TEMA: PRESAS DE GRAVEDAD

CURSO: ESTRUCTURAS HIDRAULICAS

DOCENTE: Msc. RICARDO NARVAEZ ARANDA

PRESAS DE GRAVEDAD

Introducción

Una presa de gravedad es aquella estructura cuya estabilidad frente a las fuerzas externas actuantes ,viene a ser fundamentalmente ala fuerza de su propio peso

Estabilidad de una presa de gravedad

Los tres factores mas importantes que atentan contra la estabilidad de una presa de gravedad son:

PRESAS DE GRAVEDAD

PRESAS DE GRAVEDADEL VOLTEOBajo la acción de fuerzas externas las cortinas de gravedad tienden a girar alrededor de su pie. Es fácil darse cuenta que antes de que la presa llegara a voltearse como un cuerpo rígido, tendrían que haber fallado sus materiales por tensión en el talón o por aplastamiento en el pie.

PRESAS DE GRAVEDADEL DESLIZAMIENTOLa fuerza horizontal H , suele desplazar la cortina en dirección horizontal, las fuerzas resistentes serán las producidas por la fricción y por la resistencia al corte del concreto en la cimentación. Antes de que la presa de deslice como cuerpo rígido habrían fallado sus materiales o la liga con la cimentación o esta ultima por esfuerzo cortante.

PRESAS DE GRAVEDADEsfuerzos ExcesivosLa falla de la estabilidad estará vinculada a la ruptura de sus materiales , por lo el proyecto debe enfocarse dentro de los limites aceptables, porque los esfuerzos en concretos de presas, inducidos por fuerzas externas son normalmente muy bajos si el diseño ha sido elaborado con el suficiente cuidado.

PRESAS DE GRAVEDADTalud mínimo que garantiza la estabilidad de la cortina

Se puede garantizar la estabilidad y la ausencia de tensiones en una cortina de sección gravedad, considerando el peso de la estructura, el empuje hidrostático que tiende a empujar la estructura en dirección aguas abajo y a voltearlo alrededor del pie de la cortina y la subpresión , si no hay una buena adherencia entre el entre el muro y la cimentación la tendencia al volteo inducirá una posibilidad de levantar el talón lo que dará cabida a la introducción de agua entre ella y la cimentación de la cortina , esta agua producirá un empuje hacia arriba que tendría momento volteante respecto al pie de la presa empeorando las condiciones de estabilidad del muro. será conveniente evitar , toda separación de la cortinad cimentación. Es decir evitar toda posible tensión en el talón.

PRESAS DE GRAVEDADEsto se podrá lograr si el peso del muro produce esfuerzos de compresión de tal modo que contrarresten la tensión en el talón. Bajo esta condición el talud mínimo será K=0.645 si se permitiera que el agua produzca subpresión al filtrarse, pues corresponde al gradiente hidráulico solo por cortante, que son proporcionales a la longitud del camino recorrido por el agua, para este caso se obtendría un talud K= 0.845.

Se puede notar la importancia de la subpresión, al actuar como se ha supuesto, ocasionaría la necesidad de incrementar el volumen de la presa en un 31% .

0.845-0.645 = 0.31 0.645

Nota: La estabilidad de una presa de gravedad puede fallar por volteo, deslizamiento o por esfuerzos excesivos

PRESAS DE GRAVEDADMedidas para reducir la subpresión Reducir las filtracionesEs importante evitar las filtraciones a través de la cortina, entre ella y la cimentación, por medio de impermeabilización ,lo cual produce perdidas de carga de tal modo que se reduce la presión.

Para evitar esto se recomienda cuidar la uniformidad del concreto para evitar huecos, grietas o disgregaciones que faciliten la intromisión del agua en el en el cuerpo de la cortina.

PRESAS DE GRAVEDADSin embargo el concreto no es del todo permeable , y el agua puede filtrarse a través de el ,aunque tarde un tiempo muy largo se recuerda que una grieta o una caverna originan subpresión.

Para esto debe tener cuidado en la calidad de la unión al unirse presa cimentación , para esto debe de limpiarse perfectamente la superficie de desplante, tratando de quede rugosa y controlando la colocación de la primera capa de concreto colocado.

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ALIVIAR LA PRESIÓN DE AGUA QUE LLEGUE A FILTRARSEPara aliviar la presión del agua se usara el drenaje en la presa

Nota: Para reducir la subpresión en una presa, se recomienda evitar las filtraciones a través de la cortina, entre ella y la cimentación y a través de esta ; además es necesario aliviar la presión del agua que llegue a filtrarse por medio de un sistema de drenaje .

Carga Muerta:Corresponde al peso del concreto más el del equipamiento hidromecánico (compuertas, galerías, barandas, etc.)

En diseño preliminar es usual considerar los siguientes pesos unitarios:

*Para el concreto = 2400 kg/m3. *Para elementos metálicos = 7800 kg/m3.

CARGAS A CONSIDERAR EN EL ANALISIS

PESO PROPIOEl peso propio de la cortina se calcula W= γm.V. Para el caso del concreto γm=2.4tn/m3, para la mampostería el valor de γm es cercano a 2.2tn/m3 (dependiendo de la piedra usada), generalmente se desprecian en el calculo las galerías y los volados de la corona, siempre y cuando se tomen en cuenta el peso de las pilas, puentes, compuertas, y sus mecanismos, considerando cada peso parcial en su línea de acción.

CARGAS EN UNA CORTINA DE GRAVEDAD

EMPUJE HIDROSTATICO

En el cálculo de estos empujes se hacen 2 hipótesis.El peso especifico del agua es de 1m3

Es valida la ley de pascal, ”la presión actúa en cada punto con igual magnitud en todas las direcciones y sentidos ,y los empujes resultantes son normales a las superficies sobre las que actúan”

EMPUJE DE LODOSLos lodos que acarrea la corriente se depositan en el vaso y

ejercen empujes en el paramento aguas arriba de la presa, que son mayores a los empujes hidrostáticos.

hd.1-senΦDh = ————

2.1+senΦDondeγ: peso del material sumergidoΦ: ángulo de fricción internaHd: profundidad de la capacidad de lodoPara diseños preliminares del USBR se recomienda

.hdDh= ——— 2

Con =0.36 m3Por otro lado Dv es el peso de la cuña y se calcula con

γ^=0.92/m3

EMPUJE POR HIELO

El hielo (en los sitios en que puede ocurrir el congelamiento de la superficie libre del agua) produce un empuje debido a su dilatación, en general se considera que actúa en la superficie libre del agua, con un valor de 15/m de espesor de la tajada de la cortina que se analiza

SISMOLos sismos comunican aceleraciones a las cortinas que pueden

aumentar las presiones del agua sobre ellas, así como los esfuerzos dentro de la estructura ,así se producirán fuerzas horizontales que actuaran en el paramento aguas arriba y fuerzas verticales que se traducen en choques de la cimentación hacia abajo , lo cual solo se presenta el análisis pseudos-estático

≤1 Puede ser distinto para el sismo horizontal que para vertical, por otra parte, usualmente no se consideran ambos tipos de sismos simultáneamente,El diagrama parabólico es el empuje hidrostático adicional ocasionando por el efecto del sismo sobre el agua , es del orden de 0.05 en la mayor parte de las normas En algunos casos se ha tomado variable considerando el valor del coeficiente de la cimentación igual al regional, y en la corona el doble o triple del mismo

Para calcular el empuje del agua por sismo (análisis pseudo estático) se aplican las siguientes formulas propuestas por ZANGAR.

Psismo =CγaKhDonde:K = coeficiente sísmico del lugar o de la presaC = coeficiente del agua.

• EFECTO HIDRODINÁMICO DEL AGUALa presión hidrodinámica ejercida por el agua durante el desarrollo de un sismo horizontal, se evalúa con la siguiente expresión:

pE = CE H w Hdonde:pE – presión originada por empuje

hidrodinámicoCE – coeficiente de empuje

hidrodinámico

H – intensidad del sismo horizontalH = aSH/g

w – peso específico del aguaH – profundidad total del agua en el embalseEl coeficiente de empuje hidrodinámico, CE, es función de la relación y/H y de , donde:y – profundidad del punto considerado

con respecto de la superficie libre - ángulo de inclinación de la cara anterior de la presa

donde:Cm = g() = 0.0193(90°-)0.808

Método de Zangar

Hy

2Hy

Hy

2Hy

2C

C mE

O Cm

0º 0.726

10º 0.670

20º 0.600

30º 0.540

PRESAS DE GRAVEDAD

Fuerza debida a la presión del agua: Se determina considerando que se cumple la distribución hidrostática de presión, esto es, que la presión varía linealmente con la profundidad, así:

F = ½ h2

La fuerza resultante pasa a un tercio de la altura

• Fuerza de InerciaLa fuerza de inercia debida a sismo, actuante en el centroide de la presa, se determina mediante las relaciones:

FSH = maSH

FSV = maSV

La fuerza de inercia asociada la masa de agua en presas con cara anterior inclinada se determina considerando la masa de agua situada por encima de dicha pared anterior.

PRESAS DE GRAVEDAD

PRESAS DE GRAVEDAD

SUBPRESIÓN

En diseños preliminares de presas de gravedad que cuentan con un sistema de drenes, la supresión se determina a partir de la distribución de presiones en la base de la presa, mostrada en la siguiente figura:

• VOLTEOEl factor de seguridad al volteo se define como la razón de la suma de momentos de las fuerzas opuestas al volteo entre la suma de momentos de las fuerzas activas de volteo.

Fsv =

volteodeactivasfuerzasdeMo

volteoalopuestasfuerzasdeMo

• DESLIZAMIENTOEs necesario distinguir entre el llamado factor de deslizamiento (f) y el factor de fricción por corte (SFF).Factor de deslizamiento (f):

f = FH/ FV

El factor de deslizamiento no debe ser mayor a 0.75 en el caso de combinaciones usual e inusual y no debe exceder 0.85 en el caso de combinación extrema de cargas.

ESFUERZOS PRINCIPALES

2BM6

B

FV

mínmáx

Donde:

FV = Sumatoria de fuerzas verticales

B = base de la presa

M = sumatoria de momentos en el centro de la base