Estudo experimental da utilização de vanes como medida de mitigação da erosão localizada de pilares de pontes

Abstract

Em rios sujeitos a elevados caudais desenvolvem-se fenómenos erosivos devido à interação das forças hidrodinâmicas com o leito do rio. A presença de obstáculos no seio do escoamento, tais como pilares de pontes, pode originar erosões localizadas e colocar em risco a estabilidade da estrutura, ameaçando assim a integridade da vida humana. É por isso de elevada importância prever a profundidade máxima de erosão localizada em pilares e encontros de pontes. Na presente dissertação efetuou-se um estudo experimental da utilização de uma medida de mitigação da erosão localizada em torno de pilares fundados em leitos não coesivos, no caso de escoamento sem transporte de sólido. Foram utilizados dois pilares com 20 mm de dimensão transversal, um circular e outro alongado, sendo adotada como medida de mitigação a utilização de chapas verticais colocadas no plano longitudinal do pilar imediatamente a montante do mesmo (vane). Utilizaram-se três chapas de comprimentos diferentes (20, 40 e 60 mm). Foi utilizada uma areia de granulometria uniforme com diâmetro médio (D50) igual a 0,328 mm, sob um escoamento de superfície livre de altura igual a 5 cm com um caudal de 12,96 . Estudou-se a evolução temporal da profundidade máxima da cavidade de erosão em função da geometria do pilar. Verificou-se que a erosão localizada é mais acentuada na fase inicial do processo erosivo. Observou-se que nos pilares cilíndricos, com vane de 2 e 4 cm, a erosão é maior que nos pilares alongados. Pelo contrário, no caso do pilar alongado com vane de 6 cm, observa-se maior erosão do que no caso do pilar cilíndrico. Em todos os ensaios foi observado que o ângulo formado entre o fundo do leito da cavidade erodida e o nível inicial de areia é sempre maior a montante do pilar do que a jusante do mesmo. Com a implementação da medida de mitigação, os ângulos formados entre o fundo do leito da concavidade e o talude formado tiveram uma ligeira diminuição em relação aos pilares sem vanes, no caso dos pilares cilíndricos. Para os pilares alongados com esta medida de mitigação, na generalidade dos casos, não se observaram melhorias significativas. Foram feitos moldes da cavidade erosiva através de uma mistura de cera e parafina para posteriormente os dados serem trabalhados em computador. Foi possível identificar as zonas de erosão e sedimentação, assim como traçar as curvas de nível da cavidade de erosão.

Erosive phenomena occur in rivers which are subjected to a high flow due to the interaction between hydrodynamic forces and the river bed. The presence of obstacles on the flow, such as bridge piers, can originate scour and in this way endanger the structure’s stability and put human lives at risk. This is why it is so important to predict the maximum bridge piers’ scour depth. In this dissertation an experimental study on a mitigation measure of the clear water bridge piers scour, in non-cohesive beds, was performed. Two 20 mm transversal dimension piers, one elongated and one cylindrical, were used and vanes (vertical plates on the pier longitudinal symmetry plan located immediately upstream from the pier) were adopted as a scour mitigation measure. Vanes with three different lengths (20, 40 and 60 mm) were used. Uniform sand of equal granulometry , with an average diameter (D50) of 0.328 mm, under a flow with 5 cm water depth and of 12,96 m3h−1, was used. The temporal evolution of the maximum scour depth related to different geometric forms of the piers was studied. Maximum scour depth was observed in the beginning of the erosive process. In cylindrical piers, with 2 and 4 cm vanes, the erosion was higher than in the elongated pier case. The contrary occurred in the case of the elongated pier with 6 cm vane, which exhibited higher maximum scour depth than the depth observed in case of the cylindrical pier. In every experimental study it was observed that the angle between the river bed of the eroded cavity and the initial level of sand was always higher upstream of the pier than downstream of the same. With the implementation of the mitigation measure in the cylindrical pier, the angles formed between the riverbed cavity and the bottom of the bed evidenced a slight decrease from the simple piers case. In case of the elongated piers with this mitigation measure, no improvements on most of the cases were observed. Casts of the scour cavity were made with a mixture of paraffin and vaseline for posterior data treatment. It was possible to observe scour and sediment deposition, as well as obtaining contour lines.