

dnde:

ds - profundidad de socavacin de equilibrio medida desde el nivel medio del lecho hasta el fondo del nivel de socavacin, en m h - profundidad media del flujo aguas arriba en el cauce principal, m L - longitud del estribo y accesos al puente que se opone al paso del agua, en m

Fr - nmero de Froude en la seccin de aguas arriba,

V - velocidad media del flujo aguas arriba, en m/s Kf - coeficiente de correccin por la forma del estribo

Kf = 1.1 para estribos con pared inclinada hacia el cauce Kf = 2.15 para estribos con pared vertical


4.5.1.2. METODO DE FROELICH

ds - profundidad de socavacin, en m he - profundidad media del flujo (profundidad hidrulica) en la zona de inundacin obstruida por el estribo aguas arriba del puente, en m Kf - coeficiente que depende de la forma del estribo

K - coeficiente que depende del ngulo de incidencia del

flujo

L - longitud del estribo y accesos al puente que se opone al paso del agua proyectada normalmente al flujo, en m Fre - nmero de Froude en la seccin de aproximacin obstruida por el estribo.

Dnde:


he = Ae/l ; Ve = Qe/Ae

Siendo:

Ve - velocidad del flujo obstruido por el estribo y los accesos al puente en la seccin de aguas arriba, en m/s Qe - caudal obstruido por los estribos o los accesos, medido aguas arriba del puente, en m3/s Ae - rea del flujo de la seccin de aguas arriba obstruida por los estribos, en m2 El coeficiente K puede tambin determinarse mediante la ecuacin:

(

)

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