Diseño de Pilotes Esbeltos

Integrantes:- Dante Bertoli- Juan Carvacho- Josue Larenas- Rodolfo Rojas

¿Qué es un Pilote?• Es un elemento constructivo utilizado para cimentación de obras,

permitiendo trasladar las cargas hasta un estrato resistente del suelo.

Construcción Puerto de Tampa, Florida, United States

Usos:• Muelles y Puertos

Muelle en Tocopilla

Usos:• Plataformas Petroleras

• Estructuras en General

Ventajas• Traspasa de forma eficientes las cargas al fondo marino

• Transparente al paso del oleaje

• Sus método de construcción son muy variados.

• Presenta un comportamiento elástico frente a los sismos

•Es de menor costo de que otras soluciones!!!

Otras Soluciones:• Grandes movimientos de tierra desde la costa hacia las aguas profundas.

• Cofferdam: Es una estructura temporal que se utiliza para extraer el agua de una zona que está normalmente sumergida.

Métodos Constructivos:

• Anclados en roca.

• Hincados Avance desde la costa a la superficie.

Hincados Desde el océano.

Desventajas

Madera Acero Hormigón

• Se ven gran afectado por las condiciones de oleaje y ambiente.

• Presenta uniones frágiles entre los elementos

• Se encuentra al descubierto para oleaje mayores al de diseño.

• Se ve afectado por socavación y vórtices.

Desventajas

• Fuerzas hidrodinámicas• Carga de la estructura superior• Problemas por corrosión• Impacto de embarcaciones• Socavación y vórtices.• Sismos• Corrientes• Vientos

Los Pilotes están sometidos a:

Fuerzas hidrodinámicas

• Estas fuerzas están asociadas al movimiento de las partículas del agua:

• Velocidad-Aceleración

Fuerza de inercia.Fuerza de arrastre.Fuerza de lift.Slamming.

Tipos de fuerzas dinámicas:

Cm y CdAmbos son coeficientes empíricos asociados al cálculo de la fuerzas dinámicasCm esta relacionado con el calculo de la fuerza de inercia y Cd esta asociado al

cálculo de la fuerza de arrastre.Estos coeficientes se obtienen gracias a registros de la velocidad horizontal y

aceleración de las partículas, dependen también del tamaño y forma del elemento, de la rugosidad de éste, del número de Reynolds y del número de Keulegan-Carpenter.

Keulegan-Carpenter (Kc)• Es una relación entre la fricción máxima y la inercia máxima:

Kc < 5 → inercia dominanteKc >15 → arrastre domina

Keulegan-Carpenter (Kc)

Número de Reynolds (Re)

Coeficiente de Rugosidad• A medida que pasa el tiempo se van adhiriendo algas, mariscos, etc. a la

estructura

Ecuación de Morison• Propone que la fuerza total sobre un elemento diferencial viene dado

gracias a la contribución de la fuerza de inercia y de la fuerza de arrastre.

Fuerza de inercia• Es obtenido del análisis de una fuerza sobre un cuerpo en un flujo

acelerado de un fluido ideal no viscoso.

Fuerza de arrastre• Es la fuerza ejercida sobre el pilote, si este estuviera en contacto con un

flujo continuo de fluido viscoso real

Fuerza y momento total

Parámetros adimensionales

TLO

Reemplazando

Esquema de Fuerzas

Fuerzas totales

Aplicación de la teoría no lineal

• Las condiciones de diseño en aguas costeras consisten en ondas no lineales, caracterizadas por crestas empinadas y valles poco profundos.

• Los gráficos que se usarán se crearon usando la Teoría de función de corriente (Dean 1974)

Aplicación de la teoría no linealEjemplo

Una ola de diseño con altura H=3.0 [m] y periodo T=10 [s] actúa sobre un pilar vertical de diámetro D=0.3 [m] en una profundidad de d=4.5 [m]. Asuma que CM=2.0, CD=0.7, y la densidad del agua

de mar es de p=1025.2 [kg/m3].

Hallar la fuerza horizontal máxima Fm y el momento

máximo total Mm alrededor de la mud line (nivel de

lodo) del pilar.

Objetivo

1. Calcular las fuerzas horizontales máximas debido a la inercia y a arrastre (por separado)

2. Calcular la fuerza horizontal máxima total.

3. Calcular los momentos máximos debido a la inercia y a arrastre (por separado)

4. Calcular el momento máximo total.

Pasos a seguir

Fuerzas horizontales máximas…

Fuerzas horizontales máximas…

Fuerzas horizontales máximas…

Fuerzas horizontales máximas…

Fuerza horizontal máxima total…

Fuerza horizontal máxima total…

Momentos máximos…

Momentos máximos…

Momentos máximos…

Momento total máximo…

Momento total máximo…

Momento total máximo…

Sin embargo…

• Es probable que el material del fondo (lodo) carezca de resistencia significativa.• Puede haber socavación del lecho

marino.• En ambos casos la fuerza horizontal no

se ve afectada• ¿Qué ocurre con el momento?

Estimación del momento máximo

• Se asume que el material del fondo carece de resistencia en sus primeros 0.6 m.

• Se asume un valor de socavación de 0.6 m.

Estimación del momento máximo

• Calculo del brazo de palanca del momento máximo…

• Luego, el momento máximo se calcula como:

Vórtices Flujo turbulento en rotación espiral con trayectorias de corriente

cerradas por la presencia del pilote.

Dependen del N° de Reynolds y su aparición ocurre de forma gradual.

• Sin separación de flujo 0 < Re < 4~5

• Separación uniforme (vórtices pequeños) 4~5 < Re < 30~48

• Estela laminar periódica 30~48 < Re<180~200

• Estela turbulenta 350~400 < Re < 1~2E

Vórtices

Frecuencia de oscilación (estela laminar periódica):

Vórtices

Producto de esta oscilación se ve afectada la fuerza de arrastre y además aparecen las fuerzas transversales o de lift.

• Fuerza de arrastre aumenta su frecuencia prácticamente al doble.• Fuerzas de lift se calculan de la siguiente forma:

𝐶𝐿 :𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙𝑖𝑓𝑡 ,𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒𝑑𝑒𝑅𝑒𝑦𝑛𝑜𝑙𝑑𝑠 .

Vórtices

Socavación Excavación ocasionada por la fuerza erosiva del movimiento del agua.

Eliminación por fuerzas hidrodinámicas del material de la cama granular en la vecindad de estructuras costeras.

Estructura Costera Socavación

El Impacto sobre estructuras costeras que trae consigo la socavación se ve representado de varias formas, por ejemplo:

•Disminución de la funcionalidad del proyecto.•Costos en los que se debe incurrir para reemplazar o reparar la

estructura.•Posible colapso o inundación de estructura superior.

Socavación

Procesos físicos de socavación:

• Tensiones hidrodinámicas de corte altas.• Fin de equilibrio entre sedimento que entra y sale.

Por lo tanto, la tarea es intentar evitar tensiones sobre el fondo marino demasiado altas y restablecer el equilibrio de sedimentos.

Socavación

En general la socavación es inducida por las olas, corrientes, o una combinación de ambas; a su vez estas son fuertemente influenciadas por la presencia de la estructura costera, y por sus características, forma y propiedades.

En el caso general se quiere evitar:

• Orientaciones particulares que focalicen la energía del oleaje y que incrementen su velocidad.

• Orientaciones que dirijan las corrientes hacia la estructura.

• Fuerzas que generen altos niveles de turbulencia.

• Separación del flujo, y creación de flujos secundarios como vórtices.

Socavación

Socavación de pilotes esbeltos:

En general se supone:

• Sedimentos no cohesivos.• Secciones circulares.

Causas de socavación de pilotes esbeltos:

• Vórtices en forma de herradura.• Desprendimiento de vórtices a sotavento del pilote.• Aceleraciones de flujos locales.

Oleaje y corriente prácticamente no sienten al pilote.

Socavación

Estimación de profundidad de socavación:

• Primera aproximación:

• Para mayor precisión se recurre a fórmulas desarrolladas para casos en que se consideran:

Solo Corrientes. Solo Olas. Combinación de ambas.

Socavación

Socavación de pilotes esbeltos por corrientes:

Suposición:• Aguas más claras.• Corrientes unidireccionales.

Colorado Estate University (CSU).

Socavación

Socavación

Socavación de pilotes esbeltos por olas:

Sumer, Christiansen y Fredsor (1992ª):

• Usaron una larga escala de olas producidas en canales.• Dos tamaños diferentes de los granos de sedimentos.• Seis diferentes diámetros circulares de pilotes desde 10[cm] a 200[cm].

Socavación

Sumer, Christiansen y Fredsor, continuaron estudiando este tema y ampliaron su ecuación para 2 casos específicos de pilotes cuadrados:

• Pilote cuadrado en 90° con el flujo:

• Pilote cuadrado en 45° con el flujo:

Socavación

Socavación de pilotes esbeltos por olas y corrientes:

• Se han hecho diversos estudios, pero aún no hay un consenso general de cual de los dos efectos aumenta o disminuye la socavación. Kawata y Tsuchiya postularon que al agregarle olas disminuía un poco la socavación vertical. Eddie y Herbich notaron que la corriente aumentaba la socavación, mientras Bijker y Bruyn postularon lo contrario.

• Fenómeno aún en fase plena de estudio.

Socavación