Parte 36 · Clase 355 de 830

ARQ-355 · Flotación, presión hidrostática y socavación: conceptos

Parte 36 · Clase desarrollada · Incorporada en v0.21.0.

Prerrequisitos conceptuales: ARQ-354, ARQ-184, ARQ-192, ARQ-194. Sin calendario. Casos y parámetros ficticios, salvo antecedentes atribuidos. Material de estudio; revisión externa especializada pendiente.

Pregunta central

¿Cómo transformar un nivel de agua en acciones sobre un elemento sin confundir presión, fuerza, empuje ascendente y pérdida de soporte por erosión?

Resultado y continuidad

Resolverás HID-MURO-01, una pared con agua a ambos lados, y HID-CAJA-01, un cuerpo cerrado idealizado. Son casos independientes de COSTA y PLU. La entrega incluye diagramas de presión, fuerzas, momentos y una lista de mecanismos que el cálculo no representa. La finalidad es interpretar demandas y límites, no elegir espesores, anclajes, drenajes ni métodos de intervención.

1. Una altura de agua necesita una superficie y un estado

Para calcular una presión hidrostática, el agua debe estar en reposo bajo las hipótesis del modelo. Se adopta densidad constante y una referencia atmosférica común. La presión manométrica a profundidad h es p=ρgh, relación que se obtiene del equilibrio de una columna de fluido [HAZ-HIDROSTAT].

h no es necesariamente la cota del agua respecto de un datum. Es la distancia vertical entre la superficie libre y el punto considerado. Si ambos se expresan en cotas, primero se resta. Un error de referencia puede convertir una distancia negativa en una presión inexistente.

El agua en movimiento incorpora otros mecanismos. Impactos, arrastre de objetos, cambios de nivel y distribución de velocidades no quedan cubiertos por una presión triangular estática. Separar mecanismos no implica que solo ocurra uno: permite determinar qué modelos hacen falta y evitar atribuir alcance universal al más sencillo.

2. Derivar fuerza y momento sobre una cara

Imagina una pared vertical de ancho b y una lámina de agua de profundidad h medida desde su base. Usa z positivo hacia arriba desde esa base. Entre cero y h, la presión manométrica es p(z)=ρg(h−z).

Una franja de altura dz recibe fuerza dF=b p(z) dz. Integrando desde cero hasta h:

F = bρg ∫₀ʰ(h−z) dz = bρg h²/2.

El momento de esa distribución respecto de la base es M = bρg ∫₀ʰ z(h−z) dz = bρg h³/6. Por tanto, la resultante actúa a M/F=h/3 sobre la base. No actúa en la mitad de la altura porque la presión aumenta hacia abajo.

El incremento cuadrático de F y cúbico de M explica por qué aumentar la profundidad no produce una modificación proporcional en ambos. Duplicar h cuadruplica la fuerza y multiplica por ocho el momento dentro de esta geometría, manteniendo b y ρ constantes.

3. Caso trabajado: restar distribuciones, no solo niveles

HID-MURO-01 tiene b=3 m. Un lado contiene agua hasta hₑ=2 m y el otro hasta hᵢ=0,50 m. La pared es suficientemente alta para ambos niveles. Adoptamos ρ=1.000 kg/m³ y g=9,81 m/s², sin flujo ni otras acciones en esta comparación parcial.

Las distribuciones actúan en sentidos contrarios. La fuerza neta es bρg(hₑ²−hᵢ²)/2. Resulta 55,18125 kN. El momento neto es bρg(hₑ³−hᵢ³)/6, que entrega 38,626875 kN·m. La resultante neta se ubica a 0,70 m de la base.

La diferencia de niveles es 1,50 m. Si se utilizara una distribución triangular de altura 1,50, se obtendría otra fuerza: habría eliminado la presión diferencial que existe sobre la parte inferior común. La presión neta es constante entre z=0 y 0,50 y triangular desde 0,50 hasta 2 m. Es un trapecio compuesto, no el triángulo obtenido restando alturas antes de elevar al cuadrado.

Figura 355. Se restan fuerzas y momentos de distribuciones compatibles. La presión diferencial en la base es 14,715 kPa; no representa toda la distribución mediante una fuerza uniforme.

4. Comprobación por dos regiones

Podemos comprobar F separando la zona inferior y superior. En los primeros 0,50 m, la diferencia de presión es ρg(2−0,50)=14,715 kPa. Su fuerza es 3×0,50×14,715=22,0725 kN, aplicada a 0,25 m sobre la base.

Sobre esa región hay un triángulo de altura 1,50 m y presión máxima 14,715 kPa. Su fuerza es 3×1,50×14,715/2=33,10875 kN, aplicada a 0,50+1,50/3=1 m sobre la base. Las fuerzas suman 55,18125 y los momentos 22,0725×0,25+33,10875×1=38,626875.

La segunda vía permite detectar errores en la posición de la resultante. No añade un nuevo criterio de aceptación. Para estudiar la pared faltan geometría estructural, conexiones, soporte, otras acciones y capacidades. La presión calculada no selecciona una solución constructiva.

5. Cambiar el agua interior cambia la demanda, no prescribe una acción

Si el lado interior estuviera seco, la fuerza exterior sería 58,86 kN y el momento 39,24 kN·m. La presencia de medio metro de agua interior reduce ambos en este modelo. Esa observación matemática no es una recomendación de permitir ingreso ni de añadir agua a un edificio.

Del mismo modo, retirar agua de un espacio puede cambiar diferencias de presión mientras el exterior mantiene otro nivel. La clase no indica procedimientos de bombeo: requiere evaluación competente de estabilidad, electricidad, contaminación y estados transitorios. El ejemplo sirve precisamente para mostrar por qué modificar un lado no es una operación físicamente neutra.

Los signos se conservan si cambia cuál lado tiene mayor nivel. Si hᵢ supera hₑ, fuerza y momento netos cambian de sentido bajo la convención. Borrar un signo negativo para mantener una flecha prevista eliminaría información esencial del resultado.

6. Empuje ascendente y cuerpo cerrado

El principio de Arquímedes relaciona el empuje resultante con el peso del volumen de fluido desplazado [HAZ-EMPUJE]. Puede derivarse integrando presiones sobre un cuerpo cerrado. No debe confundirse con la presión en un solo punto ni con la fuerza horizontal de la pared anterior.

HID-CAJA-01 es una caja ideal cerrada, apoyada, con planta de 5×4 m. El agua exterior llega 1,50 m por encima de su cara inferior; la cara superior está sobre ese nivel. Se supone que la presión del agua alcanza uniformemente la base, que no hay agua interior y que el interior está a presión atmosférica.

El volumen desplazado es treinta metros cúbicos y el empuje, 30×9,81=294,30 kN. Con peso adoptado de 260 kN, la diferencia ascendente es 34,30 kN. Un apoyo que solo comprime no puede producir una reacción descendente para mantener el equilibrio supuesto. El modelo detecta incompatibilidad del estado de apoyo bajo esas condiciones, no verifica qué ocurriría después.

7. Qué debe conocerse antes de interpretar el levantamiento

En una obra real, la presión bajo una base depende de acceso del agua, terreno, sellos, drenajes y transitorios. La hipótesis uniforme de HID-CAJA no se asigna automáticamente a una losa real. Tampoco se presume presión nula solo porque la base no es visible.

El peso necesita frontera: estructura, equipos y contenido permanente no son la misma cosa. Un volumen utilizable no siempre está lleno y no debe convertirse en lastre garantizado sin una condición respaldada. Las conexiones tienen geometría, rigidez y capacidad que no se infieren de su número.

No se propone añadir peso, perforar, abrir o anclar desde esta clase. Cada alternativa modifica demandas y funciones que necesitan revisión. La evidencia de aprendizaje es formular correctamente la incompatibilidad y pedir los antecedentes pertinentes, no improvisar una reparación.

8. Socavación: la frontera resistente también puede cambiar

La erosión puede retirar material alrededor de un apoyo y modificar las condiciones de transferencia. Eso es diferente de aplicar otra fuerza a una estructura cuyo soporte se considera invariable. La evaluación de socavación descrita por FHWA integra hidráulica, geometría, materiales e inspección [HAZ-SOCAV]. Aquí solo se consultaron resumen e índice, no se implementaron sus procedimientos.

Una fundación con geometría conocida no tiene automáticamente el mismo apoyo después de un cambio del terreno. Puede variar contacto, confinamiento o longitud libre de un elemento. La cuenta de presión anterior no predice esos cambios ni permite asignar una profundidad de socavación.

La revisión debe distinguir lo observado de lo oculto. Ver una erosión superficial no identifica toda su extensión; no observarla desde lejos tampoco demuestra soporte intacto. Se requiere investigación competente y condiciones seguras de acceso. Ningún dibujo del curso habilita una inspección durante una crecida.

9. Conectar las demandas con el proyecto

El arquitecto coordina geometría, usos, niveles e interfaces; especialistas de hidráulica, geotecnia, estructuras e instalaciones aportan modelos y capacidades propios. La matriz registra qué nivel y qué estado utiliza cada cálculo. Una pared evaluada con interior seco no se compara sin advertencia con una losa evaluada con contenido interior pleno.

La respuesta puede ser cambiar localización, reformular el programa o investigar alternativas, no necesariamente reforzar. Cada opción exige consecuencias sobre acceso, ambiente y mantenimiento. Un cálculo favorable de fuerza horizontal no compensa una incertidumbre de apoyo vertical.

ARQ-356 estudiará qué sucede después del ingreso de agua desde materiales y recuperación. No heredará una supuesta autorización de ingreso porque aquí haya cerrado un equilibrio ideal. Las diferentes evidencias deben mantenerse conectadas, pero no sustituidas.

Práctica independiente

Una pared de dos metros de ancho tiene niveles de 1,80 y 0,60 m a cada lado, con las mismas ρ y g. Calcula fuerza, momento y altura de la resultante neta. Comprueba por una región rectangular inferior y otra triangular superior.

Otra caja cerrada tiene base de doce metros cuadrados, agua exterior un metro por encima de su cara inferior y peso de 150 kN. Mantén las hipótesis hidrostáticas del caso y calcula la reacción vertical de compresión requerida. Explica por qué ese resultado no acredita seguridad global ni aptitud del suelo.

Autoevaluación y enlace

Puedes integrar presión, conservar signos y distinguir cambio de carga de cambio de soporte. Antes de avanzar, explica por qué no se debe transformar una comparación de niveles en una instrucción de bombeo. La siguiente clase separará secado, condición material y recuperación funcional.

Decisión pedagógica y posición curricular

Por qué existe

Esta clase existe para resolver una necesidad concreta del recorrido: ¿Cómo transformar un nivel de agua en acciones sobre un elemento sin confundir presión, fuerza, empuje ascendente y pérdida de soporte por erosión?

Por qué está exactamente aquí

Ocupa el lugar 5 de la Parte 36. Se estudia después de ARQ-354 · Marejadas, erosión costera y nivel del mar porque usa esa base para responder «¿Cómo transformar un nivel de agua en acciones sobre un elemento sin confundir presión, fuerza, empuje ascendente y pérdida de soporte por erosión?». Se ubica antes de ARQ-356 · Materiales y recuperación tras ingreso de agua porque la evidencia producida aquí debe estar disponible para ese paso.

• Prerrequisitos: ARQ-354, ARQ-184, ARQ-192, ARQ-194
• Capacidad que introduce: Resolverás HID-MURO-01 , una pared con agua a ambos lados, y HID-CAJA-01 , un cuerpo cerrado idealizado. Son casos independientes de COSTA y PLU. La entrega incluye diagramas de presión, fuerzas, momentos y una lista de mecanismos que el cálculo no representa.
• Clases o experiencias que dependen de ella: ARQ-356, ARQ-360

flowchart LR
    A["Prerrequisitos · ARQ-354, ARQ-184, ARQ-192, ARQ-194"] --> B["ARQ-355 · necesidad y fundamento"]
    S["Fuentes · HAZ-HIDROSTAT University Physics 1, 14.1: Fluids, Density, and Pressure + HAZ-EMPUJE University Physics 1, 14.4:…"] --> B
    B --> C["Actividad auténtica"]
    C --> D["Evidencia auditable"]
    D --> E["Continuidad · ARQ-356, ARQ-360"]

El diagrama permite comprobar una relación que el texto lineal oculta con facilidad: esta clase recibe capacidades previas, toma decisiones apoyadas por fuentes, exige una experiencia y produce evidencia que habilita trabajo posterior. No representa un procedimiento de obra.

Resultado observable, evidencia y evaluación

1. Identificar y delimitar las condiciones necesarias para responder la pregunta central de flotación, presión hidrostática y socavación: conceptos.
2. Producir y comprobar la evidencia declarada por la clase: Resolverás HID-MURO-01 , una pared con agua a ambos lados, y HID-CAJA-01 , un cuerpo cerrado idealizado. Son casos independientes de COSTA y PLU. La entrega incluye diagramas de presión, fuerzas, momentos y una lista de mecanismos que el cálculo no representa.
3. Justificar una decisión de flotación, presión hidrostática y socavación: conceptos mediante fuentes, supuestos, alternativas y límites explícitos.

Actividad, evidencia y criterio de aceptación

Actividad: Una pared de dos metros de ancho tiene niveles de 1,80 y 0,60 m a cada lado, con las mismas ρ y g. Calcula fuerza, momento y altura de la resultante neta. Comprueba por una región rectangular inferior y otra triangular superior.

Evidencia mínima: Resolverás HID-MURO-01 , una pared con agua a ambos lados, y HID-CAJA-01 , un cuerpo cerrado idealizado. Son casos independientes de COSTA y PLU. La entrega incluye diagramas de presión, fuerzas, momentos y una lista de mecanismos que el cálculo no representa.

Archivo sugerido: evidence/ARQ-355/evidencia.md.

Criterio de aceptación: la entrega se acepta cuando:

• La entrega responde explícitamente a la pregunta: ¿Cómo transformar un nivel de agua en acciones sobre un elemento sin confundir presión, fuerza, empuje ascendente y pérdida de soporte por erosión?
• La actividad conserva las fronteras del caso y permite reconstruir el procedimiento: Una pared de dos metros de ancho tiene niveles de 1,80 y 0,60 m a cada lado, con las mismas ρ y g. Calcula fuerza, momento y altura de la resultante neta. Comprueba por una región rectangular inferior y otra triangular superior.
• Cada afirmación externa puede seguirse hasta una fuente, su alcance consultado y su límite.
• La evidencia deja disponible una entrada comprobable para ARQ-356.
• Puedes integrar presión, conservar signos y distinguir cambio de carga de cambio de soporte. Antes de avanzar, explica por qué no se debe transformar una comparación de niveles en una instrucción de bombeo.

La rúbrica común complementa estos criterios; no los reemplaza. Una entrega puede superar un promedio y continuar pendiente si oculta una condición crítica.

Trazabilidad de las decisiones

La tabla permite auditar las relaciones; la explicación, el caso y la práctica de la clase siguen siendo la documentación principal.

Autoevaluación, recuperación y continuidad

Errores diagnósticos

Antes de avanzar, comprueba si puedes reconstruir cada resultado sin mirar la solución, señalar qué evidencia lo sostiene y nombrar una condición que obligaría a revisar tu decisión. Conserva la primera versión, la objeción recibida y la revisión.

Conexión siguiente: La continuidad inmediata es ARQ-356 · Materiales y recuperación tras ingreso de agua; conserva el método y vuelve a verificar datos y límites.

Fuentes y alcance de uso

Los casos, derivaciones, prácticas y figuras son originales. Fuentes nuevas consultadas el 23 de septiembre de 2026; las heredadas conservan su alcance. No se declara lectura íntegra cuando la consulta fue parcial.

[HAZ-HIDROSTAT] University Physics 1, 14.1: Fluids, Density, and Pressure

OpenStax / Rice University. https://openstax.org/books/university-physics-volume-1/pages/14-1-fluids-density-and-pressure

Consulta: Definición de presión y derivación de su variación con profundidad para densidad constante. Apoyo: Integrar presión sobre una superficie y mantener la frontera y la referencia atmosférica. Límite: Ejemplos y parámetros originales. Sin presiones dinámicas, impacto de objetos, dimensionamiento ni autorización de intervención.

[HAZ-EMPUJE] University Physics 1, 14.4: Archimedes’ Principle and Buoyancy

OpenStax / Rice University. https://openstax.org/books/university-physics-volume-1/pages/14-4-archimedes-principle-and-buoyancy

Consulta: Derivación conceptual de empuje y volumen desplazado. Apoyo: Distinguir fuerza ascendente, peso y condiciones de equilibrio. Límite: No se prescribe vaciar, inundar, lastrar o anclar una construcción. Se requiere investigación del sistema real.

[HAZ-SOCAV] Evaluating Scour at Bridges, HEC-18, Fifth Edition

FHWA; L. A. Arneson y colaboradores. https://www.fhwa.dot.gov/engineering/hydraulics/pubs/hif12003.pdf

Consulta: Ficha técnica y resumen del PDF de abril de 2012; índice de capítulos 3 y 4. Apoyo: Reconocer que evaluación de socavación relaciona hidráulica, suelos, geometría e inspección. Límite: No se leyó íntegro el manual ni se aplicaron ecuaciones de socavación, criterios de puentes o recomendaciones constructivas.