MÓDULO 4. PROYECTO Y EVALUACIÓN DE MEDIDAS ESTRUCTURALES Y NO ESTRUCTURALES

5. CRITERIOS DE DISEÑO DE INFRAESTRUCTURA VIAL Y FERROVIARIA

Las obras viales, por su extensión encuentran en su desarrollo longitudinal diversos cauces para los cuales son necesarias obras de arte que permitan la vinculación de ambas márgenes. Entre estas podemos nombrar a las alcantarillas, badenes, puentes y viaductos. La experiencia ha demostrado que los colapsos acaecidos en ese tipo de estructuras responden con mayor frecuencia a fallas relacionadas con problemas hidráulicos y sedimentológicos que a cuestiones relacionadas con el cálculo estructural o defectos constructivos. La información básica necesaria para un adecuado diseño de estas estructuras son los siguientes:

• Hidrología de la cuenca de aporte asociada al sitio de emplazamiento. • Relevamientos topobatimétricos del cauce y planicie de inundación, los que

se deben realizar en una longitud tal que contemplen la influencia de la estructura a lo largo del cauce, aguas arriba y/o aguas abajo según corresponda.

• Características geotécnicas del material del lecho y márgenes. Con esta información se estará en condiciones de realizar los cálculos necesarios para el correcto diseño fluvial de la obra.

• Definición de la recurrencia de los caudales de diseño acorde a las características de la red vial.

• La modelación hidráulica del tramo permitirá definir los tirantes de escurrimiento y las sobreelevaciones esperadas para los caudales de diseño, a partir de la interposición de la estructura en el cauce.

• Determinación de la altura libre de los vanos a partir de la evaluación de los probables elementos flotantes transportados por la corriente y de la condición de navegabilidad del curso de agua.

• El análisis de la implantación de la estructura respecto del eje del cauce, procurando siempre que la misma sea perpendicular, minimizando el impacto del obstáculo.

• La elección de la correcta ubicación de la estructura está relacionada con el lugar de emplazamiento respecto de la estabilidad fluvial del cauce. Un emplazamiento en un lugar inestable puede obligar a realizar obras de encauzamiento

• Evaluación de la erosión general y local esperada a partir de la contracción que generan los estribos y las pilas.

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Complementariamente con el diseño hidráulico y estructural de la obra de cruce, el diseño fluvial constituye una herramienta indispensable para garantizar la estabilidad de la estructura proyectada. 1. DETERMINACIÓN DE LA COTA DE FUNDACIÓN DE PUENTES 1.1 SOCAVACIÓN GENERAL Y TRANSVERSAL DE CAUCES Generalmente la socavación general y la transversal se estudian en forma conjunta ya que se suelen producir en forma simultánea. Tipos de socavaciones: • Socavación general del cauce por el paso de una crecida. El aumento de caudal

incrementa la capacidad de transporte sólido. • Socavación bajo la sección de un puente, por aumento localizado de la

velocidad, como efecto del estrechamiento. • Socavación en el lado externo de una curva por efecto de las corrientes

secundarias. • Socavación junto a las pilas de puente por el fenómeno de separación y

consecuente aparición de vórtices. • Socavación aguas abajo de presas; estructuras similares que detienen el paso

de los sedimentos. 1.2 – MÉTODO DE LISCHVAN-LEVEDIEV Este método fue introducido por el Ing. Maza en 1967 y corregido por Rico en 1969, de la literatura soviética. En el desarrollo del método se tienen en cuenta los siguientes aspectos: • Forma del cauce: se hace referencia a si se trata de un cauce bien definido o no.

En un cauce bien definido el caudal de estiaje circula por un canal de límites bien demarcados. En el caso de un cauce indefinido existen por el contrario, varios pequeños canales que se entrecruzan.

• Textura del material de fondo: se realiza una diferenciación entre el material cohesivo, limo y arcilla, y el material no cohesivo, grava y arena.

Datos básicos necesarios para la aplicación de este método: • Perfil transversal de la sección. • Caudal de diseño y el tirante de agua correspondiente. • Análisis granulométrico. • Distribución de los materiales del lecho. El problema consiste en evaluar la erosión máxima esperable en la generalidad de una sección, al pasar un gasto de diseño o de interés singular Qd, al cual se le atribuye una cierta recurrencia. El método se basa en el equilibrio existente entre la velocidad media real del agua Ur, y la velocidad necesaria para el inicio del arrastre del material de fondo Ue, en el instante en que se detiene el proceso de socavación. Al aumentar la velocidad de la corriente por incremento del caudal, aumenta también su capacidad de transporte de sedimentos, iniciándose el proceso erosivo. Debido a éste, la sección transversal aumenta disminuyendo la velocidad, y con ello la capacidad de transporte hasta que la erosión se detiene.

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La hipótesis principal de trabajo establece que el gasto por unidad de ancho permanece constante durante todo el proceso erosivo. En la ecuación de Manning, el caudal ΔQ, que circula por una franja de área ΔA y ancho ΔB se expresa por:

ΔQ = Ur ΔA = 1/n J1/2 Yn5/3 ΔB (1) Yn= profundidad normal. n = coeficiente de rugosidad. J = pendiente. Puesto que (1/n) J1/2 es constante para cualquier franja, se puede escribir:

α´ = 1/n J 1/2 (2),

con lo que la ecuación (1) queda:

ΔQ = α´ Yn5/3 Δ B (3) Luego de haberse producido la socavación, la profundidad de la franja es hs, que es igual al tirante normal Yn, más la profundidad producida por efecto de la socavación general y transversal. En ese momento el caudal ΔQ, puede expresarse como:

ΔQ = Ur. hs. ΔB (4) Igualando las ecuaciones (3) y (4), se tiene:

Ur = α´ Yn5/3 / hs (5) En la ecuación (5), se puede observar como a medida que avanza el proceso erosivo disminuye el valor de Ur. En el momento que Ur, sea igual a la velocidad necesaria para iniciar el movimiento de las partículas del fondo se alcanza el equilibrio y la erosión se detiene. Conocida la profundidad normal Yn, siendo hs, el valor que se trata de determinar, sólo queda por establecer el valor de α´. Para ello se considera el caudal total que pasará por la sección:

Qd = 1/n J1/2 Ym5/3 Cc Be (6) Ym = altura promedio del tirante de agua en la sección, definida como la relación entre el área y el ancho de la superficie libre B. Cc = coeficiente de contracción, es una función de la velocidad media del río y de la longitud libre entre estructuras. Figura 1. Be = ancho efectivo, se define como la diferencia entre el ancho de la superficie libre y la proyección de las pilas y estribos sobre un plano perpendicular a la corriente. Qd = caudal de diseño.

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Figura 1. Coeficiente de contracción entre pilas

Despejando α´ de la ec. (6) se tiene:

α´ = Qd / Ym5/3 Cc Be (7)

Al contrario que en el cálculo de Ur, para establecer Ue, es necesario considerar los aspectos mencionados anteriormente o sea, la forma del cauce, la textura del material de fondo y su distribución. Para cauces definidos y suelos no cohesivos de distribución homogénea, se tiene que:

Ue = 0, 68 β d0, 28 Hsx (8)

d = diámetro medio del sedimento de fondo, expresado en mm. β = coeficiente que es función de la probabilidad de ocurrencia P (Tabla 1) x = para suelos no cohesivos es función del diámetro medio del sedimento (Tabla 2) Igualando las ecuaciones (5) y (8), se tiene que:

hs = (α´ Yn5/3 / 0,68 d0.28 β) 1/ (1+x ) (9) Para cauces definidos y suelos cohesivos de distribución homogénea se tiene:

Ue = 0,60 γs1.18 β hsx (10) γs = peso específico del material de fondo expresado en t/m3 Igualando las ecuaciones (5) y (10) se tiene:

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Para cauces indefinidos la expresión correspondiente para Ue, es:

Ue = Ucl . hs0,2 (12) Ucl = velocidad máxima no erosionable de la corriente, en m/seg. Para suelos no cohesivos Ucl está en función del diámetro medio del sedimento y del tirante medio de la corriente. Para suelos cohesivos Ucl está en función del tipo de suelo de su compactación y del tirante medio. Igualando las ecuaciones (5) y (12), se tiene:

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Las ecuaciones (9), (11) y (13) son válidas para el caso en que el río transporta poco material en suspensión, si no es así deben multiplicarse estas ecuaciones por un factor de corrección. 1.3 - EROSIÓN EN PILAS DE PUENTES El fracaso de las estructuras de los puentes se debe más a fenómenos erosivos en las fundaciones que a problemas estructurales. En general se trata de erosión en las pilas y en las estructuras de encauzamiento, erosión en las barrancas producidas por la fluctuación del curso de los ríos y por el estrechamiento propio del puente. La erosión más importante sucede durante las crecidas, o sea cuando el escurrimiento es impermanente y además el flujo del agua puede no realizarse perpendicular a la estructura del puente. Adicionalmente debería analizarse el efecto de los troncos vegetales y si fuera del caso, bloques de hielo. La erosión local en las pilas se inicia cuando la velocidad tangencial u* o la velocidad media U, excede en alrededor del 50% los valores críticos de inicio del movimiento del sedimento.

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Chabert Engeldinger (1956) fueron los primeros en describir el comportamiento de la erosión en una pila cilíndrica, considerando la velocidad del escurrimiento en el tiempo. Ellos mostraron que la erosión del agua limpia llega al equilibrio asintóticamente en un período de días, mientras que la erosión en lecho móvil se desarrolla rápidamente y su profundidad fluctúa como consecuencia del paso de las deformaciones de fondo. Shen y colaboradores (1969) sugirieron que el valor medio de la erosión de fondo móvil era aproximadamente 10% menor que la erosión de agua limpia. Raudkivi (1982) descubrió la existencia de un segundo pico de erosión

El tratamiento de los problemas de erosión se inicia bajo el supuesto que la profundidad de erosión depende de variables características del fluido, del material del fondo del cauce en el área de emplazamiento del puente (granulometría, forma y tamaño de las partículas, cohesividad, etc.) geometría de las pilas, de la sección transversal del puente y finalizan en expresiones empíricas. 1.4 - EL ESCURRIMIENTO EN UNA PILA CILINDRICA El escurrimiento fluido frente a una pila cilíndrica vertical es realmente complicado y su complejidad crece con el desarrollo del pozo de erosión en la base del cilindro. Las componentes del flujo son: • La sobre elevación del pelo de agua aguas arriba de la pila • Las corrientes descendentes frontales del cilindro • Los vórtices de aguas abajo • El desarrollo de la subcapa laminar • Los vórtices en herradura Al aproximarse la masa fluida a la pila, en la cara de aguas arriba del cilindro, la velocidad del agua tiende a cero. Se ubica en el plano de simetría vertical y dado que la velocidad de aproximación decrece desde su valor en superficie hasta cero en el lecho, también decrece la presión de estancamiento ρU2/2. Este gradiente de presiones genera un escurrimiento hacia abajo. El escurrimiento en el plano vertical de simetría tiene para cualquier cota una distribución de la velocidad que va desde cero en contacto con el cilindro, creciendo hacia aguas

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arriba. Vmáx (según datos experimentales) se produce a una altura 0,05 A 0,02 del diámetro de la pila, aguas arriba de ella y se acerca al cilindro a medida que se profundiza la erosión. La máxima velocidad hacia aguas abajo en el cilindro ubicado en un lecho plano puede alcanzar al 40% de la velocidad de acercamiento U. La máxima relación Vmáx / U sucede cuando la profundidad del lecho erosionado alcanza de 2,3 veces el diámetro de la pila o más. Este máximo se ubica aproximadamente un diámetro de pila debajo del nivel de la solera El vórtice en herradura se desarrolla como resultado del fenómeno de separación y genera la erosión. La presión de estancamiento provoca la aparición de aceleraciones laterales al cilindro y hacia aguas abajo. La separación a los costados del cilindro crea una elevación del pelo de agua con la aparición de vórtices en la interface con el escurrimiento principal. Estos vórtices se trasladan hacia aguas abajo con el escurrimiento e interactúan con el vórtice en herradura haciéndolo oscilar lateral y verticalmente. Actúan como minitornados levantando sedimentos del fondo. La onda de ataque genera un vórtice de sentido contrario al de rotación de la herradura. Ds/B = 2 a 1.6 DS = profundidad de la socavación

B = ancho de la pila

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1.5 – ALGUNAS IMÁGENES DE PUENTES FALLADOS

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