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DIAPOSITIVA 1 Un puente es una superestructura que se permite salvar un accidente geográfico o cualquier otro obstáculo físico. El diseño e implantación de cada puente varía dependiendo de su función y de la naturaleza del terreno sobre el que se construye. Aquellos puentes que se encuentren sobre cursos de aguas pueden fallar por varios motivos, por ejemplo debido a la corrosión, a la fatiga, al viento; pero el principal se debe a razones hidráulicas, generalmente erosión local; La misma se produce en pilares o estribos. Por lo tanto la erosión de un cauce en la zona de implantación de un puente se produce por tres componentes, erosión local, erosión general y erosión por contracción, que generalmente son aditivos. Para el cálculo hidráulico de puentes se desarrollo un modelo numérico, llamado HEC-RAS, es reconocido como el modelo unidimensional más avanzado

DIAPOSITIVA 2 Partes de un puente Los puentes constan fundamentalmente de dos partes: 

La superestructura: Conjunto de tramos que salvan los vanos situados entre los soportes. Zona donde circulan los vehículos, e incluye las vigas, pista, veredas, guardavías, etc.

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La infraestructura: - Pilas: Soportan la superestructura, transmitiendo las cargas del tablero y su peso propio al suelo. Las mismas pueden ser superficiales (zapatas) ó profundas (pilotes). - Estribos: Situados en los extremos del puente, que conectan con el terraplén. - Cimientos: Apoyos de estribos y pilas encargados de transmitir al terreno todos los esfuerzos.

DIAPOSITIVA 3 Implantación Emplazamiento Los factores hidráulicos que presenta el lugar de emplazamiento de la obra deben ser considerados desde su planificación y trazado de la vía, de esta manera se obtiene un proyecto que sea barato y seguro. De no considerarse puede ocurrir que la traza realizada sin atender a cuál es el lugar más conveniente lleve a un encarecimiento de la obra para otorgarle seguridad. Consideraciones: 

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Garantizar la estabilidad fluvial, es decir evitar que el rio no modifique su cauce con efectos negativos para el puente. Se debe buscar el lugar más estable, éste puede ser un lugar donde se encuentre material duro y por lo tanto virtualmente inmóvil. Un emplazamiento en un lugar inestable puede llevar a grandes obras de encauzamiento. Hay casos como los ríos entrelazados y los ríos meandriformes de orillas pocos resistentes en las que se necesitan obras complementarias de encauzamiento. En el caso de vías que crucen un delta o una llanura o abanico aluvial, el lugar de emplazamiento es aguas arriba así se evita la zona donde el rio tiene libertad de movimiento. Los cauces estrechos dan mayor economía al puente aunque necesitarán cimentaciones más caras por ser más hondos. Los cauces múltiples presentan dos desventajas, aumento de costos por mayor longitud y zonas de menor estabilidad. Las zonas de cauces rectos son preferibles ante que los curvos debido que en estos últimos se tiende a la erosión lateral y erosión del fondo en el lado exterior de la curva, exceptuando aquellas horillas muy resistentes.

Para determinar las condiciones necesarias para la estabilidad de un puente, se debe conocer el comportamiento hidrológico, hidráulico y morfológico; esto se logra a través cartografía y fotografía aérea. Además de las características antes nombradas se debe conocer futuros proyectos que puedan modificar la naturaleza del cauce.

DIAPOSITIVA 4 Alineación El cruce del rio puede efectuarse de manera perpendicular u oblicua al mismo. Se deberá analizar las características del rio y de la vía para determinar cuál es el más efectivo. 

Perpendicular. - Permita alcanzar mayores luces sin dificultad. - Mayor seguridad viaria al evitar curvas.

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Oblicuas -

Las pilas, cimentaciones, estribos y todo elemento mojado del puente debe estar correctamente alineado con la corriente, es decir no debe tener la alineación del puente sin importar la complicación estructural que esto presente.

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El ancho libre del puente, que se debe considerar en los aspectos hidráulicos, se mide como la proyección del puente sobre el plano perpendicular a la corriente.

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Puede ocasionarse una concentración de obstáculos en el cauce, llegando en algunos casos a obstruirlo, si la alineación entre el rio y la vía es muy paralela.

DIAPOSITIVA 5 Altura libre del vano Se entiende por vano a la distancia que se encuentra entre dos puntos de apoyo contiguos en donde descansa un tablero que los vincula, por lo tanto el vano debe ser tan grande como sea preciso para permitir el paso del agua. La dimensión del vano, en un principio, está determinada por la función hidráulica (de desagüe) que corresponde al mismo.

Se identifica en un vano: 

Anchura libre: Será ocupada completamente por el agua en las condiciones de proyecto, pues de lo contrario la anchura del vano dejará de ser determinada por el estudio hidráulico.

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Altura libre: Se debe considerar un resguardo, llamado bordo libre, desde la cota inferior del tablero al nivel ocupado por el agua; este de realiza debido que en general los puentes no se proyecta como puente sumergible. Dicho resguardo permite el paso de por ejemplo los objetos flotantes.

Para el dimensionamiento de los vanos las variables que se consideran son el caudal, estimándose a través de estudios hidrológicos, luego se toma un periodo de recurrencia, de acuerdo al grado de importancia de la vía, y el nivel del agua, siendo esta ultima la determinante.

DIAPOSITIVA 6 En este cálculo se presentan incertidumbres, como por ejemplo la rugosidad del cauce o la posición de la sección de contorno. La sección de contorno debe estar lo bastante lejos del puente para que el valor de la condición de contorno (un nivel H) no influya en el nivel de agua en el emplazamiento del puente. Otra incertidumbre es que ambas pueden tener grandes cambios, a largo plazo o estacionales, respectivamente. Por los motivos antes descriptos, el nivel de agua es una estimación más que un cálculo exacto y asimismo cobran interés los datos de nivel que puedan existir en registros, señales o por medio de testigos. El máximo nivel conocido puede ser un criterio para proponer una altura libre del vano. También tendría sentido un estudio de periodos de recurrencia de los niveles.

DIAPOSITIVA 7 En el caso de régimen rápido, el comportamiento de la superficie libre y del puente es incierto, la sección de contorno se encontraría aguas arriba. Se recomienda para la altura del puente usar el calado conjugado del régimen rápido “teórico” que se pueda calcular, porque la inestabilidad del régimen rápido puede dar lugar a resaltos en obstáculos y contracciones. En el caso de encontrarse un puente antiguo y que no ha sido rebasado nunca en un lugar cercano al propuesto de implantación del nuevo proyecto, es lógico darle

una altura libre igual, semejante o después de un cálculo hidráulico que relacione los niveles de agua bajo uno y otro puente. También es comprensible no dar más capacidad a un puente que a otros de su entorno.

DIAPOSITIVA 8 Anchura libre del vano El coste de la estructura es función de la luz o luces por lo tanto se busca utilizar la sección más estrecha del río. En primera instancia da la impresión que la anchura ocupada por la avenida de proyecto debería ser respetada por el puente como anchura libre del vano, pero esto no se hace así prácticamente nunca, por razones económicas. En un puente se puede encontrar dos unidades de obra diferentes: la estructura (tablero y apoyos) y terraplén, la obra de tierras de aproximación, a la entrada y salida de la estructura, esta ultima resta anchura a la sección del río. Al restar anchura al vano (moderadamente) no necesariamente se resta capacidad de desagüe al puente. En régimen lento el agua se acelera para pasar por el vano más estrecho, presentándose primero una depresión de la superficie libre, cuando se estrecha la vena, y luego su recuperación, cuando se ensancha la vena, hasta el nivel determinado por las condiciones de contorno aguas abajo. El efecto global es una sobreelevación del nivel antes del puente ΔH (llamada también remanso producido por el puente) que afecta a una cierta longitud aguas arriba. En muchos casos la aparición de la sobreelevación trae como consecuencia un incremento de las inundaciones aguas arriba . El caudal de agua pasa por igual bajo el puente, pero con un nivel mayor aguas arriba y en segundo lugar con una velocidad media mayor a través del vano.

DIAPOSITIVA 9 Como se dijo se produce un aumento de la velocidad al pasar por el vano más estrecho, este aumento de velocidad produce una erosión del lecho en el área del puente. Este fenómeno trae aparejado un aumento en los costos del puente debido a la realización de cimentaciones mas profundad o de las medidas de protección frente a la erosión. Hay otro efecto, generalmente menos importante, que es la posible sedimentación de material sólido aguas arriba del puente, debido a la reducción en la velocidad del agua por la sobreelevación. En conclusión la obra de un puente será más barata si se realiza un terraplén de mayor longitud y menor la longitud de estructura, pero serán más caros sus efectos: coste del remanso creado por el puente y coste de las obras para

cimentarlo y defenderlo. En cambio, cuanto más larga es la estructura y más corto el terraplén la obra del puente es más cara pero sus efectos menos costosos. Igual que en el caso de los diques de avenida.

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Vano en el caso de llanura de inundación. En el caso de encontrar ríos con cauce principal y llanuras de inundación bien diferenciadas, se presenta una nueva problemática. Si se proyecta un puente que salve toda o parte de la anchura sería extremadamente antieconómico, aunque la ocupación de parte de parte de la llanura con el terraplén es así inevitable. Puede ocurrir 

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El cauce principal representara casi toda la capacidad de desagüe del río, siendo la llanura de inundación un almacenamiento temporal de agua y la discusión sobre la anchura puede aplicarse a la luz o vano sobre el cauce principal. Conviene dejar pontones en el terraplén para facilitar el vaciado y el llenado de la llanura, y evitar que la vía retenga el agua una vez pasada la inundación. Las llanuras de inundación contribuyen sensiblemente a la capacidad, transportando una fracción del caudal en avenida por las razones contrarias.

DIAPOSITIVA 10 Una solución técnica y económica consiste en un vano secundario en la llanura con una segunda estructura. El objetivo del vano de alivio es colaborar al desagüe, en particular a dar paso al caudal circulante en avenida por la llanura. Con ello contribuye a reducir la sobreelevación aguas arriba y la erosión del cauce principal. El emplazamiento de los vanos de alivio no se puede hacer arbitrariamente. En las llanuras de los ríos importantes, donde puede haber cauces activos, los vanos de alivio se deben colocar atendiendo a estos cauces, para mejorar el desagüe de la llanura y no causar mayor impacto ambiental.

DIAPOSITIVA 13 Erosión Definición Se denomina erosión, socavación o degradación a la remoción que efectúa el agua de las partículas sólidas constituyentes de un lecho fluvial y cuyo resultado es una profundización del cauce. Este fenómeno es el motivo de falla hidráulico que se da más frecuentemente en el lugar de implantación del puente. En general este fenómeno se hace visible una vez que el daño es prácticamente irreversible, debido que es “invisible” ya que ocurre todo bajo agua. La erosión es la combinación de procesos a largo plazo y transitorios. La mayoría de los casos de fallas ocurren en un evento transitorio; en el caso de falla por procesos a largo plazo se presenta inesperadamente.

Tipos de erosión 

Erosión local (socavación): Está circunscripta a un lugar determinado, y a veces también está limitada a una cierta duración, y se debe a una perturbación del flujo.

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Erosión generalizada (degradación): debido a los cambios a largo plazo en la elevación del lecho del río, la cual podría ocurrir este ó no el puente.

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Erosión por contracción: es el resultado de la restricción de la vía fluvial ó canal ya sea natural ó debido a un puente y a sus aproximaciones.

DIAPOSITIVA 14 La erosión varía con la profundidad de la roca. Los materiales cohesivos son erosionados más lentamente, aunque algunos materiales cohesivos como rocas lajosas pueden ser muy erosionables. Otro factor que debe ser tomado en cuenta es la distribución granulométrica porque indica la posibilidad de acorazamiento (proceso de erosión selectiva).

DIAPOSITIVA 15 Erosión local Erosión local en pila La colocación de pilares y estribos de puentes en una corriente son elementos extraños. El flujo alrededor de obstáculos produce, para cada caudal, una socavación. Se debe considerar que a la erosión local se adiciona a la degradación del lecho. Físicamente el fenómeno consiste que alrededor de la pila se dan velocidades localmente mayores que las medias de la corriente, el principal responsable de la socavación en un sistema de vórtices (flujo turbulento en rotación espiral con trayectorias de corriente cerradas), frontales, laterales y de estela detrás de la pila. Los granos del lecho son “aspirados” por los vórtices y el fondo parece hervir por el movimiento de los granos. El foso que se forma rodea a la pila, con la mayor profundidad y extensión situada en la cara frontal. En este fenómeno, hay una dependencia mutua entre el flujo y el foso de socavación, de manera que a largo plazo, si las condiciones hidráulicas son permanentes se alcanza un equilibrio en la forma y el tamaño de los fosos. La patología típica de un fallo por erosión local es que la pila se hunde y bascula o vuelca hacia aguas arriba.

DIAPOSITIVA 16 Se pueden diferenciar dos tipos de flujo a la hora de estudiar la erosión general y la socavación. Uno de ellos es sin aporte sólido donde la corriente no es capaz de poner en movimiento el material del lecho del río, pero los vórtices sí son capaces de socavar la pila (se llama erosión de agua clara o aguas claras). La erosión local empieza con una velocidad que es aproximadamente la mitad de la velocidad de umbral para el lecho en general. No existe erosión en el foso una vez alcanzado el equilibrio El otro con aporte sólido, donde los mismos provienen aguas arriba puede llegarse en la zona socavada a un equilibrio entre el aporte sólido de la corriente y la cantidad de material erosionado.

DIAPOSITIVA 17 Erosión general. Cuando se diseñan obras como puentes, se desea atravesar un río con un acueducto ó cualquier tubería colocada bajo el fondo es de suma importancia conocer el descenso del nivel del fondo de un río, producido por la erosión general, La misma depende de la estratigrafía del subsuelo y de la magnitud del caudal de diseño para el cual se desee obtener el probable descenso del nivel del fondo. Si el caudal de diseño está asociado a un período de retorno bajo, por ejemplo diez a veinticinco años, es frecuente encontrar sólo un material, pero cuando el período de retorno es muy alto, cien años ó más, con frecuencia se descubren y erosionan estratos con material distinto al que forma el fondo inicial del cauce.

DIAPOSITIVA 18 Dependiendo de la distribución de los materiales que hay en el subsuelo, se pueden distinguir dos condiciones.  

Homogénea: existe cuando la erosión se produce en un mismo y único material. Heterogénea ocurre cuando el proceso erosivo descubre dos o más capas con material distinto.

La profundidad de la erosión a localizar depende del tipo de suelo del cual está formado el fondo erosivo del río. La heterogeneidad del suelo manifiesta una influencia sustancial sobre la profundidad de erosión.

DIAPOSITIVA 19 Erosión por contracción La erosión por contracción ocurre cuando el área transversal del flujo de una corriente es reducida por una contracción natural ó por una contracción artificial de un puente. En el cruce de un puente muchos factores los factores que contribuyen a la erosión por contracción son:

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El canal principal se contrae naturalmente según se aproxima a la apertura del puente. Los terraplenes de la pista cerca al puente causan que todo ó parte del flujo de las llanuras de inundación sea forzado hacia el cauce principal. Los estribos del puente están proyectados (metidos) dentro del cauce principal Los pilares del puente están bloqueando una porción significativa del área transversal del flujo. Caída en el nivel de agua aguas abajo la cual incrementa velocidades dentro del puente.

Como se ha mencionado anteriormente existen dos formas de erosión por contracción que pueden ocurrir dependiendo de cuánto material del fondo está siendo ya transportado aguas arriba del puente. 

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Erosión por contracción en lecho vivo: El material del fondo se está transportando desde la sección aguas arriba (antes del tramo de contracción) hacia la sección contraída del puente. Erosión por contracción de aguas claras ocurre: Transporte de sedimento del material del fondo en la sección no contraída a aproximarse es insignificante ó menor a la capacidad de transporte.

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Condiciones de la Erosión por Contracción Cuatro condiciones de erosión por contracción son comúnmente encontradas: Caso 1: Se produce cuando los accesos del puente fuerzan al flujo de las llanuras de inundación a regresar al cauce principal: a. El ancho del cauce del río se estrecha ya sea que los terraplenes se proyectan en el cauce ó el puente se ha localizado en un tramo angosto del río. b. No hay contracción del cauce principal, pero el área de flujo de las llanuras de inundación está completamente bloqueada por los terraplenes. c. Los estribos están retirados del cauce principal. Caso 2: El flujo está restringido al cauce principal (por ejemplo: no hay flujo en las llanuras de inundación). El ancho normal del cauce del río se estrecha debido al mismo puente ó a su emplazamiento situado en un tramo angosto del río.

Caso 3: Un puente de alivio en el área de la llanura de inundación con poco o nada de transporte del material del lecho en el área de la llanura de inundación. (Por ejemplo: erosión de aguas claras) Caso 4: Un puente de alivio sobre un brazo secundario en el área de la llanura de inundación con transporte del material del lecho. (Similar al caso 1)

DIAPOSITIVA 21 Modelación de la Erosión Para analizar la erosión de un puente, primero se deberá desarrollar un modelo hidráulico del río conteniendo el puente a ser analizado. Este modelo deberá incluir las principales secciones transversales aguas abajo del puente, tal que las condiciones aguas abajo del puente no afecte los resultados hidráulicos dentro y justo aguas arriba del puente. Además las principales secciones transversales aguas arriba del puente, en orden para evaluar los efectos del puente en el perfil en la superficie de agua situado aguas arriba. En principio la modelación hidráulica del puente debe basarse en los procedimientos antes expuestos, pero si se observa datos disponibles, el modelo debe estar calibrado en la medida más completa posible. Luego se ingresa al modelador los caudales de diseño a ser usados en un análisis de erosión. En general, en Estados Unidos se recomienda que el caudal de diseño en un análisis de erosión sea usualmente el caudal con un período de retorno de 100 años (1 % de posibilidad). Además de este caudal, se recomienda un caudal con período de retorno de 500 años (0.2 % de posibilidad) que también es usado para la evaluación de la cimentación del puente bajo la condición de avenida extrema. Después de la ejecución de los cálculos del perfil de superficie de agua para los caudales de diseño, la erosión del puente puede entonces ser evaluada. La erosión total en un puente está compuesto de tres componentes: sedimentación y erosión a largo plazo (erosión general); erosión por contracción; y erosión local en pilares y estribos. Los cálculos de erosión en el software HEC-RAS permiten al usuario calcular la erosión por contracción y la erosión local en pilares y estribos. La versión actual del software HEC-RAS no permite al usuario evaluar la sedimentación y erosión a largo plazo. La sedimentación y erosión a largo plazo debe ser evaluada antes de la ejecución del análisis de la erosión local del puente. Profundidades de Erosión Total dentro del puente

La profundidad total de erosión es una combinación de la erosión general, la erosión por contracción y la erosión local en cada pilar y estribo individual. Una vez la erosión es calculada, el software de HEC-RAS traza automáticamente la erosión aguas arriba de la sección del puente en un gráfico. El programa dibuja ambas erosiones: la erosión por contracción y la erosión local total. La erosión por contracción es dibujada como una línea separada, debajo de las condiciones existentes de la sección transversal.