Análisis y diseño estructural de la obra de descarga del Proyecto Hidroeléctrico Minas La Unión

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL. ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE LA OBRA DE DESCARGA DEL PROYECTO HIDROELÉCTRICO MINAS – LA UNIÓN. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL. JORGE EDUARDO SÁNCHEZ PRUNA [email protected]. DIRECTOR: PROF. ING. FÉLIX VACA [email protected]. Quito, Agosto 2013.

(2) II. DECLARACIÓN. Yo, Jorge Eduardo Sánchez Pruna, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. La. Escuela. Politécnica. Nacional,. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. JORGE EDUARDO SÁNCHEZ PRUNA.

(3) III. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Jorge Eduardo Sánchez Pruna, bajo mi supervisión.. PROF. ING. FÉLIX VACA DIRECTOR DEL PROYECTO.

(4) IV. AGRADECIMIENTO. A mis padres por el amor que siempre me han dado, su esfuerzo, apoyo, dedicación, por demostrarme que no hay nada imposible. A mi hermano por nunca perder la Fe en mí y enseñarme grandes cosas. A los señores ingenieros Félix Vaca, Fernando Yépez y Jorge Valverde por su guía a lo largo de todo este proceso, demostrando la entera dedicación e interés por el desarrollo científico en el país, por compartir sus conocimientos y en especial su amistad. A mis maestros y amigos. A Dios, por darme “Todo… y más que todo”.

(5) V. DEDICATORIA. A la memoria de mi padre, a mi madre y hermano..

(6) VI. CONTENIDO DECLARACIÓN.. ................................................................................................... II CERTIFICACIÓN .................................................................................................. III AGRADECIMIENTO .............................................................................................. IV DEDICATORIA.. ..................................................................................................... V CONTENIDO….. ................................................................................................... VI ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................ X ÍNDICE DE GRÁFICOS ...................................................................................... XIII ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................... XIV RESUMEN…….. ................................................................................................. XVI ABSTRACT…… ................................................................................................. XVII PRESENTACIÓN .............................................................................................. XVIII CAPÍTULO 1 .......................................................................................................... 1 GENERACIÓN ELÉCTRICA .................................................................................. 1 1.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................... 1. 1.1.1 PERSPECTIVA DEL DESARROLLO MUNDIAL DE LA ENERGÍA HIDROELÉCTRICA ...................................................................................... 3 1.1.2. SUMINISTRO Y DEMANDA DE ENERGÍA ..................................... 4. 1.1.3. TIPOS DE APROVECHAMIENTO DE CARGA HIDRÁULICA ........ 6. 1.1.4 CLASIFICACIÓN POR CARGA DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS ................................................................................. 10 1.1.5. TURBINAS HIDRÁULICAS Y SU SELECCIÓN ............................ 11. 1.1.6. CAVITACIÓN EN TURBINAS ....................................................... 14. 1.1.7. TUBO DE ASPIRACIÓN ............................................................... 15. 1.2 PROYECTO HIDROELÉCTRICO MINAS (SAN FRANCISCO Y LA UNIÓN) .......................................................................................................... 16 1.3 GENERALIDADES ESTRUCTURAS PROYECTO “CASA DE MÁQUINAS MINAS - LA UNIÓN” .................................................................. 18 1.4 GENERALIDADES DE LA “OBRA DE DESCARGA DEL PROYECTO MINAS – LA UNIÓN” ..................................................................................... 20 1.5. OBJETIVOS DEL TRABAJO DE TITULACIÓN ................................... 20. 1.6. ALCANCES Y LIMITACIONES DEL TRABAJO DE TITULACIÓN ...... 21. CAPÍTULO 2 ........................................................................................................ 23 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL ................................ 23.

(7) VII. 2.1. FASES QUE ABARCA EL DISEÑO ..................................................... 23. 2.2. OBJETIVOS Y RECOMENDACIONES PARA EL ANÁLISIS .............. 23. 2.2.1. PROPÓSITO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL ............................... 23. 2.2.2. PROCEDIMIENTOS PARA EL ANÁLISIS ESTRUCTURAL ......... 24. 2.2.3. BASES PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL ................................ 24. 2.3. REFUERZO MÍNIMO ........................................................................... 26. 2.3.1. REFUERZO POR RETRACCIÓN Y TEMPERATURA .................. 27. 2.3.1.1 Separación máxima del refuerzo para contracción y temperatura…. ........................................................................................ 28 2.4. ESTRUCTURACIÓN DE LA OBRA ..................................................... 29. 2.4.1. BASES PARA LA ESTRUCTURACIÓN ........................................ 29. 2.4.2. ESTRUCTURAS HIDRÁULICAS DE HORMIGÓN ARMADO ....... 30. 2.4.3. COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL ........................................ 31. 2.4.4. LINEAMIENTOS ESTRUCTURALES............................................ 31. 2.4.5. MUROS ......................................................................................... 32. 2.4.6. LOSAS .......................................................................................... 33. 2.5. DURABILIDAD ..................................................................................... 34. 2.6. IMPERMEABILIDAD ............................................................................ 38. CAPÍTULO 3 ........................................................................................................ 40 ACCIONES (CARGAS) ........................................................................................ 40 3.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................. 40. 3.2. ACCIONES PERMANENTES .............................................................. 40. 3.2.1 3.3. CARGA MUERTA (PESO PROPIO DEL HORMIGÓN ARMADO).41. ACCIONES VARIABLES ..................................................................... 41. 3.3.1. PRESIÓN INTERIOR DEL AGUA ................................................. 43. 3.3.2. PRESIÓN EXTERIOR DEL AGUA ................................................ 43. 3.3.3. PRESIÓN DEL SUELO (RELLENO) ............................................. 44. 3.3.3.1 Presión del Relleno .................................................................... 45 3.3.3.2 Presión lateral de Tierra en Reposo ........................................... 48 3.3.3.2.1 Presión lateral de tierra en reposo, en ausencia de nivel freático….............................................................................................. 49 3.3.3.2.2 Presión lateral de tierra en reposo, para un suelo parcialmente sumergido ............................................................................................ 52 3.3.3.2.3 Presión lateral de tierra en reposo, más sobrecarga ............. 53 3.3.3.2.4 Presión lateral de tierra en reposo, más sobrecarga y suelo parcialmente sumergido ....................................................................... 55.

(8) VIII. 3.3.3.3 Presión Activa ............................................................................ 56 3.3.3.3.1 Presión activa, Teoría de Rankine ........................................ 56 3.3.3.3.2 Presión activa, Teoría de Coulomb ....................................... 58 3.3.3.3.3 Presión activa de tierra para condiciones sísmicas............... 62 3.3.3.4 Presión Pasiva ........................................................................... 63 3.3.3.4.1 Presión pasiva, Teoría de Rankine ....................................... 64 3.3.3.4.2 Presión pasiva, Teoría de Coulomb ...................................... 64 3.3.4 3.4. PRESIÓN DEL SUELO (SUBPRESIÓN) ...................................... 65. ACCIONES AMBIENTALES O ACCIDENTALES ................................ 69. 3.4.1. PRESIONES IMPULSIVAS Y CONVECTIVAS ............................. 69. 3.4.1.1 Idealización ................................................................................ 71 3.4.1.2 Presiones Hidrodinámicas.......................................................... 74 3.4.1.3 Espectro de diseño .................................................................... 77 3.4.1.3.1 Aceleración máxima del terreno (a0) ..................................... 78 3.4.1.3.2 Ordenada espectral máxima o coeficiente de diseño C ........ 78 3.4.1.3.3 Periodos característicos del espectro Ta y Tb........................ 78 3.4.1.3.4 Caída de la rama espectral descendente (k) ........................ 79 3.4.1.3.5 Factor de amortiguamiento ................................................... 79 3.4.1.3.6 Periodo efectivo .................................................................... 80 3.4.1.3.7 Factor de comportamiento sísmico Q ................................... 80 3.4.1.3.8 Factor reductor por ductilidad Q’ ........................................... 80 3.4.1.3.9 Factor de reducción por sobrerresistencia ............................ 81 3.4.1.4 Fuerzas de inercia ...................................................................... 81 3.4.1.5 Altura de onda ............................................................................ 82 3.4.1.6 Método alternativo ...................................................................... 83 3.4.1.6.1 Masa impulsiva ..................................................................... 85 3.4.1.6.2 Masa convectiva ................................................................... 86 3.4.1.6.3 Distribución de la presión hidrodinámica en los muros y en la losa de cimentación ............................................................................. 86 3.4.1.7 Interacción suelo - estructura ..................................................... 87 3.4.1.8 Presión hidrodinámica (WESTERGAARD) ................................ 88 3.4.2. ESPECTRO SÍSMICO................................................................... 89. 3.4.2.1 Factor de reducción sísmica ...................................................... 90 3.4.2.2 Factor de reducción de respuesta para estructuras diferentes a la edificación ............................................................................................... 91.

(9) IX. 3.4.2.3 Factores para determinar el espectro ........................................ 93 3.4.2.3.1 Zonas sísmicas y factor de zona Z........................................ 93 3.4.2.3.2 Perfil de suelo ....................................................................... 95 3.4.2.3.3 Coeficientes de amplificación o deamplificación dinámica de perfiles de suelo Fa, Fd y Fc .................................................................. 97 3.4.3. ESPECTRO SÍSMICO PARA LA OBRA DE DESCARGA .......... 100. CAPÍTULO 4 ...................................................................................................... 101 ANÁLISIS Y DISEÑO ......................................................................................... 101 4.1. MÉTODOS DE DISEÑO .................................................................... 101. 4.1.1. MÉTODO DE DISEÑO POR RESISTENCIA .............................. 101. 4.1.1.1 Requisitos de resistencia ......................................................... 101 4.1.1.2 Diseño del hormigón armado por el método de la resistencia.. 103 4.1.1.2.1 Cargas Factoradas.............................................................. 103 4.1.1.2.2 Factores de reducción de la resistencia .............................. 105 4.1.2 4.2. MÉTODO ALTERNATIVO DE DISEÑO ...................................... 106. REQUISITOS DE DISEÑO ................................................................ 108. 4.2.1. DEFLEXIONES ........................................................................... 108. 4.2.1.1 Deflexiones instantáneas ......................................................... 109 4.2.1.2 Deflexiones por cargas que actúan a largo plazo .................... 111 4.2.1.3 Disposiciones del código ACI para el control de deflexiones ... 113 4.2.1.4 Deflexiones ocasionadas por retracción de fraguado y por cambios de temperatura........................................................................ 117 4.2.2 4.3. AGRIETAMIENTO ....................................................................... 118. ANÁLISIS ESTRUCTURAL ............................................................... 122. CAPÍTULO 5 ...................................................................................................... 134 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 134 5.1. CONCLUSIONES .............................................................................. 134. 5.2. RECOMENDACIONES ...................................................................... 135. ANEXOS ............................................................................................................ 138 ANEXO N° 1 ....................................................................................................... 139 ANEXO N° 2 ....................................................................................................... 140 ANEXO N° 3 ....................................................................................................... 141 ANEXO N° 4 ....................................................................................................... 142 ANEXO N° 5 ....................................................................................................... 143.

(10) X. ÍNDICE DE FIGURAS Figura N° 1.1: Proyecto Hidroeléctrico Tres Gargantas, China ........................... 4 Figura N° 1.2: Estaciones de carga sin almacenamiento .................................... 7 Figura N° 1.3: Central con canal de derivación, vista en planta .......................... 8 Figura N° 1.4: Central con almacenamiento........................................................ 8 Figura N° 1.5: Central con almacenamiento y bombeo ....................................... 9 Figura N° 1.6: Central Mareomotriz La Rance, Francia .................................... 10 Figura N° 1.7: Proyecto Hidroeléctrico Itaipú, ubicado entre Brasil y Paraguay………. .................................................................................................. 11 Figura N° 1.8: Turbina de impulsión (Pelton) de dos chorros ............................ 12 Figura N° 1.9: Turbina de reacción Francis ....................................................... 13 Figura N° 1.10: Disposición de una turbina Francis, corte transversal ................ 15 Figura N° 2.1: División de secciones, para cálculo de efectos de retracción y temperatura…… ................................................................................................... 28 Figura N° 2.2: Canal cimentado con losa y trabes ............................................ 31 Figura N° 2.3: Canal con división intermedia, cimentado con losa y trabes ...... 32 Figura N° 2.4: Detalle de junta de construcción entre losa – muro, corte transversal……….. ............................................................................................... 33 Figura N° 2.5: Detalle unión muro y losa de cimentación, corte transversal ..... 34 Figura N° 3.1: Algunas cargas o acciones variables presentes en Casa de Máquinas y en el Canal de Descarga ................................................................... 41 Figura N° 3.2: Presión interior del agua ............................................................ 42 Figura N° 3.3: Presión exterior del agua ........................................................... 43 Figura N° 3.4: Presión del suelo de relleno ....................................................... 44 Figura N° 3.5: Esquema indicativo de la estructura en funcionamiento, vista en planta…………….................................................................................................. 45 Figura N° 3.6: Esquema indicativo de la estructura en funcionamiento, corte .. 46 Figura N° 3.7: Cargas provenientes del relleno hacia el muro .......................... 47 Figura N° 3.8: Esquema de la deformación de un muro, por la acción de la presión activa….................................................................................................... 47 Figura N° 3.9: Esquema de la deformación de un muro, por la acción de la presión pasiva…................................................................................................... 48 Figura N° 3.10: Componentes para el cálculo de la presión de tierra en reposo, sobre un muro de retención.................................................................................. 49 Figura N° 3.11: Diagrama de presión lateral de tierra en reposo ........................ 51.

(11) XI. Figura N° 3.12: Distribución de presiones de tierra en reposo más nivel freático…………. .................................................................................................. 52 Figura N° 3.13: Componentes de la presión de tierra en reposo, más sobrecarga…….. .................................................................................................. 54 Figura N° 3.14: Diagrama de presión lateral en reposo, más sobrecarga ........... 54 Figura N° 3.15: Componentes de la presión lateral de tierra en reposo, con sobrecarga y nivel freático ................................................................................... 55 Figura N° 3.16: Componentes de la presión activa según Teoría de Rankine .... 57 Figura N° 3.17: Componentes de la presión activa según teoría de Rankine, paramento inclinado ............................................................................................. 58 Figura N° 3.18: Plano de falla, teoría de Coulomb .............................................. 59 Figura N° 3.19: Componentes de la presión activa según teoría de Coulomb, alternativa 1………. .............................................................................................. 60 Figura N° 3.20: Componentes de la presión activa según teoría de Coulomb, alternativa 2………. .............................................................................................. 61 Figura N° 3.21: Componentes de la presión de tierra en condiciones sísmicas, Mononobe - Okabe............................................................................................... 62 Figura N° 3.22: Corte longitudinal Obra de Descarga, subpresión (color cyan) .. 65 Figura N° 3.23: Corte transversal Obra de Descarga, subpresión (color cyan)... 66 Figura N° 3.24: Esquema general de solicitaciones ............................................ 68 Figura N° 3.25: Disposición de las masas impulsiva y convectiva para una estructura sometida a solicitaciones sísmicas ...................................................... 72 Figura N° 3.26: Representación de la estructura para HL > 0.75L ...................... 74 Figura N° 3.27: Distribución de la presión equivalente en las paredes del canal……………. .................................................................................................. 87 Figura N° 3.28: Distribución de carga de fluido para condiciones sísmicas ........ 88 Figura N° 3.29: Mapa de la República del Ecuador para diseño sísmico ............ 93 Figura N° 4.1: Esquema del diseño por resistencia y del diseño alternativo ... 102 Figura N° 4.2: Curvatura por retracción fraguado en una losa de hormigón armado…………. ................................................................................................ 118 Figura N° 4.3: Parámetros geométricos para el cálculo de las grietas ............ 121 Figura N° 4.4: Sección típica para análisis en SAP2000 ................................. 123 Figura N° 4.5: Sección alternativa, para análisis en SAP2000 ........................ 123 Figura N° 4.6: Herramienta para definir naturaleza de las cargas ................... 124 Figura N° 4.7: Diversas acciones o cargas, actuando sobre la sección típica…………… ................................................................................................. 125 Figura N° 4.8: Ingreso de espectro al software SAP2000 ............................... 126 Figura N° 4.9: Herramienta para definición de combinaciones de carga ........ 127.

(12) XII. Figura N° 4.10: Diagrama de momentos, para combinación de cargas con efecto sísmico………… ................................................................................................. 128 Figura N° 4.11: Diagrama de momentos, corte en losa inferior......................... 128 Figura N° 4.12: Estructura deformada ante combinación de cargas con efecto sísmico……………. ............................................................................................ 129 Figura N° 4.13: Diagrama de momentos, sección alternativa ........................... 129 Figura N° 4.14: Estructura deformada, sección alternativa ............................... 130.

(13) XIII. ÍNDICE DE GRÁFICOS Gráfico N° 1.1: Suministro energético mundial ..................................................... 2 Gráfico N° 1.2: Demanda diaria de energía, área doméstica típica ...................... 5 Gráfico N° 1.3: Consumo de energía diaria, por recurso natural .......................... 6 Gráfico N° 1.4: Velocidades límite recomendadas por seguridad ....................... 14 Gráfico N° 3.1: Distribución de presiones impulsivas ......................................... 76 Gráfico N° 3.2: Distribución de presiones convectivas ....................................... 76 Gráfico N° 3.3: Espectro sísmico elástico de aceleraciones que representa el sismo de diseño….. .............................................................................................. 89 Gráfico N° 4.1: Factores para el cálculo de las deflexiones a largo plazo ........ 114 Gráfico N° 4.2: Espectro sísmico para el sector de emplazamiento de la estructura………................................................................................................. 126.

(14) XIV. ÍNDICE DE TABLAS Tabla N° 1.1: Datos Generales del Proyecto Hidroeléctrico Minas – La Unión…………… .................................................................................................. 19 Tabla N° 2.1: Categorías y clases de exposición del hormigón a diferentes condiciones ambientales ...................................................................................... 35 Tabla N° 2.2: Requisitos para el hormigón según la clase de exposición ambiental……… ................................................................................................... 37 Tabla N° 3.1: Coeficiente de presión de tierra en reposo, diferentes tipos de suelos…………..................................................................................................... 50 Tabla N° 3.2: Diagrama de presión lateral en reposo, con la presencia de nivel freático…………. .................................................................................................. 53 Tabla N° 3.3: Diagrama de presión en reposo, muro de retención con sobrecarga y suelo con presencia de nivel freático .............................................. 56 Tabla N° 3.4:. Valores del coeficiente de reducción de respuesta estructural .. 92. Tabla N° 3.5:. Valores del factor Z en función de la zona sísmica adoptada .... 94. Tabla N° 3.6:. Poblaciones ecuatorianas y valor del factor Z ............................ 94. Tabla N° 3.7:. Clasificación de los perfiles de suelo ......................................... 95. Tabla N° 3.8:. Tipo de suelo y Factores de sitio Fa ........................................... 97. Tabla N° 3.9:. Tipo de suelo y Factores de sitio Fd ........................................... 97. Tabla N° 3.10: Tipo de suelo y Factores del comportamiento inelástico del subsuelo Fs………. ............................................................................................... 98 Tabla N° 3.11: Valores correspondientes a la amplificación espectral, dependiendo de la región del Ecuador ................................................................. 98 Tabla N° 3.12: Coeficiente adimensional r, dependiendo del tipo de suelo ....... 99 Tabla N° 4.1:. Combinaciones de carga.......................................................... 103. Tabla N° 4.2:. Factores de reducción de resistencia ....................................... 105. Tabla N° 4.3: Esfuerzos permisibles recomendados para el hormigón en estructuras hidráulicas ....................................................................................... 106 Tabla N° 4.4: Esfuerzos recomendados para el acero, bajo cargas de servicio………… ................................................................................................. 107 Tabla N° 4.5: Alturas o espesores mínimos de vigas no preesforzadas o losas reforzadas………................................................................................................ 113 Tabla N° 4.6:. Propiedad del material (hormigón) que depende del tiempo .... 115. Tabla N° 4.7:. Deflexión máxima admisible calculada .................................... 116. Tabla N° 4.8:. Anchos tolerables de las grietas para hormigón armado ......... 121. Tabla N° 4.9:. Armadura principal, losa tapa del embaulado .......................... 131.

(15) XV. Tabla N° 4.10: Armadura principal, muro exterior ............................................ 131 Tabla N° 4.11: Armadura principal, losa cimentación ...................................... 132 Tabla N° 4.12: Armadura principal, muros ....................................................... 132 Tabla N° 4.13: Armadura principal, losa de cimentación ................................. 133.

(16) XVI. RESUMEN El Proyecto realizado tiene como fin último analizar el funcionamiento estructural de la Obra de Descarga del Proyecto Hidroeléctrico Minas - La Unión, la totalidad de dicha estructura será de hormigón armado; la característica principal de esta estructura es que se encontrará enterrada durante toda su trayectoria. El modelo matemático se lo realizó mediante el uso de elementos finitos empleando el software SAP2000 v. 14.1.0. (por sus siglas en inglés Structural Analysis Program). Es así como se logró el objetivo de analizar la estructura, con la ayuda de varios conceptos que permitieron, en conjunto con el programa computacional obtener los datos para desarrollar el diseño estructural de la obra. Dicho diseño, contempla además la elaboración de los planos estructurales. Previo al análisis y diseño indicado en párrafos anteriores, fue necesario presentar una pequeña introducción teórica en rasgos generales acerca de los proyectos hidroeléctricos, turbinas, y las formas más comúnmente usadas para las Obras de Descarga. Esto a fin de que se pueda tener una perspectiva más global de la estructura..

(17) XVII. ABSTRACT The objective of the developed project is to understand the structural gear of Minas La Unión project’s conduit discharging water, the entire structure will be constructed of reinforced concrete. The main feature is then this structure will be underground. The mathematical model was made by the software SAP2000 v 14.1.0 program that analyces by finite elements method. This is the way to analyze structure, a lot of concepts with the support of the computer program result the information to develop structural design of project. Additionally to this document are the blue prints. Before analysis and design, a little introduction for the Hydroelectric Plants, turbines and more common conduit discharging water’s geometry is presented. The objective of this theoretical part was to create a general vision of structure..

(18) XVIII. PRESENTACIÓN El desarrollo de la población mundial, implica inherentemente un crecimiento en la demanda de diversos servicios básicos, entre estos la energía, misma que constituye la base para muchas otras actividades en beneficio del ser humano. Es ahí donde la ingeniería, aprovechando la enorme cantidad de recursos que posee el planeta, ha logrado establecer las Centrales Hidroeléctricas aprovechando las fuentes hídricas. En un país como nuestro Ecuador, en donde se tiene una cantidad y sobre todo calidad de recursos hídricos es altamente factible el diseñar y construir este tipo de Centrales Hidroeléctricas. La construcción de este tipo de Centrales, permitirá reducir ostensiblemente la dependencia hacia otras fuentes de generación eléctrica, como las tan famosas Termoeléctricas, cuyo costo de generación es elevado con respecto al de una Central Hidroeléctrica, en términos de largo plazo. En el presente estudio, se encuentra una guía teórica acerca de los lineamientos básicos para poder realizar el diseño de este tipo de estructuras, que como se verá más adelante se asemejan también a otras obras tales como: túneles, alcantarillados, túneles falsos, tanques, canales, entre otros. La modelación se la realizó por completo mediante el software SAP2000, utilizando la versatilidad del programa para trabajar en 2 y 3 dimensiones, dicha modelación consiste en aplicar las geometrías de secciones transversales tipo, a elementos finitos, tratando de que dichos modelos se asemejen a la realidad. Se realiza el análisis y diseño estructural mediante la aplicación de la normativa internacional ACI; así también se emplearon los códigos: USACE, AASHTO, PCA, CFE, UBC, CEC, NEC. Todas estas normativas han sido la guía para el presente trabajo. El diseño se ve plasmado en los planos estructurales que son el objetivo final de este documento. El diseño de licitación de la presente estructura, contempla que la sección transversal sea tipo embaulado o rectangular, como parte del presente trabajo se ha diseño además una sección transversal tipo baúl y otra tipo herradura a fin de establecer el diseño estructural más adecuado..

(19) 1. CAPÍTULO 1 GENERACIÓN ELÉCTRICA 1.1 INTRODUCCIÓN En los últimos años debido al imparable crecimiento del país, la construcción de Proyectos Hidroeléctricos, ha sido más que una necesidad, una prioridad de las políticas de estado de los distintos gobiernos de turno. A la par del crecimiento en la demanda energética, inevitable para suplir las necesidades de la población, ha ido progresando también la ingeniería en forma general, este crecimiento no solo abarca a la Ingeniería Civil, sino también a otras carreras afines tales como: Ingeniería Mecánica, Ingeniería Eléctrica, Ingeniería Ambiental, Ingeniería Geológica, Ingeniería en Seguridad Industrial, en fin, un sin número de ramas que se han ido desarrollando en los últimos años. El presente trabajo está centrado al entorno de la Ingeniería Civil y más específicamente de la Ingeniería Civil Estructural. En términos generales los Proyectos Hidroeléctricos están conformados por represas, reservorios, canales, túneles, casa de máquinas y subestaciones; estructuras cuyo propósito fundamental es el de funcionar en conjunto y sinergia para alcanzar el objetivo principal: generar energía eléctrica. La energía Hidroeléctrica se obtiene de fuentes de agua natural, en otras palabras de recursos hídricos que pueden ser usados para el abastecimiento del ser humano. En la actualidad cerca del 20% de los requerimientos mundiales de energía, son suministrados a través de la producción Hidroeléctrica. El desarrollo por medio de los recursos hídricos, de los cuales un Proyecto Hidroeléctrico forma parte, siempre tendrá impactos ambientales y sociales; estos deberán ser tomados en consideración en la etapa inicial de planificación, así como también las implicaciones políticas y legales. Uno de los factores más importantes que afectan al desarrollo de la energía hidroeléctrica es el costo del proyecto. Con el aumento de los precios y acompañado por la escasez de los recursos, las comparaciones económicas.

(20) 2. deben hacerse entre varias fuentes de energía renovable: aceite, carbón, nuclear, gas, eólica, etc. Entonces, se debe considerar el hecho de que a diferencia del costo que significa el combustible para una Planta de Energía Hidroeléctrica, el costo del combustible para la generación eléctrica en una planta térmica convencional, se elevará con la inflación; haciendo que exista una ventaja, de origen económico a largo plazo, de la Planta de Energía Hidroeléctrica. 1.. Gráfico N° 1.1:. Suministro energético mundial. Fuente: http://es.wikipedia.org. Los últimos avances de la tecnología en la generación de energía hidroeléctrica, permiten un diseño adecuado incorporando procedimientos actualizados de diseño y construcción, así como también los requerimientos ambientales y sociales. Muchas de las innovaciones se han enfocado en el desarrollo de unidades turbina – generador, como por ejemplo la turbina Kaplan y unidades con eje inclinado, también se han reducido los costos de construcción, lo cual disminuye considerablemente la relación costo – beneficio del proyecto. Por lo tanto, la selección del diseño definitivo dependerá de la comparación de varias alternativas para la ubicación del proyecto, se deberán incorporar también.

(21) 3. las facilidades para ampliaciones fruto de las demandas futuras. En este sentido, el término land use (uso del suelo) se emplea para realizar una comparación entre las consideraciones ambientales y el desarrollo Hidroeléctrico. Más de 100 kW/km2 es muy bueno, mientras que 1 kW/km2 no es un uso eficiente del aprovechamiento. 1.1.1. La. PERSPECTIVA DEL DESARROLLO MUNDIAL DE LA ENERGÍA HIDROELÉCTRICA capacidad. Hidroeléctrica. instalada. en. todo. el. mundo. es. de. aproximadamente 740 GW, mientras que la producción anual es cercana a los 2770 TWh, esto es alrededor del 19% del suministro eléctrico del planeta1. En términos de energía hidráulica primaria (esto es, excluyendo embalses), el potencial teórico anual bruto del planeta está sobre los 40000 TWh de los cuales cerca de 14000 TWh son considerados proyectos técnicamente posibles y alrededor de 8000 TWh son económicamente factibles2. Sin embargo, estas cifras ocultan la gran variabilidad entre las Hidroeléctricas instaladas y los proyectos potenciales, alrededor del planeta a través de países y continentes debido a la morfología, clima y el desarrollo económico. Así por ejemplo, en Noruega cerca del 99% del suministro total de energía proviene de la Energía Hidroeléctrica, mientras que en el Reino Unido es apenas del 3%. Algunos grandes Proyectos Hidroeléctricos están en construcción o han sido recientemente completados. Entre los más conocidos el Proyecto Three Gorges (Tres Gargantas), cuya construcción finalizó en 2009, tiene 26 unidades turbina – generador de 700 MWh cada una, con una capacidad instalada total de 18200 MW, produciendo 84.7 TWh anualmente; también está previsto el espacio en el sitio para una futura expansión de 6 unidades adicionales. El Proyecto Ghazi Barotha en Pakistan, cuya construcción se completó en 2004 (que cuenta con un canal revestido de longitud aproximada de 52 km), tiene una capacidad de generación de 1450 MW con una producción promedio de 6600 GWh.. 1. Aqua-Media International, 2004. 2. Bartle and Hallowes, 2005.

(22) 4. Sin embargo, en muchos países el desarrollo de nuevos Proyectos Hidroeléctricos se centra en el tipo que posee un reservorio aguas arriba de las Turbinas, y particularmente en pequeñas MiniCentrales. 1.. Figura N° 1.1: Proyecto Hidroeléctrico Tres Gargantas, China. Fuente: http://es.wikipedia.org. 1.1.2. SUMINISTRO Y DEMANDA DE ENERGÍA. La demanda energética varía cada hora durante el día, de día a día y de año a año; la demanda energética está definida como el total de la carga que los consumidores usan en cualquier instante, al conectarse al sistema de alimentación eléctrica. El sistema deberá tener la suficiente capacidad para satisfacer la demanda esperada, además también en posibles averías inesperadas y apagones por mantenimiento. Una representación con la carga diaria (demanda), para un área doméstica típica se muestra en el Gráfico N° 1.2. En el gráfico la línea bajo el título de base load (carga base) delimita la carga continuamente superada, mientras que la average load (carga promedio) es el área bajo la curva divida para el tiempo. El factor de carga durante un período cualquiera es la relación entre la carga promedio y la carga máxima, este factor está expresado en unidades de tiempo: días, semanas, meses o años. Una sola estación conectada a una planta industrial puede tener un factor de por ejemplo.

(23) 5. 80%. En un país donde el suministro de energía se distribuye a través de una red nacional para diversos usos, el factor anual puede estar cerca del 40%. Gráfico N° 1.2:. Demanda diaria de energía, área doméstica típica. Fuente: NOVAK PAVEL, Hydraulic Structures. Se puede apreciar que factores de carga bajos representan un grado de ineficiencia; como la capacidad de generación de las máquinas ha sido configurada para satisfacer la demanda pico, en promedio, una parte considerable de esta maquinaria permanece inactiva. La elección del sistema de generación eléctrica depende del tipo de combustible disponible, de su costo, de la disponibilidad en sitios adecuados, etc. Mientras que los costos del combustible de una Central Hidroeléctrica son prácticamente nulos, los costos de construcción de la obra civil suelen ser mucho mayores que las de una central térmica, esto debido a los costos adicionales de las estructuras de represamiento, compuertas y líneas de transmisión. Las centrales Térmicas son mucho más eficientes para funcionar a toda su capacidad y por lo tanto son adecuadas para generar continuamente la carga base. Una Central Hidroeléctrica puede ser puesta en operación en un tiempo corto de 4 a 5 minutos, mientras que por lo menos se requieren de 30 minutos para poner en marcha a un Sistema Térmico. Las Centrales Hidroeléctricas son por lo tanto muy adecuadas para cumplir con las variaciones de carga con un.

(24) 6. pequeño desperdicio de energía. En un sistema interconectado “ideal” las Centrales Térmicas pueden ser usadas para generar hasta la carga máxima base, con las Centrales Hidroeléctricas proporcionando la carga máxima. Gráfico N° 1.3:. Consumo de energía diaria, por recurso natural. Fuente: http://es.wikipedia.org. Las Plantas de Energía Nuclear son igualmente inadecuadas para operaciones con carga variable, debido a que los reactores no pueden ser fácilmente controlados para responder rápidamente a los cambios de carga, y por lo tanto son usadas como Centrales de carga base con un factor de al menos 80%. Debido a la carencia de carga, los costos por concepto de transporte de combustible nuclear son despreciables y por lo tanto las Plantas de Energía Nuclear son convenientes en lugares donde el combustible fósil convencional y las Centrales Hidroeléctricas son inadecuados. Aunque las Plantas de Energía Nuclear, a diferencia de las Centrales Térmicas de combustibles fósiles, no necesitan sistemas de control costosos de aire contaminado, la seguridad y la eliminación de residuos merecen una gran consideración. 1.1.3. TIPOS DE APROVECHAMIENTO DE CARGA HIDRÁULICA. Existen cuatro tipos de aprovechamientos, a continuación una breve descripción de cada uno de ellos:.

(25) 7. a. Estación de carga sin almacenamiento (desarrollo local) Un azud o barrera se construye a través del río y la baja carga creada es usada para generar electricidad, la Central Eléctrica a menudo es una parte integral de la estructura del azud. Esta tiene una capacidad de almacenamiento muy limitada y solo puede utilizarse el agua cuando está disponible. Su capacidad firme es baja, porque el suministro del agua no es continuo o uniforme a lo largo del año, pero esta puede servir como carga base de la estación. Muchas Centrales pueden tener suficiente almacenamiento para satisfacer la demanda más alta del día. Dos diseños típicos de este tipo de estaciones se muestran en la parte inferior. Figura N° 1.2: Estaciones de carga sin almacenamiento. Fuente: NOVAK PAVEL, Hydraulic Structures. b. Central con canal de derivación Algunas veces las condiciones topográficas, geológicas e hidrológicas, así como también las consideraciones económicas y ambientales pueden favorecer al desarrollo de Proyectos Hidroeléctricos con derivaciones tipo. El flujo proveniente del represamiento aguas arriba del azud es derivado dentro de un canal de alimentación, que se reincorpora además al río aguas abajo, con la estación eléctrica situada ya sea al lado de la toma, o dentro del canal o a la salida.. Un tramo rocoso del río contiene los rápidos, en los sitios en dónde la regulación sea complicada, puede evitarse mediantes este tipo de solución. Una considerable disminución de altura puede ser desarrollada en el valle de un río, por medio de un canal de derivación con una pendiente pronunciada..

(26) 8. Figura N° 1.3: Central con canal de derivación, vista en planta. Fuente: NOVAK PAVEL, Hydraulic Structures. c. Central con almacenamiento (desarrollo remoto) La estructura de la presa está separada de la Central Eléctrica por una distancia considerable, a través de la cual el agua es conducida generalmente por un túnel y una tubería, de esta manera se alcanzan cargas medias y altas en las centrales. Figura N° 1.4: Central con almacenamiento. Fuente: http://es.wikipedia.org.

(27) 9. El embalse de almacenamiento aguas arriba de la Presa, incrementa la capacidad permanente de la Central de forma sustancial, dicho embalse depende de la escorrentía anual y de los requerimientos de energía, La Central puede ser usada como una instalación de carga base y/o de carga máxima. d. Central con almacenamiento y bombeo Donde la escorrentía natural durante el año es insuficiente para justificar la instalación de una Central Hidroeléctrica convencional, y donde sea posible tener reservorios de gran altura y a su vez de altura baja, el agua será bombeada desde el reservorio más bajo hacia el reservorio de mayor altura. Este tipo de Centrales generan energía para los periodos de carga máxima, mientras que para los periodos de menor carga, el agua es bombeada de regreso para usos posteriores. Durante los periodos de baja carga la energía generada en exceso disponible desde otras centrales en el sistema (a menudo una estación de carga sin almacenamiento, térmica o un central mareomotriz) es usada en el bombeo de agua desde el reservorio más bajo. El diseño de una Central de almacenamiento y bombeo se muestra a continuación. Figura N° 1.5: Central con almacenamiento y bombeo. Fuente: http://es.wikipedia.org.

(28) 10. 1.1.4. CLASIFICACIÓN POR CARGA DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS. a. Centrales de carga baja Estas centrales tienen una carga bruta de menos de 50m y son usualmente las Centrales de carga, con o sin almacenamiento; la Casa de Máquinas es una parte integral de la Presa o del azud. Las Centrales Mareomotrices son también centrales de carga baja. Las descargas son usualmente libres en este tipo de centrales. Las siguientes son algunas instalaciones de Centrales de baja carga típicas: Pitlochry, Escocia (17m); Owen Falls, Uganda (21m); St. Lawrence, Canadá (22m); La Rance Central Mareomotriz, Francia (3-11m). Figura N° 1.6: Central Mareomotriz La Rance, Francia. Fuente: http://www.google.com. b. Centrales de carga media Estas Centrales pueden ser controladas localmente o a distancias considerables; con una carga de entre los 50m hasta los 300m, entre las más conocidas instalaciones con carga media: Castello de Bode, Portugal (97m);.

(29) 11. Hoover, Estado Unidos (185m); Three Gorges, China (113m); Itaipu, Brasil (126m); Guri, Venezuela (146m); Kasnorjarsk, Rusia (100m). Figura N° 1.7: Proyecto Hidroeléctrico Itaipú, ubicado entre Brasil y Paraguay. Fuente: http: //es.wikipedia.org. c. Centrales de carga alta Muchas de las Centrales de carga alta (carga mucho mayor a los 300m) son del tipo de control lejano. Las siguientes son algunas de las instalaciones de este tipo: Laures, Italia (2030m); Reisseck-Kreuzeck, Austria (1771m); Chandoline, Suiza (1750m); Mar, Noruega (780m); Cruachan, Escocia (401m); Dinorwic, Países Nórdicos (440m). 1.1.5. TURBINAS HIDRÁULICAS Y SU SELECCIÓN. Tipos de Turbinas hidráulicas Las turbinas hidráulicas pueden ser consideradas como motores hidráulicos o generadores de energía, en el desarrollo de energía hidráulica. Estos convierten la fuerza hidráulica (energía hidráulica) en energía mecánica (energía de eje). El desarrollo de la energía mecánica es usado para poner en funcionamiento los generadores de electricidad acoplados al eje de la turbina, produciendo así la energía eléctrica..

(30) 12. Las turbinas pueden ser clasificadas como máquinas tipo impulso y tipo reacción3. En la primera categoría, toda la energía potencial disponible (carga) del agua es convertida en energía cinética con la ayuda de una boquilla contraída (el tipo de flujo es controlado por una válvula tipo lanza) que se ubica al final de la tubería (tubería de carga). Luego del choque con las hélices curvas (cucharas) la descarga de agua es libre (a presión atmosférica) dentro del canal agua abajo (llamado también canal de descarga). La turbina de impulso más comúnmente usada es la turbina de impulsión (Pelton). Unidades más grandes pueden tener dos o más chorros que impactan en diferentes sitios alrededor de la rueda. Figura N° 1.8: Turbina de impulsión (Pelton) de dos chorros. Fuente: http://es.wikipedia.opg. En turbinas de reacción solo una parte de la energía disponible del agua se convierte en energía cinética en la embocadura del rodete, y una sustancial parte restante en forma de energía de presión. La carcasa del rodete (llama caja de caracol) tiene que estar completamente hermética y llena de principio a fin con agua, durante la operación de la turbina. El agua entra en la caja de caracol y se mueve dentro del rodete a través de unas aspas guías, llamadas álabes giratorios. La proporción de flujo y su dirección pueden ser controladas a través 3. Nechleba, 1957.

(31) 13. de estos álabes giratorios. Después de abandonar el rodete, el agua entra a un tubo de aspiración que entrega el flujo al canal de descarga de manera sumergida. Existen dos tipos principales de turbinas de reacción, la Francis y la turbina de hélice (también conocida como Kaplan o Bulbo). Las turbinas pueden ser también clasificadas de acuerdo a la dirección principal del flujo de agua en el rodete, así: ·. Turbina de flujo tangencial (turbina de impulsión). ·. Turbina de flujo radial (Francis, Thompson, Girard). ·. Turbina de flujo mixto (variante del tipo Francis, moderna). ·. Turbina con flujo axial, del tipo hélices de aletas fijas o de tipo hélice de aletas regulables (Kaplan o bulbo)4. Figura N° 1.9: Turbina de reacción Francis. Fuente: NOVAK PAVEL, Hydraulic Structures. 4. Viollet, 2005.

(32) 14. 1.1.6. CAVITACIÓN EN TURBINAS. La cavitación resulta en perforaciones, vibraciones y reducción de la eficiencia y es ciertamente indeseable, en este sentido los rodetes son los mayormente afectados, cuando estos son del tipo turbina de reacción; en los que las presiones, al final de la descarga de álabe, son negativas y pueden acercarse a las presiones límite de vapor. La cavitación puede ser evitada con un adecuado diseño, instalación y operación de la turbina de tal manera que las presiones dentro de la unidad estén por encima de la presión de vapor del agua. La ubicación de la turbina y más específicamente la altura de descarga (Y s) es el factor más crítico en la instalación de turbinas de reacción. Los límites recomendados para velocidades seguras especificadas para varias alturas, basadas en experiencias en Centrales Hidroeléctricas existentes, se muestran a continuación: Gráfico N° 1.4:. Velocidades límite recomendadas por seguridad. Fuente: NOVAK PAVEL, Hydraulic Structures.

(33) 15. 1.1.7. TUBO DE ASPIRACIÓN. El tubo de aspiración (tubo de descarga) es un acueducto de descarga desde el rodete hasta el Canal de Descarga, y tiene dos propósitos: (a) recuperar tanto como sea posible la energía de velocidad del agua a la salida del rodete, a través de lo primero se irá incrementando también la altura de carga dinámica; (b) aprovechando la distancia vertical entre la salida de la turbina y el nivel de aguas abajo, llamada la altura de carga estática. El tubo de aspiración más común es el tipo codo, que minimiza la altura de la subestructura, comparado con el tipo vertical este también tiene el efecto esperado de direccionar el flujo en dirección del flujo aguas abajo. Figura N° 1.10: Disposición de una turbina Francis, corte transversal. Fuente: NOVAK PAVEL, Hydraulic Structures. El tubo de aspiración tipo codo se divide en tres partes, todas estas partes se expanden gradualmente como los difusores: 1. Una parte vertical (embocadura) con una sección transversal circular, expandiéndose gradualmente. 2. Una parte curva (esto permite finalmente minimizar las pérdidas debido al cambio en la dirección del flujo) en una transición gradual desde la sección circular en una rectangular..

(34) 16. 3. Una. parte. casi. horizontal. con. sección. rectangular,. expandiéndose. gradualmente en la dirección del flujo en el canal de descarga, reduciendo las pérdidas.. 1.2 PROYECTO HIDROELÉCTRICO MINAS (SAN FRANCISCO Y LA UNIÓN) El Proyecto Hidroeléctrico Minas se encuentra conformado por dos aprovechamientos, conocidos con los nombres de San Francisco y La Unión, estos se ubican en el sector sur de la República del Ecuador, localizados entre las provincias de Azuay y El Oro, aproximadamente a 500 km de la ciudad de Quito su capital. El sitio de emplazamiento del Aprovechamiento San Francisco, está en el límite sur-occidental de la provincia del Azuay, a 92 km de distancia de la ciudad de Cuenca. A su vez, el Proyecto La Unión está ubicado en el límite nor-oriental de la provincia de El Oro a 29 km de la ciudad de Machala. El Proyecto Hidroeléctrico Minas, con sus aprovechamientos San Francisco y La Unión, se sitúa en la cuenca media y media – baja del río Jubones, y todas sus estructuras se desarrollan manteniendo una trayectoria paralela al curso del río; el Proyecto San Francisco por la margen derecha y el Proyecto La Unión por la margen izquierda. Geográficamente los aprovechamientos San Francisco y La Unión se enmarcan entre las coordenadas 9’630 956 mN a 9’635 437 mN y 668 870 mW a 643 594 mW. El Proyecto San Francisco atraviesa las parroquias de Pucará y San Rafael de Sharug, pertenecientes al Cantón Pucará Provincia del Azuay, y en el sitio de Presa la parroquia Abañín del Cantón Zaruma (Provincia de El Oro). Mientras que el Proyecto La Unión en la Provincia de El Oro atraviesa las parroquias de Uzhcurrumi y Casacay del Cantón Pasaje, y la parroquia Chilla del cantón bajo el mismo nombre. En el Anexo 1 se puede observar el desarrollo de los dos aprovechamientos, donde se pueden distinguir los diferentes componentes del proyecto..

(35) 17. Las Obras que componen el Aprovechamiento Hidroeléctrico La Unión y sus características técnicas son: ¨ Obra de Cruce a través de tres tuberías de acero, cada una de diámetro igual a 2,60 m, se desarrolla un cruce aéreo que permitirá su disposición como infraestructura del puente de acceso vehicular para el mantenimiento del túnel de descarga. ¨ Túnel de Conducción o también denominado de baja presión, se despliega a lo largo de la margen derecha del río Jubones con 12,9 km de longitud, diseñado para un caudal de 65,0 m3/s. El 5% de la longitud del túnel será excavado mediante metodología convencional (D&B; Drilling & Blasting) y para el restante 95% se utilizará una máquina tuneladora (TBM; Tunnel Boring Machine). El primer tramo del túnel tiene una longitud de 221 m y está comprendido desde la Obra de Toma hasta la salida de la TBM; a continuación se encuentra un tramo que será excavado con TBM hasta el sitio de la ventana Pitahuiña con una longitud de 11 583 m, para finalmente excavar mediante método tradicional 396 m hasta el sitio de la chimenea de equilibrio. La sección transversal excavada por el método tradicional es tipo herradura, con diámetro interior en la bóveda igual a 4,80 m; en tanto que la sección transversal del tramo excavado en mecanizado es circular con un diámetro D = 4,80 m. Los últimos 19 metros del túnel de baja presión tendrán un blindaje de acero de 26 mm en un diámetro de 4,80 m. ¨ Chimenea de Equilibrio con una disposición vertical y de sección transversal horizontal circular, de altura total igual a 99,0 m, hasta el perfil del terreno natural en el sector de Pitahuiña. La cota en el umbral de la chimenea de equilibrio es igual a 302,00 m.s.n.m., el nivel calculado máximo para la oscilación se ubica en la cota 300,55 m.s.n.m. La estructura principal está conformada por un cilindro de hormigón armado, con la altura total de 97 m y 15 m de diámetro además del orificio restringido cuya altura se desarrolla en 2 m con un diámetro de 4 m..

(36) 18. ¨ Tubería de presión con un diámetro interno igual a 4,8 m y una longitud total de 888 m incluyendo el bifurcador. El perfil longitudinal de la tubería de presión se desarrolla en dos tramos: (i) un pozo vertical, de 112,50 m de diferencia de nivel, y (ii) un tramo horizontal de 734,50 m de longitud más 41 m por el bifurcador. Construida en su totalidad bajo tierra (subterránea). ¨ Casa de Máquinas La Unión se ubica al exterior, junto a la carretera principal, en el sector de Pitahuiña. Esta estructura debe alojar, como estructura principal, a dos turbinas de generación tipo Francis, de eje vertical, posicionadas en la cota 85,50 m.s.n.m. y dos generadores en la cota 90,10 m.s.n.m. La cota del piso principal se ubica en 94,10 m.s.n.m. La Subestación Eléctrica será ubicada al exterior, en la proximidad del conjunto de la central. ¨ Obra de Descarga (Tema expuesto en esta tesis) se encuentra conformada por un canal divido, por medio de una pila, en dos secciones rectangulares. Dicha pila separa el caudal descargado por las dos unidades. En la primera parte del canal desde la salida de las turbinas hasta la carretera, el fondo tiene una transición con plano inclinado con una pendiente 1:6. El nivel de operación máximo y mínimo en la descarga es 88,72 m.s.n.m. y 88,03 m.s.n.m. respectivamente, provocándose entonces la salida sumergida. En el Anexo 1 se puede observar el esquema del desarrollo del Aprovechamiento Hidroeléctrico La Unión, a nivel de Diseño Definitivo.. 1.3 GENERALIDADES ESTRUCTURAS PROYECTO “CASA DE MÁQUINAS MINAS - LA UNIÓN” Estructura parcialmente enterrada ubicada junto a la carretera principal, en el sector de Pitahuiña. Al ser la estructura central para el equipamiento mecánico, debe alojar a dos turbinas tipo Francis de eje vertical, posicionadas en la cota 85.80 m.s.n.m. y dos generadores en la cota 90.10 m.s.n.m. El piso principal se ubica en la cota 94.10 m.s.n.m., el piso de montaje se encuentra a 103 m.s.n.m. el piso de generadores a 90.10 m.s.n.m.; mientras que el piso de válvulas en la cota 82.50 m.s.n.m. Esta obra se identifica como una estructura semi – enterrada, el.

(37) 19. sector de la estructura que se encuentra en contacto directo con el suelo, es en su totalidad de hormigón armado; mientras que la zona de la estructura que no entra en contacto con el suelo, está en su totalidad concebida mediante perfiles metálicos. 1.. Tabla N° 1.1:. Datos Generales del Proyecto Hidroeléctrico Minas – La Unión. CAUDALES CARACTERÍSTICOS. TUBERÍA DE PRESIÓN. 65.00. [m3/s]. Sección. Caudal 90%. 13.64. [m3/s]. Diámetro. 4.80. [m2]. Caudal medio. 48.33. [m3/s]. Área. 18.10. [m]. Perímetro. 15.08. [m]. 4.80. [m]. 847.00. [m]. Caudal de diseño. CAUDALES MÁXIMOS PARA DISEÑO PASO ELEVADO Q (TR=10 años). 815. [m3/s]. Diámetro Hidráulico Longitud. 1275. [m3/s]. Q (TR=1000 años). 1800. [m3/s]. Q (TR=10000 años). 2200. [m3/s]. Q (TR=100 años). circular. CASA DE MÁQUINAS Turbinas. 2. Francis. Cota eje turbina. 85.80. [msnm]. 260.00 [msnm] 262.44 [msnm]. Cota piso válvulas. 82.50. [msnm]. Cota piso generadores. 90.10. [msnm]. 273.96 [msnm] 270.05 [msnm]. Cota piso principal. 94.10. [msnm]. 103.00. [msnm]. PASO ELEVADO Y TANQUE DE CARGA Cota del fondo del río Cota fondo de tanque de carga Nivel normal máximo de operación (NAMO) Nivel normal mínimo de operación (NAMINO) H útil Volumen tanque de carga. Cota piso de montaje. 3.91. [m]. BxLxH. 6814.00. [m3]. H succión. TÚNEL DE BAJA PRESIÓN Cota solera en captación Pendiente longitudinal. 262.44 [msnm] [%] 0.52. Cota solera al pie de chimenea. 198.70 [msnm]. Sección D&B 588 - TBM 11583 m . Blindado 19m Diámetro ponderado circular. [-]. 4.79. [m] 2. 21x56x40. [m]. 2.13. [m]. Cota mínima de descarga. 88.03. [msnm]. Cota descarga (Q100%). 88.72. [msnm]. CANAL DE DESCARGA Número de canales. 2. [-]. Longitud. 80.00. [m]. Sección. rect.. [-]. Área. 18.02. [m ]. Ancho. 8.25. [m]. Perímetro. 15.05. [m]. Altura. variable. [m]. 4.79. [m]. 12190.0. [m]. Diámetro hidráulico Longitud. CHIMENEA DE EQUILIBRIO Número de cámaras cilíndricas Diámetro Altura Orificio restringuido Nivel normal operación Nivel máximo oscilación Nivel mínimo normal oscilación Cota umbral chimenea. RESUMEN DEL APROVECHAMIENTO Altura bruta máxima. 185.24. [m]. Altura bruta mínima. 181.33. [m]. 183.94. [m]. 26.34. [m]. 1. [-]. Altura bruta promedio. 15.00. [m]. Pérdidas de carga. 100.00. [m]. Altura neta de diseño. [m]. turbina. 4.00 249.26 [msnm] 300.55. [msnm]. 229.62 [msnm] 302.00. [msnm]. Potencia bruta Potencia instalada (turbina) Potencia del grupo (t+g) Energía producida. 157.60. [m]. 94.10. [%]. 117.70. [MW]. 94.14 92.26 412.30. Fuente: Archivo Proyecto Hidroeléctrico Minas–La Unión (Asociación ASTECGEODATA). [MW] [MW] [GWh/año].

(38) 20. En el Anexo 1 se muestra la disposición general del conjunto Casa de Máquinas y Obra de Descarga. Las dimensiones generales de Casa de Máquinas se pueden resumir a 21.0 m de ancho, 56 m de largo y 40 m de altura. La potencia instalada del sistema a la salida de las turbinas es de 80.5 MW (Bornes de Generación), con una caída bruta de 158.5 m y una caída neta de generación de 148.4 m; así como la energía media probable es de 414 GWH/año, todos estos datos se pueden observar en la Tabla N° 1.1.. 1.4 GENERALIDADES DE LA “OBRA DE DESCARGA DEL PROYECTO MINAS – LA UNIÓN” El objetivo principal de la estructura considerada es, conducir el agua proveniente de las dos turbinas generadoras alojadas en Casa de Máquinas, desde el nivel requerido situado en la cota 79,37 m.s.n.m.; por este motivo la estructura deberá soportar un relleno en su parte superior de aproximadamente 12 m en todo su recorrido, hasta su posterior entrega al río (en el Anexo 1 se encuentra a detalle la geometría de Casa de Máquinas y Obra de Descarga). La Obra de Descarga está conformada por un canal dividido en dos secciones rectangulares, por medio de una pila que separa el caudal descargado por las dos unidades. En la primera parte del canal desde la salida de las turbinas hasta la carretera, el fondo tiene una transición mediante un plano inclinado con una pendiente 1:6. El nivel de operación máximo y mínimo en la descarga es 88.72 y 88.03 m.s.n.m. respectivamente. La longitud aproximada es de 80 m, con un ancho promedio de 8.25 m; un esquema detallado se muestra en el Anexo 1.. 1.5 OBJETIVOS DEL TRABAJO DE TITULACIÓN El continuo avance y crecimiento del país en los últimos años, han obligado a buscar fuentes de energía y es precisamente la energía eléctrica una de las más limpias y que a su vez dentro de la etapa de construcción permite generar empleo para la población de nuestro país. Además partiendo del hecho que el Ecuador.

(39) 21. posee una riqueza hidrográfica e hidrológica hace que los Proyectos Hidroeléctricos sean una solución frente a los problemas energéticos que se tienen en el país en épocas de verano. Bajo esta premisa el presente estudio pretende servir como una guía para el diseño de estructuras de tipo hidráulico y que además se encuentran en su totalidad enterradas, siendo presa de diferentes solicitaciones ya sea por el empuje del suelo, la presión del agua, sismo, etcétera. Como se encuentra establecido en el apartado siguiente, esta no será la primera vez que se elabore un trabajo de este estilo. Sin embargo, durante el análisis y posterior diseño de la estructura se ha notado que las distintas solicitaciones a las cuales se encuentra sometida la estructura, hacen que sin lugar a duda los criterios adoptados puedan servir en el futuro como una guía para estructuras similares como por ejemplo: túneles, túneles falso, canales, alcantarillas, tanques. El presente estudio pretende evaluar además distintas alternativas para la forma de la sección transversal de la Obra de Descarga, siendo el principal interés el demostrar que mediante el uso de formas tipo túnel o bóveda, se puede disminuir el espesor de las paredes de la estructura y/o el diámetro de las varillas de la armadura de la misma, sin embargo es conveniente manifestar que no se pretende hacer un análisis económico de la Obra; ya que si bien se pueden reducir los espesores de la sección transversal o los diámetros del acero de refuerzo, la sección transversal que se adopte pudiera repercutir en diversos factores, tales como el encarecimiento por necesidad de personal calificado o de materiales para construcción que no se encuentren en el mercado nacional. Para el análisis de la Obra de Descarga se realizarán cortes transversales a lo largo de la estructura, con el fin de evaluar diferentes secciones de la obra.. 1.6 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL TRABAJO DE TITULACIÓN El presente documento, se enfoca al análisis y posterior diseño de la Obra de Descarga sin tomar en cuenta costos por armado, construcción, materiales, mano de obra, etcétera. Con lo cual el diseño que se obtenga a continuación es.

(40) 22. independiente del presupuesto asignado para la construcción de la Obra de Descarga. Sin embargo, el presente estudio pretende analizar diferentes secciones transversales de la estructura, con el fin de demostrar su funcionalidad y eficiencia, mediante el uso de ábacos, tablas y del programa computacional SAP2000 (por sus siglas en inglés Structural Analysis Program). El estudio de métodos y costos de construcción se deja abierto para futuras investigaciones que sirvan como complemento al presente trabajo..

(41) 23. CAPÍTULO 2 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL 2.1 FASES QUE ABARCA EL DISEÑO El diseño de estructuras hidráulicas se lo realiza en seis etapas o fases consecutivas, las mismas que se observan a continuación: 1. Estudios de campo 2. Diseño funcional 3. Esquema físico de la estructura 4. Diseño hidráulico 5. Diseño electromecánico 6. Diseño estructural Siendo esta última el tema y objetivo principal del presente documento, es por lo tanto la única de las seis fases que se cubre a detalle.. 2.2 OBJETIVOS Y RECOMENDACIONES PARA EL ANÁLISIS 2.2.1. PROPÓSITO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL. Implementar. y. verificar. el. comportamiento. de. diversas. secciones. transversales; tales como: tipo arco, semicirculares, herradura y rectangulares, frente a las cargas externas, obteniendo para cada caso paredes de espesores diversos. Siendo entonces el análisis estructural la herramienta fundamental para encontrar la forma más adecuada para las solicitaciones que se estiman sucederán y afectarán a la estructura, desde su etapa de construcción y posterior vida útil. El análisis estructural consistirá en diseñar para cada sección transversal, la armadura necesaria para proveer a la estructura de la suficiente capacidad y ductilidad para que pueda soportar los escenarios de carga más desfavorables; siendo uno de los más complejos en analizar el sismo y sus efectos sobre el resto.

(42) 24. de cargas (relleno, empuje dinámico); para que no sufra ningún deterioro y mucho menos su colapso estructural. Una vez analizada la estructura ante los escenarios más desfavorables, los mismos que pudieran producir desde daños leves hasta el colapso estructural; es necesario estudiar y evitar la presencia de fugas, para lo cual se aplicarán criterios que eliminen las grietas o posibles fuentes de las mismas. Cabe destacar que si bien el diseño es la base fundamental para la obra, el procedimiento constructivo y la adecuada calidad de los materiales a utilizarse harán que detalles como las fugas se puedan evitar. 2.2.2. PROCEDIMIENTOS PARA EL ANÁLISIS ESTRUCTURAL. El comportamiento de las diversas secciones transversales ante cargas externas se lo evaluará con la implementación de ábacos, tablas y mediante modelos matemáticos ingresados en el Programa Computacional SAP2000; este conjunto de elementos de análisis de secciones permiten obtener los esfuerzos que la estructura tendrá que ser capaz de soportar. Para poder evaluar a las diversas cargas que se aplicarán fue necesario acudir a los criterios de diversas organizaciones tales como: ACI (American Concrete Association), USACE (United States Army Corp Engineers), PCA (Portland Cement Association), AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials) en sus diferentes publicaciones se encuentran las pautas a través de las cuales se puede evaluar y modelar la estructura. 2.2.3. BASES PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL. Durante la vida útil de la estructura las solicitaciones que se tomarán en cuenta, serán para nuestro caso y de manera general para las estructuras que se encuentran enterradas y sean con fin hidráulico las que se mencionan a continuación: ¨ Presión hidráulica dependiendo del tirante y/o peso volumétrico del agua. ¨ Presión externa proveniente del suelo de relleno sobre los muros o paredes y/o losa..

(43) 25. ¨ Subpresión presente en la parte inferior de la estructura, independiente de su forma. ¨ Sobrecargas presentes en la etapa de construcción por la presencia de maquinaria. ¨ Cargas Vivas en comparación con las anteriores de menor cuantía e incluso en algunos casos inexistentes. Además de este conjunto de posibles cargas, el análisis deberá contemplar además ciertos conceptos como los que se detallan a continuación: ¨ Espesor mínimo en paredes De acuerdo con el informe ACI 350-06 (American Concrete Institute, Environmental Engineering Concrete Structures), los muros de hormigón armado con una altura de líquido igual o mayor a 3.00 m, tendrán un espesor de mínimo de 15 cm. Sin embargo, para las paredes de hasta 10 m de altura el espesor recomendado por el código es de 30 cm, cabe destacar que estos espesores son referenciales y se verificarán con el diseño. ¨ Impermeabilidad Debido a la contracción por el fraguado, que normalmente experimenta el hormigón armado, la impermeabilidad de las estructuras se ve afectada por la secuencia y los procedimientos de construcción, de las juntas y sus detalles; por lo que estos aspectos deberán tenerse muy en cuenta en el diseño para reducir al mínimo sus efectos. ¨ Corrosión Con el objetivo de evitar la corrosión del acero de refuerzo en las estructuras hidráulicas de hormigón armado, se deberán tomar los correctivos necesarios tanto en la etapa de diseño como en la de construcción. El fenómeno de la corrosión puede originarse de varias formas, como por ejemplo: con la presencia de iones de cloruro en el cemento, mediante la carbonatación o ambas..