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Puentes Prof. Ronald Gmez J.

Ronald Gmez J. 1 Puentes

Universidad Mayor de San Simn Licenciatura en Ingeniera Civil

Puentes Prof. Ronald Gmez J.


2. Socavacin

Objetivos de esta clase


1. Identificar los diferentes tipos de fenmenos de socavacin que afectan las estructuras de puente, as como su origen.

2. Aplicar los conocimientos adquiridos en semestres anteriores para estimar de manera aproximada el efecto de socavacin en una estructura de puente.

3. Mostrar los mtodos existentes en la practica profesional para proteger la infraestructura de un puente ante el fenmeno de socavacin.

Introduccin


La socavacin es un fenmeno natural que consiste en la remocin de material del fondo de un cauce, provocada esta por el aumento de la velocidad de la corriente, y a su posterior deposito cuando la velocidad disminuye. La socavacin puede ocurrir en cualquier corriente o masa de agua en movimiento.

En la actualidad no existe una metodologa unificada que permita a los diseadores y constructores estimar con seguridad la profundidad de socavacin en puentes.

La socavacin consiste en la disminucin del nivel del lecho por la erosin del agua con una tendencia a exponer la cimentacin del puente.

Introduccin


Introduccin


Esta carencia se debe a la complejidad del problema y a su misma variacin durante el corto plazo en el cual se produce la degradacin, donde los flujos son inestables y las caractersticas dinmicas y geomtricas son complejas; la corriente interacta con mezclas variadas de sedimentos cuyos rangos van desde arenas aluviales hasta arcillas y rocas meteorizadas; es claro que durante una creciente sus caractersticas pueden cambiar drsticamente y de manera aleatoria

Introduccin


El problema a menudo se complica por la gran variedad de formas, alineamientos y posiciones usadas para pilas y estribos y por la presencia de desechos flotantes y basuras atrapadas que cambian la geometra y el patrn del flujo.

Introduccin


Existen muchas investigaciones sobre socavacin alrededor del mundo, y se han publicado numerosas frmulas para predecir su valor tanto en suelos granulares como en suelos cohesivos. Los valores estimados con esas frmulas varan ampliamente, ya que, como se mencion anteriormente, la extrema complejidad del fenmeno, hace que los estudios experimentales consideren ciertos aspectos del problema como constantes.

Por tal razn resulta indispensable que se conozca las limitaciones y los rangos de aplicacin de las metodologas que se van a utilizar para que no se obtengan valores que puedan poner en peligro la estructura o que resulte en una cimentacin extremadamente costosa.

Planteamiento del problema


Puente



Incremento del flujo de agua



Buena decisin La socavacin NO afecto la integridad estructural, NO se interrumpi el servicio de la estructura



Mala decisin La socavacin NO afecto la integridad estructural, SI se interrumpi el servicio de la estructura



Mala decisin La socavacin SI afecto la integridad estructural, SI se interrumpi el servicio de la estructura



La decisin final sobre la cimentacin de una estructura de puente y/o sus medidas de proteccin, debe basarse no solo en los resultados que las ecuaciones arrojen, sino tambin en el buen criterio, experiencia y conocimiento de las variables involucradas en el problema por parte del Ingeniero Proyectista.

Tipos de socavacin a considerar en puentes


Se deber considerar los siguientes tipos de socavacin:

Socavacin a largo plazo y agradacin Socavacin por migracin lateral de la corriente

Socavacin general por contraccin y otras causas Socavacin local en estribos y pilas

Socavacin a largo plazo


Se refiere a la tendencia a la degradacin que el lecho presenta a lo largo del tiempo debido a causas externas, ya sean naturales o inducidas por el hombre, pero sin tenerse en cuenta eventos extremos o crecidas. Se considera de tipo permanente.

Socavacin a largo plazo


Se pueden considerar como causas de este tipo de socavacin:

Corte natural o artificial de meandros Canalizaciones

Cambios en el control aguas abajo Extraccin de materiales

Desviacin de agua desde o hacia el cauce Modificaciones en el uso de suelo de la cuenca de drenaje

Agradacin del cauce


Agradacin es la acumulacin de sedimentos en los ros y arroyos.

La agradacin ocurre cuando los sedimentos de un ro superan la cantidad que dicho ro puede arrastrar en su cauce. Por ejemplo, la cantidad de sedimentos en el canal de un ro puede aumentar cuando el clima hace que dicho ro se seque. Las condiciones ms secas causan la disminucin del flujo del ro al mismo tiempo que los sedimentos se presentan en mayores cantidades, por tanto el rio se satura de sedimentos.

Otros ejemplos comunes son los derivados de las acciones del hombre, como la construccin de diques u otros obstculos.

Agradacin del cauce


Socavacin por migracin lateral


Se presenta por la tendencia de los ros a moverse hacia la parte externa y hacia aguas debajo de las curvas, este fenmeno es de tipo permanente.

Ocurre principalmente en las curvas del rio en que la capacidad de arrastre de los slidos es mayor en la parte externa que en la parte interna.



Problemas en estribos y pilas:

Socavacin general por contraccin


Es el descenso generalizado del fondo del rio como consecuencia de una mayor capacidad de la corriente para arrastrar y transportar sedimentos del lecho durante crecientes, este fenmeno puede ser de tipo transitorio.

Se debe primordialmente a la contraccin del cauce (disminucin del ancho) por estribos, pilas, y terraplenes de acceso.

Esto ocasiona la aceleracin del flujo y aumenta la capacidad de transporte de sedimentos en la zona del puente

Socavacin general por otras causas


Otras condiciones de socavacin general resultan de las caractersticas relacionadas con:

Tipo de corriente.- Recta, mendrica o entrenzadas



Controles variables de flujo aguas abajo.-



Flujo en codos.-



Confluencias.-

Socavacin local en pilas


Es la remocin del material que circunda las pilas de un puente.

Esta causada por el cambio de direccin de las lneas de corriente, la turbulencia, la aceleracin del flujo y los vrtices resultantes inducidos por la obstruccin.



Entre los factores que afectan la socavacin local en pilas se tiene:

Ancho y longitud de la pila



ngulo de ataque del flujo



Profundidad del agua



Forma de la pila y ngulo de ataque



Velocidad del flujo



Gradacin del sedimento



Tamao y posicin de la cimentacin



Otros factores:

Estratificacin o no del suelo Formas del lecho

Hielo y material flotante Tiempo

Socavacin local en estribos


Se refiere a la remocin del material que circunda estribos, diques o terraplenes de acceso a un puente.

Esta obstruccin forma un vrtice de eje horizontal que empieza en la parte aguas arriba y corre a lo largo de la estructura y un vrtice de eje vertical al final de la misma.



Entre los factores que afectan la socavacin local en estribos se tiene:

Longitud del estribo

Estribos cortos: L25h



Longitud del estribo



Longitud del estribo y profundidad del agua



Forma del estribo



Velocidad de la corriente



Geometra del cauce



Material del lecho



Dificultades y limitaciones

Estimacin de la profundidad de socavacin


El clculo de la profundidad de socavacin en un puente ha inquietado por mucho tiempo y ha atrado considerable inters por la investigacin en este campo.

El enfoque dado al clculo de las mximas profundidades de socavacin en la actualidad, parte de suponer que sta depende de variables que caracterizan al flujo, al material del lecho en el cauce y ala geometra del puente, para determinar con una ecuacin emprica de tipo determinstico



La determinacin de la socavacin a largo plazo y por migracin lateral de la corriente se basa ms en un anlisis cualitativo y en aplicacin de conceptos de mecnica de ros que en el uso de formulas empricas.

Por otro lado, existen muchas ecuaciones para calcular la profundidad de socavacin en pilas, pero, solo hay algunas aplicables para el caso de estribos y la socavacin general por contraccin u otras causas.

Sin embargo, no existe una obvia similitud entre las ecuaciones, ni en su apariencia ni en sus resultados, y adems, se tiene poca verificacin de su aplicabilidad con informacin de campo.



Existe mucha incertidumbre sobre el uso de las ecuaciones y sobre cual representa mejor las condiciones reales del rio y del puente. Esto hace difcil establecer una sola ecuacin que sea lo suficientemente precisa y segura para estimar las profundidades de socavacin debido al alto grado de incertidumbre existente y a las muchas variables involucradas en el problema como son: Flujo no permanente, caudal de diseo, geometra de estructuras, turbulencia, tamao y distribucin del sedimento, caractersticas hidrulicas durante crecidas, ngulo de ataque del flujo, presencia de basuras y tiempo de duracin de la crecida.



Es as como debido a la complejidad de todas las variables involucradas en la socavacin no existe todava una solucin terica validad por lo que toca recurrir a los resultados de investigaciones experimentales de laboratorio basadas en el anlisis dimensional, con la salvedad de que estos anlisis arrojan resultados muy dispares y en algunos casos contradictorios.

Las ecuaciones disponibles hasta la fecha son envolventes de resultados obtenidos de modelos fsicos de laboratorio y muchas veces las profundidades de socavacin son exageradas especialmente para el caso de estribos.



En resumen, la socavacin es la combinacin de varios factores, unos a largo plazo y otros transitorios durante crecidas, aunque la mayora de las fallas de puentes ocurren durante las crecidas, no se pueden desestimar los otros.

UNA VEZ MAS!!! La decisin final sobre la cimentacin de una estructura de puente y/o sus medidas de proteccin, debe basarse no solo en los resultados que las ecuaciones arrojen, sino tambin en el buen criterio, experiencia y conocimiento de las variables involucradas en el problema por parte del Ingeniero Proyectista.



Trabajo de investigacin: Clculo de la forma de socavacin Clculo de la socavacin general por contraccin.- Mtodos de Lischtvan-Levediev, Mtodo de Straub, Mtodo de Laursen. Clculo de la socavacin local en pilas.- Mtodo de Melville & Sutherland, Mtodo de Froehlich (1991), Mtodo de la Universidad Estatal de Colorado (CSU) Clculo de la socavacin local en estribos.- Mtodo HIRE, Mtodo de Melville, Mtodo de Artamonov.

Medidas de proteccin


Existen varias soluciones ingenieriles para proteger las zonas criticas susceptibles a socavacin entre las cuales se pueden mencionar:

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