PRESA DE GRAVEDAD
Depende por completo de su propio peso para su estabilidad, es decir, las presas de gravedad son presas que resisten el empuje horizontal del agua totalmente con su peso propio. Su perfil es en esencia triangular, para asegurar estabilidad y evitar esfuerzos excesivos en la presa o su cimentación. Las presas de gravedad hechas en concreto por lo general se utilizan para bloquear corrientes de agua a través de gargantas estrechas. A causa de que su peso es el que sostiene el agua del embalse, las presas de gravedad hechas de concreto tienden a usar grandes cantidades de concreto, lo cual puede ser costoso. Pero muchos prefieren su apariencia sólida en lugar de las presas de arco o contrafuerte, que son más delgadas. Las presas de gravedad pueden ser construidas con llenos de tierra o roca o con concreto. También peden estar hechas con concreto, las cuales suelen ser muy costosas porque requieren de mucho material para su elaboración. Generalmente la base de una presa de gravedad hecha de concreto es aproximadamente igual a 0.7 veces su altura: b = 0,7 * h La forma de una presa de gravedad se asemeja a un triángulo. Esto se debe a la distribución triangular de la presión de agua. En la superficie del embalse el agua no está ejerciendo presión sobre la presa pero en el fondo, está actuando la máxima presión. La forma puede variar de manera insignificante, pero ninguna de estas formas puede ser utilizada para la simulación de una presa de gravedad si no se conoce la forma exacta. La inclinación sobre la cara aguas arriba hace que el peso del agua sobre la presa incremente su estabilidad. Las principales fuerzas que actúan sobre una presa son las fuerzas del agua del embalse, las fuerzas de levantamiento y peso del concreto. En el caso de la presa de gravedad se tiene que el agua empuja la presa pero su gran peso empuja la estructura hacia abajo, dentro del suelo
evitando su colapso. Pero también hay muchas otras fuerzas que pueden actuar sobre una presa de gravedad entre las cuales figuran: Puede haber agua en el lado aguas abajo de la presa, la cual tendrá el mismo tipo de fuerzas verticales y horizontales sobre la presa que el agua en el lado aguas arriba. Presión hidrostática interna: en poros, grietas y juntas. Variaciones de temperatura. Reacciones químicas. Presión de cieno, el cieno se reúne con el tiempo en el lado de aguas arriba. El cieno provee cerca de 1,5 veces la presión horizontal del agua y dos veces su presión vertical. Carga del hielo en el lado de aguas arriba. Carga de oleaje en el lado de aguas arriba. Cargas de sismo. Asentamientos de la fundación o de los estribos. Otras estructuras en la parte superior de la presa: compuertas, puente, carros. Fatiga del concreto (creep): Deformación del concreto cuando se encuentra bajo una carga constante por un largo período de tiempo.
PRESA DE ARCO
Presa El Atazar Tienen una considerable curvatura aguas arriba, de la cual depende su resistencia. La forma natural del arco (curva) sostiene el agua en el embalse. Estructuralmente trabajan como un arco horizontal, transmitiendo la mayor parte de la carga a los estribos o laderas del valle y no al lecho del valle. En términos estructurales la presa de arco es más eficiente que las presas de gravedad o las de contrafuerte, al reducir de manera considerable el volumen de concreto requerido, puesto que son más delgadas. El mejor diseño de una presa de este tipo es en el cual se tienen un arco doblemente curvado. Por lo general las presas de arco están hechas de concreto y son convenientes en casos en los que se tienen gargantas estrechas con estribos fuertes, es decir, son más adecuadas en localidades estrechas y rocosas. La mayoría de las veces la garganta tiene forma de V, aunque en algunos casos menos frecuentes, ésta tiene forma de U.
Las presas de arco generalmente se clasifican en delgadas, medianas y gruesas dependiendo de la razón entre el ancho de la base (b) y la altura (h): Delgada: b/h < 0,2 Media: 0,2 < b/h < 0,3 Gruesa: b/h > 0,3 Pero no hay generalización para la razón entre el ancho de la cresta (c) y el ancho de la base (b). Tradicionalmente la relación c/b a sido 1, es decir, el mismo grosor en la cresta y en la base, más a menudo se ha utilizado una relación de c/b igual a 0,5. Actualmente existen unas ecuaciones aproximadas que permiten estimar el ancho de la cresta y el ancho de la base de presas de arco de las cuales sólo se conoce su altura. Estos valores aproximados se utilizan para simular el comportamiento de la presa de la cual se desconocen las dimensiones mencionadas. Estas ecuaciones son: Ancho de la cresta: Altura * 0,2 Ancho de la base: Altura * 0,3 Las principales fuerzas que actúan sobre una presa son las fuerzas del agua del embalse, las fuerzas de levantamiento y peso del concreto. En el caso de la presa de arco se tiene que el arco se comprime con el empuje del agua y que el peso de la presa también empuja la estructura hacia abajo, dentro del suelo. Pero también hay muchas otras fuerzas que pueden actuar sobre una presa de arco entre las cuales figuran: Puede haber agua en el lado aguas abajo de la presa, la cual tendrá el mismo tipo de fuerzas verticales y horizontales sobre la presa que el agua en el lado aguas arriba. Presión hidrostática interna: en poros, grietas y juntas. Variaciones de temperatura. Reacciones químicas. Presión de cieno, el cieno se reúne con el tiempo en el lado de aguas arriba. El cieno provee cerca de 1,5 veces la presión horizontal del agua y dos veces su presión vertical. Carga del hielo en el lado de aguas arriba. Carga de oleaje en el lado de aguas arriba. Cargas de sismo. Asentamientos de la fundación o de los estribos. Otras estructuras en la parte superior de la presa: compuertas, puente, carros. Fatiga del concreto (creep): Deformación del concreto cuando se encuentra bajo una carga constante por un largo período de tiempo. Relativamente pocas presas de arco han fallado en comparación con las numerosas fallas de otros tipos de presas.
PRESA DE CONTRAFUERTE
Presa Chief Joseph El concepto estructural de las presas de contrafuerte consiste en un paramento continuo aguas arriba soportado a intervalos regulares por un contrafuerte aguas abajo. En otras palabras, en las presas de contrafuerte la cara de la presa está sostenida por un conjunto de soportes que refuerzan la presa en el lado aguas abajo. Las presas de contrafuerte pueden tomar muchas formas: la cara puede ser plana o curva. Por lo general, las presas de contrafuerte están hechas de concreto y pueden estar reforzadas con varillas de acero (concreto reforzado). El contrafuerte puede ser hueco o sólido. Las presas de contrafuerte macizo o de cabeza sólida, son las variantes modernas más notables de este tipo y, para propósitos conceptuales, pueden considerarse como una versión aligerada de la presa de gravedad. Las presas de contrafuerte generalmente necesitan sólo de un tercio a la mitad de la cantidad de concreto, en relación con las presas de gravedad de altura similar, pero no necesariamente son menos caras debido a la mayor cantidad de formas y de acero de refuerzo necesario. Como una presa de contrafuerte es menos masiva que una presa de gravedad, las cargas de la cimentación son menores y por lo tanto una presa de contrafuerte puede utilizarse en cimentaciones que son demasiado débiles para apoyar una presa de gravedad. Los paramentos de aguas arriba de las presas de machones generalmente tienen una pendiente aproximada de 45º y con un vaso lleno una gran componente vertical de la fuerza hidrostática se ejerce sobre la presa. Esta condición ayuda a estabilizar la presa contra el deslizamiento y el volcamiento. Además la altura de la presa de contrafuerte puede aum entarse extendiendo los contrafuertes y las losas. Por esta razón las presas de contrafuertes se usan con frecuencia donde se contempla un futuro incremento en la capacidad del vaso. Las principales fuerzas que actúan sobre una presa son las fuerzas del agua del embalse, las fuerzas de levantamiento y peso del concreto. En el caso de la presa de contrafuerte se tiene que el el agua empuja la presa pero los contrafuertes empujan en sentido contrario e impiden el volcamiento de la presa y que el peso de la presa de contrafuerte empuja la estructura hacia abajo dentro del suelo. Pero también hay muchas otras fuerzas que pueden actuar sobre una presa de arco entre las cuales figuran:
Puede haber agua en el lado aguas abajo de la presa, la cual tendrá el mismo tipo de fuerzas verticales y horizontales sobre la presa que el agua en el lado aguas arriba. Presión hidrostática interna: en poros, grietas y juntas. Variaciones de temperatura. Reacciones químicas. Presión de cieno, el cieno se reúne con el tiempo en el lado de aguas arriba. El cieno provee cerca de 1,5 veces la presión horizontal del agua y dos veces su presión vertical. Carga del hielo en el lado de aguas arriba. Carga de oleaje en el lado de aguas arriba. Cargas de sismo. Asentamientos de la fundación o de los estribos. Otras estructuras en la parte superior de la presa: compuertas, puente, carros. Fatiga del concreto (creep): Deformación del concreto cuando se encuentra bajo una carga constante por un largo período de tiempo.
PRESA DE TERRAPLÉN
Presa New Waddell Las presas de terraplén son presas masivas hechas de tierra o roca. Dependen de su peso para para resistir el empuje de agua justo como las presas de gravedad. Las presas de terraplén suelen tener alguna clase de interior a prueba de agua (llamada núcleo) la cual está cubierta con un lleno de tierra o roca. La hierba puede crecer en el lleno de tierra. El agua se infiltrará a través del lleno de tierra o de roca, pero no se infiltrará a través del núcleo, el cual es denso y a prueba de agua que evita la filtración del agua a través de la estructura. La principal fuerza que actúa sobre una presa de terraplén es la fuerza del agua. El peso de la presa es también una fuerza pero cada material tiene un peso diferente por lo tanto el peso no es mostrado como una fuerza en la forma en que se muestra en el caso de las presas de concreto. La fuerza de levantamiento también actúa sobre la presa de terraplén, pero parte del agua se infiltra dentro de la presa por lo que la fuerza no es la igual a la que actúa en una presa de concreto. Las presas de terraplén pueden ser hechas de tierra o roca, materiales que son permeables al agua, lo que significa que el agua pude entrar ellos. El material del núcleo es por lo general más a prueba de agua que la roca o la tierra que está en el exterior de la presa, pero el material del núcleo todavía no es totalmente impermeable al agua. El concreto tampoco es verdaderamente impermeable, pero este no permite tanta infiltración como sí lo hacen estos materiales.
Una presa de terraplén puede tener cualquier combinación de tierra, roca y material del núcleo en diferentes disposiciones. Las presas de cola (grandes estructuras que sostienen residuos de minería), son un tipo de presa de terraplén. En el caso de la presa de terraplén se tiene que el agua empuja la presa pero el gran peso de la presa empuja la estructura hacia abajo, dentro del suelo y evita que la presa colapse. Pero también hay muchas otras fuerzas que pueden actuar sobre una presa de terraplén entre las cuales figuran: Puede haber agua en el lado aguas abajo de la presa, la cual tendrá el mismo tipo de fuerzas verticales y horizontales sobre la presa que el agua en el lado aguas arriba. Presión hidrostática interna: en poros, grietas y juntas. Variaciones de temperatura. Reacciones químicas. Presión de cieno, el cieno se reúne con el tiempo en el lado de aguas arriba. El cieno provee cerca de 1,5 veces la presión horizontal del agua y dos veces su presión vertical. Carga del hielo en el lado de aguas arriba. Carga de oleaje en el lado de aguas arriba. Cargas de sismo. Asentamiento de la fundación o de los estribos. Otras estructuras en la parte superior de la presa: compuertas, puente, carros.
PRESA DE TIERRA
Presa Alcova Una presa puede denominarse de relleno de tierra si los suelos compactados representan más del 50% del volumen colocado de material. En general, las presas de tierra utilizan materiales naturales con un mínimo de elaboración o proceso y pueden construirse con el equipo primitivo en condiciones donde cualquier otro material de construcción sería impracticable. Las primeras presas que se conocen a lo largo de la historia del hombre son de tierra. Una presa de relleno de tierra se construye principalmente con suelos seleccionados cuidadosamente para la ingeniería, de compactación uniforme e intensiva en capas más o menos delgadas y con un contenido de humedad controlado. Las presas de tierra no son competitivas en costo con las de mampostería en todos los tamaños.
Al contrario que en las altas presas de arco y de gravedad que necesitan una cimentación en roca sana, las presas de tierra se adaptan rápidamente a las cimentaciones en el terreno natural. Este tipo de presas es una selección lógica para muchos sitios donde las condiciones de la cimentación harían poco satisfactorias las presas de concreto.
PRINCIPAL ES ELEMENTOS COMPO NENTES DE UNA PRESA A continuación se presenta un esquema de los principales elementos que componen una presa, particularmente las pequeñas, describiendo luego los mismos y su correspondiente dimensionado.
PRINCIPAL ES FUERZAS A CTUANTES 7.A) PESO PROP IO
Es una fuerza pasiva, fundamental y de carácter permanente, que colabora en la estabilidad. Depende de las dimensiones de diseño que se adopte y de los pesos específicos de los materiales usados.
¡¡ Es de suma importancia destacar que la principal solicitación a la que se encuentra sometida la estructura de una presa es la presión del agua !! 7.B) EMPUJE HIDROSTÁTICO
Es una fuerza activa y fundamental. Sus dos componentes principales son: horizontal, denominada H y vertical ó V; siendo la H la más importante en magnitud.
El EMPUJE HIDROSTÁTICO actúa hasta la base del cimiento y no hasta el nivel del terreno natural !!! 7.C) FIL TRA CIÓN
- Presión intersticial: debe ser controlada por la red de filtración diseñada y construida. - Siempre existen pérdida por infiltración: por ello se debe trazar la red de filtración y el filtro correspondiente, que oriente la red y líneas de flujo. - Se prevé el posible arrastre de material fino por el agua filtrada. - La presión hidrostática en el interior de la presa se le suma al sistema tensional de fuerzas actuantes. 7.D) EFEC TOS TÉRM ICOS
Son utilizadas sólo para presas de hormigón y se producen por retracción higroscópica. Ej: presa del Comahue, con hielo intersticial existente en la presa de material suelto. 7.E) SISMOS
Puede producir dos efectos en la presa: - Oscilación del terreno de apoyo que se trasmite a la base y estribos de la presa y produce tensiones suplementarias - Los desplazamientos por este motivo actúan sobre el agua que, por r eacción, da lugar a un empuje suplementario sobre el paramento. - Otro efecto adicional posible sería el oleaje producido y posterior vertido del agua sobre la presa - Otro efecto es el deslizamiento de los estratos de las laderas del embalse. 7.F) EMPUJE DE SEDIMENTOS
Se producen al disminuir la velocidad del agua al ingresar al embalse (es un efecto producido por la obra de represamiento). Ejerce una presión desde el pié de presa aunque el momento que genera es menor al hidrostático. El empuje se calcula por fórmulas de mecánica de suelos como Rankine. 7.G) OLEAJ E
El proceso de oleaje es de carácter intermitente y se produce a alturas de impacto variable sobre el paramento de aguas arriba. El peligro radica en que una presa de materiales sueltos podría sobrepasarla y verter sobre ella. Los empujes dinámicos son de poca intensidad como para tenerlos en cuenta. Se calcula un resguardo sobre el nivel máximo previsible.
- Otra forma es calcular el fetch o línea de agua (F) el cual es la máxima longitud entre la presa y la orilla más alejada
- Existen algunos métodos de cálculo para la altura de la ola (algunos en función de F), Stevenson propone la siguiente:
aunque la misma es más utilizada para distancias y alturas m arítimas puesto que pueden del alturas excesivas para ríos o lagos. Con el nombre de altura a designamos a la amplitud de la ola.
El empuje se puede suponer, con suficiente aproximación, como doble triangular respecto a la figura y dará un E = 2 x a2 por metro lineal Ejemplo: H presa = 100m; viento = 80km/h Fetch = 20km; a = 2,5m E = 12,5 tn/m lineal ⇒ Momento = 1250 tn.m/m lineal ⇒
Estos 2 últimos valores son el 0,25 y 0,75% de los empujes hidrostáticos. 7.H) EMPUJE DEL HIELO
Se lo tiene en cuenta en zonas muy frías y sólo cuando el espesor de la capa es mayor a 20cm, porque si es menor el pandeo por compresión lo absorberá. 7.I) OTRAS SOLICITACIONES
- Frenado de vehículos que circulan por sobre la cresta. - Viento, cuando las presas son delgadas.
7.J) COMB INACIÓN DE SOLICITACIONES
Como la mayor solicitación es el Empuje hidrostático, es conveniente considerar las situaciones típicas a las que podría someterse el embalse. Las típicas son cuatro: - Embalse vacío, durante la construcción: se considera al Empuje como nulo. Tener cuidado con las presiones internas o residuales por efecto de temperaturas o sismos - Nivel máximo normal (NMN): es el nivel máximo en explotación sin crecidas - Nivel para la avenida de proyecto (NAP): es superior al NMN, el embalse recibe y lamina la crecida máxima nominal. - Nivel para la avenida extrema (NAE): superior a la anterior, hay que definir el TR adoptado para esa creciente. 7.K) FILTRO S
Tienen dos funciones principales: - Permeabilidad: controlar el flujo del agua a través de la presa o terraplén. - Estabilidad: controlando las líneas de flujo, que no provoquen sobrepresión de filtración.
7.L) TIEMPOS DE RETORNOS PARA PEQUEÑAS OBRA S HIDRÁULICAS
Tiempo de Retorno de proyecto para pequeñas obras hidráulicas
(Viessman et al, 1977)