Comportamiento estructural de tuberías forzadas y blindajes en saltos hidroeléctricos : propuestas de diseño y cálculo

En los últimos años ha aumentado el interés en el desarrollo de proyectos en el ámbito de las centrales hidroeléctricas y en concreto en las centrales reversibles. Estas centrales están diseñadas para grandes caudales y saltos, lo cual conlleva túneles de gran diámetro y alta presión y a menudo son esquemas subterráneos. Por ello, los estudios relativos a revestimientos de túneles en presión y los referentes a los blindajes de acero han cobrado una mayor relevancia. En las décadas de los 60 y 70 se realizó una importante labor de investigación coincidiendo con el desarrollo hidroeléctrico en Europa y Norteamérica, que sin embargo ha quedado sin continuidad hasta esta década, en la que se ha experimentado un impulso debido al desarrollo de nuevos proyectos hidroeléctricos de gran magnitud. La adecuación de los métodos de cálculo de blindajes supone una herramienta imprescindible en el correcto desarrollo técnico de los nuevos proyectos hidroeléctricos, así como para la evaluación de la seguridad de los saltos hidroeléctricos existentes en operación. En la presente Tesis se realiza un análisis del comportamiento estructural de las galerías en presión de saltos hidroeléctricos, así como una discusión y revisión de los métodos de cálculo existentes. En concreto se analizan los siguientes aspectos: •Descripción y comparación de las formulaciones existentes para el cálculo de blindajes tanto a presión exterior como interior. •Aplicación del Método de Elementos Finitos para la modelización y cálculo resistente y frente a inestabilidad de blindajes sometidos a presión exterior. •Análisis de un caso real, en el que se ha producido un fallo estructural en un blindaje sometido a presión exterior. Discusión sobre el comportamiento de blindajes con rigidizadores. Estudio paramétrico de la capacidad resistente y de la estabilidad de los blindajes con rigidizadores. •Estudio del comportamiento diferenciado entre un rigidizador y un conector. •Detalles constructivos y de durabilidad de las galerías en presión. •Desarrollo de una metodología para el cálculo de blindajes y tuberías forzadas a fatiga derivada de las variaciones de presión de la conducción. •Análisis de un caso real de una tubería forzada sometida a procesos de variación de carga, evaluando su seguridad frente a la fatiga. El cálculo de blindajes en galerías forzadas presenta una serie de aspectos complejos, y que no permiten la definición del problema con exactitud, tales como las características del macizo rocoso y su permeabilidad, la determinación del nivel freático, la holgura existente entre el blindaje y el revestimiento del trasdós y sus posibles defectos geométricos. Por estas incertidumbres, el cálculo de blindajes supone una materia compleja y que debe ser abordada desde la cautela y el análisis de otros trabajos y/o análisis realizados con anterioridad. En cualquier caso, debe realizarse un análisis de sensibilidad de los diversos parámetros que intervienen en el cálculo. En esta tesis se han descrito las principales formulaciones de cálculo de blindajes de galerías forzadas sometidas a presión interior y exterior; se ha constatado que existe una gran diversidad y que de su aplicación no se llega a resultados concluyentes. Las formulaciones clásicas utilizadas en el cálculo de blindajes lisos y con rigidizadores sometidos a presión exterior (Amstutz y Jacobsen) no resultan del todo adecuadas ni son de aplicación general. Además, pueden arrojar resultados no conservadores o conducir a un sobredimensionamiento del blindaje en otros casos. En las formulaciones tradicionales de diseño se han tenido en cuenta como imperfecciones la holgura del blindaje y la ovalidad del mismo. En la presente tesis, se han analizado imperfecciones de tipo ondulatorio derivadas de los procesos de soldadura y la existencia de espesores reducidos en zonas de corrosión. En el caso práctico analizado sometido a presión exterior, se ha comprobado el funcionamiento real del blindaje mediante los modelos realizados con elementos finitos. Se desprende que los rigidizadores no han funcionado como tales, puesto que para blindajes lisos se obtienen presiones más bajas de pandeo y para el caso de funcionamiento correcto de los rigidizadores se habría obtenido un coeficiente de seguridad suficiente. Por este motivo, se ha analizado el posible funcionamiento de los rigidizadores, que en determinados casos pueden actuar como conectores. En estos casos deben dimensionarse de forma adecuada las soldaduras para soportar las tensiones entre chapa y conector. Por otra parte, tradicionalmente no se han tenido en cuenta los efectos de fatiga que pueden ocasionar los golpes de ariete y las pulsaciones de presión debidas a la regulación secundaria de la red. En esta tesis se ha establecido un procedimiento de comprobación de tuberías forzadas y blindajes sometidos a procesos de fatiga. Adicionalmente, se ha estudiado el caso real de las tuberías forzadas de una central reversible real (Bolarque II) en funcionamiento de regulación secundaria. Se ha concluido, como en otros casos analizados en la bibliografía, que las pulsaciones derivadas de la regulación secundaria no son significativas como para tener en cuenta la fatiga del acero. Por otra parte, las maniobras de arranque y parada (golpe de ariete) suponen una variación importante de la presión en la conducción. Sin embargo, el moderado número de ciclos permite asegurar la integridad de la tubería frente a fenómenos de fatiga. Nowadays, there is a significant concern in the development of projects in the field of hydroelectric power plants, particularly in the pump-storage projects. These plants are designed for high flow rates and heads, which entails large-diameter tunnels and high pressure ratios), and often as underground schemes. Therefore, this concern has reactivated studies about penstocks and in particular those related to steel liners. During the 1960s and 1970s due to hydropower-engineering development in Europe and North America, a major research effort was done. However, the increasing development of new large-scale hydropower projects has involved a renewed research effort during this decade. The adequacy of steel liner calculation methods is a very important issue in the proper technical development of new hydroelectric projects, and for the safety assessment of existing hydroelectric power plants in operation. In this work, an analysis of the structural behavior of pressure galleries in hydroelectric schemes was carried out. Also, a discussion and a review of existing calculation methods are included. In particular, the following issues have been considered: •Description and comparison of existing formulations for calculating the liner response to both external and internal pressure. •Analysis of an actual case study of a steel liner which failed due to external pressure. •Application of the Finite Element Method to liner modeling and analysis subjected to external pressure. •A parametric study of the shielding with stiffeners and discussion about the behavior of liner with stiffeners. •Constructive aspects and durability of pressure galleries. •Development of a methodology for estimating fatigue effects on penstocks and liners sue to pressure changes. •Analysis of an actual case study of a penstock under varying load and assessment of its safety against fatigue. The project of a hydropower penstock is a complex issue, due to the uncertainties in the definition of the problem data, such as the characteristics of the rock mass and its permeability, the determination of the water table, the existing gap between the steel liner and the concrete of the backfill, the geometric imperfections... Hence, the design and analysis of a steel liner must be addressed cautiously and take into account a review of previous studies performed. Ever, a sensitivity analysis of the various parameters involved in the calculation should be performed. In this work, some of the most relevant formulations for liner design subjected to inside and outside pressure have been studied. As a whole, there is a wide variety and its application does not lead to conclusive results. The classical formulations used in the steel liner calculation either with or without stiffeners under external pressure (Amstutz and Jacobsen) are not entirely adequate Also, those can yield both conservative and non-conservative results in large ranges of application. Traditionally design approaches only considered initial gap and ovality as the most relevant geometric imperfections. Thus, little attention was paid to those caused either by welding or by thickness loss in corroded areas. In the case study analyzed in this thesis, the actual working of the liner under external pressure has been simulated by the Finite Element Method. Results show that the stiffeners have not performed as such, since for unstiffened liner lower buckling pressures are obtained and for proper performance of the stiffeners would give a sufficient safety factor. Hence, it must be pointed out that stiffeners may perform either as such or as connectors. For the latter, welding must be designed to properly withstand stresses between the shell and the stiffener. Likewise, the potential fatigue effects due to both water hammer and pressure pulsations due to secondary regulation of the network have not been considered in many studies. It has been included in this work a procedure for checking penstocks and liners under fatigue processes. Additionally, the penstock fatigue response of an actual pump storage project (Bolarque II, Spain) subjected to secondary control operation has been assessed. As in other cases discussed in the literature, pulsations derived from the secondary control are not significant to account for fatigue of steel. Moreover, the start and stop manoeuvres (water hammer) cause a significant change in penstock pressure. However, the moderate number of cycles ensures the integrity of the penstock against fatigue phenomena.

Simulación de terremotos por rotura de falla usando el método de los elementos de contorno

Se presenta un método para la simulación de terremotos, basado en la modelización conjunta de la fuente del sismo,emplazamiento de la estructura y trayectoria intermedia. Esta aproximación tiene la ventaja, respecto a los métodos clásicos, de hacer innecesarias muchas de las hipótesis obligadas en estos, fundamentalmente en lo que respecta al tipo y características del tren de ondas incidente. Por otra parte, al englobar la fuente en la discretización se facilita la cuantificación del terremoto, según las ideas más actuales (basadas precisamente en las características físicas de la falla). Naturalmente, el método presenta una parte negativa obvia: la complejidad y extensión del sistema a modelizar. Es por ello que el método de los elementos de contorno, al discretizar tan sólo el contorno, parece la solución adecuada. La comunicación se centra en la formulación del método, poniendo de relieve la facilidad con que la aproximación se incluye en un programa usual de ordenador como una simple subrutina más.

Ampliación de la playa de la Rada. Estepona (Málaga)

El proyecto estudia la ampliación de la playa de La Rada para paliar el problema de escasa zona de playa para las necesidades existentes. La playa de La Rada se encuentra ubicada en la costa del Mediterráneo Occidental, en el núcleo urbano de Estepona, dentro de la provincia de Málaga. Este estudio valora tres alternativas que se diferencian esencialmente en el número y tipología de los diques a construir para la consecución del objetivo. Alno ser una regeneración de playa sino una ampliación de la misma, no se valoran conceptos como el deterioro o el proceso de regresión de la misma. En definitiva las actuaciones que en este estudio se proponen van encaminadas a recuperar, ampliar y acondicionar la playa como espacio natural de indudable valor ambiental y espacio de ocio de calidad que redundará en el beneficio tanto de sus potenciales usuarios, como del valor global del territorio, mediante nuevas actuaciones antrópicas positivas desde la óptica ambiental del litoral que suplan lo que la naturaleza por sí misma ya no es capaz de recuperar sola sin ayuda.

Un sistema experto para la evaluación del nivel de calidad en estructuras de edificación

Las tendencias actuales dentro de la Inteligencia Artificial y los Sistemas Expertos se mueven hacia la excitante posibilidad de reproducir y simular el conocimiento y comportamiento humanos dentro de Bases de Conocimiento, acopladas con códigos computacionales parcialmente inteligentes. Así, este trabajo se ocupa de la predicción del nivel de calidad en estructuras mediante un sistema experto denominado QL-CONST1, capaz de "razonar" sobre este campo de la ingeniería estructural. La Base de Conocimientos ha sido desarrollada en términos probabilísticos de hipótesis y evidencias, con la invalorable ayuda de expertos humanos en ingeniería estructural. Se incluyen algunos ejemplos ilustrativos para validar el comportamiento del sistema experto.

Análisis del proceso de fisuración en estructuras de hormigón por el Método de los Elementos Finitos mediante un modelo plástico

El Método de los Elementos Finitos ha demostrado ser una poderosa herramienta para el análisis de problemas complejos en Ingeniería Estructural, tales como la resolución de estructuras cuyos materiales son susceptibles de plastificación, por ejemplo. En cualquier caso, tal éxito sólo es posible cuando el modelo elegido de comportamiento corresponde a la realidad experimental; siendo éste uno de los problemas aún no resueltos para el hormigón por no existir modelos suficientemente generales que predigan su comportamiento dentro de las teorías de la Mecánica del Continuo. En este trabajo se presenta un modelo para el estudio de la fisuración en el hormigón dentro de un contexto matemático análogo al utilizado en la Teoría de la Plasticidad; de manera que los esquemas utilizados en el M.E.F. para la implementación de ésta siguen siendo válidos. El resultado es un método para el análisis de estructuras de hormigón que recoge el complejo fenómeno de la fisuración con relativa sencillez. También son presentados algunos ejemplos resueltos con un programa de ordenador que implementa dicho modelo dentro de las técnicas del M.E.F.

Un nuevo enfoque en elastostática: elementos de contorno p-autoadaptables

Este trabajo describe la aplicación del Método de los Elementos de Contorno en su versión p-adaptable a problemas de elastostática lineal y su implementación en micro-ordenadores. Se demuestra que la técnica aquí propuesta es sumamente ventajosa en el análisis de medios continuos, consiguiéndose velocidades de convergencia mayores que las que se obtienen mediante el refinamiento tipo h. Se incluyen ejemplos ilustrativos.

Aplicación del Método de los Elementos de Contorno al problema termoelástico

El problema termoelástico general admite una formulación lineal y desacoplada en los casos en que las deformaciones y los incrementos de temperatura son pequeños y las variaciones de temperatura son lentas. En general, la resolución por vía analítica del sistema de ecuaciones diferenciales que gobierna el problema elástico lineal presenta grandes dificultades obligando al empleo de métodos aproximados, entre los que se encuentra el método de los elementos de contorno. Desde esta perspectiva se realiza una formulación por la que se aplica el método de los elementos de contorno en el caso termoelástico estacionario y, como aplicación de lo expuesto anteriormente, se desarrolla un programa de ordenador para resolver problemas termoelásticos estacionarios por el método de los elementos de contorno.

Comodidad ferroviaria al paso de puentes

Se ha examinado la respuesta en tres de los puentes propuestos por el Comité de Expertos de la O.R.E. como genéricos. Las características mecánicas de cada uno son las que se exponen, aclarando de antemano que se trata de puentes de un sólo vano y que el número de modos se refiere al número de deformadas (senoidales) con que se aproxima a la real. El tipo de tren utilizado es clásico, compuesto por una locomotora CC 6500 y un vagón CORAIL. En cada caso se han efectuado pasadas correspondientes a las velocidades de 120, 160 y 200 Km/h. reflejándose la aceleración en la parte delantera y trasera del coche, en el puente QA y para cada velocidad de paso. Los resultados obtenidos para el parámetro V.D.V. muestran unos valores muy inferiores a aquellos que producen alguna sensación de incomodidad. Se hace notar no obstante que ello ocurre a pesar de que el registro temporal muestra aceleraciones importantes, especialmente a velocidades elevadas. Aparecen pues enfrentadas dos formas diferentes de entender la incomodidad causada por las vibraciones. El V.D.V. recoje la influencia de la duración de las vibraciones, pero no el efecto de transitorios que tienden a desaparecer en el filtrado. Es por ello que, al menos en lo que a esta aplicación se refiere, no parece aconsejable utilizar el V.D.V. como parámetro único, a pesar de sus evidentes ventajas en cuanto a comodidad y sencillez de uso. Por otra parte, la no inclusión de las irregularidades de la vía como factor agravante sobre la señal de partida, puede ser motivo de discrepancias con la realidad.

Impedancias dinámicas en zapatas rígidas y flexibles sobre medios viscoelásticos

Se presentan aplicaciones recientes del Método de los Elementos de Contorno al cálculo de impedancias de cimentaciones en terrenos viscoelásticos, haciendo especial hincapié en el tratamiento de medios estratificados para problemas con simetría de revolución y en la forma de tratar zapatas flexibles.

Elementos de contorno p-adaptables en problemas tridimensionales

Se presentan en este artículo los resultados obtenidos con la aplicación de la filosofía de p-convergencia a problemas tridimensionales controlados por la ecuación de Laplace. Se pretende con ello sintetizar las ventajas inherentes a la discretización de contorno y a la jerarquización de las funciones de interpolación.

Puente para la mejora de la conectividad de la urbanización Entrepinos con la A-62. Simancas (Valladolid)

El puente sobre el que versa este proyecto surge como una necesidad para mejorar la conectividad de la Urbanización Entrepinos con la A-62. Dicho puente es consecuencia del hecho de que la variante tiene que salvar el río Pisuerga. El objeto de este proyecto constructivo es la realización de un proyecto que permita desarrollar completamente la definición de la actuación. Para poder definir la actuación se han llevado a cabo una serie de estudios básicos que permiten obtener información suficiente para la definición del proyecto. Sus conclusiones dan pie a nuevos estudios básicos o, directamente, al dimensionamiento de la actuación.

Rehabilitación, refuerzo y mejora de la presa Hizaeti Afras. Wukro, Tigray (Etiopía)

Este proyecto estudia la problemática de una presa en Wukro, Etiopía, que no estaba operativa y con una bajada notable del nivel del embalse. El objeto de esta presa es abastecer a una superficie de 80 ha de terreno cultivable con agua para regadío, es decir, no potabilizada. El abastecimiento se debería de realizar mediante un canal de mampostería que conduce el agua desde el desagüe de fondo de la presa hasta las parcelas. Dada la modalidad de proyecto de cooperación, se ha intentado adoptar una mentalidad de un proyectista etíope, buscando una solución realista y sobre todo útil para la comunidad.Por este motivo, priman conceptos como celeridad de aplicación o presupuesto. El objetivo primordial es abastecer lo antes posible a los campos de los agricultores locales. Este proyecto no cuenta con los medios económicos para llevarse a cabo, pero se realiza con la idea de que fuera ejecutable en caso de que la financiación requerida fuera conseguida.

Recomendaciones hacia la Normativa Sismorresistente de Haití.

Este Trabajo de Fin de Master (TFM) tiene como objetivo principal hacer algunas recomendaciones dirigidas al establecimiento de una normativa sismorresistente para Haití. Para ello, se presenta una parte teórica de conceptos y elementos fundamentales para establecer una normativa sismorresistente. Asimismo, se describe el procedimiento para hacer un estudio de peligrosidad y la representación del resultado en términos de espectro de respuesta, cuya determinación necesita del espectro de peligro uniforme (UHS). Dado que dichos resultados están influenciados por el aspecto local, se describe también esta influencia. En segundo lugar, se incluye una parte práctica donde se hacen las diferentes propuestas. Usando los resultados de cálculo de la peligrosidad de Haití obtenidos de la manera descrita previamente y comparando con distintas normativas, se hace una propuesta de espectro de respuesta para Haití. A continuación, al comparar las clasificaciones de suelos y tipos de edificios junto con sus coeficientes, y a la luz de análisis e investigaciones relacionados, se proponen las clasificaciones correspondientes para el país. Finalmente, se propone una metodología de cálculo de fuerzas, para lo cual, algunos parámetros se deducen mediante comparación de las distintas normativas.

Problemas en los estudios de ventilación de túneles de carretera

En España el esfuerzo para la articulación del territorio mediante vías de comunicación y transporte se ha visto incrementado enormemente en los últimos años. En las nuevas carreteras las exigencias de confort y seguridad se reflejan en la menor dependencia que el trazado presenta respecto a la topografía del terreno lo que a su vez implica la multiplicación del número de obras de ingeniería civil como puentes y túneles. Entre éstos últimos, por las mismas razones, se observa un incremento en el número de túneles con longitudes apreciables y por tanto incapaces de ser ventilados con tiro natural. Quiere ello decir que se han multiplicado las instalaciones de ventilación forzada en túneles de carretera, lo que ha llevado a un mayor conocimiento de los sistemas empleados así como al planteamiento de algunas cuestiones sobre las que es preciso profundizar. En España se dispone en este momento de amplia experiencia en instalaciones construidas con diferentes sistemas de ventilación: longitudinal, transversal, etc. Pero debido probablemente al empleo de calzadas separadas para los diferentes sentidos de tráfico, se observa una tendencia creciente al uso del sistema longitudinal con aceleradores lo que, por otra parte, está en consonancia con lo que sucede en el resto del mundo. La ventilación longitudinal tiene ventajas bien conocidas relativas a su flexibilidad y coste, incluso cuando es preciso recurrir a instalaciones intermedias de pozos auxiliares en túneles de gran longitud. Por otro lado presenta algunos problemas relativos tanto a su funcionamiento interior como a su relación con el exterior. Entre éstos últimos cabe citar el impacto que túneles urbanos largos pueden tener en la contaminación ambiental. En efecto, puesto que la ventilación longitudinal arrastra los contaminantes a lo largo del tubo, el vertido en la boca de aguas abajo suele tener una contaminación superior a la permitida en ambientes urbanos. Es curioso observar cómo se ha movido la tendencia en los estudios de ventilación a discutir no ya los requisitos en el interior sino la calidad exigible en el vertido o los procedimientos para mejorarla. En este sentido puede ser necesario recurrir al uso de chimeneas difusoras,o métodos basados en la precipitación electrostática donde se están proporcionando soluciones ingeniosas y prometedoras. Un problema "exterior" de interés que se presenta cuando se dispone de poco espacio para separar las bocas es la recirculación entre túneles gemelos con diferentes sentidos de tráfico y ventilación. Así puede suceder que los vertidos contaminados procedentes de la salida de un tubo sean aspirados por el gemelo en lugar del aire limpio que se pretendía. En situaciones normales es un fenómeno raro pues el vertido se realiza en forma de chorro y la absorción mediante un sumidero por lo que el cortocircuito suele ser pequeño. La situación se complica cuando la salida se realiza entre taludes altos o cuando sopla viento lateral o frontal que favorece la mezcla. En muchos casos se recurre a muros separados que son muy efectivos incluso con dimensiones moderadas. En este artículo los temas tratados se refieren por el contrario a problemas relacionados con el flujo del aire en el interior del túnel. Como es sabido los proyectos de ventilación en túneles deben contemplar al menos dos situaciones:el funcionamiento en servicio y la respuesta en emergencias, entre las que la más típica es la de incendio. Mientras que en la primera priman los requisitos de confort, en la segunda se trata de cuantificar la seguridad y, en especial, de establecer las estrategias que permitan en primer lugar salvar vidas y además minimizar el deterioro de las instalaciones. Generalmente los índices que se manejan para el confort están relacionados con el contenido en monóxido de carbono y con la opacidad del aire. En ambos casos la ventilación forzada tiene como objetivo introducir la cantidad de aire limpio necesario para reducir las proporciones a niveles admisibles por los usuarios. Son requisitos que se refieren a escenarios con alta probabilidad de ocurrencia y para las que la instalación debe disponer de márgenes de seguridad holgados. Por otro lado la situación accidental se presenta con una frecuencia mucho más baja y los impulsores deben proyectarse para que sean capaces de dar los picos precisos para responder a la estrategia de ventilación que se haya planteado así como para funcionar en ambientes muy agresivos. Es clásica la cita al fuego en el túnel Holland (N. Y) donde la capa de aire fresco a ras de suelo permitió la huida de los pasajeros atrapados y la llegada de equipos de rescate. El tema es de tal importancia que se ha incrementado el número de pruebas a escala real con objeto de familiarizar a los equipos de explotación y extinción con estas situaciones excepcionales a la par que para observar y cuantificar los problemas reales. En los túneles de El Padrún, la Demarcación de Carreteras del Estado de Asturias (MOPTMA) ha invertido un gran esfuerzo en los estudios de seguridad tanto en los aspectos estructurales como funcionales. Se han seguido en ambos casos los pasos tradicionales para el establecimiento de la auténtica experiencia ingenieril es decir la observación de fenómenos, su medición y su interpretación y síntesis mediante modelos abstractos. En el tema concreto de la seguridad frente a situaciones accidentales se han realizado experimentos con un incendio real y con humos fríos y calientes. En este artículo se presentan algunos de los modelos numéricos que, basándose en las enormes posibilidades que ofrecen los medios informáticos actuales, se han construido para identificar fenómenos observados en los experimentos y para estudiar cuestiones que se plantean durante la explotación o el proyecto y para las que todavía no se dispone de un cuerpo de doctrina bien establecido.

La extracción de soluciones óptimas en la versión p-adaptable del Método de los Elementos de Contorno

En este articulo se resumen las principales ideas relacionadas con la resolución de problemas elípticos mediante fórmulas de representación. El uso de una familia de funciones interpolantes jerarquizadas permite el establecimiento de un sistema de resolución autoadaptable a un nivel de exactitud prefijado. Se incluye también una comparación descriptiva con el método de los elementos finitos. La extracción de una mejor solución sin refinar la malla se obtiene en el Método de los Elementos de Contorno, gracias a la aplicación de la fórmula de representación para puntos de contorno. Ello permite diseñar una estrategia de indicadores y estimadores que mejora la eficacia de intentos anteriores y permite controlar el desarrollo de la solución tanto en las versiones p como en la h o mixtos.