Bitácora de diseño Presas N.º 06
Presa Koyna, 1967: por qué una presa de concreto se fisura en el "cuello"
Resumen. En 1967 un sismo agrietó la presa Koyna, en India, justo donde cambia la pendiente de su cara aguas abajo. La modelé en OpenSees y el video muestra cómo aparece ese daño, segundo a segundo.
En diciembre de 1967, un sismo sacudió la zona de la presa Koyna, en el oeste de India. Koyna es una presa de gravedad de concreto de unos 100 m de alto, y aguantó sin colapsar. Pero cuando la revisaron encontraron fisuras horizontales en sus dos caras, todas más o menos a la misma altura: justo donde la cara aguas abajo cambia de pendiente.
Desde entonces, Koyna es el ejemplo con el que casi todo el que modela presas pone a prueba su modelo. Si tu modelo no fisura la presa en ese lugar, algo anda mal.
En esta nota vamos a ver tres cosas: por qué la presa se fisura justo ahí, cómo la modelé, y cómo leer el video que acompaña la nota.
Por qué se fisura en el “cuello”
Mira la forma de la presa en el video. Abajo es ancha, un triángulo grande. Arriba, a unos dos tercios de la altura, la cara aguas abajo se vuelve casi vertical y la presa se angosta de golpe. A esa zona se le suele llamar el cuello.
Cuando el sismo mueve la base, la parte ancha se mueve casi en bloque. La parte de arriba, delgada y pesada, se queda atrás y luego se adelanta, como la punta de un látigo. Todo ese vaivén se concentra en el cuello, donde la sección es más chica.
A eso se suma algo que ya sabes del concreto: resiste muy bien la compresión, pero a tracción aguanta apenas una décima parte. Cuando la cresta se inclina hacia un lado, una cara del cuello se estira. Si se estira más de lo que el concreto aguanta, se abre una fisura.
Cómo la modelé
Usé OpenSees en Python, con un modelo plano de la sección más alta de la presa:
- Concreto con un material que pierde rigidez a tracción cuando se fisura (daño a tracción, de 0 sin daño a 1 abierto).
- Embalse lleno, del lado izquierdo.
- Roca de fundación en tres capas. Sus propiedades son supuestas, no medidas en Koyna, y así lo indica el video.
- Registro sísmico de Koyna 1967, con sus componentes horizontal y vertical.
Antes de correr el sismo verifiqué lo básico, el periodo de vibración. Mi modelo da unos 19 rad/s (cerca de 3 Hz, o sea s), prácticamente lo mismo que el modelo de referencia en Abaqus y que la solución clásica de Chopra.
Cómo leer el video
El video tiene cuatro paneles que avanzan juntos:
- La presa (izquierda). La deformada está exagerada 150 veces para que se vea. El color es el daño: amarillo es concreto sano, morado y negro es concreto fisurado.
- El registro (arriba a la derecha). La línea roja marca en qué segundo del sismo estás. El pico horizontal llega cerca de 0.5 g.
- El desplazamiento de la cresta (al medio). Cuánto se mueve la cresta respecto de la base. Los picos más grandes rondan los 6 a 8 cm.
- El área fisurada (abajo). Qué porcentaje de la presa tiene daño casi total.
Fíjate en el panel de abajo mientras corre el video. El daño no crece de forma suave: sube en escalones. Cada escalón coincide con un pico de desplazamiento de la cresta. La fisura avanza solo cuando el látigo da un golpe fuerte, y entre golpe y golpe se queda quieta. Al final, entre 4 y 5 % de la presa queda fisurada. El daño se concentra en el cuello, donde se fisuró la Koyna real, y en el talón, en el contacto con la roca.
Lo que me llevo
- Valida primero con algo simple. El periodo es barato de calcular y te dice si la masa y la rigidez están bien antes de gastar horas en el análisis no lineal.
- El daño por tracción es muy sensible. La energía que el concreto disipa al fisurarse cambia cuánto avanza la fisura. Hay que declararla y justificarla, no dejar el valor por defecto.
- Separa lo medido de lo supuesto. Aquí la roca es hipotética. El patrón de fisuras se parece al real, pero eso no convierte a este modelo en un modelo de Koyna “verdadero”.
Si tu modelo de presa no fisura Koyna en el cuello, no lo uses todavía para otra presa.
Modelo académico hecho con datos públicos.
Contenido educativo y referencial. Las opiniones son mías y no representan a ningún empleador. Para un proyecto real manda el criterio del ingeniero responsable y la norma vigente.
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