Modelización de Túnel Natm

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  • MODELIZACIN DE TNEL NATM

    DESCRIPCIN DEL PROYECTO Se modelizar un tnel de hormign proyectado con las siguientes caractersticas:

    Excavacin de frente completo con dos bancos. Sostenimiento de primera etapa de hormign proyectado. Revestimiento de segunda etapa de hormign proyectado. Solera de segunda etapa de hormign moldeado.

    Nota: Conviene leer cuidadosamente todo el documento antes de comenzar.

    Geometra La geometra propuesta se muestra en la figura siguiente.

    Seccin transversal propuesta.

    Seccin de los elementos estructurales

    Primera etapa Segunda etapa

    Bveda cm 30 30+20

    Arranques cm 30 30+20

    Hastiales cm 40 40+20

    Fundacin hastiales cm 60 60 + solera

    Solera cm 20 20+60

  • Geometra para el Tunnel Designer:

    Condiciones geotcnicas El tnel atraviesa arena arcillosa y arcilla arenosa compacta y algo cementada, con intercalaciones de arenas limpias y rodados. Los parmetros mecnicos del modelo HSM, establecidos por el consultor geotcnico son:

    Prof. m 0-8 >8

    KN/m3 23.5 20 Peso unitario c KPa 20 24 Cohesin

    grados 45 37 Friccin grados 15 7 Dilatancia E50 ref MPa 219 125 Rigidez de referencia al 50% df

    Eur ref MPa 657 375 Rigidez de referencia descarga

    m - 0.55 0.00 Exponente Jambu

    POP KPa 1000 400 Pre Overburden Pressure

    - 0.25 0.30 Mdulo de Poisson Rf - 0.90 0.90 Relacin de falla de Duncan

    K0 - 0.55 0.55 Coeficiente de empuje en reposo

    Materiales estructurales

    Hormign

    KN/m3 24 Peso unitario fc MPa 30 Resistencia caracterstica

    compresin probeta cbica

    E0 MPa 15 000 Rigidez elstica en edad temprana

    Einf MPa 30 000 Rigidez elstica a largo plazo

    - 0.20 Mdulo de Poisson Nota: Es necesario completar la base de datos de materiales estructurales con todas las combinaciones de espesor y rigidez, y darle a cada entrada un nombre que la identifique con claridad.

    Cobertura y cargas La cobertura del tnel en la zona analizada es de 10 metros sobre la bveda. Se consider una carga en superficie de 13.7 KPa y el efecto pseudoesttico de un sismo de diseo mediante la imposicin de una distorsin de 0.02% sobre el tnel terminado.

  • SECUENCIA CONSTRUCTIVA 1. Excavacin de bveda superior, avance de 1.5 metros. 2. Colocacin de marcos, mallas y hormign proyectado 30 cm. 3. Nueva secuencia de excavacin en bveda (repeticin pasos 1 y 2). 4. Excavacin de banco, avance 3.0 metros. 5. Colocacin de marcos, mallas y hormign proyectado 40 cm.

    6. Hormign proyectado en solera 20 cm. 7. Repeticin de las etapas 1 a 17 con avance libre. 8. Hormign moldeado en solera secundaria. 9. Colocacin de revestimiento secundario en hormign proyectado.

    Seccin transversal al final de la construccin de la primera etapa.

  • MALLA A medida que se simulan las etapas constructivas, se eliminan porciones de suelo y se agregan revestimientos y cargas. Las figuras siguientes muestran la malla en estado inicial y final.

    Malla al inicio del anlisis.

    Malla al final del anlisis.

    Nota: Una buena modelizacin numrica debera incluir una malla ms refinada en las zonas que tienen gradientes ms altos para las incgnitas. En este caso, la malla es ms refinada en la zona donde e l gradiente de desplazamiento ( la deformacin) es mayor. Conviene utilizar los elementos de 15 nodos. Es simtrico este problema?.

    ETAPAS DE LA MODELIZACIN La tabla siguiente muestra las etapas modelizadas. El va lor porcentual indicado corresponde al coeficiente que simula el efecto 3D del frente del tnel.

    Etapas analizadas.

  • Formacin del depsito de suelo (phase 0)

    Variable Unidad Valor

    Coeficiente de empuje - 0.55

    Direcciones principales de tensin.

    Nota: La geometra del modelo permite la utilizacin del procedimiento K0 para la generacin de las tensiones iniciales.

    Modificacin del nivel fretico y aplicacin de cargas superficiales (phase 1)

    Variable Unidad Valor

    Napa fretica m Superficie - 25

    Carga superficial KPa 13.70

    Nota: Por razones de tiempo, el abatimiento del nive l fretico se modelizar como una disminucin uniforme en la cota del agua libre. En una aplicacin real, puede convenir efectuar un clculo de la red de escurrimiento, como se muestra en la siguiente figura.

    Red de filtracin.

  • Excavacin en bveda (phase 2) Los valores indicados en colorado son resultados obtenidos mediante la modelizacin estacionaria de la red de escurrimiento. Los desplazamientos deben reiniciarse al comienzo de esta etapa.

    Variable Unidad Valor

    Avance m 1.50

    Distancia frente-banco m 3.00

    Coeficiente de relajacin - 0.15 Asentamiento en clave mm 0.72

    Asentamiento en superficie mm 0.50

    Posicin deformada ampliada mil veces.

    Hormign proyectado en bveda (phase 3)

    Variable Unidad Valor

    Espesor de hormign cm 30

    Mdulo de deformacin GPa 15

    Coeficiente de relajacin - 0.25 Asentamiento en clave mm 1.47

    Asentamiento en superficie mm 1.05

    Posicin deformada ampliada 500 veces.

  • Nota: Debe notarse que se introdujeron elementos de viga que simulan la pata de elefante intermedia, de 70 cm de espesor. El cambio del coeficiente simula la segunda etapa de excavacin de bveda de 1.50 m. Excavacin en banco (phase 4)

    Variable Unidad Valor

    Avance m 3.00

    Distancia frente-banco m 1.50

    Altura del banco m 3.30

    Coeficiente de relajacin - 0.50 Asentamiento en clave mm 3.44

    Asentamiento en superficie mm 2.57

    Posicin deformada ampliada 250 veces.

    Hormigonado de hastiales y solera temporaria (phase 5)

    Variable Unidad Valor

    Avance m 3.00

    Distancia frente-banco m 1.50

    Coeficiente de relajacin - 1.00 Asentamiento en clave mm 4.30

    Asentamiento en superficie mm 3.29

    Posicin deformada ampliada 250 veces.

  • Hormign de segunda etapa (phase 6) En esta etapa se cambia nicamente la rigidez de los elementos estructurales. No hay cambios en la geometra de la malla. Nota: Debe notarse que Plaxis almacena la deformacin de las fibras extremas de los elementos estructurales, por lo que, si se duplica el espesor, el esfuerzo normal se duplica y los momentos flexores se multiplican por 23 = 8. Puede usarse el siguiente procedimiento para que Plaxis informe solicitaciones estructurales ms realistas:

    1. Desactivar todos los elementos estructurales y correr la etapa con =0.01. 2. Cambiar la rigidez de los elementos estructurales, activarlos y correr la etapa

    con =1. Cuando se desactivan los elementos estructurales, Plaxis borra la base de datos de deformaciones. Cuando se los activa nuevamente, Plaxis calcula las nuevas solicitaciones necesarias para el equilibrio. En la curva desplazamiento etapas, aparece un pequesimo salto de desplazamiento producido por la etapa 1.

    Restitucin de napa y drenaje (phases 7 y 8) En la etapa 7 se restituye el nivel fretico a su posicin inicial. En la etapa 8 se permite el drenaje de las presiones neutras, mediante una etapa de consolidacin. Puede tolerarse una presin neutra remanente de 5 KPa.

    Variable Unidad Valor

    Napa fretica m Solera + 9.0

    Coeficiente de relajacin - 1.00

    Asentamiento en clave mm 3.24

    Asentamiento en superficie mm 1.83

    Posicin deformada ampliada 125 veces.

    Presin de agua contra el tnel en el largo plazo: situacin hidrosttica.

    Presin sobre solera 90 KPa.

  • Sismo (phase 9) El sismo es una accin dinmica compleja, que requiere un anlisis particular. En este ejemplo se modelizar la accin de un sismo de diseo de manera simplificada, mediante la imposicin de una distorsin angular de 0.02%.

    Variable Unidad Valor

    Distorsin angular % 0.02

    Coeficiente de relajacin - 1.00

    Asentamiento en clave mm 3.54

    Asentamiento en superficie mm 3.20

    Posicin deformada ampliada 125 veces.

    Posicin deformada del tnel ampliada 125 veces.

    Nota: La distorsin angular es un prescribed displacement que debe ser incorporado al modelo durante la definicin de la geometra.

  • SOLICITACIONES ESTRUCTURALES En la tabla siguiente se presentan las solicitaciones en el revestimiento de primera y segunda etapa del tnel.

    Secciones de anlisis.

    Solicitaciones estructurales.

    Primario Secund. Napa alta Sismo

    N M N M N M N M KN KNm KN KNm KN KNm KN KNm

    1 -180 -13 -184 -27 -223 -445 -250 -450

    2 -190 0 -200 0 -235 0 -295 0

    3 -350 -20 -410 -43 -530 -120 -535 -60

    4 -525 -18 -440 -25 -490 -20 -512 -29

    5 -456 +2 -380 +5 -390 -24 -390 +14