cálculo mejorado de diques de estabilización

XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERIA DE PROYECTOS
LUGO, 26-28 Septiembre, 2007
CÁLCULO MEJORADO DE DIQUES DE ESTABILIZACIÓNCONSOLIDACIÓN. EL ESFUERZO RASANTE
César Antonio Rodríguez González (p), Ricardo Arribas de Paz, Lourdes Ortiz Sañudo
Abstract
They are exposed in a synthetic way the bases of a procedure of enhanced calculation of the
consolidation-stabilization dams used in the correction of ravines and torrents. The emphasis
of the present report is centered in the resistance confirmation in front of the longitudinal
shear force. Starting from the previous experiences and of the analyzed records, we
intended a new procedure to calculate the mentioned dams. It implied it to use knowledge
characteristic of the forest engineering applied to the hydrological-forest restoration, and
knowledge characteristic of the classic civil engineering. We thought about the problem ab
initio again, redrawing and proposing a new structural type with a calculation mixed bracketgraveness of the dams. The calculation, understood specific confirmations to the new type
that included elements of similarity with the traditional dams of graveness and with certain
contention walls. Finally, through a process of successive approaches, the confirmations and
specific equations were deduced to use in the new optimized structural type. In the
resistance confirmation in front of the longitudinal shear force, and when considering the new
form of section type of dam body, the necessity arose of reinforcing a particular section. The
proposed solution, it includes the employment of some connection armors that they don't
vary the general type of the dam where the effect of the own weight of the dam continues
being the main one stability forces. This solution to increase the security in the phase of
exploitation.
Keywords: consolidation-stabilization dam; longitudinal shear force
Resumen
Se exponen de forma sintética las bases de un procedimiento de cálculo mejorado de los
diques de consolidación-estabilización empleados en la corrección de ramblas y torrentes. El
énfasis particular de la presente ponencia se centra en la comprobación de resistencia frente
al esfuerzo rasante. A partir de las experiencias previas y de los antecedentes analizados,
se propuso un nuevo procedimiento para calcular los citados diques. Ello implicó emplear
conocimientos propios de la ingeniería forestal aplicada a la restauración hidrológicoforestal, y conocimientos propios de la ingeniería civil clásica. Se volvió a plantear el
problema desde el principio, rediseñando y proponiendo una nueva tipología estructural con
un cálculo mixto ménsula-gravedad de los diques. El cálculo, comprendió comprobaciones
específicas a la nueva tipología, que incluía elementos de similitud con los diques
tradicionales de gravedad y con ciertos muros de contención. Finalmente, a través de un
proceso de aproximaciones sucesivas, se dedujeron las comprobaciones y fórmulas
específicas a emplear en la nueva tipología optimizada. En la comprobación de resistencia
frente al esfuerzo rasante, y al considerar la nueva forma de sección tipo de cuerpo de
329
dique, surgió la necesidad de reforzar una sección particular. La solución propuesta, incluye
el empleo de unas armaduras de conexión, que no varían la tipología general del dique
donde el efecto del propio peso del dique sigue siendo la principal fuerza estabilizadora.
Esto permite aumentar la seguridad en la fase de explotación frente a la fase de ejecución y
fase provisional de formación de la cuña de aterramiento.
Palabras clave: dique de estabilización-consolidación; esfuerzo rasante
1. Introducción
La restauración hidrológico-forestal, se ha nutrido de ciertas obras estructurales para poder
dar fin a sus objetivos. Estas obras, las cuales carecen de sentido si no se acompañan de
las correspondientes medidas biológicas, se emplazan en cuencas con dificultades para
hacer obra y construcción. Estas dificultades son parejas a la propia problemática generada:
fuerte torrencialidad en los cauces, grandes cárcavas y pendientes, orografía acusada, y
otros. Por otro lado, el diseño, cálculo y ejecución de las obras civiles que acompañan la
restauración se ha realizado tradicionalmente con un fuerte sesgo hacia el campo del
conocimiento forestal. Consideramos que es una tarea de los ingenieros proceder a su
revisión. Tal revisión, que se contempla en esta ponencia, ha implicado una redefinición de
la tipología estructural de los diques de consolidación-estabilización.
Dentro de las medidas estructurales, aquellas que producen mayor impacto, como la
construcción de diques especiales denominados de consolidación-estabilización, se
deberían reservar para los casos más graves. No obstante, la grave situación actual obliga a
proyectar medidas de tipo estructural en una parte de las superficies degradadas. El coste
de estas medidas es elevado, y la demanda de su utilización aumenta cada año. En el
trabajo que aquí se presenta, aunando las consideraciones de tipo económico y las relativas
a la seguridad, se llega al diseño de unos diques con una tipología específica optimizada. Se
exponen las nuevas fórmulas básicas de cálculo en lo que respecta al análisis de
estabilidad, que permiten obtener diques más económicos, más duraderos y más seguros.
Ello permitirá en el futuro, enfrentar este problema que afecta incluso a la disponibilidad de
agua para abastecimiento y a la funcionalidad de los embalses de las áreas mediterráneas.
La solución presentada permite un enfoque más viable, técnica y económicamente. Se
expone un apartado específico para comentar el esfuerzo rasante en la nueva tipología.
2. Mejoras en el cálculo de diques de consolidación. Nueva tipología
Tradicionalmente el cálculo de los diques de consolidación para la corrección de cauces
torrenciales se ha basado en el cálculo de pequeñas presas de abastecimiento de aguas.
Las acciones que actúan sobre estas obras no son las mismas que las de las presas
convencionales. Por un lado, los empujes de la cuña de aterramiento imponen al empuje
hidrostático una acción superpuesta, y por otro, el tamaño de los diques de consolidación,
reducido en comparación con el de las presas de agua, hace que algunas acciones que se
producen en éstas tengan escasa importancia en los diques de consolidación. Tras un
proceso de análisis, tanto de las acciones como de la tecnología habitualmente aplicada en
330
la construcción de estos diques, y que excede el ámbito de esta ponencia, se llegó a la
conclusión de que la tipología ideal para este tipo de obras no es la de presa de gravedad,
sino una tipología se podría definir como dique mixto ménsula-gravedad parcialmente
armado. Esta tipología (de la que se acompaña el esquema 1, a modo de ejemplo), se nutre
de elementos más propios de muros de contención que de presas, pero a la vez, mantiene
la acción estabilizadora básica de las presas de gravedad, de la que por la naturaleza
torrencial de los cauces, no se puede prescindir.
A continuación se enumeran algunas diferencias del diseño propuesto con respecto a las
tipologías tradicionales de los diques de consolidación:
‰
-
El dique está formado por dos elementos estructurales diferenciados: alzado
y losa de cimentación con puntera y talón. Los diques tradicionales constan
de un alzado sobre una cimentación térrea.
-
El material constituyente es hormigón en masa en su mayor parte, y
hormigón armado en una sección de debilidad al esfuerzo rasante y en la
losa. Los materiales habituales de los diques tradicionales suelen ser
mampostería, hormigón ciclópeo, o bien hormigón en masa 1 .
-
La seguridad frente al vuelco aumenta a los dos o tres años de la
construcción del dique, una vez formada la cuña de aterramiento. En los
diques tradicionales la seguridad frente al vuelco disminuye.
-
El reparto de tensiones en el terreno se realiza en forma eficiente, estando la
resultante en la gran mayoría de los casos posibles, dentro del núcleo
central. En la tipología tradicional existe grandes riesgos de que la resultante
quede fuera del núcleo central.
-
El empuje hidrostático se considera al 100%, sin reducción por colocación
de mechinales. En proyectos de diques con la tipología tradicional, se suele
observar que el empuje hidrostático sólo se considera hasta la primera fila
de mechinales 2 .
Comprobación al Vuelco
Para asegurar la estabilidad al vuelco del dique, la fórmula siguiente se deberá aplicar en
todas las posibles hipótesis de carga del dique, antes y después del aterramiento.
Hemos adoptado un coeficiente de seguridad al vuelco de 2,0 (habitual en el cálculo de
muros y obras de contención de tierras), debido a los peligros de una falla en este
sentido:
1
Mención aparte suponen los diques formados a partir de gaviones. Estos diques se consideran
perfectamente válidos en su concepción actual, dando soluciones adaptables y óptimas en gran
número de emplazamientos.
2
La experiencia demuestra que se debe considerar todo el empuje hidrostático, puesto que la
obstrucción de mechinales o incluso, la forma de trabajo de los mismos, no justifica reducción alguna.
331
P ˜ d p Po ˜ d o W ˜ dW Wo ˜ dWo
E H ˜ d H EaH ˜ d aH EaV ˜ d aV Sp ˜ d Sp
t 2,0
(1)
Siendo:
P:
P0:
W:
W0:
EH:
EaH:
EaV:
Sp:
dp:
d0:
dW:
dWo:
dH:
daH:
daV:
dSp:
‰
Peso Propio
Peso de la lámina de agua
Peso Agua sobre Paramento Aguas Arriba
Peso Sedimentos Sobre Paramento Aguas Arriba
Empuje Hidrostático
Empuje Activo Componente Horizontal
Empuje Activo Componente Vertical
Subpresión
Brazo del momento que genera P
Brazo del momento que genera P0
Brazo del momento que genera W
Brazo del momento que genera Wo
Brazo del momento que genera EH
Brazo del momento que genera EaH
Brazo del momento que genera EaV
Brazo del momento que genera Sp
Comprobación al Deslizamiento.
Esta comprobación en este tipo de obras es fundamental. Es poco considerada en
algunos proyectos consultados dentro del ámbito de la ingeniería forestal, pues
considera que es absorbido por el empotramiento de las alas del dique lo que sólo es
cierto en algunos casos.
Se un coeficiente de seguridad de 1,5.
P ˜ ( P Po W Wo )
t 1,5
E H Sp E aH P ˜ E aV
(2)
Siendo:
ȝ:
P:
P0:
W:
W0:
EH:
EaH:
EaV:
Sp:
Coeficiente de rozamiento. Se puede estimar como la tangente de M (ángulo
de rozamiento interno del terreno obtenido a partir del ensayo triaxial)
Peso Propio
Peso de la lámina de agua
Peso Agua sobre Paramento Aguas Arriba
Peso Sedimentos Sobre Paramento Aguas Arriba
Empuje Hidrostático
Empuje Activo Componente Horizontal
Empuje Activo Componente Vertical
Subpresión
332
Comprobación de las Tensiones en el Terreno.
‰
Aplicando un modelo geotécnico de presiones al ámbito torrencial que nos ocupa, y
considerando la tipología propuesta, deducimos las siguientes fórmulas:
¾ Tensiones sin mayorar:
en
Eh ˜ d H EaH ˜ d aH Sp ˜ esp P ˜ e p W ˜ ew Wo ˜ eWo Po ˜ eo Eav ˜ eaV
(3)
P W Wo Po EaV Sp
¾ Tensiones mayoradas:
en
1,5 ˜ Eh ˜ d H 1,5 ˜ EaH ˜ d aH 1,5 ˜ Sp ˜ esp P ˜ e p W ˜ ew Wo ˜ eWo Po ˜ eo 1,5 ˜ Eav ˜ eaV
P W Wo Po 1,5 ˜ EaV 1,5 ˜ Sp
(4)
Siendo en la excentricidad total, y los diferentes parámetros las acciones mencionadas
anteriormente en las fórmulas [1] y [2], y sus excentricidades ei correspondientes.
Una vez obtenida la excentricidad para las distintas hipótesis de carga, se calcula la tensión
máxima mediante las siguientes expresiones aplicadas a este caso, distinguiendo si la
resultante está dentro o fuera del núcleo central:
¾ Resultante dentro del núcleo central:
V máx
N 6 N en
B
B2
(5)
¾ Resultante fuera del núcleo central:
V máx
2N
§B
·
3 ¨ en ¸
©2
¹
(6)
333
Las tensiones máximas ımáx deben ser inferiores a las tensiones admisibles del terreno,
obtenidas del estudio geotécnico de los emplazamientos de los diques
Finalmente, estas fórmulas deducidas para las comprobaciones de estabilidad, afectan
de forma distinta al diseño de las diferentes partes del dique. La interrelación es
compleja, y en ningún caso existe una fórmula que condicione el diseño de forma
exclusiva de una parte del dique, sino que todas afectan a todas las partes en mayor o
menor medida, con algunas preferencias que son expuestas en la tabla siguiente.
Parámetro
Caudal de Diseño
Pendiente de Equilibrio del
Cauce
Terreno sobre el que se
Asienta la Estructura
(tensiones admisibles)
Afecta principalmente a
Diseño del vertedero,
inclinación paramento aguas
abajo, espesor de
coronación y cuenco
amortiguador
Altura del dique, e
indirectamente, a empujes y
aplicación de otras acciones
Profundidad de cimentación,
longitud de puntera y talón,
inclinación paramento aguas
arriba
Material de Relleno
Inclinación paramento aguas
(porosidad, peso específico
arriba, longitud de talón,
aparente, coeficientes de
empujes y mechinales
rozamiento)
Peso específico del flujo
Empujes y otras acciones
Material de la Estructura
(Peso específico,
coeficiente de rozamiento
interno)
Espesor de coronación,
peso y forma del perfil
Tabla 1. Parámetros Externos al Dique.
334
Alas del
vertedero
Paramento
aguas arriba
Paramento
aguas abajo
ALZADO O
CUERPO DEL
DIQUE
Junta de
construcción
ARMADURAS DE
CONTINUIDAD
ZAPATA
ARMADA
Talón
Puntera
Esquema 1. Elementos básicos de un dique tipo ménsula-gravedad parcialmente armado.
3. El esfuerzo rasante en los diques de consolidación-estabilización.
Estimación
En la nueva tipología, una comprobación específica debe ser realizada para que esté
correctamente planteado el cálculo del dique. Esta comprobación se refiere al esfuerzo
rasante, tratado independientemente del cortante y que se debe a la sección de posible
debilidad situada entre el alzado o cuerpo del dique y la zapata armada (ver esquema 1)
Esta debilidad no es debida exclusivamente, como en un principio pudiera parecer, a la
unión de los dos elementos estructurales. La debilidad mayor se debe a la junta de
construcción que con toda seguridad se va a generar. Además, esa sección debe dar
continuidad estructural al dique para que se mantengan las hipótesis de trabajo del mismo.
Por otro lado, desde el punto de vista del comportamiento del hormigón frente a la
fisuración, la concentración de tensiones es grande 3 y, tal como la experiencia ha
demostrado 4 se deben colocar armaduras al efecto más allá de lo prescrito en la norma
básica de hormigones EHE. Al efecto, es recomendable consultar el artículo 47. Estado
Límite de Agotamiento por Esfuerzo Rasante en Juntas entre Hormigones.
3
Es precisamente en esta sección donde se da el mayor empuje hidrostático.
Ver el trabajo de los mismos autores “Introducción a la fisuración en muros de contención de
hormigón armado”, ed. Universidad de Huelva.
4
335
Por lo dicho, es claro que la consideración en un sentido u otro del esfuerzo rasante
va a depender del estado y condiciones de ejecución de la junta de hormigonado. Por ello,
se establece una sencilla expresión que permite estimar el esfuerzo rasante:
Radm
J ˜ fvd ˜ B ˜ 100
(7)
Siendo:
Radm: Resistencia máxima al esfuerzo rasante en t. Este valor se deberá comparar con el
valor de la superposición de cargas debidas a los diferentes empujes en la unión del alzado
del dique con la losa de cimentación.
J: Factor determinante de las condiciones de ejecución de la junta de construcción y
hormigonado. Se establece para condiciones buenas de ejecución J = 0,9 y para
condiciones de ejecución medias J = 0,65.
fvd: resistencia de cálculo al esfuerzo cortante del hormigón en t.
B: ancho del alzado del dique en m.
Por último, se prescribe la colocación de una cuantía mínima de armaduras que realizan
triple función: armaduras de continuidad al alzado y zapata, refuerzo de la estructura frente
al esfuerzo rasante 5 y mejora de las condiciones frente a la fisuración por un mejor reparto
de las cargas.
4.
Conclusiones
La primera y principal conclusión es que los diques de consolidación-estabilización para la
corrección de cauces torrenciales, pueden ser mejorados sin una variación presupuestaria
apreciable frente a la mejora obtenida. Y esta mejora es en tres direcciones: en la
estabilidad del dique, en la durabilidad y en la variación de la respuesta estructural frente a
las acciones con el paso del tiempo.
La estabilidad aumenta al mejorar el reparto de cargas sobre el terreno, que asegura la
resultante dentro del núcleo central. La durabilidad es mayor en obras de hormigón que en
obras de mampostería, en lo que al ámbito torrencial se refiere. Todo ello, claro está,
siguiendo las debidas prescripciones en materia de calidad y ejecución de hormigones que
establece la EHE. La respuesta frente al vuelco con el paso del tiempo, proporciona una
mejora debido a que la cuña de tierras sobre el talón proporciona un efecto que podríamos
decir de “judo estructural”, aumentando hasta en un orden de 2,6 en los casos estudiados,
la relación de seguridad entre la nueva propuesta y la tipología tradicional.
5
No se consideran en la expresión de resistencia frente al esfuerzo rasante con objeto de reducir el
ancho B del cuerpo del dique, pues se podría dar la paradoja de que la sección de la junta fuera
resistente pero no las secciones del alzado donde carece de armaduras.
336
Con respecto al esfuerzo rasante, su comprobación supone un cálculo específico en la
propuesta tipológica presentada y que, prácticamente no se realizaba en la tipología
tradicional con excepción de aquellas obras de hormigón y de altura tales que requirieran de
juntas de hormigonado o construcción. Para este caso se aporta una expresión, que incluye
las condiciones de hormigonado en un factor que se estima puede variar de 0,9 a 0,65.
Considerar esta expresión junto a las de estabilidad, resistencia a flexión y resistencia al
esfuerzo cortante, y a través de un proceso reiterado de aproximaciones sucesivas, conduce
a una solución optimizada, segura y durable para estas obras.
Referencias
Calavera, J.: “Muros de contención y muros de sótano”. INTEMAC.- 2ª Ed. Madrid 1990
Fernández Cánovas, M.: “Hormigón”. Publicaciones de la E.T.S. de Ingenieros de Caminos,
C. y P.- 3ª Ed. Madrid 1993.
Jiménez Montoya, P., García Messeguer, A., Morán Cabré, F.: “Hormigón Armado”. Gustavo
Pili.- Barcelona 1990
Ministerio de Fomento: “Instrucción de hormigón estructural EHE”.- Madrid 1999
Rodríguez, C.A.; Arribas de Paz, R.: ““Introducción a la fisuración en muros de contención
de hormigón armado”, ed. Universidad de Huelva. 2004
Vallarino Cánovas del Castillo, E.: “Tratado básico de presas”. Tomos I y II. Colegio de
Ingenieros de Caminos, C. y P. 5ª Ed. Madrid, 2001
VVAA.: Restauración Hidrológico-Forestal de la Cuenca del Torrente Arás, Ed. TragsaTragsatec. 2001
VVAA.: “Restauración de zonas incendiadas en Andalucía”. Consejería de Medio Ambiente.
Junta de Andalucía. Sevilla 2006
VVAA.: United States Bureau of Reclamation. Design of small dams. Denver, Colorado;
1987
CONTACTO
César Antonio Rodríguez González
Ingeniero de Montes e Ingeniero Civil
Departamento de Ingeniería de Diseño y Proyectos
Universidad de Huelva
[email protected]
21819 La Rábida - Palos de la Fra
(HUELVA)
ESPAÑA (+34) 959 217630
337