Levantamiento de una losa de piso sometida a flujo turbulento

Abstract

Resumen: A raíz del reporte histórico de levantamiento de losas de 0.3 a 4 m de espesor total (espesor real más espesor equivalente en anclaje) bajo un caudal menor al de diseño y sometidas a flujo turbulento, se ha venido abordando el fenómeno del levantamiento hidrodinámico a partir de la teoría y la experimentación en el modelo físico. Para una misma condición hidrodinámica, el espesor de una losa calculado aplicando los criterios existentes muestra grandes diferencias, por lo cual se dificulta escoger un criterio que garantice la estabilidad de la losa con el menor costo y, generalmente, el diseñador opta por el criterio más conservador. Tales diferencias se deben a que en cada criterio fueron necesarias simplificaciones en los modelos físicos y en los modelos conceptuales para determinar la carga hidráulica, debido a la complejidad del fenómeno y las limitaciones tecnológicas de su momento. De forma general se rescata que no eran simulados o reproducidos en su verdadera escala, detalles como las juntas de dilatación, la separación losa-fondo, el espesor de la losa, así como no era considerada la influencia de los sellos de las juntas en los campos de presión debajo de la losa. Así mismo, la posición y número de sensores que reporta la literatura no son suficientes para estimar la fuerza de levantamiento y su excentricidad con precisión. En este trabajo se tuvieron en cuenta las investigaciones existentes (aportes y carencias) para determinar la magnitud de la fuerza de levantamiento de una losa sometida a resalto hidráulico y a flujo supercrítico, su punto de aplicación y el efecto, sobre la misma, de las juntas de dilatación (con y sin sellos), la separación losa-fondo y la posición de la losa en el canal, a partir de la modelación física a escala reducida, considerando múltiples sensores para registrar en forma simultánea el campo de presiones encima y debajo de la losa. Estos resultados permitieron presentar parámetros de diseño de losas con anchos y longitudes aproximadas a 5 y 10 veces respectivamente, la profundidad del flujo incidente. Se seleccionaron 87 condiciones experimentales representativas con números de Froude del flujo incidente entre 3 y 10, para obtener una curva envolvente de los máximos coeficientes adimensionales netos de fuerza y momento, encontrados luego de un análisis espacio temporal de los campos de presión encima y debajo de la losa. Considerando un campo más amplio y variado de condiciones (760), se encontró un coeficiente experimental que tiene en cuenta el tamaño y la orientación de las juntas de dilatación, la separación losa-fondo y la posición de la losa en el canal. Este coeficiente amplifica la curva envolvente inicialmente encontrada para estimar la magnitud de la carga hidráulica de diseño que permite definir el espesor y el anclaje de la losa (curva de diseño). Para considerar algunas inestabilidades extremas encontradas en el muestreo y otras condiciones no evaluadas en el modelo que puedan incrementar la fuerza de levantamiento, se propone un refuerzo en las juntas transversales de dilatación a través de una articulación desligada, la cual consiste en una barra de acero que conecta dos losas, quedando fija en una de ellas y suelta la otra losa. Esta junta desligada pretende estimular el trabajo monolítico entre losas ante las fuerzas y momentos de levantamiento, previniendo desniveles mientras que permite la contracción y la expansión de la losa por cambios de temperatura. Por último, se presenta una metodología para evaluar el potencial de tubificación debajo de la losa, a partir del gradiente hidráulico encontrado en la modelación física, el tipo de suelo y el ancho de la junta.

Abstract: The historical report of the uplift of slabs from 0.3 to 4 m of total thickness (thickness more anchor) under turbulent flow has been the motivation for study the phenomenon of hydrodynamic uplift through the theory and experiment in the physical model. For the same hydrodynamic condition, the thickness of a slab calculated by applying existing criteria shows large differences, so it is difficult to choose an approach that guarantees the stability of the slab with the lowest cost and, generally, the designer chooses the criterion more conservative. Such differences are due to simplifications in the physical models and conceptual models in which were supported each criterion to determine the hydraulic head. Generally highlights that were not simulated or reproduced in their true scale details such as expansion joints, slab - background separation, the thickness of the slab, and was not considered the influence of joint seals in pressure fields under the slab. Likewise, the position and number of sensors reporting were not sufficient to estimate the uplift force and its eccentricity accurately. This study took into account existing research (contributions and shortcomings) to determine the magnitude of the uplift force under a slab subjected to supercritical flow and hydraulic jump, its point of application and the effect of the joints (with and without seals), the slab- background separation and the position of the slab in the channel. Also, this study works the small-scale physical modeling, considering multiple sensors to record simultaneously the pressure field above and below the slab. These results allowed to present design parameters of slabs with widths and lengths approximate 5 and 10 times, respectively, the depth of the incident flux. Eighty seven representative experimental conditions were selected with Froude numbers of incident flux between 3 and 10, to obtain an envelope curve of the force and moment net dimensionless maximum coefficients, found after a spatiotemporal analysis of the fields of pressure above and under the slab. Whereas a varied field conditions (760), an experimental coefficient which takes into account the size and orientation of the joints, slab - background separation and the position of the slab in the canal was found. This coefficient amplifies the envelope curve initially found to estimate the magnitude of the design hydraulic head that lets you define the thickness and anchor of the slab (curve design). To consider some extreme instabilities found in sampling and other conditions not evaluated in the model that can increase the lifting force, reinforcement through a debonded contraction joint was proposed.