Physical scale modelling of scour around bridge piers Modelación física a escala de la socavación local en cepas de puente

Abstract

La socavación local en cepas de puentes ocurre principalmente durante crecidas fluviales y es la principal causa de colapso de puentes alrededor del mundo, trayendo consigo pérdidas en infraestructura y riesgo para la población. Las fórmulas existentes de socavación proveen resultados significativamente distintos entre sí y su aplicación se limita a unas pocas idealizadas geometrías de cepas y configuraciones de grupos de cepas, introduciendo importantes incertidumbres en el diseño de puentes. En este trabajo, se investigó la viabilidad de las técnicas de modelación física para la cuantificación de la socavación en cepas de puentes causada por ondas de crecida. Se propusieron parámetros adimensionales para representar las características del flujo, del sedimento y de la cepa, para una correcta modelación física a escala. La confiabilidad de dichos parámetros fue evaluada a través de 17 experimentos de laboratorio, los cuales se llevaron a cabo en tres diferentes canales, de diferentes anchos y profundidades, utilizando cinco sedimentos diferentes. Los experimentos cubrieron la condición de aguas claras y de lecho vivo, así como las condiciones de caudal constante y caudal variable, realizando hidrogramas de limitada duración. Los resultados muestran que el proceso de socavación está controlado por el trabajo adimensional efectivo del flujo y el diámetro adimensional de la partícula. Se demostró que la escala de tiempo depende del diámetro de la cepa, la densidad relativa del sedimento, el tamaño del sedimento y la velocidad del flujo. En casos muy específicos, fue posible alcanzar perfecta similitud entre el modelo y el prototipo, obteniendo idéntica socavación en ambos casos, confirmando las escalas derivadas teóricamente. Sin embargo, comúnmente el tamaño relativo de la cepa respecto al sedimento es distorsionado en el modelo y el prototipo, introduciendo con ello efectos de escala en el modelo de socavación, los cuales, evaluando los resultados obtenidos, se consideraron más bien pequeños y aceptables. Finalmente, se demostró la viabilidad de las técnicas de modelación física propuestas para la cuantificación de socavación local en cepas de puente en aplicaciones prácticas.