INCLUSIONES RÍGIDAS EN EL PROYECTO HIDROELÉCTRICO COCA CODO SINCLAIR

2.1.1 Diseño de refuerzo para estructuras hidráulicas

El diseño estructural de los elementos hidráulicos está basado en el método por última resistencia según el Strength Design For Reinforced Concrete Hydraulic Structures (1991), el cual, indica que el refuerzo en estructuras hidráulicas debe ser determinado de acuerdo con los requerimientos generales del ACI 318, excepto que los factores de carga deben ser incrementados mediante un factor de carga hidráulico, este aumento debería llevar a una mayor capacidad de servicio y dará como resultado miembros más rígidos que los diseñados únicamente por el ACI 318, es decir este aumento es utilizado para obtener la resistencia nominal requerida para las estructuras hidráulicas, asimismo, este factor hidráulico evita realizar análisis de serviciabilidad adicional.

2.2 Inclusiones rígidas

Los pilotes ayudan a transferir la carga desde la estructura hacia una superficie con suficiente capacidad portante ubicada a cierta profundidad, esto se realiza por medio de la fricción del fuste con suelos estructuralmente inestables, o bien, mediante la capacidad en punta al apoyarse en capas más profundas con mayor resistencia como son los estratos rocosos.

A continuación, se mencionan algunas circunstancias donde se sugiere utilizar cimentaciones con pilotes:

• Cuando las cargas a las que está sometida la superficie de implantación sean de gran magnitud y los estratos de las capas superiores sean débiles y altamente compresibles, requiriendo que las cargas sean transmitidas a estratos más profundos.
• Cuando los estratos de la cimentación sean colapsables y expansivos, dando lugar a cambios de volumen dentro de los mismos con la presencia de agua.
• Cuando se busque evitar la disminución de la capacidad de carga en la superficie de implantación debido a la erosión del suelo, lo cual sucede por lo general en estribos de puentes.

Las inclusiones rígidas permiten transmitir la carga desde la estructura hacia una capa de material de capacidad portante suficiente, estos pilotes no se conectan directamente a la superestructura con la finalidad de evitar daños debido a los esfuerzos internos que se pueden producir por la acción de fuerzas sísmicas. Para evitar estos daños, se incluye una capa de arena y grava entre la superestructura y la cabeza de los pilotes, permitiendo que esta capa trabaje como un colchón que pueda absorber y disipar los esfuerzos horizontales, mitigando las acciones sobre las inclusiones.

2.3 Modelo constitutivo del suelo

Al momento de seleccionar un modelo adecuado para describir el comportamiento de un suelo determinado, se deben considerar las siguientes premisas:

• Una ley que permita describir el comportamiento de la relación entre deformación y esfuerzo del material durante su estado elástico.
• Determinar el inicio del flujo plástico, es decir, el nivel de tensión que va a establecer cuando las deformaciones empiezan a ser irreversibles, a esto también se le conoce como criterio de fluencia.
• Cuando la deformación total tenga una componente elástica y otra plástica, se debe determinar la relación tenso-deformacional que describa y gobierne el comportamiento del material.

2.3.1 Suelos no cohesivos

Los dos criterios elastoplásticos más utilizados para determinar el comportamiento de suelos granulares son Mohr Coulomb y Durcker Prager.

En la ley constitutiva de Mohr Coulomb se utilizan cálculos elastoplásticos que parten de un comportamiento lineal junto con la superficie de falla determinada mediante , para luego entrar en el rango plástico. El modelo presenta dos elementos generales, la elasticidad perfecta y la plasticidad vinculada al desarrollo de deformaciones plásticas.

Por otra parte, el criterio de Drucker Prager se basó en la ley de Mohr Coulomb y en la suposición de la plasticidad para detallar la falla del suelo, el mismo precisa una superficie de fluencia plástica basado en los tres esfuerzos principales (Tripodi et al., 1992). Posteriormente se modificó con la incorporación de la componente hidrostática de las tensiones en la fluencia y la alteración del criterio de falla de Von Mises. El modelo se utiliza como superficie de falla, en el sentido de que cuando las tensiones alcanzan la tensión de fluencia, el material fluye. De esta manera se tiene en cuenta el cambio de volumen del medio, que es la característica principal del comportamiento de los ensayos drenados (Rodríguez Pons-Esparver, 2001).

2.3.2 Suelos cohesivos

Debido a la importancia de los suelos con presencia de arcillas y limos, diversos modelos constitutivos elastoplásticos se han desarrollado durante el paso de los años, uno de los más destacados y utilizados desde el siglo XIX es el denominado Cam Clay Modificado mismo que permite simular la relación que existe entre resistencia, rigidez y relación de vacíos (Ledesma, 2008). Se basa en cuatro principios: a) Propiedades elásticas: Son la correspondencia que se tienen entre los incrementos de las deformaciones elásticas y los incrementos de los esfuerzos efectivos, b) Superficie de fluencia: Tiene una forma de elipse y la misma demarca la combinación de esfuerzos que causa o no deformaciones plásticas, c) Potencial plástico: describe como es el mecanismo según el cual se presentan las deformaciones denominadas plásticas y la relación entre el cortante y las componentes volumétricas.

El proyecto hidroeléctrico Coca Codo Sinclair, está conformado por una obra de captación compuesta por un vertedero, compuertas de limpieza, obra de toma, desarenador y un cuenco amortiguador que permiten conducir un caudal de 222 m.

3.1 Estructura por diseñar

El desarenador es una de las estructuras principales de la obra de captación, tiene como objetivo retener los sedimentos arrastrados por el agua que ingresa a la obra de toma permitiendo que el agua que entre al túnel de conducción tenga la calidad apropiada. A continuación, se muestra el arreglo general de la zona de trabajo del desarenador y el bloque de estudio.

Figura 1. Obra de captación.

La zona de trabajo consiste en 4 cámaras de 153 m de largo y 30 m de ancho, cada zona tiene 5 tramos de 30 m de largo dando como resultado un total de 20 bloques independientes de 30x30 m aproximadamente, separados entre sí por juntas. La estructura está cimentada en un manto rocoso aguas arriba y en estratos de suelo de gran espesor aguas abajo. Debido a las condiciones estratigráficas complejas, se colocaron inclusiones rígidas para la estructura del desarenador con diámetros de 1.5 y 1.8 m, divididos en dos zonas de acuerdo con la profundidad del manto rocoso.

Figura 2. Sección longitudinal de la zona de trabajo del desarenador.

3.2 Modelo numérico

Se considera que se tiene un lecho rocoso variable que va profundizándose con la dirección de flujo, por lo cual, se plantea un estudio con un modelo capaz de representar el estado esfuerzo-deformación. En la siguiente figura, se muestra la estructura con los diferentes estratos de la cimentación y las inclusiones rígidas.

Figura 3. Modelo numérico y visualización de las inclusiones rígidas.

Las inclusiones rígidas tienen 1.5 m de diámetro en su fuste y 3.5 m en su parte superior, esto con el objetivo de permitir una mayor área de influencia sobre el colchón de material presente entre los bloques del desarenador y las inclusiones.

3.2.1 Cargas a las que está sometida la estructura

En el análisis numérico se consideró la aplicación de la carga muerta, carga viva y cargas de sismo, a continuación, se describen brevemente las cargas a las que está sometido el desarenador.

• Peso propio de la estructura, este es calculado automáticamente por el programa tomando en cuenta la geometría de los elementos estructurales y la aceleración de la gravedad.
• Carga de agua, se basa en el análisis hidráulico que garantiza un caudal permanente en el túnel de conducción.
• Subpresión en los cimientos del desarenador, esta subpresión se produce debido a la filtración, para determinarla se pueden utilizar métodos simplificados como el método de la línea de filtración.
• Presión del suelo, se determinó con el método general de la cuña, el cual se refiere a un análisis de equilibrio límite de un conjunto de cuerpos rígidos denominados cuñas.
• Cortante basal, para analizar el comportamiento en condiciones sísmicas, se realiza un análisis modal espectral mediante la aplicación de un espectro de diseño de aceleraciones.
• Presión dinámica del suelo, se calcula con base en el analisis de sismo con el método general de la cuña (US Army Corps of Engineers, Retaining and Flood Walls, 1989)
• Presión hidrodinámica, ejercida por el agua dentro de un contenedor debido a la excitación sísmica, puede ser dividida en la componente impulsiva y convectiva. La presión impulsiva representa los efectos de la porción del fluido que se mueve en unísono con el contenedor, la presión conectiva representa el efecto de la acción de oleaje del fluido (America Concrete Institute, 2006).

Figura 4. Esquema de aplicación de carga por presión impulsiva.

En cuanto a la clasificación de condición de carga, los estados de carga para cada caso se encuentran en la tabla 1.

Tabla 1. Estados de carga.

En midas GTS NX, los resultados de salida iniciales para los elementos sólidos son en términos de esfuerzos, sin embargo, para poder diseñar el refuerzo, estos esfuerzos deben transformarse en fuerzas internas. La integración de los esfuerzos se realizó en diversas secciones representativas de la estructura, tal y como se muestra a continuación.

Figura 5. Secciones de cálculo de fuerzas internas respecto a la dirección de flujo.

Para fines prácticos, únicamente se mostrarán los resultados de la sección central del desarenador (Sección 4-4). Los elementos en la dirección perpendicular al flujo según el análisis serán reforzados con el acero mínimo requerido.

Figura 6. Fuerzas internas Sección 4-4.

Respecto a las inclusiones rígidas, se determino la fuerza axial, fuerza cortante y momento flexionante.

Figura 7. Elementos mecánicos en inclusiones rígidas.

Las deformaciones máximas del desarenador se verifican para las condiciones de servicio, a continuación, se muestra la deformación vertical.

Figura 8. Desplazamiento vertical para la combinación de carga viva y muerta.

La norma (US Army Corps of Engineers, Settlement Analysis, 1990) establece que el límite de la distorsión angular para evitar grietas en estructuras es de 1/500, y que la inclinación para estructuras adyacentes debe limitarse a 1/250.

• Deformaciones Verticales:

El movimiento diferencial máximo en relación con la longitud = 0.00049<0.002\OK

• Deformaciones horizontales:

El movimiento diferencial máximo en relación con la longitud = 0.00054<0.004\OK

De acuerdo con la norma y a partir del diseño realizado, se determinó que los elementos cumplen con los requerimientos de serviciabilidad y capacidad.

El bloque 1 está fundado en una cimentación tratada con inclusiones rígidas. Las ventajas de este tipo de tratamiento radican en que los asentamientos se reducen considerablemente y los esfuerzos en los elementos estructurales como pilotes y superestructura se mantienen en un nivel aceptable.

Las estructuras hidráulicas generalmente tienen la característica de poseer grandes volúmenes que implica pesos considerables a ser transmitidos a la cimentación, es por esto que se evidencia la necesidad de tomar mayores recaudos en la simulación de la cimentación, y así evitar un sub o sobredimensionamiento de los elementos, además de tomar las medidas necesarias para mejorar las condiciones del material bajo estas estructuras. Así mismo los grandes volúmenes de estas estructuras llevan a la consolidación de los estratos de cimentación que por consiguiente van a resultar en deformaciones que duran de decenas a centenas de años especialmente en materiales arcillosos y limosos, es por esta razón que si bien la presencia de inclusiones rígidas puede percibirse al inicio como un encarecimiento de la obra, las mismas nos permiten tener un panorama más conservador del comportamiento que se quiere tener en la fundación en un menor tiempo.

La utilización de modelos constitutivos avanzados requieren una mayor cantidad de parámetros para caracterizar un suelo en específico, lo que a su vez requiere ensayos de laboratorio más complejos y por ende una mayor inversión en la etapa de diseño, sin embargo esta inversión se justifica cuando se genera un ahorro en el costo de la construcción y una disminución en la incertidumbre debido a que las soluciones que vamos a obtener son más adecuadas, ya que se utiliza un modelo constitutivo que represente las condiciones del proyecto.

La elaboración de modelos mediante el método directo permiten al diseñador reducir el tiempo y etapas de análisis, esto mediante la simulación en un solo modelo, tanto de lo que conforma la superestructura, su cimentación y a su vez el material circundante de la fundación. El método de subestructura divide al problema en dos etapas, en la una se modela la superestructura y en la otra por separado la subestructura, llevando a un proceso iterativo de pasar los resultados de la una etapa a la otra; es así que el método de la subestructura es suficiente para la mayoría de los casos, pero tiene limitaciones relativas al método directo.

Con el avance de las computadoras y el desarrollo de métodos numéricos, la interacción suelo estructura puede ser resuelto efectivamente, permitiendo reducir el nivel de incertidumbre producto de la suposición u omisión de variables.

Incrementar el tamaño del cabezal de las inclusiones rígidas va a permitir aumentar su capacidad donde es más requerida, así como, reducir los esfuerzos presentes en el material que se tiene entre la superestructura y las mismas.

REFERENCIAS

• America Concrete Institute, A. (2006). Seismic Design of Liquid-Containing. Concrete Structures. Standard, ACI Committee 350, Farmington Hills.
  
  
• Gonzáles Cuevas, O. M. (2013). Análisis Estructural. México: Limusa.
  
  
• Hibbeler, R. C. (2018). Structural Analysis. New Jersey: Pearson Education, Inc.
  
  
• Ledesma, O. (2008). Calibración del Cam Clay para Suelos del Postpampeano. Buenos Aires: Universidad de Buenos Aires.
  
  
• Rodríguez Pons-Esparver, R. (2001). Metodología de estimación automática de parámetros de suelos arenosos en ensayos presiométricos. Madrid: Instituto Geológico y Minero de España.