Comportamiento de Revestimientos de Concreto Reforzado de Seccin

Cuadrada en Tneles a Presin Interna

Ricardo Antonio Osorio Tobn

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de minas, Departamento de Ingeniera Civil

Medelln, Colombia

2016

Comportamiento de Revestimientos de Concreto Reforzado de Seccin

Cuadrada en Tneles a Presin Interna

Ricardo Antonio Osorio Tobn

Tesis o trabajo de investigacin presentada(o) como requisito parcial para optar al ttulo

de:

Magister en Ingeniera - Geotecnia

Director (a):

M. Eng. Francisco Javier Nanclares Arango

Lnea de Investigacin:

Geomecnica Computacional

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de minas, Departamento de ingeniera Civil

Medelln, Colombia

2016

Resumen y Abstract v

Resumen

El acero de refuerzo en revestimientos de concreto reforzado de tneles de conduccin de agua a presin, se utiliza principalmente para controlar el agrietamiento de ste y disminuir las filtraciones correspondientes del tnel hacia el medio, minimizando el impacto en el macizo. Su dimensionamiento considera la interaccin hidrulica y mecnica entre revestimiento y macizo, y se ha idealizado en la literatura tcnica a partir de una seccin de excavacin y revestimiento circular, entre otras suposiciones. En este documento se evalan las repercusiones en la respuesta hidrulica y estructural de este tipo de revestimientos, frente a las principales suposiciones presentes en los mtodos existentes; y a partir de stas, se presenta un nuevo procedimiento de anlisis. Dicho procedimiento de anlisis, presenta adems de la seccin circular, la seccin cuadrada, como seccin lmite de comparacin. Lo anterior con el objeto de presentar un punto de referencia adicional para el dimensionamiento de revestimientos de concreto reforzado con geometras diferentes a la circular. Se observa como resultado un comportamiento diferente en el revestimiento debido a su geometra; y una limitacin de los anlisis hidrulicos y de la interaccin hidrulica y estructural entre el revestimiento y el macizo de las metodologas existentes, debida a la dificultad de estimacin de la permeabilidad del revestimiento, por efecto de la aleatoriedad existente en el ancho y distribucin de grietas en el revestimiento.

Palabras clave

Tnel a presin, revestimiento permeable, interaccin hidromecnica, revestimiento de tneles en concreto, diseo de revestimientos

Abstract

The steel reinforcement in concrete lining in headrace tunnel is mainly used to control cracking and to reduce the corresponding tunnel leaks, minimizing the impact on the rock mass. The design considers hydraulic and mechanical interaction between the liner and the rock mass, based on circular tunnel section, among other assumptions as reported in international literature. This document assesses the impact on hydraulic and structural response of this type of liner, against major assumptions present in existing methods; and from such results, a new analysis method is presented. This analysis procedure presents circular section and square section comparison as well, in order to present an additional point of view for the design of reinforced concrete liner with different geometries. It is observed, as a result, a different behavior in the liner due to its geometry; and a limitation of the hydraulic analyzes, and hydraulic and structural interaction between the liner and the rock mass based on the existing methodologies.

Keywords

Pressure tunnel, permeable liner, Hydro-mechanical coupling analysis, concrete tunnel liner, liner design.

Contenido vii

Contenido

Resumen ................................................................................................................... v

Abstract ..................................................................................................................... v

Lista de figuras ......................................................................................................... ix

Lista de tablas .......................................................................................................... xi

Lista de Smbolos y abreviaturas ............................................................................. xii

Introduccin ............................................................................................................... 1

1 Generalidades ........................................................................................ 5

1.1 Objetivos ................................................................................................ 5

1.1.1 Objetivo general ..................................................................................... 5

1.1.2 Objetivos especficos ............................................................................. 5

1.2 Alcance .................................................................................................. 5

1.3 Problema de estudio .............................................................................. 6

1.4 Consideraciones y tipos de anlisis........................................................ 8

1.4.1 Interaccin mecnica ............................................................................. 8

1.4.2 Interaccin hidrulica ............................................................................. 9

1.4.3 Interaccin hidromecnica ................................................................... 11

1.5 Rango de Parmetros de entrada ........................................................ 12

1.6 Limitaciones ......................................................................................... 12

2 Mtodos de anlisis de revestimientos de concreto reforzado para tneles sometidos a presin interior. Limitaciones ........................................... 13

2.1 Resumen.............................................................................................. 13

2.2 Introduccin ......................................................................................... 13

2.3 Antecedentes ....................................................................................... 14

2.4 Argumentos de variables consideradas ................................................ 16

2.4.1 Permeabilidad del revestimiento .......................................................... 16

2.4.2 Geometra de excavacin y revestimiento ............................................ 23

2.4.3 Homogeneidad de confinamiento ......................................................... 30

viii Comportamiento de revestimientos de concreto reforzado de seccin cuadrada en tneles a presin interna

2.4.4 Flujo de agua en macizo ...................................................................... 35

2.4.5 Otros .................................................................................................... 40

3 Comportamiento estructural de revestimientos de concreto reforzado de secciones circulares y cuadradas en tneles a presin interna ............. 43

3.1 Resumen ............................................................................................. 43

3.2 Introduccin ......................................................................................... 43

3.3 Conceptos generales ........................................................................... 44

3.3.1 Anlisis estructural y esfuerzos sobre elementos ................................. 44

3.3.2 Variabilidad de confinamiento .............................................................. 46

3.3.3 Cuantas de acero ............................................................................... 48

3.4 Modelacin .......................................................................................... 48

3.4.1 Resultados ........................................................................................... 48

3.5 Comparacin con otros metodos de clculo existentes ........................ 64

4 Guas de diseo para revestimientos de concreto reforzado de secciones circulares y cuadradas en tneles a presin interna, teniendo en cuenta las recomendaciones de la ACI 350 .......................................................... 67

4.1 Resumen ............................................................................................. 67

4.2 Introduccin ......................................................................................... 67

4.3 Metodologia de clculo ........................................................................ 67

4.3.1 Procedimiento ...................................................................................... 67

4.3.2 Interaccin mecnica ........................................................................... 68

4.3.3 Interaccin hidrulica ........................................................................... 69

4.4 Ejemplo de diseo ............................................................................... 70

4.4.1 Seccin circular ................................................................................... 70

4.4.2 Seccin cuadrada ................................................................................ 72

4.5 Recomendaciones generales ............................................................... 73

5 Conclusiones ....................................................................................... 75

6 Discusin ............................................................................................. 79

7 Recomendaciones para estudios fu