Cap 19-20 Sobreelevacion puentes

_____________________________Capitulo 19-20. Cálculo hidráulico de puentes (sobreelevación)
CAPITULO 19-20. Cálculo hidráulico de puentes
(sobreelevación)
Juan Pedro Martín Vide
Nota: el texto que sigue está tomado de la obra Ingeniería de ríos, por el autor,
Edicions UPC, Barcelona 2002 (también Ingeniería fluvial, Ed.UPC, Barcelona
1997); algún aspecto nuevo aparecerá en la reedición prevista para 2007.
El cálculo hidráulico de un puente significa en primer lugar determinar su capacidad de
desagüe (o bien, como comprobación, si el caudal de proyecto pasa bajo él) y en segundo
lugar determinar la sobreelevación de nivel provocada por el puente. Para el estudio de la
capacidad se realiza un cálculo en régimen permanente gradualmente variado (Hec-Ras).
Suponiendo que el régimen es lento, hay que conocer las secciones del río aguas abajo del
puente. Cuanto más lejos se llegue con el levantamiento topográfico y batimétrico más caro
será el estudio pero mayor será la independencia del resultado con respecto a la condición de
contorno en la sección extrema de aguas abajo. Las secciones de control (por ej. un azud)
hacen el cálculo más fácil y más preciso porque puede establecerse con más seguridad el valor
del nivel H en el contorno.
1 EN PROYECTO
En fase de proyecto, las dimensiones del vano (la altura libre y la anchura libre, o sea la
longitud del puente, en proyección sobre el plano perpendicular a la corriente) se estudian del
mismo modo. La 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. En cuanto a la altura libre, raramente un puente se proyecta como puente
sumergible para las condiciones de proyecto, sino que por el contrario, desde la cota inferior
del tablero al nivel ocupado por el agua se deja una holgura, resguardo o gálibo para tener en
cuenta por ejemplo los objetos flotantes (troncos) que lleve la avenida, el oleaje, la
navegación o el hielo, según los casos.
Es lógico que este resguardo se adopte no desde la superficie libre sino desde la línea de
energía, porque localmente el agua, frenada, puede alcanzar el nivel de la línea de energía.
Con todo, conviene ser conscientes de que un nivel que agote la holgura dejará fuera de
servicio la vía por inundación, pero además puede destruir el puente por acción hidrodinámica
de arrastre o también, en tableros huecos, por acción hidrostática de flotación (a este respecto
los tableros huecos deben estar agujereados para permitir la entrada de agua). No obstante, un
puente puede estar preparado hidráulica y estructuralmente para funcionar con flujo en carga a
través del vano.
Mediante un estudio hidrológico pueden estimarse los caudales de distintos periodos de
recurrencia. La decisión sobre el periodo de retorno de un puente tiene menos significado que
en obras hidráulicas como aliviaderos, porque la variable determinante del dimensionamiento
es el nivel de agua, no el caudal (como en aliviaderos). Así pues, hay un cálculo hidráulico
intermedio para convertir los caudales en niveles, cálculo que se realiza en movimiento
permanente gradualmente variado (Hec-Ras), porque sólo interesa el caudal punta, no el
hidrograma (a diferencia de los aliviaderos donde se estudia la laminación en el embalse). En
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este cálculo no faltan las incertidumbres, como son 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 (fig.1) (un criterio es que el contorno se coloque a una
distancia mínima L=H/i donde i es la pendiente). Cuando esto es así este nivel en el puente
sólo depende de la geometría y la rugosidad. Otra incertidumbre es que ambas pueden tener
grandes cambios, a largo plazo o estacionales, respectivamente. Por estas razones, 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.
Fig. 1 Influencia de la condición de contorno H y el coeficiente de rugosidad n en el cálculo hidráulico (régimen
lento).
En el caso de régimen rápido, la sección de contorno se encontraría aguas arriba. Si el
régimen del río es rápido (o alternativamente rápido y lento, como es más probable) el
comportamiento de la superficie libre y del puente es incierto. 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 (fig.2)
Fig.2 Puente en una corriente en régimen rápido
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2 SOBREELEVACIÓN
El cálculo de la sobreelevación podría realizarse por el mismo método (Hec-Ras), pero
teniendo en cuenta los fenómenos locales agudos que se producen. Siguiendo el esquema de
la fig.3, tal cálculo en movimiento variado ha de hacerse entre una sección a distancia 1B
aguas arriba del puente, el puente mismo y una sección a distancia 4B aguas abajo
aproximadamente. El puente se representa por las secciones de su cara anterior y posterior.
Fig. 3 Características hidráulicas del paso de agua bajo un Puente (perfil, sección transversal y planta) (régimen
lento).
Los coeficientes de pérdida de carga localizada λ, en la contracción y expansión que causa
el puente, suelen ser mayores que los de estrechamiento y ensanchamiento brusco en un cauce
(0.1 y 0.3 respectivamente), pues pueden valer 0.3 y 0.5 en términos medios. Definiendo el
grado de obstrucción del puente como m=Q’/Q , siendo Q el caudal total y Q’ el caudal que
pasaría por el área perdida al construir el puente (área rayada en la fig.4), una buena
aproximación para Σλ (suma de contracción y expansión) es Σλ=mC, donde C es el
coeficiente de arrastre conocido en mecánica de fluidos, que depende de la forma del
obstáculo y el número de Reynolds (C≅2 para un rectángulo en movimiento turbulento
desarrollado). Hay también numerosas fórmulas empíricas para calcular la sobreelevación.
Por ejemplo, a partir de resultados experimentales se propone calcular la sobreelevación ∆H
mediante
∆H=λ(v2/2g) donde v=Q/A, λ=6 m2 , m=Q’/Q
(1)
donde Q es el caudal de proyecto (caudal total) y A es el área del vano libre (es decir, el
vano de anchura b en donde se pone el nivel de agua dado por el calado y0 trasladado desde
aguas abajo). Esta fórmula permite representar la reducción en la sobreelevación a medida
que se va erosionando la sección del puente (aumento del área A). En la sobreelevación
también influyen la forma y alineación de pilas y estribos situados en el vano y la alineación
del puente. La mayor sobreelevación ocurre en los rincones “muertos” de puentes oblicuos,
razón por la que se pueden proyectar pequeños vanos de alivio en los rincones.
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Fig. 4 Elementos de cálculo de la sobreelevación.
Una expresión que tiene en cuenta la forma es la de Yarnell (1934):
λ=


v 42
∆H

=
2
k
k
+
10
− 0.6  m + 15 m 4
2

2g ⋅ y4
v4 2 g


(
)
(2)
en donde el coeficiente de forma k vale 0.9 para pilas circulares y 1.2 para pilas
rectangulares, m es el grado de obstrucción y el subíndice 4 significa que las variables se
calculan en la sección aguas abajo a distancia 4L del puente (fig.3).
Los objetos flotantes que quedan detenidos en las pilas pueden contribuir notablemente a la
sobreelevación, ya que tienen el efecto de aumentar el área obstruida (en la parte superior). Es
también destacable el efecto de “ascensión” del agua en el obstáculo que puede ser superior a
la altura cinética o de velocidad del flujo (v2/2g).
Cuando un puente entra en carga se pueden seguir usando los métodos anteriores, pero
también considerarlo como un desagüe a presión entre los niveles (y energías) de aguas arriba
y aguas abajo. Considerado así, el coeficiente de desagüe se puede aproximar por
Cd= 1/ √ (1+mC) (recordar que Q=CdA √ (2g∆H) )
El efecto de la sobreelevación hacia aguas arriba (el remanso propiamente dicho) se
calcula nuevamente en régimen permanente gradualmente variado. Una aproximación de este
cálculo es la expresión ∆H(x)=∆Hmaxe-x/x0 con x0=0.3(y1/i)(1-Fr20) siendo x la distancia desde
el puente y Fr0 el número de Froude aguas arriba. El remanso es lo que resuelve con más
exactitud un modelo como Hec-Ras.
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