Estudio de Sensibilidad al Uso de Combinaciones de Diferentes Elementos Finitos en un Modelo Numérico 2D y 3D de una Presa de Material Suelto

Abstract

Numerosas presas de material suelto poseen torres y conductos de toma que permiten captar el agua del reservorio y conducirla a través del cerramiento de la presa. Su buen desempeño durante eventos sísmicos es crucial para permitir la descarga controlada de agua en el caso de la falla de la presa, razón por la cual suelen ser objeto de numerosos análisis y evaluaciones sísmicas. En muchas ocasiones la presas poseen un importante desarrollo longitudinal por lo que se pueden estudiar usando modelos de Elementos Finitos (EF) de deformación plana. Sin embargo, la presencia de estructuras de toma pone en duda la exactitud de los resultados de modelos bidimensionales para estudiar las secciones de la presa que contienen estas estructuras. Esto lleva a la elaboración de modelos más complejos y a la posibilidad de combinar elementos de distinta formulación para simplificar los modelos. En este trabajo se presentan comparaciones de análisis dinámicos bidimensionales y tridimensionales y con diferentes tipos de elementos, de una presa de material suelto con una torre de control, localizada Estados Unidos, llamada Succes Dam. La torre de control de la presa fue evaluada sísmicamente en el año 1981 por consultores norteamericanos quienes desarrollaron un modelo bidimensional en donde se utilizaron elementos planos para la torre y el cuerpo de la presa. Mediante este estudio se arribó a una verificación seccional de la estructura de la torre, a través de la cuantificación de los esfuerzos de corte para un sismo de diseño. En este artículo se presentan modelos de EF 2D y 3D con el objeto de compararlos con modelos simplificados elaborados originalmente para evaluar sísmicamente la torre. Para ello se desarrollaron tres modelos distintos: (a) Modelo plano con elementos de deformación plana para el cuerpo de la presa y elementos de viga para la torre, (b) Modelo 3D con elementos sólidos para el cuerpo de la presa y elementos de viga para la torre, y (c) Modelo 3D en donde se utilizaron elementos sólidos para la presa y la torre. Para los modelos (a) y (b) se utilizó el programa SAP2000, mientras que el modelo (c) se desarrolló en ABAQUS. Se evaluó el comportamiento de los distintos modelos (entre sí y en relación al modelo 2D equivalente del año 1981) para un acelerograma de terremoto y para un espectro de respuesta utilizados en la evaluación sísmica de la presa. Los resultados indican que el modelo tridimensional en donde tanto la presa como la torre se discretizan con elementos sólidos, arroja esfuerzos en la torre que son muy similares a los del modelo bidimensional aproximado, mientras que los otros modelos predicen cortantes menores que los anteriores modelos, para la mayor parte de la torre. Esto podría indicar que la combinación de elementos de viga con elementos sólidos y elementos planos introduce incertidumbre en los resultados, por cuanto los esfuerzos resultantes en los elementos de viga son sensiblemente menores a los que se obtienen con modelos más elaborados.