TEMA 5
PRESAS DE CONCRETO
Las presas de concreto son estructuras de dimensiones tales, que “prácticamente” el cuerpo de las mismas está formado por hormigón en masa
Tiene por lo general, la sección transversal triangular
Pueden ser rectas o ligeramente curvadas en planta
Características: No son sensibles a los desbordamientos debido a condiciones extremas de inundaciones. El vertedor de excedencias, puede estar en el cuerpo de la presa, inclusive ocupando toda la longitud de la misma (medidas de control de la socavación aguas abajo). Habilidad inherente muy alta para soportar perturbaciones sísmicas sin colapsos catastróficos. Tuberías de salida, válvulas y otras obras se pueden albergar de forma segura y fácil en cámaras o galerías dentro de la presa. Son apropiadas (excepto las de arco) para valles anchos y angostos, siempre que la roca de cimentación sea buena y este a poca profundidad (menor a 5m) Tipos principales de presas de concreto Presas de gravedad Presas de arco → (predomina el cálculo estructural resistencia de Hº al corte y la fatiga en la roca) Presas de contrafuerte Cargas actuantes en presas de concreto:
Su determinación permite asegurar la estabilidad de la presa y de la cimentación
El análisis debe considerar estructuras tridimensionales asimétricas
Se expresan por metro de longitud de presa, es decir, se determinan para una sección transversal bidimensional con ancho unitario paralelo al eje de la presa.
Deben considerarse también cargas con sus componentes horizontales y verticales.
Clasificación de las cargas:
Primarias
Secundarias
Excepcionales
A). PRIMARIAS. son las de mayor importancia. El agua, el peso propio y la infiltración (subpresion) B). SECUNDARIAS. Son de menor magnitud Sedimentos, efectos térmicos, hielo, oleage. C). EXCEPCINALES. Son de aplicación general, limitada Poca probabilidad de ocurrencia Efectos tectónicos, sismos Magnitud de las cargas: a) Cargas primarias
Carga de agua Representa la distribución hidrostática de presiones Presenta componentes horizontal y vertical cuando el talud aguas arriba no el vertical
Carga del peso propio Determinado en base a un peso unitario apropiado del material Actúa en el centroide de la sección transversal
Carga de infiltración (sub-presión) Basado en los patrones de infiltración de equilibrio dentro y por debajo de la presa (subpresiones) Son fuerzas verticales (interna y externa) Actúa en el centroide del diagrama de sub presiones Métodos para reducir la sub-presión y el control de filtraciones: La fundación debe resistir a la acción dinámica del agua para garantizar la estabilidad de la presa. Ninguno de los siguientes métodos da garantía absoluta para anular la sub-presión, pero si logran disminuirla. a). Rugosidad. Hacer rugosa la superficie de la roca para lograr la mejor adherencia del concreto, aumentando la resistencia al paso del agua.
b). Drenaje. Construcción de una o varias filas de drenes cerca al talud aguas arriba, con el fin de recolectar el agua que pueda filtrarse por juntas, grietas o la cimentación. Requiere un diseño adecuado para evitar problemas Los drenes pueden ser tubos perforados de 20 a 40 cm de diámetro, espaciados de 2 a 5 m y que desembocan en la galería de inspección. c). Inyecciones. Tienen por objetivos, impermeabilizar la cimentación alargando el recorrido del agua y ligar la presa a la roca. d). Dentellones. Utilizados cuando las condiciones geológicas imposibilitan la construcción de sistemas anti filtrantes hincados. Permiten mejorar el contacto entre la placa de cimentación y la fundación, y para prevenir la peligrosa filtración en el contacto La profundidad de los dentellones es de 2m a 3m, aunque puede ser mayor si en el cálculo de estabilidad de la presa al deslizamiento se incluye el suelo ubicado entre los dentellones.
b) Cargas secundarias
Carga de sedimentos. Es producto de la acumulación de sedimentos durante la vida útil de la presa (volumen muerto) Es una carga hidrostática adicional
Carga de oleaje. Es una carga transitoria por efecto de las ondas de crecidas No importante
Carga de hielo. Considerable en lugares muy fríos (extremos) No importante Cuantificable si el espesor del hielo es mayor de 0.60 m Puede adoptarse como valor inicial 1.48 ton/m2
c) Cargas excepcionales
Cargas sísmicas. Cargas inerciales horizontales y verticales generadas por perturbaciones sísmicas. Actúan en el centroide del cuerpo de la presa y en el embalse.
Se estiman utilizando el enfoque simplista de análisis pseudoestatico o de coeficientes sísmicos. Las fuerzas de inercia se calculan en función de la aceleración máxima seleccionada y se consideran como equivalentes a las cargas estáticas adicionales (conservador) ANALISIS PSEUDOESTATICO: La intensidad de un sismo se expresa por los coeficientes de aceleración horizontal y vertical. Representan la razón entre las aceleraciones sísmicas pico en el terreno y la aceleración de la gravedad. Cargas de inercia (masa de la presa) Actúa en el centroide de la presa Cargas hidrodinámicas (reacción del agua) (vaso de la presa) Diagrama de distribución de presiones parabólica. Combinaciones de las cargas.
Diseño para combinaciones de cargas adversas más rigurosas
Suficiente tres combinaciones de cargas, por orden de severidad → Cargas normales → Carcas inusuales → Cargas extremas
Se definen en función a las características de operación del embalse.
PRESAS DE GRAVEDAD: Características:
Dependen por completo de su propio peso para su estabilidad
Su perfil es en esencia triangular
Pueden ser rectas o ligeramente curvadas en planta por razones de estética u otros (la acción del arco no influye en la estabilidad)
Están caracterizadas por contener grandes volúmenes de hormigón en masa (con diferentes resistencias)
Apropiadas para valles anchos, siempre y cuando la excavación en roca sea menor a 5m.
Permiten meteorización limitada de la roca.
Presentan esfuerzos de contacto moderados
Ampliamente difundidas por la sencillez de su esquema constructivo y métodos de ejecución.
Muy seguras para cualquier altura de presa y diferentes condiciones de emplazamiento.
Criterios de Diseño: Se deben considerar tres condiciones fundamentales:
Garantía de estabilidad
Control de filtraciones
Disipación de la energía en exceso del chorro vertido por la presa
Perfil de la presa: Debe satisfacer dos condiciones:
No debe existir esfuerzos de tracción en el concreto (obligatoria)
Que exista una suficientes estabilidad de todo el cuerpo de la presa al deslizamiento por la cimentación
Para esto el ancho mínimo de la base de la presa puede estimarse con: B≥0.60 Hmáx Para cumplir estas dos condiciones, deben introducirse algunos elementos constructivos:
Bordo libre, para contener el oleaje y el rebose sobre la presa
Dentellones aguas arriba, con el fin de aumentar la seguridad al deslizamiento de la filtración, aparición de grietas y permitir la instalación de equipos de medición en el interior de las presas.
Galerías para observar el comportamiento de la filtración, aparición de grietas y permitir la instalación de equipos de medición en el interior de las presas.
Ancho de corona de la presa: El ancho de corona de la presa se define por la altura total de la presa, por el tipo de material empleado en su construcción, las características hidrológicas de la región y por su posible uso como vía vehicular. Según el U.S. Bureau of Reclamation, el ancho mínimo debe ser 1.20 m. Deben realizarse dos análisis de tipo estructural:
Equilibrio estático, que implica la estabilidad al vuelco y al deslizamiento.
Equilibrio elástico, para verificar los esfuerzos normales con el fin de ver si exceden o no la capacidad portante de los materiales.
Estabilidad de presas de gravedad: Criterios de análisis. Rotación y vuelco Traslación y deslizamiento Sobreesfuerzo y fallas del material Los primeros dos criterios controlan la estabilidad estructural global. El segundo criterio es el más crítico de los tres. El tercer criterio debe cumplirse para presa de concreto y para cimentaciones en roca Supuestos para el análisis.
El concreto es homogéneo, isotrópico y uniformemente elástico
Todas las cargas actúan por la acción de la gravedad de voladizos con lados paralelos verticales (monolitos).
No ocurren movimientos diferenciales que afecten la presa o la cimentación como resultado de la fuerza del agua del embalse
Los análisis de estabilidad y esfuerzos, se sustentan en el supuesto de que se apliquen las condiciones de esfuerzo plano (análisis bidimensional).
A). Estabilidad al vuelco Se expresa a través de un factor de seguridad simple.
Este factor es función de los momentos que actúan alrededor del pie de la presa en cualquier plano horizontal. El factor de seguridad al vuelco se define como la relación entre la suma de todos los momentos estabilizantes y la suma de todos los momentos volcantes B). Estabilidad al deslizamiento Se expresa a través de un factor (FSD) que se estima utilizando una u otra de las tres siguientes definiciones: → Factor de deslizamiento (FSS) → Factor de fricción al corte (FSF) → Factor de equilibrio límite (FLE) La resistencia al deslizamiento en cualquier plano dentro de una presa es función de la resistencia al corte generada en la masa de hormigón. Los planos críticos son las juntas de construcción horizontales en la presa, mientras que en la base, la unión del hormigón con la roca es el plano crítico. C). Sobreesfuerzos y falla del material. Análisis de esfuerzos Se realizan a través del método de gravedad Este método se basa, además de los criterios de análisis en presas de gravedad (vuelco, deslizamiento y sobreesfuerzos), en el siguiente criterio: Los esfuerzos verticales sobre planos horizontales varían uniformemente entre los paramentos aguas arriba y aguas abajo (ley del trapecio)
PRESAS DE ARCO: Características: Son apropiadas para cañones angostos, sujeta aroca firme o uniforme con una resistencia alta. Permiten deformación limitada de su cimentación, y de manera especial en los estribos. Tienen una considerable curvatura aguas arriba Es la más sofisticada de las presas de concreto Son más eficientes que las presas de gravedad y las de contrafuerte Trabajan como un arco horizontal, transmitiendo la mayor parte de la cargas de aguas a los estribos o laderas del valle. Son presas aligeradas, es decir, permiten lograr un mejor empleo del material reduciendo considerablemente el volumen de hormigón requerido (entre 50 y 85%) Se adaptan a resistir una gran variedad de cargas, lo que garantiza su seguridad ante eventuales imprevistos Mayor economía en la cimentación (poca excavación) Presentan cargas muy altas en los estribos Estabilidad en presas de Arco:
Los conceptos de estabilidad al vuelco y al deslizamiento tienen poca relevancia
La falla puede producirse solamente como resultado de sobreesfuerzos
El diseño está centrado en el análisis de esfuerzos (elástico) por la teoría clásica del anillo
Análisis de esfuerzos Está basado en la aplicación clásica de la teoría del anillo elástico.
