Acerca de la Elaboración de un Estudio de Hidrología e Hidráulica para el Diseño de Puentes.

Presentación del tema: "Acerca de la Elaboración de un Estudio de Hidrología e Hidráulica para el Diseño de Puentes."— Transcripción de la presentación:

1 Acerca de la Elaboración de un Estudio de Hidrología e Hidráulica para el Diseño de Puentes

2 Mediante el Estudio de Hidrología e Hidráulica se especifica aquellos aspectos hidráulicos relevantes para el diseño del puente en base a una estimación del caudal máximo de diseño y los efectos de su paso a través del conjunto cauce natural- puente proyectado.

3 Elevación Puente Buenqueme

4 Objetivo del Estudio de Hidrología Estimar el caudal máximo de diseño

5 Objetivo del Estudio de Hidráulica Estimar las dimensiones mínimas que debiera tener la obra de cruce para evacuar el caudal máximo de diseño sin daños que paralicen el servicio de la vía ante la ocurrencia de un evento extremo previsible.

6 Estudio de Hidrología

7 Métodos de Hidrología Utilizados Análisis de Frecuencia Método del Hidrograma Unitario Método Racional

8 Selección de la Metodología Apropiada Cuando se trata de un río que cuenta con información hidrométrica ( caudales máximos ), la serie histórica de tales datos puede ser adquirida y puede llevarse a cabo un análisis de frecuencia que proporcione el caudal máximo de diseño. Si se trata de un río o quebrada que no cuenta con información hidrométrica, el caudal máximo debe ser estimado a partir de la información pluviométrica ( precipitación ), en tal caso se hace uso del método del hidrograma unitario o, en algunos casos, el método racional. Estos métodos requerirán la estimación de la tormenta máxima de diseño, de modo que también es necesario llevar a cabo un análisis de frecuencia con la información pluviométrica.

9 Ubicación del cruce puente-curso de agua Una fuente de información importante para la ubicación del cruce puente-curso de agua son las cartas nacionales del Instituto Geográfico Nacional (IGN). Estas cartas suelen ser adquiridas a escala 1/100 000; sin embargo, también se tienen disponibles a escala 1/50 000 y 1/250 000. En estas cartas están representadas las vías asfaltadas y sin asfaltar, los cursos de agua visibles, las curvas de nivel con indicación de accidentes geográficos importantes, líneas de alta tensión, etc., con localización mediante coordenadas geográficas. También se dispone de planos topográficos a escala 1/25 000 en el Proyecto Especial Titulación de Tierras y Catastro Rural (PETT) del Ministerio de Agricultura. Estos planos no cubren todo el territorio nacional, sólo las tierras del catastro rural; sin embargo, ello corresponde a gran parte de la costa y la sierra del Perú.

10 Porción de la Carta Nacional Mazuco

11 Fuentes de Información Hidrométrica y Pluviométrica Existen diversas fuentes para adquirir información hidrométrica y pluviométrica, sin embargo, la más importante sería el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI), la cual está a cargo de la mayor parte de las estaciones de medición distribuidas en el país. Adicionalmente, puede hallarse información en Electro Perú, el Instituto Nacional de Recursos Naturales (INRENA), Proyectos Especiales de Desarrollo y empresas mineras de nuestro territorio.

12 Información hidrométrica y/o pluviométrica que debe adquirirse Si el curso de agua a estudiar cuenta con una estación hidrométrica cercana a la ubicación del cruce, debe adquirirse el registro de caudales máximos, el cual suele ser proporcionado a nivel mensual, para un cierto número de años. Si el caudal máximo de diseño debe estimarse a partir de información pluviométrica, debe adquirirse el registro de precipitación máxima en 24 horas, el cual también suele ser proporcionado a nivel mensual, para un cierto número de años. De contarse con información pluviográfica, lo cual no es usual, debe adquirirse el registro de intensidades máximas, el cual suele ser proporcionado para diferentes duraciones de tormenta, para un cierto número de años.

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15 Delimitación de la Cuenca Hidrográfica En el caso de una determinación del caudal máximo de diseño a partir de un registro de caudales no suele ser necesario efectuar una delimitación de la cuenca hidrográfica del río a estudiar, sin embargo, esta puede efectuarse con el fin de establecer la magnitud de esta cuenca (área) para relacionarla con el caudal máximo obtenido, sólo como descripción. En el caso de una determinación a partir de registros de lluvia sí es imperativo delimitar la cuenca hidrográfica del río o quebrada y determinar algunas de sus características físicas, parámetros que serán utilizados para la estimación precipitación-caudal.

16 Características Físicas - Cuenca Buenqueme

17 Análisis de Frecuencia de Datos Hidrológicos La información hidrométrica y pluviométrica disponible es histórica, con eventos cuyo patrón de ocurrencia debe ser analizado a fin de establecer la probabilidad de que se presente un evento superior al que se consideraría en el diseño o, recíprocamente, a partir de una probabilidad de excedencia adoptada, establecer cuál sería el evento de diseño. La probabilidad de excedencia viene a ser la frecuencia, la cual es equivalente a la inversa del periodo de retorno (tiempo promedio en años transcurrido entre los eventos que igualan o exceden determinada magnitud en determinado lugar).

18 Modelos de Análisis de Frecuencia Utilizados Gumbel Log Normal Log Pearson Tipo III

19 Selección de la Muestra de Datos Hidrológicos para Análisis Se dispondrá inicialmente de un registro histórico con un dato por mes y por año a partir del cual se obtendrá una muestra de longitud igual al número de años en los que se cuenta con información (longitud del registro en años). Lo usual es tomar un valor por año hidrológico: el máximo valor anual de la variable hidrológica analizada. El año hidrológico se inicia con el inicio del periodo de avenidas y finaliza con el término del periodo de sequías, periodos que se suceden año a año. Existen otras metodologías para elaborar la muestra, sin embargo, la indicada previamente es la recomendable para el rango de periodos de retorno utilizados en el diseño de puentes.

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21 Periodos de Retorno Utilizados para el Diseño de Puentes El periodo de retorno es un parámetro de diseño determinante. Si bien en el caso de puentes suele considerarse un periodo de retorno de diseño de 100 años, la entidad que solicita el proyecto debe indicar en los Términos de Referencia cuál será el periodo de retorno a considerar para el diseño. En algunos casos puede recomendarse incrementar el periodo de retorno indicado en los Términos de Referencia; ello dependerá de la importancia de la estructura y las pérdidas que podrían resultar si esta falla. En algunos casos se requiere que la socavación sea evaluada tanto para el periodo de retorno de 100 años como de 500 años.

22 Resultado del Análisis de Frecuencia Caudal máximo para el periodo de retorno solicitado. Precipitación máxima en 24 horas para el periodo de retorno solicitado. Intensidad máxima para distintas duraciones de tormenta para el periodo de retorno solicitado.

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24 En el caso de una estimación a partir de los datos de lluvia

25 Elaboración de la Curva Intensidad- Duración correspondiente A partir de la precipitación máxima en 24 horas determinada para el periodo de retorno de diseño solicitado puede estimarse cuál sería la precipitación correspondiente a duraciones menores a 24 horas. Para ello se utilizan factores determinados regionalmente. Entonces puede estimarse la intensidad para tales duraciones. El gráfico de estos valores intensidad-duración viene a ser la curva ID para el periodo de retorno considerado. Esta curva es utilizada directamente en el Método Racional.

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28 Elaboración del Hietograma de la Tormenta de Diseño A partir de la curva ID puede elaborarse el hietograma de la tormenta de diseño, el cual es utilizado en el Método del Hidrograma Unitario. El hietograma utilizado es un hietograma de precipitación: incrementos de precipitación para determinados intervalos de tiempo.

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30 Finalmente, se habrá estimado el caudal máximo de diseño, esto es, el caudal máximo asociado a un periodo de retorno que tiene en cuenta minimizar el riesgo de falla del puente.

31 Estudio de Hidráulica

32 Métodos de Hidráulica Utilizados Flujo Gradualmente Variado Flujo Uniforme (excepcionalmente) Dinámica Fluvial General y Local

33 Información Necesaria Planos topográficos con curvas de nivel cada 0,50 m en un tramo de 1 km aguas arriba y 1 km aguas abajo del cruce (ubicación del puente). Características granulométricas del suelo (de preferencia perfiles estratigráficos) en la ubicación del cruce (a lo largo de la sección transversal). Condición de la superficie en lecho y márgenes en el tramo estudiado (presencia de vegetación, bolonería, palizada, etc.). De ser posible, fotografías aéreas (recientes y antiguas) que evidencien la dinámica general del cauce.

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37 Vista hacia aguas arriba

38 Vista hacia aguas abajo

39 Vista del lecho

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41 Características Hidráulicas Importantes Las características hidráulicas del flujo en la ubicación de la obra de cruce, en caso de presentarse el caudal máximo de diseño, son determinadas generalmente mediante técnicas de flujo gradualmente variado y sólo excepcionalmente como flujo uniforme. Son importantes: el nivel máximo que alcanzará la superficie de agua, el ancho superficial máximo correspondiente y la velocidad promedio en la sección. También será de utilidad conocer el régimen del flujo, la pendiente hidráulica, los esfuerzos cortantes actuantes sobre el lecho del cauce, el tirante medio hidráulico, el radio hidráulico.

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46 Estimación de la Socavación Potencial en Pilares y Estribos Socavación general: se estima según la profundización del lecho observada a lo largo de varios años y la tendencia a futuro. Socavación por contracción: se estima si los estribos del puente contraen el flujo en cauce, es decir, cuando la luz del puente es menor al ancho superficial máximo evaluado en un cauce sin puente o, también en el caso de una contracción natural del cauce. Socavación local: se estima si los pilares o estribos interactúan con el flujo en cauce, lo obstaculizan, creando una dinámica local que produce una mayor socavación. La suma de los tres tipos de socavación indicados viene a ser la socavación potencial total.

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53 Para la estimación de la socavación por contracción y local, se cuenta con fórmulas empíricas elaboradas por distintos autores. El U.S. Department of Transportation de la Federal Highway Administration (E.E.U.U.) recomienda el uso de la ecuación de Laursen para la socavación por contracción, la ecuación de la Colorado State University ( CSU ) para la socavación local en pilares y la ecuación HIRE (Highways in the River Environment) de la FHWA, para la socavación local en estribos. Fuente: HEC-18 (Hydraulic Engineering Circular N° 18).

54 Dimensionamiento del Puente desde el Punto de Vista Hidráulico Se puede indicar una luz de puente mayor al ancho superficial del flujo obtenido en la hidráulica del cauce sin puente; así se evita la ocurrencia de socavación local y sólo se tendrá que estimar la socavación general y por contracción. Si la luz del puente obliga a un modelamiento hidráulico con interacción del cauce y la estructura, se tendrá que estimar una socavación potencial mayor que incluya la socavación general, por contracción y local. Adicionando un borde libre apropiado a la elevación de agua máxima calculada, se determina la elevación mínima del tablero de puente (parte inferior). Restando la profundidad de socavación potencial al nivel mínimo del cauce (terreno), se determina la elevación máxima de cimentación de los apoyos del puente.

55 Comparación para Análisis de Alternativas

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59 Elevación Puente Buenqueme

60 Obras de Protección Son evaluadas según las características hidráulicas del flujo en el tramo estudiado, teniendo en cuenta la dinámica fluvial general. Enrocado de protección de diámetro adecuado. Gaviones caja y/o colchones de protección de dimensiones y calidad apropiados. Mampostería de piedra. Otro tipo de protección.

61 Finalmente, se habrá estimado las características hidráulicas del flujo ante el paso del caudal máximo de diseño, el efecto de esta hidráulica sobre el lecho y márgenes del río, y con ello, se habrá indicado los parámetros que desde el punto de vista hidrológico e hidráulico deben ser considerados en el dimensionamiento del puente.

62 Debe aceptarse que algunas estimaciones se basan en fórmulas empíricas que aún no son consideradas válidas para todos los casos, de modo que el criterio ingenieril debe estar presente en toda estimación; sin embargo, el avance logrado a la fecha en el conocimiento de las técnicas de hidrología e hidráulica utilizadas es tal que el estudio no puede limitarse al sólo uso de este criterio ingenieril.

63 La falla de un puente puede deberse a un diseño defectuoso o también puede ser resultado de los vacíos aún presentes en nuestro estado de conocimiento respecto a la compleja hidráulica fluvial; sin embargo, también es cierto que el diseño lleva asociado un riesgo y es posible la ocurrencia de un evento extraordinario superior al considerado en el análisis. No será posible la construcción de superestructuras que garanticen un riesgo cero.

64 Caso de la Quebrada Huanquimy Vista hacia aguas arriba

65 Vista hacia aguas abajo Vista del lecho

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