ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE LA PANTALLA DE CONCRETO DE UNA PRESA DEENROCADO DE GRAN ALTURA TIPO CONCRETE FACE ROCKFILL DAMS (CFRD)

ENPLEANDO PARA LA MODELACION EL SOFTWARE ANSYS- CASOCOMPARATIVO PRESA MISICUNI

Rolando Jaimes Baya1, Fernando Arturo Ledezma Perizza2

1Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ciencias y Tecnología, Universidad Mayor de SanSimón

2Docente Investigador Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ciencias y Tecnología,Universidad Mayor de San Simón

RESUMEN

El siguiente artículo, presenta un análisis al problema de presas de enrocado con cara de concreto(CFRD) de gran altura (pandeo lateral).

Se realizó un análisis tridimensional para ver el comportamiento de la pantalla de concreto endeformación, para la verificación se tiene el análisis de la pantalla de concreto de la presa Misicuni(120metros de altura). Se destaca la necesidad de realizar un análisis con elementos finitos, comometodología fundamental para prever deformaciones y rajaduras en la pantalla de concreto,evitando así pérdidas importantes de agua innecesarias en presas tipo CFRD. Se observa elcomportamiento del cuerpo de la presa, el cual depende de comportamiento de la pantalla deconcreto.

Los resultados muestran que:, la forma del valle, modulo de compresibilidad y la altura dela presa son los principales factores que influyen en el pandeo lateral en presas CFRD. Con unfactor de valle menor a 3, modulo de compresibilidad menor a 50 Mega Pascales y alturas quesuperen los 100 metros existe la posibilidad que se produzca el pandeo lateral.

Palabras Clave: Presas Tipo CFRD, Pandeo Lateral, Pantalla, Concreto, ANSYS, método deelementos finitos

1. INTRODUCCIÓN

El Proyecto Múltiple Misicuni,consiste en el aprovechamiento hídrico delas cuencas los ríos Misicuni, Viscachas yPutucuni, de la cordillera del Tunari,mediante el embalse y trasvase de sus aguashacia la ciudad de Cochabamba.

El mejoramiento de la disponibilidadde agua en el Valle Central de Cochabambarepresenta la superación del obstáculo másimportante para el desarrollo económico,social y cultural de la región.

Una vista panorámica del proyectoMisicuni se presenta en la Figura 1.

Figura 1. Vista Aguas Abajo del ProyectoPresa Misicuni

Mediante la realización de variosestudios, se ha confirmado que este proyecto(Presa tipo CFRD de 120 metros de altura) esla forma más económica de proveer aguaadicional al valle de Cochabamba, debiéndoseencarar su ejecución por etapas, en función

de la demanda.

En el medio nacional, pocas han sidolas apli- caciones de las técnicas numéricasen el mo- delamiento de Presas, el método delos elementos finitos aquí utilizado esfundamen- tado en la mecánica de los medioscontinuos, y ofrece posibilidadescomplementarias con relación a aquellas delos registros directos puntuales, puesconsidera las propiedades mecánicas delmacizo rocoso por medio de leyesconstitutivas definidas para el terreno.

En nivel internacional, y para casossemejan- tes al que aquí se trata, sonrecomendadas más que técnicas únicas, laintegración de di- versas estrategias, entreellas: el monitoreo en campo, las pruebas delaboratorio, los mode- los matemáticos yúltimamente, las simulacio- nes numéricas, alas que pertenece la técnica de elementosfinitos que aquí se propone.

Figura 2. Modelo Presa Misicuni

2. MODELACION DE LA PRESAMISICUNI

La complejidad de la geometría o delas condiciones de borde halladas en muchosde los problemas en presas del mundo,impide obtener una solución exacta delanálisis considerado, por lo que se recurre atécnicas numéricas de solución de lasecuaciones que gobiernan los fenómenosfísicos. El Método de los Elementos Finitoses una de estas técnicas numéricas, muyapropiadas para su implementación encomputadores (dada su facilidad para elmanejo de algoritmos numéricos, rapidez enlos cálculos y precisión en la respuesta). Estatécnica puede ser aplicada para resolución de

problemas de diversa índole.

El Método de los elementos finitosempleado en la modelación consistió ensólidos regulares en una discretización de 30centímetros para la cara de concreto y unadiscretizacion del enrocado de 5 metrosutilizando como elemento de cálculo elalgoritmo SOLID 95 que es el recomendadopara este tipo de problemas complejos en sugeometría.

Toda vez que el modelo de la presaMisicuni se la analizo en varias corridas, elconcepto del modelo se mantiene intacto lascondiciones de borde realizando el análisisespecífico al cuerpo y a la pantalla deconcreto.

Los modelos constitutivos para rocas,esto es la modelación de rocas y macizosrocosos con discontinuidades, son loscomponentes más importantes en lassoluciones numéricas en los problemasprácticos de la ingeniería y uno de los temasmás investigados en la mecánica de rocas.

En el caso de la Presa Misicuni, ypara la modelación geomecánica y numéricase utilizaron los modelos clásicos basados enlas teorías de la elasticidad y de plasticidad,con consideración de los efectos de lasfracturas y meteorización en las rocas. Elmodelo elástico lineal basado en la ley deHooke sigue siendo el comportamientomecánico más adoptado, especialmente pararocas duras (Jing, 2003), como es el casotratado.

La ley constitutiva es caracterizadapor los módulos de Young, de Poisson, deCorte y de Deformación por corte. Modelosmás sofisticados para elasticidad anisotrópicapueden ser obtenidos por formas cerradasconsiderando condiciones de simetría elásticapara roca intacta, tal como elasticidadisotrópica transversal, o de continuo elásticointersecado por fracturas.

3. PARAMETROS GEOMECANICOS

Tabla 1. Materiales

Las Figuras 3 y 4 muestran lamodelación realizada en la Presa Misicuni.

Figura 3. Modelación de la presa Misicuni

Figura 4. Discretización del Modelo.

Las consideraciones de carga en elmodelo fueron:- Carga debido a agua hidrostática ydinámica- Carga peso propio deflexiones debidoa esta carga- Carga por temperatura (con una

variación de temperatura es casi30ºcentigrados entre heladas y soleaje).- Sismo (tomado en consideración en elmodelo de estabilidad de cuerpo de la presa).

4. ANALISIS DE RESULTADOS

Las restricciones aplicadas a la presaMisicuni esta data en toda la zona decementación toda vez que se tomo el modelocomo un sólido fijo como se muestra en elmodelo de la Figura 2 del presente artículo.

La pantalla de concreto: esta se tomocon un grado de libertad paralelo a lasuperficie frontal del plinto toda vez que seasemeje más a la realidad en sucomportamiento.

Las Figura 5 muestra una secuenciade esfuerzos en la presa duran el llenado de lamismo desde el 20 % al 100% del embalse.Donde se observa claramente los puntoscríticos una vez que la presa se encuentrellena de forma particular se puede apreciarque a un 25% del llenado total la transiciónde esfuerzos hacia la distintas zonas delcuerpo de la presa es evidente.

Figura 5. Secuencia de llenado

Las deformaciones en la placa ycuerpo de la presa son presentadas en laFigura 6.

Figura 6. Deformación por placas lineal

La presa Misicuni tiene comodeformación máxima 25 centímetros en unmodelo lineal, esta deformación se encuentraestimativamente a unos dos tercios de laaltura total de la presa. Corresponde hacernotar que este resultado se lo obtuvomediante un análisis lineal.

Así mismo se realizó un análisis NOlineal, en el cual se obtuvieron resultados endeformaciones máximas en la zona centralsuperior cerca al bordillo de la presa,resaltando que se tendría un probable pandeolateral en el centro de la presa como sepresenta en la Figura 7.

Figura 7. Pandeo Lateral con Análisis NoLineal Efectuado.

Para un comportamiento aceptable dela pantalla de concreto en presas tipo CFRDse recomienda:a) Tener cuidado en el diseño y armadodel acero en la pantalla de concreto es mejoruna pantalla reforzada que una pantalla conmayor volumen.b) Se considera un espesor de losaesp.(m)= 0.3 + 0.003*(H-50).en CFRDs enpresas altas del futuro.c) Realizar una análisis numérico en tresdimensiones a lo que será el considerando lageometría del valle y su efecto en la pantallade concretod) Realizar un análisis de los materialesutilizados en el cuerpo de la presa es decirgranulometrías de estos y incluirlos comopropiedades del material a lo que será elmodelo.

5. CONCLUSIONES

El análisis con elementos finitos de lapantalla de concreto con el software ANSYSmuestra un claro comportamiento estructuralen presas de gran altura tipo CFRD.

La forma del valle, modulo decompresibilidad y la altura de la presa son losprincipales factores que influyen en el pandeolateral en presas CFRD. Con un factor devalle menor a 3, modulo de compresibilidadmenor a 50 Mega Pascales y alturas quesuperen los 100 metros existe la posibilidadque se produzca el pandeo lateral.

Así mismo el traslape de losas y lasrajaduras que esta ocasiona en la pantalla deconcreto representan el efecto negativo delpandeo lateral, estos efectos incrementanconsiderablemente las filtraciones por lapantalla.

6. REFERENCIAS

1. PINTO, N., MATERÓN, B., LAGOSM.P., (1982) “Design and Performance ofFoz de Areia Concrete Membrane as Relatedto Basalt Properties,” Records of the ICOLDInternational Congress, Rio de Janeiro, Q55R51.2. Carlos Ramírez : “ConsorcioHidroeléctrico el Mazar”: Civil Engineering.” III Symposium on CFRD Dams HonoringJ. Barry Cooke, Florianopolis, Brazil.3. Nelson Pinto .” III Symposium onCFRD Dams Honoring J. Barry Cooke,Florianopolis, Brazil.4. Bayardo Materón Director, BayardoMaterón Associados Ltda. Symposium onCFRD Dams Honoring J. Barry Cooke,Florianopolis, Brazil.5. Luis PINILLA Consultor – MNIngenieros, Jorge CREMPIEN Director de laEscuela de Ingeniería – Universidad de losAndes .” III Symposium on CFRD DamsHonoring J. Barry Cooke, Florianopolis.6. Palmi JOHANNESSON, PalmiAssociates, USA .” III Symposium on CFRDDams Honoring J. Barry Cooke,Florianopolis, Brazil.

7. Bustamante Ariel, Tesis presas deenrocado con pantalla de hormigón, análisis ycomportamiento con el Código Plaxis UMSS.8. Manoel de Souza FREITAS JR,Consulting En – Hydrogeo Engenharia S/CIII Symposium on CFRD Dams Honoring J.Barry9. Camilo Marulanda, INGETEC S.A.10th Benchmark Workshop on NumericalAnalysis of Dams ,September 16-18, 2009 –Paris, FRANCE10. Carlos Augusto RAMÍREZOREJUELA , Civil Engineer, M. in E. –Consorcio Gerencia Mazar11. ENGEVIX-CAEM Rediseño de lapresa Misicuni y obras anexas de 80metros a120 metros de altura (SUPERVICION DELPREYECTO MULTIPLE MISICUNI EN SUSEGUNDA ETAPA).