A erosão local, referente a um curso d'água, é explicada pela ação de um fluxo complexo que requer considerações de velocidades bidimensionais ou tridimensionais. Ocorre associado a singularidades ou obstáculos e não afeta as condições gerais do fluxo.[1].
Causas
A erosão local é causada por um fluxo que apresenta forte turbulência e pode desenvolver grandes vórtices.
Nas erosões locais, o fluxo bifásico é abruptamente acelerado ou retardado devido a flutuações de pressão, forças de elevação e variações nas tensões de cisalhamento.
As erosões locais resultam de:
Algumas das erosões locais mais frequentes estão listadas abaixo:
A análise conceitual dos fenômenos erosivos locais visa mostrar os mecanismos de erosão que ocorrem. Os processos de erosão local em pilares e encontros de pontes serão apresentados a seguir.
Erosão local em pilares de pontes
Contenido
Físicamente, el fenómeno consiste en que alrededor de la pila se dan velocidades localmente mayores que las medias de la corriente. Estas altas velocidades son producto del sistema de vórtices que se originan por la presencia de la pila y son los responsables de la socavación.
Existen dos modalidades distintas de erosión local:.
• - Primera modalidad. La corriente no es capaz de poner en movimiento el material del lecho del río, pero los vórtices pueden llevar a cabo la socavación (agua limpia). La erosión local comienza con una velocidad de aproximadamente la mitad de la velocidad umbral para el lecho en general.
• - Segunda modalidad. Durante las crecidas de un río, cuando existe un transporte general de sedimentos en el lecho al mismo tiempo que la erosión local (lecho vivo).
La naturaleza del equilibrio del foso es distinta en uno y otro caso; cuando se tiene una corriente de agua limpia (clear water) el equilibrio se manifiesta cuando y no se erosiona más el foso. En cambio cuando existe transporte de sedimentos en la corriente, es decir lecho vivo (live bed), el equilibrio se alcanza cuando el flujo de sedimento entrante es igual al saliente.
Minando em pontes
Introdução
Em geral
A erosão local, referente a um curso d'água, é explicada pela ação de um fluxo complexo que requer considerações de velocidades bidimensionais ou tridimensionais. Ocorre associado a singularidades ou obstáculos e não afeta as condições gerais do fluxo.[1].
Causas
A erosão local é causada por um fluxo que apresenta forte turbulência e pode desenvolver grandes vórtices.
Nas erosões locais, o fluxo bifásico é abruptamente acelerado ou retardado devido a flutuações de pressão, forças de elevação e variações nas tensões de cisalhamento.
As erosões locais resultam de:
Algumas das erosões locais mais frequentes estão listadas abaixo:
A análise conceitual dos fenômenos erosivos locais visa mostrar os mecanismos de erosão que ocorrem. Os processos de erosão local em pilares e encontros de pontes serão apresentados a seguir.
Erosão local em pilares de pontes
Contenido
Físicamente, el fenómeno consiste en que alrededor de la pila se dan velocidades localmente mayores que las medias de la corriente. Estas altas velocidades son producto del sistema de vórtices que se originan por la presencia de la pila y son los responsables de la socavación.
Existen dos modalidades distintas de erosión local:.
• - Primera modalidad. La corriente no es capaz de poner en movimiento el material del lecho del río, pero los vórtices pueden llevar a cabo la socavación (agua limpia). La erosión local comienza con una velocidad de aproximadamente la mitad de la velocidad umbral para el lecho en general.
• - Segunda modalidad. Durante las crecidas de un río, cuando existe un transporte general de sedimentos en el lecho al mismo tiempo que la erosión local (lecho vivo).
Curiosamente el equilibrio en el foso, para condiciones permanentes en el tiempo, es aproximadamente igual en ambos casos (ver figura). Por otra parte, la profundidad máxima del foso parece formarse si la corriente es tal que el fondo se encuentra en el límite entre el estado de reposo (aguas claras) y el de movimiento general del lecho (lecho vivo), es decir, en las condiciones de inicio del movimiento (ver figura 1).
Este proceso, si bien ha sido analizado para erosiones locales en pilas de puentes en laboratorios, puede ser observado en otros fenómenos de socavaciones locales.
Los elementos que aparecen en la erosión local en pilas (ver figura 2) son los siguientes:.
• - Flujo descendente aguas arriba;.
• - Vórtice en herradura, al pie del pilar; estas dos turbulencias socavan el fondo, junto a la base del pilar;.
• - Vórtice en estela aguas abajo del pilar; arrastra el sedimento erosionado.
• - Sobreelevación de la superficie del agua con pequeños remolinos de superficie.
La profundidad de erosión local es función de los siguientes parámetros:.
Donde:.
Con estas 8 variables y 3 dimensiones, es posible establecer 5 relaciones adimensionales. En Breusers y Raudkivi (1991) se desarrollan estas relaciones y se estudian los efectos de cada una de ellas. A manera de resumen, se presentan estos efectos a continuación:.
• - no uniformidad del sedimento, ;.
• - relación tamaño de la pila vs. sedimento, ;.
• - relación tirante aguas arriba vs. tamaño de la pila, ;.
• - alineación de la pila, ancho efectivo, proyectado en la dirección del flujo;.
• - forma de la pila (rectangular, circular, ovalada, etc.).
Unos de los trabajos más recientes en erosión de puentes, Melville et al (2000), agregan algunos efectos a los anteriores, de los cuales los más importantes son:.
• - intensidad del flujo, (velocidad media del flujo / velocidad umbral);.
• - forma de la fundación de la pila;.
• - geometría irregular del canal natural de aproximación al puente;.
• - efecto del tiempo;.
• - efecto del Número de Froude.
En los trabajos citados se desarrollan ampliamente los parámetros a tener en cuenta para
cuantificar estos efectos en la profundidad de erosión. En el presente apunte sólo se
propondrán algunas de las numerosas ecuaciones empíricas establecidas para la estimación
de la erosión local en pilas.
Equação de Richardson
Richardson em 1995 propôs:
Onde:.
Equação de Laursen
Laursen em 1958 afirma:
Onde as variáveis respondem às nomenclaturas e unidades descritas acima.
Tienen un proceso similar al de erosión en pilas. Algunos autores han testeado esta analogía comparando profundidades de erosión en pilas circulares y estribos con bordes semicirculares del mismo diámetro arribando a resultados del mismo orden de magnitud para pilas y estribos.
Lo que sí cambia el patrón de erosión es la longitud del estribo y su correspondiente obstrucción al flujo. Para estribos cortos el proceso puede observarse con claridad en la figura 3 donde se advierte la analogía entre en vórtice principal y el vórtice en herradura mostrado en la figura 2 de la erosión en pilas.
En estribos largos (ver figura 4), la estructura del flujo y la geometría del foso de erosión son similares a la de estribos cortos, excepto la componente del flujo descendente es menos significante y se generan fuertes recirculaciones o remolinos adelante del estribo y cerca de la pared o borde del canal. Debido a la profundidad del flujo en el foso de erosión existe un flujo bidimensional aguas abajo. La actividad erosiva es mayor cerca del borde del estribo donde el vórtice principal es más concentrado.
Para la estimación de la profundidad de erosión local en estribos Melville et al (2000), al igual que la erosión local en pilas, plantean la necesidad de analizar relaciones entre distintos parámetros y sus correspondientes efectos. Aquí se darán únicamente algunas de las ecuaciones empíricas más utilizadas.
Laursen propõe a seguinte equação, muito semelhante à que propôs para estacas circulares:
Onde: L é o comprimento do pilar [m] que efetivamente obstrui o fluxo (medido na direção perpendicular ao fluxo), as demais variáveis respondem à nomenclatura e unidades descritas acima.
Método Artamanov
Artamanov propõe a seguinte equação:
Onde:.
• - coeficiente que depende do ângulo em que o eixo do estribo forma com a corrente e responde à expressão; (a = ângulo entre o estribo e a corrente [radianos]).
• - coeficiente que depende da inclinação do pilar e responde à expressão; (k inclinação do pilar [k:1; horizontal:vertical]).
• - coeficiente baseado na relação do fluxo interceptado pelo encontro e o fluxo total de projeto; responde à equação (Qi fluxo [m/seg] que intercepta o pilar [i depende da margem analisada]; Q fluxo total de projeto [m/seg]).
Limitações dos métodos de estimativa de erosão local
Os procedimentos descritos são baseados em dados laboratoriais derivados de modelos de pontes idealizados. As limitações são devidas a:
• - fundações rígidas e ideais para maquetes;
• - canais laboratoriais retangulares e retos;.
• - fluxo uniforme e permanente;.
• - materiais de fundo frequentemente uniformes, homogêneos e não coesos.
Na natureza, onde as condições são substancialmente diferentes das do laboratório, a aplicação destas equações deve ser realizada com muito cuidado. Em geral, as equações apresentadas fornecem uma estimativa conservadora das profundidades de erosão.
local em todos os casos.
• - Bogárdi, János. Transporte de sedimentos em riachos aluviais. Akademiai Kiado Budapeste. 1978. 824 páginas ISBN 978-0-569-08252-5 (em inglês).
La naturaleza del equilibrio del foso es distinta en uno y otro caso; cuando se tiene una corriente de agua limpia (clear water) el equilibrio se manifiesta cuando y no se erosiona más el foso. En cambio cuando existe transporte de sedimentos en la corriente, es decir lecho vivo (live bed), el equilibrio se alcanza cuando el flujo de sedimento entrante es igual al saliente.
Curiosamente el equilibrio en el foso, para condiciones permanentes en el tiempo, es aproximadamente igual en ambos casos (ver figura). Por otra parte, la profundidad máxima del foso parece formarse si la corriente es tal que el fondo se encuentra en el límite entre el estado de reposo (aguas claras) y el de movimiento general del lecho (lecho vivo), es decir, en las condiciones de inicio del movimiento (ver figura 1).
Este proceso, si bien ha sido analizado para erosiones locales en pilas de puentes en laboratorios, puede ser observado en otros fenómenos de socavaciones locales.
Los elementos que aparecen en la erosión local en pilas (ver figura 2) son los siguientes:.
• - Flujo descendente aguas arriba;.
• - Vórtice en herradura, al pie del pilar; estas dos turbulencias socavan el fondo, junto a la base del pilar;.
• - Vórtice en estela aguas abajo del pilar; arrastra el sedimento erosionado.
• - Sobreelevación de la superficie del agua con pequeños remolinos de superficie.
La profundidad de erosión local es función de los siguientes parámetros:.
Donde:.
Con estas 8 variables y 3 dimensiones, es posible establecer 5 relaciones adimensionales. En Breusers y Raudkivi (1991) se desarrollan estas relaciones y se estudian los efectos de cada una de ellas. A manera de resumen, se presentan estos efectos a continuación:.
• - no uniformidad del sedimento, ;.
• - relación tamaño de la pila vs. sedimento, ;.
• - relación tirante aguas arriba vs. tamaño de la pila, ;.
• - alineación de la pila, ancho efectivo, proyectado en la dirección del flujo;.
• - forma de la pila (rectangular, circular, ovalada, etc.).
Unos de los trabajos más recientes en erosión de puentes, Melville et al (2000), agregan algunos efectos a los anteriores, de los cuales los más importantes son:.
• - intensidad del flujo, (velocidad media del flujo / velocidad umbral);.
• - forma de la fundación de la pila;.
• - geometría irregular del canal natural de aproximación al puente;.
• - efecto del tiempo;.
• - efecto del Número de Froude.
En los trabajos citados se desarrollan ampliamente los parámetros a tener en cuenta para
cuantificar estos efectos en la profundidad de erosión. En el presente apunte sólo se
propondrán algunas de las numerosas ecuaciones empíricas establecidas para la estimación
de la erosión local en pilas.
Equação de Richardson
Richardson em 1995 propôs:
Onde:.
Equação de Laursen
Laursen em 1958 afirma:
Onde as variáveis respondem às nomenclaturas e unidades descritas acima.
Tienen un proceso similar al de erosión en pilas. Algunos autores han testeado esta analogía comparando profundidades de erosión en pilas circulares y estribos con bordes semicirculares del mismo diámetro arribando a resultados del mismo orden de magnitud para pilas y estribos.
Lo que sí cambia el patrón de erosión es la longitud del estribo y su correspondiente obstrucción al flujo. Para estribos cortos el proceso puede observarse con claridad en la figura 3 donde se advierte la analogía entre en vórtice principal y el vórtice en herradura mostrado en la figura 2 de la erosión en pilas.
En estribos largos (ver figura 4), la estructura del flujo y la geometría del foso de erosión son similares a la de estribos cortos, excepto la componente del flujo descendente es menos significante y se generan fuertes recirculaciones o remolinos adelante del estribo y cerca de la pared o borde del canal. Debido a la profundidad del flujo en el foso de erosión existe un flujo bidimensional aguas abajo. La actividad erosiva es mayor cerca del borde del estribo donde el vórtice principal es más concentrado.
Para la estimación de la profundidad de erosión local en estribos Melville et al (2000), al igual que la erosión local en pilas, plantean la necesidad de analizar relaciones entre distintos parámetros y sus correspondientes efectos. Aquí se darán únicamente algunas de las ecuaciones empíricas más utilizadas.
Laursen propõe a seguinte equação, muito semelhante à que propôs para estacas circulares:
Onde: L é o comprimento do pilar [m] que efetivamente obstrui o fluxo (medido na direção perpendicular ao fluxo), as demais variáveis respondem à nomenclatura e unidades descritas acima.
Método Artamanov
Artamanov propõe a seguinte equação:
Onde:.
• - coeficiente que depende do ângulo em que o eixo do estribo forma com a corrente e responde à expressão; (a = ângulo entre o estribo e a corrente [radianos]).
• - coeficiente que depende da inclinação do pilar e responde à expressão; (k inclinação do pilar [k:1; horizontal:vertical]).
• - coeficiente baseado na relação do fluxo interceptado pelo encontro e o fluxo total de projeto; responde à equação (Qi fluxo [m/seg] que intercepta o pilar [i depende da margem analisada]; Q fluxo total de projeto [m/seg]).
Limitações dos métodos de estimativa de erosão local
Os procedimentos descritos são baseados em dados laboratoriais derivados de modelos de pontes idealizados. As limitações são devidas a:
• - fundações rígidas e ideais para maquetes;
• - canais laboratoriais retangulares e retos;.
• - fluxo uniforme e permanente;.
• - materiais de fundo frequentemente uniformes, homogêneos e não coesos.
Na natureza, onde as condições são substancialmente diferentes das do laboratório, a aplicação destas equações deve ser realizada com muito cuidado. Em geral, as equações apresentadas fornecem uma estimativa conservadora das profundidades de erosão.
local em todos os casos.
• - Bogárdi, János. Transporte de sedimentos em riachos aluviais. Akademiai Kiado Budapeste. 1978. 824 páginas ISBN 978-0-569-08252-5 (em inglês).