Modelización en la ingeniería: Presa de Oroville

La recreación por ordenador del comportamiento de infraestructuras ante agentes externos excepcionales es todavía, a día de hoy, insuficientemente fiable para ser el único pilar en que se sostenga la relación coeficiente de seguridad y economía en la inversión.

Es necesario seguir recurriendo a la modelización a escala de la infraestructura y el fenómeno que la pueda afectar.

Un ejemplo de esta praxis es la presa de Oroville en California (Estados Unidos). Terminada de construir en 1968, en febrero de 2017, unas lluvias torrenciales supusieron la evacuación de más de 180.000 personas por los daños causados a los desagües, principal y secundario de la presa, si bien no se produjo el colapso. 

A raiz del suceso se encargó acometer las obras de adecuación necesarias que permitieran, si era posible, evitar la demolición de la presa, en otras palabras, salvarla de la ruina . Para ello, se decidió en primer lugar recrear la estructura del desagüe tal y como había quedado tras las lluvias. La Universidad de Utah ha desarrollado un impresionante modelo a escala 1:50  del desagüe de la presa. La escala supone que la «maqueta» tiene nada menos que  30 metros de largo y casi 20 metros de ancho y replica el estado actual de la estructura dañada. Por ejemplo, las condiciones del terreno producidas por las lluvias de febrero. Ahora, el equipo de ingenieros de la Universidad de Utah miden los distintos parámetros del flujo circulante por el desagüe ante diversas recreaciones pluviométricas.

A pesar del coste de construcción de la recreación (toda una obra en si misma), el estudio hidráulico de la miniatura permitirá optimizar completamente la reparación de la presa.

Para replicar el desagüe dañado el equipo de ingenieros midió con láser la presa original para replicar la erosión sufrida por las lluvias. De esta forma el modelo puede predecir qué sucederá si una tormenta ataca la estructura mientras tienen lugar las reparaciones, o si estas no llegan a tiempo antes de la próxima estación de lluvias.

La maqueta también servirá para probar una nueva característica que se añadirá al desagüe durante las reparaciones: ranuras de ventilación. Se trata de agujeros en el hormigón que evitan la cavitación, un proceso que puede erosionar el material en caso de un flujo alto de agua. Estas ranuras ya han sido añadidas a otras presas como medida de seguridad.

En el análisis y diseño de infraestructuras  hidráulicas,  especialmente en presas, la utilización de modelos reducidos es práctica habitual. La razón estriba en que  es imposible analizar elementos como la turbulencia del agua con modelos numéricos. Y los modelos que sí se aplicanpara el cálculo de estos fenómenos en situaciones o construcciones más simples han sido a su vez obtenidos empíricamente de construcciones precedentes o de modelos reducidos.

Os dejamos enlace con el vídeo de una de las pruebas realizadas en el modelo reducido del desagüe de la presa de Oroville: ver video

EXCAVACIÓN DE SÓTANOS Y NIVEL FREÁTICO EN EL CENTRO DE VALENCIA

La excavación de sótanos en zonas urbanas presenta una doble complejidad en relación a la presencia de agua en el subsuelo. Al igual que en todas las construcciones en presencia de nivel freático , en la fase de ejecución se precisará el agotamiento de la excavación y una vez construido el sótano y dependiendo de la distancia a la cota piezométrica del nivel freático, puede ser necesario el alivio de las subpresiones mediante un bombeo constante. Pero si además la obra linda con construcciones o infraestructuras existentes se deben considerar las alteraciones en el nivel freático introducidas por los bombeos de agotamiento o alivio para evitar afecciones a las mismas.

Nivel freático en el centro de Valencia

En gran parte del núcleo urbano de Valencia se detecta la presencia de dos acuíferos diferentes separados por un estrato arcilloso con una potencia que oscila entre los 5 y 13 metros. Los niveles piezométricos de ambos acuíferos varían, pero se puede considerar que el mas superficial arranca entre las contas -6 / -10 m hasta la -20 / -22 m. El acuífero más profundo empezaría entre -a cota -30 /-35 y encuentra su suelo alrededor de la cota -50 m. Pero la característica más reseñable de este segundo acuífero es que su nivel piezométrico es sensiblemente similar al del primer acuífero, en algunas zonas incluso superior.

Entre ambos acuíferos hay un «tapón» de arcillas, impermeable, que propicia que geológicamente ambos acuíferos no estén conectados. ¿Qué significa esta circunstancia? Que en un momento dado, en una excavación de un sótano confinada entre pantallas, se puede extraer agua de cualquiera de ambos acuíferos sin alterar el nivel piezométrico del otro acuífero. Pero también implica que si se obvia esta circunstancia y se construye un pozo de alivio de subpresiones de una losa que apoye en el primer estrato de manera que se conecte con el segundo acuífero, no se conseguirá el objetivo pues estaremos dejando indemne el nivel del primer acuífero y drenando el segundo.

Por tanto, el Estudio Geotécnico es insuficiente para determinar la solución constructiva válida para la excavación y construcción de un sótano profundo. Es preciso realizar un estudio del comportamiento de los acuíferos ante un bombeo de caudal para calcular adecuadamente el alivio de presiones que puede obtenerse.

Así, el primer paso recomendable es ubicar con exactitud las cotas de los diferentes estratos en el solar, y medir los niveles piezométricos, a ser posible en la misma estación del año en la que se va a acometer la construcción y en condiciones pluviométricas análogas (o bien extender el alcance del estudio y abarcar todas las posibilidades).

Lo siguiente es ejecutar pozos de bombeo para el trabajo de campo. Unos pueden ser provisionales (en el sentido de que solo serán usados para el estudio) y otros serán los que se aprovechen después para el alivio de las subpresiones. Unos pozos llegarán solo hasta el primer acuífero, para estudiar sus parámetros, mientas que otros llegarán hasta el segundo acuífero (suponiendo, evidentemente, que la profundidad de sótano a construir sea tal que precise el estudio de este segundo estrato). En la ejecución de estos segundos pozos se debe evitar que se produzca la conexión hidraulica entre ambos estratos saturados, encamisando adecuadamente la perforación.

Ensayos de bombeo

Se realizarán varios ensayos de bombeo, a diferentes caudales constantes durante el ensayo. Se miden en primer lugar los niveles de agua, tanto en el interior del pozo desde el que se va a bombear como en el resto de los pozos, que actúan en ese momento como piezómetros para la medición del descenso de niveles.  Se mide la profundidad a la que están dichos niveles y por diferencia con los niveles iniciales, se obtienen las depresiones producidas en el propio pozo y en los demás utilizados como piezómetros debidas al bombeo del caudal constante Q en ese pozo.

Con los valores de las depresiones, caudal de bombeo y distancias entre pozo y piezómetros, se procede a interpretar el ensayo pudiendo obtenerse un valor medio de la transmisividad (T).

La prueba y el análisis de la  hidráulica de cada pozo permite en consecuencia obtener el caudal máximo que puede extraerse de cada uno de ellos hasta alcanzar su agotamiento.

Una vez que se ha comprobado que los diferentes descensos medidos son proporcionales a los caudales extraídos se procede a estimar el descenso en el entorno del pozo y en el resto de puntos de estudio. Para ello se puede aplicar la formulación de Thiem tomando como origen el centro de cada pozo de bombeo.

Optimización de equipos de bombeo

Una vez concluido el estudio de alivio de presiones, es menester proceder a la elección de las bombas a disponer. Llegados a este punto nos hemos encontrado en varias ocasiones con que la Propiedad de la Obra ordena disponer las bombas mas potentes del mercado, entienden que el riesgo de ruina por subpresiones compensa una inversión fuerte en equipos de bombeo. Pero no es cuestión de poner la bomba más potente y con ello tener garantía de
extraer cualquier caudal pues conlleva el riesgo de que (y a pesar de las regulaciones de caudal logradas a base de cerrar válvulas) puede  agotarse el pozo y quemarse la bomba al trabajar en vacío. Tampoco es totalmente seguro introducir una sonda que regule la puesta en marcha de la bomba, pues al parar se elevaría automáticamente la presión del acuífero con la consiguiente pérdida de seguridad para la obra. Es decir, se debe calcular y optimizar adecuadamente los equipos de bombeo a colocar.

En conclusión diremos que es totalmente indispensable complementar el estudio geotécnico con un estudio de ingeniería que contemple el análisis de los acuíferos y sus niveles, se realicen e interpreten ensayos de bombeo y se calculen las bombas de agotamiento para la excavación y de alivio de subpresiones.

EL ESTUDIO GEOTECNICO EN LA CONSTRUCCION DE UNIFAMILIARES

La Ley de Ordenación de Edificación (LOE) reguló las responsabilidades de las diferentes partes implicadas en el proceso constructivo. El cumplimiento de la normativa exige la realización de un adecuado estudio geológico-geotécnico independientemente de la importancia que se atribuya al edificio. Desde edificios en altura hasta pequeñas instalaciones se requiere un estudio geotécnico  que garantice la seguridad y funcionalidad de la estructura. Tanto para la construcción de un unifamiliar de nueva planta como para la ampliación de uno ya existente, se debe realizar el correspondiente estudio geotécnico. Es habitual en Valencia la ampliación de edificaciones existentes, ya sean chalés o casas de campo, en estos casos también es preceptivo la realización del estudio geotécnico.

A este respecto la LOE  aclara algunos aspectos:

1. Tienen carácter de edificación sus instalaciones fijas y el equipamiento propio, así como los elementos de urbanización que permanezcan adscritos al edificio.

2. Esta Ley es de aplicación al proceso de la edificación, entendiendo por tal la acción y el resultado de construir un edificio de carácter permanente, público o privado..

Por tanto, la construcción de cualquier anexo a una edificación existente precisa del correspondiente estudio geotécnico, al tratarse de una edificación en lo concerniente a la LOE y al estar previsto en ésta la obligatoriedad de contar con dicho documento.

La realización del estudio geotécnico  se basa en la aplicación de los preceptos básicos legales requeridos para definir el comportamiento (deformación total admisible, distorsiones angulares, agresividad, carga de hundimiento,…etc) del terreno ante las cargas proyectadas y la naturaleza (tipología, dimensiones y distribución) de la solución de cimentación. Los datos del estudio geotécnico también permiten definir los apartados de cimentaciones superficiales, cimentaciones profundas, así como los elementos de contención, acondicionamiento del propio terreno, necesidades de mejora del terreno y anclajes.

Consecuencias de no realizar el estudio geotécnico

La más leve sería el sobrecoste en que se podría incurrir debido a la realización de un proyecto con  información insuficiente. En estas condiciones,  lo más normal es el sobredimensionamiento de la cimentación del unifamiliar con el fin de cubrirse ante las incertidumbres.

A continuación se sitúan los sobrecostes y retrasos que se producen al descubrir que la solución de proyecto es inviable, obligando a redefinir las cimentaciones del edificio una vez iniciada la obra. En casos extremos se puede llegar a concluir la inviabilidad del proyecto.

La siguiente situación en cuanto a gravedad, es la aparición de  incidencias graves durante la construcción o la vida útil del edificio, pudiendo provocas su ruina parcial, total o la afección a otras infraestructuras del entorno.

Y, evidentemente y en el caso mas grava, se puede  poner en riesgo la salud e incluso la vida de las personas.

Alcance del estudio geotécnico

El CTE (Código Técnico de la Edificación) define el estudio geotécnico como el compendio de información cuantificada en cuanto a las características del terreno en relación con el tipo de edificio previsto y el entorno donde se ubica, información que es necesaria para el análisis y dimensionamiento de las cimentaciones de éste u otras obras. Se debe por tanto:

a) cuantificar. No es suficiente con la categorización del suelo (blado, duro, competento, suelto, arcilloso, saturado…) sino que se debe asignar una magnitud numérica a cada parámetro analizado.

b) Adaptar el estudio al tipo de edificación prevista. Para el caso de la construcción de un unifamiliar, de una altura, en la que es previsible una cimentación superficial, no aporta información el análisis morfológico de un estrato a la cota -35 m, pero si es determinante calcular la potencia y extensión de un afloramiento de roca.

El informe geotécnico debe contener:

  1. Memoria, planos y documentación gráfica que describan las condiciones del terreno y de contorno.
  2. Los datos del estudio, tanto de campo como de laboratorio y cálculos en gabinete.
  3. Conclusiones del estudio incluyendo:
    • Definición de los parámetros de cálculo a emplear en el dimensionamiento de la cimentación.
    • Previsiones del comportamiento del terreno ante las nuevas condiciones (asientos) y afecciones a estructuras colindantes
    • Definición de estabilidad de desmontes y terraplenes
    • Recomendaciones de cimentación
    • Recomendaciones para la ejecución de las obras (por ejemplo, necesidad de agotamientos)

 

Datos de partida para la redacción de un informe geotecnico.

Tanto si lo solcita el Promotor como si lo hace el Proyectista, a la hora de solicitar un informe geotécnico se debe proporcionar la siguiente información:

  • Cota prevista de la solera y número de plantas de sótano.
  • Número de plantas a edificar. Variaciones en altura dentro de la planta del edificio.
  • Secciones del propio edificio y la urbanización.
  • Planta taquimétrica de la parcela. Límites del terreno involucrado en la futura obra.
  • Situación exacta del edificio dentro de la parcela, incluyendo los límites de sus sótanos.
  • Los servicios  y redes subterráneas que existen dentro de la parcela (conducciones, depósitos, centros de transformación, etc).

Clasificación del terreno por el CTE

El esquema planteado por el CTE diferencia únicamente entre:

  • Terrenos favorables T-1.
  • Terrenos intermedios T-2.
  • Terrenos desfavorables T-3.

No obstante, la heterogeneidad de los terrenos ha obligado a encajar en los terrenos tipo T-3 un grupo bastante variado de terrenos problemáticos para las cargas de edificación (terrenos kársticos, variables, rellenos antrópicos, etc).

Por ello el Código indica:

En caso de terrenos T-3 o cuando el reconocimiento se derive de otro que haya resultado insuficiente, se intercalarán puntos de reconocimiento en las zonas problemáticas hasta que se definan adecuadamente.

La densidad y profundidad de los reconocimientos debe permitir una cobertura correcta de la zona a edificar.

Para definirlos se tendrá en cuenta el tipo de edificio, la ocupación en planta y el grupo de terreno.

Por todo ello no debemos recurrir o esperar un criterio excesivamente mecánico y debemos tener en cuenta que nuestro objetivo (tanto como redactores como proyectistas o promotores) es poder disponer de un modelo tridimensional del terreno que garantice la durabilidad de nuestra estructura en su interacción con el terreno. Debemos entender que es más correcto contemplar el sistema terreno-cimentación y por tanto ser capaces de definir el binomio hundimiento-asiento. El apartado de cimentaciones del informe geotécnico, para poder ser considerado completo, deberá:

  • Definir la geometría y propiedades, a cota de apoyo de la cimentación, del estrato que soportará las cargas de cimentación (condición de hundimiento).
  • Valorar, con unos parámetros de deformabilidad que se estudien adecuadamente, la zona de influencia tensional de la cimentación. Alcanzando siempre la profundidad a la que el incremento de carga por efecto del edificio sea despreciable o un nivel incompresible de gran espesor (generalmente la roca) (condición de asiento).

La cimentación debe satisfacer ambas condiciones, es decir, la carga admisible se definirá en función más restrictiva.

En el caso  de una cimentación en roca debemos ser capaces de responder a la potencia del estrato roca, perfil de meteorización y condiciones de estabilidad en el caso de que se requiera la realización de excavaciones. Independientemente de que este caso sea considerado un terreno tipo T-1, debemos recurrir a una cartografía geológica previa, a la toma de datos estructurales (estación geomecánica), a catas en caso de que se presente una cobertera con poco espesor de suelos y a sondeos en el caso de que el espesor de suelos nos impida alcanzar la roca mediante una retroexcavadora.

Para cimentación en suelos blandos que sean susceptibles de asientos de consolidación, debemos disponer de muestras inalteradas o ensayos in-situ que permitan evaluar los parámetros edométricos y la resistencia al corte en condiciones tanto drenadas como no drenadas.

Evidentemente no hay una correlación única entre la mejor técnica de investigación y una problemática geotécnica y en la definición intervienen factores de disponibilidad, limitación de acceso,…etc.

En cualquier caso no deberían influir factores como el precio o condicionantes no realistas de plazo que siempre repercutirán en la calidad del estudio y llevan asociado un incremento no justificado de la probabilidad de fallo.

Estudios geotécnicos en viviendas unifamiliares en Valencia.

En primer lugar hay que volver a insistir  que cualquier edificio destinado a vivienda  está sujeto a la LOE y por extensión al CTE. Pero además de la obligatoriedad legal, cabe destacar que la provincia de Valencia es tremendamente heterogénea geológicamente hablando. En un ámbito de unos pocos centenares de metros podemos encontrar estratos de roca caliza compacta, sedimentos de mucha potencia de margas, nivel freático somero, etc.

Por definición una vivienda unifamiliar corresponde al menos con una clase C0 (edificio) y por tanto debe disponer de al menos tres puntos de investigación. Hay que hacer notar que si la superficie construida (que se obtiene de la suma de la superficie de cada una de las plantas) supera los 300 m2, pasamos a un edificio tipo C1 y la investigación requiere que uno de los puntos sea un sondeo.

En el caso más sencillo de que el edificio se sitúe sobre un terreno del grupo T-1, las peculiaridades de este tipo de edificios permitirían realizar el estudio geotécnico con técnicas de investigación más sencillas (calicatas y/o penetrómetros dinámicos).

No obstante, hay que tener en cuenta que la ley surge para proteger al usuario final y que la mayor parte de los problemas no surgen de materiales inadecuados (actualmente sometidos a sellos y controles de calidad) sino de defectos en proyecto o en el proceso de ejecución que son achacables a fallos en el dimensionamiento o tipología de cimentación.

Por lo tanto, en terrenos de grupos T-2 y T-3 las necesidades de investigación serán independientes de la complejidad del edificio, por lo que no debemos descartar la realización de campañas costosas en viviendas unifamiliares, máxime si tiene aparejados movimientos de tierras y/o constan de plantas de sótano.

Construcción de chalés en Valencia

Construcción de unifamiliares en Valencia