Post on 31-Oct-2015
DISEO ESTRUCTURAL DE OBRAS HIDRULICAS
Ing. Julio Rivera Feijo
En el presente trabajo se presentan algunas consideraciones propias de un proyecto estructural de las obras hidrulicas que se debern tener en cuenta para el diseo, supervisin y construccin de este tipo de obras.
Para garantizar el xito de un proyecto, ste no debe ser enfocado como la conjuncin de especialistas que van a realizar los estudios que le son encomendados en el tema de su dominio, las obras diseadas con este procedimiento, que no son casos aislados, corren el riesgo de no plasmarse con xito. Los especialistas, bajo el liderazgo de un Jefe o Gerente de Proyecto, deben constituirse en un equipo que interacta en bsqueda de la solucin que integre todas las disciplinas de manera que el resultado sea la solucin ms apropiada desde el punto de vista de seguridad, funcionalidad, durabilidad, costos, programa de tiempo de ejecucin, etc, Aunque lo mencionado suene obvio, abundan los casos en que por diversas razones, los proyectos han sido el resultado de la participacin aislada de los protagonistas, con lamentables resultados.
1. TIPOS DE OBRAS HIDRULICAS
Dentro de los diversos tipos de obras hidrulicas se pueden mencionar las presas, canales, sifones, acueductos, reservorios apoyados y elevados, tal como se puede observar en las figuras.
La participacin del diseador estructural debe otorgar la seguridad a Ias construcciones de manera que soporten los esfuerzos a los que estar sometido como tambin asegurar que la funcionalidad no se vea afectada a travs de la vida til para la que se dise y que se asegure un razonable comportamiento impermeable, Las soluciones a plantear deben estar basadas, adems de su propia especialidad, en el conocimiento de los procesos constructivos, y el estar plenamente' consciente de las condicionantes del proyecto, incluido la ubicacin geogrfica, clima, facilidades logsticas y todo aquello que ha de influir en la adopcin de las formas, materiales, y tcnicas constructivas.
Cada uno de los tipos de obras mencionados tiene sus peculiaridades que se deben tomar en cuenta cuando se efecte el diseo. 2. CALIDAD DEL CONCRETO, AGRIETAMIENTO y JUNTAS
Una de las caractersticas ms importantes de las obras hidrulicas es la calidad apropiada de los materiales que se usarn, esto muchas veces es ms
- Con recubrimiento de 5 cm o ms 20cm importante que la misma capacidad para resistir los esfuerzos a los que estar sometida la estructura.
- Espaciamiento mx. de refuerzo 30cm En el Per, gran parte de las obras hidrulicas estn ubicadas en la zona de la "Sierra", donde el clima puede ser nocivo, en esos casos es recomen. dable tomar en consideracin las recomendaciones del Comit 306 del ACI para climas fros. En general la incorporacin de aire al concreto permitir tener concretos ms impermeables; esto es especialmente importante para las zonas fras.
De acuerdo a las recomendaciones
del Comit 350 del ACI (Environmental Engineering Concrete Structures) , uno de los aspectos ms importantes que debe cumplir la dosificacin del concreto est relacionado a la mxima. relacin "agua/material cementante ( a/c)", que es el mejor indicador para lograr concretos de buen desempeo. Una manera de lograr esa relacin "a/c" de manera indirecta es utilizar concretos de resistencia elevada, no porque se requiera, sino ms bien debido a que al dosificar estos concretos se est garantizando que la relacin "a/c" sea baja.
Clima Fro (ACI 306)
Clima fro es cuando por ms de 3 das consecutivos:
El promedio diario de temperatura del aire < 5 C
Calidad de Concreto En 12 horas al da, la temperatura del aire 5 o est expuesto a solucin de sulfatos con menos de 1500ppm .
En climas fros, la temperatura del concreto en el momento de su colocacin debe ser: Exposicin sanitaria"'Severa":
Cuando los lmites anteriores se exceden
- Mayor a 13 C si el espesor de los elementos es menor a 30 cm
Con el objeto de "lograr estructuras de concreto con un razonable grado de impermeabilidad y para garantizar que el acero de refuerzo no tenga recubrimientos pequeos, es necesario tener presente las siguientes dimensiones mnimas en los elementos de concreto:
- Mayor a 10 C si el espesor est entre 30 y 90 cm
- Mayor a 7 C si el espesor est entre 90 y 180 cm
Colocar "Aire Incorporado"
Tamao delagregado
Aire incorporado
1 1/2" 5 1/2 %
1" 3/4" 6%
Consideraciones estructurales Espesores mnimos de muros - Con h > 3 m. o ms 30cm - CCon h < 3 m. 15cm
El concreto es un material muy bueno en cuanto a su capacidad para resistir esfuerzos de compresin, pero en contraposicin tambin tiene un problema que ocasiona fuertes dolores de cabeza a los ingenieros, me refiero a que durante el proceso de endurecimiento se contrae. Las restricciones, sean de friccin contra el suelo o porque otros elementos se lo impiden, no permiten su libre encogimiento por lo que se generan esfuerzos importantes de traccin que muchas veces producen agrietamientos, sobre todo cuando el proyectista no evalu las consecuencias de estos efec-tos.
El uso de las fibras de polipropileno u otra matriz polmera contribuye a disminuir el espesor de grietas y fisuras, en las figuras siguientes se puede observar su efectividad. Agrietamiento por contraccin plstica del concreto
Contraccin de fragua del concreto Basados en cilindros curados 28 das y luego 50 60% de humedad.
Permeabilidad del concreto con fibras
Las temperaturas elevadas y el proceso constructivo inadecuado pueden producir agrietamientos. La magnitud de las grietas depender de las causas que las producen.
La mejor forma de controlar las fisuras, adems de indicar las dimensiones y armado en los planos del proyecto, es disear y detallar las juntas adecuadamente; sin embargo, es frecuente observar que esto no se da y el resultado es negativo, ya que el pobre manejo del tema por parte del proyectista deja en libertad de accin al Supervisor o Constructor que si no tienen la experiencia necesaria pueden tomar decisiones inapropiadas. En algunos casos, esta es la causa de la presencia de fisuras que afectan el resultado final del proyecto.
Esfuerzos que causan agrietamiento
Tipo
Principales causas
Tiempo de aparicin
Asentamiento plstico
Exceso de exudacin
10 min. 3 horas
Contraccin plstica
Secado rpido
30 min. 6 horas
Contracciones
trmicas
Excesivo calor y
gradiente de termperatura
1 da 2 3 semanas
Contraccn de fragua
Juntas insuficientes
Varias semanas o meses
Juntas Juntas de Contraccin
Para losas sin armar o sub armadas, la separacin recomendada es: Para h = 10 cm Lc = 3 m Para h = 12.5 cm Lc = 4 m
Para h = 15 cm Lc = 5 m
Juntas de construccin 3. CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES
Hasta hace pocos aos, el diseo estructural de los canales de conduccin de agua, reservorios y otras obras hidrulicas era efectuado por el mtodo de esfuerzos permisibles porque se consideraba que el "mtodo de rotura" [cuyo nombre preocupaba a los no entendidos en el diseo estructural, razn por la cual se cambi por el denominado "cargas factorizadas" o como se le conoce en sus siglas en Ingls LRFD (Load & Resistance Factor Design)] no ofreca el grado de impermeabilidad suficiente a este tipo de obras; sin embargo los factores de carga fue. ron "calibrados" para controlar el ancho de grieta a 0.2 mm para estructuras sometidas a severas condiciones de exposicin y de 0.25 mm para otras estructuras hidrulicas (para edificios se permite 0.4 mm para obras exteriores y 0.3 mm para obras interiores). Esto se logra con la incorporacin de un "coeficiente de durabilidad sanitario" que se multiplica por los factores tradicionales de "carga ltima".
Juntas de Dilatacin
Se recomienda rompe aguas> 9" El material selIador debe permitir una
deformacin igual a la mitad de la junta
Espesor de Juntas de Dilatacin
Rango de temperatura
Ld = 12 m
Ld = 18m
Ld = 24m
Ld = 30m
Enterrado a 4 C 7/8 1 Parcialmente
protegido sobre terreno a 27 C
7/8
1 *
No protegido, como techos y
losas 7/8
1
* *
Diseo por cargas factorizadas
U = 1.7 H por empuje de suelos U = 1.7 F por presin de lquidos U = 1.4 D + 1.7 L carga muerta y viva
* No recomendado
Multiplicar "U" por un "coeficiente de durabilidad sanitario":
- Para refuerzo en flexin 1.30 U - Para traccin directa 1.65 U - Para para traccIn. diagonal 1.30 U - Zonas de compresin 1.00 U
Diseo por esfuerzos de trabajo Concreto:
n=Es/Ec fc = 0.45 f'c
Esfuerzos mximos recomendados Traccin 1,400 kg/cm2 Flexin (3/8", 1/2" y 5/8") - Para exposicin severa 1,550 kg/cm2 - Para exposicin normal 1,900 kg/cm2
La cuanta mnima por contraccin y temperatura est vinculada al concepto del refuerzo requerido para controlar la fisuracin producida por las fuerzas que se originan por el efecto de contraccin de fragua aunado al hecho que el terreno presenta una restriccin al libre encogimiento del concreto, por tal motivo esta cuanta depender de cuan grande es el elemento sin juntas, tal como se puede observar en la siguiente figura.
Cuanta mnima por contraccin y temperatura
Cuando los elementos son gruesos, como el caso de las pequeas presas, este concepto se aplica a una capa superficial de 30 cm de espesor, que acta como una
"piel reforzada" que confina a un ncleo de concreto sin armar. Si el refuerzo se encuentra en una cara en contacto permanente con el terreno los valores pueden reducir a la mitad. Cuanta mnima en secciones gruesas
de 60cm o ms
50% del refuerzo en la "cara inferior" de losas
en contacto con el terreno Para el diseo se consideran las cargas que ocurren en un estado inicial de servicio; pero a la vez, se debe prever las situaciones de servicio que en algunos casos cambian las situaciones de trabajo. Para el diseo, adems del efecto de las presiones se debe considerar los efectos de cavitacin y erosin que pueden sufrir los elementos por las partculas en suspensin en el agua, es por esa razn que algunas estructuras debern ser "forradas superficialmente" con bloques de piedra o planchas metlicas, como es usual en el caso del diseo de los "disipadores de energa".
Situaciones de diseo
Disipadores de energa
Red de Flujo
Fuerzas sobre una pantalla
Fig.2. lustracin de las fuerzas que obran en una
presa. Para el diseo del refuerzo longitudinal de las estructuras tipo canales de agua, losas y otras estructuras apoyadas, cuando se
hacen juntas muy espaciadas, se debe evaluar la fuerza de traccin que se produce cuando se trata de contraer el concreto y el terreno ofrece resistencia. Mientras que para verificar que no se produzca deslizamiento entre el muro de contencin y el terreno se utiliza los valores mnimos de coeficientes de friccin, para el diseo del refuerzo longitudinal de las estructuras hidrulicas se toman los valores mximos, que en algunos casos llegan hasta "3". El refuerzo calculado de esta manera para elementos de concreto con espesores menores a 60 cm salen muy parecidos a los obtenidos por "cuanta mnima". Refuerzo para tomar las contracciones
del concreto
Coeficiente de friccin ()
4. COMPORTAMIENTO HIDRODINMICO DEL AGUA Y DISEO SISMICO Es importante entender el comportamiento hidrodinmico del agua
cuando est dentro de una estructura que las contiene. Para los reservorios apoyados lo importante radica en la evaluacin de la altura del oleaje para evitar la sub presin sobre los techos o el derrame durante un sismo y para las estructuras elevadas lo fundamental es definir que parte del agua acompaa al movimiento del reservorio como si fuera un peso adicional de la estructura (masa fija) y que parte del agua tiene un movimiento libre (masa mvil) y como se puede integrar al anlisis ssmico de la estructura.
Se considera un anlisis bidimensional de espesor unitario.
Sistema bidimensional
Reservorios apoyados
Las ecuaciones de movimiento del agua sometida a una excitacin armnica nos permite determinar las presiones en las paredes de los reservorios. El problema es bastante complejo y no es la intencin del presente trabajo mostrar las formulaciones matemticas.
Lo crtico es evaluar el oleaje para el sobre alto de las paredes
En la figura se observa la forma de presin que se da sobre las paredes, dependiendo de si ambos muros (frontal y posterior) se mueven en "fase" o "desfasados". Se nota que para este ltimo caso las presiones son bastante mayores; esto slo se da en grandes embalses de agua, ms no en reservorios en que todos los muros estn vinculados con muros transversales.
Reservorios elevados
Depsitos de agua sujetos a movimiento peridico
La teora que se presenta a continuacin asume algunas consideraciones que luego se demuestra que son ciertas para el caso de los reservorios d contencin de agua, stas son:
Se considera que el fluido no tiene viscosidad
- Los esfuerzos son perpendiculares a la superficie de contacto
- La presin en un punto del fluido en cualquier direccin ser la misma
Reservorio de longitud semi infinita y muro rgido
Presiones por movimiento de paredes
Cuando los reservorios no tienen forma rectangular, vistos en elevacin, se demuestra que para determinar los perodos de vibracin y las formas de modo se puede considerar un rectngulo equivalente cuya longitud sea la misma y la altura equivalente sea H = Area / longitud. Aplicando esta consideracin se simplifican sustantivamente los diseos y se comprueba que el error que se comete para los reservorios apoyados y elevados usualmente utilizados en el Per es menor al 5%. Algunos ingenieros diseado res de estructuras hidrulicas no estn familiarizados con la evaluacin de las formas de modo y periodos de vibracin de recipientes con lquido por lo que se trabaja con un Sistema Mecnico Equivalente que fue planteado por primera vez por Graham y Rodrguez hace 50 aos aproximadamente, este sistema permite analizar un sistema de masas y
resortes que dan un comportamiento similar a los fluidos en movimiento.
Sistema Mecnico Equivalente (SME)
Valores del Sistema Mecnico Equivalente
Los Valores de Wn para n3 son muy pequeos
Para el anlisis ssmico de los reservorios elevados, se puede trabajar con el Sistema Mecnico Equivalente, de esta manera el agua almacenada se puede sustituir por una masa fija a la parte inferior de la cuba del reservorio y una o dos masas mviles conectadas a la estructura mediante resortes. Al observar los resultados se nota claramente que el primer modo de vibrar del sistema es prcticamente igual a la vibracin de la "masa mvil" del agua, quedndose la estructura casi inmvil y el segundo modo de vibrar es casi idntico al movimiento de la estructura del reservorio sin la masa mvil. Esto es tpico de aquellas estructuras en que el primer
Las estructuras ms frecuentemente diseadas en nuestro medio estn constituidas por edificios, puentes, canales etc.; donde las cargas y las luces a cubrir son relativamente pequeas; sin embargo, en el caso de los reservorios elevados se tienen luces y cargas bastante mayores por lo que se debe optar por utilizar sistemas ms resistentes. Es comn en nuestro medio construir reservorios elevados de 2,000 y 3,000 metros cbicos de capacidad, que requieren elementos ms competentes que la necesaria pero ineficiente viga que trabaja por flexin.
modo de vibrar es muy grande con respecto al segundo modo (10 a 20 veces mayor).
Modelaje de la estructura
El arco es ms eficiente que la viga y la cuerda mejor an por no sufrir pandeos, sin embargo, no son suficientes para constituir estructuras que soporten las cargas de los reservaras elevados, por lo que se tiene que recurrir a sistemas altamente eficientes, como es el caso de las estructuras laminares, denominadas por algunas personas como "cscaras". El diseo de estas ltimas se simplifica considerablemente cuando la estructura se descompone en la suma de dos efectos: en los esfuerzos de "membrana" donde las fuerzas son coplanares con la forma de la estructura y el diseo localizado de los esfuerzos de flexin. El conjunto constituye el diseo completo.
Clculo del oleaje
Formas de modo de 360 reservorios Tipos de estructuras
5. ANLISIS ESTRUCTURAL DE RESERVORIOS
Estructuras laminares - "Cascaras" Cuando se trata de pequeos reservorios existen dos publicaciones de la Prtland Cement Association (PCA) que trabajan con el sistema de cargas factorizadas (LRFD), su uso debe estar restringido a proyectos no muy grandes ya que se trata de mtodos aproximados que asumen situaciones particulares para los extremos de los muros: borde superior libre y base articulada o empotrada. Cuando se aplique lo planteado por la PCA el criterio del ingeniero proyectista debe imponerse para determinar el caso que ms se asemeje a la realidad o considerar una envolvente de todas situaciones extremas lo que conllevar a sobre dimensionar la estructura para cubrir el grado de incertidumbre, como esto ltimo origina un sobre costo que no es recomendable para grandes estructuras.
El problema se vuelve un poco ms complejo cuando se entiende el fenmeno como un conjunto, ya que las estructuras no estn independientes. En este caso se debe efectuar una interaccin entre los elementos concurrentes a los nudos, para lo cual se debe buscar la compatibilidad de deformaciones y fuerzas.
Clculo de "H" y "M" en nudos La primera publicacin "Rectangular Concrete Tanks" presenta una serie de tablas para determinar los momentos de flexin en depsitos prismticos de planta y elevacin rectangular que puede utilizarse para el diseo de cisternas y tanques elevados.
Ecuaciones de compatibilidad El tema no es muy complicado si se tiene presente que las estructuras laminares mitigan los esfuerzos de flexin, por lo que los efectos de un nudo son casi imperceptibles en los nudos contiguos (se utiliza el trmino nudo, sin embargo, la interaccin no se realiza en un punto sino en toda una lnea circundante). Tambin es posible solucionar la estructura considerando un modelo de elementos finitos con elementos "axi simtricos", en este caso se debe dar especial atencin al tamao de la malla para que la lectura de los esfuerzos sea bastante cercana a la realidad.
h = 0 (Suma de fuerzas horizontales) 1 ec. h = 0 (Suma de momentos en nudos) 1 ec. = 0 (Entre 1 y 4; 2 y 4; 3 y 4) 3 ec. = 0 (Entre 1 y 4; 2 y 4; 3 y 4) 3 ec. 8 Incgnitas 8 Ecuaciones
La segunda publicacin "Circular Concrete Tanks - Without Prestressing" da un serie de tablas para determinar las fuerzas de traccin en los anillos circulares horizontales y los momentos de flexin en el sentido vertical de las paredes de los reservaras circulares. En esta publicacin tambin se dan coeficientes para disear las losas circulares de techo. Tracciones en muros con base fija o
articulada y con techo libre. T able I
Seccin mnima para evitar agrietamiento en elementos en traccin
Envolvente de presiones
6. DETALLES CONSTRUCTIVOS Ningn proyecto tendr buenos resultados si no se desarrollan los detalles constructivos que tengan los siguientes ingredientes: En el caso de elementos sometidos a
traccin, como es el caso de las fuerzas que se producen en los anillos horizontales de reservorios circulares es conveniente controlar la cuanta de refuerzo mxima para evitar agrietamientos excesivos, esto se hace de manera indirecta controlando la seccin mnima que ha de tener los muros de concreto. Para esta determinacin se considera que el esfuerzo mximo de traccin en el concreto no debe exceder su resistencia a la traccin ( 0.1 fc) y que el esfuerzo mximo en el acero no debe pasar de 1,400 kg/cm2 que viene a ser aproximadamente el esfuerzo de fluencia entre los factores de carga ltima [fy / (1.7 *1.65)]. Tambin depender del acortamiento de contraccin de fragua y temperatura. En la figura siguiente se dan los valores del rea (A) mnima que deben tener los muros de concreto en funcin a la fuerza de traccin que soportan (T), se dan valores para fc de 245 y 280 kg/cm2.
- Que estn acordes con los diseos efectuados
- Que contemplen su ejecutabilidad, en otras palabras el ingeniero proyectista deber tener conocimiento de procesos constructivos.
- Que reflejen el buen sentido comn del proyectista, quin adems de realizar sus diseos conforme el nivel de conocimientos e informacin de la poca del proyecto, debe tener la suficiente "intuicin" sobre la naturaleza de los esfuerzos y deformaciones que se han de presentar para tratar de mitigarlos con detalles apropiados.
En las obras hidrulicas, cobra especial atencin los siguientes aspectos: - La compactacin del terreno de
soporte. En algunos casos la parte crtica est en la compactacin de las superficies inclinadas.
- La impermeabilizacin en las juntas, ya sean requeridas en las juntas entre diversos elementos de concreto o pases de tuberas
- El drenaje que debe colocarse debajo de las losas de fondo cuando existe la probabilidad de sub presiones por presencia de agua de filtracin o de napa fretica elevada.
Fig. 58 Pipe Insert
Drenaje
Compactacin de taludes
El Ingeniero Civil N 116 Mayo-Junio 2000
DISEO ESTRUCTURAL DEOBRAS HIDRULICASContraccin de fragua del concretoTipoJuntasJuntas de construccin
Juntas de DilatacinRango de temperaturaDiseo por cargas factorizadasDiseo por esfuerzos de trabajoSituaciones de diseoDisipadores de energaRed de FlujoFuerzas sobre una pantallaReservorios apoyadosReservorios elevadosSistema bidimensional
Presiones por movimiento de paredesModelaje de la estructuraClculo del oleajeFormas de modo de 360 reservoriosTipos de estructurasClculo de "H" y "M" en nudosEcuaciones de compatibilidadT able IDrenajeCompactacin de taludes
El Ingeniero Civil N 116