MOLDE PARA CREAR RUGOSIDAD ARTIFICIAL CONTRA LA SOCAVACIóN

DESCRIPCIóN

CAMPO DE LA TéCNICA

La presente invención se refiere a una mejora en Ia prevención de Ia socavación o erosión alrededor de estructuras y objetos sumergidos en una corriente o flujo y que son construidos por vaciado. Tales estructuras pueden ser pilas y estribos de puentes, pilotes, columnas, soportes de estructuras o de equipo o de máquinas, conductos y otros objetos. Las estructuras mencionadas y objetos similares pueden estar apoyados, anclados, hincados o enterrados en el lecho o fondo o en las márgenes de una cárcava o barranca, de un cuerpo de agua o de un conducto artificial o de un medio fluvial, lagunar, estuarino, costero o marino.

ESTADO DE LA TéCNICA

Un problema frecuente en el caso de las estructuras y de los objetos sumergidos en cuerpos de agua que tienen movimiento es Ia socavación local o erosión de material del fondo en el que se apoyan, inducida por Ia alteración de Ia corriente o flujo causada por Ia presencia de esas estructuras y objetos. Dicha alteración consiste en aumentos locales de Ia velocidad y en Ia aparición de flujos secundarios y de estelas con remolinos o vórtices, llamadas estelas turbulentas. La socavación local desprende material del fondo alrededor de las estructuras y objetos y puede disminuir el apoyo de los mismos, amenazando así a su estabilidad y a su seguridad y a las de Ia superestructura correspondiente, en su caso.

A pesar del desarrollo técnico logrado a través de Ia investigación, tanto experimental como con ayuda de simulación numérica y con estudios de campo,

realizada en innumerables instituciones de muchos países, y a pesar del interés de los organismos encargados de Ia infraestructura de comunicaciones terrestres y de las enormes cantidades de dinero invertido en Ia búsqueda de soluciones, Ia socavación es Ia causa principal de los colapsos de los puentes en todo el mundo. Un 60 % de esos desastres se debe a dicho fenómeno; por ello, hoy en día es un factor de primera importancia en el diseño de dichas estructuras y un reto técnico urgente aún por resolver (Refs. 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 30) (Ver Lista de Referencias al final de ESTADO DE LA TéCNICA).

En el estado de Texas (Estados Unidos), que cuenta con 48.000 puentes y donde se construye entre 200 y 300 puentes al año, a un costo promedio de 500.000 dólares cada uno, colapsaron 1.000 puentes entre 1961 y 1991 ; en Estados Unidos, 18.000 puentes están considerados en estado crítico con respecto a Ia socavación (Ref. 5). El gran número de puentes existentes (más de 575.000 en Estados Unidos, más de 156.000 en el Reino Unido) (Refs. 7, 8, 9) da una indicación de Ia magnitud del problema, que tiene un impacto dramático en Ia economía. Los costos relacionados de manera directa con los colapsos de los puentes son siempre muy altos. Por ejemplo, aproximadamente un 19% de los fondos federales de emergencia de los Estados Unidos utilizados en el rubro de carreteras se emplea en Ia restauración de puentes; en el período 1980-1990, ello significó un promedio de 20 millones de dólares anuales (Ref. 3). Se debe sumar a los costos anteriores los costos indirectos resultantes de las graves afectaciones a las vías de comunicación y a los trastornos en muchas actividades; tales costos pueden ser aún más altos que los costos directos: Ia Federal Highway Administration de los Estados Unidos estima que dichos costos indirectos pueden ser cinco veces mayores que los directos (Ref. 30). También hay un costo de prevención de esos desastres: en Estados Unidos, se ha gastado unos 15 millones de dólares en los últimos 8 años en investigación acerca de fallas de puentes, principalmente por socavación en fondo arenoso (Ref. 5).

Las fallas de puentes también implican un riesgo importante para Ia seguridad pública: se han perdido vidas humanas en esos desastres.

El colapso de un puente por socavación inicia generalmente con Ia pérdida de apoyo de una o más pilas, que son las columnas intermedias que sostienen a Ia superestructura del puente. También puede fallar uno de los estribos, que son los apoyos de los extremos del puente, donde éste descansa sobre las márgenes del cauce.

Otros ejemplos de estructuras susceptibles a daño por Ia socavación local son los pilotes, las columnas, los soportes de estructuras o de equipo o de máquinas, las tuberías y otros conductos y estructuras y objetos similares, apoyados, anclados, hincados o enterrados en el lecho o fondo o en las •márgenes de una cárcava o barranca, de un cuerpo de agua o de un conducto artificial o de un medio fluvial, lagunar, estuarino, costero o marino.

La socavación local es producida por un flujo turbulento complejo, que resulta principalmente de Ia acción de dos mecanismos independientes, bien conocidos y estudiados por múltiples investigadores. Enseguida se presenta una breve explicación de esas dos diferentes causas del fenómeno, conocimiento que forma parte del estado de Ia técnica y que constituye Ia base de Ia presente invención.

a). Primer mecanismo: vórtice en herradura. La Fig. 1 muestra una estructura u objeto sumergido de forma cilindrica 10, apoyada en un fondo socavable o erosionable 11. El flujo 12 que incide contra el borde o zona de ataque, que es Ia cara o zona de Ia estructura que está dirigida hacia Ia dirección de donde proviene Ia corriente o flujo, es desviado hacia abajo; se genera así un flujo secundario que al chocar contra el fondo 11 produce el llamado vórtice en herradura 13. Este vórtice rodea a Ia estructura o al objeto sumergido y se propaga hacia aguas abajo, desprendiendo material del fondo 11 alrededor de dicha estructura; ese material es entonces arrastrado por Ia corriente, formándose así el foso de socavación 15.

El vórtice en herradura es especialmente importante en el caso de estructuras sumergidas en posición vertical o cercana a ella.

b). Segundo mecanismo: vórtices de von Karman (Fig. 1).- El flujo que rodea a Ia estructura o al objeto sumergido 10 produce vórtices 14 denominados vórtices de

von Karman. Dichos vórtices tienden a formarse periódicamente y alternadamente de un lado y del otro de Ia estructura u objeto sumergido y son arrastrados por el flujo. Dichos vórtices, como pequeños tornados, desprenden partículas del fondo y las ponen en movimiento; el flujo las transporta y se tiene de esta manera el segundo mecanismo de socavación. Los vórtices de von Karman forman parte importante de Ia estela turbulenta provocada por Ia presencia de Ia estructura o del objeto dentro del flujo.

La intensidad de Ia acción de este segundo mecanismo está relacionada con el comportamiento de Ia capa límite, que es Ia capa fluida de pequeño espesor que escurre en contacto con Ia estructura o el objeto sumergido. Dicha capa límite tiende a desplazarse permaneciendo en contacto con Ia estructura hasta que se presenta Ia separación de flujo, que consiste en que Ia capa límite se desprende de Ia estructura y es arrastrada por Ia corriente. En las Figs. 2 y 3 se muestra un fenómeno conocido por Ia Mecánica de Fluidos: Ia intensidad de los vórtices de von Karman y las dimensiones de Ia estela turbulenta dependen, a igualdad de las restantes características, de Ia ubicación de los puntos 16 del perímetro de Ia estructura 10 donde ocurre Ia separación de flujo; entre más alejado hacia aguas abajo estén esos puntos 16, Ia estela turbulenta 17 tendrá menores dimensiones y sus vórtices serán menos intensos. En Ia Fig. 3, los puntos de separación de flujo 16 se encuentran más hacia aguas abajo que en Ia Fig. 2, por Io que Ia estela turbulenta producida 17 es más pequeña y los vórtices tienen menor intensidad y, por Io tanto, producen menos socavación. Mi invención aprovecha este efecto, como se verá más adelante en este documento.

Si Ia profundidad del foso de socavación 15, determinada básicamente por Ia adición de los efectos de los dos mecanismos descritos, rebasa cierta magnitud, disminuye el apoyo de Ia estructura y hay riesgo para Ia seguridad de Ia misma.

En el caso de las estructuras y de los objetos enterrados totalmente en el fondo, Ia socavación, una vez que los pone parcialmente al descubierto, se acelera por los vórtices inducidos por las propias estructuras y objetos y expone a éstos a daños, por Io que pueden requerir mantenimiento frecuente, y en ocasiones, reparación o reconstrucción.

Por lo antes mencionado, en todos los casos de estructuras y objetos sumergidos en un medio líquido con movimiento o enterrados en el fondo respectivo es conveniente reducir Ia vorticidad causante de Ia socavación, para incrementar Ia seguridad de las estructuras o de los objetos involucrados, prolongar su vida útil y reducir los costos de mantenimiento o de reparación, en su caso.

El estado actual de Ia técnica consiste en enfrentar al problema con tres tipos principales de medidas dirigidas a reducir los efectos de Ia socavación alrededor de Ia estructura o del objeto sumergido:

1. La protección o recubrimiento del fondo o del cauce en Ia zona próxima a Ia estructura o al objeto sumergido, utilizando uno o más de los siguientes recursos: roca, estructuras monolíticas de concreto (hormigón) precoladas y coladas en el lugar, concreto triturado, terraplenes de piedras (pedraplenes), colchones o carpetas de varios tipos constituidos por elementos pesados tales como bolsas hechas de mallas de plástico o geotextiles rellenas de concreto o de piedras, capas de piedras de tamaños determinados retenidas y separadas por mallas de geotextiles, jaulas metálicas rellenas de piedras (gaviones), bloques de concreto unidos entre sí por cables de acero, columnas enterradas de llantas de desecho unidas por elementos metálicos, inyecciones de cemento fluido en el fondo, debajo y alrededor de una estructura sumergida y mezclado de dicho cemento con el suelo con ayuda de máquinas para solidificar Ia zona de apoyo, Ia generación de corrientes ascendentes por medio de pequeñas máquinas hidráulicas para contrarrestar el flujo secundario descendente, y otros recursos (Refs. 4, 9, 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 , 22, 23, 24, 25, 26, 27).

2. La incorporación a Ia estructura o al objeto sumergido (o cerca de él) de algunos apéndices o elementos (generalmente, de concreto armado) cuya forma ayuda a desviar al flujo alejándolo de Ia estructura u objeto sumergido o cuya posición y forma tienden a alejar a Ia socavación con respecto a Ia estructura u objeto sumergido, tales como espolones, deflectores de flujo en "V", bordes o extremos

semicirculares o triangulares, losas de protección, collares, pilotes de sacrificio y otros elementos (Refs. 4, 9, 10, 28, 29).

3. La construcción de Ia cimentación de las estructuras a profundidades considerables, mayores que las de socavación estimadas por medio de las fórmulas de cálculo disponibles. La razón es que tales fórmulas arrojan resultados poco confiables; sus márgenes de error son generalmente grandes. Además, Ia aplicación de las mismas es limitada porque no consideran los casos de flujos complejos, como son los que incluyen oleaje y corrientes, no toman en cuenta características geotécnicas complejas del fondo y sólo se aplican a formas simples de pilas.

La aplicación de esos tres tipos de medidas siempre es costosa: requiere tiempo y volumen adicionales de obra, implica el uso de elementos y de materiales cuya preparación, transporte y colocación requieren personal, equipo y maquinaria pesada y técnicas especiales. La presencia de oleaje o de alta velocidad del flujo complica las maniobras correspondientes. Además, estas medidas generalmente requieren mantenimiento, Io que incrementa su costo.

Desde el punto de vista funcional, las medidas descritas, que conforman el cuerpo principal del estado actual de Ia técnica, tienen como objetivo reforzar el fondo susceptible de socavación o alejar al fenómeno de socavación de Ia estructura u objeto a proteger o desplantar ésta a una profundidad que responde más a un temor de falla que a una decisión ingenieril, racional. Es decir, el estado de Ia técnica intenta, a gran costo y sin mucho éxito, reducir Ia socavación local, sin atacar a Ia causa misma del fenómeno. Las estadísticas de vulnerabilidad de las estructuras sumergidas a Ia acción de Ia socavación local muestran que Ia protección obtenida actualmente es deficiente y que hay una urgente necesidad de una mejor solución.

En el caso de las estructuras y de los objetos enterrados en el fondo de una masa líquida en Ia que hay corrientes, como las tuberías y conductos que cruzan corrientes naturales o zonas lagunares, estuarinas, costeras o marinas, el estado de

Ia técnica recomienda medidas como Ia adición de anclas o sujeciones al fondo y el enterramiento a profundidades considerables, Io que representa fuertes costos.

El estado actual de Ia técnica no considera, en ninguno de los casos citados, el control de Ia hidrodinámica responsable de los dos mecanismos principales que producen Ia socavación y que ya fueron descritos.

Nota: Esta invención tiene las mismas bases técnicas que Ia que he titulado

RECUBRIMIENTO CONTRA SOCAVACIóN Y FUERZA DE ARRASTRE EN ESTRUCTURAS, con referencia al expediente del solicitante 12136REC, que se refiere a una aplicación diferente y que presento simultáneamente con ésta.

LISTA DE REFERENCIAS DEL ESTADO DE LA TéCNICA

1. Jones, J. Sterling, Hydraulics Testing of Wilson Bridge Designs, Public Roads, Federal Highway Administration, U. S. Department of Transportation, http://www.tfhrc.gov/pubrds/maraprOO/hydra.htm

2. Khotyari, U. C; Ranga Raju, K. G., Scour Around Spur Dikes and Bridge Abutments, Journal of Hydraulic Research, VoI. 39, 2001, No. 4.

3. U. S. Geological Survey, Bridge Scour: It's Not Just Water Under the Bridge, http://www.usgs.gov/2001openhouse/exhibits/35-bridgescour.ht ml

4. Parker, Gary; Voigt, Rick, National Cooperative Highway Research Program, (NCHRP Project 24-7(2)), Countermeasures to Protect Bridge Piers from

Scour, http://www4.trb.org/trb/crp.nsf/AII+Projects/NCHRP+24-07

5. Briaud, Jean-Louis, SRICOS Sheds Light on Bridge Scour Problems, Texas Transportation Institute, http://tti.tamu.edu/product/ror/sricos.stm

6. Bell, Brian, Structural Integrity Monitoring Network (SIMoNET), Bridge Scour - the challenge to the SIM industry, http://www.ojpweb.co.uk/simonet/forum/viewtopic.php?t=11

7. Weissmann, José; Haas, Cari, Bridge Foundation Scour Monitoring, The

University of Texas, http://www.eng.utsa.edu/~josew/Scour.htm

8. Kamil H. M. AIi; Othman Karim, Simulation of Flow Around Piers, Journal of Hydraulic Research, VoI. 40, 2002, No. 2.

9. U. S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Summary of 1998 Scanning Review of European Practice for Bridge Scour and Stream Instability Countermeasures, http://www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/pubs/scanning review1998/sca ntxt.cfm

10. Kim, Ung Yong; Ahn, Sang Jin, Scour Countermeasure around Bridge Piers using Protection Devices, http://kfki.baw.de/conferences/ICHE/2000- Seoul/pdf/251/PAP_263.PDF

11. St. Anthony FaIIs Laboratory, University of Minnesota, River Engineering at SAFL, http://www.safl.umn.edu/research/applied/re/index.html 12. Porraz Lando, Mauricio José, FORMAS MODULARES PARA FABRICAR

RECUBRIMIENTOS ARTICULADOS DE ESPESOR, FILTRACIóN Y RUGOSIDAD CONTROLADA (Patente MX 204504, Octubre 4, 2001).

13. Porraz Jiménez, Mauricio, MEJORAS EN ELEMENTOS CONTENEDORES MIXTOS PLáSTICO-TEXTILES PARA SER LLENADOS CON

ARENA U OTROS MATERIALES GRANULARES O NO PARA CONSTRUCCIONES MARíTIMAS Y ACUáTICAS (Patente MX 163867, Junio 29, 1992).

14. González Herrera, Rafael, MEJORAS EN PROCEDIMIENTO PARA LA COLOCACIóN DE FAJINAS BAJO EL AGUA EN DESPLANTES DE ESCOLLERAS,

ROMPEOLAS O ESTRUCTURAS SIMILARES (Patente MX 167267, Marzo 12, 1993).

15. Yoshino, Masato; Ishikawa.Yoshikazu, MATERIAL AND CONSTRUCTION METHOD OF PREVENTION OF SCOUR FOR THE UNDERWATER STRUCTURE

(Patente US 6,305,876 B1 , Octubre 23, 2001).

16. Bilanin, Alan J., SYSTEM FOR ALLEVIATING SCOURING AROUND SUBMERGED STRUCTURES (Patente US 5,762,448, Junio 9, 1998).

17. Yasuhiro, Murakami, SCOUR PREVENTIVE MATERIAL (Patente JP 2000319842, Noviembre 21 , 2000).

18. Naoki, Noguchi et al., PREVENTING METHOD FOR SCOUR (Patente JP 5604601 1 , Abril 27, 1981).

19. Yasuhiro, Iwasaki, PREVENTION OF SCOURING OF BOTTOM-LANDING TYPE MARINE STRUCTURE (Patente JP 58185811 , Octubre 29, 1983).

20. Mamoru, Takasaki et al., SCOURING-PREVENTING DEVICE (Patente JP

61277708, Diciembre 8, 1976).

21. Matsuhei; Ogawa, SCOURING PREVENTION WORK FOR UNDERWATER STRUCTURE (Patente JP 61242209, Octubre 28, 1986).

22. Hitoshi, Hatano, METHOD OF PREVENTING SCOURING OF UNDERWATER STRUCTURE (Patente JP 61134409, Junio 21 , 1986).

23. Larsen Ole, APPARATUS FOR PREVENTING AND REDUCING SCOURS IN A BED SUPPORTING A BODY OF WATER (Patente GB 1383012, Febrero 5,

1975).

24. Texaco Development Corp., ARTICULATED ANTI-SCOUR MAT FOR MARINE STRUCTURES (Patente GB 1472486, Mayo 4, 1977). 25. Lee, Keun-Hee, METHOD FOR CONSTRUCTING SCOUR PROTECTION

OF BRIDGEAND STABILIZATION OF STREAM BED USING BLOCK MA T (Solicitud de Patente Internacional PCT/KR01/01823, Octubre 26, 2001).

26. Larsen, Ole Fjord, APPARATUS FOR PREVENTING EROSIóN OF THE SEABED IN FRONT OF HYDRAULIC STRUCTURES (Patente US 4,114,394, Marzo

8, 1977).

27. Kazuo, Ishino, SCOUR PREVENTING CONSTRUCTION METHOD (Patente JP 2000144675, Mayo 26, 2000).

28. U. S. Federal Emergency Management Agency, Flood Handhook, Chapter 3: Bridges, D. Scour (Piers & Ahutments), www.conservationtech.com/FEMA-WEB/FEMA-subweb-flood/01-06-FL OOD/3- Bridges/D. Scour. htm

29. Hadfield, A. C; Melville, B. W. Use of Sacrificial Piles as Pier Scour Countermeasures. Technical Note, Journal of Hydraulic Engineering, Volume 125, No. 11 , 1999, American Society of Civil Engineers. 30. Annandale, George W.; Melville, Bruce; Chiew, Yee-Meng, SCOUR CASE

STUDIES, Mitteilungsblatt der Bundesanstalt für Wasserbau Nr. 85 (2002) (Boletín Informativo No. 85 (2002) del Instituto Federal de Ingeniería e Investigación de Ríos y Canales (Alemania)).

DESCRIPCIóN DETALLADA DE LA INVENCIóN

La presente invención ataca al problema de Ia socavación local desde el origen mismo: modifica favorablemente al flujo próximo a Ia estructura o al objeto sumergido, a fin de reducir Ia intensidad y el efecto de los dos mecanismos principales de socavación ya descritos.

Mi invención consiste en un molde 20 (Fig. 4) que permite producir una rugosidad artificial, especialmente diseñada, en Ia superficie de las estructuras y objetos sumergidos en una corriente o flujo y que son construidos por vaciado. Dicha rugosidad tiene una influencia decisiva en las condiciones hidrodinámicas causantes de Ia socavación, ya que reduce el flujo secundario y el correspondiente vórtice en

herradura, por un lado, y también debilita a Ia estela turbulenta generada por el flujo alrededor de dichas estructuras y objetos, por el otro. Como resultado, disminuye Ia socavación local producida, Io que se traduce en una mayor seguridad de Ia estructura o del objeto sumergido o enterrado, en una prolongación de Ia vida útil de dicha estructura u objeto y en un ahorro en los costos correspondientes.

El estado actual de Ia técnica no toma en consideración a las características de Ia superficie de las estructuras sumergidas; el uso general es dar un acabado liso a dicha superficie, en el caso en el que Ia estructura es formada en un molde (como en el caso más frecuente, de estructuras hechas en concreto), y conservar Ia rugosidad natural del material utilizado, en otros casos.

Los fundamentos hidrodinámicos en los que se basa mi invención pertenecen al estado de Ia técnica de Ia Mecánica de Fluidos; su exposición se inició en el apartado de Estado de Ia Técnica y será ampliada más adelante.

La rugosidad artificial producida por Ia presente invención es de dos tipos específicos; cada uno de ellos tiene sus propias características y actúa de manera especialmente eficaz contra uno de los dos mecanismos de generación de vórtices descritos más arriba. Los tipos de rugosidad artificial y sus formas de operar son:

1. Rugosidad direccional 18 (Fig. 4 y Fig. 6).- Actúa eficazmente contra el primer mecanismo de socavación (vórtice en herradura). Recomiendo crear este tipo de rugosidad artificial en el borde o área de ataque de Ia estructura o del objeto sumergido (Ia zona o cara que está dirigida hacia Ia dirección de donde proviene Ia corriente o flujo), especialmente en el caso de estructuras y objetos en posición vertical o cercana a ella. Dicha rugosidad direccional debe estar constituida preferentemente por elementos rugosos lineales en forma de franjas: estrías (en bajorrelieve) o bordes salientes (en altorrelieve). Recomiendo que el trazo de dichas franjas sea tal que cumpla con una de las dos condiciones siguientes, o con una combinación de ambas:

a). Que guíe al flujo secundario, que se dirige hacia el pie de Ia estructura u objeto sumergido y que escurre en las proximidades del área de ataque,

desviándolo, de preferencia gradualmente, de Ia dirección vertical descendente (en Ia parte superior) hacia Ia dirección horizontal (en Ia parte inferior) de manera que dicho flujo secundario se comporte de una o de las dos formas siguientes:

a1). Que rodee por ambos costados a Ia estructura u objeto a proteger y se incorpore a Ia corriente sin llegar al fondo al pie de dicha estructura u objeto sumergido;

a2). Que sus líneas de flujo choquen entre sí, perdiendo así energía dinámica.

b). Que provoque Ia formación de vórtices a Io largo del recorrido de las líneas de flujo; dichos vórtices restan energía al flujo secundario y tienden a ser arrastrados por Ia corriente antes de llegar al fondo.

En ambos casos disminuye Ia magnitud del flujo secundario que incide en el fondo y, por tanto, se debilita al vórtice en herradura.

2. Rugosidad no direccional 19 (Fig. 4, Fig. 5 y Fig. 6).- Es especialmente eficaz contra el segundo mecanismo de socavación (vórtices de von Karman), aunque también actúa contra el primer mecanismo (vórtice en herradura) si se crea en el borde o área de ataque de Ia estructura o del objeto sumergido. Recomiendo producir dicha rugosidad artificial no direccional en Ia superficie sumergida de Ia estructura que no pertenece al borde o área de ataque.

La Fig. 5 muestra el tipo de rugosidad no direccional; consiste en un conjunto de elementos rugosos puntuales 19 en bajorrelieve o en altorrelieve de forma, tamaño y distribución tales que provocan que Ia capa límite laminar (formada por partículas que fluyen ordenadamente), que se desplaza en contacto con Ia superficie de Ia estructura o del objeto sumergido, se transforme en turbulenta (formada por partículas que fluyen caóticamente). Esta transformación da por resultado que Ia separación de dicha capa límite (Fig. 3) ocurra en puntos 16 localizados más aguas abajo que en el caso de una superficie lisa (Fig. 2), reduciendo así las dimensiones y

Ia intensidad de la estela turbulenta 17 de la estructura sumergida 10, Io que produce una menor socavación, como se explicó en el apartado referente al estado de Ia técnica.

En comparación con las distintas medidas y soluciones proporcionadas por el estado de Ia técnica, mencionadas en este documento, mi invención, además de permitir una mayor eficiencia en Ia reducción de Ia socavación, presenta las siguientes ventajas:

(a) Permite una reducción significativa en los costos de construcción, ya que Ia creación de Ia rugosidad artificial no requiere volúmenes adicionales de obra, ni tiempos adicionales de construcción, ni maquinaria, ni técnicas especializadas.

(b) Elimina los gastos de mantenimiento o de reparación de los medios o elementos usados contra Ia socavación, ya que Ia rugosidad producida no sufre desgaste ni deformación ni una consecuente pérdida de eficiencia, a diferencia de Ia mayoría de las soluciones convencionales, como las que funcionan a base de colchones o carpetas de geotextiles.

(c) Resiste cualesquiera condiciones hidrodinámicas de velocidad y de turbulencia, a diferencia de muchas de las soluciones que utilizan elementos colocados en el fondo y otras.

(d) Minimiza o elimina Ia necesidad de proteger el fondo y de construir apéndices o elementos agregados.

(e) No produce efectos parásitos de socavación aguas abajo de Ia estructura sumergida y que pueden llegar a afectar a dicha estructura, a diferencia de algunas de las soluciones pertenecientes al estado de Ia técnica.

(f) No interfiere con Ia estética de Ia estructura a proteger, puesto que Ia rugosidad producida se mantiene bajo el nivel de Ia superficie libre del agua.

(g) La tecnología es sencilla, de fácil transferencia y aplicación.

Un análisis detallado de Ia descripción de mi invención y de las figuras correspondientes permite apreciar otras modalidades de utilización y otras ventajas de mi invención con respecto al estado de Ia técnica.

El uso de rugosidad artificial para reducir Ia intensidad de Ia estela turbulenta como medio para disminuir Ia socavación local en estructuras y objetos sumergidos constituye una importante novedad técnica de Ia presente invención y es una aplicación original de dicho efecto de reducción de Ia estela turbulenta, ya conocido por Ia Mecánica de Fluidos y aplicado en otro campo de Ia técnica. Se emplea rugosidad artificial en las pelotas usadas en algunos deportes (béisbol, tenis, golf) para reducir las estelas turbulentas que dichas pelotas forman en el aire, aunque en estos casos el objetivo es disminuir Ia fuerza de arrastre, que es Ia fuerza que se opone al movimiento, y lograr mayores velocidades y mayores distancias de recorrido de dichas pelotas.

Los resultados favorables de Ia aplicación de Ia rugosidad artificial creada por esta invención han sido comprobados con 2 estudios experimentales en laboratorio de Hidráulica, utilizando modelos físicos reducidos con las características indicadas en Ia siguiente descripción abreviada; en dicha descripción se utiliza los siguientes parámetros hidrodinámicos adimensionales, de uso común en Ia Hidráulica:

Número de Fraude: F =

donde U es Ia velocidad media del flujo, g es Ia aceleración debida a Ia gravedad y d es Ia profundidad del flujo.

_T , UD Número de Reynolds: R = v

donde U es Ia velocidad media del flujo, D es el diámetro de Ia pila cilindrica y v es el coeficiente de viscosidad cinemática del líquido.

En el primer estudio, se utilizó un canal de sección rectangular de 0,56 metros de ancho, un caudal de 21 ,6 litros/segundo y como material de fondo, baquelita molida con una velocidad de inicio de movimiento de 0,14 metros/segundo. Se ensayó con pilas cilindricas con un diámetro de 0,07 metros y Ia profundidad de flujo fue de 0,27 metros. El Número de Fraude fue de 0,09 y el de Reynolds, de 8,8 X 10 ³ .

El segundo estudio se realizó en un canal de sección rectangular de 1 ,50 metros de ancho, con un caudal que varió entre 49,5 y 59,4 litros/segundo; el material del fondo fue arena y su velocidad de inicio de movimiento fue de 0,22 metros/segundo. Se creó rugosidad artificial en pilas cilindricas de 0,10 metros de diámetro; Ia profundidad de flujo varió de 0,12 metros a 0,20 metros. Los valores del Número de Fraude variaron entre 0,14 y 0,27 y los valores del Número de Reynolds, entre 1 ,7 X 10 ⁴ y 2,7 X 10 ⁴ .

Los resultados de ambos estudios de laboratorio mostraron una reducción significativa de Ia profundidad y del volumen del foso de socavación en pilas con diferentes alternativas de Ia rugosidad artificial, con respecto a los valores correspondientes a Ia pila lisa en las mismas condiciones hidrodinámicas.

Por Io anteriormente descrito, puede apreciarse que mi invención representa un avance considerable en Ia solución de Ia problemática relativa a Ia socavación local alrededor de las estructuras sumergidas. La solución aquí presentada incrementa Ia seguridad de dichas estructuras, aumenta Ia vida útil y reduce los costos y los tiempos de construcción, los de mantenimiento y, eventualmente, los de reparación o de reconstrucción.

BREVE DESCRIPCIóN DE LAS FIGURAS

Fig. 1 Mecanismos de socavación local (vista en perspectiva)

(ESTADO DE LA TéCNICA)

Fig. 2 Estela turbulenta de gran magnitud y de gran intensidad

(vista en planta) (ESTADO DE LA TéCNICA)

Fig. 3 Estela turbulenta de pequeña magnitud y de pequeña intensidad (vista en planta) (ESTADO DE LA TéCNICA)

Fig. 4 Molde con rugosidad direccional y con rugosidad no direccional

(vista en perspectiva)

Fig. 5 Rugosidad no direccional (vista de frente)

Fig. 6 Estructura sumergida con rugosidad artificial direccional y con rugosidad artificial no direccional (perspectiva).

MEJOR MéTODO CONOCIDO PARA EJECUTAR LA INVENCIóN

Se presenta las siguientes recomendaciones para llevar a cabo Ia ejecución de Ia invención, como ejemplo y no con Ia intención de limitar indebidamente el alcance de Ia misma.

La Fig. 4 muestra las características principales.

Recomiendo que el molde para crear Ia rugosidad artificial sea fabricado de un material tal como caucho o un polímero, plástico o un material similar que sea flexible y que no sea excesivamente elástico (para conservar las formas, las proporciones y las distribuciones de los salientes y de los bajorrelieves que servirán para crear Ia rugosidad artificial). La forma del molde puede ser Ia de una capa o placa cuyas dimensiones obedezcan a las siguientes indicaciones:

(a) espesor: el necesario para alojar a los salientes o a las oquedades que producirán Ia rugosidad artificial y además mantener un margen para conservar cierta resistencia al manejo;

(b) longitud: Ia necesaria para rodear a Ia estructura que se desea proteger de Ia socavación;

(c) anchura: Ia suficiente para que Ia rugosidad artificial actúe.

El molde puede ser utilizado en cuando menos dos formas:

(a) puede ser colocado dentro de los moldes para el vaciado del concreto (o del material similar utilizado para construir Ia estructura, en su caso), en Ia posición apropiada para crear en las zonas adecuadas de Ia estructura resultante los dos tipos de rugosidad artificial;

(b) puede ser sujetado rodeando exteriormente a Ia estructura ya construida, con una cierta separación para producir Ia rugosidad artificial en un material vaciado que sería utilizado para construir una cubierta alrededor de dicha estructura. En este caso, se puede colocar el molde según un perfil hidrodinámico, obteniéndose así una mejora en las condiciones del flujo y, por tanto, una reducción adicional de Ia socavación.

Recomiendo las siguientes características para los dos tipos de rugosidad artificial producidos por mi invención.

1. Rugosidad direccional.

En Ia Fig. 4 y en Ia Fig. 6 se muestra uno de los trazos posibles de los elementos rugosos lineales siguiendo los lineamientos establecidos en Ia descripción detallada de Ia invención; las estrías 18 mostradas en las figuras son una familia de curvas elípticas cuyo eje menor es vertical y cuyo eje mayor es horizontal. Puede trazarse dichas líneas con otras formas: arcos de círculos, parábolas, curvas no regulares, segmentos de rectas, etc. Las franjas pueden ser sustituidas por elementos rugosos puntuales alineados según las líneas mencionadas; Ia descripción de los elementos rugosos puntuales aparece más adelante, en el inciso 2, referente a Ia rugosidad no direccional.

Las características geométricas básicas que recomiendo para este tipo de rugosidad son las siguientes:

a. Estrías (en bajorrelieve):

Estrías con una profundidad de 0,5 centímetros a 5 centímetros y una sección transversal semicircular o rectangular, con un ancho igual al doble de Ia profundidad. Recomiendo un espacio libre entre estrías aproximadamente igual a Ia profundidad. Dichas estrías, sin embargo, pueden tener otras formas de sección transversal y otras dimensiones y proporciones.

Las estrías pueden ser sustituidas por depresiones o espacios entre elementos rugosos puntuales alineados según las curvas mencionadas; Ia descripción de los elementos rugosos puntuales aparece más adelante, en el inciso 2, referente a Ia rugosidad no direccional.

b. Bordes (en altorrelieve):

Altura de los bordes salientes: de 0,5 centímetros a 5 centímetros; recomiendo que su sección transversal sea preferentemente rectangular con las aristas redondeadas, con un ancho igual al doble de Ia altura. Se recomienda un espacio libre entre bordes salientes aproximadamente igual a Ia profundidad. Los bordes mencionados pueden tener otras formas de sección transversal y otras dimensiones y proporciones. Los bordes pueden ser sustituidos por elementos rugosos puntuales alineados según las curvas mencionadas; Ia descripción recomendada de los elementos rugosos puntuales aparece más adelante, en el inciso 2, referente a Ia rugosidad no direccional.

La zona o área de ataque de Ia estructura o del objeto sumergido es fácilmente identificable cuando Ia sección transversal horizontal de Ia estructura o del objeto sumergido es rectangular o cuadrada, ya que es el área sumergida que da frente a Ia corriente. En el caso de que Ia forma de Ia sección transversal horizontal de dicha estructura u objeto sumergido sea circular, el área de ataque puede ser definida como el área comprendida verticalmente entre Ia superficie libre del agua y

el fondo y, horizontalmente, entre dos líneas verticales trazadas sobre Ia superficie de Ia pila que da frente al flujo, definidas por dos radios horizontales que forman un ángulo de aproximadamente 10 grados sexagesimales a un lado y otro del radio paralelo a Ia dirección de Ia corriente.

2. Rugosidad no direccional.

Las características básicas que recomiendo para este tipo de rugosidad artificial son las siguientes:

a). Forma y tamaño de los elementos rugosos puntuales: de preferencia, en forma de ranuras (en bajorrelieve) o de salientes (en altorrelieve) de trazo circular y sección transversal semicircular. La Fig. 5 muestra esta geometría. Recomiendo que el diámetro exterior sea de 1 centímetro a 5 centímetros y el diámetro interior, de 0,6 centímetros a 3 centímetros, conservando entre el diámetro exterior y el interior una relación de aproximadamente 5/3. Dichos elementos también pueden tener otras formas, como: casquete esférico, cilindro, cubo, etc. y también tener otros tamaños. Las proporciones entre las dimensiones mencionadas también pueden ser diferentes.

b). Distribución de los elementos (Fig. 5): preferentemente, a tresbolillo; esto es, en filas paralelas y tal que los elementos de una fila correspondan con los espacios de Ia fila siguiente y se forme así una red de triángulos equiláteros. Recomiendo que el espacio libre entre elementos sea aproximadamente igual a Ia diferencia entre los diámetros exterior e interior del inciso anterior. También puede usarse otras distribuciones: rectangular, romboidal, irregular, etc.

Hay estructuras y objetos situados en cárcavas o barrancas y en cuerpos de agua en los cuales Ia corriente mantiene aproximadamente una sola dirección, como ocurre con las pilas y estribos de puentes en ríos sin influencia de Ia marea. En ese caso, recomiendo que mi invención cree los dos tipos de rugosidad en cada estructura u objeto: Ia rugosidad direccional o una combinación de los dos tipos de rugosidad en el área de ataque y Ia rugosidad no direccional en el resto del área sumergida de Ia estructura o del objeto.

En el caso de las estructuras y de los objetos situados en cuerpos de agua en los que Ia corriente puede presentarse en diferentes direcciones, como en un medio lagunar, estuarino, costero o marino, recomiendo que mi invención produzca uno de los dos tipos de rugosidad, o una combinación de ambos, en toda Ia superficie sumergida de Ia estructura o del objeto.

La Fig. 6 muestra una estructura sumergida de forma cilindrica en Ia cual mi molde ha creado rugosidad direccional 18 y rugosidad no direccional 19.

Aunque en este documento se presenta recomendaciones específicas respecto a las características de mi invención, dichas recomendaciones tienen el objeto de ejemplificar el uso de dicha invención y por tanto no son limitativas; es posible hacerles a dichas características diferentes combinaciones, modificaciones y adiciones, Io cual no altera el espíritu ni el alcance de mi invención, tal como aparecen en las reivindicaciones.

POSIBILIDADES DE APLICACIóN INDUSTRIAL

Mi invención puede utilizarse para aumentar Ia seguridad contra Ia socavación local e incrementar Ia vida útil, así como para reducir los costos de construcción, de mantenimiento o de reparación de estructuras y objetos sumergidos en una corriente o flujo. Esas estructuras pueden ser pilas y estribos de puentes, pilotes, columnas, soportes de equipo y de maquinaria, conductos y estructuras y objetos similares. Dichos objetos pueden estar apoyados, anclados, hincados o enterrados en el fondo o en las márgenes de cárcavas o barrancas o en medios fluviales, lagunares, estuarinos, costeros y marinos susceptibles de sufrir socavación por corrientes naturales tanto permanentes como efímeras, o en conductos artificiales.

También puede utilizarse Ia presente invención para reducir Ia estela turbulenta formada por estructuras y objetos sumergidos en un flujo y que forman parte de una obra hidráulica, como es el caso de las columnas y muros de apoyo de compuertas, de estructuras de cruce y de control, de los muros y columnas en cárcamos de bombeo, etc.