Universidad Nacional de Cajamarca
Ingeniería Civil
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA SEDE JAÉN FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL DEPARTEMENTO ACADEMICO DE INGENIERIA DE RECURSOS HIDRICOS
TEMA
:
FUERZA HIDROSTÁTICA APLICADAS A PRESAS DE GRAVEDAD
CURSO
:
MECANICA DE FLUIDOS I
ALUMNO
:
VALDIVIA HERNADEZ EDISON ALIGHIERI
DOCENTE
:
ING. CORONEL DELGADO JOSE ANTONIO
FECHA
:
10/02/2011
CICLO – AÑO
:
V - III
JAÉN – PERÚ – 2011 Mecánica De Fluidos I
Presas de gravedad
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INTRODUCCIÓN
Una presa de gravedad de concreto tiene una sección transversal tal que con un tope estrecho, la presa esta parada libremente. Es decir tiene un centro de gravedad bastante bajo que la presa no se derribará sino es apoyada en los estribos. Las presas de gravedad requieren cantidades máximas de hormigón para su construcción comparado con otros tipos de presas de concreto, y se resisten a la dislocación por la presión hidrostática del depósito de agua. Un sitio favorable por lo general es un en una constricción en un valle donde la base está razonablemente cerca de la superficie tanto en el piso como en los estribos de la presa. Las presas de mampostería que confiaron en su peso para la estabilidad contra el deslizamiento y volcadura remontan de 3000 a 4000 años, tanto cara
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PARTES DE UNA PRESA
Partes que componen una represa son: - El embalse: es el volumen de agua que queda retenido por la presa. - El vaso: es la parte del valle que se inunda y contiene el agua embalsada. - La cerrada: es el punto concreto del terreno donde se construye la presa. - La presa: es el muro que debe soportar el empuje del agua y no permitir la Filtración del agua hacia abajo. En la presa se destacan: - Los paramentos: el interior, que está en contacto con el agua, y el exterior. - La coronación: es la superficie que delimita la presa superiormente. - Los estribos: los laterales, que están en contacto con las paredes de la cerrada. - La cimentación: la superficie inferior de la presa, a través de la cual descarga Su peso al terreno. - El aliviadero o vertedero: es una estructura que permite descargar agua Excedente cuando la presa se llena. - Las tomas: son también estructuras hidráulicas pero de mucha menos entidad y Son utilizadas para extraer agua de la presa para un cierto uso, como puede ser Abastecimiento a una central hidroeléctrica o a una ciudad. - de fondo La descarga: permite mantener el denominado caudal ecológico Aguas abajo de la presa. - Las esclusas: que permiten la navegación "a través" de la presa. Mecánica De Fluidos I
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COMPORTAMIENTO DE LA PRESA DE GRAVEDAD
Presa con losa Son todas aquellas en las que su propio peso es el encargado de resistir el empuje del agua. El empuje del embalse es transmitido hacia el suelo, por lo que éste debe ser muy estable capaz de resistir, el peso de la presa y del embalse. Constituyen las represas de mayor durabilidad y que menor mantenimiento requieren. Su estructura recuerda a la de un triángulo isósceles ya que su base es ancha y se va estrechando a medida que se asciende hacia la parte superior aunque en muchos casos el lado que da al embalse es casi de posición vertical. La razón por la que existe una diferencia notable en el grosor del muro a medida que aumenta la altura de la presa se debe a que la presión en el fondo del embalse es mayor que en la superficie, de esta forma, el muro tendrá que soportar más fuerza en el lecho del cauce que en la superficie. El cuerpo de las presas de hormigón, se compone de cemento, piedras, gravas y arenas, en proporciones variables según el tipo de estructura y las partes de las mismas que se trate. La particularidad de este material, que le permite adoptar complejas formas una vez fraguado, da la posibilidad de optimizar la forma y, por lo tanto disponer el peso de una manera tal que sea mayor la capacidad de la presa en su conjunto para resistir el empuje.
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El diseño de cualquier presa se puede resolver solo si se consideran tres condiciones fundamentales: garantía de su estabilidad, control de filtraciones y disipación de la energía en exceso del chorro vertido por la presa. Perfil teórico. Las primeras presas de concreto se construyeron con perfiles bastante pesados de forma trapezoidal. Este perfil se fue desarrollando con el tiempo hasta llegar a un perfil triangular que resulta mas económico y que es el usado en la actualidad. Este perfil teórico se convierte en un perfil práctico al tener en cuenta algunas inclinaciones y correcciones determinadas por las condiciones de trabajo y estabilidad de las presas. El vértice del triángulo del perfil teórico se coloca al nivel normal del agua. El francés Maurice Levy fue el primero en fijar los criterios que actualmente se siguen para el diseño y basándose en el perfil triangular propuso una sencilla formulación para el dimensionamiento inicial de la presa. El perfil económico busca encontrar el ancho mínimo de la presa B. Este perfil sin embargo, debe satisfacer dos condiciones: Primero, que no haya esfuerzos de tracción en el concreto y Segundo, que haya una suficiente estabilidad de todo el cuerpo de la presa al corrimiento por la cimentación. La primera condición es obligatoria puesto que el concreto débilmente resiste la tracción. No es permisible la presencia de grietas en la cara de la presa sometida a la presión del agua puesto que esto produciría filtraciones peligrosas de agua con todas sus posibles consecuencias negativas. Por esto, la primera condición se cumple si se adopta que estas tensiones en el cálculo sean iguales a 0. Sin embargo esta condición no garantiza, y sobre todo para presas altas, que no aparezcan tensiones de tracción principales mayores. Por esto hay códigos que exigen que sobre la cara a presión de la presa, las tensiones sean iguales a 0 y que los esfuerzos de compresión sean 0.25ãwh, (un cuarto de la presión hidrostática a la profundidad h). Si esto no se cumple se exige una cara a presión hidroaislada. El vuelco no se suele chequear porque generalmente no es dominante. Mecánica De Fluidos I
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CIMENTACIÓN DE LAS PRESAS
Base de la presa El área de la fundación de la presa se debe limpiar totalmente removiendo todos los árboles, malezas, raíces, piedras, tierra vegetal, basuras, materiales permeables, etc., hasta llegar a una capa de suelo resistente y adecuada. La superficie obtenida para la fundación deberá ser escarificada antes de comenzar a construir el terraplén. - La cimentación debe proporcionar un apoyo estable para el terraplén en todas sus condiciones de carga y saturación. - Debe tener resistencia a la filtración para evitar daños por erosión y pérdidas de Agua. - El área de fundación correspondiente a cauces de arroyos deberá ser limpiada, profundizada y ampliada hasta remover todas las piedras, grava, arena, y cualquier material indeseable. La limpieza de los cauces se efectúa profundizando de manera que los taludes de la excavación sean estables.
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- Cuando se encuentre roca durante la preparación de la fundación, es importante que ésta quede perfectamente limpia removiéndose de su superficie toda costra o fragmento de roca. Para esta operación no se podrá emplear ningún tipo de explosivos. - Es importante que se realice simultáneamente la preparación de la fundación y la excavación para la tubería de toma de agua de acuerdo con las pendientes y dimensiones mínimas indicadas en planos. - En esta etapa de la construcción es importante tomar todas las previsiones para controlar el agua hasta que se concluya la obra.
FUERZAS ACTUANTES SOBRE LAS PRESAS DE CONCRETO
Sobre una presa actúan tres tipos de cargas: las cargas principales, las cargas secundarias y las cargas excepcionales. 1) LAS CARGAS PRINCIPALES: Son las que siempre actúan sobre la estructura y son tres: - Carga de agua. - Carga del peso propio. - Carga de infiltración. Mecánica De Fluidos I
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2) LAS CARGAS SECUNDARIAS: Pueden ser temporales o no Presentarse durante la vida útil de la obra. Estas fuerzas son: - Carga de sedimentos. - Carga hidrodinámica de ondas. - Carga de hielo. - Carga térmica (presas de concreto). - Efectos interactivos. - Carga hidrostática sobre los estribos.
3) LAS CARGAS EXCEPCIONALES - Carga sísmica: Las cargas inerciales horizontales y verticales se generan con respecto a la presa y al agua retenida debido a movimientos sísmicos - Efectos tectónicos: La saturación o las perturbaciones producidas por excavaciones profundas en rocas, pueden generar cargas como resultado de movimientos tectónicos lentos. La decisión de considerar todas las cargas secundarias y excepcionales o una combinación de ellas depende de la experiencia del ingeniero diseñador, de la importancia de la obra, y de su localización. Los diseños deben basarse en la más desfavorable combinación de condiciones
probables
de
carga.
Debe
incluirse
solo
aquellas
combinaciones de carga que tienen probabilidad razonable de ocurrencia simultánea.
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FUERZAS HIDROSTÁTICAS APLICADAS A PRESAS DE GRAVEDAD Una presa de gravedad es aquella que con su propio peso equilibra al resto de fuerzas exteriores que actúan en ella
Componente horizontal de la fuerza hidrostatica Reaccion del terreno sobre la estructura = Fuerza de corte equivalente Peso de superestructura Fuerza debida a las subpresiones (agua infiltrada debajo de la estructura) Esfuerzo máximo y mínimo sobre el terreno Mecánica De Fluidos I
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Problema de aplicación sobre presas de gravedad La presa de gravedad que se muestra es una presa de concreto ( asentada sobre una base de concreto pobre, se pide ¿encontrar las fuerzas que actúan en la presa, además chequear la estabilidad de la misma?
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)
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SOLUCIÓN calculo de la fuerza hidrostática
utilizando fórmulas (
)(
)(
)
método del prisma de presiones (
(
)( )( )
(
)(
)
)
calculo del peso de la superestructura (
)( )(
)( )
(
)( )(
)(
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)( )
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calculo de la fuerza de subpresión
( (
)( )( ) (
(
)( )( ) (
(
)( )( ) (
(
)( )( ) (
(
)( )( ) (
) ) ) ) ) )
Grafico del diagrama de fuerzas de supresión
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Calculo de cargas
(
)
;
(
) ( ) (
( (
La fuerza de subpresión
) (
) (
) ( ) (
) )
)
es igual al volumen del prisma cuyo valor es
y estará actuando en el centroide a una distancia
medio
desde el lado izquierdo ( ) Cálculo de los esfuerzos actuantes sobre el terreno
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∑
∑
Momento Actuante
Momento Resultante
De la ecuación anterior hallamos
)
Momento Actuante( (
)
Momento Resultante( ( )
(
)
(
)
) (
)
Es estable el volteo
Para comparar la estabilidad se debe hacer el Cálculo de la (
)
y
………………………………...( )
Según el teorema de BARINGON El momento de la resultante
∑
……………………………………. ( ) Mecánica De Fluidos I
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Resolviendo las dos ecuaciones ( ) y ( ) tenemos:
Ojo
En este caso ya no es necesario porque la presa es estable al volteo ya que se trabajó con una altura de
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