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EVALUACIÓN DE DAÑOS ESTRUCTURALES EN CONEXIÓN TÚNEL-LUMBRERA OCASIONADOS POR ASIENTOS DIFERENCIALES

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El presente trabajo tiene por objetivo comprender y evaluar los severos daños estructurales acaecidos en la conexión formada entre un túnel y una lumbrera profunda a causa de asientos diferenciales. Para ello se emplean detallados modelos de simulación numérica capaces de considerar las múltiples interacciones entre elementos estructurales y la respuesta no lineal del concreto fisurado. Los mecanismos que los originan son finalmente descritos, determinando zonas no visibles donde también pudiera haberse producido daño, y estableciendo la relación existente entre la magnitud del asiento y el daño ocasionado.
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EVALUACIÓN DE DAÑOS ESTRUCTURALES EN CONEXIÓN TÚNEL-LUMBRERA
OCASIONADOS POR ASIENTOS DIFERENCIALES
Oriol Arnau Delgado
1
, Fernando Peña Mondragón
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RESUMEN
El presente trabajo tiene por objetivo comprender y evaluar los severos daños estructurales acaecidos en la conexión
formada entre un túnel y una lumbrera profunda a causa de asientos diferenciales. Para ello se emplean detallados
modelos de simulación numérica capaces de considerar las múltiples interacciones entre elementos estructurales y la
respuesta no lineal del concreto fisurado. Los mecanismos que los originan son finalmente descritos, determinando
zonas no visibles donde también pudiera haberse producido daño, y estableciendo la relación existente entre la
magnitud del asiento y el daño ocasionado.
ABSTRACT
The present paper is focused in the comprehension and evaluation of severe damages occurred in a tunnel-shaft
connection caused by differential settlements. Detailed numerical models, capable of reproducing the multiple
interactions between structural elements and the nonlinear response of cracked concrete, are used for such purpose.
The originating mechanisms are finally described, determining no visible zones that can present significant cracking,
and establishing the relation between the magnitude of the settlement and the associated damage.
INTRODUCCIÓN
Este trabajo se focaliza en el estudio de los severos daños estructurales aparecidos en una conexión entre la parte
inferior de una lumbrera y el túnel que la une a otra lumbrera cercana. Dicha conexión se enmarca dentro de una planta
de bombeo, la cual está destinada a la regulación de aguas residuales. Los daños se perciben directamente por la parte
superior de la lumbrera afectada (Fig. 1), observándose que el túnel ha penetrado hacia el interior de la lumbrera. A
consecuencia, se ha producido la rotura y desconche del concreto, mostrando el acero de refuerzo vertical de la
conexión pandeado hacia el interior de la lumbrera.
Figura 1. Daños observados en la conexión túnel-lumbrera.
1 Investigador Post-Doctoral Emilio Rosenblueth. Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Edificio
2, Circuito Escolar, Ciudad Universitaria, 04510, México, D.F. Teléfono: (55) 56233600 ext. 8418; OArnauD@iingen.unam.mx
2 Investigador Asociado C, Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Edificio 2, Circuito Escolar,
Ciudad Universitaria, 04510, México, D.F. Teléfono: (55) 56233600 ext. 8404; fpem@pumas.iingen.unam.mx
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La zona de estudio de la planta de bombeo se presenta en el esquema de la figura 2, donde el círculo verde indica la
conexión dañada. Las lumbreras presentan un diámetro interior de 16m, con un espesor de pared de concreto de 60cm,
alcanzando una profundidad aproximada de 30m. Alrededor de las mismas se encuentra una pantalla de mortero de
60cm de espesor, la cual está directamente en contacto con el concreto de las lumbreras (en color rojo en Fig. 2). La
lumbrera afectada también presenta una segunda pantalla de mortero de 60cm a una distancia aproximada de 6 metros,
cuyo objetivo de diseño era disminuir los efectos producidos por el hundimiento regional sobre la lumbrera. Las
lumbreras residen en la formación arcillosa superior del valle de México, mientras que las pantallas de mortero
alcanzan la primera capa dura a una profundidad aproximada de 36m.
Figura 2. Esquema de la las lumbreras afectadas.
Las lumbreras están conectadas entre sí por su parte inferior mediante túneles de 5m de diámetro interno, presentando
unas longitudes entre 17.5 y 21.2m, a una profundidad aproximada de su eje entorno a los 23.6m. Se ejecutaron una
vez construidas las lumbreras por medio del hincado de una camisa cilíndrica de acero de 2 ¼” de espesor, la cual fue
internamente revestida por 30cm de concreto armado que se conecta rígidamente a las lumbreras.
El análisis de las lecturas topográficas indica que se han producido hundimientos irregulares entre las distintas
lumbreras que forman la planta, originando un asiento diferencial máximo cercano a los 11cm entre la lumbrera
afectada (A) y la lumbrera al otro lado del túnel (B) (ver Fig. 2). Esta significativa diferencia en los desplazamientos
verticales se erige como la causa predominante y más probable de los daños observados, pero su origen no resulta
todavía plenamente conocido. Por otro lado, el reconocimiento de la planta de bombeo indica un hundimiento
generalizado hacia la lumbrera de estudio (lumbrera A en la figura 2), produciendo una cubeta de asiento a su alrededor.
Esta podría tener origen en fallas en los sistemas de contención de tierras que ocurrieron durante la construcción de
uno de los túneles y de un canal superficial. Este hecho podría haber producido, además del hundimiento vertical,
desplazamientos longitudinales de la lumbrera B hacia la lumbrera A (Fig. 2) que favorecerían el tipo de falla
observado.
Los principales objetivos del presente trabajo recaen en determinar cuál es el mecanismo de falla experimentado,
definir si fue exclusivamente causado por los hundimientos verticales, establecer zonas no visibles que puedan
presentar daños, así como definir las características que debería satisfacer el diseño de una conexión flexible para evitar
nuevos daños. A tal efecto, se realiza un modelo detallado de simulación numérica de la lumbrera, túnel y pantallas de
mortero, que permite tener en cuenta sus múltiples interacciones. Primeramente se realizan análisis considerando las
respuestas de los materiales como lineales–elásticos, permitiendo describir los principales mecanismos resistentes
involucrados y determinar la influencia que distintos parámetros poco conocidos pueden presentar en la respuesta de
la conexión. Posteriormente, se realiza un análisis considerando la no-linealidad material del concreto armado,
estudiando de forma más realística la evolución del daño y el posible estado de zonas no visibles. Finalmente se
presentan las conclusiones extraídas del presente estudio.
Lumbrera
B Lumbrera
A
Conexión
dañada
3
MODELIZACIÓN Y ANÁLISIS
Con el fin de entender el mecanismo de daño observado en la conexión, se realizó un primer modelo numérico de
elementos finitos con el programa comercial Abaqus, considerando que los materiales constituyentes presentan una
respuesta lineal elástica. Se realizan distintos análisis con los siguientes objetivos:
- Determinar el mecanismo básico por el cual se forman los daños observados.
- Estudiar la influencia que presenta la consideración de determinadas hipótesis y elementos secundarios.
- Determinar las zonas en que se hayan podido producir daños no visibles.
DEFINICIÓN DEL MODELO
A fin de simplificar el modelo numérico, únicamente se consideró la mitad en planta de la lumbrera, aplicando sus
correspondientes condiciones de frontera. Si bien en planta la lumbrera de estudio (A en figura 2) no es perfectamente
simétrica por la posición de los túneles de salida, se considera esta aproximación como razonable para el estudio local
de la conexión, más cuando las acciones aplicadas ya corresponden a los desplazamientos finalmente experimentados
por la estructura. Es por esta misma razón, y falta de obtener una completa caracterización hidrogeológica del terreno
envolvente, que no se han considerado los efectos de la interacción suelo-estructura. Si bien pueden influir en la
exactitud de los resultados obtenidos respecto a la estricta realidad, se considera que los efectos de interacción suelo-
estructura no deberían variar los mecanismos estructurales que han originado el daño observado.
El túnel de conexión se considera en toda su longitud a fin de respetar su flexibilidad real de acuerdo con las
dimensiones indicadas en la figura 2. La pantalla de mortero envolvente a la lumbrera A se considera con fines de
reproducir la influencia que esta pueda tener en el contacto con el túnel en la zona de conexión. A tal efecto, solo se
reproduce dicho mortero en la parte inferior de la lumbrera, tal y como se puede observar en la figura 3 (color marrón).
Este mortero se considera perfectamente adherido al concreto de la lumbrera. El hundimiento de las lumbreras también
puede producir la interacción del túnel con la pantalla de mortero intermedia. En consecuencia, dicha pantalla es
considerada mediante la modelización del tramo inferior al eje del túnel (ver soporte marrón en figura 3), donde se
ejercerá la presión a causa del asiento diferencial.
Los distintos elementos descritos se modelizan mediante 161,848 elementos finitos tridimensionales de 20 nodos, a
excepción de la base de la lumbrera donde se usan 37,320 elementos de 15 nodos (codificados como C3D20 y C3D15
en el programa Abaqus - Simulia, 2011). En la figura 3 se muestran unas imágenes generales tomadas del modelo,
donde se puede observar los diferentes materiales constituyentes del mismo. La tabla 1 presenta las propiedades
adoptadas para los materiales constituyentes.
Concreto Armado Acero camisa Mortero
Figura 3. Modelización realizada de la conexión.
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Tabla 1. Propiedades mecánicas de los materiales lineales-elásticos
Material Módulo de elasticidad
(kg/cm2)
Coeficiente de
Poisson, ν
Concreto 261,916 0.19
Acero de refuerzo 2,000,000 0.3
Mortero 10,000 0.19
INTERACCIONES
La naturaleza del problema determina varios puntos de interacción entre distintas partes de la estructura. Estos
responden a un problema de contacto entre superficies de materiales distintos, y de elementos que presentan una
discontinuidad física entre ellos. Por consiguiente, la problemática se aborda de la misma forma para todos ellos,
empleando el modelo de contacto incluido en Abaqus, el cual se comporta rígido a compresión y permite la separación
de los elementos a tensión. En la dirección tangencial, la unión presenta una respuesta friccional. Esto significa que
mientras existe el contacto, la unión de elementos se comporta rígida tangencialmente hasta que se alcanza la fuerza
de deslizamiento correspondiente a la fuerza normal existente. A falta de información más precisa, en todos los casos
se ha adoptado un coeficiente de fricción de µ=0.5. Las interacciones consideradas en el modelo son las definidas a
continuación (ver Fig. 4):
- Interfase entre la camisa metálica y su revestimiento interno de concreto (1).
- Soporte de la camisa metálica en la pantalla de mortero intermedia (2).
- Interfase entre el mortero circundante a la lumbrera y la camisa de acero (3).
- Contacto de la punta de la camisa de acero con el concreto (4).
Figura 4. Detalle de las zonas de interacción entre elementos y materiales.
ACERO DE REFUERZO
En la zona de conexión, el modelo incorpora el acero de refuerzo definido en los planos de detalle, tanto el convencional
de la lumbrera y el revestimiento del túnel (longitudinal y circunferencial), como el dispuesto específicamente para
reforzar la zona de conexión (ver Fig. 5). Este se incorpora de forma individual como elementos finitos de acero de
refuerzo embebidos en los elementos sólidos tridimensionales.
1
4
3
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1
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Figura 5. Vista del acero de refuerzo dispuesto en el modelo de análisis, convencional (Izquierda) y de
refuerzo de la conexión (derecha).
CARGAS Y CONDICIONES DE CONTORNO
Los asientos diferenciales se consideran como desplazamientos prescritos exclusivamente en el eje vertical, alcanzando
un máximo de 11cm. Se supone que la pantalla intermedia de mortero no se ve afectada del mismo modo que la
lumbrera A, por lo que se considera que ésta no se mueve con respecto a la lumbrera B.
La condición de simetría se consigue mediante apoyos simples en dirección horizontal en todo el largo de la lumbrera.
Al extremo del túnel, correspondiente a la lumbrera B, se restringe el desplazamiento horizontal, considerando que
conexión entre el túnel y la lumbrera B es rígida. Así mismo, la pantalla intermedia de mortero presenta sus
desplazamientos horizontales restringidos en las dos direcciones a fin de simular el confinamiento debido al suelo
circundante.
ANALISIS DEL MECANISMO DE DAÑO
La figura 6 muestra la deformación del modelo, así como el valor de los desplazamientos en la dirección longitudinal
del túnel (dirección X global del modelo numérico). Se observa que el hundimiento diferencial produce un
desplazamiento de la parte superior de la conexión hacia el interior de la lumbrera, alcanzando un máximo de 28mm
para el hundimiento diferencial máximo de 11cm. Esta deformación es coherente con el modo de falla observado en
la conexión túnel-lumbrera (ver figura 1).
Figura 6. Desplazamiento longitudinal al túnel (dirección X global) experimentado para el asiento diferencial
máximo de 11cm.
Max.28mm
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Los resultados muestran que, en la dirección longitudinal del túnel (X en el modelo numérico), se producen esfuerzos
de tensión en la parte inferior de la conexión y de compresión en la parte superior (figuras 7 y 8 respectivamente). El
concreto presenta sus máximos esfuerzos principales de tensión en el punto inferior de la conexión, del lado del túnel.
Para el hundimiento diferencial máximo, estos esfuerzos alcanzan valores alrededor de los 3,500 kg/cm2 (350 MPa),
los cuales obviamente sobrepasan la resistencia a tensión del concreto. Por lo tanto, es de esperar que esta zona presente
un alto nivel de agrietamiento, puesto que representa el punto de apertura del mecanismo de flexión que experimenta
la conexión. La figura 7 también muestra el correcto funcionamiento del modelo al permitir el despegue de la camisa
metálica de la lumbrera, no produciendo esfuerzos inverosímiles en ella.
Figura 7. Esfuerzos principales máximos (tensión) producidos en la conexión túnel-lumbrera.
En la figura 8 se muestra el mapa de esfuerzos principales mínimos (de compresión) de la conexión. Se observa como
en este punto, la camisa de acero presiona a la conexión, originando esfuerzos locales elevados de hasta 1,650 kg/cm2.
Por otro lado, la compresión máxima generada en el interior de la conexión (fruto de la combinación de las acciones
del concreto y la camisa del túnel), presenta un esfuerzo de alrededor 450 kg/cm2 (45 MPa), valores ligeramente
superiores a la resistencia a compresión del concreto.
Figura 8. Esfuerzos principales mínimos (compresión) en la conexión.
Max.3500kg/cm
2
7
Figura 9. Esfuerzos máximos en cara interior de la lumbrera, direcciones vertical y circunferencial.
La figura 9 muestra el mapa de esfuerzos verticales y circunferenciales en el interior de la lumbrera. Se observan
esfuerzos de tensión significativos en la zona superior de la conexión, con una distribución muy similar a los daños
observados (Fig. 1). El valor máximo de estos esfuerzos de tensión es de 300 kg/cm
2
(30 MPa), el cual es 10 veces
mayor que la resistencia a tensión del concreto. Esta distribución se debe principalmente al empuje del túnel en la parte
superior de la conexión.
De esta forma, para el asiento diferencial máximo el mayor esfuerzo de tensión se presenta en la parte inferior y exterior
de la conexión túnel – lumbrera. Por consiguiente, es de suponer que el mecanismo de daño se originaría en este punto,
produciéndose a posteriori el daño directamente observado en el muro interior de la lumbrera (Fig. 1).
Así pues, los resultados indican que el mecanismo de daño observado en la lumbrera A se corresponde con los efectos
derivados del hundimiento diferencial de la lumbrera A respecto a la lumbrera B. Cuando esto sucede, el túnel tiende
a inclinarse, apoyándose en el lado inferior de la lumbrera B y en el superior de la lumbrera A, tal y como se indica en
la figura 10 ilustrativa del mecanismo originado. En consecuencia, la nueva longitud existente entre los puntos de
apoyo tiende a ser mayor a la longitud inicial (tiende a la diagonal), pero la oposición al desplazamiento que presentan
las lumbreras se traduce en un incremento de los esfuerzos de compresión, originando el comúnmente conocido como
efecto de arco plano. Este efecto se puede observar claramente en la figura 11, donde se muestra el mapa de esfuerzos
a compresión en la dirección longitudinal del túnel. Estos se concentran en la parte superior del túnel en la zona de
contacto con la lumbrera A, mientras que en la lumbrera B se concentran en la parte inferior.
Figura 10. Descripción esquemática del mecanismo de arco plano.
σ
max
Vertical
Max.≈300kg/cm
2
σ
max
Circunferencial
Max.≈150kg/cm
2
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Figura 11. Esfuerzos de compresión en el túnel (camisa y concreto se muestran por separado).
ANÁLISIS DE CONDICIONES
Se realizan distintos análisis de la situación descrita mediante el modelo lineal-elástico material a fin de poder
determinar la influencia estructural que representa la consideración de elementos como la pantalla de mortero, o bien
distintas hipótesis de modelización. A continuación se describen brevemente y se especifica su finalidad:
Completo: considera todos los elementos e interfases descritas anteriormente. Es el modelo utilizado en el apartado
anterior.
Unión perfecta de la camisa de acero con el tubo de concreto (CR): en este modelo se elimina la posibilidad de
deslizamiento entre la camisa de acero y el tubo de concreto.
Sin pantalla intermedia de mortero (SPI): en este modelo se elimina la pantalla intermedia de mortero con el fin de
observar la influencia de la misma.
Tubo de conexión de concreto (TCC): los elementos que conforman la camisa de acero se suponen con las mismas
propiedades del concreto armado y se fijan a la lumbrera. Esta simplificación permite analizar la influencia de la camisa
de acero en la falla local del muro de la lumbrera.
La figura 12 muestra la gráfica del desplazamiento horizontal de la cara interior de la lumbrera, contra el
desplazamiento impuesto. Cabe recordar que esta relación es lineal debido a que los análisis realizados son elástico –
lineales. Se observa que el modelo que presenta un mayor desplazamiento es el completo, mientras que el que considera
un contacto perfecto entre la camisa de acero y el concreto en el túnel es el que presenta un menor desplazamiento
horizontal. Sin embargo, estas diferencias son pequeñas (del orden del 10%), por lo que la influencia de los diferentes
parámetros no es significativa.
Figura 12. Desplazamiento en la dirección longitudinal del túnel. Cara interior de la lumbrera en la clave de la
conexión.
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Por otro lado, la figura 13 muestra la evolución de esfuerzos principales máximos (tensión) medidos en la clave de la
conexión en la cara interna de la lumbrera (correspondiente a la zona dañada). Se observa que el modelo de la camisa
rígida es el que produce un esfuerzo de tensión mayor, mientras que considerar todo el túnel como si fuera solo de
concreto resulta la opción que presenta un valor menor. En este caso, las diferencias sí resultan significativas (alrededor
del 50%), pero estas se alcanzan para valores de esfuerzo de tensión muy superiores a los resistidos por el concreto.
Las diferencias existentes para los valores de esfuerzo de fisuración del concreto ( 3N/mm
2
) son poco significativas
y, por consiguiente, no se estima que justifiquen un cambio en los mecanismos determinados como causantes de la
fractura. Así mismo, el considerar la pantalla intermedia de mortero, es un parámetro que impacta poco en los
resultados del modelo numérico.
Figura 13. Esfuerzo principal de tensión en el interior de la lumbrera. Zona superior de la conexión.
CONCLUSIONES DE LA MODELIZACIÓN LINEAL ELÁSTICA
Los resultados obtenidos en los análisis realizados permiten concluir que los daños observados en la parte superior de
la conexión se deberían a esfuerzos de tensión verticales producidos en la lumbrera por el empuje de la parte superior
del túnel. Este elevado empuje sería resultado de la combinación de los efectos de flexión y del mecanismo de arco
plano descrito.
Así mismo, el estudio de la evolución de los esfuerzos muestra que para los niveles medidos de hundimientos
diferenciales deberían haberse producido diversos daños estructurales en otras zonas no visibles. La parte inferior de
la conexión es donde los esfuerzos de tensión en el concreto se incrementan más rápidamente, superando muy
ampliamente los admisibles. Es por tanto de esperar que este punto sea el primero donde se haya presentado la
fisuración. Debido a que el mecanismo se origina en ambos extremos del túnel, es también de esperar que exista una
fisuración significativa en la parte superior de la conexión a la lumbrera B. Los resultados también muestran que la
zona media del túnel, donde apoya en la pantalla intermedia de mortero, también es susceptible de presentar daños en
el concreto.
El análisis de las distintas hipótesis de modelización y consideración de elementos estructurales secundarios no ha
aportado evidencias que indiquen una influencia decisiva sobre los mecanismos estructurales que producen los daños
asociados al asiento diferencial.
De acuerdo con la respuesta estructural obtenida, el diseño de una conexión flexible que permitiera acomodar los
movimientos diferenciales debería cumplir los siguientes requisitos:
1-Capacidad de giro, para evitar los momentos flexionantes
2-Capacidad de extensión, para evitar los esfuerzos axiales y permitir la penetración de un elemento en el otro.
3-Cierta capacidad resistente a cortante, en función de la restricción de movimientos verticales.
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ANÁLISIS NO LINEAL
Los resultados obtenidos en el modelo lineal han mostrado que, para los niveles de hundimiento diferencial
experimentados, los esfuerzos de tensión alcanzados en algunos puntos rebasarían muy significativamente los máximos
resistidos por el concreto. A fin de conocer la influencia que el proceso de fisuración presenta en la respuesta de
conexión, la relación existente entre el asiento diferencial y el daño generado, así como determinar zonas no visibles
donde se haya podido producir agrietamiento, se procede a realizar un análisis no-lineal material de la conexión.
La modelización empleada en el análisis no-lineal material es la misma descrita en el apartado anterior, considerando
todas las interacciones entre elementos estructurales (completo). El análisis no-lineal se lleva a cabo mediante el
programa Diana 9.4.4. Se parte de la misma malla de elementos finitos generada en Abaqus, siendo en este caso
necesario introducir elementos específicos de interfase entre los distintos elementos estructurales (codificados como
CQ48I en Diana- TNO, 2011). El acero de refuerzo es igualmente considerado como elementos tipo refuerzo y
embebidos en los elementos sólidos. El concreto se considera como un material de respuesta elasto-plástica perfecta
en compresión, mientras que en tensión presenta una respuesta frágil con pérdida lineal de resistencia (Fig. 14). Esta
respuesta se implementa mediante el modelo de fisuración distribuida Total Strain Crack incluido en el programa
Diana (TNO, 2011). Los valores adoptados para el concreto se presentan en la tabla 2, donde la resistencia a tracción
y el módulo de elasticidad se han estimado a partir de la resistencia a compresión utilizando las Normas Técnicas
Complementarias del Distrito Federal (NTC-DF, 2004). El acero de refuerzo se considera mediante una respuesta
plástica con endurecimiento (Fig. 14), mediante la utilización del modelo de plasticidad de Von Mises y empleando
los valores mostrados en la tabla 2.
Figura 14. Respuesta no-lineal material considerada para concreto y acero de refuerzo.
Tabla 2. Propiedades mecánicas de los materiales, análisis no lineal.
Concreto Acero refuerzo
Módulo de elasticidad, E
c (kg/cm2) 261,916 Módulo de elasticidad, Es (kg/cm2) 2,000,000
Coeficiente de Poisson, νc 0.19 Coeficiente de Poisson, νs 0.3
Resistencia a compresión, σc (kg/cm2)
Resistencia a tensión, σt (kg/cm2)
Energía de fractura tensión, GIf (kg/cm)
350
27.8
0.12
Límite elástico, σe (kg/cm2)
Tensión última, σu (kg/cm2)
Deformación fluencia 1, ε1 (u)
Deformación última εu (u)
4200
6200
0.08
0.16
Mortero Acero Camisa
Módulo de elasticidad, Em (kg/cm2)
Coeficiente de Poisson, νm 10,000
0.19 Módulo de elasticidad, Es (kg/cm2)
Coeficiente de Poisson, νs 2,000,000
0.3
ε1 εu
ε
Concreto Acero de
refuerzo
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De acuerdo con los resultados obtenidos, el esfuerzo de tensión admisible para el concreto se alcanzaría primeramente
en la zona inferior exterior de la conexión para valores muy pequeños de asiento diferencial (alrededor de los 2.5mm)
(Fig. 15). Este hecho produce que la tensión del acero de refuerzo exterior del concreto del túnel aumente rápidamente,
tal y como puede observarse en la figura 16, alcanzando su inicio de plastificación para hundimientos diferenciales
cercanos a los 20mm. El incremento del asiento seguiría produciendo la apertura de la parte inferior de la conexión
(ver Fig. 16), incrementando la tensión en el acero de refuerzo de la cara interior hasta que este alcanza su esfuerzo de
plastificación para un asiento diferencial cercano a los 68mm. Por consiguiente, es de esperar que la zona inferior
exterior de la conexión presente unos daños muy significativos de acuerdo con la magnitud del asiento diferencial
ocurrido entre las lumbreras.
Figura 15. Mapa de esfuerzos en la dirección longitudinal al túnel. Asiento diferencial = 2.2mm.
Figura 16. Evolución del esfuerzo de tensión en el acero de refuerzo inferior de la conexión (Izquierda). Daño
en la sección inferior para un asiento diferencial de 40mm.
La fisuración del concreto en la parte inferior produce una disminución de la rigidez a flexión de la conexión,
modificando también el empuje que ejerce el túnel sobre la parte superior. Tal y como se puede ver en la figura 17,
este hecho implica que el desplazamiento hacia el interior de la lumbrera resulte sensiblemente menor al obtenido
mediante el modelo lineal, estableciéndose una disminución cercana al 20% para el asiento diferencial máximo de
11cm.
Esfuerzo
(
N/mm
2
)
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Figura 17. Desplazamiento de la clave de la conexión hacia el interior de la lumbrera.
El análisis de la intensidad de daño producida en la conexión por el hundimiento diferencial máximo (Fig. 18,
izquierda) muestra que la zona de la conexión más severamente afectada correspondería a la inferior exterior (escalado
de rojo -mucho daño- a azul oscuro –poco daño). Por otro lado, también se observa que se originan daños en la parte
superior del punto medio de túnel (solo se representa la mitad del túnel), en respuesta al punto de apoyo que supone la
pantalla intermedia de mortero.
Los resultados obtenidos muestran que en la zona de clave interior de la conexión se producirían unos daños
clasificados como leves (azul claro en figura 18 izquierda). Al analizar el mapa de esfuerzos que presenta el acero de
refuerzo vertical interior de la lumbrera (Fig. 18, derecha), se observa que muestra una distribución acorde tanto con
el agrietamiento realmente experimentado (Fig. 1), como con los resultados de esfuerzos verticales en la lumbrera (Fig.
9 izquierda). A pesar de ello, tanto los resultados de la intensidad de daño como los esfuerzos alcanzados por el acero
de refuerzo no resultan representativos de la magnitud del agrietamiento observado en la conexión. Por consiguiente,
se deduce que el asiento diferencial no resultaría la causa única que produciría la penetración del túnel hacia la
lumbrera, sino que también se requeriría de un significativo desplazamiento horizontal de acercamiento entre las
lumbreras.
Figura 18. Mapas de intensidad de daño (izquierda), y de esfuerzos en acero de refuerzo vertical (derecha).
Asiento diferencial = 11cm.
Esfuerzo
(
N/mm2
)
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CONCLUSIONES
El análisis, simulación y evaluación de los significativos daños estructurales causados por los asientos diferenciales en
la conexión túnel-lumbrera de estudio, ha permitido extraer las siguientes conclusiones:
Los modelos de simulación numérica han permitido comprender y analizar satisfactoriamente la compleja
respuesta estructural presentada por el conjunto de lumbreras y túnel.
El nivel de asientos diferenciales ocurrido resulta muy superior a la capacidad de resistencia del conjunto en
régimen lineal de los materiales.
El análisis de sensibilidad muestra que las distintas consideraciones de modelización realizadas, focalizadas
a evaluar la influencia de parámetros desconocidos, no condicionan de forma determinante el mecanismo de
falla.
Una futura conexión flexible debería satisfacer: capacidad de giro, de extensión, y cierta resistencia a corte.
El análisis no lineal ha permitido establecer zonas no observadas que deberían presentar un elevado nivel de
daño para el asiento diferencial estudiado.
Asimismo, permite concluir que el asiento diferencial no resulta la causa única para el daño observado,
requiriéndose además desplazamientos horizontales.
REFERENCIAS
Simulia, 2011. Abaqus /CAE 6.11 user’s manual.
TNO, 2011. Diana user’s manual. Release 9.4.4. http://www.tnodiana.com
NTC-DF, 2004. Normas Técnicas Complementarias del Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal.
Administración Pública del Distrito Federal. México.
... There is evidence of damage in tunnel-shaft connections built in soft clays in Mexico City (mentioned by References [1][2][3][4][5] ...
Full-text available
Article
In this document, the comparison, with the aid of the three-dimensional finite element method, of the long-term behavior of a tunnel-shaft connection is made from two hypotheses; the first considering the rigid connection as a monolithic concrete structure between the shaft wall and the tunnel body, and the second considering a material of elastic behavior between the two structures, resulting in a flexible connection. The linear elastic material considered was neoprene, widely used in the construction of this type of structure. The geotechnical model used, the initial piezometric conditions and the proposed piezometric conditions to evaluate the long-term condition, as well as a summary of the tunnel and shaft characteristics and dimensions are presented. The Soft Soil Model was used to carry out the analyzes with finite element for the compressible strata. In the results analysis, emphasis on the relative deformations and stresses concentration in the elements of the connection for each hypothesis is placed. Finally, some advantages and disadvantages of each connection alternative are discussed to face the effect of subsidence in Mexico City are discussed.
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