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8/9/2019 Diseo de Tuberia Forzada
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UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID
E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE TUBERAS FORZADAS
Y BLINDAJES EN SALTOS HIDROELCTRICOS.
PROPUESTAS DE DISEO Y CLCULO
TESIS DOCTORAL
Jose Luis Garcia Valdeolivas
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Madrid, 2013
8/9/2019 Diseo de Tuberia Forzada
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DEPARTAMENTO DE MECNICA DE MEDIOS CONTINUOS y
TEORA DE ESTRUCTURAS
E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE TUBERAS FORZADAS
Y BLINDAJES EN SALTOS HIDROELCTRICOS.
PROPUESTAS DE DISEO Y CLCULO
TESIS DOCTORAL
Jose Luis Garcia Valdeolivas
Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
DIRECTOR:Juan Carlos Mosquera Feijo
Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos
Madrid, 2013
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DEPARTAMENTO DE MECNICA DE MEDIOS CONTINUOS y
TEORA DE ESTRUCTURAS
E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
Tribunal nombrado por el Magfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad
Politcnica de Madrid, el da ____de__________________de _____.
Presidente: ____________________________________________
Vocal 1: ____________________________________________
Vocal 2: ____________________________________________
Vocal 3: ____________________________________________
Secretario: ____________________________________________
Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el da ______ de
____________ de _____ en la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y
Puertos de la Universidad Politcnica de Madrid.
Acuerdan otorgar la calificacin de,
___________________________________________
EL PRESIDENTE LOS VOCALES
EL SECRETARIO
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EN SALTOS HIDROELCTRICOS. PROPUESTAS DE DISEO Y CLCULO
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RESUMEN
En los ltimos aos ha aumentado el inters en el desarrollo de proyectos en el mbito de
las centrales hidroelctricas y en concreto en las centrales reversibles. Estas centrales estn
diseadas para grandes caudales y saltos, lo cual conlleva tneles de gran dimetro y alta
presin y a menudo son esquemas subterrneos. Por ello, los estudios relativos a
revestimientos de tneles en presin y los referentes a los blindajes de acero han cobrado una
mayor relevancia.
En las dcadas de los 60 y 70 se realiz una importante labor de investigacin coincidiendo
con el desarrollo hidroelctrico en Europa y Norteamrica, que sin embargo ha quedado sin
continuidad hasta esta dcada, en la que se ha experimentado un impulso debido al desarrollo
de nuevos proyectos hidroelctricos de gran magnitud.
La adecuacin de los mtodos de clculo de blindajes supone una herramienta
imprescindible en el correcto desarrollo tcnico de los nuevos proyectos hidroelctricos, as
como para la evaluacin de la seguridad de los saltos hidroelctricos existentes en operacin.
En la presente Tesis se realiza un anlisis del comportamiento estructural de las galeras
en presin de saltos hidroelctricos, as como una discusin y revisin de los mtodos de
clculo existentes. En concreto se analizan los siguientes aspectos:
Descripcin y comparacin de las formulaciones existentes para el clculo de
blindajes tanto a presin exterior como interior.
Aplicacin del Mtodo de Elementos Finitos para la modelizacin y clculo
resistente y frente a inestabilidad de blindajes sometidos a presin exterior.
Anlisis de un caso real, en el que se ha producido un fallo estructural en un
blindaje sometido a presin exterior. Discusin sobre el comportamiento de
blindajes con rigidizadores. Estudio paramtrico de la capacidad resistente y de la
estabilidad de los blindajes con rigidizadores.
Estudio del comportamiento diferenciado entre un rigidizador y un conector.
Detalles constructivos y de durabilidad de las galeras en presin.
Desarrollo de una metodologa para el clculo de blindajes y tuberas forzadas a
fatiga derivada de las variaciones de presin de la conduccin.
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Anlisis de un caso real de una tubera forzada sometida a procesos de variacin
de carga, evaluando su seguridad frente a la fatiga.
El clculo de blindajes en galeras forzadas presenta una serie de aspectos complejos, y
que no permiten la definicin del problema con exactitud, tales como las caractersticas del
macizo rocoso y su permeabilidad, la determinacin del nivel fretico, la holgura existente entre
el blindaje y el revestimiento del trasds y sus posibles defectos geomtricos.
Por estas incertidumbres, el clculo de blindajes supone una materia compleja y que debeser abordada desde la cautela y el anlisis de otros trabajos y/o anlisis realizados con
anterioridad. En cualquier caso, debe realizarse un anlisis de sensibilidad de los diversos
parmetros que intervienen en el clculo.
En esta tesis se han descrito las principales formulaciones de clculo de blindajes de
galeras forzadas sometidas a presin interior y exterior; se ha constatado que existe una gran
diversidad y que de su aplicacin no se llega a resultados concluyentes.
Las formulaciones clsicas utilizadas en el clculo de blindajes lisos y con rigidizadores
sometidos a presin exterior (Amstutz y Jacobsen) no resultan del todo adecuadas ni son de
aplicacin general. Adems, pueden arrojar resultados no conservadores o conducir a un
sobredimensionamiento del blindaje en otros casos.
En las formulaciones tradicionales de diseo se han tenido en cuenta como imperfecciones
la holgura del blindaje y la ovalidad del mismo. En la presente tesis, se han analizado
imperfecciones de tipo ondulatorio derivadas de los procesos de soldadura y la existencia de
espesores reducidos en zonas de corrosin.
En el caso prctico analizado sometido a presin exterior, se ha comprobado el
funcionamiento real del blindaje mediante los modelos realizados con elementos finitos. Se
desprende que los rigidizadores no han funcionado como tales, puesto que para blindajes lisos
se obtienen presiones ms bajas de pandeo y para el caso de funcionamiento correcto de los
rigidizadores se habra obtenido un coeficiente de seguridad suficiente. Por este motivo, se ha
analizado el posible funcionamiento de los rigidizadores, que en determinados casos pueden
actuar como conectores. En estos casos deben dimensionarse de forma adecuada las
soldaduras para soportar las tensiones entre chapa y conector.
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Por otra parte, tradicionalmente no se han tenido en cuenta los efectos de fatiga que
pueden ocasionar los golpes de ariete y las pulsaciones de presin debidas a la regulacin
secundaria de la red. En esta tesis se ha establecido un procedimiento de comprobacin de
tuberas forzadas y blindajes sometidos a procesos de fatiga.
Adicionalmente, se ha estudiado el caso real de las tuberas forzadas de una central
reversible real (Bolarque II) en funcionamiento de regulacin secundaria. Se ha concluido,
como en otros casos analizados en la bibliografa, que las pulsaciones derivadas de laregulacin secundaria no son significativas como para tener en cuenta la fatiga del acero.
Por otra parte, las maniobras de arranque y parada (golpe de ariete) suponen una variacin
importante de la presin en la conduccin. Sin embargo, el moderado nmero de ciclos permite
asegurar la integridad de la tubera frente a fenmenos de fatiga.
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ABSTRACT
Nowadays, there is a significant concern in the development of projects in the field of
hydroelectric power plants, particularly in the pump-storage projects. These plants are designed
for high flow rates and heads, which entails large-diameter tunnels and high pressure ratios),
and often as underground schemes. Therefore, this concern has reactivated studies about
penstocks and in particular those related to steel liners.
During the 1960s and 1970s due to hydropower-engineering development in Europe and
North America, a major research effort was done. However, the increasing development of new
large-scale hydropower projects has involved a renewed research effort during this decade.
The adequacy of steel liner calculation methods is a very important issue in the proper
technical development of new hydroelectric projects, and for the safety assessment of existing
hydroelectric power plants in operation.
In this work, an analysis of the structural behavior of pressure galleries in hydroelectricschemes was carried out. Also, a discussion and a review of existing calculation methods are
included. In particular, the following issues have been considered:
Description and comparison of existing formulations for calculating the liner response to
both external and internal pressure.
Analysis of an actual case study of a steel liner which failed due to external pressure.
Application of the Finite Element Method to liner modeling and analysis subjected to
external pressure.
A parametric study of the shielding with stiffeners and discussion about the behavior of
liner with stiffeners.
Constructive aspects and durability of pressure galleries.
Development of a methodology for estimating fatigue effects on penstocks and liners
sue to pressure changes.
Analysis of an actual case study of a penstock under varying load and assessment of
its safety against fatigue.
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The project of a hydropower penstock is a complex issue, due to the uncertainties in the
definition of the problem data, such as the characteristics of the rock mass and its permeability,
the determination of the water table, the existing gap between the steel liner and the concrete of
the backfill, the geometric imperfections...
Hence, the design and analysis of a steel liner must be addressed cautiously and take into
account a review of previous studies performed. Ever, a sensitivity analysis of the various
parameters involved in the calculation should be performed.
In this work, some of the most relevant formulations for liner design subjected to inside and
outside pressure have been studied. As a whole, there is a wide variety and its application does
not lead to conclusive results.
The classical formulations used in the steel liner calculation either with or without stiffeners
under external pressure (Amstutz and Jacobsen) are not entirely adequate Also, those can yield
both conservative and non-conservative results in large ranges of application.
Traditionally design approaches only considered initial gap and ovality as the most relevant
geometric imperfections. Thus, little attention was paid to those caused either by welding or by
thickness loss in corroded areas.
In the case study analyzed in this thesis, the actual working of the liner under external
pressure has been simulated by the Finite Element Method. Results show that the stiffeners
have not performed as such, since for unstiffened liner lower buckling pressures are obtained
and for proper performance of the stiffeners would give a sufficient safety factor. Hence, it must
be pointed out that stiffeners may perform either as such or as connectors. For the latter,welding must be designed to properly withstand stresses between the shell and the stiffener.
Likewise, the potential fatigue effects due to both water hammer and pressure pulsations
due to secondary regulation of the network have not been considered in many studies. It has
been included in this work a procedure for checking penstocks and liners under fatigue
processes.
Additionally, the penstock fatigue response of an actual pump storage project (Bolarque II,
Spain) subjected to secondary control operation has been assessed. As in other cases
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discussed in the literature, pulsations derived from the secondary control are not significant to
account for fatigue of steel.
Moreover, the start and stop manoeuvres (water hammer) cause a significant change in
penstock pressure. However, the moderate number of cycles ensures the integrity of the
penstock against fatigue phenomena.
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AGRADECIMIENTOS
En primer lugar quiero recordar a mi familia. A mis padres Basilio y Juana y a mi hermana
Montse, gracias a los cuales soy Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos; y a mi esposa
Marian y a mis hijos Jorge y Martina, por su comprensin y apoyo para la realizacin de los
cursos de Doctorado y la realizacin de la presente Tesis.
A Gas Natural Fenosa, y en particular a D. Alfredo Prez Prez por su tiempo enmostrarme la Central de Bolarque II y sus explicaciones sobre el funcionamiento real de una
central hidroelctrica y en particular de una central reversible. Tambin a D. Javier Velasco
Pascual de Zulueta por su inters y su predisposicin a la realizacin de este trabajo. Mencin
tambin para Jos Luis Guitart Carmona y Nuria Rodriguez Nieto por sus aportaciones y puntos
de vista sobre el clculo de tuberas y blindajes de acero.
Finalmente, deseo expresar mi agradecimiento al Dr. Juan Carlos Mosquera Feijo;
director de la Tesis, por su trabajo, sugerencias, comentarios y atencin durante todo el
desarrollo del periodo de investigacin y de redaccin de la Tesis. Tambin quiero agradecer a
los miembros del Tribunal de Prelectura: Dr. Avelino Samartn Quiroga, Dr. Antonio Martnez
Cutillas y Dr. Jaime Garca Palacios, sus comentarios y aportaciones, que han mejorado
notablemente la presentacin de los resultados.
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NDICE GENERAL
NOMENCLATURA ............................................................................................................................. xxviii
1. MOTIVACIN DEL ESTUDIO ........................................................................................................ 1
2. ALCANCE DE LA TESIS Y OBJETIVOS ........................................................................................ 9
3. METODOLOGA .......................................................................................................................... 11
4. BLINDAJE DE GALERAS FORZADAS. TIPOS Y COMPONENTES ............................................ 14
5. TENSIN ADMISIBLE. EVOLUCIN DE LOS ACEROS UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA
HIDROELCTRICA ................................................................................................................... 32
6. ASPECTOS RELATIVOS A LA FATIGA DE BLINDAJES Y TUBERAS FORZADAS EN
SALTOS HIDROELCTRICOS.................................................................................................. 35
7. APLICACIN DEL CLCULO FRENTE A FATIGA A UN CASO REAL ........................................ 54
8. COMPORTAMIENTO DEL BLINDAJE SOMETIDO A PRESIN INTERIOR. ............................... 96
9. CLCULO FRENTE A PRESIN INTERIOR. DISCUSIN DE LAS FORMULACIONES
EXISTENTES. ......................................................................................................................... 112
10. INESTABILIDAD DEL BLINDAJE BAJO PRESIN EXTERIOR ................................................. 116
11. TEORAS DE INESTABILIDAD PARA ESTUDIAR EL COMPORTAMIENTO DEL BLINDAJE .... 124
12. ADECUACIN DE LAS TEORAS A LOS MODOS DE INESTABILIDAD ................................... 143
13. MODELIZACIN DEL BLINDAJE MEDIANTE EL MTODO DE ELEMENTOS FINITOS ........... 157
14. ESTUDIO PARAMTRICO DE BLINDAJES CON RIGIDIZADORES ......................................... 195
15. INCLUSIN DE IMPERFECCIONES EN EL MODELO NUMRICO .......................................... 217
16. APLICACIN A UN CASO REAL DE FALLO POR INESTABILIDAD .......................................... 225
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17. DISCUSIN SOBRE EL COMPORTAMIENTO DE LOS BLINDAJES CON RIGIDIZADORES.
DIAGNSTICO DEL FALLO DE LA GALERA FORZADA DEL CASO PRCTICO.................. 243
18. REFUERZO, REPARACIN Y MEJORA DE BLINDAJES EXISTENTES ................................... 247
19. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 252
20. APORTACIONES Y RECOMENDACIONES DE DISEO .......................................................... 256
21. LNEAS ABIERTAS DE INVESTIGACIN .................................................................................. 263
22. REFERENCIAS ......................................................................................................................... 265
23. ANEXO I. REGISTRO DE RESULTADOS OBTENIDOS EN EL ESTUDIO PARAMTRICO
MEDIANTE MODELO ELEMENTOS FINITOS......................................................................... 272
24. ANEXO II. INSPECCIN GALERA FORZADA CASO PRCTICO. FOTOGRAFAS. ................ 282
25. ANEXO III. EL MERCADO ELCTRICO ESPAOL ................................................................... 294
26. ANEXO IV. FORMULACIONES DE CLCULO DE BLINDAJES SOMETIDOS A PRESIN
EXTERIOR .............................................................................................................................. 310
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6.1. FATIGA Y CORROSIN-FATIGA ................................................................................................ 35
6.2. CORROSIN BAJO TENSIN (SCC) Y FRAGILIZACIN POR HIDRGENO (HAC) ................. 38
6.3. FATIGA DE BLINDAJES Y DE TUBERAS FORZADAS DE ACERO ........................................... 40
6.4. CONCEPTOS BSICOS DE PREVENCIN DEL FALLO POR FATIGA ...................................... 45
6.4.1.MTODO DE CLASIFICACIN. CURVAS S-N (NIVEL 1 y 2) ...................................................... 47
6.4.2.APLICACIN DE LA MECNICA DE LA FRACTURA .................................................................. 48
7. APLICACIN DEL CLCULO FRENTE A FATIGA A UN CASO REAL ........................................ 54
7.1. CARACTERSTICAS DE LA CENTRAL REVERSIBLE DE BOLARQUE II.................................... 54
7.2. MODELO DE CLCULO DE PRESIONES ................................................................................... 60
7.3. ESCENARIOS DE CLCULO CONSIDERADOS ......................................................................... 71
7.4. PRESIONES DURANTE ARRANQUES Y PARADAS .................................................................. 72
7.5. PRESIONES DURANTE MODULACIN DE CARGA (REGULACIN SECUNDARIA) ................ 76
7.6. COMPROBACIN DE LA FATIGA ............................................................................................... 83
7.6.1.COMPROBACIN UTILIZANDO CURVAS S-N ........................................................................... 84
7.6.2.COMPROBACIN APLICANDO LA MECNICA DE LA FRACTURA ........................................... 857.7. CORROSIN BAJO TENSIN .................................................................................................... 94
8. COMPORTAMIENTO DEL BLINDAJE SOMETIDO A PRESIN INTERIOR. ............................... 96
8.1. CONFINAMIENTO VERTICAL ..................................................................................................... 96
8.2. TENSIONES IN SITU ................................................................................................................... 98
8.3. MEDIDA DE LAS TENSIONES IN SITU ..................................................................................... 102
8.4. CONFINAMIENTO LATERAL..................................................................................................... 105
8.5. REPARTO DE LA PRESIN INTERIOR ENTRE EL BLINDAJE Y EL TRASDS ...................... 109
9. CLCULO FRENTE A PRESIN INTERIOR. DISCUSIN DE LAS FORMULACIONES
EXISTENTES. ......................................................................................................................... 112
10. INESTABILIDAD DEL BLINDAJE BAJO PRESIN EXTERIOR ................................................. 116
10.1. CONSIDERACIONES SOBRE LA PRESIN EXTERIOR EN LOS BLINDAJES ......................... 116
10.2. REVESTIMIENTO DE ACERO SOMETIDO A CARGA HIDROSTTICA EXTERIOR ................. 118
10.3. BLINDAJES LISOS Y CON RIGIDIZADORES ............................................................................ 119
10.4. MECANISMOS DE INESTABILIDAD DE BLINDAJES (LISOS Y CON RIGIDIZADORES) .......... 122
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11. TEORAS DE INESTABILIDAD PARA ESTUDIAR EL COMPORTAMIENTO DEL BLINDAJE .... 124
11.1. INESTABILIDAD. CILINDROS PERFECTOS. DEFECTOS INICIALES GEOMTRICOS EN EL
REVESTIMIENTO ................................................................................................................... 127
11.1.1. INESTABILIDAD ..................................................................................................................... 127
11.1.2. DEFECTOS INICIALES GEOMTRICOS EN TUBERAS Y BLINDAJES ................................ 131
11.2. INESTABILIDAD ELSTICA Y PLSTICA EN LA TEORA DE LBULO NICO ....................... 138
11.3. HIPTESIS DE DEFORMACIN PLANA .................................................................................. 141
12. ADECUACIN DE LAS TEORAS A LOS MODOS DE INESTABILIDAD ................................... 143
12.1. INESTABILIDAD GLOBAL ......................................................................................................... 143
12.2. INESTABILIDAD LOCAL ............................................................................................................ 146
12.3.ANLISIS DE BLINDAJES Y TUBERAS FRENTE A PRESIN EXTERIOR. DISCUSIN DE
LAS FORMULACIONES EXISTENTES ................................................................................... 148
13. MODELIZACIN DEL BLINDAJE MEDIANTE EL MTODO DE ELEMENTOS FINITOS ........... 157
13.1. MODELIZACIN APLICANDO MEF DE LA INESTABILIDAD DEL BLINDAJE ........................... 158
13.1.1. ESTABILIDAD BASADA EN EL ANLISIS LINEAL DE AUTOVALORES. ANLISIS DE
BIFURCACIN. ...................................................................................................................... 161
13.1.2. ANLISIS NO LINEAL DE LA INESTABILIDAD ...................................................................... 162
13.2. MODELIZACIN APLICANDO MEF DE REVESTIMIENTOS LISOS SUJETOS EN SUS
EXTREMOS CIRCUNFERENCIALMENTE.............................................................................. 164
13.2.1. CILINDRO SUJETO CIRCUNFERENCIALMENTE. LONGITUD ENTRE EXTREMOS
SUJETOS DE L= 30.000 mm .................................................................................................. 165
13.2.2. CILINDRO SUJETO CIRCUNFERENCIALMENTE. LONGITUD ENTRE EXTREMOS
SUJETOS DE L= 2.500 mm .................................................................................................... 16613.3. MODELIZACIN MEDIANTE EL MEF DE REVESTIMIENTOS CON RIGIDIZADORES ............. 171
13.4. MODELIZACIN MEDIANTE EL MEF AL CLCULO DE REVESTIMIENTOS LISOS CON EL
BLINDAJE COACCIONADO RADIALMENTE. ......................................................................... 175
13.4.1. MODELIZACIN EN 2D DE BLINDAJES LISOS ..................................................................... 175
13.5. MODELIZACIN COMPLETA EN 3D MEDIANTE EL MEF DE TRAMO DE TUBERA
FORZADA (SIN RIGIDIZADORES) COACCIONADA RADIALMENTE. .................................... 187
13.6. MODELIZACIN COMPLETA EN 3D MEDIANTE EL MEF DE TRAMO DE TUBERA
FORZADA (INCLUIDOS RIGIDIZADORES) COACCIONADA RADIALMENTE. ....................... 190
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14. ESTUDIO PARAMTRICO DE BLINDAJES CON RIGIDIZADORES ......................................... 195
14.1. RELACIN DIMETRO ESPESOR (D/t). ESBELTEZ. ............................................................... 201
14.2. LMITE ELSTICO DEL ACERO ................................................................................................ 202
14.3. SEPARACIN ENTRE RIGIDIZADORES (L/D).......................................................................... 204
14.4. RIGIDEZ DEL TRASDS DEL BLINDAJE (k) ............................................................................ 205
14.5. INFLUENCIA DE LA HOLGURA INICIAL (g/D). Imperfeccin geomtrica................................... 207
14.6. ESBELTEZ GENERALIZADA..................................................................................................... 209
14.7. COMPARACIN DEL FUNCIONAMIENTO ENTRE RIGIDIZADORES Y CONECTORES .......... 212
15. INCLUSIN DE IMPERFECCIONES EN EL MODELO NUMRICO .......................................... 217
15.1. PRDIDA DE ESPESOR POR CORROSIN ............................................................................ 218
15.2. DEFECTOS DERIVADOS DE LAS SOLDADURAS.................................................................... 219
16. APLICACIN A UN CASO REAL DE FALLO POR INESTABILIDAD .......................................... 225
16.1. CARACTERSTICAS BSICAS DEL SALTO HIDROELCTRICO ANALIZADO ......................... 225
16.2. ENTORNO GEOLGICO .......................................................................................................... 230
16.2.1. GEOLOGA DE LA ZONA DE LA CONDUCCIN FORZADA .................................................. 231
16.3. DESCRIPCIN DE LA ROTURA ............................................................................................... 231
16.4. DISEO ORIGINAL DEL BLINDAJE .......................................................................................... 235
16.5. CLCULOS ORIGINALES DE LAS GALERAS ......................................................................... 238
16.6. GEOMETRA ............................................................................................................................. 239
16.7. CARACTERSTICAS DE LOS MATERIALES ............................................................................. 240
16.8. CARGAS CONSIDERADAS ....................................................................................................... 241
16.9. RESULTADOS OBTENIDOS EN LOS MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS .......................... 241
17. DISCUSIN SOBRE EL COMPORTAMIENTO DE LOS BLINDAJES CON RIGIDIZADORES.
DIAGNSTICO DEL FALLO DE LA GALERA FORZADA DEL CASO PRCTICO.................. 243
18. REFUERZO, REPARACIN Y MEJORA DE BLINDAJES EXISTENTES ................................... 247
18.1. REPARACIN DE LA CONDUCCIN FORZADA DEL PROYECTO CLEUSONS DIXENCE ..... 248
19. CONCLUSIONES ...................................................................................................................... 252
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20. APORTACIONES Y RECOMENDACIONES DE DISEO .......................................................... 256
20.1. DISEO CONCEPTUAL Y ANLISIS DE LOS MTODOS DE CLCULO EXISTENTES .......... 256
20.2. COMPROBACIN A FATIGA DE TUBERAS FORZADAS Y BLINDAJES ................................. 257
20.3. COMPORTAMIENTO DE BLINDAJES SOMETIDOS A PRESIN INTERIOR ............................ 257
20.4. COMPORTAMIENTO DE BLINDAJES SOMETIDOS A PRESIN EXTERIOR .......................... 258
20.5. ESTUDIO PARAMTRICO DEL COMPORTAMIENTO DE BLINDAJES RIGIDIZADOS
FRENTE AL FALLO POR INESTABILIDAD............................................................................. 259
20.6. CONSIDERACIN DE IMPERFECCIONES. COEFICIENTES DE SEGURIDAD ........................ 262
21. LNEAS ABIERTAS DE INVESTIGACIN .................................................................................. 263
22. REFERENCIAS ......................................................................................................................... 265
23. ANEXO I. REGISTRO DE RESULTADOS OBTENIDOS EN EL ESTUDIO PARAMTRICO
MEDIANTE MODELO ELEMENTOS FINITOS......................................................................... 272
23.1. NOMECLATURA UTILIZADA EN LOS CUADROS DE RESULTADOS ...................................... 272
23.2. RESULTADOS DEL ESTUDIO PARAMTRICO MEDIANTE UN MODELO DE ELEMENTOSFINITOS ................................................................................................................................. 274
24. ANEXO II. INSPECCIN GALERA FORZADA CASO PRCTICO. FOTOGRAFAS. ................ 282
24.1.ASPECTOS GENERALES DE LA CONDUCCIN ..................................................................... 282
24.2. FILTRACIONES. INSPECCIN VISUAL .................................................................................... 282
24.3.ASPECTOS ESTRUCTURALES ................................................................................................ 283
24.3.1. ASPECTO DEL BLINDAJE ................................................................................................ ..... 283
24.3.2. ASPECTO DE LAS SOLDADURAS ........................................................................................ 28324.3.3. ASPECTO DE LOS RIGIDIZADORES .................................................................................... 283
24.3.4. ASPECTO DEL EXTREMO INFERIOR DE LA ZONA AFECTADA .......................................... 283
24.3.5. ASPECTO DEL EXTREMO SUPERIOR DE LA ZONA AFECTADA......................................... 283
24.3.6. ASPECTO DEL HORMIGN .................................................................................................. 284
24.3.7. COMPUERTA DE TOMA ........................................................................................................ 284
24.4. COMPARACIN ENTRE EL ESTADO INICIAL Y EL ACTUAL .................................................. 284
25. ANEXO III. EL MERCADO ELCTRICO ESPAOL ................................................................... 294
25.1. CARACTERSTICAS GENERALES DEL SISTEMA ELCTRICO............................................... 294
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ndice de Figuras
Figura 1. Centrales Reversibles en proceso de tramitacin en USA (Enero 2009). .................... 2
Figura 2. Esquema de una central hidrulica reversible. ............................................................ 3
Figura 3. Vista de la instalacin de la central reversible de Bolarque II en Guadalajara. (Gas
Natural Fenosa). ....................................................................................................................... 4
Figura 4. Vista de la Central en Caverna de Montzic (Francia, 910 MW, 1983). ....................... 5
Figura 5. Perfil longitudinal de la central de Grand Maison (Francia). Se sealan las zonas en
las que se dispone blindaje (en rojo). ........................................................................................ 6
Figura 6. Evolucin histrica de la potencia de grupos hidrulicos (convencionales yreversibles). Catlogo VOITH. ................................................................................................... 7
Figura 7. Alcance y Objetivos de la presente Tesis. ................................................................. 10
Figura 8. Vista de la ejecucin de un blindaje (Espaa, 2.010). ............................................... 16
Figura 9. Modelo de clculo. Principales parmetros. .............................................................. 19
Figura 10. Ejecucin de un blindaje con rigidizadores. Kazajistn. 2011. D=4,0 m ................... 19
Figura 11. Golpe de Ariete segn USBR [56]........................................................................... 23
Figura 12. Clculo del golpe de ariete segn USBR [56]. ......................................................... 24
Figura 13. Acciones sobre el blindaje: Presin interior esttica y dinmica. Presin exterior [40].
............................................................................................................................................... 26
Figura 14. Proyecto Cleusons Dixence. Presin esttica, por golpe de ariete (+32%) y externa
[40]. ........................................................................................................................................ 27
Figura 15. Combinaciones de clculo segn diversa normativa [27]. ....................................... 30
Figura 16. Limitaciones en la tensin de clculo del acero [27]. ............................................... 30
Figura 17. Coeficientes de seguridad empleados en el clculo de blindajes [12]. ..................... 31
Figura 18. Limitaciones en la tensin de clculo del acero segn diversa normativa [27]. ........ 32
Figura 19. Evolucin de los aceros de alta resistencia [27]. ..................................................... 33
Figura 20. Curvas corrosin-fatiga [3]. ..................................................................................... 36
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Figura 21. Vista de fisura en la capa final de una soldadura. ................................................... 37
Figura 22. Corrosin bajo tensin en dos ambientes diferentes en la que se representa la
velocidad de apertura de fisura da/dt en funcin del logaritmo de la tenacidad [3]. ................... 38
Figura 23. Fragilizacin por hidrgeno. Velocidad de apertura de fisura en funcin del logaritmo
del factor de intensidad de tensiones [3]. ................................................................................. 39
Figura 24. Determinacin de la curva FAD de nivel 3 en el clculo a fatiga del API 579 [2]. ..... 46
Figura 25. Metodologa de clculo de Nivel 2 de la comprobacin a fatiga segn API 579 [3]. . 47
Figura 26. Curvas de Whler. S-N [38]. ................................................................................... 48
Figura 27. Ley de Paris [38]. ................................................................................................... 52
Figura 28.Recomendacin de ensayos no destructivos (NDT) [38]. ......................................... 53
Figura 29. Planta general del aprovechamiento de Bolarque II (Gas Natural Fenosa). ............. 54
Figura 30. Fotografa del Salto de Bolarque (Gas Natural Fenosa). ......................................... 55
Figura 31. Ficha tcnica de la CHR Bolarque II (Gas Natural Fenosa). .................................... 56
Figura 32. Tuberas de aspiracin de la CHR Bolarque II (Gas Natural Fenosa). ..................... 57
Figura 33. Tuberas forzadas de la CHR Bolarque II (Gas Natural Fenosa). ............................ 58
Figura 34. Perfil longitudinal esquemtico de la CHR Bolarque II. Archivo Gas Natural Fenosa.
............................................................................................................................................... 59
Figura 35. Seccin de la casa de mquinas de la CHR Bolarque II (Archivo Gas Natural
Fenosa). ................................................................................................................................. 59
Figura 36. Modos de funcionamiento de Bolarque II. ............................................................... 62
Figura 37. Modelo de clculo de presiones WHAMO implementado (Bolarque II). ................... 63
Figura 38. Chimenea de equilibrio de Bolarque II. Seccin. (Archivo Gas Natural Fenosa). ..... 64
Figura 39. Curva de turbina modelo del USBR para velocidad especfica entre 111 y 178 [55].
............................................................................................................................................... 65
Figura 40. Curva de turbina del modelo USBR aplicada a Bolarque II para caudal en funcin de
apertura del distribuidor (GATE) y del salto neto (Head). ......................................................... 66Figura 41. Curva de turbina del modelo USBR aplicada a Bolarque II para rendimientos en
funcin de apertura del distribuidor (GATE) y del salto neto (Head). ........................................ 66
Figura 42. Curva de turbina-bomba del modelo USBR [54]. ..................................................... 67
Figura 43. Estimacin de la inercia de la turbina-bomba USBR [54]. ........................................ 69
Figura 44. Estimacin de la inercia de la turbina-bomba segn el USBR [54]........................... 70
Figura 45. Curva de turbina-bomba considerada para Bolarque II (Caudales).......................... 70
Figura 46. Curva de turbina-bomba considerada para Bolarque II (Par). .................................. 71
Figura 47. Lnea de presiones de Bolarque II (proyecto original). ............................................. 72
Figura 48. Tiempos de apertura y cierre de distribuidor y vlvula. (Bolarque II). ....................... 73
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Figura 49. Parada de 3 Grupos en modo Turbina. TANK: Nivel de Chimenea, TG1 Posicin del
distribuidor, VA1 Posicin de la Vlvula, Node 250 salto aguas arriba y Node 520 salto aguas
abajo....................................................................................................................................... 74
Figura 50. Arranque de 3 Grupos en modo Turbina. TANK: Nivel de Chimenea, TG1 Posicin
del distribuidor, VA1 Posicin de la Vlvula, Node 250 salto aguas arriba y Node 520 salto
aguas abajo. ........................................................................................................................... 74
Figura 51. Arranque de 4 Grupos en modo Bomba. TANK: Nivel de la Chimenea, TG1 Posicin
del distribuidor, VA1 Posicin de la Vlvula, Node 250 salto aguas arriba y Node 520 salto
aguas abajo. ........................................................................................................................... 75
Figura 52. Parada de 4 Grupos en modo Bomba. TANK: Nivel de la Chimenea, TG1 Posicin
del distribuidor, VA1 Posicin de la Vlvula, Node 250 salto aguas arriba y Node 520 salto
aguas abajo. ........................................................................................................................... 75
Figura 53. Amplitud de la presin segn el semiperiodo de variacin de la carga T/2 (s). ........ 77
Figura 54. Amplitud de variacin de la potencia en funcin del semiperiodo de variacin de la
carga. ..................................................................................................................................... 78
Figura 55. Perfil de la tubera forzada de la central de Bolarque II (tramo inferior). (Archivo Gas
Natural Fenosa). ..................................................................................................................... 78
Figura 56. Seccin, espesores y calidad del acero de la tubera forzada de Bolarque II, tramo
inferior. (Archivo Gas Natural Fenosa). .................................................................................... 79
Figura 57. Amplitud de tensiones en el comienzo de la tubera forzadas segn el semiperiodo
de variacin de la carga. ......................................................................................................... 80
Figura 58. Nivel de la chimenea, presin mxima y potencia durante variacin de carga T=4,4s.
............................................................................................................................................... 80
Figura 59. Nivel de la chimenea, presin mxima y potencia durante variacin de carga T=20s.
............................................................................................................................................... 81
Figura 60. Nivel de la chimenea, presin mxima y potencia durante variacin de carga T=120s........................................................................................................................................ 81
Figura 61. Nivel de la chimenea, presin mxima y potencia durante variacin de carga
T=1254s. ................................................................................................................................ 82
Figura 62. Comparacin regulacin T=120s y T=1240s (Nivel chimenea, potencia y presin). . 82
Figura 63. Comparacin regulacin T=120s y T=1240s (Velocidad, potencia y apertura
distribuidor). ............................................................................................................................ 83
Figura 64. Tubera con una fisura longitudinal. (www.efatigue.com). ........................................ 86
Figura 65. Factor de intensidad de tensiones de una tubera con una fisura longitudinal.
D=3,15m y e=33mm. ............................................................................................................... 87
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pg. xix
Figura 66. Datos para el anlisis de fatiga de fisura longitudinal en la tubera forzada para una
carrera de tensiones de 28 MPa (sobrepresin). ..................................................................... 88
Figura 67. Propagacin de la fisura longitudinal en la tubera forzada para una carrera de
tensiones de 28 MPa (sobrepresin). ...................................................................................... 88
Figura 68. Datos para el anlisis de fatiga de fisura longitudinal en la tubera forzada para una
carrera de tensiones de 64,19 MPa (sobrepresin). ................................................................ 89
Figura 69. Propagacin de la fisura longitudinal en la tubera forzada para una carrera de
tensiones de 64,19 MPa (sobrepresin). ................................................................................. 89
Figura 70. Esquema soldadura por ambas caras para determinacin del factor de intensidad detensiones. (www.efatigue.com)................................................................................................ 90
Figura 71. Datos para el anlisis de fatiga de fisura en la soldadura en la tubera forzada para
una carrera de tensiones de 28 MPa (sobrepresin)................................................................ 91
Figura 72. Factor de intensidad de tensiones de soldadura por ambas caras. (e=33mm). ........ 91
Figura 73. Propagacin de la fisura en la soldadura para una carrera de tensiones de 28 MPa
(sobrepresin). ........................................................................................................................ 92
Figura 74. Datos para el anlisis de fatiga de fisura en la soldadura en la tubera forzada para
una carrera de tensiones de 64,19 MPa (sobrepresin). .......................................................... 92
Figura 75. Propagacin de la fisura en la soldadura para una carrera de tensiones de 64,19
MPa (sobrepresin). ................................................................................................................ 93
Figura 76. Nmero de ciclos en funcin de la longitud de fisura inicial. Defecto en la soldadura.
Carrera de tensiones de 28 MPa. ............................................................................................ 94
Figura 77. Comprobacin de la corrosin bajo tensin en la tubera para diferentes longitudes
de fisura iniciales. ................................................................................................................... 95
Figura 78. Ejemplo de colocacin de blindaje basado en la relacin entre las tensiones
naturales del macizo (mnima tensin principal) y la presin de la conduccin (supuesto de un
20 a un 30% de sobrepresin por golpe de ariete). .................................................................. 97Figura 79. Criterio Noruego de confinamiento [52]. .................................................................. 98
Figura 80. Tensin vertical en funcin de la profundidad en un macizo rocoso [28]. ................. 99
Figura 81. Tensin horizontal en funcin de la vertical (k) en macizos rocosos con diferente
rigidez [28]. ........................................................................................................................... 100
Figura 82. World Stress Map. Arco Mediterrneo. ................................................................. 101
Figura 83. World Stress Map. Pennsula Ibrica. ................................................................... 102
Figura 84. Croquis del ensayo de hidrofracturacin [30]. ....................................................... 103
Figura 85. Resultados obtenidos en ensayo de hidrofracturacin. Tensiones horizontales
principales en funcin de la profundidad [30]. ........................................................................ 104
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pg. xx
Figura 86. Comprobacin del criterio Noruego en casos reales [22]....................................... 105
Figura 87. Comparacin entre criterios de confinamiento (Vertical, Noruego y Snowy
Mountains) [22]. .................................................................................................................... 106
Figura 88. Evolucin del diseo de los tneles noruegos [45]. ............................................... 107
Figura 89. Evolucin de los tneles noruegos sin revestimiento [45]. ..................................... 108
Figura 90. Consideraciones de diseo de tneles noruegos sin revestimiento [45]. ............... 109
Figura 91. Hiptesis de compatibilidad utilizadas por diversos autores para el clculo de
blindajes sometidos a presin interior [27]. ............................................................................ 110
Figura 92. Clculo de blindajes sometidos a presin interior segn USArmy [52]. .................. 111
Figura 93. Reparto de la presin interior en el blindaje Rfis=4Rs. .......................................... 113
Figura 94. Reparto de la presin interior en el blindaje Rfis=1,5Rs. ....................................... 114
Figura 95. Diferentes configuraciones de rigidizadores empleados en blindajes. ................... 121
Figura 96. Esquema geomtrico de la colocacin de rigidizadores con una separacin L. Se
marca el ancho eficaz tradicionalmente tenido en cuenta en el clculo. ............................... 121
Figura 97. Mecanismos de pandeo de un cilindro con rigidizadores [14]. ............................... 122
Figura 98. Mecanismos de pandeo de un cilindro con rigidizadores. Tabla de clasificacin [14].
............................................................................................................................................. 123
Figura 99. Esquema de fabricacin de una tubera o blindaje [40]. ........................................ 127
Figura 100. Inestabilidad de un cilindro perfecto e imperfecto. ............................................... 128
Figura 101. Inestabilidad. Punto lmite y Punto de bifurcacin (ambos puntos crticos). ......... 130
Figura 102. Tipos de bifurcacin. (a) Simtrica estable, (b) Simtrica no estable, (c) No
simtrica. .............................................................................................................................. 131
Figura 103. Bifurcacin no simtrica. Efecto de las imperfecciones. ...................................... 132
Figura 104. Bifurcacin estable simtrica. Efecto de las imperfecciones. ............................... 132
Figura 105. Bifurcacin no estable simtrica. Efecto de las imperfecciones. .......................... 133
Figura 106. Continuidad en uniones soldadas. Imperfecciones [46]. ...................................... 136Figura 107. Tamao sugerido de las imperfecciones debidas a soldaduras [46]. ................... 137
Figura 108. Inestabilidad elstica y plstica segn El Sawy [21]. ........................................... 139
Figura 109. Pandeo segn frmula de Euler para tubo libre y segn Vaughan. Presin externa
de pandeo frente a esbeltez [9]. ............................................................................................ 144
Figura 110. Pandeo segn Jacobsen y segn simetra radial. Presin externa frente a esbeltez
[9]. ........................................................................................................................................ 145
Figura 111. Presin crtica segn diversas formulaciones respecto del parmetro D/t.
gap=3mm.............................................................................................................................. 151
Figura 112. Parmetro de comparacin K respecto de la Pcr Euler (gap=3mm). .................... 152
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Figura 113. Parmetro de comparacin K respecto de la Pcr Euler (gap=8mm). .................... 153
Figura 114. Estimacin frmulas de Pandeo (gap=8mm). ...................................................... 154
Figura 115. Estimacin frmulas de pandeo (gap=0,6mm). ................................................... 154
Figura 116. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 30m, cs= 0,30337, n=5,
Pcr=0,212 MPa ..................................................................................................................... 165
Figura 117. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 30m, cs= 0,31301, n=4,
Pcr=0,219 MPa ..................................................................................................................... 165
Figura 118. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 30m, cs= 0,37776, n=6,
Pcr=0,264 MPa ..................................................................................................................... 166
Figura 119. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 2,5 m, cs= 1,33427, n=9,
Pcr=0,933 MPa ..................................................................................................................... 166
Figura 120. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 2,5 m, cs= 1,33427, n=9,
Pcr=0,933 MPa. Vista 3D. ..................................................................................................... 167
Figura 121. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 2,5 m, cs= 1,34365, n=10,
Pcr=0,940 MPa ..................................................................................................................... 167
Figura 122. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 2,5 m, cs= 1,34365, n=10,
Pcr=0,940 MPa . Vista 3D. .................................................................................................... 168
Figura 123. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 2,5 m, cs= 1,45193, n=11,
Pcr=1,016 MPa ..................................................................................................................... 168
Figura 124. Pandeo de un cilindro sujeto circunferencialmente L= 2,5 m, cs= 1,45193, n=11,
Pcr=1,016 MPa. Vista 3D. ..................................................................................................... 169
Figura 125. Comparacin entre mtodos de clculo sin considerar la coaccin radial con
resultados de MEF (elastic buckling). L=30000 mm e=14 mm. .............................................. 170
Figura 126. Comparacin entre mtodos de clculo sin considerar la coaccin radial con
resultados de MEF (elastic buckling). L=2500 mm e=14 mm. ................................................ 171
Figura 127. Pandeo de un cilindro con rigidizadores L= 2,5 m, cs= 0,4887, n=4, Pcr=0,342MPa. ..................................................................................................................................... 172
Figura 128. Pandeo de un cilindro con rigidizadores L= 2,5 m, cs= 0,4887, n=4, Pcr=0,342
MPa. Vista 3D. ...................................................................................................................... 172
Figura 129. Pandeo de un cilindro con rigidizadores L= 2,5 m, cs= 0,5705, n=5, Pcr=0,40 MPa.
............................................................................................................................................. 173
Figura 130. Pandeo de un cilindro con rigidizadores L= 2,5 m, cs= 0,5705, n=5, Pcr=0,40 MPa.
............................................................................................................................................. 173
Figura 131. Pandeo de un cilindro con rigidizadores L= 2,5 m, cs= 0,74119, n=6, Pcr=0,518
MPa. ..................................................................................................................................... 174
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pg. xxiii
Figura 154. Influencia del lmite elstico en la presin crtica de blindajes con rigidizadores para
diversos D/t. .......................................................................................................................... 203
Figura 155. Influencia del lmite elstico en blindajes con rigidizadores. Comparacin entre
resultados del mtodo propuesto y los de Jacobsen. ............................................................. 204
Figura 156. Influencia de la separacin entre rigidizadores para diferentes relaciones D/t. .... 205
Figura 157. Influencia de la rigidez del conjunto hormign-roca en la presin crtica para
blindajes rigidizados con diferentes relaciones D/t. ................................................................ 206
Figura 158. Influencia de la rigidez del terreno en funcin de D/t ........................................... 207
Figura 159. Influencia de la holgura inicial en la presin crtica de blindajes con rigidizadorespara diversos valores de D/t. ................................................................................................. 208
Figura 160. Influencia de la holgura inicial en la presin crtica de blindajes con rigidizadores
para diversos valores de la holgura del trasds. .................................................................... 208
Figura 161. Esbeltez generalizada. Relacin con la presin crtica de pandeo. ...................... 210
Figura 162. Inestabilidad elstica con formacin de lbulos mltiples (izquierda) e inestabilidad
inelstica por plastificacin (derecha). ................................................................................... 211
Figura 163. Comportamiento de rigidizadores como conectores. ........................................... 213
Figura 164. Comparacin del comportamiento como rigidizadores y conectores. D/t= 160..... 214
Figura 165. Comparacin del comportamiento como rigidizadores y conectores. D/t= 200..... 214
Figura 166. Comparacin del comportamiento como rigidizadores y conectores D/t= 285,7. .. 215
Figura 167. Comparacin del comportamiento como rigidizadores y conectores D/t= 400...... 215
Figura 168. Comparacin del comportamiento como rigidizadores y conectores D/t= 400 con los
mtodos tradicionales (Jacobsen y Roark). ........................................................................... 216
Figura 169. Vista de una de las imperfecciones geomtricas derivadas de la soldadura
implementadas en el modelo de elementos finitos. ................................................................ 221
Figura 170. Geometra de la imperfeccin para diferentes valores de la semilongitud de onda
(wo= 11 mm). ........................................................................................................................ 222Figura 171. Factor de reduccin de la presin crtica para diferentes valores de la amplitud (wo)
............................................................................................................................................. 223
Figura 172. Factor de reduccin de la presin crtica para diferentes valores de la semilongitud
de onda y de la amplitud wo. .............................................................................................. 223
Figura 173. Seccin de la presa y de la casa de mquinas. ................................................... 227
Figura 174. Perfil longitudinal de la galera forzada. .............................................................. 227
Figura 175. Perfil longitudinal del salto hidroelctrico. ............................................................ 228
Figura 176. Detalle de la toma de la galera forzada. ............................................................. 229
Figura 177. Esquema de la zona afectada por la inestabilidad. .............................................. 233
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pg. xxiv
Figura 178. Secciones tipo de la zona afectada por la inestabilidad. ...................................... 234
Figura 179. Seccin tipo de la galera forzada y perfil longitudinal (proyecto original)............. 237
Figura 180. Clculos originales del blindaje en el caso prctico. ............................................ 238
Figura 181. Caractersticas geomtricas de la seccin de rigidizadores. ................................ 239
Figura 182. Esquema del aprovechamiento Cleuson-Dixence [24]......................................... 249
Figura 183. Esquema del refuerzo realizado [24]. .................................................................. 250
Figura 184. Fallo por inestabilidad elstica con formacin de lbulos mltiples (izquierda) y fallo
por inestabilidad inelstica tras la plastificacin (derecha). .................................................... 261
Figura 185. Vista de la tubera forzada y del tramo daado desde aguas abajo ..................... 285
Figura 186. Vista del tramo daado desde aguas abajo......................................................... 285
Figura 187. Vista del desgarro en la zona del fallo aguas abajo ............................................. 286
Figura 188. Vista de un rigidizador que ha quedado embebido en el hormign. ..................... 286
Figura 189. Vista abolladura zona izquierda (visto desde aguas abajo) del tramo inferior. ..... 287
Figura 190. Vista del desgarro de la chapa en la zona de comienzo del tramo afectado (extremo
inferior). ................................................................................................................................ 287
Figura 191. Zona afectada. Rigidizador separado de la tubera. Rotura de la soldadura entre
tubera y rigidizador. Pueden verse los restos del cordn en el blindaje. Zona prxima al
extremo inferior. .................................................................................................................... 288
Figura 192. Vista zona afectada. Rigidizadores separados o no de la tubera metlica.
Embebidos en el hormign y/o perdidos. ............................................................................... 289
Figura 193. Vista zona afectada. Tramo superior. Se puede ver el desgarro en el extremo
superior................................................................................................................................. 290
Figura 194. Vista de detalle de desgarro en la parte superior de la zona afectada. ................ 291
Figura 195. Vista rotura por desgarro y deformacin en la parte inferior de la zona afecta (vista
desde arriba). Extremo superior de la zona afectada. ............................................................ 292
Figura 196. Evolucin prevista del mix energtico espaol 2009-2020. ............................... 294Figura 197. Evolucin prevista del mix energtico espaol entre 2009 y 2020. .................... 295
Figura 198. Precio horario del mercado diario 9/Enero/2011. (Fuente: REE). ........................ 299
Figura 199. Curva de demanda 16/Junio/2011. (Fuente: REE). ............................................. 301
Figura 200. Energa horaria y coste de produccin del proceso de solucin de restricciones
tcnicas, 15/Junio/2011. (Fuente: REE). ............................................................................... 301
Figura 201. Gestin de desvos, 15/Junio/20011. (Fuente: REE). .......................................... 303
Figura 202. Regulacin terciaria, 16/Junio/2011. (Fuente: REE). ........................................... 307
Figura 203. Formas de pandeo segn el valor de n [9]. ....................................................... 311
Figura 204. Modo de Pandeo n=4. (Obtenido en SAP2000nonlinear). ................................... 312
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Figura 205. Pandeo mediante lbulos mltiples (cilindro sujeto circularmente en sus
extremos)[9]. ......................................................................................................................... 313
Figura 206. Estimacin del nmero de lbulos. Winderburg and Trilling (1934) [52]. .............. 314
Figura 207. Pandeo Von Mises (cilindro sujeto circularmente en sus extremos) [52]. ............. 315
Figura 208. Pandeo segn Vaughan [52]............................................................................... 316
Figura 209. Pandeo segn lbulo nico. (Obtenido en SAP2000nonlinear)............................ 320
Figura 210. Pandeo segn lbulo nico. Caracterizacin geomtrica (Ver 26.3.3). ................ 321
Figura 211. Parmetros de la formulacin de Amstutz. .......................................................... 323
Figura 212. Coeficientes de Amstutz [52]. ............................................................................. 325
Figura 213. Presin crtica de pandeo. baco de Amstutz segn Toral [51]. .......................... 326
Figura 214. Pandeo segn Jacobsen. Tomado de [21]. ......................................................... 330
Figura 215. Pandeo de tuberas areas o de blindajes sin coaccin radial [12]. ..................... 335
Figura 216. Pandeo de blindajes con coaccin radial (CECT segn Amstutz) [12]. ................ 336
Figura 217. Formulacin de Glock. ........................................................................................ 337
Figura 218. Comparacin del mtodo de la ASTM F1216 con otras teoras, en especial con las
de Glock y Euler [5]. .............................................................................................................. 340
Figura 219. Propuesta de modificacin de la ASTM F1216. [5] .............................................. 341
Figura 220. Estudio paramtrico de El Sawy (1) [21]. ............................................................ 344
Figura 221. Estudio paramtrico de El Sawy (2) [21]. ............................................................ 344
Figura 222. Estudio paramtrico de El Sawy (3) [21]. ............................................................ 345
Figura 223. Estudio paramtrico de El Sawy (4) [21]. ............................................................ 345
Figura 224. Estudio paramtrico de El Sawy (5) [21]. ............................................................ 346
Figura 225. Estudio paramtrico de El Sawy (6) [21]. ............................................................ 346
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ndice de Tablas
Tabla 1. Principales centrales hidrulicas reversibles en construccin o proyecto en Espaa. ... 1
Tabla 2. Valores habituales de los principales parmetros geomtricos del blindaje. ............... 19
Tabla 3. Valores habituales de n de Manning para diversos materiales................................. 21Tabla 4. Mxima sobrepresin en funcin del tipo de turbina para cierre normal y de
emergencia [22]. ..................................................................................................................... 25
Tabla 5. Coeficientes de seguridad para el acero segn Gordon [26]....................................... 33
Tabla 6. Modos de Operacin reales o previstos de varias centrales hidrulicas reversibles. ... 42
Tabla 7. Solicitaciones de carrera de tensiones mxima y mnima en funcin del lmite elstico
del acero en tuberas y blindajes. ............................................................................................ 43
Tabla 8. Duracin de las maniobras de Bolarque II. ................................................................. 62
Tabla 9. Caractersticas de la tubera comprobada a fatiga...................................................... 84
Tabla 10. Presin interior de la tubera comprobada a fatiga. .................................................. 84
Tabla 11. Tensiones en la tubera comprobada a fatiga. .......................................................... 84
Tabla 12. Carreras de tensiones en la tubera forzada debidas a la sobrepresin y a la dinmica
por regulacin secundaria. ...................................................................................................... 84
Tabla 13. Clasificacin de los problemas de inestabilidad en tubera forzadas y en tuberas
areas o cilindros en general. Mtodos de clculo. ................................................................ 126
Tabla 14. Valores habituales de la holgura entre acero y el revestimiento de hormign. ........ 135
Tabla 15. Estimacin de los parmetros b y n para la expresin exponencial de la presin
crtica segn diversas formulaciones. .................................................................................... 155
Tabla 16. Comparacin de la presin crtica de inestabilidad elstica en cilindros obtenida por
diferentes mtodos (inestabilidad elstica). ........................................................................... 169
Tabla 17. Resultados obtenidos. Estabilidad elstica cilindro con rigidizadores sin coaccin. 175
Tabla 18. Lmites elsticos y de rotura de aceros considerados en este estudio paramtrico. 203
Tabla 19. Mdulo de elasticidad de diferentes tipos de Roca (Chaudry). ............................... 206
Tabla 20. Influencia del defecto de prdida localizada de espesor por corrosin. ................... 218
Tabla 21. Aplicacin del modelo de elementos finitos al caso prctico. Resultados. ............... 241
Tabla 21. Mtodo de clculo recomendado en funcin de la tipologa de la tubera o del blindaje
y del modo de fallo esperado. ............................................................................................... 258
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Tabla 22. Espaciamientos (L/D) mximos en funcin de la esbeltez (D/t) por debajo de los
cuales es preferible el funcionamiento como conectores. ...................................................... 260
Tabla 23. Precio medio mensual del mercado diario en Espaa (/MWh). Ao 2010. (Fuente:
REE). .................................................................................................................................... 300
Tabla 24. Precio medio mensual de banda de regulacin secundaria (/MW), ao 2010.
(Fuente: REE). ...................................................................................................................... 306
Tabla 25. Precio mensual de Regulacin Secundaria a bajar (/MWh), 2010. (Fuente: REE).306
Tabla 26. Precio mensual de Regulacin Terciaria a subir (euros/MWh), 2010. (Fuente: REE).
............................................................................................................................................. 308
Tabla 27. Precio mensual de Regulacin Terciaria a bajar (euros/MWh), 2010. (Fuente: REE).
............................................................................................................................................. 308
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NOMENCLATURA
a,b ngulo
c,m parmetros
cs Coeficiente de seguridad
d Gap, Holgura entre el blindaje y el revestimiento o la inyeccin
D Dimetro del blindaje
Dh Prdida de carga hidrulica
E Mdulo de Elasticidad (del acero cuando no se especifique)
E Mdulo de Elasticidad (Deformacin Plana)
Ec Mdulo de Elasticidad del hormign
Er Mdulo de Elasticidad de la roca del trasds
Es Mdulo de Elasticidad del acero
fsy Lmite elstico
fu Tensin de rotura
Fchrea de la chimenea
Fg rea de la tubera en presin
FS Factor de seguridad
g Constante de gravitacin universal
g Holgura o gap inicial
Autovalor
I Momento de Inercia
IE ndice de estabilidad
I3 Esbeltez generalizadaJ Momento polar de Inercia
k Coeficiente prdidas de carga
K Parmetro de comparacin con la presin crtica de Euler
Kc Factor de intensidad de tensiones
KisccUmbral de tenacidad en ambiente corrosivo
L Distancia entre rigidizadores
Lg Longitud de galera en presin
M Momento flector
N Esfuerzo Axil, Velocidad nominal de la turbina, Nmero de Ciclos en fatiga
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n nmero de Manning, nmero de lbulos de pandeo
Pcr Presin crtica de Pandeo
PcrEULER Presin crtica de Euler
Pglock Presin crtica de Pandeo de Glock
r Radio
R Radio
R, Ro Radio del blindaje (radio interior)
Rs Radio del blindaje (acero; lnea del eje)
Rfis Radio de roca fisuradaRst Relacin entre el radio y el espesor del blindaje
RfisRadio de la roca fisurada alrededor del blindaje
Rh Radio hidrulico
sh Presin horizontal en un macizo rocoso
sv Presin vertical en un macizo rocoso
S Potencia aparente
t Espesor del blindaje
Tmin Espesor mnimo del blindaje
Tm Tiempo de arranque de la mquina
Tos Tiempo de la chimenea
Tw Tiempo de arranque del agua
v Velocidad
WR2 Inercia generador
y Autovector
,ngulo
tensin amplitud de onda (imperfeccin geomtrica derivada de soldadura)
Coeficiente de Poisson
amplitud de imperfeccin geomtrica derivada de soldadura
h prdida de carga
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1. MOTIVACIN DEL ESTUDIO
En los ltimos aos ha aumentado de manera relevante el inters en el desarrollo de
proyectos en el mbito de las centrales hidroelctricas reversibles (motivado en gran parte por
el aumento de la energa elica y la necesidad de introducir regulacin al sistema). Estas
centrales estn diseadas para grandes caudales y saltos (y por tanto con tneles de gran
dimetro y sometidos a altas presiones) por lo que se han reactivado los estudios relativos a
revestimientos de tneles en presin, en concreto los referentes a los blindajes de acero.
Se han realizado o estn en fase de ejecucin grandes centrales en Alemania, Austria y
Japn durante las ltimas dcadas. Actualmente en Espaa y Portugal se encuentran en fase
de proyecto y construccin varias centrales hidrulicas reversibles de gran potencia.
De acuerdo con las previsiones actuales, la aportacin de energa de bombeo pasar de
participar de un 1% del total de energa generada en Espaa a un 2% en el ao 2020.
As, la potencia en centrales de bombeo en Espaa pasar de los 2.546 MW actuales a
5.700 MW en 2020 (incremento de 3200 MW).
En la tabla siguiente se muestran las principales centrales reversibles en construccin o
proyecto en Espaa:
Central Potencia (MW)
La Muela II (Valencia) 720Santa Cristina (Orense) 692
Edrada (Orense) 770
Aguayo (Cantabria) 1000
Moralets (Huesca) 400
Salas-Conchas (Orense) 380
Belesar III (Lugo) 149,6
Tabla 1. Principales centrales hidrulicas reversibles en construccin o proyecto en Espaa.
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Figura 1. Centrales Reversibles en proceso de tramitacin en USA (Enero 2009).
Adems, es necesario realizar una revisin de los mtodos de clculo para evaluar la
integridad estructural de galeras forzadas existentes que llevan en operacin ms de 50 aos
y que incluso han modificado sus condiciones de explotacin por variaciones en el caudal de
equipo o en el rgimen de funcionamiento (regulacin secundaria).
Habitualmente, se han utilizado mtodos conservadores para el clculo de este tipo de
blindajes de acero. stos en general, son de tipo analtico o experimental [9]. Sin embargo, la
envergadura cada vez mayor de los proyectos hidroelctricos obliga a un clculo ms ajustado
de los blindajes que permita una optimizacin econmica del proyecto manteniendo siempre un
adecuado nivel de seguridad.
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Figura 2. Esquema de una central hidrulica reversible.
Es importante un diseo ajustado del blindaje de las galeras forzadas, debido a que el
coste del blindaje de acero puede ser decisivo en la rentabilidad econmica de los proyectos.
Se ha realizado una revisin de la literatura tcnica reciente sobre los criterios de diseo,
mtodos de clculo y otros aspectos relacionados con el blindaje de las galeras de presin de
los saltos hidroelctricos, sometidos tanto a presin interior (condicin habitual durante la
operacin de la central) como a presin exterior (en general consiste en la galera vacasometida a la presin del agua exterior).
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Figura 3. Vista de la instalacin de la central reversible de Bolarque II en Guadalajara. (Gas
Natural Fenosa).
En dicha revisin se ha puesto de manifiesto que los estudios existentes se han centrado
en blindajes lisos (sin rigidizadores) y para unos parmetros que no coinciden exactamente con
los usuales en los saltos hidroelctricos (relacin entre dimetros y espesores, calidades del
acero) sino ms bien para otras aplicaciones civiles, navales y aeronuticas [4, 14, 15, 16,
17].
Desde los aos 80 (coincidiendo con el fin del periodo de construccin de grandes
aprovechamientos hidroelctricos en Europa y Norteamrica) no se haban vuelto a realizar
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investigaciones relevantes centradas en este campo ni sobre la interaccin entre los blindajes
metlicos y el macizo rocoso hasta hace muy pocos aos[27].
Se ha desarrollado un inters cada vez mayor en la ejecucin de repotenciaciones de
grandes saltos existentes o en la creacin de nuevas centrales reversibles. stas en general
son subterrneas (debido a las sumergencia requerida por las mquinas) y ejecutadas en
macizos rocosos con tipologa de cavernas.
Figura 4. Vista de la Central en Caverna de Montzic (Francia, 910 MW, 1983).
La construccin de las galeras en presin y los blindajes que pueden requerir, suponen el
mayor coste de los proyectos hidroelctricos y su efecto en las desviaciones presupuestarias y
en el plazo de construccin pueden ser los de mayor repercusin. Como ejemplo se resalta la
gran longitud de tramos blindados en el proyecto reversible Grand Maison (ver figura en pgina
siguiente).
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Figura 5. Perfil longitudinal de la central de Grand Maison (Francia). Se sealan las zonas en
las que se dispone blindaje (en rojo).
Por otra parte, las acciones han cambiado con la modificacin del mix energtico en los
ltimos aos en los que las energas renovables y no gestionables han aumentado de forma
muy importante. Debido a las cada vez mayores puntas de demanda de energa, las centraleshidroelctricas deben operar bajo condiciones ms exigentes, en condiciones de flexibilidad y
seguridad.
Las nuevas centrales operan cada vez a presiones mayores y lo que es ms importante,
con unos ciclos de carga de mayor frecuencia y de mayor amplitud (tanto de arranques y
paradas como de regulacin secundaria), con el consiguiente aumento de las solicitaciones
cclicas sobre tuberas forzadas y sobre el revestimiento de tneles y pozos. Por este motivo se
hace necesario revisar los mtodos de clculo de estas estructuras sometidas a fatiga.
La mayora de los tneles hidrulicos tienen un revestimiento permanente. A diferencia de
otros tneles ejecutados para otros usos, en los tneles hidrulicos se debe asegurar una
adecuada estanqueidad y unas prdidas de carga moderadas. Adems, a diferencia de los
dems tipos, los tneles hidrulicos estn sometidos en condiciones normales a presin
interior, lo cual condiciona su diseo estructural.
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Las opciones ms habituales para este revestimiento son las siguientes:
Sin revestimiento (Noruega principalmente)[45].
Hormign en masa o armado.
Dovelas de hormign armado o con fibras (en el caso de empleo de
tuneladora y para baja presin interior/exterior).
Revestimiento de acero, relleno en el trasds con hormign (blindaje).
Esta tesis se centra en el diseo de revestimientos para altas presiones, esto es, de acero
con relleno de hormign en el trasds (blindaje).
Respecto de los revestimientos de acero, el comportamiento real de la combinacin del
sistema acero-hormign-roca no se comprende totalmente todava, especialmente en lo que
respecta a la influencia de los fenmenos de transitorios hidrulicos como el golpe de ariete o
como la regulacin frecuencia-potencia, que provoca continuas oscilaciones en la presin
interna, as como en el comportamiento estructural a corto y largo plazo del revestimiento.
Figura 6. Evolucin histrica de la potencia de grupos hidrulicos (convencionales y
reversibles). Catlogo VOITH.
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Tradicionalmente, en el diseo de galeras blindadas, no se considera necesario tener en
cuenta la resistencia a fatiga del blindaje de acero (en general dctil). Sin embargo, los nuevos
proyectos hidroelctricos de gran salto y las centrales reversibles, exigen la utilizacin de
aceros de alta resistencia (especialmente utilizado en centrales en Japn [37]), en los cuales
debe realizarse un estudio pormenorizado de la posible aparicin de fenmenos de fatiga.
En estos esquemas hidroelctricos, las ondas de presin de pequeas amplitudes pero de
altas frecuencias (debidos a la regulacin en potencia) pueden determinar un elevado nmerode ciclos de tensin que deben evaluarse para determinar su importancia.
As, puede ser necesario, y es la prctica habitual, seleccionar diversos sistemas de
revestimiento para distintos tramos del mismo tnel. Por ejemplo, un revestimiento de acero
puede ser necesario para tramos de un tnel en presin con baja cobertura o roca de escasa
calidad, mientras que otros tramos pueden requerir un revestimiento de hormign o incluso no
requerirlo.
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2. ALCANCE DE LA TESIS Y OBJETIVOS
Los objetivos generales suponen una aproximacin al comportamiento de los blindajes en
galeras forzadas de modo generalista y tambin de modo particular a las tuberas forzadas. En
concreto, esta investigacin se orienta a los siguientes aspectos:
Comportamiento de tuberas forzadas y blindajes lisos y con rigidizadores
frente a presin exterior.En especial, en el caso de blindajes con rigidizadores
no existen en la actualidad mtodos generales de aplicacin en su diseo. Por ello,
este trabajo plantea profundizar en su estudio para poder obtener reglas o
directrices que aplicar en el diseo de este tipo de estructuras.
Respuesta de tuberas forzadas y blindajes frente a cargas cclicas y su
comportamiento en fatiga, comprobando si tiene importancia en el diseo y si
debe considerarse en el clculo de los blindajes y tuberas forzadas (a da de hoy
no se tienen en cuenta). Este trabajo pretende discernir la importancia de la fatigaen el diseo de blindajes y tuberas forzadas y proponer una metodologa de
aplicacin en este mbito.
Comportamiento de blindajes con diferentes tipos de imperfecciones
geomtricas: ovalidad, holgura inicial entre el blindaje y el trasds (gap), defectos
de soldadura (ondulaciones) y corrosin. En este trabajo se modelizan dichas
imperfecciones y se evala su importancia en la presin crtica de diseo.
Caracterizacin general del sistema blindaje-gap-hormign-roca. En este
trabajo se realiza un estudio sobre la interaccin entre el blindaje y el trasds
sometido a presin interior.
Realizar a partir de los datos obtenidos una propuesta de criterios de diseo
y clculo de tuberas forzadas, de blindajes lisos y con rigidizadores.
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Por otra parte, la presente tesis tiene un enfoque eminentemente prctico; se contrasta la
aplicacin de sus resultados a casos reales, para su posterior uso en las etapas de diseo y
construccin. Tambin tiene un enfoque generalista, que permita encuadrar el problema en
todos sus aspectos: estructural principalmente, hidrulico, geotcnico
Adems, esta tesis no pretende abarcar el clculo general de tuberas, que est muy
desarrollado y cuent
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