Uso Integrado de información de campo y laboratorio para caracterizar las estructuras turbulentas del flujo en torno a pilas de puentes

Abstract

Las pilas de puentes insertas en un cauce fluvial son sometidas a procesos de erosión local que pueden poner en riesgo a la integridad del puente en su conjunto. Estos procesos tienen su origen en la compleja configuración del flujo, caracterizada por la deflexión de las líneas de corriente, la turbulencia y diversos vórtices provocados por la propia presencia de la pila. La importancia que tienen los puentes en el sostenimiento de la red vial de un país ha motivado el desarrollo de gran cantidad de estudios para brindar metodologías que permitan predecir las máximas erosiones esperables junto a las pilas de puentes y asociar su desarrollo con las características del flujo que las determina. Si bien estas metodologías son muchas y de muy variados alcances la mayoría se sustentan en experimentos de laboratorio de reducidas dimensiones, sin considerar adecuadamente los posibles efectos de escala que ello podría acarrear. La propia complejidad del fenómeno en condiciones de prototipo y las dificultades de su completa medición ha limitado la disponibilidad de información del flujo en campo, impidiendo un contraste adecuado de ambas fuentes de información. El objetivo del presente proyecto consiste en caracterizar las estructuras turbulentas del flujo en torno a pilas de puentes mediante el uso combinado de información obtenida en prototipo y en modelos a escala de laboratorio. Metodológicamente el proyecto propone seleccionar un "prototipo" de pila de puente emplazado en un cauce fluvial y modelarlo a escala de laboratorio, con el fin de realizar mediciones del flujo en ambas situaciones, para condiciones hidráulicas equivalentes. Para cumplir con ello se deberá optimizar el proceso de medición tanto en el prototipo como en laboratorio, integrando diferentes tecnologías disponibles, factibles de aplicar en ríos. El tratamiento conjunto de los datos provenientes de campo y de laboratorio permitirá realizar un análisis integrado de los mismos, complementando la información proporcionada por cada set de datos. A partir de este análisis se pretende caracterizar las principales estructuras turbulentas que definen el fenómeno, identificando el grado de representatividad que tienen los datos de laboratorio en relación a los obtenidos en el prototipo y, en caso de encontrar diferencias sustantivas, analizar sus posibles causas y determinar las consecuencias que ello podría tener sobre los procesos de erosión resultantes.

The piers of the bridge, founded in a fluvial course, are exposed to local scour processes, that could put in risk de safety of the entire bridge. The origin of these processes is due to the complex configuration of the flow, whose main characteristics are: deflection of the streamlines, turbulence, and the existence of different vortexes caused by the presence of the pier. The relevance that the bridges have in the sustainability of the public transport network of a country has motivated researchers and technicians to develop a vast amount of researches. Based on these researches, several methodologies can predict the maximum scour depth around the pier and linking its development with the main variables of the flow that cause erosion processes. Most methods available in the literature, are based on laboratory experiments carried out in small flumes, with the scale effects can be introduced due to the use of this kind of experimental devices. The complexity of the phenomenon in prototypes and the difficulties to measures it entirely has restricted the amount of field data that describes de prototype flow conditions, not allowing the contrast between the field (prototype) and laboratory (model) data. The project has the following purpose: To characterize the turbulent flow structures around bridge piers, by the combined use of data measured in prototype (field data) and physical model (laboratory data). From a methodological point of view, a bridge pier placed in a fluvial course will be selected (prototype). This prototype will be scaled in a hydraulic laboratory. Once the prototype has been chosen, and the model has been built, a set of flow measurements will be done in both situations for equivalent hydraulic conditions. Both measurement processes will have to be optimized through the combined use of different available technologies to get the maximum information level. The integrated treatment of field and laboratory data will be the base to develop an integrated analysis where each data set will be complementary to the other. This analysis will give a characterization of the main turbulent structures which define the phenomenon, evaluating the representativeness of the laboratory data concerning the equivalent ones measured in the prototype. In case significant disagreements are found, the possible causes of these facts, and the incidence that these differences would have on the erosion design values will be analyzed.