Presas de Boveda Multiple

 

INTRODUCCIÓN Se conoce como presa de bóvedas múltiple a toda presa de contrafuertes con pantallas entre los mismos en forma de arco o bóveda. Se denomina presa a una barrera fabricada con piedra, hormigón o materiales sueltos, que se construye habitualmente en una cerrada o desfiladero sobre un río o arroyo. Tiene la finalidad de embalsar el agua en el cauce fluvial para su posterior aprovechamiento en abastecimiento o regadío, para elevar su nivel con el objetivo de derivarla a canalizaciones de riego, para laminación de avenidas (evitar inundaciones aguas abajo de la presa) o para la producción de energía mecánica al transformar la energía potencial del almacenamiento en energía cinética y ésta nuevamente en mecánica al accionar la fuerza del agua un elemento móvil. La energía mecánica puede aprovecharse directamente, como en los antiguos molinos, o de forma indirecta para producir energía eléctrica, como se hace en las centrales hidroeléctricas. Gómez Navarro, en su tomo II de “Saltos de Agua y Presas de Embalse ”, define a la presa como “La presa cuya pantalla tiene personalidad propia, sin que la hipertrofia del contrafuerte haya llegado a anularla”. Aunque el autor no diferenciaba en esta

declaración entre presas con pantalla en bóveda o pantalla plana. Las presas se clasifican según la forma de su estructura y los materiales empleados. Las grandes presas pueden ser de hormigón o de elementos sin trabajar. Las presas de hormigón más comunes son de gravedad, de bóveda y de contrafuertes. Las presas de elementos sin trabar pueden ser de piedra o de tierra. También se construyen presas mixtas, por ejemplo, de gravedad y de piedra, para conseguir mayor estabilidad. Además, una presa de tierra puede tener una estructura de gravedad de hormigón que soporte los aliviaderos. La elección del tipo de presa más adecuado para un emplazamiento concreto se determina mediante estudios de ingeniería y consideraciones económicas. El coste de cada tipo de presa depende de la disponibilidad en las cercanías de los materiales para su construcción y de las facilidades para su transporte. Muchas veces sólo las características del terreno determinan la elección del tipo de estructura.

 

MARCO TEÓRICO  

DEFINICIÓN

Se conoce como presa de bóvedas múltiple a toda presa de contrafuertes con pantallas entre los mismos en forma de arco o bóveda.  

HISTORIA

El nacimiento de este tipo de presas se debe principalmente al objetivo de reducir el ancho a cubrir en una cerrada, cortando el vano en tramos de menor longitud (distancia entre contrafuertes) donde ya es factible cubrirlo con arcos.

Fig. 01. Presa Mountain Dell, Estados Unidos

El primero en explorar estas soluciones fue el Imperio Romano, en el siglo I DC, con 2 obras que aún siguen en pie: la presa Esparragalejo, en Mérida (España) y la presa Muro, en Portugal. Ambas son presas bajas (alrededor de 5m) y construidas en mampostería. Las bóvedas apoyan en 13 contrafuertes. Mide 3,20m de largo, 2,20m de ancho an cho y 5,60m de alto. Se trata en líneas generales de un muro rectilíneo con ligero abombamiento en su parte central.

 

 

Fig. 02. Presa Esparralejo, España

Durante muchos siglos se siguieron desarrollando diversos proyectos en el mundo, como la presa de Meer Allum, construida en 1804 en India para provisión de agua potable, que cuenta con 15m de altura. Ya hacia 1908, el Ingeniero John Eastwood estuvo a cargo del proyecto y la construcción de la presa del lago Hume, California, que con 18m de altura y 203m de largo fue la primera presa de hormigón armado de este tipo.

Fig. 03. Presa Hume, Estados Unidos

Fig. 04. Presa Hume, durante una crecida

 

Luego de demostrar la practicidad de este tipo de presas, además de la notable reducción en los costos de materiales, Eastwood tuvo participación en una gran cantidad de proyectos de este tipo. Otra O tra conocida presa diseñada por Eastwood es la Presa Big Bear, construida aguas abajo de una antigua presa en arco.

Fig. 05. Presa Big Bear, Estados Unidos

Fig. 06. Planos de Eastwood de la presa Big Bear

 

Otra presa de característica belleza, también diseñada por Eastwood, es la presa Lake Hodges, construida en 1918 con 41 metros de altura.

Fig. 07. Presa Lake Hodges, California, Estados Unidos

La presa de arcos múltiples de mayor altura en la actualidad es la presa DanielJohnson, cerca de Quebec, Canadá. Presenta una altura de 214m y una longitud de coronamiento de 1300m. La presa está compuesta por 14 contrafuertes y 13 arcos, de los cuales el central, cubre una distancia entre estribos de 160m.

Fig. 08. Presa Daniel-Johnson, Canadá

 

 

Fig. 09. Uno de los contrafuertes del vano central de la presa Daniel Daniel-Johnson, -Johnson, Canadá

 

TIPOS DE PRESAS

Los diferentes tipos de presas responden a las diversas posibilidades de cumplir la doble exigencia de resistir el empuje e mpuje del agua y evacuarla cuando sea preciso. En cada caso, las características del terreno y los usos que se le quiera dar al agua, condicionan la elección del tipo de presa más adecuado. Existen numerosas clasificaciones, dependiendo de: • Su forma o manera de transmitir las cargas a las que se ve sometida; los

materiales empleados en la construcción.

-

-

Dependiendo de su forma pueden ser: de gravedad; de contrafuertes; de arco; bóvedas o arcos de doble curvatura; mixta, si está compuesta por partes de diferente tipología. Dependiendo del material se pueden clasificar en: de hormigón (convencional o compactado con rodillo); de mampostería; de materiales sueltos (de escollera, de núcleo de arcilla, con pantalla asfáltica, con pantalla de hormigón, homogénea).

 

PRESA DE BÓVEDA MÚLTIPLE

 

Según su aplicación se pueden clasificar como:

-

-

-

-

Presas filtrantes o diques de retención:  Son aquellas que tienen la función de retener sólidos, desde material fino, hasta rocas de gran tamaño, transportadas por torrentes en áreas montañosas, permitiendo sin embargo el paso del agua. Presas de control de avenidas: Son aquellas cuya finalidad es la de laminar el caudal de las avenidas torrenciales, con el fin de que no se cause daño a los terrenos situados aguas abajo de la presa en casos de fuerte tormenta. Presas de derivación: El objetivo principal de estas es elevar la cota del agua para hacer factible su derivación, controlando la sedimentación del cauce de forma que no se obstruyan las bocatomas de derivación. Este tipo de presas son, en general, de poca altura ya que el almacenamiento del agua es un objetivo secundario. Presas de almacenamie almacenamiento: nto: El objetivo principal de éstas es retener el agua para su uso regulado en irrigación, generación eléctrica, abastecimiento a poblaciones, o navegación, grandes vasos capacidad o lagunas artificiales. El recreación mayor porcentaje de presasformando del mundo, las de mayor de embalse y mayor altura de cortina corresponden a este objetivo.

Una presa de Bóveda Múltiple requiere de una serie de condicionamientos para lograr su ejecución y diseño tales como:          

Necesita cimiento muy resistente e indeformable, con elevada elev ada capacidad portante (rocas). Vigilar diaclasas y estratos. Necesita una topografía muy particular. Longitud de coronación menor de tres veces la altura de la presa. Necesita pocos materiales (ahorro en hormigón). Son muy espectaculares (estética). El aliviadero y las conducciones pueden colocarse en el cuerpo de presa.

 

ANÁLISIS Y DISEÑO -

Como se ha ido definiendo, la presa de bóveda emplea curvaturas complejas tanto en los planos verticales como en los horizontales, para el análisis de la estructura lo plantearemos como un muro de gravedad que, posteriormente se deben realizar otros cálculos adicionales para el uso de concreto armado, ya que el cálculo para ambos es el mismo, nos basaremos en diferentes principios de la física que describiremos paso a paso a continuación: El análisis realizado es para una bóveda.

Fig. 10. IDEALIZACION DE PRESA DE BOVEDA MULTIPLE 

VISTA LATERAL: En la vista lateral si idealiza la forma del estribo como un rectángulo, de espesor constante y de una altura que varía de acuerdo a los caudales y al requerimiento del proyecto, considerando también las avenidas máximas y mínimas. DONDE : Hr = y Dy t

altura requerida diferencial de altura espesor

El diferencial de altura va desde 0 hasta altura requerida:

0 ≪  ≪   

 

VISTA FRONTAL: La vista frontal de la idealización ide alización de la presa de arco simple se observa a la base de forma rectangular, para lo cual vamos a proyectar un área diferencial. 

   =  

  =  

VISTA EN PLANTA: En la estructura de arco simple se considera un radio y un ángulo constante, el radio calculado deberá ser el mayor, como se sabe en la altura se considera que; a mayor profundidad hay mayor presión y es espesor deberá ser mayor en la parte profunda.

Fig. 11. VARIACION DE ESPESOR DE CONTRAFUERTE.

 

Como se mencionó anteriormente tanto los radios con el ángulo son constantes para el diseño de una presa de bóveda, la presión del agua varia conforme a la altura y el espesor también. La reacción en el estribo es perpendicular al área de la misma, si el arco es isométrico te tiene que las dos normales en los estribos sería igual a la fuerza de presión del agua.

Fig. 12. IDEALIZACION DE ARCO MULTIPLE, RADIO CONSTANTE Y ANGULO CONSTANTE

Fig. 13. IDEALIZACION DE ARCO MULTIPLE, LA REACCION, LA PRESION DEL AGUA.

 

De las figuras se tiene:

°≪≪° 

Valores de alfa varían: Según gráfico:  

 

     sin 2 = 

=

…………………… (1) 

     …………………… (2) 

Fp= fuerza de presión del fluido

 =      =   = ( ∗ ) () ∗    =     Donde: R: reacción Y: altura requerida Ac: área de contacto Ap.: área proyectada

: Esfuerzo de compresión T: espesor

Por estática:

∑  =   ∗∗ =  ∗  ∗  ∗     =  ∗  ∗  ∗  

 

Reemplazando en la ecuación de esfuerzo:

 =      = ∗∗∗ ∗    =  ∗  ∗    =  ∗  ∗   De la ecuación se deduce que el espesor e spesor de los estribos es de acuerdo a la altura y es inversamente proporcional al esfuerzo requerido, la presión varia con razón a la profundidad, si la altura (y=0), indicaría que el espesor seria cero, lo cual se tomaría un espesor mínimo en la superficie, como se ve en la figura N° 10.

Fig. 14. DISEÑO DE PRESA DE BOVEDA MULTIPLE

 

Conclusiones Apropiada para cañones angostos, sujeta a roca firme o uniforme con una resistencia alta y con deformación limitada en su cimentación y, de manera especial, en los estribos. Carga alta en los estribos. El ahorro de hormigón con respecto a la presa de gravedad está entre 50 y 85 %.

BIBLIOGRAFÍA -

Ministerio de Medio Ambiente, Instrucción para el Proyecto, Construcción y Explotación de Grandes Presas. 1967. Fernando Delgado Ramos, Seguridad de Presas y Embalses. Normativa y Recomendaciones. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, 2004. Eugenio Vallarino, Tratado Básico de Presas, Tomos I y II. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, 2006.

ANEXOS