UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLOFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL,SISTEMAS Y ARQUITECTURAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

INFORME FINAL

TRABAJO DE INVESTIGACION

TITULO:

MEDIDAS HIDRAULICAS PARAPROTECCION LOCAL DE PUENTES

AUTOR : MSc. Ing JOSE ARBULU RAMOS

CENTRO DE INVESTIGACION FICSA

DIC- 2011

LAMBAYEQUE - PER

C O N T E N I D O

1.0 DATOS PRELIMINARES2.0 CUERPO DEL INFORME 1.0 RESUMEN

2.0 INTRODUCCION

3.0 MATERIALES Y METODOS

4.0 RESULTADOS y DISCUCION

5.0 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.0REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

7.0 ANEXOS

UNIVERSIDAD NACIONALPEDRO RUIZ GALLOFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL, SISTEMAS Y ARQUITECTURAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

Cdigo del Proyecto:....................

Palabras Clave: Erosin, socavacin general, socavacin local, pilares,cauce,sedimentos,proteccin,enrocado, concreto prefabricado, puentes, creciente,vrtice,t urbulencia, inundacin, caudal de diseo.

PROGRAMA DE INVESTIGACION :FENOMENO EL NIO LAMBAYEQUE

1.0 DATOS PRELIMINARES

1.0 TITULO : Medidas Hidrulicas para Proteccin Local de Puentes 2.0 AUTOR : MSc. Ing Jos Arbul Ramos 3.0 RESOLUCION DE APROBACION : Res.Dec. N980-2010-UNPRG-FICSA

4.0 TIPO DE INVESTIGACION4.1 De acuerdo al fin que se persigue: Aplicada4.2De acuerdo al Diseo de Investigacin Descriptiva 5.0 AREA DE INVESTIGACION : Ambiente 6.0 LINEA DE INVESTIGACION : Ambiente Fsico: Suelos, Aire, Agua 7.0 LOCALIDAD E INSTITUCION DE EJECUCION: UNPRG-Lambayeque 8.0 DURACION DEL PROYECTO : 12 (Doce) Meses 9.0 FECHA DE INICIO : 02 Diciembre del 2010 10.0 FECHA DE TERMINO : 02 Diciembre del 2011 2.0 CUERPO DEL INFORME

1.0 ABSTRACTErosion on pillars and, in general, in the foundations of bridges, is one of the main causes of failures of bridges in our country and the world. Studies by the American Association of State Higway and Transportation Officials (AASHTO) "Most of the bridges that have failed in the U.S. and around the world, has been due to scour."You need to know the factors that cause scour and determine its depth, to make choices and select the protective measure of protection more successful. Protective measures are used to control, delay, minimize or monitor problems of stability of channels and bridges. In general, measures to protect bridges are three main types such as hydraulic measures, structural measures and monitoring.To analyze the various protection measures Hydraulic Bridges are two cases: protection of bridges under construction and existing.Within the protective measures at the base of columns, we analyze the castled by various methods (Maza-Alvarez, Proposal HEC-18 (1993) and recommendations of Saint Anthon and Falls Laboratory (SAFL) as well as Pillars Auxiliary Screens Auxiliary Displays Upstream Extension Foundation, covering the riverbed with blocks.Regarding the local scour protection stirrups, was analyzed using the methods castled Proposition HEC-18 (1993). So it will be taken into account other methods to protect piers and abutments, by using bags filled, gabion, Colchacretos and submerged broad crested Landfills.Protection measures analyzed, we conclude that the rockfill, is considered one of the most widely used materials for protection against scour and the simplest to protect a pier or abutment.The experiments at the Saint Anthony Falls Laboratory (SAFL), Minnesota, United States, to consider that the rockfill is the best way to protect local pillars. There is very little research on the use of articulated individual blocks or tied with wire protection in case of bridges.We should continue with this type of research, and that will help provide technical solutions economic-environmental-protection bridges to regional and national level.

1.0 RESUMEN

La erosin en pilares y, en general, en la cimentacin de los puentes, es una de las principales causas de fallas de puentes, en nuestro pas,y en el mundo.Segn estudios de la American Association of State Higway and Transportation Officials(AASHTO) La mayor parte de los puentes que han fallado, en USA y en todo el mundo,ha sido debido a la socavacin.Es necesario conocer los factores que originan la socavacin y determinar su profundidad, para elegir alternativas de proteccin y seleccionar la medida de proteccin ms acertada. Las medidas de proteccin se usan para controlar, demorar, minimizar o monitorear problemas de estabilidad de cauces y puentes.En general, las medidas de proteccin de puentes pueden ser de tres grandes tipos tales como : Medidas Hidrulicas,Medidas Estructurales y Monitoreo.Para analizar las diversas medidas hidrulicas para Proteccin de Puentes se distinguen dos casos: proteccin de puentes en construccin y existentes.Dentro de las medidas de proteccin al pie de pilares, se analiza el enrocado por diversos mtodos (de Maza-Alvrez, Propuesta HEC-18 (1993) y las recomendaciones de Saint Anthon y Falls Laboratory(SAFL); as como Pilares Auxiliares, Pantallas Auxiliares, Pantallas Aguas arriba, Extensin de la Cimentacin, Revestimiento del lecho con Bloques Respecto a la Proteccin contra socavacin local de estribos,se analiz el enrocado utilizando los mtodos de la Propuesta HEC-18 (1993)Asimismo se tomarn en cuenta otras medidas de proteccin de pilares y estribos, utilizando Bolsas Rellenas,Gaviones,Colchacretos y Vertederos de cresta ancha sumergidos. De las medidas de proteccin analizadas,se concluye que el enrocado, es considerado como uno de los materiales ms usados en la proteccin contra socavacin y el ms simple para proteger un pilar o estribo.Experimentos hechos en el Saint Anthony Falls Laboratory (SAFL),Minnesota-EUA, llevan a considerar que el enrocado es la mejor forma de proteccin local de pilares. Hay muy poca investigacin sobre el uso de bloques individuales articulados o amarrados con cables para el caso de proteccin de puentes.Se recomienda continuar con este tipo de investigaciones, ya que permitirn ayudar a dar soluciones tcnicas-econmicas-ambientales en la proteccin de puentes al nivel regional y nacional.

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2.0 INTRODUCCION

La solucin al problema de socavacin de un puente debe iniciarse con el estudio de las causas que lo originan, incluyendo aspectos desestabilizantes desde el punto de vista topogrfico, hidrolgico, hidrulico, estructural y de suelos. Las medidas de proteccin se usan para controlar, demorar, minimizar o monitorear problemas de estabilidad de cauces y puentes. En el Per, durante los Meganios 1982-83, 1998 colapsaron gran cantidad de puentes especialmente en la costa norte, como es el colapso del Puente Reque,erigindose tres veces durante los ltimos 50 aos, producindose una gran prdida de las reas de cultivo por inundacin, poniendo en riesgo vidas humanas. En todos los casos de falla del Puente Reque se pudo apreciar la falta de proteccin local en las estructuras principales. Por lo mencionado anteriormente, se debe analizar y estudiar las Medidas Hidrulicas para Proteccin Local de Puentes, que permita evitar el dao, deterioro o colapso de las estructuras principales del puente durante la presencia de las mximas avenidas en el ro.Las Medidas Hidrulicas limitan la socavacin mediante la modificacin de las lneas de corriente y la proteccin del lecho y de las bancas del cauce contra las fuerzas erosivas del flujo de agua con estructuras de control fluvial, estructuras transversales al flujo de agua y combinacin de estructuras longitudinales y transversales. La solucin al problema de socavacin de un puente debe iniciarse con el estudio de las causas que lo originan, incluyendo aspectos desestabilizantes desde el punto de vista topogrfico, hidrolgico, hidrulico, estructural y de suelos. Las medidas de proteccin se usan para controlar, demorar, minimizar o monitorear problemas de estabilidad de cauces y puentes.Es necesario conocer los factores que originan la socavacin y determinar su profundidad, para elegir alternativas de proteccin y seleccionar la medida de proteccin ms acertada. En general, las medidas de proteccin de puentes pueden ser de tres grandes tipos tales como : Medidas Hidrulicas,Medidas Estructurales y Monitoreo.

3.0 MATERIALES Y METODOS

METODOLOGIA

Para analizar las diversas medidas hidrulicas para Proteccin de Puentes se distinguirn dos casos: proteccin de puentes en construccin y proteccin de puentes ya construidos.Dentro de las medidas de proteccin al pie de pilares, se analizar el enrocado por diversos mtodos (de Maza-Alvrez, Propuesta HEC-18 (1993) y las recomendaciones de Saint Anthon y Falls Laboratory(SAFL); as como Pilares Auxiliares, Pantallas auxiliares, Pantallas Aguas arriba, Extensin de la cimentacin, Revestimiento del lecho con Bloques Respecto a la Proteccin contra socavacin local de estribos,se analizar el enrocado utilizando los mtodos (Propuesta HEC-18 (1993),Dique de Encauzamiento)Asimismo se tomarn en cuenta otras medidas de proteccin de pilares y estribos, utilizando Bolsas Rellenas,Gaviones,Colchacretos y Vertederos de cresta ancha sumergidos.La poblacin seran las Medidas para Proteccin Local de Puentes y la muestra sern las Medidas Hidrulicas para Proteccin de Puentes. La proteccin de un puente contra socavacin consiste en tomar todas aquellas medidas con el fin de hacerlo menos vulnerable a daos durante crecientes. Es especialmente importante proteger el cauce, las pilas y estribos de un puente en la parte externa y aguas abajo de las curvaturas, ya que en este caso, la erosin lateral tiende a migrar en este sentido arriesgando la estabilidad de la estructura. Dos casos se pueden distinguir: proteccin de puentes en construccin y proteccin de puentes ya construdos.

4.0 RESULTADOS

Para la socavacin por contraccin, se debe usar proteccin a lo ancho del cauce del ro en una distancia grande hacia aguas arriba y aguas abajo del puente si la socavacin existente o esperada por contraccin es considerable y cuando el cauce est cambiando de curso, lo cual es generalmente el caso de ros formados por arena y grava. Mtodo de Maza y Garca La siguiente expresin es propuesta por J. A. Maza y M. Garca (Maza, J. A., 1989) para determinar el tamao del enrocado para proteccin.

D = dimetro de la roca. Conviene que sea D84 [m] V = velocidad media de la corriente [m/s] h = profundidad del flujo [m] Gs = densidad relativa de la roca de proteccin. Usualmente Gs = 2.65

Para la socavacin local al pie de pilares, se pueden proteger las reas alrededor de los pilares usando alguno de los siguientes mtodos, como el enrocado, pilares auxiliares,pantallas aguas arriba,extensiones de la cimentacin,revestimiento del lecho con bloques. En el caso de proteccin con enrocado,se presentan varios mtodos para determinar el tamao del enrocado, con las recomendaciones pertinentes, as tenemos: Mtodo de Maza Alvarez (Maza J. A., 1989). Propone la siguiente expresin para encontrar el tamao del enrocado:

Dm = dimetro medio de la roca [m] V = velocidad media del flujo (V < 4.5 m/s) [m/s] h = profundidad del flujo [m] s = peso especfico del material de proteccin [Kg/m3] Mtodo propuesto en HEC-18 (1993) propone la siguiente ecuacin para encontrar el tamao de la roca.

D50 = dimetro medio de la roca [m] K = coeficiente de forma de la pila K = 1.5 para pila con nariz redonda K = 1.7 para pila con nariz rectangular V = velocidad del flujo sobre la pila [m/s] g = aceleracin de la gravedad [m/s2] Gs = densidad relativa de la roca, usualmente 2.65.

HEC-18 (1993), recomienda los siguientes criterios de construccin: Extender el ancho del enrocado al menos dos veces el ancho de la pila, medido desde la cara de la pila. Si el ro es angosto se puede colocar el enrocado a travs de toda la seccin transversal. La parte superior del enrocado debe coincidir con la superficie del lecho del cauce. El espesor mnimo del enrocado debe ser tres veces el dimetro D50 de la roca. En algunos casos, el enrocado se debe colocar sobre un filtro. El filtro no se necesita si el enrocado es bien gradado o si se entierra por debajo del nivel del lecho. El tamao mximo de la roca no debe exceder a dos veces el tamao medio D50 del material.

Segn los experimentos hechos por el Saint Anthony Falls Laboratory (SAFL) (Minnesota, EUA) llevan aconsiderar que el enrocado es la mejor forma de proteccin local de pilas y distingue dos casos, segn sea colocado en una excavacin previamente hecha o no. En cualquier caso, se recomienda el uso de un filtro como material de transicin ya sea en geotextil o en material granular.

SegnH. N. C. Breusers, G. Nicollet y H. W. Shen, (1977), reportan que Chabert y Engeldinger (1956) investigaron el efecto de instalar una serie de pilares pequeos aguas arriba del pilar principal con el propsito de desviar la corriente incidente y disminuir el poder erosivo de los vrtices de herradura,reportando que no tienen un comportamiento favorable. Levi-Luna (Maza J. A., 1987) propone como proteccin colocar una pantallavertical aguas arriba del pilar del mismo ancho que sta. La pantalla puede ser hecha de tablestacas o pilotes en concreto o metal y su objetivo es el de impedir la formacin de vrtices al pie del pilar. Algunas investigaciones,como las de Parola A. C., Mahavadi S. K., Brown B. M., y Khoury A. El., 1996., han mostrado el efecto reductor de la socavacin si la cimentacin se sita a nivel del lecho del cauce y si su longitud se extiende al menos dos veces el ancho de la pila hacia aguas arriba. El mtodo de proteccin con revestimiento del lecho con bloques ,consiste en cubrir el lecho del ro alrededor de los pilares, con bloques ya sean nicos o formados por varias unidades que se colocan como un revestimiento continuo,a base de gaviones, bolsas rellenas articuladas, concreto prefabricado o concreto fundido in situ. El uso de bloques de concreto prefabricado es una opcin cuando no se puede encontrar piedra del tamao recomendado, y si resultan mas econmicos que otras alternativas. Los bloques de concreto deben ser suficientemente pesados para que resistan fuerzas de empuje y subpresin y se deben colocar o disear de forma que queden espacios entre ellos para atrapar sedimentos. Este tipo de proteccin es de las ms usadas en ros del Japn . Para la socavacin local al pie de estribos se consideran dos casos para disear el enrocado ,segn el: Mtodo propuesto en HEC-18 (1993)

Fr 0.8

=

D50 = dimetro medio de la roca [m] K = coeficiente de forma del estribo que tiene en cuenta la aceleracin del flujo en la proximidad del enrocadoK = 0.89 para estribos con pared inclinada hacia el cauce K = 1.02 para estribos con pared vertical h = profundidad media del flujo en la seccin contrada del puente [m] V = velocidad media del flujo en la seccin contrada del puente [m/s] g = aceleracin de la gravedad [m/s2] Gs = densidad relativa de la roca, usualmente 2.65. Fr = nmero de Froude

Fr > 0.8 =

K = 0.61 para estribo con pared inclinada K = 0.69 para estribo con pared vertical

5.0 DISCUSIN

En el caso de socavacin por contraccin en ros formados por arena y grava,es muy difcil hacer una proteccin que sea duradera siendo el enrocado uno de los materiales ms usados. La ecuacin del Mtodo de Maza y Garca para determinar el tamao del enrocado para proteccin del cauce ha sido deducida para condiciones crticas de movimiento y por lo tanto deber reajustar el diseo del tamao de la roca. Cuando el enrocado a usarse es de tamao mayor que el que se requiere para proteger cauces,reduce el rea hidrulica ,por lo que sera conveniente desplantar el enrocado hasta la elevacin que alcanza la socavacin a largo plazo y por contraccin. No existe un mtodo general para definir los parmetros involucrados como son :nmero y dimetro de los pilares, espaciamiento entre ellas, ngulo de colocacin y distancia al pilar. Los autores no han probado el funcionamiento de las pantallas cuando existe ngulo de ataque del flujo sobre los pilares.Se considera que la reduccin de la socavacin en el pilar cuando est alineada con el flujo es de 70%.

Hay muy poca investigacin sobre el uso de bloques individuales articulados o amarrados con cables para el caso de proteccin de puentes,siendo su aplicacin ms extensiva en el caso de revestimiento de taludes de ros y canales.

6.0 CONCLUSIONES

1. Las medidas de proteccin se usan para controlar, demorar, minimizar o monitorear problemas de estabilidad de cauces y puentes. 2. En general,las medidas de proteccin de puentes pueden ser de tres grandes tipos tales como:Medidas Hidrulicas,Medidas Estructurales y Monitoreo.3. En la proteccin de puentes se distinguen dos casos: el de puentes en construccin, que comprende las mejores medidas de proteccin para puentes nuevos desde la fase de diseo; y el que comprende a los puentes existentes.4. Dentro de las medidas de proteccin al pie de pilares, se analiz el enrocado por diversos mtodos,el de Maza-Alvrez, Propuesta HEC-18 (1993) y las recomendaciones de Saint Anthon y Falls Laboratory(SAFL); as como Pilares Auxiliares, Pantallas auxiliares, Pantallas Aguas arriba, Extensin de la cimentacin y Revestimiento del lecho con Bloques .5. Respecto a la Proteccin contra socavacin local de estribos,se analiz el enrocado utilizando los mtodos: HEC-18 (1993), en sus dos casos,cuando Fr 0.8 y Fr > 0.8 ,debiendo calcularse el radio de obstruccin del flujo para determinar la velocidad media . 6. Se tomaron en cuenta otras medidas de proteccin de pilares y estribos, utilizando Bolsas Rellenas, Gaviones, Colchacretos y Vertederos de cresta ancha sumergidos.7. De las medidas de proteccin analizadas,se concluye que el enrocado, es considerado como uno de los materiales ms usados en la proteccin contra socavacin y el ms simple para proteger un pilar o estribo.8.-Respecto al uso de pilares auxiliares aguas arriba del pilar principal para desviar la corriente incidente y disminuir el poder erosivo de los vrtices de herradura,los experimentos hechos en el Saint Anthony Falls Laboratory (Minnesota,EUA) reportan que no tienen un comportamiento favorable,no recomendndose para su uso. 8.-Hay muy poca investigacin sobre el uso de bloques individuales articulados o amarrados con cables para el caso de proteccin de puentes,siendo su aplicacin ms extensiva en el caso de revestimiento de taludes de ros y canales.9.-Los Bloques de concreto prefabricado es una opcin cuando no se pueden encontrar piedra del tamao recomendado,r esultando ms econmicos que otras alternativas.10.-Los Bloques nicos de concreto son usados en muy pocos casos en que no hay otras alternativas posibles pues siempre resulta ms conveniente el uso de varias unidades ya que se pueden prefabricar y tienen funcionamiento mas flexible.

7.0 RECOMENDACIONES

1. Se recomienda estudiar detenidamente los factores que causan la socavacin y cuantificar su profundidad mxima, para determinar alternativas de proteccin y poder seleccionar la medida de proteccin ms adecuada.2. Teniendo en cuenta que la ecuacin de Maza y Garca utilizada para determinar el tamao del enrocado para proteger el cauce ha sido deducida para condiciones crticas de movimiento,se recomienda para efectos de diseo que el tamao de la roca se incremente en un 20%.3. Se recomienda que el enrocado tenga como mnimo tres capas de roca en contacto con la estructura. Menos capas pueden inducir a que la arena entre la roca sea removida por los vrtices y la turbulencia.4. Teniendo en cuenta que el enrocado no es una medida permanente para proteger pilares contra socavacin segn HEC-18, se recomienda no ser empleado para puentes en construccin,ya que las nuevas estructuras deben proyectarse para ser estables.

5. Segn HEC-18, se recomienda los siguientes criterios de construccin: Extender el ancho del enrocado al menos dos veces el ancho del pilar, medido dede la cara del pilar. Si el ro es angosto se puede colocar el enrocado a travs de toda la seccin transversal del cauce. La parte superior del enrocado debe coincidir con la superficie del lecho del cauce,siendo mejor si se coloca ms profundo.. El espesor mnimo del enrocado debe ser tres veces el dimetro D50 de la roca; siendo el tamao mximo de la rocano mayor a dos veces el tamao medio D50 del material. En algunos casos, el enrocado se debe colocar sobre el filtro.El filtro no se necesita si el enrocado es bien gradado o si se entierra por debajo del nivel del lecho.

6. Experimentos hechos en el Saint Anthony Falls Laboratory (SAFL),Minnesota-EUA, llevan a considerar que el enrocado es la mejor forma de proteccin local de pilares y distingue dos casos,segn sea colocado en una excavacin previamente hecha o no.En cualquier caso,se recomienda el uso de un filtro como material de transicin ya sea en geotextil o en material granular.

7. Se recomienda continuar investigando sobre el uso de bloques individuales articulados o amarrados con cables para el caso de proteccin de puentes ,ya que no se encontr suficiente informacin sobre el tema.

8. Se recomienda el uso de bloques de concreto prefabricado como una opcin cuando no se encuentre piedra del tamao exigido. 9. En el caso de proteccin por socavacin local al pie de estribos ,el espesor del enrocado no debe ser inferior al tamao dado por 1.5 D50 o D10010. Cuando el enrocado en estribos sea bajo agua, se recomienda que el espesor del enrocado sea incrementado en un 50% para considerar la incertidumbre

11. Se recomienda el uso de los bloques de concreto en varias unidades ya que se pueden prefabricar y tienen funcionamiento mas flexible. Adems, de requerirse geotextil, se facilita su colocacin directamente durante la construccin de los bloques individuales.

12.-Se recomienda se continen con este tipo de investigaciones, ya que permitirn ayudar a dar soluciones tcnicas-econmicas-ambientales en la construccin de puentes al nivel regional y nacional.

8.0 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1.-BREUSERS, H.N.C., Nicollet,G. y Shen,H.W. Local Scour around Cylindrical Piers. Journal of Hydraulic 19772.-CAMPAA TORO, R. Modelacin Hidrulica de Ros, Canales, Puentes y Alcantarillas con HEC-RAS.Lima IMEFEN- CISMIDUNI.1998. Per3.-DARGAHI,B.Controling Mechanism of Local Scour.Journal of Hydraulic Engineering. ASCE. Vol. 116. N 10. October. pp 1197-1213.19904.-GUEVARA A., M. E. "Socavacin en Puentes". Universidad del Cauca.19985.-HEC-18. Evaluating Scour at Bridges. Richardson, E. V. y Davis S. R. Hydraulic Engineering Circular Edition. Virginia. USA. 20016.-HEC-20 Stream Stability at Highway Structures. Lagasse, O. F., Schall J. D., Richardson, E. V. Third Edition. Virginia. USA. 2001 7.-MARTIN VIDE, Juan P. Ingeniera Fluvial. Barcelona. Ediciones Universidad Politcnica de Catalua, 1996 Espaa.8.- YALA R, Luis y Otros. Estudio de la degradacin del ro Maule aguas debajo de la Presa de Colbun. Universidad de Chile, Santiago 1981.9.-MAZA,J.A Modificaciones a la estabilidad natural de un ro. VI Congreso Latinoamericano de Hidrulica. I.A.H.R Bogot 1974.10.-MELVILLE, B. W. Discussion Study of Time Dependent Local Scour around Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering.. 199211.-RAUDKIVI,A J. and Ettema, R. Clear Water Scour at Cylindrical Piers. Journal of Hydraulic.1983

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