Las fuerzas que actúan sobre una presa deben considerarse desde la fase de planificación hasta su finalización. Esto es importante no sólo para la construcción, sino también para la viabilidad de la presa.
Durante la construcción de la presa se instalaron sistemas de instrumentación para monitorear su estado.
Se recomienda leer el artículo Tipos de presas. Más información sobre los diferentes tipos de presas, sus características, la instrumentación de las presas y las diferentes medidas utilizadas para monitorear la estabilidad de las presas se pueden encontrar aquí.
Este artículo analiza los siguientes tipos de fuerzas que actúan sobre una presa.
- Presión del agua
- presión de flotabilidad
- Presión de las olas
- Fuerzas sísmicas
- Presión del viento
- Presión de lodo
- Cargas térmicas
- Presión de hielo
- propio peso
Analicemos en detalle cada tipo de fuerza aplicada a una presa. Esta discusión describe los aspectos de diseño y construcción de la aplicación de carga a una presa. Además, se discute el tipo de carga ejercida debido a la función de la presa. Por ejemplo, la presión del lodo se puede clasificar en este rango.
Veamos cada tipo de carga individualmente.
Presión del agua
Las presas se construyen principalmente para retener agua. Por lo tanto, deben construirse de tal manera que puedan soportar la presión del agua.
La conocida ecuación de presión del agua es la siguiente.
P = γ yo H
Donde P es la presión (kN/m 2 ), γ I es la densidad del agua (kN/m 3 ) y H – es la altura del agua.
La figura de arriba muestra el efecto de la presión del agua sobre una presa llena de rocas. De manera similar, se podría calcular la presión del agua para otros tipos de presas.
A partir de los números anteriores podemos calcular la fuerza (F) ejercida sobre la presa de la siguiente manera:
F = 0,5γlH2
Y las fuerzas actúan a un tercio de la altura que consideramos la altura del agua.
Además de los puntos anteriores, en el proyecto se debe tener en cuenta el nivel máximo de agua. Generalmente, en el diseño de presas se consideran dos tipos de niveles de agua.
- Nivel de oferta total (FSL)
- Altura máxima del piso (MFL)
Nivel de oferta total (FSL)
Este es el nivel operativo de la presa. Generalmente mantenemos los niveles de agua en los niveles máximos de suministro.
La altura de la presa estará por encima de este nivel. Además, todas las compuertas deben operar a este nivel para cumplir con los requisitos de diseño de la presa.
Para las presas construidas exclusivamente para la generación de energía, el nivel del agua se mantiene en este nivel y si se observa un aumento, se genera más energía para mantener el nivel del agua en el FSL en lugar de hacer pasar el agua por el aliviadero.
Nivel máximo de agua (MWL)
El nivel máximo de agua es el nivel de agua que alcanza la presa durante las inundaciones debido a que el nivel del agua se eleva por encima del FSL.
La presa debe poder soportar el aumento del nivel del agua hasta el nivel máximo del agua y las compuertas del aliviadero deben poder liberar el agua sin que el nivel del agua supere el nivel máximo del agua.
Está previsto operar la compuerta entre FSL y MWL y mantener el nivel máximo de agua como MWL durante la operación.
Además, y lo más importante, la presa también debe diseñarse para este nivel de agua. Al considerar las fuerzas que actúan sobre una presa, es importante asegurarse de que se tenga en cuenta la elevación del agua hasta el nivel máximo para comprobar la estabilidad.
presión de flotabilidad
El movimiento del agua debajo del cuerpo de la presa debido a la filtración crea una presión de flotabilidad en la presa.
Se comprueba la estabilidad de la presa en caso de vuelco, deslizamiento y carga.
La presión de flotabilidad sobre el terraplén afecta al factor de seguridad de vuelco y a la capacidad de carga. El impacto sobre la capacidad portante puede variar según el tipo de terreno sobre el que se construyen los cimientos.
Las presas pueden colapsar debido a las fuerzas laterales y de flotación ejercidas por el agua. Por lo tanto, las fuerzas de flotación que actúan sobre una presa se consideran cargas muy críticas.
Como se muestra en la figura anterior, el nivel del agua debajo de los cimientos varía. Dependiendo de los niveles de agua aguas arriba y aguas abajo.
La presión del agua en el túnel de inspección fluctúa debido a la reducción de la presión del agua. Esto puede deberse a la cortina de juntas o a que el agua pueda escurrirse por el túnel de drenaje.
La figura anterior muestra que el agua puede fluir a través del túnel de drenaje para reducir la presión de flotabilidad en la presa.
Además, también se pueden construir cortinas de inyección para evitar el movimiento del agua debajo del cuerpo de la presa. Además, la inyección de cortina se utiliza cada vez más en la construcción de presas para minimizar la infiltración de agua.
La variación en la altura de la puerta trasera se debe considerar cuidadosamente en el diseño, ya que afecta significativamente la presión de elevación. En el diseño se debe tener en cuenta el caso de cargas elevadas.
Si no existe túnel de drenaje o cortina de lechada, el diseño debe tener en cuenta la variación de caída entre la cabecera aguas arriba y la cabecera aguas abajo.
Presión de las olas
Las olas en la superficie del agua causadas por el viento ejercen presión adicional sobre la presa.
Existen diferentes métodos para calcular la presión en la presa. Uno de los métodos que podríamos utilizar se explica en este artículo.
H i = 0,032√VF + 0,763 + 0,271(F)3/4 para F < 32 km
H i = 0.032√VF para F > 32 km
dónde; H I – altura de la ola en metros, V – velocidad del viento en km/h, F – extensión de la ola en línea recta en km
La presión máxima Pw se puede calcular de la siguiente manera.
Pw = 2,4γ i H i funciona a través de h i /2 por encima del nivel del agua estancada
Además, la distribución de presión se considera triangular y tiene una altura de 5h l /3
Por lo tanto la fuerza total es ( Fi ) debida a los movimientos ondulatorios y se puede calcular de la siguiente manera:
F i = 0,5 (2,4γ i H i ).5h i /3 = 19,62 horas i 2
La fuerza actúa 3hw/8 por encima del nivel del agua en el depósito como se indica en la figura anterior.
Fuerzas sísmicas
Dependiendo de la ubicación y el período de retorno, la magnitud de un terremoto se selecciona al diseñar represas.
Una presa es una estructura tan importante que cuesta mucho dinero. Por lo tanto, debe ser lo suficientemente seguro para soportar las cargas que se le apliquen. No debe haber incertidumbres en el diseño. Por lo tanto , independientemente de si la presa está ubicada o no en una zona propensa a terremotos, en el diseño se tienen en cuenta las fuerzas sísmicas que actúan sobre la presa.
Dependiendo de la categorización de las zonas sísmicas, existen zonas con determinadas intensidades sísmicas. Se basan en una probabilidad o en el período de recuperación.
Se debe utilizar la resistencia especificada si corresponde al periodo de retorno considerado en el proyecto. Cuando se considera un período de retorno alto o bajo, se debe considerar la magnitud sísmica adecuada en el diseño de la presa.
Existen dos métodos para calcular la resistencia sísmica de presas y estructuras.
- Método manual o método simplificado con fuerza inicial
- Análisis más detallado manualmente o con software informático.
Método manual o método simplificado
Como conocemos el coeficiente sísmico en base a los datos a considerar, podemos calcular la aceleración.
Si conocemos la aceleración y la masa de la estructura, podemos calcular fácilmente la fuerza.
Fuerza = masa x aceleración
Si conocemos la fuerza lateral creada por el terremoto, podemos calcular el momento de vuelco y el factor de seguridad.
Este es un método para aproximar la estructura con una masa concentrada. Por lo tanto, es necesario utilizar un método más preciso para obtener respuestas correctas.
Análisis detallado de las fuerzas sísmicas.
Esto se puede hacer manualmente o mediante software de computadora.
Una vez seleccionada la magnitud del terremoto o aceleración sísmica, podemos calcular las fuerzas que actúan sobre la estructura según las pautas proporcionadas en el código.
En el artículo Cargas laterales según UBC 1997 se analizan diferentes tipos de métodos para calcular las fuerzas sísmicas.
O se podría utilizar software informático para calcular la estabilidad de la presa. Proporciona el factor de seguridad de la presa. Estos métodos utilizados para presas de enrocado, así como el método manual, son muy difíciles de calcular el factor de seguridad de estabilidad de taludes.
El software le permite determinar el factor de seguridad más crítico para diferentes tipos de fallas.
| estado del proyecto | Factor mínimo de seguridad |
| Terremoto en la base de operaciones | 1.3 |
| El mayor terremoto creíble | 1.1 |
Además, el factor de seguridad de la dama se verifica en varias ocasiones como se menciona en la tabla anterior.
Presión del agua causada por terremotos.
La presión del agua fluctúa durante un terremoto. Él no es estático.
La siguiente figura muestra el efecto de la presión del agua durante un terremoto.
La figura de arriba muestra la fluctuación del agua causada por el terremoto. Esta presión debe sumarse a la presión estática para determinar la carga final.
El artículo Presión del agua causada por terremotos Para obtener más información sobre las fuerzas que actúan sobre una presa basándose en cálculos de carga de presión, consulte.
Presión del viento
La presión del viento generalmente no se tiene en cuenta al construir represas.
Cuando la presa está llena, actúa sobre la presa una carga lateral que es mucho mayor que la carga del viento.
Sin embargo, una parte de la presa está expuesta a vientos que superan los niveles de suministro totales. Si es necesario, podemos tener en cuenta esta altura a la hora de aplicar la carga de viento.
Presión de lodo
Inevitablemente se producen depósitos de lodos en los embalses. Reducen la profundidad de la presa y el almacenamiento de agua.
Además, esto también sobrecarga la presa.
Durante las inundaciones, el lodo ingresa al embalse.
La presión bajo el agua ejercida por el lodo se puede calcular como se muestra en la figura anterior.
P=k A γ'h
donde k A – coeficiente de presión activa del suelo, γ' – densidad del limo sumergido y h – altura del depósito de limo.
La fuerza se puede calcular de la siguiente manera.
F = 0,5k A γ'h 2
Como la presión del lodo representa una presión adicional ejercida sobre la presa, se debe tener en cuenta en el diseño. El lodo puede afectar significativamente la seguridad del vuelco de la presa si se requiere que la presa tenga una altura de llenado de lodo mayor.
Por ello, se debe realizar una evaluación especial para determinar las fuerzas que actúan sobre una presa los sólidos en suspensión.
Cargas térmicas
Las cargas térmicas son un criterio crucial para las presas de hormigón.
Durante y después de la construcción se deben controlar los efectos de las fluctuaciones de temperatura. Si se superan los límites, existen problemas de durabilidad del hormigón .
El ascenso del hormigón debido al calor de hidratación debe limitarse en estructuras de hormigón para evitar fisuras. El artículo, Métodos para limitar la temperatura del hormigón. Para más información puede contactarnos.
Además, se debe prestar atención a las fisuras térmicas debidas a las fluctuaciones de temperatura del hormigón. El artículo Grietas térmicas en el hormigón proporciona información completa sobre este tema.
Al calcular el ancho de la fisura del hormigón, se deben tener en cuenta las siguientes combinaciones de carga.
- M+T+T2
- Sólo T1
- T1 + T2
Dónde,
M – momento flector
T – fuerza de tracción
T1 – Aumento de temperatura con relación a la temperatura ambiente debido al calor de hidratación
T2 – Desviación estacional de la temperatura en relación con la temperatura ambiente
Tensiones crecientes
Cuando se represa una presa, se llena por primera vez.
Para presas de enrocado, presas de tierra y presas similares, el embalse es extremadamente crítico.
A medida que aumenta el nivel del agua, la saturación provoca tensión en el núcleo.
Por lo tanto, existen restricciones en la tasa de cumplimiento. Esto puede depender de las especificaciones del proyecto.
Se permite un aumento gradual del nivel del agua en el embalse.
Presión de hielo
En países con fluctuaciones estacionales de temperatura, el agua se convierte en hielo.
A medida que se derriten y se expanden, se aplica presión a la presa.
Podría estar en el rango de 250 – 1500 kN/m2
propio peso
El peso propio de la estructura debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar la estabilidad en el estado límite de uso y en el estado límite último.
El peso propio de una presa se puede calcular muy fácilmente: se calcula multiplicando la densidad del hormigón por el volumen del hormigón.
Sin embargo, si necesitamos calcular el peso de la presa de enrocado, será necesario un mayor esfuerzo porque existen diferentes tipos de capas con diferentes densidades.
