ANÁLISIS DEL ACABADO SUPERFICIAL EN PILAS DE PUENTES Y SU EFECTO EN LA PROFUNDIDAD DE SOCAVACIÓN, APLICANDO CFD

Abstract

La presente investigación contempla el estudio de la socavación local en pilas de puentes y como la implementación de acabados superficiales altera el flujo y por ende la reducción de la profundidad de socavación. A nivel mundial, más del 50% de las fallas de puentes en cauces se atribuye al fenómeno de erosión, producida por las condiciones hidrodinámicas del flujo. Por esta razón, una gran cantidad de estudios a nivel mundial se centran en predecir, analizar y buscar alternativas que ayuden a reducir la profundidad de socavación. Alternativas que van desde la protección del lecho hasta la implementación de acabados en las pilas con la finalidad de reducir los vórtices de estela y herradura del flujo. A pesar de que se han desarrollado diversas obras de control, tales como revestimientos a base de bloques de concreto, mallas, Rip-Rap entre otros, estas no son del todo efectivas y muchas veces sólo transfieren la problemática hacia aguas abajo, requiriendo de estudios más detallados para entender el comportamiento del fenómeno. Sin embargo, con los adelantos tecnológicos y computacionales en la actualidad existen herramientas como la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) que permiten entender el comportamiento de este tipo de fenómenos. Así, la presente investigación contempla el estudio de la socavación local en pilas de puentes en entornos fluviales mediante el uso de técnicas CFD para determinar los principales efectos de incorporar mecanismos de alteración de flujo, mediante la inclusión de acabados superficiales en las pilas con diferentes patrones geométricos (casquetes esféricos y hexagonales), con la premisa de reducir la capacidad erosiva del lecho provocada por los vórtices de estela y herradura generados por el flujo. Debido a la complejidad del fenómeno, para determinar las características ideales del acabado superficial y su influencia de sus componentes geométricos en la socavación local, se realizó la simulación en 3D a microescala del comportamiento hidrodinámico tomando como base un estudio experimental de un modelo físico a escala reducida, con ello fue posible establecer los criterios de desempeño del acabado en la evaluación de los dos mecanismos hidrodinámicos dominantes del vi proceso de socavación. Además, se logró determinar la altura de rugosidad (ks) del acabado superficial como una función asociada con la profundidad, separación y diámetro de casquete hexagonal o semiesférico. Se identificó que la altura de rugosidad reduce la profundidad de socavación e interfiere en la formación de la envolvente del foso de socavación, además la tendencia en la profundidad de socavación alcanzada decrece a medida que el grado de rugosidad se incrementa, aunque a medida que el número de Froude aumenta esta pierde influencia en la reducción de la profundidad de socavación. La combinación de los modelos de simulación Ansys Fluent, Flow3D e Iber en el análisis de la hidrodinámica del flujo y de la profundidad de socavación, fue un aspecto esencial en esta investigación, donde la explotación de sus capacidades individuales permitió obtener un esquema de trabajo viable y congruente con los requerimientos que demanda abordar un fenómeno multifásico de forma detallada, lo que resulta computacionalmente incosteable de manera directa tanto en 2D como en 3D. Por ello, determinar la rugosidad equivalente de los diferentes tipos de acabados superficiales, y su implementación en la determinación de la profundidad de socavación en los diferentes modelos (2D y 3D) permitió reducir los tiempos de cómputo en un 63% para el modelo Flow-3D y en un 86% en el modelo Iber 2D. Para comprobar la importancia del acabado superficial en pilas como mecanismo alteración del flujo para reducir la profundidad de socavación local, se evaluó el efecto de la rugosidad equivalente a macro escala en la subestructura del puente “Congreso-San Nicolas” compuesta por un grupo de pilas. El fenómeno de socavación fue analizado para 3 periodos de retorno 10, 20 y 50 años. Para el caso de una pila aislada se determinó la profundidad de socavación utilizado el modelo Iber, como resultado se obtuvo una reducción de la socavación en un 24% respecto al grupo de pilas con acabado liso. Además, se identificó como condición de estado más desfavorable a la pila aislada respecto al grupo de pilas, sin embargo, de acuerdo con lo observado en las profundidades de socavación destaca que la condición de rugosidad equivalente resulto ser eficiente en ambos casos.