El día 2 de julio de 1967 una de las compuertas radiales del aliviadero de la presa Wachi en el Río Yura en Japón colapsó, debido a las vibraciones inducidas por la formación de vórtices (inestabilidad dinámica) que se generaron cuando la compuerta se abrió parcialmente.
Los datos y las imágenes que se presentan en este texto se han obtenido a partir de las referencias bibliográficas que se citan al final del artículo.
Tal y como se muestra en la figura siguiente la compuerta fue arrastrada más de 130 metros río abajo, dejando libre el vano de la compuerta.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA CON LAS VIBRACIONES
Aunque las compuertas radiales para los aliviaderos de las presas se suelen diseñar y fabricar con suficiente rigidez para soportar la presión del agua, se pueden producir grandes vibraciones debido a los vórtices generados por la fluctuación de la presión del agua durante el vertido por el aliviadero de la presa.
Kolkman (1974) y Thang y Naudascher (1986) demostraron que la vibración de la compuerta radial es causada por la separación y reinserción del flujo de agua alrededor de la compuerta radial y por el flujo inestable resultante bajo compuerta. También confirmaron que la vibración de la compuerta radial se puede amplificar por los cambios de presión causados por los diferentes niveles de agua, tanto aguas arriba como aguas abajo, durante las maniobras de apertura y cierre.
Por otra parte, Abelev (1979) utilizó el número de Strouhal para predecir la frecuencia de vibración de las compuertas verticales de un aliviadero durante la descarga.
Jongeling (1988) investigó las vibraciones inducidas por el flujo cuando la altura de apertura de una compuerta de forma rectangular era pequeña.
Boldyrev, Lupuleac y Zhelezhyakova (2004) y Petukhov (2008) utilizaron modelos de turbulencia para mostrar que la vibración de la compuerta radial puede deberse a vórtices generados en el borde inferior de la compuerta.
Tras el colapso de la compuerta radial del aliviadero de la presa Folsom (1995), la USBR invitó a Ishii a investigar la causa del fallo de la compuerta. Como resultado de la investigación de Ishii, se identificó un nuevo mecanismo de fallo en compuertas Taintor (Anami & Ishii, 2000; Anami, 2002; Ishii et al, 2005). En este mecanismo, la vibración por flexión de la compuerta en el sentido de la corriente se combina con la vibración que se produce alrededor del pasador para producir una intensa vibración en modo acoplado. La vibración excesiva puede llegar a originar el colapso de la compuerta radial por fatiga en conectores, uniones, etc., por lo tanto, es importante proponer métodos que permitan la reducción de las vibraciones en las compuertas durante su operación, garantizando la seguridad y el adecuado funcionamiento de las compuertas durante las operaciones de vertido por el aliviadero de la presa.
INFORME OFICIAL DEL COLAPSO DE LA COMPUERTA E INVESTIGACIONES ULTERIORES
La investigación oficial del colapso de la compuerta de la presa Wachi concluyó que el fallo fue debido al pandeo de los brazos radiales como resultado de una resistencia estática insuficiente de la estructura de la compuerta (Yano, 1968). No obstante, en base a la identificación de grietas y fracturas en los brazos radiales, el informe de la investigación también expresó una preocupación por la posible implicación de la carga dinámica inducida por vibraciones en el pandeo de los brazos. Sin embargo, en aquella época todavía no se tenía conocimiento del mecanismo de rotura por vibraciones que tienen lugar al interaccionar el fluido con la estructura.
Por lo tanto, el informe oficial abría la puerta a nuevas líneas de investigación, es decir, además de tener en consideración la carga hidrostática sobre la compuerta, también es importante tener en cuenta los modos de vibración natural de la estructura y la vibración autoexcitada (no atenuada). De hecho, estudios realizados a posteriori confirmaron que la compuerta radial del aliviadero de la presa Wachi no pudo haber colapsado debido únicamente a las cargas estáticas, porque el coeficiente de seguridad para el pandeo del brazo radial obtenido fue de 1,41, lo que indicaba que no había posibilidad de colapso exclusivamente por la carga hidrostática. Es decir, los modos de vibración naturales se identificaron con el análisis efectuado y se realizó un examen detallado de la susceptibilidad de la compuerta a la vibración autoexcitada en modo acoplado. Y finalmente se concluyó que la compuerta de la presa Wachi también experimentó un estado de intensa inestabilidad dinámica en el momento del colapso.
En particular, se pudo comprobar que cuando la amplitud de la vibración localizada en la parte central inferior de la compuerta alcanzó 8,5 milímetros, la carga hidrodinámica actuante sobre la estructura de la compuerta, debido al efecto de inercia de la enorme masa de agua, excedió el factor de seguridad de pandeo de 1,41, y la compuerta colapsó rápidamente.
ANÁLISIS COMPUTACIONAL DE LA INTERACCIÓN FLUIDO-ESTRUCTURA Y ENSAYOS EN MODELO REDUCIDO
En los últimos años se han formulado diseños iniciales para compuertas radiales utilizando análisis numérico reduciendo el tiempo y el costo del proceso de diseño. Los avances en los campos de la dinámica de fluidos computacional (CFD) y de la mecánica estructural computacional (CSM) han dado como resultado la formulación de soluciones numéricas para el problema de interacción fluido-estructura (FSI). Este tipo de análisis permite evaluar la intensidad de la vibración en una compuerta radial durante la descarga de agua, así como la respuesta dinámica de la compuerta radial para varias alturas de apertura durante el desembalse correspondiente.
Los vórtices que se localizan en la parte inferior de la compuerta suelen aumentar considerablemente a partir de una cierta altura de apertura, momento en el que se produce la mayor aceleración de la vibración en la compuerta. El análisis de las características del flujo muestra que los vórtices locales cerca del fondo trasero de la compuerta radial constituyen la causa principal de la vibración.
No obstante, se obtiene como resultado del análisis que la aceleración vertical máxima absoluta disminuye significativamente después de colocar una placa suplementaria en la superficie trasera inferior de la compuerta radial.
Los resultados del modelo computacional se pueden contrastar mediante ensayos con modelos hidráulicos reducidos que permiten medir la vibración en las compuertas radiales. A continuación, se muestran dos imágenes con el modelo de Saemangeum que ilustran el vertido y la compuerta radial a escala reducida en laboratorio.
Seguidamente, también se muestra una tabla con los valores de aceleración vertical máxima absoluta medida en la parte central inferior de la compuerta radial de Saemangeum.
CONCLUSIONES
La compuerta radial de la presa Wachi sufrió una intensa vibración autoexcitada (no atenuada) en modo acoplado tras la realización de una pequeña maniobra de apertura, que provocó el colapso con una amplitud de la vibración en el sentido de la corriente de unos pocos milímetros, localizada en la parte central inferior de la compuerta.
Existen métodos para mitigar las vibraciones inducidas por el flujo en una compuerta radial para garantizar la seguridad operativa y la estabilidad a largo plazo, por ejemplo, empleando una placa suplementaria a la superficie trasera inferior de la compuerta reduciendo las vibraciones por la interacción fluido-estructura. Tras colocar la placa suplementaria, la aceleración de la vibración vertical de la compuerta disminuye y se reducen las tensiones tangenciales (vórtices tras la compuerta). El número de Strouhal que describe la intensidad de la vibración de la compuerta en el fluido también se reduce después de colocar la placa suplementaria.
Esto es importante para el diseño adecuado de las compuertas radiales, para el reacondicionamiento de compuertas radiales existentes y para establecer buenos planes de mantenimiento; mejorando de esta forma el comportamiento de estas estructuras y alargando su vida útil frente a la fatiga.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) Seung Oh Lee, Hoje Seong & Jun Won Kang (2018) Flow-induced vibration of a radial gate at various opening heights, Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 12:1, 567-583, DOI: 10.1080/19942060.2018.1479662
2) Ishii, N., et al., (2008). Analogous Tainter-Gate failures in Japan and USA. Flow Induced Vibration, Zolotarev & Horacek eds. Institute of Thermomechanics, Prague, 2008
