Estudo numérico do escoamento e transporte de sedimentos em torno de pilares de pontes

Abstract

As pontes, dependendo da sua estrutura, podem possuir os seus pilares fundados no leito de rios. Com o surgimento destes elementos nos leitos dos rios ocorrem alterações no escoamento típico do rio, acentuando-se assim o transporte de sedimentos na proximidade dos pilares, fenómeno usualmente designado por erosão localizada. A erosão localizada de pilares de pontes assume elevada importância no que diz respeito à segurança de pontes, pois pode comprometer a sua estabilidade estrutural, ou mesmo ser uma possível causa do colapso. A presente dissertação teve como objetivo efetuar um estudo numérico do comportamento do escoamento em torno de um pilar, bem como efetuar o estudo numérico do transporte de sedimentos em torno do mesmo pilar. Assim o estudo foi efetuado recorrendo ao software de modelação numérica Delft3d. Foi simulado o escoamento no canal hidráulico do Laboratório de Hidráulica e Recursos Hídricos da Universidade do Minho, recorrendo a resultados experimentais para a validação do modelo. Foram simulados quatro cenários diferentes. O primeiro cenário teve por objetivo calibrar o modelo e validar os resultados obtidos a nível hidrodinâmico, enquanto o segundo cenário permitiu definir os resultados obtidos como um padrão para posterior comparação. Os outros cenários analisaram a influência da existência de ranhuras nos pilares como medida de alteração de escoamento com o objetivo de reduzir a erosão localizada. Os resultados obtidos permitiram constatar que é na zona a montante do pilar que ocorre a erosão, e observar a diminuição da velocidade com o aproximar do pilar, bem como, a sobre elevação da superfície livre. Já na zona a jusante do pilar o software apresentou algumas limitações ao nível do tratamento de sedimentos, sendo que na zona onde seria de se esperar que ocorresse também erosão apenas se observa sedimentação. A introdução de ranhuras no pilar originaram pequenas alterações no escoamento, observandose todos os fenómenos que se verificam sem a introdução das mesmas. Foi possível concluir que a introdução de ranhuras, com a configuração das do presente estudo, não constitui uma medida eficaz no combate ao fenómeno da erosão localizada verificada na proximidade de pilares de pontes.

Bridges, depending on their structure, can have their piers founded in a bed of sediments. This originates changes in a typical river flow that cause sediment transport in proximity of the pier, a phenomenon usually referred as scour. Bridge piers scour assumes great importance in what concerns the safety of bridges, and may therefore compromise their structural stability, or even be a possible cause of their collapse. This work aims to provide a numerical study of the flow around a pier as well as the study of sediment transport around the same pier. The study was performed using the numerical modelling software Delft3D. The flow in the hydraulic channel of Hydraulics Laboratory and Water Resources at the University of Minho was simulated, using experimental data to validate the model. Four different scenarios were simulated. The first scenario aimed to calibrate the model and validate the hydrodynamic results obtained, while the second scenario allowed to define the results as a standard for comparison. The other scenarios examined the influence of presence of slots in the flow trying reduce the localized erosion. The results showed that it is in the area upstream of the pier that erosion occurs. In this regions the decrease of main stream velocity, as the flow approaches the pier, is observed as well as the elevation of the free surface. In the downstream area of the pier, software evidenced some limitations in what concerns sediment transport, and in the area where one would also expect erosion to occur, only sedimentation was observed. The introduction of slots in the pier produced minor changes in the flow, verifying all the phenomena that occur without their introduction. So it can be concluded that the introduction of slots, with the configuration adopted in the present study, does not appear to be an effective measure to mitigate the phenomenon of bridge piers scour.