Mejora de los modelos térmicos de las presas bóveda en explotación : aplicación al análisis del efecto del cambio climático
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(2) ii.
(3) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL: HIDRÁULICA Y ENERGÉTICA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS. MEJORA DE LOS MODELOS TÉRMICOS DE LAS PRESAS BÓVEDA EN EXPLOTACIÓN. APLICACIÓN AL ANÁLISIS DEL EFECTO DEL CAMBIO CLIMÁTICO. Autor:. David Santillán Sánchez Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Directores:. Miguel Ángel Toledo Municio Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Eduardo Salete Dı́az Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Licenciado en Ciencias Matemáticas. Madrid, 2014.
(4) iv.
(5)
(6) vi.
(7) vii. A mi familia..
(8) viii.
(9) Agradecimientos Quisiera expresar mi más humilde agradecimiento a mis directores de tesis, el Dr. Miguel Ángel Toledo Municio y el Dr. Eduardo Salete Dı́az por su apoyo, sus sugerencias, sus sabios consejos, sus comentarios y su atención durante el desarrollo de esta investigación. También me gustarı́a agradecer a los miembros del Tribunal de Prelectura, Dr. Luis Garrote de Marcos, Dr. Juan Carlos Mosquera Feijóo y Dr. Rafael Morán Moya por sus comentarios y aportaciones desinteresadas en la recta final de la culminación de este trabajo. Me gustarı́a reflejar mi más humilde agradecimiento a mis compañeros y amigos del Departamento de Ingenierı́a Civil: Hidráulica y Energética que, de un modo u otro, me han ayudado con su apoyo, sus consejos, sus sugerencias, su ayuda o su amistad, ya sea animándome a finalizar este trabajo, interesándose por su situación, revisando alguna de sus partes o aconsejándome. También quisiera agradecer a Concepción Garcı́a la ayuda prestada en la laboriosa tarea de recopilación bibliográfica y por sus sabios consejos. Asimismo, mi más sincero agradecimiento a mi familia y amigos por su gran compresión, cariño y apoyo durante la realización de mis estudios de doctorado. Por último, quisiera agradecer los medios que los correspondientes Ministerios han puesto a disposición del desarrollo de esta Tesis a través de los proyectos de investigación titulados “Estudio de la Seguridad de Presas e Identificación de Escenarios de Riesgo mediante Sistemas Inteligentes” (SEPRISIS), correspondiente al Programa Nacional de Proyectos de Desarrollo Experimental en el marco del Plan Nacional de Investigación Cientı́fica, Desarrollo e Innovación Tecnológica, 2008-2011 y “Desarrollo del Software iCOMPLEX para el control y evaluación de la seguridad de infraestructuras crı́ticas”, correspondiente al Subprograma Innpacto, convocatoria 2012, en el marco del Plan Nacional de Investigación Cientı́fica, Desarrollo e Innovación Tecnológica 2008-2011. Igualmente, quisiera agradecer a la empresa Ofiteco y a la Agencia Catalana del Agua los datos de auscultación de la presa de La Baells que han puesto a disposición de la investigación desarrollada en esta Tesis.. ix.
(10) x. AGRADECIMIENTOS.
(11) Resumen. Las cargas de origen térmico causadas por las acciones medioambientales generan esfuerzos apreciables en estructuras hiperestáticas masivas, como es el caso de las presas bóvedas. Ciertas investigaciones apuntan que la variación de la temperatura ambiental es la segunda causa de reparaciones en las presas del hormigón en servicio. Del mismo modo, es una causa de fisuración en un porcentaje apreciable de casos. Las presas son infraestructuras singulares por sus dimensiones, su vida útil, su impacto sobre el territorio y por el riesgo que implica su presencia. La evaluación de ese riesgo requiere, entre otras herramientas, de modelos matemáticos de predicción del comportamiento. Los modelos han de reproducir la realidad del modo más fidedigno posible. Además, en un escenario de posible cambio climático en el que se prevé un aumento de las temperaturas medias, la sociedad ha de conocer cuál será el comportamiento estructural de las infraestructuras sensibles en los futuros escenarios climáticos. No obstante, existen escasos estudios enfocados a determinar el campo de temperaturas de las presas de hormigón. Ası́, en esta investigación se han mejorado los modelos de cálculo térmico existentes con la incorporación de nuevos fenómenos fı́sicos de transferencia de calor entre la estructura y el medio ambiente que la rodea. También se han propuesto nuevas metodologı́as más eficientes para cuantificar otros mecanismos de transferencia de calor. La nueva metodologı́a se ha aplicado a un caso de estudio donde se disponı́a de un amplio registro de temperaturas de su hormigón. Se ha comprobado la calidad de las predicciones realizadas por los diversos modelos térmicos en el caso piloto. También se han comparado los resultados de los diversos modelos entre sı́. Finalmente, se ha determinado las consecuencias de las predicciones de las temperaturas por algunos de los modelos térmicos sobre la respuesta estructural del caso de estudio. Los modelos térmicos se han empleado para caracterizar térmicamente las presas bóveda. Se ha estudiado el efecto de ciertas variables atmosféricas y determinados aspectos geométricos de las presas sobre su respuesta térmica. También se ha propuesto una metodologı́a para evaluar la respuesta térmica y estructural de las infraestructuras frente a los posibles cambios meteorológicos inducidos por el cambio climático. La metodologı́a se ha aplicado a un caso de estudio, una presa bóveda, y se ha obtenido su futura respuesta térmica y estructural frente a diversos escenarios climáticos. Frente a este posible cambio de las variables meteo-. xi.
(12) xii. RESUMEN.. rológicas, se han detallado diversas medidas de adaptación y se ha propuesto una modificación de la normativa española de proyecto de presas en el punto acerca del cálculo de la distribución de temperaturas de diseño. Finalmente, se han extraı́do una series de conclusiones y se han sugerido posibles futuras lı́neas de investigación para ampliar el conocimiento del fenómeno de la distribución de temperaturas en el interior de las presas y las consecuencias sobre su respuesta estructural. También se han propuesto futuras investigaciones para desarrollar nuevos procedimiento para definir las cargas térmicas de diseño, ası́ como posibles medidas de adaptación frente al cambio climático..
(13) Abstract. Thermal loads produced by external temperature variations may cause stresses in massive hyperstatic structures, such as arch dams. External temperature changes are pointed out as the second most major repairs in dams during operation. Moreover, cracking is caused by thermal loads in a quite number of cases. Dams are unique infrastructures given their dimensions, lifetime, spatial impacts and the risks involve by their presence. The risks are assessed by means of mathematical models which compute the behavior of the structure. The behavior has to be reproduced as reliable as possible. Moreover, since mean temperature on Earth is expected to increase, society has to know the structural behavior of sensitive structures to climate change. However, few studies have addressed the assessment of the thermal field in concrete dams. Thermal models are improved in this research. New heat transfer phenomena have been accounted for. Moreover, new and more efficient methodologies for computing other heat transfer phenomena have been proposed. The methodology has been applied to a case study where observations from thermometers embedded in the concrete were available. Recorded data were predicted by several thermal models and the quality of the predictions was assessed. Furthermore, predictions were compared between them. Finally, the consequences on the stress calculations were analyzed. Thermal models have been used to characterize arch dams from a thermal point of view. The effect of some meteorological and geometrical variables on the thermal response of the dam has been analyzed. Moreover, a methodology for assessing the impacts of global warming on the thermal and structural behavior of infrastructures has been proposed. The methodology was applied to a case study, an arch dam, and its thermal and structural response to several future climatic scenarios was computed. In addition, several adaptation strategies has been outlined and a new formulation for computing design thermal loads in concrete dams has been proposed. Finally, some conclusions have been reported and some future research works have been outlined. Future research works will increase the knowledge of the concrete thermal field and its consequences on the structural response of the infrastructures. Moreover, research works will develope a new procedure for computing the design thermal loads and will study some adaptation strategies against the climate change.. xiii.
(14) xiv. ABSTRACT..
(15) Sı́mbolos. A Aθ Aθ,d Aθ,u Aw Aθ a Aθa,d Aθa,u Aw,b Aw,s a ac b Cs c ca cc cf D dn E0 Ec,28 Es Eh e es Fσ G H Hp ho. Índice de anisotropı́a solar. Amplitud de la onda térmica del hormigón. Amplitud de la onda térmica del hormigón del paramento de aguas abajo. Amplitud de la onda térmica del hormigón del paramento de aguas arriba. Amplitud de la onda térmica del agua embalsada. Amplitud de la onda térmica ambiental. Amplitud de la onda térmica ambiental del paramento de aguas abajo. Amplitud de la onda térmica ambiental del paramento de aguas arriba. Amplitud de la onda térmica del agua en el fondo del embalse. Amplitud de la onda térmica del agua en la superficie del embalse. Coeficiente de absorción solar. Coeficiente de absorción solar del hormigón. Curva del paramento de aguas arriba de la ménsula central. Constante de Stefan-Boltzman. Calor especı́fico. Calor especı́fico del aire. Calor especı́fico del hormigón. Calor especı́fico de la cimentación. Profundidad del embalse. Dı́a del año. Factor de corrección de la excentricidad de la órbita terrestre. Módulo de elasticidad del hormigón a los 28 dı́as. Energı́a solar recibida sobre una superficie unitaria en la unidad de tiempo. Coeficiente de emisión de humedad. Emisividad. Presión de saturación del aire. Coeficiente de seguridad de la tensión σ. Irradiancia. Radiación solar global diaria incidente sobre una superficie horizontal unitaria. Altura de la presa. Coeficiente de transferencia de calor debido a la radiación de onda larga y la convección.. xv.
(16) SÍMBOLOS.. xvi. hc hr ht I Io Ib Id In,b IT,b IT,d IT,d,iso IT,d,cs IT,d,hz IT,r Isc Ktm k ~k kc kf kb kd kt m Nd ~n ni P p pd. Coeficiente de convección. Coeficiente de convección lineal. Calor latente de vaporización del agua. Radiación solar global horaria incidente sobre una superficie horizontal unitaria. Radiación extraterrestre horaria incidente sobre una superficie horizontal unitaria. Radiación solar directa horaria incidente sobre una superficie horizontal unitaria. Radiación solar difusa horaria incidente sobre una superficie horizontal unitaria. Radiación solar directa horaria incidente sobre una superficie unitaria perpendicular a los rayos solares. Radiación solar directa horaria incidente sobre una superficie inclinada unitaria. Radiación solar difusa horaria incidente sobre una superficie inclinada unitaria. Radiación solar difusa isotrópica horaria incidente sobre una superficie inclinada unitaria. Radiación solar difusa circunsolar horaria incidente sobre una superficie inclinada unitaria. Radiación solar difusa de horizonte iluminado horaria incidente sobre una superficie inclinada unitaria. Radiación solar reflejada horaria incidente sobre una superficie inclinada unitaria. Constante solar. Índice global medio mensual de claridad. Conductividad térmica. Vector unitario paralelo al cenit local y dirigido hacia la esfera celeste. Conductividad térmica del hormigón. Conductividad térmica de la cimentación. Índice de transmitancia horaria. Índice de fracción difusa horaria. Índice de claridad horaria. Pendiente de la curva del paramento de aguas arriba de la ménsula central a cota de coronación. Duración del dı́a solar. Vector unitario normal a una superficie. Función cuadrática. Presión atmosférica absoluta. Albedo. Albedo del terreno situado aguas abajo..
(17) xvii. pw q qc qe v qm qs Rb Rcd Rld Rrd Rcu Rlu Rru ~r rt rd ru Sv sζ T t tc Va Va,x Xcd Xld Xrd Xcu Xlu Xru Ycd Yld Yrd. Albedo del agua del embalse. Flujo de calor. Flujo de calor debido a la convección. Flujo de calor evaporativo. Flujo de calor por el intercambio de radiación de onda larga. Flujo de calor debido a la radiación solar. Factor geométrico. Radio de los arcos centrales del paramento de aguas abajo. Radio de los arcos laterales izquierdos del paramento de aguas abajo. Radio de los arcos laterales derechos del paramento de aguas abajo. Radio de los arcos centrales del paramento de aguas arriba. Radio de los arcos laterales izquierdos del paramento de aguas arriba. Radio de los arcos laterales derechos del paramento de aguas arriba. Vector unitario paralelo a los rayos solares. Relación entre la radiación solar global horaria y la diaria. Radio de curvatura de los arcos de aguas abajo. Radio de curvatura de los arcos de aguas arriba. Semiancho del valle a la altura de la coronación de la presa. Desviación estándar de la variable ζ. Periodo. Tiempo. Espesor de la ménsula central. Velocidad del viento. Velocidad del viento medida a x metros de la superficie terrestre. Coordenadas x de los centros de los arcos centrales del paramento de aguas abajo. Coordenadas x de los centros de los arcos laterales izquierdos del paramento de aguas abajo. Coordenadas x de los centros de los arcos laterales derechos del paramento de aguas abajo. Coordenadas x de los centros de los arcos centrales del paramento de aguas arriba. Coordenadas x de los centros de los arcos laterales izquierdos del paramento de aguas arriba. Coordenadas x de los centros de los arcos laterales derechos del paramento de aguas arriba. Coordenadas y de los centros de los arcos centrales del paramento de aguas abajo. Coordenadas y de los centros de los arcos laterales izquierdos del paramento de aguas abajo. Coordenadas y de los centros de los arcos laterales derechos del paramento de aguas abajo..
(18) xviii. Ycu Ylu Yru Zcd Zld Zrd Zcu Zlu Zru α αo βs Γd Γ Γc Γc,s Γc,w Γf Γf,s Γf,w Γf,l γζ δ εζ ζ ζ̂ ζ̄ ζ¯j θ θa θc θd. SÍMBOLOS.. Coordenadas y de los centros de los arcos centrales del paramento de aguas arriba. Coordenadas y de los centros de los arcos laterales izquierdos del paramento de aguas arriba. Coordenadas y de los centros de los arcos laterales derechos del paramento de aguas arriba. Coordenadas z de los centros de los arcos centrales del paramento de aguas abajo. Coordenadas z de los centros de los arcos laterales izquierdos del paramento de aguas abajo. Coordenadas z de los centros de los arcos laterales derechos del paramento de aguas abajo. Coordenadas z de los centros de los arcos centrales del paramento de aguas arriba. Coordenadas z de los centros de los arcos laterales izquierdos del paramento de aguas arriba. Coordenadas z de los centros de los arcos laterales derechos del paramento de aguas arriba. Ángulo de elevación solar. Ángulo medio de elevación solar. Inclinación de una superficie. Ángulo diario. Superficie frontera del modelo de elementos finitos. Superficie frontera perteneciente a la presa. Superficie frontera de Γc no sumergida. Superficie frontera de Γc sumergida. Superficie frontera perteneciente a la cimentación. Superficie frontera de Γf no sumergida. Superficie frontera de Γf sumergida. Superficie frontera de Γf que acota la porción del cimiento a considerar. Variabilidad de la variable ζ. Declinación solar. Diferencia de fase entre la onda térmica del agua y la ambiental. Valor normalizado de la variable ζ. Variable meteorológica. Predicción futura de la variable meteorológica ζ en un escenario climático. Valor medio anual de la variable ζ. Valor medio de la variable ζ en el mes j. Temperatura. Temperatura ambiental. Temperatura del cielo. Temperatura del hormigón del paramento de aguas abajo..
(19) xix. θe θeq θr θu θw θw,b θw,s θ̄ θ¯a θa¯, d θa¯, u θ¯d θ¯u ¯ θw,b ¯ θw,s θs θz λ ρ ρc ρf σ σ1 σ2 σ3 φ ϕ χ ψ ψs Ωk Ωs,k ω ωθ ωθa ωs ωw. Temperatura Sol-aire. Temperatura equivalente. Temperatura de rocı́o. Temperatura del hormigón del paramento de aguas arriba. Temperatura del agua. Temperatura del agua en el fondo del embalse. Temperatura del agua en la superficie del embalse. Temperatura media del hormigón. Temperatura media ambiental. Temperatura media ambiental en el paramento de aguas abajo. Temperatura media ambiental en el paramento de aguas arriba. Temperatura media del hormigón del paramento de aguas abajo. Temperatura media del hormigón del paramento de aguas arriba. Temperatura media del agua en la superficie del embalse. Temperatura media del agua en la superficie del embalse. Ángulo de incidencia de los rayos solares sobre una superficie. Ángulo cenital solar. Longitud geográfica. Densidad. Densidad del hormigón. Densidad de la cimentación. Tensión. Tensión principal mayor. Tensión principal intermedia. Tensión principal menor. Latitud geográfica. Desfase de la onda. Difusividad térmica Azimut solar. Azimut de la superficie. Área k de la discretización espacial de los paramentos. Parte del área k sobre la que inciden los rayos solares. Ángulo horario. Frecuencia angular de la onda térmica del hormigón. Frecuencia angular de la onda térmica ambiental. Ángulo horario de salida del Sol. Frecuencia angular de la onda térmica del agua embalsada..
(20) xx. SÍMBOLOS..
(21) Índice general Agradecimientos. IX. Resumen.. XI. Abstract.. XIII. Sı́mbolos.. XV. I. Introducción y objetivos.. 1. 1. Introducción y objetivos. 1.1. Motivación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Objetivos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3. Planteamiento y estructura de la tesis. . . . . . . . . . . . . . . . . .. II. Estado del arte.. 3 3 7 8. 11. 2. Estudios térmicos en presas de hormigón. 2.1. Estudios térmicos de presas de hormigón en fase de operación. . . . . 2.1.1. Planteamiento del problema térmico transitorio. . . . . . . . . 2.2. Métodos basados en la obtención de soluciones analı́ticas de la ecuación de Fourier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. Métodos basados en la obtención de soluciones numéricas de la ecuación de Fourier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Soluciones numéricas obtenidas con esquemas de diferencias finitas. Planteamiento 1D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2. Soluciones numéricas obtenidas con el método de los elementos finitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13 14 14 15 18 19 20. 3. Las condiciones de contorno. 25 3.1. Modelos de estimación de la temperatura del agua en embalses y lagos. 25. xxi.
(22) ÍNDICE GENERAL. xxii. 3.2.. 3.3.. 3.4. 3.5.. 3.1.1. Modelo de Bofang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2. Modelo de Lan-Tao et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Modelo de Shun-Wen et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Los flujos de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1. Los mecanismos de transferencia de calor. . . . . . . . . . . . 3.2.2. La energı́a procedente del Sol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . La radiación solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1. La radiación solar global. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.2. Modelos de estimación de las componentes de la radiación solar. 3.3.3. Modelos de estimación de las componentes de la radiación solar en superficies inclinadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Procedimiento aproximado de cálculo de los flujos de calor. . . . . . . Las condiciones de contorno en modelos numéricos de elementos finitos. 3.5.1. El cimiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2. El paramento inundado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3. El paramento seco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. El cambio climático. 4.1. El cambio climático. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Escenarios de emisiones de GEI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Los modelos climáticos globales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4. Escenarios climáticos en Europa y España. . . . . . . . . . . . . . . 4.5. Los impactos del cambio climático sobre las infraestructuras civiles.. III. . . . . .. Metodologı́a.. 5. Las condiciones de contorno. 5.1. Definición geométrica de los paramentos y del cimiento de las presas bóveda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Las superficies sumergidas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Caracterización térmica del agua de embalses españoles. . . . 5.2.2. Ajuste de modelos de estimación de la temperatura del agua en embalses y lagos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3. Selección del modelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3. Las superficies no sumergidas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Flujo de calor debido al mecanismo de la convección. . . . . . 5.3.2. Flujo de calor debido al intercambio de radiación de onda larga. 5.3.3. Flujo de calor debido a la radiación solar. . . . . . . . . . . . 5.3.4. Flujo de calor evaporativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4. Procedimiento aproximado de cálculo de los flujos de calor. . . . . . .. 26 27 27 28 28 32 32 34 38 40 43 44 44 44 45 47 48 51 53 55 57. 61 63 63 66 67 70 74 75 76 77 78 95 96.
(23) ÍNDICE GENERAL. xxiii. 6. Los modelos de cálculo térmico y mecánico. 6.1. Los modelos de cálculo térmico. . . . . . . . . . . . . 6.1.1. El modelo de elementos finitos. . . . . . . . . 6.1.2. El modelo de diferencias finitas. . . . . . . . . 6.1.3. Solución analı́tica de la ecuación de Fourier. . 6.1.4. Una nueva solución analı́tica de la ecuación de 6.2. El modelo de cálculo mecánico. . . . . . . . . . . . . 6.2.1. Caracterización mecánica de los materiales. . 6.2.2. El modelo de elementos finitos. . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fourier. . . . . . . . . . . . . . . .. 7. Caracterización térmica. 7.1. Las variables meteorológicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.1. La radiación solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2. La temperatura ambiental. . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3. La velocidad del viento. . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.4. Interpolación de los datos meteorológicos diarios. . . 7.2. La respuesta térmica de la presa. . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1. El modelo numérico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2. Distribución espacial de las variables meteorológicas. 7.2.3. La caracterización térmica. . . . . . . . . . . . . . . . 8. La influencia del cambio climático. 8.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . 8.2. Los escenarios climáticos. . . . . . 8.3. Cálculo térmico de la estructura. . 8.4. Cálculo mecánico de la estructura.. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 9. Caso de estudio. 9.1. Descripción general. . . . . . . . . . . . . . . . 9.1.1. Tipologı́a, situación y caracterı́sticas. . 9.1.2. Definición geométrica. . . . . . . . . . 9.1.3. Geologı́a de la cerrada. . . . . . . . . . 9.1.4. Caracterı́sticas de los materiales. . . . 9.2. Sistema de auscultación. . . . . . . . . . . . . 9.2.1. Control de variables externas. . . . . . 9.2.2. Control de temperaturas del hormigón. 9.3. Otros datos meteorológicos. . . . . . . . . . .. IV. . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. Resultados.. 10.Resultados del cálculo de las condiciones de contorno.. . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . .. 97 98 98 106 108 109 117 117 119. . . . . . . . . .. 123 124 124 125 125 126 127 127 128 129. . . . .. 131 131 133 137 137. . . . . . . . . .. 139 140 140 140 147 148 148 149 150 152. 155 157.
(24) ÍNDICE GENERAL. xxiv. 10.1. Definición geométrica de los paramentos y del cimiento de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2. La temperatura de las superficies sumergidas. . . . . . . . . . . . . . 10.3. El flujo de calor en las superficies no sumergidas. . . . . . . . . . . . 10.3.1. Flujo de calor debido al mecanismo de la convección. . . . . . 10.3.2. Flujo de calor debido al intercambio de radiación de onda larga. 10.3.3. Flujo de calor debido a la radiación solar. . . . . . . . . . . . 10.3.4. Flujo de calor evaporativo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4. Procedimiento aproximado de cálculo de los flujos de calor. . . . . . .. 157 158 158 159 160 160 161 162. 11.Resultados de los modelos de cálculo térmico y mecánico. 11.1. Los modelos de cálculo térmico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.1. El modelo de elementos finitos. . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.2. El modelo de elementos finitos. Efecto de la radiación solar. 11.1.3. El modelo de elementos finitos. Flujos de calor aproximados. 11.1.4. El modelo de diferencias finitas. . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1.5. Solución analı́tica de la ecuación de Fourier. . . . . . . . . . 11.1.6. Nueva solución analı́tica de la ecuación de Fourier. . . . . . 11.2. El modelo mecánico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. 163 163 163 172 176 177 185 189 195. 12.Resultados de la caracterización térmica. 12.1. Las variables meteorológicas. . . . . . . . . . . . 12.1.1. La radiación solar. . . . . . . . . . . . . 12.1.2. La temperatura ambiental. . . . . . . . . 12.1.3. La velocidad del viento. . . . . . . . . . 12.1.4. Interpolación de los datos meteorológicos 12.2. La respuesta térmica de la presa. . . . . . . . . 12.2.1. El modelo numérico. . . . . . . . . . . . 12.2.2. Geometrı́as consideradas. . . . . . . . . . 12.2.3. Distribución espacial de la insolación. . . 12.2.4. El cálculo térmico. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. 197 198 198 198 198 200 203 203 204 207 208. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . diarios. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. 13.Resultados de la influencia del cambio climático. 211 13.1. Los escenarios climáticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 13.2. Cálculo térmico de la estructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 13.3. Cálculo mecánico de la estructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217. V. Análisis de resultados.. 223. 14.Los modelos de cálculo térmico. 225 14.1. Introducción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 14.2. Modelos de cálculo térmico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226.
(25) ÍNDICE GENERAL. xxv. 14.3. Predicciones de temperaturas con el modelo 3D. Consecuencias estructurales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.1. Análisis térmico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.2. Análisis estructural. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.4. Predicción de temperaturas con los modelos numéricos 1D y 3D. . . . 14.5. Predicción de temperaturas con la nueva solución analı́tica 1D propuesta y el modelo numérico 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.Caracterización térmica de las presas bóveda. 15.1. Distribución espacial de la insolación. . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.1. Presas con orientación Norte. . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.2. Presas con orientación Este. . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.3. Presas con orientación Sur. . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.4. Presas con orientación Oeste. . . . . . . . . . . . . . . . 15.2. Distribución espacial de la respuesta térmica. . . . . . . . . . . . 15.2.1. Distribución espacial de la temperatura media. . . . . . . 15.2.2. Distribución espacial de la amplitud de la onda térmica. 15.2.3. Distribución espacial del desfase de la onda térmica. . . . 15.3. Influencia de los factores meteorológicos y geométricos. . . . . . 15.3.1. La orientación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.2. La geometrı́a de la presa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.3. El viento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.4. La radiación solar global media. . . . . . . . . . . . . . . 15.3.5. La amplitud de la onda de radiación solar global. . . . . 15.3.6. La temperatura media ambiental. . . . . . . . . . . . . . 15.3.7. La amplitud de la onda de temperatura ambiental. . . .. 227 227 228 232 237. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 239 239 240 243 246 249 250 250 256 261 269 270 278 286 297 306 315 321. 16.El cambio climático. 16.1. Evolución del campo de temperaturas. . . . . . . . . . . . . . . . 16.2. Evolución de los movimientos y las tensiones principales mayores. 16.3. Medidas de adaptación frente al cambio climático. . . . . . . . . . 16.4. Propuesta de modificación de la normativa. . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . .. 329 329 335 339 341. VI. Conclusiones y bibliografı́a.. 17.Conclusiones. 17.1. Conclusiones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.1.1. Los modelos de cálculo térmico. . . . . . . . . . . . . . . 17.1.2. Patrones de distribución espacial de la insolación. . . . . 17.1.3. Patrones de distribución espacial de la respuesta térmica. 17.1.4. Influencia de los factores meteorológicos y geométricos. . 17.1.5. El efecto del cambio climático. . . . . . . . . . . . . . . .. 343 . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. 345 345 346 348 348 349 352.
(26) ÍNDICE GENERAL. xxvi. 17.2. Aportaciones originales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 17.3. Futuras lı́neas de investigación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Bibliografı́a.. VII. 356. Apéndices.. 367. A. Relaciones astronómicas Tierra-Sol. A.1. Excentricidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2. Declinación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.3. Posición del Sol relativa a superficies horizontales. A.4. Irradiación solar extraterrestre. . . . . . . . . . . A.5. Ecuación del tiempo. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. 369 369 370 371 373 374. B. Presa de La Baells. B.1. Caracterı́sticas. . . . . . . . . . . . . . . . B.2. Planos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.3. Control de temperaturas del hormigón . . B.4. Registros de radiación solar global horaria.. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 377 377 379 379 379. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. C. Resultados del cálculo de las condiciones de contorno. 391 C.1. Definición geométrica de los paramentos y del cimiento de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 C.2. La temperatura de las superficies sumergidas. . . . . . . . . . . . . . 394 C.2.1. Caracterización térmica del agua de embalses españoles. . . . 394 C.2.2. Ajuste de modelos de estimación de la temperatura del agua en embalses y lagos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 C.2.3. Selección del modelo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 C.3. El flujo de calor en las superficies no sumergidas. . . . . . . . . . . . 399 C.3.1. Flujo de calor debido al mecanismo de la convección. . . . . . 401 C.3.2. Flujo de calor debido al intercambio de radiación de onda larga. 402 C.3.3. Flujo de calor debido a la radiación solar. . . . . . . . . . . . 403 C.3.4. Flujo de calor debido al enfriamiento evaporativo. . . . . . . . 427 D. Insolación.. 441. E. Resultados del cálculo térmico.. 443. F. El cambio climático. 445 F.1. Cálculo térmico de la estructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 F.2. Cálculo mecánico de la estructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445.
(27) Índice de figuras 1.1. 1.2. 1.3.. Esquema de la seguridad de presas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotografı́a de la presa de Vieux-Emosson. . . . . . . . . . . . . . . . Esquema de las tareas realizadas en la tesis doctoral. . . . . . . . .. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.. Fotografı́a de la presa de Schlegeis. . . . . . Sección transversal de una presa de gravedad Fotografı́a de la presa de Karaj. . . . . . . . Fotografı́a de la presa de Ertan. . . . . . . .. . . . .. 18 22 23 24. 3.1. 3.2. 3.3.. Sección transversal de un puente de cajones de hormigón. . . . . . . Esquema de la radiación solar sobre un plano inclinado. . . . . . . . Componentes de la radiación solar sobre un plano inclinado. . . . .. 30 37 40. 4.2. 4.1.. Evolución de la concentración de GEI. Fuente: (Houghton et al., 2001). Cambios significativos observados en sistemas fı́sicos y biológicos. Fuente: (IPCC, 2007). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ilustración esquemática de los escenarios IEEE. Fuente: (Nakicenovic et al., 2000). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Emisiones anuales totales de CO2 para las cuatro familias y los seis grupos de escenarios. Fuente: (Nakicenovic et al., 2000). . . . . . . . La elaboración de los modelos de cambio climático. Fuente: (Houghton et al., 2001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posible evolución de las temperaturas máximas y mı́nimas en España. Fuente: AEMET. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posible evolución de las precipitaciones en España. Fuente: AEMET. Deslizamiento de ladera en la carretera N-121-A. Fuente: (VVAA, 2013). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Suspensión servicio ferroviario entre Lorca y Águilas (Murcia). Fuente: (VVAA, 2013). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dique del puerto de La Coruña durante un temporal. Fuente: (VVAA, 2013). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6. 4.7. 4.8. 4.9. 4.10. 5.1. 5.2.. . . . y de . . . . . .. . . . . . . . su cimiento. . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . .. Definición geométrica de la ménsula central. Vista en alzado. . . . . Definición geométrica de un arco. Vista en planta. . . . . . . . . . .. xxvii. 4 6 9. 49 51 53 54 56 57 58 58 59 64 65.
(28) ÍNDICE DE FIGURAS. xxviii. 5.3. 5.4.. 5.6. 5.7. 5.8. 5.9. 5.10. 5.11. 5.12.. Geometrı́a simplificada del valle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . División de España en zonas climáticamente homogéneas. Fuente: (Castellanos y Marı́n, 1995). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diagrama de la metodologı́a de cálculo del flujo de energı́a por el efecto de la radiación solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo de discretización espacial del paramento de aguas abajo. . Ángulos solares. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sombra arrojada por las laderas sobre la presa. . . . . . . . . . . . Sombra arrojada por la coronación sobre la presa. . . . . . . . . . . Sombra propia de la presa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sombras sobre el paramento de aguas arriba de la presa. . . . . . . Ejemplo de área del paramento de aguas arriba. . . . . . . . . . . .. 6.1. 6.2. 6.3. 6.4.. Esquema de la geometrı́a del Elemento cúbico. . . . . . . Elemento cúbico seminfinito. Esquema de la geometrı́a del. 7.1. 7.2.. Irradiancia global media en agosto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Esquema de una onda de temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . 130. 8.1.. Esquema de la metodologı́a del análisis de la influencia del cambio climático sobre el estado tensodeformacional de las presas bóveda. . 132. 9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6. 9.7. 9.8.. Mapa de situación de la presa de La Baells. . . . . . Embalse y presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . Definición geométrica del paramento de aguas abajo. Definición geométrica del paramento de aguas arriba. Posición de los centros de los arcos. . . . . . . . . . . Variables externas de la presa de La Baells. . . . . . Posición de los termómetros de la presa de La Baells. Mapa de posición de la estaciones radiométricas. . . .. 10.1.. Temperatura del agua del embalse de La Baells estimada con el modelo de Bofang a diversas profundidades. . . . . . . . . . . . . . . . 159 Temperatura Sol-aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162. 5.5.. 10.2. 11.1. 11.2.. 11.3.. modelo de . . . . . . . . . . . . modelo de. elementos finitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . diferencias finitas.. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . .. . . . .. . . . . . . . .. 66 68 79 79 82 84 85 86 88 92 100 101 104 107. 141 142 143 145 147 151 152 154. Dominio de la presa y el cimiento mallado. . . . . . . . . . . . . . . 164 Flujos de calor en diversas superficies de la presa de La Baells para varias temperaturas del paramento. El signo positivo indica que el calor fluye hacia el interior de la estructura. . . . . . . . . . . . . . 166 Nodos seleccionados del modelo térmico de elementos finitos de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169.
(29) ÍNDICE DE FIGURAS. 11.4.. 11.5. 11.6. 11.7. 11.8. 11.9. 11.10. 11.11.. 11.12. 11.13. 11.14. 11.15. 11.16. 11.17. 11.18. 11.19. 11.20. 11.21. 11.22.. 11.23.. xxix. Evolución de la temperatura durante el cálculo de las condiciones iniciales del modelo térmico de elementos finitos de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Campo de temperaturas del bloque central el dı́a 4 de agosto del 2007 calculado con tres mallas diferentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Diferencia absoluta media (MAE) de los resultados entre las tres mallas.171 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con el modelo de elementos finitos I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con el modelo de elementos finitos II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con el modelo de elementos finitos III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Campo de temperaturas del bloque central el dı́a 4 de agosto de 2007. 176 Evolución de la temperatura durante el cálculo de las condiciones iniciales del modelo térmico de diferencias finitas de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con el modelo de diferencias finitas I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con el modelo de diferencias finitas II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con el modelo de diferencias finitas III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con la solución analı́tica de Stucky y Derron I. . . . . . . . . . . . . . . 186 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con la solución analı́tica de Stucky y Derron II. . . . . . . . . . . . . . . 187 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con la solución analı́tica de Stucky y Derron III. . . . . . . . . . . . . . 188 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con la nueva solución analı́tica propuesta I. . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con la nueva solución analı́tica propuesta. . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Lecturas de termómetros de la presa de La Baells y predicciones con la nueva solución analı́tica propuesta. . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Diferencia absoluta media entre los modelos 1D. . . . . . . . . . . . 194 Desplazamientos radiales de origen térmico del bloque central el dı́a 4 de agosto del 2007. Los desplazamientos positivos son hacia aguas abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 Tensiones principales mayores del bloque central el dı́a 4 de agosto del 2007 debidas al peso propio y la carga térmica. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196.
(30) xxx. ÍNDICE DE FIGURAS. 11.24. Evolución de los desplazamientos radiales de origen térmico de la coronación de la ménsula central. Los desplazamientos positivos son hacia aguas abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 12.1. 12.2. 12.3. 12.4. 12.5.. Radiación solar registrada e interpolada en Barcelona. . Temperaturas registradas e interpoladas en Barcelona. Fotografı́a de El Atazar. . . . . . . . . . . . . . . . . . Fotografı́a de Quiebrajano. . . . . . . . . . . . . . . . . Ménsulas centrales de las geometrı́as estudiadas. . . . .. 13.1.. Distribución de probabilidad acumulada de las predicciones climáticas frente a las observaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geometrı́a del modelo de cálculo térmico de la presa de La Baells. . Psible evolución de la temperatura media anual y las temperaturas mı́nimas y máximas de las medias diarias de la presa de La Baells. . Posible evolución de los movimientos radiales máximos, mı́nimos y medios anuales de la coronación de la ménsula central de la presa de La Baells. Los movimientos positivos son hacias aguas arriba. . . . Bloques de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Puntos considerados en el análisis tensional de la estructura. . . . . Posible evolución del coeficiente de seguridad de las tensiones principales mayores en la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . .. 13.2. 13.3. 13.4.. 13.5. 13.6. 13.7. 14.1. 14.2.. 14.3.. 14.4.. 14.5. 14.6. 14.7. 14.8. 14.9.. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. . . . . .. 201 202 206 206 207 214 216 218. 220 221 221 222. Campo de temperaturas del bloque central el dı́a 4 de agosto de 2007. 229 Tensiones principales mayores del bloque central el dı́a 4 de agosto del 2007 debido al peso propio y la carga térmica. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Desplazamientos radiales de origen térmico del bloque central el dı́a 4 de agosto del 2007. Los desplazamientos positivos son hacia aguas abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 Evolución de los desplazamientos radiales de origen térmico de la coronación de la ménsula central. Los desplazamientos positivos son hacia aguas arriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 Flujo de calor calculado con el modelo numérico tridimensional. . . 234 Diferencia media absoluta entre modelos numéricos 1D y 3D. Ménsula central. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Diferencia media absoluta entre modelos numéricos 1D y 3D. Arranque del arco situado a la cota 620 msnm. . . . . . . . . . . . . . . . 236 Diferencia media absoluta entre el modelo analı́tico 1D propuesto y el modelo numérico 3D. Ménsula central. . . . . . . . . . . . . . . . 237 Diferencia media absoluta entre el modelo analı́tico 1D propuesto y el modelo numérico 3D. Arranque del arco situado a la cota 620 msnm.238.
(31) ÍNDICE DE FIGURAS. 15.1. 15.2. 15.3. 15.4. 15.5. 15.6. 15.7. 15.8. 15.9. 15.10. 15.11. 15.12. 15.13. 15.14. 15.15. 15.16. 15.17. 15.18. 15.19. 15.20. 15.21. 15.22. 15.23. 15.24. 15.25. 15.26. 15.27. 15.28. 15.29.. xxxi. Esquema de presa con orientación Norte. . . . . . . . . . . . . . . . 240 Insolación en el paramento de aguas arriba en presas orientadas hacia el Norte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Insolación en el paramento de aguas abajo de la presa de La Baells. Orientación Norte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 Ejemplo de insolación de presas con orientación Este. . . . . . . . . 244 Insolación en el paramento de aguas abajo de la presa de La Baells. Orientación Este. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Esquema de presa con orientación Sur. . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Insolación en el paramento de aguas arriba de la presa de La Baells. Orientación Sur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 Insolación en el paramento de aguas abajo de la presa de La Baells. Orientación Sur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Ejemplo de insolación de presas con orientación Oeste . . . . . . . . 249 Distribución espacial de la temperatura media en el paramento de aguas arriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 Distribución espacial de la temperatura media en el paramento de aguas abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 Distribución espacial de la temperatura media en la superficie media. 255 Distribución espacial de la amplitud de la onda térmica en el paramento de aguas arriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 Distribución espacial de la amplitud de la onda térmica en el paramento de aguas abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 Distribución espacial de la amplitud de la onda térmica en la superficie media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Distribución espacial del desfase de la onda térmica en el paramento de aguas arriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Distribución espacial del desfase de la onda térmica en el paramento de aguas abajo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Distribución espacial del desfase de la onda térmica en la superficie media. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Efecto de la orientación de la presa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Efecto de la geometrı́a sobre las presas con orientación Norte I. . . . 280 Efecto de la geometrı́a sobre las presas con orientación Norte II. . . 281 Efecto de la geometrı́a sobre las presas con orientación Este u Oeste I.282 Efecto de la geometrı́a sobre las presas con orientación Este u Oeste II.283 Efecto de la geometrı́a sobre las presas con orientación Sur I. . . . . 284 Efecto de la geometrı́a sobre las presas con orientación Sur II. . . . 285 Efecto del aumento de la velocidad del viento. . . . . . . . . . . . . 290 Efecto de la disminución de la velocidad del viento. . . . . . . . . . 296 Efecto del incremento de la radiación solar media. . . . . . . . . . . 301 Efecto de la disminución de la radiación solar global media. . . . . . 305.
(32) xxxii. ÍNDICE DE FIGURAS. 15.30. 15.31. 15.32. 15.33. 15.34. 15.35.. Efecto del aumento amplitud de la radiación solar. . . . . . . . . . . 310 Efecto de la disminución de la amplitud de la onda de radiación solar. 314 Efecto del incremento de la temperatura media ambiental. . . . . . 317 Efectos de la disminución de la temperatura media ambiental. . . . 320 Efectos del incremento amplitud de la onda de temperatura ambiental.324 Efecto de la disminución de la amplitud de la onda de temperatura ambiental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328. 16.1.. 16.3.. Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro en 1976 y 2099. Escenario climático ECHAM5-RCA. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro en 1976 y 2099. Escenario climático ECHAM5-REMO. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 Temperaturas de diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342. A.1. A.2. A.3.. Movimiento de la Tierra alrededor del Sol. . . . . . . . . . . . . . . 370 Movimiento anual del Sol en la bóveda celeste. Ángulo de declinación. 371 Definición del ángulo cenital del sol, la altura solar y el azimut. . . 372. B.1. B.2. B.3. B.4. B.5. B.6. B.7.. 377 380 381 382 383 384. 16.2.. Fotografı́a de la presa de La Baells y su embalse. . . . . . . . . . . . Planta de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alzado de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sección transversal de la ménsula central de la presa de La Baells. . Lecturas de termómetros de la presa de La Baells I. . . . . . . . . . Lecturas de termómetros de la presa de La Baells II. . . . . . . . . Lecturas de radiación solar global horaria de la estación “Perafita” desde 5:00 a 13:00 horas UTC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.8. Lecturas de radiación solar global horaria de la estación “Perafita” desde 13:00 a 19:00 horas UTC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B.9. Lecturas de radiación solar global horaria de la estación “Guardiola de Berguedà” desde 5:00 a 13:00 horas UTC. . . . . . . . . . . . . . B.10. Lecturas de radiación solar global horaria de la estación “Guardiola de Berguedà” desde 13:00 a 19:00 horas UTC. . . . . . . . . . . . . B.11. Lecturas de radiación solar global horaria de la estación “Santuari de Queralt” desde 5:00 a 13:00 horas UTC. . . . . . . . . . . . . . . . . B.12. Lecturas de radiación solar global horaria de la estación “Santuari de Queralt” desde 13:00 a 19:00 horas UTC. . . . . . . . . . . . . . . . C.1. C.2. C.3.. 385 386 387 388 389 390. Comparación de diversas definiciones geométricas de la ménsula central.393 Comparación de diversas definiciones geométricas de varios arcos. . 395 Temperaturas del agua estimadas con diversos modelos. . . . . . . . 400.
(33) ÍNDICE DE FIGURAS. C.4. C.5.. C.6.. C.7. C.8. C.9. C.10. C.11. C.12. C.13. C.14. C.15. C.16. C.17. C.18. C.19. C.20. C.21. C.22. C.23. C.24. C.25. C.26. C.27. C.28.. xxxiii. Flujos de calor generados por el mecanismo de la convección en la superficie de los paramentos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flujos de calor generado por el mecanismo de la convección en la superficie de los paramentos de la presa de La Baells para diversas temperaturas de los mismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flujo de calor generado por el mecanismo de la radiación en la superficie de los paramentos de la presa de La Baells para diversas temperaturas de los mismos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flujo de calor generado por el mecanismo de la radiación para diversas temperaturas del aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Discretización espacial de los paramentos de la presa. . . . . . . . . Duración del dı́a solar a lo largo del año en la ubicación de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evolución de los instantes del orto y del ocaso a lo largo del año en la ubicación de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . Posición Sol en diversas fechas y hora en la ubicación de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diferencia horaria entre la el tiempo universal coordinado y la hora solar en los emplazamientos de las estaciones radiométricas. . . . . Coeficientes del modelo de Kaplanis de las estaciones radiométricas. Distribución horaria de la radiación solar global en el emplazamiento de la presa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radiación solar global horaria en la presa de La Baells desde 4:00 a 12:00 HSL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radiación solar global horaria en la presa de La Baells desde 12:00 a 20:00 HSL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Índices de transmitancia kb y claridad kt horarios. . . . . . . . . . . Radiación solar directa horaria en la presa de La Baells desde 4:00 a 12:00 horas HSL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radiación solar directa horaria en la presa de La Baells desde 12:00 a 20:00 horas HSL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radiación solar difusa horaria en la presa de La Baells desde 4:00 a 12:00 HSL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Radiación solar difusa horaria en la presa de La Baells desde 12:00 a 20:00 HSL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Superficies seleccionadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relación IT,b /In,b en la superficie número 47. . . . . . . . . . . . . . Relación IT,b /In,b en la superficie número 468. . . . . . . . . . . . . Relación IT,b /In,b en la superficie número 546. . . . . . . . . . . . . Relación IT,d,iso /(Id (1 − A)) en las superficies de los paramentos. . . Relación IT,d,hz /(Id (1 − A)f ) en las superficies de los paramentos. . Relación IT,r /(Ip) en las superficies de los paramentos. . . . . . . .. 401. 402. 403 404 405 406 407 408 410 413 414 415 416 417 418 419 421 422 423 424 424 424 425 426 426.
(34) xxxiv. ÍNDICE DE FIGURAS. C.29. Radiación solar incidente sobre la superficie 47 del paramento aguas abajo de la presa de La Baells desde 4:00 a 12:00 HSL. . . C.30. Radiación solar incidente sobre la superficie 47 del paramento aguas abajo de la presa de La Baells desde 12:00 a 20:00 HSL. . C.31. Radiación solar incidente sobre la superficie 468 del paramento aguas abajo de la presa de La Baells desde 4:00 a 12:00 HSL. . . C.32. Radiación solar incidente sobre la superficie 468 del paramento aguas abajo de la presa de La Baells desde 12:00 a 20:00 HSL. . C.33. Radiación solar incidente sobre la superficie 468 del paramento aguas arriba de la presa de La Baells desde 4:00 a 12:00 HSL. . C.34. Radiación solar incidente sobre la superficie 468 del paramento aguas arriba de la presa de La Baells desde 12:00 a 20:00 HSL. . C.35. Radiación solar incidente sobre la superficie 546 del paramento aguas abajo de la presa de La Baells desde 4:00 a 12:00 HSL. . . C.36. Radiación solar incidente sobre la superficie 546 del paramento aguas abajo de la presa de La Baells desde 12:00 a 20:00 HSL. . C.37. Radiación solar incidente sobre la superficie 546 del paramento aguas arriba de la presa de La Baells desde 4:00 a 12:00 HSL. . C.38. Radiación solar incidente sobre la superficie 546 del paramento aguas arriba de la presa de La Baells desde 12:00 a 20:00 HSL. . C.39. Flujo de calor debido a la radiación solar en el área número 47. C.40. Flujo de calor debido a la radiación solar en el área número 468. C.41. Flujo de calor debido a la radiación solar en el área número 468. C.42. Flujo de calor evaporativo en las superficies 47, 468 y 546. . . . F.1. F.2. F.3. F.4. F.5. F.6. F.7. F.8.. de . . de . . de . . de . . de . . de . . de . . de . . de . . de . . . . . . . . . .. Posible evolución de la temperatura mı́nima anual en puntos coincidentes con los termómetros instalados en la presa de La Baells I. . . Posible evolución de la temperatura mı́nima anual en puntos coincidentes con los termómetros instalados en la presa de La Baells II. . Posible evolución de la temperatura máxima anual en puntos coincidentes con los termómetros instalados en la presa de La Baells I. . . Posible evolución de la temperatura máxima anual en puntos coincidentes con los termómetros instalados en la presa de La Baells II. . Posible evolución de la temperatura media anual en puntos coincidentes con los termómetros instalados en la presa de La Baells I. . . Posible evolución de la temperatura media anual en puntos coincidentes con los termómetros instalados en la presa de La Baells II. . Posible evolución de la temperatura media anual en los bloques y el arco superior de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . Posible evolución de la temperatura máxima anual de las medias diarias en los bloques y el arco superior de la presa de La Baells. . .. 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 438 438 439 447 448 449 450 451 452 453 454.
(35) ÍNDICE DE FIGURAS. F.9.. F.10.. F.11.. F.12.. F.13. F.14. F.15.. F.16.. F.17.. F.18.. F.19. F.20.. xxxv. Posible evolución de los movimientos radiales de la coronación de la ménsula central de la presa de La Baells I. Los movimientos positivos son hacia aguas arriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 Posible evolución de los movimientos radiales de la coronación de la ménsula central de la presa de La Baells II. Los movimientos positivos son hacia aguas arriba. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro. Escenario climático ARPEGE-RM5.1. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro. Escenario climático ECHAM5-RACMO. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro. Escenario climático BCM-RCA. Las tensiones positivas son de tracción. 459 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro. Escenario climático ECHAM5-RCA. Las tensiones positivas son de tracción.460 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro. Escenario climático ECHAM5-REMO. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro. Escenario climático HadCM3Q16-RCA3. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro. Escenario climático ARPEGE-HIRHAM. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro. Escenario climático ECHAM5-ARPEGE. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro. Escenario climático BCM-HIRHAM. Las tensiones positivas son de tracción.465 Posibles tensiones principales mayores en bloques cero y cuatro. Escenario climático ECHAM5-RegCM. Las tensiones positivas son de tracción. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466.
(36) xxxvi. ÍNDICE DE FIGURAS.
(37) Índice de tablas 1.1.. Presas fisuradas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 3.1.. Coeficientes de albedo de diversas superficies. . . . . . . . . . . . .. 38. 5.1.. Intervalos de variación de la temperatura del aire y del agua en grados centı́grados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 8.1.. Escenarios climáticos calculados en el proyecto ENSEMBLES. . . . 135. 9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6.. Localización de la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . Caracterı́sticas del hormigón de la presa de La Baells. . . . . . Caracterı́sticas medias del cimiento de la presa de La Baells. . Termómetros de registro de temperaturas del agua embalsada. Termómetros de registro de temperaturas del hormigón. . . . . Estaciones radiométricas próximas a la presa de La Baells. . .. 10.1.. Parámetros de la geometrı́a de la presa de La Baells. . . . . . . . . 158. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. Nodos seleccionados del modelo térmico de elementos finitos la presa de La Baells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. Mallas evaluadas en el modelo térmico de elementos finitos. . . . . . 11.3. Recursos consumidos por el modelo de elementos finitos según tamaño de malla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.4. Parámetros del modelo térmico de la presa de La Baells. . . . . . . 11.5. Estadı́sticos de error del modelo térmico de elementos finitos. . . . . 11.6. Estadı́sticos de error del modelo térmico de elementos finitos sin considerar la radiación solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.7. Estadı́sticos de error del modelo térmico de elementos finitos con temperatura Sol-aire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.8. Estadı́sticos de error del modelo térmico de diferencias finitas. . . . 11.9. Estadı́sticos de error de la solución analı́tica. . . . . . . . . . . . . . 11.10. Estadı́sticos de error de la nueva solución analı́tica. . . . . . . . . .. 140 148 149 150 153 154. 11.1.. 12.1.. 168 168 169 171 172 177 178 181 188 189. Irradancia global y directa en KW h/(m2 dı́a) y temperaturas en grados Kelvin en la ciudad de Barcelona. . . . . . . . . . . . . . . . . . 199. xxxvii.
(38) xxxviii. ÍNDICE DE TABLAS. 12.2.. Recorrido medio del viento en km y velocidad media en m/s en la ciudad de Barcelona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3. Parámetros de la onda de radiación solar global en Barcelona. . . . 12.4. Estadı́sticos de la onda de radiación solar de Barcelona. . . . . . . . 12.5. Parámetros de la onda térmica de la estación 0076. . . . . . . . . . 12.6. Estadı́sticos de la onda térmica ambiental de la estación 0076. . . . 12.7. Parámetros de cálculo de las condiciones de contorno. . . . . . . . . 12.8. Caracterı́sticas térmicas de los materiales de los modelos numéricos. 12.9. Parámetros de la definición geométrica de las presas consideradas. . 12.10. Casos calculados I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.11. Casos calculados II. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 199 201 201 202 203 204 204 205 209 210. 13.1. 13.2.. Escenarios climáticos considerados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Resultado del test de Kolmogorov-Smirnov. . . . . . . . . . . . . . 215. 15.1.. Efecto de la orientación del eje de la presa sobre la temperatura media. Valores en grados Kelvin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Influencia de la orientación del eje de la presa sobre la amplitud de la onda térmica. Valores en grados Kelvin. . . . . . . . . . . . . . . 272 Efecto de la orientación del eje de la presa sobre el desfase de la onda térmica. Valores en dı́as. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 Efecto del aumento de la velocidad del viento sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la temperatura media. . . . . . . . . . . . . 287 Efecto del aumento de la velocidad del viento sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la amplitud de la onda térmica del hormigón. 288 Efecto de la disminución de la velocidad del viento sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la temperatura media. . . . . . . . . . . 292 Efecto de la disminución de la velocidad del viento sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la amplitud de la onda térmica del hormigón.293 Efecto del aumento de la radiación solar global media sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la temperatura media. . . . . . . . 298 Efecto del aumento de la radiación solar global media sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la amplitud de la onda térmica del hormigón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 Efecto de la disminución de la radiación solar global media sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la temperatura media. . . . . 303 Efecto de la disminución de la radiación solar global media sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la amplitud. . . . . . . . . . . 304 Efecto del incremento de la amplitud de la onda de radiación solar global sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la amplitud. . 307 Efecto de la disminución de la amplitud de la onda de radiación solar global sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la amplitud. . 312. 15.2. 15.3. 15.4. 15.5. 15.6. 15.7. 15.8. 15.9.. 15.10. 15.11. 15.12. 15.13..
(39) ÍNDICE DE TABLAS. xxxix. 15.14. Efecto del aumento de la temperatura media ambiental sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la temperatura media. . . . . . 15.15. Efecto del aumento de la temperatura media ambiental sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la amplitud. . . . . . . . . . . . 15.16. Efecto de la disminución de la temperatura media ambiental sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la temperatura media. . . . . 15.17. Efecto de la disminución de la temperatura media ambiental sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la amplitud. . . . . . . . . . . 15.18. Efecto del aumento de la amplitud de la temperatura ambiental sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la amplitud. . . . . . . . . 15.19. Efecto de la disminución de la amplitud de la temperatura ambiental sobre la envolvente de máximos y mı́nimos de la amplitud. . . . . . 16.1. 16.2.. 16.3.. 16.4. 16.5.. 16.6.. 16.7.. C.1. C.2. C.3. C.4. C.5. C.6. C.7.. Posible incremento de la temperatura media de la presa de La Baells en el año 2099 (B0: bloque cero, AS: arco superior). . . . . . . . . . Posible incremento de las temperaturas máximas anuales de las medias diarias de la presa de La Baells en el año 2099 (B0: bloque cero, AS: arco superior). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posible incremento de las temperaturas mı́nimas anuales de las medias diarias de la presa de La Baells en el año 2099 (B0: bloque cero, AS: arco superior). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posible incremento del movimiento radial medio anual de la coronación de la ménsula central de la presa de La Baells en el año 2099. . Posible incremento del movimiento radial mı́nimo y máximo anual de la coronación de la ménsula central de la presa de La Baells en el año 2099. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posible evolución del coeficiente de seguridad de las tensiones principales mayores de puntos del bloque cero de la presa de La Baells en el año 2099. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posible evolución del coeficiente de seguridad de las tensiones principales mayores de puntos del bloque cuatro de la presa de La Baells en el año 2099. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 315 316 318 319 322 326 332. 333. 334 335. 336. 339. 340. Parámetros geométricos de la ménsula central de la presa de La Baells.392 Parámetros geométricos de los arcos de la presa de La Baells. . . . . 394 Parámetros térmicos del agua de embalses y lagos españoles en grados centı́grados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Valores iniciales y optimizados de los coeficientes del modelo de Bofang.397 Estadı́sticos del modelo de Bofang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 Valores iniciales y optimizados de los coeficientes del modelo de LanTao et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 Estadı́sticos del modelo de Lan-Tao et al. . . . . . . . . . . . . . . . 398.
(40) xl. ÍNDICE DE TABLAS. C.8. Estadı́sticos del modelo de Shun-Wen et al. . . . . . . . . . . . . . . C.9. Estadı́sticos de los modelos de estimación de la temperatura del agua C.10. Coeficientes originales y estimados del modelo de estimación de la radiación solar horaria de Collares-Pereira y Rabl. . . . . . . . . . . C.11. Coeficientes originales y estimados del modelo de estimación de la radiación solar horaria de Gueymard. . . . . . . . . . . . . . . . . . C.12. Estadı́sticos de los modelos de estimación de la radiación solar global horaria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 398 399 411 411 412.
(41) Parte I Introducción y objetivos.. 1.
(42)
(43) Capı́tulo. 1. Introducción y objetivos. Esta tesis tiene como origen la lı́nea de investigación iniciada en la Unidad Docente de Presas del Departamento de Ingenierı́a Civil, Hidráulica y Energética de la Universidad Politécnica de Madrid, referente al estudio de la seguridad de presas y aliviaderos. Las investigaciones realizadas en la tesis se enmarcan dentro de dos proyectos oficiales de investigación, denominados: “Estudio de la Seguridad de Presas e Identificación de Escenarios de Riesgo mediante Sistemas Inteligentes” (SEPRISIS), correspondiente al Programa Nacional de Proyectos de Desarrollo Experimental en el marco del Plan Nacional de Investigación Cientı́fica, Desarrollo e Innovación Tecnológica, 2008-2011. “Desarrollo del Software iCOMPLEX para el control y evaluación de la seguridad de infraestructuras crı́ticas”, correspondiente al Subprograma Innpacto, convocatoria 2012, en el marco del Plan Nacional de Investigación Cientı́fica, Desarrollo e Innovación Tecnológica 2008-2011.. 1.1.. Motivación.. Las presas son infraestructuras singulares por sus dimensiones, su vida útil, su impacto territorial y especialmente por el riesgo potencial que supone su presencia (Pérez-Saiz et al., 2002). La sociedad tiene la necesidad de conocer y controlar los riesgos a los que se encuentra sometida y exige su delimitación. Es por ello que las tareas de auscultación se enfocan principalmente a evaluar el grado de riesgo de una presa para actuar en consecuencia. La seguridad de una presa depende de un proyecto adecuado, de una correcta construcción y de la vigilancia de su comportamiento durante los primeros años de. 3.
(44) 4. CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS.. Seguridad presas. Proyecto. Herramienta: Modelos de comportamiento deterministas. Construcción. Operación Primer llenado. 1. 2. 3. 4. 5.. Abandono. Explotación. Auscultación de presas: Recopilación información. Análisis. Herramienta: Interpretación. Modelos de comportamiento Toma decisiones. Actuación. Deterministas No deterministas. Figura 1.1: Esquema de la seguridad de presas. explotación y a lo largo de toda su vida útil (ICOLD, 1989). Una posible definición de seguridad de presas es el manejo coordinado de distintas disciplinas técnicas especializadas que intervienen en las cinco etapas de la vida de una presa: proyecto, construcción, primer llenado, explotación y abandono, siendo su principal objetivo alcanzar y mantener el mayor nivel de seguridad posible, con el fin de evitar la destrucción de la infraestructura y con ello, la pérdida de vidas humanas o bienes (Restelli, 2006). Para ello es necesario una evaluación precisa y sistemática de su estado y, en particular, de su comportamiento -figura 1.1-. La estrategia a seguir para supervisar el comportamiento estructural requiere la obtención de datos de auscultación e información cualitativa a través de inspecciones visuales, la posterior interpretación y evaluación de los mismos, tras lo cual se toman las decisiones de actuación, si fueran necesarias. La obtención de los datos de auscultación consiste en la lectura de los aparatos y sensores presentes en la presa. La recopilación de la información cualitativa de las inspecciones visuales se realiza a través de tomas de fotografı́as, elaboración de informes o cumplimentación de cuestionarios tipo. Posteriormente se procede a chequear la plausibilidad de las lecturas tomadas, identificándose posibles errores en la toma, averı́as de aparatos o lecturas ausentes. Una vez validados los datos, se incorporan a una base de datos. La interpretación y evaluación de los datos es la parte más importante de la supervisión del comportamiento estructural. Es la fase en la que se detectan, entre otros problemas, posibles averı́as o anomalı́as en el comportamiento. El personal encargado de realizarla dispone de una serie de herramientas o métodos capaces de predecir la respuesta de la presa frente a las acciones a las que se ha sometido. Se compara la respuesta de la estructura con la predicha, cuantificándose la diferencia entre ambas, también conocida como residuo.. Mejora de los modelos térmicos de las presas bóveda en explotación..
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Indice de tablas
M´ etodos basados en la obtenci´ on de solucio nes anal´ıticas de la ecuaci´ on de Fourier.
Los flujos de calor.
Las condiciones de contorno en modelos nu m´ ericos de elementos finitos.
Escenarios clim´ aticos en Europa y Espa˜ na.
Los impactos del cambio clim´ atico sobre las infraestructuras civiles.
Flujo de calor debido a la radiaci´ on solar.
El modelo de elementos finitos.
Caracterizaci´ on mec´ anica de los materiales.
La respuesta t´ ermica de la presa.
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