Estudios térmicos evolutivos de presas de hormigón compactado con rodillo en fase de construcción

Ponce Farfán, Cristian (2021). Estudios térmicos evolutivos de presas de hormigón compactado con rodillo en fase de construcción. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.69309.

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Title: Estudios térmicos evolutivos de presas de hormigón compactado con rodillo en fase de construcción
Author/s:
  • Ponce Farfán, Cristian
Contributor/s:
  • Santillán Sánchez, David
  • Toledo Municio, Miguel Ángel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ingeniería Civil: Hidráulica, Energía y Medio Ambiente
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En esta tesis doctoral se estudia la evolución térmica de las presas de hormigón compactado con rodillos (HCR) en construcción. Las presas de HCR se fabrican con hormigón de baja hidratación térmica que contiene cemento y cenizas volantes. El fraguado del hormigón es una reacción química exotérmica que eleva la temperatura de la mezcla. El calor de fraguado se libera al medio ambiente a través de las superficies de la presa. La naturaleza masiva de las presas de HCR y su rápida construcción hacen que parte del calor de fraguado se retenga dentro del cuerpo de la presa, lo que da lugar a diferencias de temperatura entre el núcleo de la presa y las caras de la misma. Los gradientes de temperatura pueden inducir tensiones que fracturen la presa. En consecuencia, los estudios térmicos en las presas de HCR en construcción son de vital importancia. En la presente tesis se desarrolló un software para calcular el campo térmico de las presas de HCR en construcción. En primer lugar, dicho software fue validado en un caso de estudio, la presa de Rialb, una presa de HCR construida en Lérida, España. Se simuló el campo térmico durante la construcción y se comparó los resultados del modelo con los datos registrados en la presa. El ajuste del modelo es notable y el grado de precisión es satisfactorio. Posteriormente, se analizó el efecto de los mecanismos de intercambio de calor -conducción, convección y radiación- en el campo térmico. Se concluyó que tanto la radiación solar como el intercambio de radiación electromagnética son los mecanismos más importantes. Por último, se evaluó el empleo del modelo sol-aire, una metodología simplificada para calcular el intercambio de calor entre la presa y la atmósfera. Se concluyó que el enfoque sol-aire proporciona buenas estimaciones de temperatura en las zonas cuasi-adiabáticas de la presa, pero no en las zonas cercanas a los paramentos. En segundo lugar, se estudió el efecto del modelo de hidratación del calor en el campo térmico. Existen dos tipos de modelos de hidratación: adiabático y no adiabático. Se simuló el campo térmico de otro caso de estudio, una presa inspirada en la presa de HCR de Enciso, utilizando ambos modelos. También se estudió el impacto de las condiciones climáticas y la temperatura de colocación del hormigón en el campo térmico. Las simulaciones mostraron que el modelo no adiabático proporciona una mayor temperatura del hormigón que el adiabático, ya que la reacción de hidratación se rige por una única curva de generación de calor en los modelos adiabáticos y no está influenciada por las condiciones climáticas o la temperatura del hormigón. En cambio, el modelo no adiabático proporciona una rica variedad de evoluciones de generación de calor, que se ven afectadas tanto por las condiciones climáticas como por la temperatura del hormigón. Por último, se evaluó el impacto de la dimensión del modelo -3-D, 2-D y 1-D- y el ritmo de construcción en el campo de temperatura, y se delucidó las diferencias en las predicciones de temperatura entre los modelos. Los análisis concluyen con algunas recomendaciones sobre la dimensión del modelo más adecuada. En este sentido, los modelos 3-D deben utilizarse para simular las partes de la presa cercanas a los estribos, los modelos 2-D son adecuados en las secciones centrales, y los modelos 1-D proporcionan un buen rendimiento en las zonas cuasi-adiabáticas. ----------ABSTRACT---------- In this doctoral thesis, we study the thermal change of roller-compacted concrete (RCC) dams under construction. RCC dams are made from low heat hydration concrete that contains cement and fy ash. The concrete setting is an exothermic chemical reaction that raises the temperature of the mixture. The setting heat is released into the environment through the surfaces of the dam. The massive nature of RCC dams and the fast construction make setting heat be retained inside the dam body resulting in high-temperature diferences between the dam core and the dam faces. High-temperature gradients may induce stresses that fracture the dam. Consequently, thermal studies in RCC dams under construction are of vital importance. Here, we develop software to compute the thermal feld of RCC dams under construction. First, we validate our software in a case study, Rialb dam, a RCC dam built in Lérida, Spain. We simulate the thermal feld during the construction and compare model outputs with recorded data in the dam. The performance of the model is remarkable and the degree of accuracy is satisfactory. Afterward, we analyze the efect of the heat exchange mechanisms –conduction, convection, and radiant heat– on the thermal feld. We conclude that both solar radiation and electromagnetic radiation exchange are the most important mechanisms. Lastly, we evaluate the performance of the sun-air approach, a simplified methodology to compute the heat exchange between the dam and the atmosphere. We conclude that the sol-air approach provides good temperature estimations in the quasi-adiabatic areas of the dam, but not in the areas close to the faces. Second, we study the. There are two types of effect of the heat hydration model on the thermal field hydration models: adiabatic and nonadiabatic. We simulate the thermal feld of our another case study, a dam inspired by Enciso RCC dam, using both models. We also study the impact of the climatic conditions and the concrete placing temperature on the thermal field. Our simulations show that the non-adiabatic model provides higher concrete temperature than the adiabatic one since the hydration reaction is governed by a single heat generation curve in the adiabatic models and is not influenced by the climatic conditions or the concrete temperature. In contrast, the non-adiabatic model provides a rich variety of heat generation evolutions, which are affected by both the climatic conditions and the concrete temperature. Lastly, we assess the impact of the model dimension –3-D, 2-D, and 1-D– and the construction rate on the temperature field, and we elucidate the differences in temperature predictions between the models. Our analysis concludes with some recommendations about the most suitable model dimension. In this sense, 3-D models must be used to simulate those parts of the dam close to the abutments, 2-D models are suitable in the central sections, and 1-D models provide good performance in the adiabatic areas.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainRTC-2015-3794-5ACOMBOUnspecifiedDesarrollo de un código de cálculo para el análisis termo-tensodeformacional complejo de las presas bóveda

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Item ID: 69309
DC Identifier: https://oa.upm.es/69309/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:69309
DOI: 10.20868/UPM.thesis.69309
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 12 Jan 2022 08:42
Last Modified: 12 Jan 2022 08:42
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