Definir correctamente un viaducto en HEC-Ras

Efectuar una simulación hidráulica de un viaducto o puente no consiste sólo en introducir la geometría del elemento en cuestión en el modelo. Para definir correctamente un viaducto en HEC-Ras es necesario, además, concretar cómo se acerca, cruza y se aleja el flujo. A continuación se presentan los pasos a seguir para definir correctamente un viaducto.

Cómo definir correctamente un viaducto en HEC-Ras

Para definir correctamente un viaducto en HEC-Ras se deben seguir las siguientes etapas:

  1. Definir las secciones transversales en el ámbito cercano al viaducto
  2. Definir los coeficientes de contracciones y expansiones del flujo
  3. Introducir los datos geométricos del viaducto
  4. Establecer las áreas inefectivas de flujo debidas a la geometría del viaducto
  5. Definir el modelo de aproximación del flujo al viaducto

Secciones transversales cerca del viaducto

Para introducir un viaducto en el modelo HEC-Ras no basta con definir sólo las secciones transversales inmediatamente anterior y posterior del viaducto (normalmente se ubican 1m aguas arriba y aguas abajo).

Es necesario definir dos secciones más para poder determinar la contracción y expansión del flujo que implica la existencia del puente, tal y como se muestra en la siguiente imagen del User Manual del programa:

Así pues, la definición de un viaducto requiere de 4 secciones transversales, dos aguas arriba (numeradas como 4 y 3) para considerar la contracción del flujo y dos aguas abajo (numeradas como 2 y 1) para considerar la expansión

La sección 4 estará una distancia Lc aguas arriba de la 3, y la sección 1 una distancia Le aguas abajo de la 2… Estas dos distancias son función de:

  1. la relación entre las rugosidades de Manning de las llanuras de inundación y cauce principal
  2. la relación entre ancho de la abertura del puente y la zona de la sección
  3. pendiente del cauce
  4. longitud promedio de obstrucción lateral (la media de los anchos de los estribos)
  5. los coeficientes de razón de expansión (RE) y de contracción (RC), obtenidos por tablas a partir de los cuatro parámetros anteriores… las tablas se pueden en el Apendice B del Hydraulic Reference Manual.

Multiplicando estos dos últimos coeficientes con la longitud promedio de obstrucción se obtienen las longitudes de expansión y contracción que definen la distancia entre las secciones 1-2 y 3-4 respectivamente.

Coeficientes de contracción y expansión del flujo

Los coeficientes de contracción y expansión del flujo son los que utiliza el modelo para determinar las pérdidas de energía de transición de dos secciones adyacentes. Los coeficientes son valores tabulados en el Hydraulic Reference Manual.

Normalmente, para los puentes se usan como coeficientes 0’3 para la contracción y 0’5 para la expansión-

Estos coeficientes deben aplicarse a las secciones 4, 3 y 2 que definen el ámbito del puente.

Introducir los datos geométricos del viaducto

Esta etapa no tiene el más mínimo secreto para los usuarios de HEC-Ras, que seguramente ya habrán introducido un gran número de viaductos en sus distintas modelizaciones.

Se determina la geometría del viaducto introduciendo los elementos que lo componen: tablero (deck), pilas (piers) y estribos (sloping abutment) mediante los datos de ancho de tablero y distancia hasta la sección 3, posición y elevación de los vértices (o en el caso de las pilas, su ancho, posición y elevación).

El resto de parámetros hidráulicos a definir juntamente con el tablero se suelen dejar con los valores por defecto o en blanco… Y evidentemente, un viaducto funcionará como un vertedero de cresta ancha (broad crested).

Áreas inefectivas de flujo

En un puente aparecen áreas inefectivas de flujo, es decir, no computables en los cálculos ya que el flujo no está siendo efectivamente transportado. Esto sucede en la superficie de sección transversal ocupada por los estribos, por lo que las áreas inefectivas se definen en las secciones 2 y 3 del viaducto, indicando una posición en la sección y una elevación.

Para la posición, como regla general se considera que las áreas inefectivas de flujo mantienen una relación 1:1, con lo que si la secciones 2 y 3 se encuentran a 2m del puente, las áreas inefectivas de flujo se colocaran a 2m a la izquierda y a la derecha de la apertura del puente.

Respecto a las elevaciones, en la sección aguas arriba (sección 3) se definirán un poco por debajo de la cota superior del tablero (unos 5cm) y en la sección aguas abajo (sección 2) un poco por debajo de la cota inferior del tablero.

Modelo de aproximación del flujo

Es aquí (Bridge Modeling Approach) donde se le indica al programa como debe considerar la aproximación del flujo y el paso de éste por el viaducto cuando el flujo es bajo (low flow methods), cuando el flujo es alto (high flow methods), o cuando se producen los dos (el caso típico cuando se estudian periodos de retorno de 10 años hasta 500 años).

Para estudiar los casos de flujo bajo, normalmente se seleccionan los métodos de energía, momento y Yarnell, introduciendo para estos últimos los coeficientes correspondientes en función de la forma de las pilas. Indicar al programa que se quede con el resultado con valor más elevado.

Para los casos de flujo alto, se debe escoger entre el balance de energía o flujo a presión/vertedero. Se escogerá el primer caso cuando el viaducto sea sólo una obstrucción al flujo (es decir, un simple estrechamiento de sección). Si el flujo va a llegar al tablero y/o sobrepasarlo, escoger la opción de presión/vertedero, y dejar los valores de parámetros hidráulicos por defecto (en blanco y 0’8 según la casilla)

… y el sentido común

Siguiendo todas estas etapas, habréis conseguido definir correctamente un viaducto en vuestro modelo. Sólo os quedará introducir los datos del flujo, correr el programa y observar los resultados. Es en este punto donde el trabajo del ingeniero hidráulico realmente empieza, observando los resultados obtenidos y analizándolos…

Normalmente, con los datos en la mano, el ingeniero ya tiene más o menos una idea en la cabeza de cuál es el resultado esperable (el régimen rápido, lento o mixto; los cambios de régimen, etc…)

Sólo queda comprobar que los resultados que ofrece el modelo se ajustan a lo que el sentido común del ingeniero le dicta… De esta manera puede encontrar incongruencias e incertidumbres en el resultado del modelo y poder actuar sobre él, corrigiendo los parámetros que no se han establecido correctamente durante la creación del modelo.

Documentación

A lo largo del artículo he ido haciendo referencia al User Manual y al Hydraulic Reference Manual. HEC-Ras es un software desarrollado por el US Army Corps of Engineers, totalmente gratuito y del que existen un buen número de manuales, apéndices, estudios, etc… a los que podéis acceder clicando aquí.

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11 Comments

  • pamenifor dice:

    Muy bien explicado.
    Me ha gustado sobre todo el apartado del sentido común, algunas veces crea HEC-RAS un modelo “bonito” pero que no se ajusta a la realidad.

    • Jordi Oliveras dice:

      Gracias por tu visita, lectura y participación, pamenifor!!!
      Me alegra que te haya gustado el artículo… y en especial lo del sentido común!!!
      Un saludo,

  • Juan dice:

    Excelente post, acorde con la calidad del blog. Muchos llevábamos mucho tiempo echando de menos una plataforma en castellano como esta. Aprovecho para lanzar una cuestión…

    Soy un iccp que llevaba tiempo in usar Hec-RAS y actualmente estoy modelizando un encauzamiento (=cajón constante de 10m de ancho x 7m de alto, pendiente de 1’5%, longitud de unos 800 metros). En un par de puntos del encauzamiento, hay dos puentes romanos de arco de unos 4 metros de anchura en planta. Sólo he colocado secciones “2” y “3” puesto que la invasión de los estribos en el cauce es despreciable (<0'5m) y por tanto entiendo despreciables las longitudes de contracción y expansión. No obstante, ambas secciones "2" y "3" tienen sus correspondientes zonas inefectivas y coeficientes de contracción y expansión (0'3 y 0'5 respectivamente).

    El caso es que al modelizar en régimen mixto y ver el perfil longitudinal, el agua no pasa suavemente por ojos los puentes sino que se "escalona" de una manera muy acusada. Parece como si el agua, justo antes de llegar al puente y sin necesitarlo aparentemente (pues su nivel "llega" claramente por debajo de la clave del arco), bajase a lo bestia. Tras bajar, pasa por el ojo del puente sobradamente y continúa su recorrido sin elevarse de nuevo.

    ¿Es normal este tremendo escalonamiento en arcos de este tipo? ¿puedo estar haciendo algo mal? Me gustaría poder mandar una imagen pero no sé como hacerlo.

    Un saludo

    • Jordi Oliveras dice:

      Juan, muchísimas gracias por tu aportación… Me alegra que el blog te parezca interesante…

      En cuánto a tu consulta, y a falta de más datos, pueden darse estas circunstancias:

      – Por la pendiente que indicas, el flujo parece que debería ser supercrítico, con lo que ante un estrechamiento de sección de paso el calado debería aumentar y no disminuir…. puede darse el caso que si las secciones previas a los puentes están muy alejadas se pierda información por el camino… Aunque la invasión es pequeña has definido unas áreas inefectivas y unos coeficientes de contracción elevados… Entonces sugiero que crees las secciones 1 y 4 del puente, y desde éstas interpoles secciones bastante próximas entre sí hasta llegar al puente para ver el comportamiento de la contracción… A lo mejor si el flujo es “poco” supercrítico te llevas la sorpresa que antes del puente hay un resalto a subcrítico con lo que entonces el estrechamiento produce descenso brusco de la lámina de agua y el escalón tendría sentido.

      – Por otro lado, está el Bridge Modelling Approach, que si el puente no tiene pilas en principio con calcular por Energy debería ser suficiente… De todas formas no está de más elegir la opción Momentum y activar la opción que el programa escoja el resultado de más energía y contrastar los resultados…

      Así a bote pronto no se me ocurre nada más… si te interesa contactar conmigo más directamente puedes hacerlo mediante correo electrónico a joliverasf@hidrojing.com

      Un saludo.

      • Oscar dice:

        Buenas tardes Jordi,
        Leyendo tu artículo me surge una duda sobre cómo modelizar la geometría del cauce después de construido el puente. Hay que dejar la geometría actual (anterior a la construcción del puente)? en este caso, podríamos tener un puente de 20 metros de luz pero cuyo ancho efectivo para la circulación del agua sea muy inferior. Por el contrario, si modificamos el lecho original, asemejaríamos el cauce a un rectángulo (mucha mayor capacidad hidráulica) pero estaríamos alterando el lecho. Qué opinas?

        • Jordi Oliveras dice:

          Hola Oscar. Gracias por la visita y por compartir tus inquietudes.

          Una vez construido el puente, para comprobar sus efectos sobre el flujo sólo hay que incorporarlo en el modelo hidráulico. Es la mejor manera de modelizar la geometría una vez construido el puente.

          Además, cuando se plantea la ejecución de un puente, hay que comprobar sus efectos con lo que se suele modelizar la situación actual sin puente, la solución futura con puente y se comparan los resultados, ya que la presencia del nuevo viaducto no debe representar perturbaciones para el paso de flujo.

          Un saludo.

  • […] Es el caso típico de los Bridges y los Culverts, donde la sección de paso respecto a la sección disponible es mucho más pequeña y se produce un efecto de contracción y expansión (como bien recordarás de una publicación anterior). […]

  • […] sabes, gracias al post que escribí sobre ello, que para definir correctamente un viaducto necesitas 4 […]

  • Luis Casiano dice:

    Buenas tardes, disculpa, para la modelación de flujo a presión, ¿existe restricción en cuanto a la longitud de la tubería? , Gracias!

    • Jordi Oliveras dice:

      Hola Luís… en primer lugar, comentarte que HEC-RAS no sirve para modelizaciones de flujo a presión.
      Dicho esto, para calcular un flujo a presión en otros programas, como EPANET por ejemplo, no hay restricción en cuanto a longitud.
      Saludos

  • Diego dice:

    Muy buenas, tengo un pequeño problema y la verdad que si no fuera por esta web tendría bastantes mas de lo que tengo ahora ;). Estoy definiendo un canal en hec-ras en el que hay cambios de sección (para obras de fábrica), he hecho los cálculos hidráulicos aparte y todas las secciones tienen capacidad para el caudal diseñado. El problema es que no sé porque motivo la lámina de agua se eleva notablemente en estas transiciones, el caso mas extraño a mi entender es que en un tramo paso de una secc. trapezoidal con un ancho de 3,5m y altura de 2,6 a una rectangular de 16m x 1,1m dónde a mi entender debería bajar bastante dicha lámina, pero ocurre todo lo contrario. He definido las 4 secciones necesarias y he hecho varias comprobaciones, ¿alguna idea de dónde podría estar el error? Muchas gracias de antemano.

    Saludos.

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