Los análisis de estabilidad y deformación sísmica son igualmente muy importantes para evaluar cómo se moverá o deformará la presa debido a esfuerzos dinámicos como son los sismos. No sólo es importante para que la presa no falle, también para que elementos críticos como son los filtros o los drenes, sigan operativos tras la deformación.
Con esta entrada cerramos la serie sobre el diseño geotécnico de presas de relaves. A continuación les dejo los enlaces de todas las entradas publicadas hasta la fecha sobre esta temática:
- Diseño geotécnico de presas de relaves. Hacemos una introducción sobre los análisis a realizar, los tipos de presas de relaves y la sección tipo con sus partes principales.
- Riesgo sísmico. Método determinista. Se describe de manera general que es el análisis de riesgo sísmico y se repasa con más detalle el método determinista.
- Riesgo sísmico. Método probabilístico. Como continuación del anterior, se repasa en profundidad el método probabilístico para evaluar el riesgo sísmico.
- Control de filtraciones. El objetivo es diseñar la presa para limitar las filtraciones y que estas se puedan recoger al pie de la presa en una poza o con pozos de bombeo.
- Análisis de estabilidad: Repasamos las principales consideraciones para su análisis (criterios de los factores de seguridad, parámetros de resistencia y presiones de agua de poros, selección de la sección transversal y métodos de análisis).
No es un tema sencillo, pero en las siguientes líneas vamos a intentar explicar en qué consiste un análisis de estabilidad y deformación sísmica.
Introducción al análisis de estabilidad y deformación sísmica.
Pasemos ahora a la estabilidad sísmica, que requiere consideraciones especiales que van más allá de los análisis de estabilidad. La carga y la deformación de los terremotos pueden afectar negativamente a una presa TSF si no se tienen en cuenta estos parámetros durante el diseño. Ni que decir tiene que es necesario realizar un análisis de riesgo sísmico del sitio para tener unos parámetros de entrada lo más realistas posible.
Describiremos cinco tipos de análisis para caracterizar la estabilidad y la deformación sísmica:
- Análisis pseudoestático.
- Análisis simple de deformaciones sísmicas.
- Asentamientos post-licuefacción.
- Análisis avanzado de deformaciones sísmicas.
- Análisis de deformación estática.
Análisis pseudoestático.
El análisis pseudoestático es un análisis de deformaciones que utiliza métodos de equilibrio límite, que vimos en otra entrada (pincha aquí). Este análisis se realiza añadiendo un coeficiente sísmico horizontal a un análisis de equilibrio límite y calculando posteriormente un factor de seguridad. Los resultados se utilizan para inferir si es probable que se produzcan desplazamientos excesivos en caso de terremoto.
Hay varios métodos para realizar análisis pseudoestático. Lo siento, pero no los vamos a desarrollar aquí, pero sí vamos a ver algunos aspectos a tener en cuenta:
- El factor de seguridad en dichos análisis orienta sobre la cantidad de desplazamiento que se producirá; no es un indicador de estabilidad.
- Sólo indica si los desplazamientos pueden ser mayores o menores a un metro; no cuantifica su grado.
- Que los desplazamientos sean mayores a un metro no significa que la presa vaya a fallar. Diferentes diseños de presas podrían soportar desplazamientos de varios metros, mientras que otras podrían fallar con desplazamientos menores a un metro.
- El método no es apropiado en suelos sensibles a la carga sísmica, los suelos licuables o frágiles, o las estructuras con baja tolerancia al desplazamiento. Necesitamos un suelo que se pueda deformar.
El método de análisis pseudoestático tiene muchas limitaciones, pero se utiliza con bastante frecuencia. La normativa de distintos países puede exigir el análisis como parte de su diseño.
Análisis simple de deformaciones sísmica.
Se debe completar un análisis simple de deformaciones si los desplazamientos pueden impactar en el rendimiento de la presa (por ejemplo, dañando los drenajes o los filtros), y la licuefacción es poco probable.
Existen dos métodos principales para realizar un análisis simple de deformaciones sísmicas.
Se trata de dos análisis sencillos:
Método Newmark.
El método Newmark analiza la deformación causada por un bloque rígido que se desliza horizontalmente a una aceleración que se conoce como coeficiente de fluencia. Este coeficiente se calcula como el coeficiente sísmico horizontal para una presa cuyo factor de seguridad es uno.
Se asume que la presa no se comprime durante la deformación y que la presa permanece como una estructura rígida. También tiene la limitación adicional que al no asumir que la pérdida de resistencia no se produce en la presa o en la cimentación durante la carga sísmica, no sería aplicable para evaluar las deformaciones durante la licuefacción.
Método de Bray y Travasarou.
Es una versión avanzada del método pseudoestático.
- Asume que la masa deslizante es flexible y supera la asunción de bloque rígido del método Newmark.
- Sin embargo, sigue basándose en la suposición de que no se produce una pérdida de resistencia, por lo que no es adecuado para situaciones con suelos licuables o frágiles.
- Proporciona la cantidad de desplazamientos que pueden producirse y las probabilidades de que se produzcan.
En definitiva, puede utilizarse para evaluar el desarrollo de los modos de falla de una manera más significativa.
Asentamientos post-licuefación
Si durante la caracterización del emplazamiento se encuentra que la cimentación u otros elementos como pueden ser los relave, son susceptibles de licuefacción, se debe determinar cuánto es probable que se asiente la presa.
Una forma de estimar el asentamiento post-licuefacción es utilizando los resultados de una prueba de penetración estándar (SPT).
Es muy sencillo. Lo vamos a ver con un ejemplo. Suponemos que tomamos un valor de N60 cada metro y que para ese metro tiene un valor de 10. La relación de esfuerzo cíclico, que es una manera de expresar la carga sísmica, de 0.4. Simplemente leyendo en la gráfica, tendríamos un asentamiento de 3% (o 0.03), es decir, ese metro asentaría 0.03m. El asentamiento total sería el sumatorio de cada metro que constituye el espesor total de esa capa susceptible de licuefacción.
Supongamos que el asentamiento total calculado para todos los intervalos de suelo es de 0,50 m. Esto significa que, si la presa se asienta 0,50 m y solo tiene 0,40 m de borde libre, se puede producir un desbordamiento. Esto es ejemplo muy simple, pero lo que se quiere resaltar es que es un fenómeno que hay que evaluar.
Análisis avanzado de deformación sísmica.
Son útiles para evaluar los desplazamientos potenciales cuando la presa contiene suelos licuables o frágiles o relaves, ya que los desplazamientos con estas condiciones no se registran en los métodos simplificados que se han comentado anteriormente, pero estos estudios más complejos también pueden añadir incertidumbres al diseño. Es importante identificar la sensibilidad de los métodos avanzados a las incertidumbres ya que requieren más datos de entrada y no se ven limitados por asunciones que simplifican el proceso, como las de los métodos que se han analizado anteriormente.
Normalmente son métodos que simulan un terremoto en la presa y los resultados incluyen deformaciones, desplazamientos y presiones de poros.
Análisis de deformación estática.
El análisis de deformaciones estáticas es diferente de los análisis sísmicos y puede que no sea necesario. Lo que hacemos es calibrarlo con las observaciones físicas de las deformaciones y ayudan a comprender y predecir el rendimiento, sobre todo en la fase de construcción.
El proceso es el siguiente:
– Se calibra el modelo comparando los desplazamientos simulados con los datos del monitoreo.
– Las observaciones que mejor se ajustan, ilustrarán el comportamiento probable del suelo en el emplazamiento.
– Una vez se haya calibrado el modelo, puede utilizarse para simular posibles condiciones futuras e identificar sus efectos en la presa.
Conclusión al análisis de estabilidad y deformación sísmica.
Esta entrada no es tan práctica como suelen ser en este blog, pero era necesaria para cerrar correctamente el diseño geotécnico de presas de relaves, o de cualquier presa. En general, son análisis que requiere emplear métodos complejos y uso de software especializado, por lo que es importante saber cuándo merece la pena llevarlos a cabo, y ese es el objetivo de esta entrada.
Por ejemplo, si estamos en una zona sísmica relevante, en las fases iniciales de diseño al menos habrá que hacerse un análisis pseudoestático y hacer una prevaluación si estamos en riesgo de sufrir asentamientos post-licuefacción.
Estos temas no son menores. En un proyecto en el que estuve involucrado la evaluación nos arrojó una deformación sísmica de 1.5m, lo que nos llevó, por ejemplo, a diseñar el espesor de los filtros y drenes con un espesor de 3.0m (más allá de lo que arrojaba el cálculo hidráulico) para que si se producía esa deformación, la estructura continuase siendo operativa.
Muchas gracias por vuestro tiempo.
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