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Socavacion, teoria y ejemplo
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1.1.1. Cálculo hidráulico
Para la obtención de parámetros hidráulico se modelo en el
programa HEC-RAS, y posteriormente se calculó la socavación general, por
contracción en el cauce y local en las pilas del puente, mediante métodos
tradicionales o para pilas simples y métodos para pilas complejas.
1.1.1.1. Cálculo de la socavación por métodos tradicionales
4.2.6.1.1. Descripción de la metodología
Los parámetros hidráulicos corresponden a la sección 0+880
ubicada en el eje del puente, extraídos de la modelación hidráulica en el
programa HEC RAS. Las características del suelo pertenecen a las calicatas y
perforaciones (Estudio geológico del proyecto original del puente) en el eje del
puente.
Figura 1: Características hidráulicas de la sección 0+880 en el eje del puente.
4.2.6.1.2. Socavación general – Método de Lebediev
2.1. Método de Lischtvan - Levedieb
Qd Caudal
Ah Área hidráulica
Be Ancho de superficie de agua
Hm Tirante medio de la sección
V Velocidad mediaN.A.M Nivel de aguas máximas m.s.n.mN.F Nivel de fondo del cauce m.s.n.m
L Longitud entre pilares m
do Tirante antes de la erosión
ɣs Peso especifico del suelo del cauce
dm Diámetro medio del material
Tr Periodo de retorno del gasto de diseño
Tipo de suelo
1/(1+z)
0.68Dm0.28.β.ψ
μ Coheficiente de contraccion.(Ver tabla 6)
β Coeficiente que depende del período de retorno.(Ver tabla 8 )
z Exponente que depende del diámetro del material.(Ver tabla 7)
ψ
α coeficiente de sección dependiente de las características hidráulicas
Resultados:
ys Profundidad de socavación m
ds Profundidad de socavación respecto al fondo del cauce m
4.26
m/s20.2515.36
62.00
50.00
(Hm)5/3.Be.μ
Qd
4.89
1.600
m
m3
m2
m
m
1.89
ys =α.do5/3
Coeficiente que depende de la concentración del material transportado en suspensión.(Ver tabla 9)
0.99
0.97
años
Arenoso
0.414
1.06
α=
8.33
3.44
0.73
1209.54
638.95
149.86
Tn/m3
mm 0.328
4.2.6.1.3. Socavación por contracción del cauce – Método de
Laursen Modificado
2.1. Método de Laursen Modificado
Qd Caudal
Ah Área hidráulica
Be Ancho de superficie de agua
Hm Tirante medio de la sección
V Velocidad mediaN.A.M Nivel de aguas máximas m.s.n.mN.F Nivel de fondo del cauce m.s.n.mL Longitud entre pilares m
do Tirante antes de la erosión
ɣs Peso especifico del suelo del cauce
dm Diámetro medio del material
Tr Periodo de retorno del gasto de diseño
ds = y2 - yo
y1 m
y0 m
Q1 Flujo aguas arriba cm/s
Q2 Flujo en la sección contraída cm/s
k1
W1 m
W2 m
Resultados:
y2 Profundidad promedio después de la erosión en la sección contraída m
ds Profundidad promedio de la erosión por contracción m
m 4.26
m/s 1.89
m3 1209.54m2 638.95
m 149.86
años 50.00
m 4.89Tn/m3 1.600
mm 0.328
20.2515.3662.00
11.75
6.86
4.77
4.89
Método de Laursen Modificado
Profundidad promedio en el cauce principal o llanura de inundación en la sección aguas arriba
Profundidad promedio en el cauce principal o llanura de inundación enla sección contraída antes de la erosión
149.86
Coeficiente que depende del modo de transporte de los sedimentos(Ver tabla 10)
Ancho del fondo en la sección contraida
1209.54
1209.54
0.69
Ancho del fondo aguas arriba de la contracción 553.63
4.2.6.1.4. Socavación en las pilas del puente
A. Método de la FHWA (HEC-18)
V Velocidad del flujo de acercamiento aguas arriba de la pila m/s
y Profundidad del flujo aguas arriba de la pila m
d Diámetro de la pila m
Fr Número de froude
θ Ángulo de ataque grados
K1 Factores de forma de la pila
K2 Coeficiente que depende del ángulo de orientación
K3 Coeficiente que depende de la rugosidad del fondo
V0 Velocidad de acercamiento m/s
D50 Tamaño de particula m
D90 Tamaño de particula m
Vc50 m/s
Vc90 m/s
Vi m/s
VR Relación de velocidades
K4
Verificaciones N° 1:
D50 > 60 mm No => No aplica
VR > 1 Si Entonces K4 = 1.00
K4 cálculado ≥ 0.70 Si
K4 Recomendado a utilizar igual a 1.00
Resultados:
ys Profundidad de socavación bajo el nivel del lecho m
ds Profundidad de socavación local en pilas bajo el nivel del lecho m
Verificaciones N° 2:
Fr = 0.32 , entonces:
yS = 3.69 m , 2.4 d = 4.80 m
ys ≤ 2.4 d Si
Conclusión: Sí es válido el método.
1.00
Velocidad de acercamiento a la cual se inicia erosión en la pila,
en granos de tamaño D500.26
3.69
3.69
Factor de corrección por gradación de los materiales
3.68
1.89
4.89
Velocidad critica para movimiento incipiente dematerial de tamaño D50Velocidad critica para movimiento incipiente dematerial de tamaño D90
2.00
0.32
0.00
1.00
1.00
1.10
1.89
0.00046
0.00066
0.62
0.70
4.2.6.1.5. Método de Nueva Zelanda (Melville y Sutherland)
Ki Factor de corrección por intensidad del flujo
Kh Factor de corrección por profundidad del flujo
KD Factor de corrección por tamaño del sedimento
Kσ Factor de corrección por gradación del sedimento
Kf Factor de corrección por la forma de la pila
Kϕ Factor de corrección por ángulo de ataque del flujo
Resultados:
ds Profundidad de socavación local en pilas bajo el nivel del lecho m
2.40
0.98
1.00
1.00
1.00
1.00
4.70
h Profundidad del flujo m
Vc Velocidad critica m/s
V Velocidad del flujo m/s
D50 Diámetro 50 del material del lecho m
D85 Diámetro 85 del material del lecho m
σg Desviación estándar de los sedimentos = D84/D50
m Exponente que es función del Dmáximo escogido de la Tabla 3.2.1 m
Dmáx Tamaño máximo representativo del sedimento = σgmD50 m
a Ancho de pila mD50a Diámetro 50 del lecho acorazado = Dmáximo/1.8 m
V*c Velocidad cortante crítica correspondiente a D50 m/s
V*ca Vel. cortante crítica de acorazamiento correspondiente a D50a m/s
Vc Velocidad critica correspondiente a V*c m/s
Vca Velocidad crítica de acorazamiento correspondiente a V*ca m/s
Va Velocidad de acorazamiento m/s
0.00034
0.563
0.020
Método de Nueva Zelanda (Melville y Sutherland)
4.89
1.89
0.00046
0.00062
2.00
0.823
0.030
1.22
0.00058
1.26
1.280
0.450
4.2.6.1.6. Resumen de socavación por métodos tradicionales
De los resultados por métodos tradicionales se observa que el tipo
de socavación más predominante es por contracción del cauce, debido a al
cambio de velocidad que se produce en las secciones aguas arriba y en la del
eje del puente, siendo esta última mucho menor a la anterior. En socavación
local el método que arroja un mayor valor es el método de Nueva Zelanda
(Melville y Sutherland), pero se adoptó tomar el valor del método de la FHWA
(HEC-18), ya que este último método es muy recomendado por libros
estadunidenses, además algunas parámetros del método de Nueva Zelanda no
han sido demostrado como se obtuvieron.
La socavación Total es 10.55 m.
1.1.1.2. Calculo de socavación para pilas complejas
Método de Lischtvan - LevediebMétodo de Laursen ModificadoMétodo de la FHWA (HEC-18)
Seleccionamos en socavación local el método de la FHWA (HEC-18), más la socavación generaly obtenemos la socavación total.
Método de Lischtvan - Levedieb Método de la FHWA (HEC-18)
3.69
4.70
Socavación General Socavación LocalSocavación Total (m)
6.86 3.69 10.55
Método de Nueva Zelanda (Melville y Sutherland)
Socavación General (m)
Socavación porContracción (m)
Socavación Local (m)Métodos
3.446.86
Los componentes de socavación para pilas complejas se encuentran
ilustrados en la Figura 3.14.
Nótese que la placa de amarre de pilotes puede encontrarse: por
encima de la superficie del agua, en la superficie del agua o en el lecho. La
ubicación de esta placa es el resultado del diseño estructural o de las
condiciones de degradación a largo plazo y de socavación por contracción. El
grupo de pilotes, tal como se ilustra en este caso, es un grupo organizado en
filas y columnas. En otros casos, es probable que se requieran sistemas de
fundación con configuraciones más complejas. Los métodos que se
recomiendan en este manual pueden dar profundidades de socavaciones
mayores o menores, por lo que se requiere del buen juicio del ingeniero
(Universidad del Cauca, SA).
Figura : Definición de los componentes de socavación para pilas
complejas. HEC-18 (2001).
La socavación total calculada a partir de la superposición de los
componentes está dada por:
ds = ds pila + ds pc + ds pg
ds = profundidad de socavación total m (pies)
ds pila = socavación para la pila en el flujo m (pies)
dS PC = socavación para la placa de cimentación en el flujo m (pies)
ds pg = socavación para los pilotes expuestos al flujo
Cada uno de los componentes de socavación se calcula con la
Ecuación anterior, usando un tamaño equivalente de pila para representar los
componentes geométricos irregulares, las profundidades de flujo ajustadas y
las velocidades, tal como se describen en la lista de variables de la Figura 3.14;
así como los ajustes de altura para la pila y el grupo de pilotes. El ajuste de
altura se incluye en el tamaño equivalente de pila para la placa de cimentación.
1.1.1.3. Parámetros utilizados para el cálculo de la socavación de la
pila compleja
Unidades metricas
D50 (mm) bcol (m) 2.00 bpc (m) 12.00 N° pilotes y 3.00
D84 (mm) lcol (m) 2.00 lpc (m) 12.00 N° pilotes x 3.00
Temperatura del agua (C°) Hcol (m) 0.50 T (m) 2.00 m 3.00
Salinidad (ppt) f1 (m) 5.00 Hpc (m) 2.50 b (m) 1.50Angulo de Ataque (grados) f2 (m) 5.00 Sn (m) 4.50Tirante Yo (m) Sm (m) 4.50Velocidad V (m/s) Wp (m) 4.50Velocidad Critica (m/s)
Gravedad (m/s2)
Unidades Inglesas
D50 (mm) bcol (ft) 6.56 bpc (ft) 39.37 N° pilotes y 3.00
D84 (mm) lcol (ft) 6.56 lpc (ft) 39.37 N° pilotes x 3.00Temperatura del agua (F°) Hcol (ft) 1.64 T (ft) 6.56 m 3.00Salinidad (ppt) f1 (ft) 16.40 Hpc (ft) 8.20 b (ft) 4.92Angulo de Ataque (grados) f2 (ft) 16.40 Sn (ft) 14.76Tirante Yo Sm (ft) 14.76Velocidad V (ft/s) Wp (ft) 14.76Velocidad Critica (ft/s)
Gravedad (ft/s2)
6.21 Nariz circular1.22 Forma
32.2 Grupo de cilindros
68350 Forma
16.04 Forma Nariz cuadrada
Datos del flujo y sedimento Columna Encepado ó placa Grupo de pilotes
0.460
0.580
1.89 Nariz circular0.37 Forma
9.81 Grupo de cilindros
0.580
20
350 Forma
4.89 Forma Nariz cuadrada
Datos del flujo y sedimento Columna Encepado ó placa Grupo de pilotes
0.460
1.1.1.4. Resultados – MÉTODO THE FEDERAL HIGHWAY
ADMINISTRATION (FHWA) - HEC 18
La socavación para pilas complejas se analizó para el tercer caso,
como aparece en la figura N ° 3, considerándose la socavación debido al pilar y
a la placa de amarre de los pilotes, más no la socavación por el grupo de
pilotes. Los resultados son similares a los calculados por los métodos
tradicionales, aunque la metodología por superposición de los componentes de
socavación es la más precisa y la que abarca mayores parámetros en su
cálculo.
Figura N° 3
La socavación total calcula por el método THE FEDERAL HIGHWAY
ADMINISTRATION (FHWA) - HEC 18, es 3.218 m. El detalle de cálculo se
podrá observar paso a paso en el anexo de cálculo de socavación.