Definir correctamente un viaducto en HEC-Ras

25 de febrero de 2013

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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