DIMENSIONAMIENTO DE CORTINAS DE GUIADO (DRAPES) COMPUESTAS DE ALAMBRE DE ACERO DE ALTA RESISTENCIA - Geobrugg
←
→
Transcripción del contenido de la página
Si su navegador no muestra la página correctamente, lea el contenido de la página a continuación
54 GEOTECNIA
DIMENSIONAMIENTO DE
CORTINAS DE GUIADO
(DRAPES) COMPUESTAS DE
ALAMBRE DE ACERO
DE ALTA RESISTENCIA
Roberto Luis Fonseca,
Ing. Caminos, Canales y Puertos, PhD. Grupo Geobrugg
Ricardo De Stefano Pérez,
Ing. Civil, MBA. Grupo Geobrugg
Armin Roduner,
Ing. Civil, MSc. Grupo Geobrugg
Desde la introducción de las barreras dinámicas de protección contra desprendimientos
de rocas en Suiza hace más de 60 años, se han investigado y desarrollado diversos
sistemas de protección (Luis Fonseca, 2010) para detener, guiar, aminorar-guiar, desviar o
amortiguar los desprendimientos de rocas, flujos de detritos, deslizamientos superficiales
o pequeñas purgas de nieve.
INTRODUCCIÓN Como resultado de esta amplia expe- protección muy eficiente contra des-
Debido a la alta complejidad de estos riencia, se han desarrollado los sistemas prendimientos de rocas, siendo además
sistemas (Figura 1), el modelado por de protección de mayor capacidad de en la mayoría de los casos, la solución
ordenador no puede reemplazar los absorción de energía, a la par que se más plausible desde el punto de vista
exhaustivos y completos ensayos de ha conseguido incrementar la eficien- económico. En situaciones en las que la
campo. Incluso los pequeños detalles cia económica y la seguridad de las altura de rebote esperada y la energía
en el diseño y la construcción influyen barreras dinámicas contra caída de cinética de los bloques son demasiado
en el comportamiento y, por tanto, en rocas y los sistemas de protección en altas o el área de captación es dema-
la seguridad de estos sistemas. Desde todo el mundo. siado pequeña y no hay espacio para
1989 Geobrugg lleva a cabo proyec- construir una barrera dinámica, la esta-
tos de investigación en EE UU, Japón, Las barreras dinámicas contra caída bilización del talud con membranas
Hong Kong, España, Chile, Australia, de rocas (con absorción de energía de alta resistencia ancladas, suele ser
Canadá y Suiza, realizando ensayos certificada de hasta 10.000 kJ) han la solución utilizada. En la medida en
de campo a escala natural. demostrado ser una medida de que la superficie de actuación sea más
Figura 1.
Sistemas de
protección contra
desprendimientos.
GEOTECNIA 55
extensa, la solución de estabilización
anclada se vuelve más costosa, ya que
implica la ejecución de forma regulara
de anclajes, lo cual además supone un
incremento en el tiempo.
En ocasiones, las cortinas de guiado
son la solución alternativa más ade-
cuada, ya que entre otras ventajas
plantean la posibilidad de garantizar el
mantenimiento de una forma simple
y económica, al pie de los desmontes.
Figura 3. Zonas a considerar durante
Es importante aclarar, que las corti- ENFOQUE GENERAL DEL el proceso de dimensionado.
nas de guiado se han difundido en PROCEDIMIENTO DE
el mercado posiblemente de forma DIMENSIONADO
excesiva. Abusando de sus presuntas El dimensionamiento correcto de los Zona de guiado: En función de la
ventajas, se han aplicado de forma sistemas de cortina de guiado con- capacidad de absorción energética
masiva membranas hexagonales dúc- trolado de rocas hacia el pie del talud de la membrana para el impacto de
tiles de alambre de acero de muy baja se debe realizar en dos partes: una un bloque dado, se selecciona el tipo
resistencia fyk (350-500MPa), que por relacionada con la zona de anclaje en de malla o red más apropiado. Dado
sus bajos costes se han convertido la coronación y otra correspondiente que el impacto es una solicitación
en una solución muy frecuente y, a a la zona de guiado de la roca hasta dinámica, la membrana, los cables
pesar de ello poco efectiva, por la el área de recolección, ubicada al pie y anclajes seleccionados deben ser
producción de desgarros y roturas, del desmonte (Figura 3). probados en condiciones análogas
que la hacen ineficiente y muy costosa al fenómeno real.
a fin de cuentas (Figura 2). Zona de anclaje: El cable de soporte
o suspensión superior solo se ancla a ENSAYOS REALIZADOS PARA
la coronación del desmonte o talud. DIMENSIONAR LA ZONA DE
La fijación se realiza a los dos laterales, ANCLAJE
así como de forma regular en toda la El sistema de cortina objeto de estudio
longitud de la coronación. Las dimen- ha de ser capaz de contener bloques
siones de dicho cable, así como las sueltos y guiarlos hasta la base del
Figura 2. Malla hexagonal dúctil dimensiones y espaciamiento entre talud entre la membrana y la pared de
desgarrada, en un intento fallido de empleo los anclajes flexibles que lo sujetan roca, sin que la membrana se desgarre
como cortina de guiado. deben diseñarse en función de las o falle (sea atravesada). Además, se
solicitaciones de la roca que se des- debe demostrar que la carga generada
La tecnología de guiado, aplicada prende, sobre la membrana a utilizar, en este proceso se puede transferir
de forma correcta, siguiendo una teniendo en cuenta la concentración del bloque a la membrana y de ella
base técnica sólida y empleando los de tensiones sobre la membrana, dis- a la zona estable del terreno a través
materiales adecuados, puede ser muy tribución sobre el cable y trasmisión del cable de soporte y del conjunto
eficiente. Sin embargo, su reputación a los puntos de anclaje, garantizando de anclajes flexibles.
se ha visto comprometida debido al la racionalidad en el diseño.
masivo empleo de materiales inapro- Para probar la carga y la capacidad de
piados. La información que se ofrece transferencia de solicitaciones de la
a continuación se basa en las últimas
La solución de guiado malla, Geobrugg llevó a cabo ensayos
tecnologías, la simulación matemática de rocas en taludes, de campo a escala natural en el polí-
y el conocimiento adquirido a través resulta ser una respuesta gono situado en la cantera de Lochezen
de ensayos de campo y aplicaciones factible y eficiente, en Walenstadt (Suiza), con una malla
prácticas en todo el mundo. Para un tipo Tecco G65/3. La configuración del
siempre y cuando se
funcionamiento correcto y seguro, es experimento se describe en las imáge-
importante que solo se utilice material utilicen los productos nes siguientes (Figura 4). Para el ensayo
apropiado, redes y mallas de acero de adecuados se utilizó un marco de unos 5 m de
alta resistencia fyk >1.770MPa. altura con una superficie de trabajo
56 GEOTECNIA
horizontal de 4,35 m x 4,35 m. Una
Figura 4.
viga de acero de 2,0 m de largo con 24
Fotografías
puntos de conexión a la malla simula del marco de
la acción desgarradora del bloque en ensayos, la
su viaje, talud abajo. malla Tecco
G65/3, viga
de tracción y
MEDICIÓN DE LAS TENSIONES
suspensión
Durante la ejecución de los ensayos se flexible
generan solicitaciones a tracción, que dispuesta
han sido medidas en los siguientes centralmente.
puntos (Figura 5): Ensayo Nº 13
(27 de mayo al
• Punto medio del paño de malla
5 de junio de
horizontal, permite determinar la
2002) en las
resistencia de la membrana de acero instalaciones
a la tracción directa (Z3) (Figura 6) de Walenstadt,
• En el extremo oeste del marco, Suiza.
en la zona central del vano, para
determinar la tensión máxima que
se transmite al anclaje (Z4) (Figura 6)
• A ambos lados (extremos) del cable de
soporte superior, para determinar las
fuerzas que durante el procedimiento
se generan en dicho cable (Z1 y Z6) Figura 5.
Medición de
• En los cables perimetrales latera-
solicitaciones
les, para determinar que parte de en el terreno.
la solicitación pudiesen transmitir
estos elementos (Z7 y Z8).
MEDICIÓN DE LAS
DEFORMACIONES
Un elemento a tener en cuenta en este
tipo de solución es la deformación
(flecha) que se produce en el cable de
soporte superior producto de la puesta
en tensión de la membrana, debida a
la acción de la tensión distribuida por Figura 6.
la viga de acero de 2 m (foto inferior Resultados de las
izquierda, Figura 7). mediciones de
tensión en Z3 y Z4.
PROCEDIMIENTO DE
DIMENSIONAMIENTO DE LA
ZONA DE ANCLAJE
Se trata de un procedimiento de
revisión, en el cual se van seleccio-
nando elementos componentes y se
van chequeando sus propiedades de
acuerdo con los valores iniciales (datos
de entrada), de forma tal que para
cumplir con determinadas solicitacio-
nes y haciendo uso de un conjunto de Figura 7.
factores de seguridad apropiados se Respuesta
deformacional
pueda conseguir un diseño en el que
en el cable de
exista un balance adecuado entre los
soporte superior.
componentes.
GEOTECNIA 57
1.- Datos iniciales necesarios 3.- Verificación de la membrana Para facilitar el proceso de dimen-
a: distancia horizontal entre anclajes Fddyn = V. γ. FSdyn Verificar que Fddyn sionado se ha creado una simple
de cable (coronación), [mm] sea menor que ZRservicio herramienta de cálculo que permite
f: flecha admisible del cable de Fddyn: solicitación que produce el resumir de forma simple las verifica-
soporte superior, [mm] bloque por metro lineal [kN/m] ciones antes explicadas (Figura 8).
γ: peso específico del bloque ines- FSdyn: factor de mayoración de las
table, [kN/m3] cargas para considerar el carácter
V: volumen estimado del bloque dinámico de las mismas [1,5-4,0]
por metro lineal, [m3/m]
φ: diámetro con el cual se tiene 4.- Verificación del cable
previsto ejecutar las perforaciones, de soporte superior
[mm] FSC = MBL / Zdr Verificar que FSC sea
τ Rd: Adherencia1 entre la pared menor o igual FSr
(terreno de cimentación) y el mor- Zdr = (a2. Fddyn) / (8. f)
tero de inyección, [kPa] Zdr: tensión resultante en el cable
FSτ: Factor Seguridad (adherencia de soporte superior, [kN]
suelo-mortero en taladro) MBL: carga de rotura del cable pro-
puesto, [kN]
2.- Selección de la membrana FSC: Factor de Seguridad calculado
de alta resistencia a emplear para el cable propuesto
ZR: resistencia a la desgarradura de FSr: Factor de Seguridad exigido
la membrana2 (Tabla 1), [kN/m] para el cable
FSR: Factor Seguridad a desgarradura
de la membrana 5.- Verificación del anclaje
ZRservicio: desgarradura de la membrana de cables flexible
(valor servicio), [kN/m] Zdwr = a. Fddyn Verificar que ZSa sea
mayor Zdwr
1
se recomienda emplear los valores Zdwr: carga máxima por anclaje de
propuestos por R. Ucar en el Manual cables (valor calculado), [kN]
de Anclajes en Ingeniería Civil. Zra: carga de rotura del anclaje de
2
resultado de los ensayos de campo cables (Tabla 2), [kN]
de Lochezen y extrapolación a partir FS a: Factor de Seguridad exigido Figura 8. Resultados del
para el anclaje de cables proceso de verificación.
de ensayos de laboratorio.
Z Sa: carga de servicio del anclaje
(trabajo), [kN] ENSAYOS REALIZADOS
MEMBRANA TIPO ZR [kN/m] l min: longitud mínima de anclaje PARA DIMENSIONAR LA
requerida en zona estable (tipo de ZONA DE GUIADO
DeltaX G80/2 31
suelo y diámetro de perforación), [m] Los valores de resistencia al corte
para las diferentes membranas de
MinaX G80/3 65
Geobrugg, se han determinado
MinaX G80/4 112 ANCLAJE TIPO ZRA [kN] mediante ensayos dinámicos de
campo a escala natural efectuados
Tecco G45/2 50
GA-7001 T-I (10,5 mm) 210 también en la Cantera de Lochezen
Tecco G65/3 89 en Walenstadt, Suiza. Tras estas
pruebas fue posible establecer los
Tecco G65/4 147 GA-7001 T-II (14,5 mm) 350
valores límites en función del ángulo
QuaroX 0/6.5/275 59 de caída, la velocidad, el tamaño y
GA-7001 T-III (18,5 mm) 525 la forma del bloque, tanto para la
Spider S3-130 129 solicitación dinámica como para la
Spider S4-130 212 GA-7001 T-IV (22,5 mm) 765 resistencia estática al corte.
Tabla 1. Valores de resistencia a la La primera de las series de ensayos se
desgarradura ZR para las membranas Tabla 2. Carga de rotura de los anclajes
desarrolló colgando una membrana
más comunes de Geobrugg. flexibles de Geobrugg.
de acero de alta resistencia con un
58 GEOTECNIA
ángulo de inclinación de 30º, de un
conjunto de postes ubicados a 14 mm
de la superficie y anclados a la cara
de talud (Figura 9). El objetivo de esta
configuración fue reproducir el efecto
de la caída de los bloques de forma
inversa a lo que ocurre en la realidad,
pero descartando el posible contacto
del bloque con el terreno con lo cual y
a efectos del ensayo solo se considera
la acción de la membrana sin conside-
rar el aporte (reducción de velocidad y
por ende de la energía) que aporta el
Figura 9. Ensayo dinámico realizado con un bloque de 1.730 kg.
contacto con la superficie del terreno.
En la Universidad de Newcastle, hormigón de 18,5 kg, entre la losa y la
Australia (Tahmasbi, 2018), se realiza membrana, su trayectoria fue captada
otra serie de ensayos de laboratorio y por dos cámaras de alta velocidad. Se
modela en 3D con elementos finitos colocaron dos cámaras en dirección
mediante Abaqus, el comportamiento perpendicular, una de ellas capturaba
de la membrana romboidal de alta la vista frontal y la otra la vista lateral.
resistencia Tecco G65/4, como compo- Se realizaron dos series de ensayos:
nente esencial del sistema de guiado. una sin cortina de guiado (con el fin
de recopilar datos para calibrar la inte-
La respuesta dinámica del sistema racción entre el bloque y la superficie)
se simuló incorporando el modelo y otra con las cortinas para reproducir
constitutivo elastoplástico en el pro- la interacción entre el bloque, la super-
cedimiento explícito de la solución. El ficie y las membranas. Los resultados
Figura 10. Ensayo de laboratorio
modelo desarrollado se calibró com- de los ensayos se analizaron utilizando
Universidad de Newcastle, 2018.
parando los resultados numéricos con la herramienta de análisis de video.
los resultados de los experimentos a
escala de laboratorio. Los resultados La geometría 3D de la malla Tecco torsión. Al material de la membrana
preliminares mostraron que el modelo G65/4 se modeló en Abaqus (Figura se le asignó un comportamiento
calibrado era capaz de predecir la res- 11). El tamaño de la cortina fue de 3,0 elastoplástico con una resistencia a
puesta del sistema con una precisión m × 3,5 m. Para simplificar, en el límite la tracción de fyk 1.770 MPa.
razonable. En el futuro, se pretende superior de la cortina, los nodos se
utilizar el modelo para realizar estudios fijaron en lugar de modelar la barra El punto A en la Figura 12 (izquierda)
paramétricos sobre diferentes aspectos de acero. La superficie de hormigón y se refiere al momento en que el
del diseño de las cortinas, incluidas las el bloque de hormigón se modelaron bloque rebota en la losa, mientras
propiedades del material del talud, el como rígidos. Se utilizó un número que el punto B (derecha) se refiere
número y el espaciado de los anclajes, total de 85.492 elementos de vigas al momento en que el bloque toca
la energía de impacto, la inclinación lineales de 2 nodos para discretizar las la cortina. La rotación del bloque dis-
del talud, la altura del sistema y el membranas romboidales de simple minuye después de que alcanza la
tamaño del bloque.
Se utilizó una losa de hormigón de 3
m x 1,2 m como superficie impactada
(Figura 10). La losa estaba apoyada
contra una estructura de soporte con
la posibilidad de ajustar el ángulo de
inclinación. Las cortinas se colgaron
de una barra de acero con una dis-
tancia horizontal ajustable desde la
Figura 11. Secuencia de impacto-guiado, modelación con Abaqus.
superficie. Se dejó caer un bloque de
GEOTECNIA 59
cortina. Por lo tanto, el momento en
que el bloque toca la membrana se
seleccionó como punto de inicio para
la comparación de trayectorias (punto
B derecha). El resultado muestra que
el modelo fue capaz de capturar la
velocidad y la trayectoria del bloque
con una precisión razonable.
De forma adicional en 2014 y con la
supervisión de WSL, se realizaron tam-
Figura 12. Evolución en el tiempo de la velocidad del bloque y su trayectoria
bién en la cantera de Lochezen en
(experimental y numérica).
Walenstadt, Suiza, una serie de ensa-
yos verticales a caída libre sobre varios
tipos de membrana para determinar su MEMBRANA TIPO CALIDAD ACERO f yk [MPa]
capacidad de absorción de energía en Malla hexagonal 80×100/2,7 mm 350-500
una condición de confinamiento peri-
Malla hexagonal híbrida
metral. Para el experimento se utilizó el 350-500
(80×100/2,7mm + cable 8 mm c/ 30 cm)
mismo marco de 5 m de altura con una
Tecco G65/3 1.770
superficie de trabajo horizontal de 4,35
m x 4,35 m utilizado para los ensayos de Tecco G65/4 1.770
desgarradura antes mencionados, los
materiales ensayados fueron (Tabla 3): Tabla 3. Materiales empleados en la serie de ensayos.
La realización de los ensayos consistió
en soltar un bloque normalizado de
lado 0,56 m y 420 kg de peso desde
diferentes alturas 4,85 m y 8,5 m, para
conseguir 20 kJ y 35 kJ respetivamente,
y con ellos probar la capacidad de los
materiales antes señalados. A conti-
nuación se muestra un resumen de los
ensayos realizados a los 4 productos.
Tras esta última serie de ensayos se
puede resumir que: Figura 13. Ensayo a la malla Figura 14. Ensayo a la malla hexagonal
1. Las membranas compuestas por hexagonal 80×100/2,7 mm. Energía 80×100/2,7 mm reforzada con cables de 8
20 kJ (420 kg en caída libre desde mm cada 0,3 m. Energía 20 kJ (420 kg en
alambre de acero dúctil de resisten-
4,85 m), resultado fallido. caída libre desde 4,85 m), resultado fallido.
cia f yk entre 350MPa y 500MPa no
son capaces de soportar los reque-
rimientos de energía establecidos
como necesarios 20kJ, las pruebas
dinámicas fallan, por ende no son
aptas para ser utilizadas como cor-
tinas de guiado de forma efectiva.
2. La adición de cables de refuerzo de
8mm en la dirección vertical cada
30m cm, no aporta resistencia al
conjunto, este producto heterogéneo
falla por el componente más débil
que sigue siendo la malla hexagonal
de acero dúctil, luego la adición de Figura 15. Ensayo a la malla Tecco G65/3. Figura 16. Ensayo a la malla Tecco G65/4.
Energía 20 kJ (420 kg en caída libre desde Energía 35 kJ (420 kg en caída libre desde
los cables no ejerce ninguna función
4,85 m), resultado correcto. 8,5 m), resultado correcto.
de refuerzo.
60 GEOTECNIA
3. La malla Tecco G65/3 compuesta de
alambre de acero de 3 mm y de f yk
1.770MPa es capaz de soportar de Figura 17. Ábaco
forma segura un impacto de 20 kJ. para la elección
4. En la misma geometría, pero con de membrana del
alambre de mayor diámetro 4 mm, sistema de guiado,
atendiendo el criterio
Tecco G65/4 y también de alta resis-
de la resistencia a
tencia es capaz de soportar de forma impactos dinámicos,
segura y completamente elástica, resultantes del ensayo
impactos de 35 kJ. vertical a caída libre.
A partir de los resultados de los ensayos kg desprendidos de taludes de menos de seguridad similar y apropiado. Los
y del conocimiento de las propiedades de 5 m o de unos 80 kg desprendidos ensayos realizados en Australia per-
resistentes de las diferentes membranas de cortes de hasta 15 m. mitieron además, calibrar un modelo
de Geobrugg, se pueden extrapolar de elementos finitos en Abaqus que
los resultados y establecer un ábaco CONCLUSIONES describe de manera correcta el ensayo
(Figura 17) que sirve de guía en el pro- La solución de guiado de rocas en de laboratorio.
ceso de selección de la membrana más taludes, resulta ser una respuesta fac-
apropiada en cada caso, siguiendo el tible y eficiente, siempre y cuando se Finalmente el ensayo a caída libre
criterio del impacto dinámico sobre la utilicen los productos adecuados. Las permite de forma clara establecer los
llamada zona de guiado. membranas que se utilicen (redes o límites de utilización de los productos
mallas) deben ser capaces de solu- y el rango de empleo de estos, con un
Los resultados obtenidos de los ensa- cionar el conjunto de solicitaciones grado de aproximación muy elevado.
yos se corresponden a las variantes a tracción (desgarradura) y a eventos Estos ensayos demuestran que la cali-
de 3 y 4 mm de la malla Tecco G65, dinámicos, que como consecuencia dad del acero y la homogeneidad de
el resto han sido extrapolados. Como del desprendimiento de los bloques la membrana es sin ninguna duda
se aprecia, la red Spider S4-130 es la de la pared, se puedan ocasionar. esencial para conseguir que los siste-
membrana romboidal más potente mas sean resistentes a las solicitaciones
del mercado, capaz de absorber gran Los ensayos realizados en sus diversas dinámicas que implican el guiado.
cantidad de energía, luego es la más series han permitido, por una parte,
adecuada para guiar bloques de gran dar garantía al proceso de dimensio- Como parte del proceso de diseño de
tamaño. Mientras la malla Tecco G65/4 namiento del sistema de anclajes o soluciones de protección, la experiencia
es la segunda en resistencia y tiene sujeción y por otra, definir cuáles son aquí recogida sirvió también de base
un tamaño de rombo pequeño, luego las capacidades de las membranas al método de dimensionamiento de
parece ser una excelente selección en el ante impactos directos. En el diseño de las barreras atenuadoras, producto que
caso en que el tamaño de los bloques la zona de anclajes del sistema, resulta surge por la combinación de una barrera
que se desprendan sea variable. Entre muy importante que el dimensionado dinámica y un sistema de guiado, inten-
ambos tamaños de malla Tecco G65, conjunto sea racional y que todos los tando aprovechar las ventajas de ambos
3 y 4 mm hay dos membranas: la red elementos funcionen con un factor grupos de soluciones. n
Spider S3-130 y la malla MinaX G80/4,
que pueden ser útiles dentro de este
entorno. Por debajo del umbral de la
malla Tecco G65/3 quedarían la malla
REFERENCIAS
MinaX G80/3 y la red QuaroX que son • Flum, D. (2002) The new Tecco drape system. Rüegger Systems test report
muy similares (se utilizará una u otra, en 40403-05. Switzerland
• Krummenacher, B. (2016) Report drape test in 2014. Swiss Federal Institute
dependencia del diámetro del bloque). for Forest, Snow and Landscape Research WSL. Switzerland
La malla Tecco G45/2 se debería utilizar • Luis Fonseca, R. (2010) Aplicación de membranas flexibles para la preven-
en caso de bloques más pequeños, ción de riesgos naturales. Ed. Ropero. Madrid
Roduner, A. (2019) Technische Daten und Berechnung. Geobrugg AG.
quedando en la parte inferior del
Schweiz
ábaco la malla DeltaX G80/2. La malla • Tahmasbi, S., Giacomini, A., Wendeler, C. y Buzzi, O. (2018) 3D Finite Element
hexagonal 80x100/2,7 mm estaría por Modelling of Chain-link Drapery System. University Newcastle. Australia.
debajo de la malla DeltaX G80/2 por
ende muy limitada, se estima pudiese
Tecco, Spider, MinaX, QuaroX y DeltaX son marcas registradas ® por Geobrugg.
contener bloques de menos de 250
También puede leer
