DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE FUNDACIÓN PROFUNDA DE UN A ESTACIÓN TRANSFORMADORA DE EXTRA ALTA TENSIÓN EN UN

PERFIL DE SUELO DINAMICAMENTE INESTABLE Morandi, Javier O 1; Uliarte, Ricardo 2; Fiore, Juan Manuel 3; Berchessi Marcelo 4

(1) Profesor Titular. Subdirector del Instituto de Materiales y Suelos - Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de San Juan - jmorandi@ims.unsj.edu.ar; (2) Profesor Adjunto. IMS-FI-UNSJ. (3) Profesor Titular. IMS-FI-UNSJ. Director del Instituto de Materiales y Suelos. (4) Ingeniero Civil. DISTROCUYO S.A. RESUMEN En el trabajo se presenta el estudio de respuesta de interacción suelo estructura, realizado para el diseño de la estructura de fundación profunda por medio de pilotes de hormigón de una Estación Transformadora de Alta Tensión (ETAT), a construir en un perfil de suelos dinámicamente inestable frente a la acción de un sismo destructivo. En el caso estudiado, la acción del terremoto induce la licuación de algunos estratos de la columna de suelo en profundidad, lo que provoca deformaciones incompatibles con la ETAT y pérdida de la capacidad portante del terreno. La estructura de fundación debe alcanzar estratos competentes y se debe evaluar su acoplamiento con la columna de suelos en la dinámica impuesta por el movimiento sísmico. Se presenta la respuesta de la estructura de fundación frente a la acción de un terremoto destructivo. El estudio se lo realiza sobre un modelo suelo-estructura que arroja la historia de desplazamientos y solicitaciones inducidos sobre los pilotes, con lo que es posible el diseño de las secciones de hormigón armado. El trabajo es interés para la ingeniería estructural sismorresistente y geotécnica. ABSTRACT This paper presents a study of response of soil structure interaction, carry out for the design of deep foundation structure using concrete piles of High Voltage Transformer Station (ETAT), to build a dynamically unstable soil profile against the action of a destructive earthquake. In the studied case, the action of earthquake induces liquefaction of some layers of the soil column in depth, causing deformities incompatible with the ETAT. The foundation structure must achieve competent strata and should evaluate its coupling with the column of soil in the dynamics imposed by the earthquake. We present the response of the structure foundation to the action of a destructive earthquake. The study is carried out it on a model soil-structure resulting in displacements history and of induced solicitations on piles, so it is possible to design reinforced concrete sections. The work is relevant to earthquake engineering and geotechnical

INTRODUCCION El trabajo que se presenta a continuación se motiva con el caso de la Estructura de Fundación del proyecto de ampliación de la Estación Transformadora de alta tensión (ETAT) de la provincia de Mendoza. La misma se ubica en la localidad de Barreales del Departamento de Junín de esa provincia. La obra pertenece al Grupo A, de acuerdo a la clasificación del Reglamento INPRES CIRSOC 103-I por lo que es relevante que continúe prestando servicios luego de la ocurrencia de un terremoto destructivo. El trabajo es de interés debido a la conjugación de varios factores concurrentes que conducen al análisis y procedimiento de evaluación de una situación particular. La obra se proyecta sobre un perfil de suelos dinámicamente inestable (INPRES CIRSOC 103–I) en la zona sísmica más activa del país y los condicionantes de funcionamiento normal de los diferentes equipos eléctricos que conforman la ET, limitan los desplazamientos relativos y desplazamientos residuales permitidos entre ellos. La solución al problema debe contemplar un sistema estructural que interactúe con la dinámica del perfil de suelo, y en este espacio, que tenga la mejor probabilidad de desempeñarse eficientemente frente a la ocurrencia de un sismo destructivo.

CARACTERÍSTICAS GEOTÉCNICAS Y DINÁMICAS DEL TERRENO . La ET Gran Mendoza se emplaza sobre sedimentos aluviales correspondientes a la transición del cono de Palmira hacia la llanura de inundación de los Ríos Mendoza y Tunuyán (Fotografía Nº1). En la Figura Nº1 (Zamarbide, J. L., Fiore J. M., et al, Consideraciones Geotécnicas sobre la Microzonificación Sísmica del Gran Mendoza, XI CAMSIF, Mendoza, 1990) aparecen indicados los rasgos más importantes de la geología regional del Gran Mendoza. Puede apreciarse claramente que la ET Barriales se emplaza a la vera del Río Mendoza, en la transición del cono aluvial de Palmira (6) hacia la llanura aluvial de inundación de los Ríos Mendoza y Tunuyán. El Río Mendoza al salir de la Quebrada de Cacheuta presentó dos brazos principales: uno que se dirigía al sureste por el actual lecho del Arroyo Carrizal (que dio origen al cono aluvial de Agrelo), y otro que en Luján se dirigía al noreste siguiendo cursos variables comprendidos entre el Zanjón Guaymallén y el Arroyo Leyes (que formaron el cono aluvial de Maipú). En esa época, la cerrillada de Lunlunta y las huaiquerías del Tunuyán se extendían más al noroeste que en la actualidad y el Río Tunuyán no se desviaba al este en Medrano, tal como la hace en la actualidad por el curso (e), sino que continuaba hacia al noreste por el lecho existente entre Medrano y Palmira, en la zona de Los Barriales (tramos d y f, de la Figura Nº1). Posteriormente se produjo un hundimiento del sector noreste de la cerrillada de Lunlunta y de las huaiquerías del Tunuyán, que al determinar una mayor pendiente descendente hacia el este desvió al Río Mendoza hacia Palmira, oportunidad en la cual generó el cono aluvial homónimo. El desvío del río Mendoza hacia el este y la acumulación de sedimentos aluviales en el cono de Palmira, represaron las aguas del Río Tunuyán entre Medrano y Palmira, y terminaron por

desviarlas al este por la zona baja que constituye la Cañada de Moyano, generándose así su actual curso (e). De acuerdo a ello puede apreciarse que la ET Los Barriales se ubica en la zona de influencia de la pasada conjunción de los Ríos Mendoza y Tunuyán, al pie del cono aluvial de Palmira y en la planicie de transición hacia la llanura aluvial de inundación de los mencionados ríos. Más hacia el norte penetra en la Ciénaga del Tulumaya, ya decididamente en la llanura aluvial de inundación de estos ríos. En la Fotografía Nº1 se observa claramente los rasgos geológicos distintivos de los acontecimientos mencionados anteriormente, y también se aprecia la cerrillada de Lunlunta y las huaiquerías del Tunuyán cuya interacción geológica mutua ha dado origen a la pasada conjunción de los Ríos Mendoza y Tunuyán, y a su actual separación.

Figura N° 1. Esquema geomorfológico general de la ciudad de Mendoza y ubicación de la ET Gran Mendoza

Ubicación ETEAT Barreales

Gran Mendoza

Fotografía Nº1 : Vista en perspectiva de una imagen satelital de la zona de la Obra. Se aprecia el actual curso de Río Mendoza y el antiguo del

Río Tunuyán

A partir de las perforaciones geotécnicas realizadas se observa que el perfil estratigráfico en profundidad presenta las características geotécnicas habituales de una zona de llanura aluvial de inundación (lacustre), y en él se han detectado sedimentos finos compuestos por:

• Arcillas limosas (CL y CL-ML) de plasticidad baja y media, en estado de consistencia blanda y muy húmeda a saturadas.

• Limos arenosos (ML) con finos no plásticos, en estado de compacidad muy suelto a suelto y saturados.

• Arenas finas limosas (SM), en estado de compacidad suelto y saturadas. • Limos arcillosos (ML) de baja plasticidad, en estado de consistencia media a

semidura y saturados.

Se observa la presencia de las capas mencionadas en estado de compacidad suelto a muy suelto, de acuerdo a los resultados de ensayos de SPT realizados durante la ejecución de las perforaciones. En la Tabla N°1 que sigue se resume el resultado de los mencionados ensayos de penetración normal. Se puede observar con claridad que a partir de los 14m la presencia de estratos de arenas, arenas gravosas o gravas aluviales muy compactas.

Profundidad N – SPT

Perforación

m PRF - 01 PRF - 02 PRF - 03 PRF - 04

1 4 6 5 3 2 6 8 6 4 3 2 5 4 4 4 3 8 7 5 5 5 7 6 2 6 16 20 13 3 7 6 5 6 4 8 7 5 4 6 9 18 17 13 4

10 6 9 5 5 11 9 6 5 8 12 10 8 8 10 13 6 11 10 15 14 40 31 41 40 15 >50 >50 >50 >50 16 >50 >50 >50 >50

Tabla Nº1 : Resumen de los resultados de ensayos de penetración normal (SPT) realizados durante las

perforaciones

Estudios Geofísicos Los estudios de suelo de fundación se complementaron con la ejecución de dos líneas de tomografía sísmica de refracción LS1 y LS2, cuya ubicación en el terreno se muestran en la Fotografía N°2 y los resultados o btenidos en la Figura N°2.

Fotografía Nº2 : Ubicación de las líneas de refracción sísmica realizada y

vista general de la ET y la zona de ampliación

Figura N° 2. Se muestra los valores de velocidad de onda Vp (m/s) de la línea LS2 de Tomografía Sísmica por Refracción. Se ve claramente las zonas de velocidades

muy bajas hasta los 14m de profundidad y la presencia de la antigua barranca aluvial

ESTABILIDAD DINÁMICA DE SUELOS. Los limos arenosos (ML) y las arenas finas limosas (SM) presentes en el perfil de suelos son susceptibles de licuar por su composición granulométrica (0,07 mm ≤ d50 ≤ 1,20 mm, de acuerdo a lo prescripto por el Reglamento INPRES CIRSOC 103-I. Además, por su estado de compacidad suelto, porque se encuentran saturados por la presencia elevada del nivel freático y por el hecho de que la obra se emplaza en una zona sísmicamente muy activa, resulta necesario realizar la verificación de la probabilidad de su licuación ante la ocurrencia de un sismo intenso (INPRES CIRSOC 103).

De acuerdo al procedimiento recomendado por las Normas INPRES - CIRSOC 103 (análisis de respuesta), los limos arenosos y arenas limosas presentes resultan licuables para el sismo de diseño establecido por este Reglamento. El estudio geotécnico realizó el Análisis del Potencial de Licuación de estos limos arenosos y arenas limosas, aplicando el conocido Método de Seed e Idriss, 1984, según las recomendaciones del "NCEER - 1996, 1998", que constituyen el estado del arte del conocimiento sobre el tema y se puede concluir que el perfil de suelos del predio de emplazamiento de la Estación Transformadora en estudio, resulta ser dinámicamente inestable (Norma INPRES - CIRSOC 103). Para el análisis y diseño de la estructura de fundación profunda, también se debe evaluar la respuesta dinámica de la columna de suelo frente a la acción de un terremoto destructivo, de donde se obtiene la historia de desplazamientos inducidos por la columna de suelo a los pilotes de hormigón. El resultado de este análisis confirmó los resultados del Análisis del Potencial de Licuación de estos limos arenosos y arenas limosas, realizado aplicando el conocido Método de Seed e

Idriss, 1984, según las recomendaciones del "NCEER - 1996, 1998". En las Figuras Nº3, Nº4 y Nº 5, se muestra los resultados más representativos obtenidos del análisis y se puede apreciar claramente como aumenta la presión de poros en los estratos licuables, lo que conduce a la anulación de presión efectiva. Se aprecia el perfil de deformaciones en profundidad y en la superficie del terreno. De análisis se observa que el perfil de suelo induce desplazamientos máximos en la superficie del orden de los diez centímetros (10 cm) con un desplazamiento residual de dos a tres centímetros (2 a 3 cm).

Figura N° 3. Se presenta uno de los acelerogramas utilizado para el análisis (El Centro-1940)

Figura N° 4. Se observa el incremento de presión de poros inducida por el movimiento sísmico en los estratos de suelo susceptibles de licuar

Figura N° 5. Se presentan las deformaciones inducidas por el terremoto en los

diferentes estratos del perfil de suelos. Se aprecia la magnitud de las deformaciones en los estratos de arenas sueltas que son responsables del incremento de presión

de poros y la consecuente pérdida de capacidad portante

Figura N° 6. Se presentan los desplazamientos de la columna de suelo inducidas

por el terremoto para el caso de licuación de suelos

DISEÑO Y EVALUACIÓN DE LA ESTRUCTURA

Se trata de una estructura de fundación profunda por medio de pilotes pre excavados y hormigonados in situ, que alcanzan los estratos de suelo dinámicamente estables. De acuerdo al resultado de los estudios realizados dichos estratos comienzan a los 14 m de profundidad y continúan hacia estratos inferiores.

Primero se ejecutan los pilotes se excavados y hormigonados in situ, para luego realizar el emparrillado de vigas resistentes, en cuyos encuentros se ubicarán los soportes de los equipos eléctricos de playa.

Dada la configuración lineal del proyecto (Fotografía N°2) y al efecto de promover un desempeño más regular de la estructura, se dividió el Campo de la ET en seis bloques independientes. Cada uno es autónomo frente a las diferentes solicitaciones que debe soportar. En la Figura N°7 se puede observ ar como ejemplo la disposición de los Bloques N°6 y N°7. El conjunto emparrillado de vigas y pilotes asegura la estabilidad del conjunto y la transferencia de los esfuerzos a estratos dinámicamente estables y competentes.

El modelo de análisis estructural se lo construye utilizando elementos tipo barra tanto para pilotes como para vigas del emparrillado. De acuerdo a lo establecido por la Norma INPRES CIRSOC 103-I se desprecia toda colaboración de los estratos de suelo susceptibles de licuar. Por ello no se considera la participación del suelo hasta los 14m de profundidad. Estado de Carga Considerados PP : Peso propio de los elementos estructurales de hormigón armado. CP : Peso propio de los equipos y soportes de equipos eléctricos. VL : Viento según eje longitudinal (L). VT : Viento según el eje transversal (T). P. Sismo : Esfuerzo vertical sobre la fundación generada por la acción del sism

sobre el soporte. SL : Efecto Sísmico en dirección Longitudinal (L). Acción de los soportes

sobre la estructura de fundación. ST : Efecto Sísmico en dirección Transversal (T). Acción de los soportes

sobre la estructura de fundación. DL L : Acción dinámica de la columna de suelo sobre la estructura de

fundación. Análisis de Respuesta Dinámico Suelo. DL T : Acción dinámica de la columna de suelo sobre la estructura de

fundación. Análisis de Respuesta Dinámico Suelo

Figura N° 7. Se presenta el modelo para análisis estructural de los Bloques N° 6 y N°7, como ejemplo de los diferentes Bloques en que se dividió la estructura de

fundación de la ET Para modelar el suelo en profundidad se utilizaron los valores del módulo de reacción y constitutivas obtenidas de los ensayos de laboratorio, los que fueron contrastados con referencias bibliográficas. De esta modelación y análisis se obtuvieron los parámetros necesarios para el diseño de las secciones de hormigón armado, la verificación de las presiones sobre el terreno, las deformaciones en cada caso y la verificación de la capacidad tanto en tracción como en compresión de los pilotes.

CONCLUSIONES Se han presentado aspectos destacados en el procedimiento de análisis de una estructura de fundación profunda por medio de pilotes en un perfil de suelos dinámicamente inestable. En este caso de superestructuras de moderada magnitud y bajo peso, es determinante en el diseño y dimensionamiento de la estructura, los desplazamientos impuestos por la columna de suelo que licúa durante el terremoto. Es de importancia realizar una correcta evaluación de la dinámica del perfil de suelos.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Fundación de una Estación Transformadora de Alta Tensión por medio de pilotes de hormigón de alto desempeño frente a la acción de un sismo destructivo. ETAT Cañada Honda – San Juan. Morandi, Javier O. - CAMSIG 2006.

2. Estudio de suelos para las fundaciones de la Ampliación de la Estación Transformadora de Alta Tensión Gran Mendoza. Calvente, Osvaldo.

3. Estudio Geotécnico preliminar de suelos. Estación Transformadora Gran Mendoza - Los Barriales. Fiore Juan Manuel.

4. Evaluation of Soil Liquefaction Potential During Earthquakes, por H. B. Seed, I, Arango y C. K. Chan - 1975.

5. Liquefaction of Soil Induced by Earthquakes, Bolletin Seismological Society of América. Vol. 59 - N° 2; por N. Ambradeys y S. Sarm a.

6. El Problema de la Licuación de Suelos y Asentamientos Durante Sismos; por P. Ortigosa - 1976.

7. A Method for Estimating Undrained Cyclic Etrength of Sandy Soil Using Standard Penetration Resistences; por Fumio Tatsuoka.

8. Licuación de Suelos Finos - CAMSIF VI, Córdoba 1980; por H. Giuliani. R, Suárez y J. M. Fiore.

9. Evaluation of Liquefaction Potential on Sand Deposits Based on Observation of perfomance in Previous Earthquakes; por H. B. Seed e I. M. Idriss, 1981.

10. Comentarios sobre Métodos Simplificados para la Determinación del Potencial de Licuación - CAMSIF VII, Rosario 1982; por L. D. Decanini, E. R. Redolfi y R. J. Roca.

11. Liquefaction of Satured Sandy Soil; por V. A. Florin y L. Ivanov. 12. Densidad Relativa y Potencial de Licuefacción de Suelos Incoherentes CAMSIF

VI, Córdoba 1980; por H. Giuliani y F. L. Giuliani. 13. Ingeniería Sísmica Aplicada a Problemas Geotécnicos; por I. Arango 1981. 14. Earthquake Induced Liquefaction Near Lake Amatitlan, Guatemala; por H. B.

Seed, I. Arango, C. Chan y otros. 15. Characteristics of Earthquake Ground Motions; por I. M. Idriss. 16. Estudio de Sismicidad para el Aprovechamiento Hidroeléctrico El Tambolar; por

J. C. Castano (INPRES) - 1975. 17. Liquefaction of Satured Sand During Cyclic Loading; por H. B. Seed y K . L. Lee -

1966. 18. “Liquefaction during the 1977 San Juan, Argentina, Earthquake: Site and

Regional Studies” por T. L. Youd y D. K. Keefer del U.S. Geological Survey.