Anteproyecto Trabajo De Grado Daniel Serna

SOCAVACIÓN EN LAS PILAS DE PUENTES Y DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PROTECCIÓN

DESARROLLADO POR:

HARRISON MOSQUERA RENTERIA CARLOS MARIO MOSQUERA MENA

INTRODUCCIÓN

El diseñador que subestime el agua bajo el puente, encontrara el puente bajo el agua. Con esta cita anónima se quiere mostrar la importancia que tiene el proyecto de un puente cuando cruza un rio en una zona donde el mando de apoyo de las pilas y/o estribos esta muy profunda, o no es posible alcanzarlo. El problema que se presenta en estas estructuras es el de la socavación generada en el fondo del cauce que al afectar las bases de estas estructuras puede provocar daños parciales o el colapso total de la misma. Las características de socavación local son diferentes para cada tipo de estructura que afecte las líneas de corrientes del lecho y esto hace que el estudio del fenómeno sea complejo. Por esto, se requieren investigaciones detalladas con el fin de estudiar el comportamiento de los diferentes factores que determinan el fenómeno, para llegar a establecer mecanismos de control y prevención del proceso de socavación local. Hasta el momento no se dispone una teoría unificada que permita estimar en forma confiable la profundidad de socavación generada por pilas y estribos, esto se debe a que el fenómeno se relaciona con dos problemas hidráulicos muy complejos. La mecánica de transporte de sedimentos y el flujo tridimensional. Sin embargo, se han realizado numerosas investigaciones con el propósito de estudiar el fenómeno en forma experimental, tendientes a establecer ecuaciones de cálculo de la profundidad de socavación. Se ha encontrado que los parámetros que más influyen en la socavación son: La

altura de la lámina de agua, la geometría de la pila y en algunos casos las características del material del lecho.

OBJETIVO GENERAL 

Realizar los estudios bibliográficos para el desarrollo del tema y mediante un modelo de laboratorio realizar los ensayos para medir el grado de socavación en pilas biseladas con el fin de implementar un elemento protector que disminuya o minimice este fenómeno en los cimientos de estas estructuras, evitando así fallas parciales o el riesgo de colapso.

OBJETIVOS ESPECIFICOS 

Realizar una investigación bibliográfica que permita obtener los elementos teóricos y experimentales para el adecuado desarrollo de la investigación.

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Adecuar el canal de prueba para realizar los ensayos pertinentes en el estudio del fenómeno de socavación.

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Identificar las variables más importantes que inciden en el proceso de socavación con el objetivo de cuantificar su comportamiento. Esto permitirá determinar experimentalmente las ecuaciones matemáticas empíricas que describan el fenómeno físico.

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Comparar los resultados experimentales arrojados por las ecuaciones con los resultados obtenidos de los laboratorios.

METODOLOGÍA:

ENSAYOS DE LABORATORIO O FASE EXPERIMENTAL

Las pruebas se realizaron en un canal artificial provisto de su propio sistema de drenaje, usado para ensayos de laboratorios y ubicado en el laboratorio de hidráulica del departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes.

Este canal se ha utilizado principalmente para investigar el fenómeno de socavación local en pilas de puentes y en espolones.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL El procedimiento seguido para la realización de las pruebas de laboratorio corresponde al de los trabajos de sedimentología realizados en la tesis de maestría en la Universidad de los Andes. Esta metodología se estandarizo con el objeto de hacer comparaciones entre los resultados obtenidos en las diferentes investigaciones del tema en cuestión. Este procedimiento igualmente ha sido usado en los diferentes estudios relacionados con socavación local en pilas de puentes, desarrollados en los últimos años.

Básicamente el método seguido para la medición de la socavación máxima, es el de observación directa de la forma con se comporta el lecho cuando está sometido a diferentes condiciones hidráulicas.

DESCRIPCIÓN: La presente investigación presenta alternativas para reducir la socavación mediante el uso de dispositivos de diferentes formas geométricas en un modelo de pila biselada. Dicho modelo servirá como base para el desarrollo de prototipos a gran escala, que se adopten a diferentes parámetros, ya que ellos dependen que se presente en mayor o menor grado la socavación.

ANÁLISIS DE RESULTADOS: El fenómeno de socavación local en pilas de puentes es creciente con el tiempo, al inicio de su ocurrencia, y al transcurrir el mismo, el aumento de la profundidad de socavación disminuye hasta llegar al punto en que el cuenco de socavación alcanza el equilibrio, es decir, las partículas socavadas del cuenco son reemplazadas por otras partes que provienen del desplazamiento del sedimento aguas arriba del mismo. En este instante se alcanza la profundidad de equilibrio. Después de analizar los datos obtenidos en los diferentes tipos de ensayos, se puede apreciar que los mejores resultados se obtuvieron con los dos dispositivos que se lo adicionaron al elemento tipo l. El elemento tipo l redujo la socavación en la parte frontal de la pila en 100%, pero los cuencos de socavación de poca profundidad se desplazaron

inmediatamente después del elemento protector a ambos lados de la pila y en la cara posterior de la misma. La comparación realizada entre los resultados de la prueba en que no se utilizó protección con los resultados de las pruebas con uso de protección, demuestra claramente que los elementos protectores deben ser ubicados a nivel del lecho, para contrarrestar de manera eficiente la acción de los vórtices de herraduras en la cara frontal de la pila. Para los ensayos tipo 4 que fueron los que presentaron mayor reducción en la profundidad de socavación, la forma final del lecho presentaba en algunas pruebas (en un 50% de estas) una profundidad mayor en las partes laterales de la pila que en la cara posterior de la misma. Por lo que podemos concluir que la geometría del dispositivo tipo lll funciona para reducir la socavación al pie de la pila, pero no tiene la eficiencia para desplazar aguas abajo las corrientes secundarias que se producen al chocar el flujo con el dispositivo. Las formas de los cuencos de máxima socavación generados en las series en las que se probaron elementos protectores y la distancia de dichos cuencos hasta el pie de la pila, confirman que estos elementos son una solución al problema de socavación justo al pie de las estructuras mencionadas, ya que el sitio de máxima socavación se desplaza hacia aguas abajo, pudiéndose lograr un área de influencia que afecte en menor grado a las pilas y sus cimientos. Las mejores opciones para reducir la profundidad de socavación en pilas biseladas, se encuentran en la implementación de un elemento como el utilizado en el ensayo tipo 3 en los cuales se redujo el fenómeno en un rango de 48.82% a 89.77%, desplazando los cuencos de socavación a una distancia mayor aguas abajo en comparación con las otras series realizadas. En algunos ensayos de la serie tipo 3 se presentaron pequeños cuencos, los cuales se localizaron en la parte exterior del elemento protector a ambos lados de la pila, esto se originó debido a una imprecisión en la fabricación del elemento tipo ll, ya que al ubicarlo alcanzo a salirle una pequeña aleta la cual generaba un poco de turbulencia.

CONCLUSIONES

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Las ecuaciones encontradas confirman los resultados hallados en las investigaciones realizadas anteriormente, relacionadas con la mayor influencia del número de Froude (que presenta las fuerzas gravitacionales) en el fenómeno de socavación local, con respecto al número de Reynolds (que presenta las fuerzas viscosas).

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La utilización de las ecuaciones obtenidas en la presente investigación, tiene un grado de confiabilidad de acuerdo al coeficiente de correlación (R²), presentado en cada una de ellas, aunque en realidad este coeficiente tiene una relación directa con la cantidad de datos escogidos para cada tipo de ensayos, los cuales se pueden considerar insuficientes para obtener ecuaciones generalizadas y desarrollar formulaciones teóricas para describir el fenómeno de socavación.

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Con las regresiones multivariadas de los diferentes parámetros adimensionales quedo demostrado que los ensayos realizados con los dispositivos tipo (l + II) fue la más funcional puesto que presentó una correlación menos robusta.

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Al comprobar los resultados de investigaciones pasadas con los obtenidos en el presente trabajo, se observa que los actuales resultados son favorables, puesto que se logró desplazar la socavación un poco aguas abajo, hecho que no se había logrado en investigaciones anteriores.

RECOMENDACIONES

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Para futuras investigaciones se recomienda seguir de manera precisa el procedimiento experimental descrito, con el fin de obtener resultados con el menor grado de error posible y que puedan confrontar con los obtenidos en este trabajo, ya que este tipo de pruebas de laboratorio se ven afectadas por diferentes fuentes de error, tales como:

o o o o

Errores apreciables en la nivelación del canal Apertura rápida de la válvula reguladora de caudal. Lecturas erradas en los niveles en las agujas Falta de precisión al calibrar los caudales

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Para evitar la diferencia entre las características de las corrientes que atraviesan a lado y lado de la pila, es necesario que la hilera de ladrillos utilizados como disipador de energía, ubicada en la zona de entrada, se disponga lo más uniforme posible, así estas corrientes generan un área de socavación semejantes a ambos lados de la pila.

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Ensayar un grupo de pilas (conjunto pila – flujo formando diferentes ángulos) y bajo condiciones de transporte de sedimentos, para comprobar el comportamiento del elemento protector utilizado en la serie tipo 3 bajo estas condiciones.

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Para que los resultados obtenidos en la presente tesis puedan ser comparados con futuras investigaciones relacionadas con el tema es necesario que se conserven las condiciones experimentales, específicamente del canal de pruebas, no solo en lo referente a su geometría, dimensiones, material del lecho sino en lo referente a su sistema de drenaje, de disipación de energía, y al buen funcionamiento de la trampa de sedimentos que se encuentran en él.

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Se recomienda para futuras investigaciones en este tema, realizar estudios acerca de costos, materiales y procesos constructivos que implica el uso de estos elementos protectores en estructuras (pilas) a una escala real.

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Recomendamos a los ingenieros de nuestra región que para futuros proyectos sobre diseño y construcción de puentes con pilas sometidas a la acción del poder erosivo o de socavación de la corriente de un rio, la más adecuada para suplir los problemas de socavación es la pila biselada, ya que numerosos estudios han demostrado que esta forma geométrica reduce en mayor porcentaje la formación de los vórtices y las corrientes secundarias causantes de la socavación.

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Si se construyen pilas biseladas para un puente, recomendamos que se utilice para su protección contra la socavación alguno de los elementos protectores de los tipos probados en esta investigación, principalmente el utilizado en los ensayos tipo lll, ya que fue el dispositivo protector que mejor se comportó frente al fenómeno, teniendo muy en cuenta obviamente la recomendación hecha anteriormente sobre costos y materiales más favorables.