Redução da erosão localizada de pilares de pontes recorrendo a ranhuras: evolução temporal e configuração das cavidades de erosão localizada

Abstract

O fenómeno da erosão localizada na vizinhança de pilares de pontes é uma das causas associadas ao colapso destas estruturas. É imprescindível prever a máxima profundidade da cavidade de erosão localizada em torno dos pilares porque a estrutura poderá entrar em rotura, dando origem a acidentes que poderão colocar vidas humanas em risco. A presente dissertação descreve um estudo experimental da erosão localizada sem transporte sólido, em torno de pilares fundados em leitos não coesivos. A implementação de uma ranhura no pilar como medida de mitigação de alteração do escoamento foi avaliada no caso de pilares circulares e alongados. Foram utilizados quarto pilares com 20 mm de dimensão transversal, sendo que num dos pilares circulares e num dos pilares alongados foi implementada uma ranhura que corresponde à medida de mitigação de alteração do escoamento. Foram utilizadas duas areias, uma uniforme e outra não uniforme, ambas com diâmetro médio igual a 0.328 mm, num escoamento com superfície livre com profundidade de água igual a 5 cm e um caudal igual a 12.96 m3h-1. A evolução temporal da máxima profundidade da cavidade de erosão foi estudada, e a topografia da cavidade de erosão foi analisada. Verificou-se que a profundidade maxima da cavidade de erosão evolui a um ritmo maior na fase inicial do processo erosivo. Pôde também verificar-se que a fase de equilíbrio é atingida mais rapidamente quando se utiliza areia não uniforme, comparando com a areia uniforme. Conclui-se que a máxima profundidade da cavidade de erosão é menor em pilares alongados do que em pilares circulares. Comparando os pilares com ranhura com os pilares simples, a profundidade da cavidade de erosão foi maior nos simples, e a medida de alteração do escoamento é mais eficaz em pilares circulares do que em pilares alongados. Observou-se que o ângulo entre a linha de maior declive do talude da cavidade de erosão e o nível inicial da areia é maior a montante do pilar, quando comparado com o de jusante. Os ângulos formados entre o talude da cavidade de erosão e o nível inicial da areia diminuem com a implementação da medida de mitigação de alteração do escoamento, tanto nos pilares circulares, como nos pilares alongados.

One of the causes associated with the collapse of bridges is the phenomenon of scour around bridges piers. It is important to predict the maximum scour depth around the piers, because the structure may collapse, originating accidents that may put human lives at risk. This work describes an experimental study of clear water scour around bridge piers, placed in a cohesionless bed of sediments. The use of pier slot as a flow-altering countermeasure against bridge scour is evaluated, in the case of circular and oblong piers. Four piers with 20 mm of transversal dimension were used, with one circular pier and one oblong pier that featured a slot, corresponding to a flow-altering countermeasure. Experiments were carried out with two different sands (uniform and non uniform) of equal mean diameter (0.328 mm), in a free surface flow with a water depth equal to 5 cm and a flow rate equal to 12.96 m3h-1. The temporal evolution of the maximum scour depth was studied and the topography of the scour cavity was analysed. It was found that scour depth increases very rapidly during the initial period of the erosion process. Time for the equilibrium depth to be achieved is smaller in case of uniform sand beds, than in case of non uniform sand beds. It was observed that the scour hole maximum depth was smaller in case of oblong piers, when compared with circular piers. Comparing piers with slot with simple piers, the scour hole maximum depth was higher in case of the simple piers, and the flow-altering countermeasure is more efficient in circular piers when compared with oblong piers. The angle between the bed of the scour cavity and the initial sand level is higher upstream from the pier, when compared with the angle of the downstream scour cavity slope. The angles between the bottom of the bed of the scour cavity and the initial sand level decrease with the implementation of the flow-altering countermeasure, both in circular and oblong piers.