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Sistemas de protección

Análisis del comportamiento de una barrera flexible de protección contra deslizamientos superficiales, bajo combinación de cargas: deslizamientos de tierra y caída de rocas

R. Luis Fonseca, Geobrugg Ibérica, SA, España / C. Wendeler, Geobrugg AG, Romanshorn, Suiza14/09/2017

En los últimos tiempos, peligros naturales tales como deslizamientos superficiales, desprendimiento de rocas, deslizamientos de nieve y de derrubios, se han visto agravados, amenazando la seguridad de las personas y las infraestructuras. Los riesgos combinados de deslizamientos de tierra y desprendimiento de rocas son una situación muy común en laderas inestables. Por otra parte, la acción erosiva de un deslizamiento superficial puede remover el suelo y la cubierta de vegetación hasta el lecho rocoso subyacente, exponiendo un mayor potencial para eventos de caídas de rocas.

En este artículo se discuten los desafíos en el diseño de medidas de protección que puedan hacer frente tanto a deslizamientos superficiales como a caídas de rocas, cada uno caracterizado por diferentes casos de carga. Los deslizamientos superficiales impactan las protecciones, con volúmenes de material y se cargan de forma distribuida gradualmente generando presiones, mientras que en general las rocas resultantes de los desprendimientos impactan puntualmente a altas velocidades. Se discuten los resultados de experiencias a escala natural que investigan diferentes combinaciones de carga.

1.- Introducción

La combinación de cargas es un tema común en el diseño de barreras flexibles. Por ejemplo, en múltiples ocasiones, las barreras compuestas de redes flexibles instaladas para control de aludes de nieve en la zona de generación, están sujetas a impactos de roca durante el verano, por lo tanto, es necesario combinar varios casos de carga para el diseño efectivo de un sistema (Figuras 1 y 2).

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Figura 1. Barrera flexible de redes de cable para control de aludes soportando un conjunto de bloques.

El diseño de una barrera flexible adaptada a múltiples casos de carga, podría conseguirse por diferentes medios. Una opción podría ser llevar a cabo ensayos a escala natural para cada uno de los casos de carga esperados, a los que se enfrentarían las barreras, es decir: caídas de rocas, deslizamientos de nieve, deslizamientos de tierra o caída de árboles, deslizamientos superficiales y flujos de derrubio. Sin embargo esto sería muy costoso.

Un enfoque quizá más comedido consiste en evaluar los peligros más importantes para el diseño y hacer el ensayo correspondiente solamente para estos. Los peligros más severos y contrastantes son los deslizamientos superficiales y la caída de rocas, dadas las grandes diferencias entre los ambos fenómenos.

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Figura 2. Barrera de protección contra desprendimientos cargada con material de un deslizamiento superficial.

En este documento se describen brevemente los riesgos de desprendimiento de las rocas y de deslizamientos superficiales poco profundos y se discuten las características importantes de sus casos de carga. A continuación, se presenta el enfoque para ensayar, modelar y diseñar una barrera de protección contra deslizamientos superficiales. Se examinan los resultados del impacto de las rocas sobre una barrera especialmente diseñada y desarrollada para el control de deslizamientos superficiales. Los resultados se discuten a continuación en el contexto de un proyecto en el que se presenta un caso de carga combinada, para el que se diseñó el sistema de barreras. El trabajo termina con un resumen de los resultados, destacando las cuestiones a considerar al diseñar barreras en casos de carga múltiple.

2.- Deslizamientos superficiales y desarrollo de una barrera flexible de protección

2.1.- Proceso de deslizamiento superficial

Entre la gran familia de deslizamientos, los deslizamientos superficiales poco profundos y los flujos de derrubios están escasamente documentados y estudiados (Rickli 2005). Los deslizamientos superficiales, suelen definirse en función de la profundidad de la superficie de fallo o por el valor del volumen involucrado (hasta 2 m o 200 m3 respectivamente). Se producen en pendientes pronunciadas durante las precipitaciones intensas y a pesar de su pequeño tamaño pueden alcanzar altas velocidades. El proceso de fallo es rápido y su localización es casi impredecible. Su evolución desde la rotura hasta la deposición es del orden de decenas de segundos, lo que hace especialmente difícil observar su comportamiento. Las distancias en las que trascurren suelen ser menores de cien metros, pero si el material está canalizado por el terreno, la propagación puede ser mucho mayor, entonces el fenómeno será considerado como un flujo de derrubios (Bugnion et al., 2011).

Debido a su alta densidad aparente y velocidad, los deslizamientos superficiales representan un serio peligro para las personas, edificios e infraestructuras como carreteras o líneas ferroviarias. El daño potencial se produce a través de la presión que puede ejercer el flujo sobre los objetos durante la fase de impacto. La presión de impacto proviene de la detención o desviación del material que fluye. La magnitud y duración de la acción de la presión depende de la cinética y las propiedades materiales del flujo, así como de la configuración del evento (tipo de impacto). Las relaciones que definen la presión de impacto en función de los parámetros mencionados son de gran importancia en los estudios de mitigación, delimitación de zonas de riesgo y en el diseño de medidas de protección como edificios reforzados, muros de contención o barreras flexibles (Bugnion et al. 2011)

2.2 Desarrollo de barreras contra deslizamientos superficiales poco profundos

Durante los ensayos, se utilizaron mezclas de derrubios de volúmenes hasta 50 m3 que fueron liberadas por una pendiente de 30° de 30 m de largo, que alcanzaron de 5 - 11 ms-1 como media. Como resultado de estos experimentos que se pudo desarrollar una barrera flexible de protección contra deslizamientos superficiales para soportar presiones superficiales de impacto hasta 200 kN/m2, como capacidad de carga límite.

Los 20 experimentos que se realizaron permitieron una caracterización detallada del flujo; también fue posible definir una relación entre los parámetros de flujo y las presiones de impacto. Las presiones de impacto del flujo se midieron con dos obstáculos cuadrados (12 por 20 cm) equipados con sensores de deformación colocados aproximadamente 10 m antes del impacto con la barrera. Las alturas de flujo y las velocidades superficiales se midieron con distanciómetros láser (sensores) colgados por encima del flujo.

A partir de las mediciones de las células de carga instaladas en los cables perimetrales y de retención de la barrera fue posible medir las solicitaciones en los puntos de interés requeridas para desarrollar un diseño estándar para barreras de protección contra deslizamiento superficial. El conocimiento de los parámetros mencionados y de las características del flujo superficial (de los 20 experimentos realizados) permitió desarrollar un modelo de diseño de barrera de interacción entre la estructura y el fluido, ajustando tanto un modelo de flujo open FOAM, así como como un modelo de barrera mediante elementos finitos FARO (Bötticher 2012, Fig. 3).

Además, se pudo desarrollar un modelo de diseño cuasi-estático basado en el análisis retrospectivo para las barreras flexibles de protección contra deslizamientos superficiales (Bugnion et al., 2012).

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Figura 3. Impacto superficial modelado en una barrera flexible con el software openFOAM (código de abierto) acoplado y modelado con el software FARO (Finite Element Software para el diseño de barreras).

A partir de los resultados del ensayo y del modelo, fue posible diseñar dos tipos de barrera estándares: uno ligero capaz de soportar presiones de hasta 100 kN/m2, y otro más resistente de hasta 150 kN/m2 de capacidad. Durante la serie de ensayos, presiones de impacto más altas de hasta 200 kN/m2 sólo se pudieron alcanzar en una ocasión, básicamente debido a limitaciones de las instalaciones. Sin embargo, con la ayuda del modelo de simulación computarizado y calibrado se pueden diseñar sistemas para presiones más altas.

2.2.- Desprendimiento de rocas y barreras flexibles de protección

2.2.1.- Caída de rocas

Los desprendimientos de roca se originan en general como resultado de la apertura en la juntas de acantilados o macizos rocosos altos de gran pendiente, que generan bloques con volúmenes entre 10-2 y 102 m3 cuyo movimiento descendente está bajo la influencia de la gravedad (Rochet, 1987). Las inestabilidades de las masas rocosas que provocan desprendimientos son comunes a lo largo de acantilados naturales y escarpados taludes de roca, pueden representar una severa amenaza para el asentamiento humanos y las infraestructuras situadas debajo.

El mecanismo de liberación, la forma y el tamaño de las rocas desprendibles se rigen por superficies de rotura a lo largo de planos de unión o discontinuidades (Jaboyedoff et al, 2011), y el desprendimiento es impulsado principalmente por la meteorización y la erosión que actúan sobre la masa rocosa. Después de la liberación, el movimiento de roca consiste en caída, rebote, rodadura o deslizamiento (Dorren et al, 2003). La combinación de estos modos de movimiento define la trayectoria y la intensidad de peligro (Energía) del área sometida a caídas de rocas (Baillifard et al, 2003).

Las velocidades de propagación típicas pueden ser del orden de 20-30 ms-1; las alturas de la trayectoria pueden alcanzar 20 m o más. Esto es importante porque da a las rocas un potencial de daño considerable y es comprensible porque se toman medidas para predecir su dinámica de salida y para dimensionar estructuras de protección que permitan mitigar el peligro que representan.

2.2.2.- Barreras flexibles de protección contra desprendimientos

El diseño de las estructuras de protección contra desprendimiento de rocas abarca desde: cercas o cerramientos simples hasta masivas presas de tierra capaces de proteger contra impactos de rocas entre 50 y 50.000 kJ (ASTRA, 1998), respectivamente. En el espectro de las soluciones de protección contra caída de rocas, las barreras flexibles de protección contra desprendimiento de rocas se diseñan generalmente para hacer frente a impactos en el rango de 100 – 5.000 kJ, aunque existen barreras flexibles contra caída de rocas que han sido diseñadas para soportar impactos de hasta 8.000 kJ (Geobrugg, 2012).

Un aspecto clave de su diseño es la flexibilidad incorporada en la red y los elementos especiales de frenado o disipación de energía, que se extienden durante un impacto y permiten que las fuerzas dinámicas y puntuales de una roca sean absorbidas a una distancia mayor reduciendo las solicitaciones pico que actúan sobre la barrera. Sin embargo, las fuerzas implicadas durante una caída de rocas son instantáneas, si se comparan con el impacto de un deslizamiento superficial, si una barrera tiene que hacer frente a estas dos dinámicas de impacto, sin duda será necesario hacer adaptaciones.

2.2.3.- Barreras de protección contra deslizamientos ensayadas a impacto puntual

Para hacer frente a las diferencias en los casos de carga, el sistema de barreras contra deslizamientos superficiales desarrollado durante el ensayo el Veltheim, el modelo de barrera fue ensayado bajo el caso de carga de impacto puntual en el Dynamic Test Centre de Vauffelin, Suiza.

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Figura 4. Barrera tipo SL- 150 contra deslizamientos superficiales, impactada por un bloque con una energía de 500 kJ.

El ensayo consistió en un impacto horizontal con un bloque equivalente de 500 kJ en la barrera estándar SL-150 (resistencia a la presión dinámica de 150 kN/m2). La barrera de protección contra deslizamiento superficial fue capaz de absorber el impacto de 500 kJ y se mantuvo dentro de sus condiciones de servicio. Ensayos hasta su máxima capacidad de diseño no se han podido realizar, por limitaciones de las instalaciones (Figura 4). Sin embargo, es razonable que el sistema estándar pueda absorber energías de impactos de rocas entre 1000 - 1500 kJ, con daños limitados.

Se observó que para energías de impacto más altas, serían necesarias pocas modificaciones del sistema estructural. Es posible comparar las solicitaciones en los cables durante el impacto de 500 kJ con las fuerzas medidas durante los impactos de los deslizamientos superficiales. Las diferencias más importantes son:

  • El impacto puntual de los bloques es altamente expedito, esto es visible ya que las solicitaciones registradas en los cables muestran una duración de 200-300 ms, muy inferior comparada con el impacto de un deslizamiento superficial que dura más de 4-5 s;
  • Los valores de solicitación máxima en los cables de soporte perimetral, son similares para ambos casos de carga;
  • Sin embargo, los valores de solicitación máxima en los cables de retención son más altos en el caso de deslizamientos superficiales, debido a la carga estática que se va acumulando en el trasdós de la barrera, mientras se produce el proceso de llenado.
  • Se ha comprobado que las solicitaciones en las bases de los postes, son mayores para las barreras de protección contra deslizamientos superficiales, en comparación con las barreras de protección contra desprendimientos de rocas. En el caso de barreras de protección contra deslizamientos, se ha observado una cierta deformación plástica, sin embargo, en caso de impacto puntual no se observa deformación plástica en las bases tras el golpe.
  • Tras un deslizamiento de tierras, se observó una cierta deformación plástica en las placas base de los postes, sin embargo en caso de impactos puntuales de bloques, no se observó deformación alguna.

Estos resultados son críticos para adaptar la barrera a ambos casos de carga: se consideraron tanto la posibilidad de contención de caída de bloques rocosos, como los deslizamientos superficiales. Algunos detalles de las adaptaciones de diseño se analizan en la siguiente sección sobre el proyecto de Balisberg, que fue la principal motivación para realizar ensayos en la barrera.

3.- Proyecto Balisberg – Diseño bajo el supuesto de combinacion de cargas

El proyecto de Balisberg fue encargado por SBB (empresa Suiza de Ferrocarriles) y en él se presentó un caso de los riesgos múltiples que implicaban deslizamientos de tierra y desprendimientos de rocas, que amenazaron la seguridad de la línea ferroviaria. Los ingenieros proyectistas fueron encargados de la tarea de desarrollar un sistema de barrera flexible para soportar ambos casos, de acuerdo con la evaluación de los riesgos proporcionada por una oficina de ingeniería previamente contratada por el cliente. Para el diseño se proporcionaron mapas de peligros tanto para deslizamientos superficiales como para desprendimiento de rocas, definiendo la intensidad, el período de retorno, en las áreas objeto de estudio (Figuras 5 y 6). Ambos planos de riesgo dan una intensidad, para un período de retorno de 100 años.

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Figura 5. Mapa de intensidad para un período de retorno de 100 años. Muestra deslizamientos superficiales para el área objeto de estudio (predominio de intensidad media).

La intensidad de los deslizamientos superficiales medio se refiere a la profundidad de fallo de rotura M entre 0,5 <M <2,0 m y la altura de flujo h inferiores a 1,0 m. A sugerencia del grupo de trabajo de deslizamiento AGN (Bolliger et al., 2004) se deben considerar presiones de impacto de hasta 60 kN/m2 para intensidad media.

 

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Figura 6. Intensidad de caídas de roca, para un período de retorno de 100 años, en el área objeto de estudio (predominio de alta intensidad).

El mapa de riesgos de desprendimiento de rocas muestra zonas con alta intensidad, lo que significa energías mayores de 300 kJ (tabla 1). De la investigación de campo y los resultados de la simulación, la energía de diseño debe ser de hasta 2000 kJ.

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Tabla 1. Clasificación de la intensidad de los desprendimientos y deslizamientos superficiales en Suiza de acuerdo con la AGN (Bolliger et al. 2004).

3.1.- Simulación numérica y adaptación de la barrera

El sistema de barrera requerido para cumplir con el caso de riesgo fue una combinación de un sistema estándar SL-100 (presión de diseño de 100 kN/m2), que se ajustaría al impacto de deslizamiento superficial con presión de diseño de 60 kN/m2 y una barrera de rocas diseñada para energías hasta 2000 kJ. Esto requirió que el diseño de la barrera se verificará para este caso de carga particular, ya que éstas no eran las condiciones ensayadas durante los experimentos a escala natural. Los modelos numéricos desarrollados durante los ensayos facilitaron la verificación y adaptación del diseño de la barrera.

El enfoque consistía en considerar un modelo de barrera estándar de protección contra caída de rocas tipo RXI-200, certificado bajo la guía de FOEN suiza (Gerber, 2001) para impactos de hasta 2000 kJ para cumplir con los requerimientos de impacto de roca de acuerdo con la energía de diseño de roca y exponerlo a las presiones de impacto del deslizamiento superficial de tierra esperado, utilizando el modelo de simulación numérica FARO (Figura 3). La Figura 7 muestra la primera presión de impacto del deslizamiento con una carga dinámica de 60 kN/m2 sobre una altura de flujo de 1 m según el mapa de riesgos. La carga se distribuye sobre el área afectada y actúa sobre los nodos de la barrera. Asumiendo que dirección simplificada del impacto es rectangular a la barrera para todos los casos de carga.

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Figura 7. Primer caso de carga sobre la barrera: presión de impacto de 60 kN/m2 actuando sobre una altura flujo de 1 m.

La figura 8 ilustra la barrera llena, cargada por la presión hidrostática del material lodoso sobre la altura total de la barrera de 4 m.
Los detalles completos de los resultados de la simulación se presentaron en el informe de diseño interno de SBB (Wendeler, 2013). Las adaptaciones más importantes a la barrera de protección contra caída de rocas consistieron básicamente en: refuerzo de los cables de soporte, perimetrales y de retención así como incremento de la sección transversal del poste y refuerzo de la placa base.
Una relación entre las solicitaciones y la capacidad de trabajo máxima de todos los componentes, arrojó un factor de seguridad del 72%, lo cual implica un margen de seguridad aceptable. También se ha podido concluir tras los cálculos y las simulaciones de casos reales, que hay una sobreestimación (usual) de las solicitaciones resultantes en los componentes.

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Figura 8. Segundo caso de carga sobre la barrera: presión hidrostática de 80 kN/m2 actuando sobre toda la una altura (4 m).

Todas estas adaptaciones necesarias de acuerdo con los resultados de la simulación no alteraron la capacidad funcional de la barrera como elemento de protección contra desprendimiento de rocas (Prüfbericht 04-7, 2004). Ese era un importante criterio de diseño que debía probarse en las simulaciones.

4.- Conclusiones

A través de este trabajo se ha demostrado que las barreras flexibles de protección contra desprendimientos se pueden diseñar para diferentes casos de carga, tales como deslizamientos de tierra y caída de rocas. Se han explicado los dos procedimientos para combinar la carga de desprendimiento de rocas con la presión superficial de impacto de deslizamiento. La primera aproximación consistió en realizar ensayos a escala natural de impactos de rocas, sobre un sistema de barrera que había sido desarrollado para contener deslizamientos superficiales. Esto demostró cómo se deben reforzar los cables de retención, laterales y verticales, junto con los postes y bases.

La segunda de las aproximaciones consiste en revisar, es decir someter al sistema de cargas distribuidas y acumuladas de un deslizamiento superficial a una barrera diseñada para impactos puntos resultados de los desprendimientos de rocas.

Se encontró que las solicitaciones en el caso de deslizamientos superficiales son más altas, debido al comportamiento de propagación de la carga de impacto a través de todos los campos de barrera. Por consiguiente, también las solicitaciones más altas van a los cables de retención debido a la mayor componente de la fuerza en la dirección del talud. Los impactos de los bloques en la barrera son del orden de milisegundo, mientras que la duración del impacto de los deslizamientos superficiales es mucho mayor (varios segundos).

Estos resultados también se pueden transferir a las barreras de protección contra desprendiendo de rocas comúnmente impactadas pequeños impactos de la nieve o purgas (Schlussbericht zu alpS Projekt B2.1 2006).

En resumen, cada caso de carga para cada un peligro natural diferente tiene que ser considerado por separado en el cálculo, pero las similitudes entre las cargas del área extendida como las presiones de nieve y las presiones de deslizamiento de derrubios y de escombros son evidentes para el comportamiento de carga general, pero por supuesto con diferentes valores de presión.

Referencias

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