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