Socavación en Puentes

Socavacin en Puentes
31/3/2013
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Introduccin
De acuerdo a la Federal Highway Administration y a numerosos estudios de socavacin realizados
en los ltimos decenios, la socavacin en los estribos y pilares de los puentes ha sido,
histricamente, la causa ms importante de falla en estas estructuras.
Cuando los pilares de un puente se establecen en lechos erosionables, la alta velocidad local del
flujo, causada por la interaccin fluido-estructura, origina socavacin a las zonas aledaas a los
pilares, que gradualmente se extiende por debajo de ellos, eventualmente destruyndolos. Como
ha sido reportado por muchos investigadores, como Lefter, Antunes y la Federal Highway
Administration.
Concepto general de socavacin y su relacin con la erosin
La socavacin puede definirse como la erosin local del lecho de un cauce natural. En general,
la erosin en un ro consta de tres componentes: la erosin general, erosin en estrechamientos o
transversal y erosin local o socavacin; esta ltima es la que se debe a la interaccin fluidoestructura en presencia de un material superficial erosionable, es la ms importante.
En la siguiente figura, presentada por el Dr. Rocha en su libro Introduccin a la Hidrulica Fluvial
se muestra cmo la socavacin se adiciona a la erosin general en un cauce natural.modificar.
Tipos de socavacin
Segn Juan Martn Vide, en su libro Ingeniera de Ros, hay dos modalidades distintas de erosin
local en pilares y estribos.

- En la primera, conocida como socavacin en agua clara, la corriente no es capaz de poner en
movimiento el material del lecho del ro, pero los vrtices si son capaces de socavar el pilar. En
este caso, al no haber arrastre de sedimentos del lecho desde aguas arriba, no hay
reabastecimiento de materiales en el hueco socavado.
- En la segunda modalidad, conocida como socavacin en lecho mvil, hay transporte de
sedimentos del lecho desde aguas arriba hasta el sitio del puente y, por lo tanto, parte de este
sedimento queda atrapado en el hueco de socavacin.
Frmulas para el clculo de la profundidad de socavacin

La profundidad de socavacin es tpicamente mucho mayor que la que resulta de la erosin
general, segn Fischenich y Landers, a menudo por un factor de 10.
Los investigadores han estudiado extensamente la profundidad de erosin local y han
recomendado muchas frmulas empricas para los propsitos de prediccin, pero los resultados de
un pilar especfico incluso para ecuaciones similares varan ampliamente. As, pues, tal como lo
explican Shen, Raudkivi y Yanmaz, debido a la complejidad del proceso de socavacin en ros, el
desarrollo de una relacin matemtica entre profundidad de socavacin no es factible para
condiciones universales.
La socavacin se produce cuando el esfuerzo cortante en la interfaz de las partculas del flujo
excede el valor crtico necesario para el movimiento de las partculas de sedimentos en la direccin
del flujo. Segn muestra Neill en su libro Guide to Bridge Hydraulics, el esfuerzo cortante crtico
puede ser calculado usando el criterio de Shields, como se muestra:
Donde Tc = esfuerzo crtico de corte (N/m2), Ys = peso especfico de las partcula de sedimento
(N/m3), Y = peso especfico del agua (N/m3), y D50 = dimetro medio del grano (m), que debe ser
mayor que 5 mm.
La velocidad crtica puede ser calculada usando la ecuacin de Hanco.
Donde Vcr = velocidad umbral media (m/s), Mx = peso especfico de los sedimentos, g =
aceleracin de la gravedad (m/s2). Debido al vrtice de la herradura y la aceleracin de la
velocidad del flujo alrededor del pilar, la velocidad local adyacente al pilar es ms grande que la
velocidad aproximada del flujo de aguas arriba. Neill sugiere la siguiente ecuacin para calcular la
profundidad de socavacin, ds, en un pilar rectangular en condiciones de lecho vivo para = 0:
Donde es el ngulo de ataque. Hanco (Breusers y otros, 1977) recomienda una ecuacin para
un caso general en el cual el tamao de las partculas de los sedimentos son incluidos por d/b > 1,
y D50 = 0.5, 2, y 5 mm.
Una ecuacin basada en la ecuacin de Colorado State University (CSU) es sugerida para lecho
vivo y la profundidad de socavacin (Richardson y otros, 1990), que actualmente est en el manual
de HEC-18 (SNS, 2001):
Donde K1 = factor de correccin por la forma de la nariz del pilar (1 para las narices redondeadas y
1.1 para las narices rectangulares), K2 = factor de correccin por el ngulo de ataque del flujo (1
para un ngulo de ataque de cero y un rango de L/b = 4 a 12, donde L es la longitud del pilar), K3
= factor de correccin por las condiciones del lecho (1.1 para la socavacin de agua clara y 1 para
la socavacin de lecho vivo), K4 = factor de correccin de acorazamiento, y Fr = nmero de
Froude del flujo. En el manual de HEC-18, se pueden encontrar ms detalles de la ecuacin (E).
Veiga report la siguiente ecuacin para estimar la profundidad de socavacin en condiciones de
socavacin de un lecho vivo (o lecho mvil) de un pilar circular y 0.5 < d/b < 4, en la cual la
influencia del tamao de los granos es considerada como insignificante para D < 0.5mm en ds/b:
Una relacin alternativa es dada por experimentos indios de modelos de pilares de puentes en un
lecho arenoso con condiciones de socavacin por lecho mvil (Laursen, 1962):
Hay otra ecuacin experimental india expresada por Inglis (1949) en la cual el nmero de Froude
es usando considerando lo siguiente:
Donde Fr es el nmero de Froude, que se puede expresar como. Donde g = aceleracin de la

gravedad, y V = velocidad media del flujo. Las ecuaciones antes mencionadas representan solo
algunos ejemplos de los muchos que se han derivado para predecir la profundidad en pilas de
puentes.
Comparacin de las frmulas presentadas con mediciones hechas en campo

A fines de 2007, la universidad de Shahrekord, situada en la provincia de Fars, en Irn, realiz un
estudio, donde se investig el fenmeno de la socavacin en nueve puentes, ubicados en cinco
ros, con un total de 37 pilares. El estudio consisti en probar la bondad de las frmulas ms
utilizadas en la estimacin de la socavacin en pilares y estribos de puentes con datos realmente
medidos luego de avenidas extremas que se dieron entre los aos que dur la investigacin. El
tirante promedio aguas arriba fue determinado usando la informacin registrada por un limngrafo y
una curva de aforo disponibles para la seccin del ro. Durante las investigaciones de campo,
producto de una gran avenida que ocurri en noviembre de 1986, tres de los nueve puentes
colapsaron. Estos fueron: Shir Baba, Keradeh y Ghotb-Abad, en los ros Ardakan, Keradeh y
Jahrom Salt respectivamente.
A partir de la investigacin realizada por la universidad de Shahrekord, se pudo concluir que
cuando el tamao de partcula de los sedimentos aumenta, la profundidad de socavacin
disminuye. Y, con respecto a las frmulas de estimacin de la socavacin en pilares y estribos de
puentes, la comparacin estas con las medidas de campo revelaron que las ecuaciones de Hanco,
CSU, Veiga y Neil exhibieron buen acuerdo con la informacin de campo; por otro lado, las
ecuaciones de la India e Inglis sobreestimaron la profundidad de socavacin.
Referencias
BREUSERS, H.N.C., Nicollet, G. y Shen, H.W. (1997) Local Scour Around Cylindrical Piers. Journal
of Hydraulic Research, IAHR
CHOW, Ven Te (1959) Hidrulica de Canales Abiertos, McGraw- Hill, New York
FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION (FHWA) (1998) US Department of Transport, Bridge
Technology, Summary of scanning review of European practice for bridge scour and stream
instability countermeasures(http://www.fhwa.dot.gov/bridge/scan-txt.htm)
GHORBANI, Behzad (2007) A Field Study of Scour at Bridge Piers in Flood Plain Rivers. Water
Engineering Department, College of Agriculture, Shahrekord University, Fars - Irn
INGLIS, S.C. (1949) The Behaviour and Control of Rivers and Canals. Research Publ. No. 13,
Central Water Power Irrigation and Navigation Report, Poona Research Station, India
FISCHENICH, C. and Landers, M. (2000) Computing Scour 2000. Technical Notes Collection, U.S.
Army Engineering. Research and Development Center, Vicksburg, MS:
(http://www.wes.army.mil/el/emrrp/pdf/sr05.pdf)
HENDERSON, F.M. (1996) Open Channel Flow. Macmillan, New York
LAURSEN, E.M. (1962) Scour at Bridge Crossings. Trans. ASCE Vol. 127, part 1, p.166
NEILL, C.R. (1975) Guide to Bridge Hydraulics. Project Committee on Bridge Hydraulics of RTAC,
University of Toronto Press, Canada
NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE (NHI) (2001) Evaluating Scour at Bridges. Hydraulic
Engineering Circular No. 18, 4th edition, Publication No. FHWA NHI 01-001, US Dept. of
Transportation, Federal Highway Administration
ROCHA, Arturo (1998) Introduccin a la Hidrulica Fluvial. Facultad de Ingeniera Civil
Universidad Nacional de Ingeniera (FIC-UNI), Lima
VIDE, Juan Martn (2003) Ingeniera de Ros. Alfaomega Grupo Editor: Catalua

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