Implementación de canal experimental de gran escala para estudio de socavación local

Abstract

La socavación sigue siendo el mayor causante del deterioro y colapso de los puentes en el mundo, provocando riesgo para la seguridad de la población y daños en la infraestructura vial. La investigación del fenómeno de socavación local en pilas de puentes a generado un número considerable de fórmulas teóricas y experimentales, definidas para un rango limitado de condiciones hidráulicas y geometrías de cepas, cuyos resultados difieren considerablemente entre sí, introduciendo gran incertidumbre en los métodos de diseños. Por lo que el Instituto Nacional de Hidráulica adquiere un canal a gran escala para profundizar el estudio de la socavación local en pilas de puentes bajo condiciones hidráulicas específicas de los cauces chilenos. El objetivo de este trabajo consiste en la implementación del canal de socavación del Instituto Nacional de Hidráulica, desde ahora INH, con la finalidad de generar documentos que normen la operación del canal, la preparación de los ensayos y establecer un protocolo para los experimentos. En este trabajo se recopilan diferentes sistemas de monitoreo de socavación local utilizados en las últimas décadas en canales de laboratorio alrededor del mundo, con el fin de conocer las nuevas tecnologías disponibles aplicables en modelos a escala y establecer la metodología de medición a implementar en INH. l canal, mediante el registro de 42 datos de condiciones experimentales, donde se relaciona la inclinación de la compuerta tipo clapeta ubicada al final del canal y la frecuencia de impulsión con la altura de escurrimiento, velocidad de aproximación y descarga de la bomba. Se prueban cuatro sedimentos con el objetivo de definir el tamaño de partícula requerido para trabajar en aguas claras y régimen supercrítico de forma simultánea, buscando reproducir condiciones particulares semejantes a cauces chileno. La metodología de experimentación se prueba mediante la realización de dos ensayos de socavación local en una pila de sección circular, bajo condición de aguas claras y régimen subcrítico en una arena uniforme (D50 = 1.03 [mm]). Se utiliza un velocímetro acústico de alta resolución (ADV Vectrino) para registrar el chequeo de fondo en el tiempo en un punto y posteriormente se procesan los datos para obtener la evolución temporal de la socavación. A partir de toda la información adquirida, se generan tres documentos que establecen la metodología de medición, el Anexo A corresponde al “Manual de Operación del Canal”, donde se detallan sus componentes y funcionamiento, además de definir los instrumentos requeridos para la investigación describiendo el método de instalación, operación y post-proceso de datos. El Anexo B corresponde al “Procedimiento de Manejo de Sedimentos” donde se plantean los pasos necesarios para reconstruir una curva granulométrica y extenderla en el canal. Y, por último, el “Protocolo de Ensayo” donde se describe la metodología de experimentación que detalla la preparación y ejecución de ensayos de socavación local en el canal del INH.

Scour continues to be the biggest cause of the deterioration and collapse of bridges in the world, causing risk to the safety of the population and damage to road infrastructure. The investigation of the phenomenon of local scour in bridge piles has generated a considerable number of theoretical and experimental formulas, defined for a limited range of hydraulic conditions and pile geometries, whose results differ considerably from each other, introducing great uncertainty in the design methods. This is why the Instituto Nacional de Hidráulica acquires a large-scale channel to deepen the study of local scour in bridge piles under specific hydraulic conditions of Chilean rivers. The objective of this work is the implementation of the scour channel of the Instituto Nacional de Hidráulica, from now on INH, with the purpose of generating documents that regulate the operation of the channel, the preparation of an essay and establish a protocol for the experiments. In the present thesis, different local scour monitoring systems used in the last decades in laboratory channels of the world are collected, in order to recognize the new available technologies applicable in scale models and establish the measurement methodology to be implemented in INH. The behavior of the parameters that control the hydraulic conditions of the channel is investigated, by recording 42 experimental condition data, where the inclination of the clapper-type gate located at the end of the channel and the impulse frequency are related to the flow depth, velocity and discharge of the pump. Four sediments are tested so as to define the particle size required to work in clear waters and supercritical regime simultaneously, seeking to reproduce particular conditions similar to Chilean rivers. The experimentation methodology is tested by carrying out two local scour tests in a circular section pile, under the condition of clear waters and subcritical regime in a uniform sand (D50 = 1.03 [mm]). A high-resolution acoustic velocimeter (vectrino ADV) is used to record the background check in time at one point and then the data is processed to obtain the temporal evolution of the scour. From all the information acquired, three documents are obtained that establish the measurement methodology, Annex A corresponding to the “Channel Operation Manual”, where its components and operation are detailed, in addition to defining the instruments required for the research, describing the method of installation, operation and post process data. Annex B corresponds to the “Sediment Management Procedure” where the necessary steps are proposed for the reconstruction of a granulometric and the form for extend in the canal. And finally, the “Test Protocol”, which describes the experimentation methodology that details the preparation and execution of local scour tests in the INH channel.