Introducción a las Presas Arco

Esta tipología de presas funciona como una estructura hiperestática con una serie de condiciones de contorno que la coaccionan. Por tanto, cada vez que queremos examinar el comportamiento de una de estas presas o realizar su diseño debemos de tener en cuenta la forma de la membrana que forma la presa y las condiciones de su apoyo o empotramiento tanto lateral como inferior.

Tipologías habituales de presas arco

Dependiendo de la forma de resistir los empujes hidrostáticos del agua tendremos:

• Arco-gravedad. Donde parte del empuje es soportado por la el peso propio de la presa y parte por el efecto arco de su directriz, siempre que se pueda asegurar el contacto entre todos los bloques
• Bóvedas. Son presas que transmiten el esfuerzo a la zona de apoyo en laterales y fondo, debido a la forma curva en planta y alzado.
• Bóvedas múltiples. Están formadas por elementos curvos unidos por tímpanos o diafragmas que funcionan como contrafuertes.

Presas arco-gravedad

En este tipo de presas de arco-gravedad, el esfuerzo se reparte entre el cimiento y los estribos laterales. Su funcionamiento requiere la inyección de las juntas para que la transmisión del esfuerzo del empuje hidrostático se transmita por efecto arco hacia los estribos y cimientos de la presa.

Los taludes de la presa son inferiores que los de una presa de gravedad convencional, rondando valores cercanos a 0,50 (H/V) aunque se trata de una apreciación que variará mucho dependiendo de las características de la cimentación y del arco descrito. El vértice del triángulo teórico de la presa se proyecta muy por encima de la cota máxima de la avenida de Proyecto o NAP, es decir, por encima del vértice de la presa de gravedad convencional.

Un requerimiento específico de este tipo de presas es la capacidad resistente de los estribos y el material de las laderas de la cerrada. Es necesario, por tanto, un terreno de gran capacidad portante en las laderas de la cerrada. Dependiendo del arco también necesitará buena capacidad portante en el cimiento inferior de la presa.

La inyección de juntas diferencia este tipo de presas y las presas de gravedad de planta curva. Estas inyecciones han de realizarse cuando la presa se encuentre vacía y más fría, de forma que las juntas por contracción se encuentren más abiertas. Al inyectarlas en ese momento se asegura que para cualquier otra temperatura, al dilatarse, toda la sección se encuentra en contacto y funciona el efecto arco.

Presas bóveda

El campo de aplicación de las presas bóveda se circunscribe a cerradas en macizos rocosos competentes.
Topográficamente este tipo de presas suele situarse en cerradas donde la cuerda del arco horizontal principal es menor o igual a 3 veces la altura, si bien existen bóvedas relativamente actuales con ratios superiores, llegando a 6 u 8 veces la altura.

Dado que es fundamental la transmisión de esfuerzos a todo el cimiento y especialmente a los estribos, necesitamos saber la capacidad de estos frente a las cargas presentadas, por este motivo interesa ante todo conocer el comportamiento global del macizo rocoso, no el de la roca aisladamente. Es habitual encontrar rocas con resistencias a compresión superiores a los 300-500 Kg/cm2 con macizos fracturables para tensiones muy inferiores.

Para centrar los esfuerzos de forma conveniente tanto en los estribos como en la base, estas presas suelen ir acompañadas de elementos específicos como el regruesado de la sección en los estribos, el empleo de pulvinos y en algunos casos de muletas en la base.

Presas de bóvedas múltiples

Son presas de contrafuertes en las que las losas entre tímpanos se han sustituido por losas curvas que transmiten los empujes a los muros verticales sin apenas flexiones en las bóvedas.

Según se documenta en https://presasuba.wordpress.com/2011/07/23/presas-de-boveda-multiple/ esta tipología ya era empleada en algunas presas romanas.

Con la salvedad de algunos ejemplos como la presa de Daniels en Canadá, esta tipología solo suele emplearse en presas de altura inferior a 30 m.

Las bóvedas entre contrafuertes, similares a las bóvedas de cañón de la arquitectura de catedrales, son generalmente cilíndricas y permiten salvar vanos mayores que una presa de contrafuertes habitual, manteniendo espesores reducidos.

El sistema estructural en Presas Arco

El esquema estructural se basa en un cálculo tridimensional que puede simplificarse si se calculan como un entramado de ménsulas y arcos que actúan de forma independiente pero con compatibilidad de movimientos en los puntos de cruce.

Como primera aproximación podemos emplear el cálculo del espesor del arco a cada cota con la fórmula de los tubos delgados. Sin embargo solamente valdría en el caso de presas arco sin empotramiento en la base como la presa del Vado en Castrovido.

El comportamiento real de una presa bóveda dista mucho de ser el de un arco puro. Los esfuerzos tenderán a transmitirse movilizando el mínimo de energía elástica posible y ello no será siempre a través de los arcos, sino que puede realizarse a través de las ménsulas, sobre todo cerca de la cimentación.

Por tanto, la presa bóveda debe considerarse como un conjunto de ménsulas limitadas por planos radiales y un conjunto de arcos, limitados por planos verticales. Cada una de estas ménsulas se apoyará en una serie de arcos.

Particularmente, el arco de coronación tiene una especial significación al no estar sometido a carga hidrostática alguna su deformación es pequeña y por tanto puede considerarse como un apoyo elástico para las ménsulas. Aparecen zonas traccionadas o tensionadas en el pie de aguas arriba y en el tercio superior del intradós.

Tendremos presas bóveda de radio constante (suelen serlo las cilíndricas, las múltiples y las presas de arco-gravedad), de ángulo variable o de radio y ángulo variable, con varias curvaturas.

Las tracciones en la cimentación se compensan con desplomes en esta zona hacia aguas arriba mientras que las tracciones en coronación se evitan con desplomes hacia aguas abajo en dicha zona.

Al disponer los arranques de menor curvatura, aumentan las flexiones en los mismos, por lo que es práctica común aumentar su espesor, generalmente hacia aguas abajo. Conseguiremos de esta manera centrar la resultante y mejorar la transmisión de esfuerzos al cimiento.

Lo que se busca es un arco de curvatura y espesor variables, donde la línea de presiones se ajuste bastante bien al eje del arco.

Con la puesta a punto del método de los elementos finitos tridimensional, se puede abordar el cálculo de una forma global. La presa y el cimiento se dividen en una red de elementos tetraédricos o prismáticos. Permite considerar la deformabilidad del cimiento e incluso cimientos heterogéneos, basado en la teoría de la elasticidad.

Para más información:

Es muy recomendable la lectura de la colección de libros de Ingeniería de presas. Presas de fábrica de Joaquín Díez-Cascón y Francisco Bueno.

Por otro lado están editadas una serie de Guías Técnicas de Seguridad de Presas que desarrollan de forma abundante el articulado del Reglamento de Seguridad de Presas https://www.spancold.org/categoria-producto/guias-tecnicas/

Para un mayor acercamiento hacia estas tipologías de presas os adjunto los enlaces al capítulo 11 de la guía de presas de la FERC (empresa americana que estudia las obras hidroeléctricas).

Y el manual de la USACE para presas en arco que podéis obtener junto con otras interesantes publicaciones del enlace que os señalo: https://www.publications.usace.army.mil/USACEPublications/EngineerManuals.aspx?udt_43544_param_page=8

Autor: Víctor E. Florez, docente del Máster en Diseño, Construcción y Explotación de Obras Hidráulicas