Esfuerzos inducidos en presas, arco-gravedad en operación por la acción térmica medioambiental

366 Pages·2013·6.06 MB·Spanish

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR
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INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
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ESFUERZOS INDUCIDOS EN PRESAS
ARCO-GRAVEDAD EN OPERACIÓN
POR LA ACCIÓN TÉRMICA MEDIOAMBIENTAL:
UNA APORTACIÓN A SU ANÁLISIS Y EVALUACIÓN
VOLUMEN 1
TESIS DOCTORAL
JOSÉ LUIS PÉREZ CASTELLANOS
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
-1994-
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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL/ HIDRÁULICA Y ENERGÉTICA
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR
DE
INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
ESFUERZOS INDUCIDOS EN PRESAS
ARCO-GRAVEDAD EN OPERACIÓN
POR LA ACCIÓN TÉRMICA MEDIOAMBIENTAL:
UNA APORTACIÓN A SU ANÁLISIS Y EVALUACIÓN.
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VOLUMEN 1 p
AUTOR: JOSÉ LUIS PÉREZ CASTELLANOS
INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
DIRECTOR: EDUARDO MARTÍNEZ MARÍN
DR. ING. DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
1994
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A Tere, Teresa, José-Luis y Ana.
AGRADECIMIENTOS
Deseo mostrar mi agradecimiento al Departamento de Ingeniería Civil: Hidráulica
y Energética de la Escuela de Ingenieros de Caminos Canales y Puertos de la
Universidad Politécnica de Madrid, por haberme facilitado los medios necesarios
para la realización de la tesis.
Mi agradecimiento, también, para el Departamento de Matemática e Informática
Aplicada a la Ingeniería Civil de la Escuela de Ingenieros de Caminos Canales y
Puertos de la Universidad Politécnica de Madrid, en el cual he desarrollado mi
actividad docente durante los últimos años.
Agradezco igualmente al Centro de Estudios Hidrográficos el haberme posibilitado
el acceso, para la toma de datos termométricos del agua en embalses españoles,
a la documentación de los estudios limnológicos llevados a cabo en este
organismo público.
Mi agradecimiento a Eduardo Martínez Marín, profesor Titular de Hidráulica Fluvial,
que desarrolló eficazmente, sin más razones que la amistad, la difícil labor de
convencimiento, acicate y apoyo, condiciones sin las cuales no me hubiese sido
posible llevar a buen puerto este trabajo.
A José-Joaquín Erviti Anaut, doctor Ingeniero de Montes, cuyas oportunas
indicaciones de lector atento suavizaron la no siempre evitable aridez de un texto
técnico.
A mi familia, mi manantial de serenidad, que con su apoyo y comprensión logró
que los ánimos no me flaquearan.
RESUMEN
Las oscilaciones periódicas de la temperatura ambiente en el emplazamiento y de
la temperatura del agua en el embalse, así como de la incidencia de la radiación
solar sobre los paramentos de la presa, son causa de tensiones importantes en el
cuerpo de las presas de hormigón. Estas tensiones pueden ser evaluadas en primer
lugar introduciendo en los modelos tridimensionales de análisis, distribuciones
lineales de temperatura estáticamente equivalentes a las correspondientes
distribuciones reales en el cuerpo de la presa; las tensiones así obtenidas han de
complementarse (sobre todo en las cercanías de los paramentos) con tensiones
cuyo origen está en la temperatura diferencia entre la ley real y la lineal en cada
punto.
En el caso de las presas arco-gravedad y en razón de su doble característica de
presas arco y de sección gruesa, ambas componentes de la tensión inducida por
la temperatura son de magnitud similar.
Los valores de estas tensiones de origen térmico están directamente relacionados
con la temperatura del emplazamiento y del embalse, con la intensidad de la
insolación, con la latitud y el azimut de la presa, con las características
geométricas de la estructura y con las propiedades térmicas del hormigón.
En esta tesis se realiza, en primer lugar, un estudio completo del fenómeno físico
del intercambio de calor entre el medio ambiente y el cuerpo de la presa,
estableciendo el mecanismo de participación de todos los parámetros que
configuran el problema.
En segundo lugar se realiza a cabo una revisión documental detallada de los
métodos y técnicas utilizables tanto en la estimación de las cargas térmicas
ambientales como en la evaluación de las tensiones inducidas por dichas cargas.
En tercer lugar se establecen rangos de variación para los principales parámetros
que configuran el problema. Los parámetros geométricos de la presa se definen
a partir de la descripción de un amplio conjunto de presas arco-gravedad tanto
españolas como del resto del mundo.
Como referencia práctica de los parámetros que definen la acción térmica
ambiental se establecen en España un conjunto de zonas caracterizadas por que,
en cada una de ellas, los parámetros térmicos alcanzan valores homogéneos. Así,
y en base a series de valores históricos, se establecen la media y la amplitud de
la variación anual de la temperatura ambiental en cada una de las zonas.
Igualmente, se han definido para cada zona los incrementos de temperatura que,
en invierno y en verano, produce la insolación. En relación con el agua del embalse
y en la hipótesis de estratificación térmica de este, se han definido los valores,
aplicables en cada una de las zonas, de las temperaturas máxima y mínima en el
fondo así como la ley de variación de la temperatura con la profundidad.
Utilizando modelos tridimensionales de elementos finitos se analizan diferentes
configuraciones de la presa y la cimentación sometidas, cada una de ellas, a
diferentes combinaciones de carga. Aplicando técnicas numéricas a modelos
unidimensionales se analiza el comportamiento térmico temporal de secciones de
espesor variable.
Considerando conjuntamente los resultados de los análisis anteriores se obtienen
conclusiones parametrizadas de detalle sobre la influencia que tiene en el estado
tensional de la estructura la consideración de la acción térmica ambiental.
ABSTRACT
Cyclic fluctuations of the atmospheric temperature on the dam site, of the water
temperature in the reservoir and of the intensity of solar radiation on the faces of
the dam cause significant stresses in the body of concrete dams. These stresses
can be evaluated first by introducing in analysis models a linear temperature
distribution statically equivalent to the real temperature distribution in the dam;
the stress valúes obtained from this first step must be complemented (especially
in the área of dam faces) with the stress valúes resuiting from the difference
between the real temperature law and the linear law at each node.
In the case of arch gravity dams, and because of their characteristics of arch dam
featuring a thick section, both types of temperature-induced stresses are of similar
importance.
Thermal stress valúes are directly linked to a series of factors: atmospheric and
water temperature and intensity of solar radiation at dam site, site latitude,
azimuth of the dam, as well as geometrical characteristics of the dam and thermal
properties of concrete.
This thesis first presents a complete study of the physical phenomenon of heat
exchange between the environment and the dam itself, and establishes the
participation scheme of all parameters involved in the problem considered.
A detailed documental review of available methods and techniques is then carried
out both for the estimation of environmental thermal loads and for the evaluation
of the stresses induced by these loads.
Variation ranges are also established for the main parameters. The definition of
the geometrical parameters of the dam is provided based on the description of a
wide set of arch gravity dams built in Spain and abroad.
As a practical reference of the parameters defining the thermal action of the
environment, a set of zones, in which thermal parameters reach homogeneous
valúes, was established for Spain. The mean valué and variation range of
atmospheric temperature were then determined for each zone, based on a series
of historical valúes. Summer and winter temperature increases caused by solar
radiation were also defined for each zone. Since the hypothesis of thermal
stratification in the reservoir has been considered, máximum and mínimum
temperature valúes reached at the bottom of the reservoir were determined for
each climatic zone, as well as the law of temperature variation in function of
depth.
Various dam-and-foundation configurations were analysed by means of finite
element 3D models, in which the dam and foundation were each submitted to
different load combinations. The seasonal thermal behaviour of sections of
variable thickness was analysed through the application of numerical techniques
to one-dimensional models. Contrasting the results of both analyses led to
conclusions on the influence of environmental thermal action on the stress
conditions of the structure.
ÍNDICE
TOMO 1
Página
1 INTRODUCCIÓN 1
1.1 ANTECEDENTES 1
1.2 OBJETIVOS Y ALCANCES 2
1.3 METODOLOGÍA DE TRABAJO 4
1.4 CONTENIDO 5
2 FACTORES QUE DETERMINAN EL COMPORTAMIENTO EN
OPERACIÓN DE UNA PRESA ARCO-GRAVEDAD BAJO
CARGAS DE ORIGEN TÉRMICO 7
2.0 INTRODUCCIÓN 7
2.1 LA ESTRUCTURA Y SU ENTORNO 9
2.1.1 LAS PRESAS ARCO GRAVEDAD 9
2.1.2 LA CIMENTACIÓN 15
2.2 LAS CARGAS 19
2.2.1 EL PESO PROPIO 21
2.2.2 LA PRESIÓN HIDROSTATICA 21
2.2.3 LA TEMPERATURA DEL ENTORNO 25
2.2.4 COMBINACIONES DE CARGAS 44
2.3 EL HORMIGÓN 47
2.3.1 PROPIEDADES DEL HORMIGÓN 47
2.3.2 LA TEMPERATURA EN EL MACIZO DE HORMIGÓN 66
2.3.3 LOS CAMBIOS DE VOLUMEN EN EL HORMIGÓN 77
2.4 LA ESTRUCTURA 79
2.4.1 EFECTOS TENSIONALES DE LA TEMPERATURA AMBIENTE
SOBRE LAS PRESAS ARCO-GRAVEDAD EN OPERACIÓN 79
2.4.2 LA TEMPERATURA DE CIERRE DE JUNTAS 83
2.4.3 EL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DEL HORMIGÓN 85
2.4.4 DETERIORO DE PRESAS POR EFECTO DE LA TEMPERATURA 86
2.5 EL CONCEPTO DE SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PRESAS 93
2.5.1 CRITERIOS DE SEGURIDAD 93
2.5.2 COEFICIENTES DE SEGURIDAD 95
3 MÉTODOS Y TÉCNICAS: PANORÁMICA HISTÓRICA 98
3.0 INTRODUCCIÓN 98
3.1 LA INGENIERÍA DE LAS PRESAS ARCO-GRAVEDAD 100
3.1.1 GEOMETRÍA Y DIMENSIONES DE LAS PRESAS ARCO
GRAVEDAD 100
3.1.2 ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD ELÁSTICA DE LA PRESA 106
3.1.3 ANÁLISIS DE LA ESTABILIDAD ESTÁTICA DE LA PRESA 121
3.2 LA TEMPERATURA DEL ENTORNO COMO ACCIÓN SOBRE LA
ESTRUCTURA 126
3.2.1 MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LA ACCIÓN TÉRMICA
AMBIENTAL 126
3.2.2 MÉTODOS DE ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURA EN EL
MACIZO DE HORMIGÓN 158
3.2.3 LA TEMPERATURA COMO HIPÓTESIS DE DISEÑO:
DEFORMACIONES 179
4 PRINCIPALES PARÁMETROS QUE CONFIGURAN EL PROBLEMA:
DOMINIO DE VARIACIÓN 197
4.0 INTRODUCCIÓN 197
4.1 PARÁMETROS QUE DEFINEN LAS ACCIONES TÉRMICAS SOBRE
LA ESTRUCTURA 199
4.1.1 ZONIFICACION TÉRMICA DE ESPAÑA 200
4.1.2 LA TEMPERATURA AMBIENTE 207
4.1.3 LA INSOLACIÓN 216