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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

11/02/2021
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

Debido a la alta complejidad de estos sistemas (Figura 1), el modelado por ordenador no puede reemplazar los exhaustivos y completos ensayos de campo. Incluso los pequeños detalles en el diseño y la construcción influyen en el comportamiento y, por tanto, en la seguridad de estos sistemas. Desde 1989 Geobrugg lleva a cabo proyectos de investigación en EE UU, Japón, Hong Kong, España, Chile, Australia, Canadá y Suiza, realizando ensayos de campo a escala natural.

Como resultado de esta amplia experiencia, se han desarrollado los sistemas de protección de mayor capacidad de absorción de energía, a la par que se ha conseguido incrementar la eficiencia económica y la seguridad de las barreras dinámicas contra caída de rocas y los sistemas de protección en todo el mundo.

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Figura 1. Sistemas de protección contra desprendimientos.

Las barreras dinámicas contra caída de rocas (con absorción de energía certificada de hasta 10.000 kJ) han demostrado ser una medida de protección muy eficiente contra desprendimientos de rocas, siendo además en la mayoría de los casos, la solución más plausible desde el punto de vista económico. En situaciones en las que la altura de rebote esperada y la energía cinética de los bloques son demasiado altas o el área de captación es demasiado pequeña y no hay espacio para construir una barrera dinámica, la estabilización del talud con membranas de alta resistencia ancladas, suele ser la solución utilizada. En la medida en que la superficie de actuación sea más 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 adecuada, ya que entre otras ventajas plantean la posibilidad de garantizar el mantenimiento de una forma simple y económica, al pie de los desmontes.

Es importante aclarar, que las cortinas de guiado se han difundido en el mercado posiblemente de forma excesiva. Abusando de sus presuntas ventajas, se han aplicado de forma masiva membranas hexagonales dúctiles de alambre de acero de muy baja resistencia fyk (350-500MPa), que por sus bajos costes se han convertido en una solución muy frecuente y, a pesar de ello poco efectiva, por la producción de desgarros y roturas, que la hacen ineficiente y muy costosa a fin de cuentas (Figura 2).

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Figura 2. Malla hexagonal dúctil desgarrada, en un intento fallido de empleo como cortina de guiado.

La tecnología de guiado, aplicada de forma correcta, siguiendo una base técnica sólida y empleando los materiales adecuados, puede ser muy eficiente. Sin embargo, su reputación se ha visto comprometida debido al masivo empleo de materiales inapropiados. La información que se ofrece a continuación se basa en las últimas tecnologías, la simulación matemática y el conocimiento adquirido a través de ensayos de campo y aplicaciones prácticas en todo el mundo. Para un funcionamiento correcto y seguro, es importante que solo se utilice material apropiado, redes y mallas de acero de alta resistencia fyk >1.770MPa.

Enfoque general del procedimiento de dimensionado

El dimensionamiento correcto de los sistemas de cortina de guiado controlado de rocas hacia el pie del talud se debe realizar en dos partes: una relacionada con la zona de anclaje en la coronación y otra correspondiente a la zona de guiado de la roca hasta el área de recolección, ubicada al pie del desmonte (Figura 3).

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Figura 3. Zonas a considerar durante el proceso de dimensionado.

Zona de anclaje: El cable de soporte o suspensión superior solo se ancla a la coronación del desmonte o talud. La fijación se realiza a los dos laterales, así como de forma regular en toda la longitud de la coronación. Las dimensiones de dicho cable, así como las dimensiones y espaciamiento entre los anclajes flexibles que lo sujetan deben diseñarse en función de las solicitaciones de la roca que se desprende, sobre la membrana a utilizar, teniendo en cuenta la concentración de tensiones sobre la membrana, distribución sobre el cable y trasmisión a los puntos de anclaje, garantizando la racionalidad en el diseño.

Zona de guiado: En función de la capacidad de absorción energética de la membrana para el impacto de un bloque dado, se selecciona el tipo de malla o red más apropiado. Dado que el impacto es una solicitación dinámica, la membrana, los cables y anclajes seleccionados deben ser probados en condiciones análogas al fenómeno real.

Ensayos realizados para dimensionar la zona de anclaje

El sistema de cortina objeto de estudio ha de ser capaz de contener bloques sueltos y guiarlos hasta la base del talud entre la membrana y la pared de roca, sin que la membrana se desgarre o falle (sea atravesada). Además, se debe demostrar que la carga generada en este proceso se puede transferir del bloque a la membrana y de ella a la zona estable del terreno a través del cable de soporte y del conjunto de anclajes flexibles.

Para probar la carga y la capacidad de transferencia de solicitaciones de la malla, Geobrugg llevó a cabo ensayos de campo a escala natural en el polígono situado en la cantera de Lochezen en Walenstadt (Suiza), con una malla tipo Tecco G65/3. La configuración del experimento se describe en las imágenes siguientes (Figura 4). Para el ensayo se utilizó un marco de unos 5 m de altura con una superficie de trabajo horizontal de 4,35 m × 4,35 m. Una viga de acero de 2,0 m de largo con 24 puntos de conexión a la malla simula la acción desgarradora del bloque en su viaje, talud abajo.

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Figura 4. Fotografías del marco de ensayos, la malla Tecco G65/3, viga de tracción y suspensión flexible dispuesta centralmente. Ensayo Nº 13 (27 de mayo al 5 de junio de 2002) en las instalaciones de Walenstadt, Suiza.

Medición de las tensiones

Durante la ejecución de los ensayos se generan solicitaciones a tracción, que han sido medidas en los siguientes puntos (Figura 5):

  • Punto medio del paño de malla horizontal, permite determinar la resistencia de la membrana de acero a la tracción directa (Z3) (Figura 6)
  • En el extremo oeste del marco, 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)
  • En los cables perimetrales laterales, para determinar que parte de la solicitación pudiesen transmitir estos elementos (Z7 y Z8).
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Figura 5. Medición de solicitaciones en el terreno.
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Figura 6. Resultados de las mediciones de tensión en Z3 y Z4.

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 la viga de acero de 2 m (foto inferior izquierda, Figura 7).

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Figura 7. Respuesta deformacional en el cable de soporte superior.

Procedimiento de dimensionamiento de la zona de anclaje

Se trata de un procedimiento de revisión, en el cual se van seleccionando 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 solicitaciones y haciendo uso de un conjunto de factores de seguridad apropiados se pueda conseguir un diseño en el que exista un balance adecuado entre los componentes.

1.- Datos iniciales necesarios

a: distancia horizontal entre anclajes de cable (coronación), [mm]

f: flecha admisible del cable de soporte superior, [mm]

γ: peso específico del bloque inestable, [kN/m3]

V: volumen estimado del bloque por metro lineal, [m3/m]

φ: diámetro con el cual se tiene previsto ejecutar las perforaciones, [mm]

τRd: Adherencia1 entre la pared (terreno de cimentación) y el mortero de inyección, [kPa]

F: Factor Seguridad (adherencia suelo-mortero en taladro)

2.- Selección de la membrana de alta resistencia a emplear

ZR: resistencia a la desgarradura de la membrana2 (Tabla 1), [kN/m]

FSR: Factor Seguridad a desgarradura de la membrana

ZRservicio: desgarradura de la membrana (valor servicio), [kN/m]

1 se recomienda emplear los valores propuestos por R. Ucar en el Manual de Anclajes en Ingeniería Civil.

2 resultado de los ensayos de campo de Lochezen y extrapolación a partir de ensayos de laboratorio.

Membrana tipo ZR [kN/m]
DeltaX G80/2 31
MinaX G80/3 65
MinaX G80/4 112
Tecco G45/2 50
Tecco G65/3 89
Tecco G65/4 147
QuaroX 0/6.5/275 59
Spider S3-130 129
Spider S4-130 212

 

Tabla 1. Valores de resistencia a la desgarradura ZR para las membranas más comunes de Geobrugg.

3.- Verificación de la membrana

Fddyn = V. γ. FSdyn Verificar que Fddyn sea menor que ZRservicio

Fddyn: solicitación que produce el bloque por metro lineal [kN/m]

FSdyn: factor de mayoración de las cargas para considerar el carácter dinámico de las mismas [1,5-4,0]

4.- Verificación del cable de soporte superior

FSC = MBL / Zdr Verificar que FSC sea menor o igual FSr

Zdr = (a2. Fddyn) / (8. f)

Zdr: tensión resultante en el cable de soporte superior, [kN]

MBL: carga de rotura del cable propuesto, [kN]

FSC: Factor de Seguridad calculado para el cable propuesto

FSr: Factor de Seguridad exigido para el cable

5.- Verificación del anclaje de cables flexible

Zdwr = a. Fddyn Verificar que ZSa sea mayor Zdwr

Zdwr: carga máxima por anclaje de cables (valor calculado), [kN]

Zra: carga de rotura del anclaje de cables (Tabla 2), [kN]

FSa: Factor de Seguridad exigido para el anclaje de cables

ZSa: carga de servicio del anclaje (trabajo), [kN]

lmin: longitud mínima de anclaje requerida en zona estable (tipo de suelo y diámetro de perforación), [m]

Anclaje tipo Zra [kN]
GA-7001 T-I (10,5 mm)  210
GA-7001 T-II (14,5 mm) 350
GA-7001 T-III (18,5 mm) 525
GA-7001 T-IV (22,5 mm) 765

 

Tabla 2. Carga de rotura de los anclajes flexibles de Geobrugg.

Para facilitar el proceso de dimensionado se ha creado una simple herramienta de cálculo que permite resumir de forma simple las verificaciones antes explicadas (Figura 8).

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Figura 8. Resultados del proceso de verificación.

Ensayos realizados para dimensionar la zona de guiado

Los valores de resistencia al corte para las diferentes membranas de Geobrugg, se han determinado mediante ensayos dinámicos de campo a escala natural efectuados también en la Cantera de Lochezen en Walenstadt, Suiza. Tras estas pruebas fue posible establecer los valores límites en función del ángulo de caída, la velocidad, el tamaño y la forma del bloque, tanto para la solicitación dinámica como para la resistencia estática al corte.

La primera de las series de ensayos se desarrolló colgando una membrana de acero de alta resistencia con un 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 considerar el aporte (reducción de velocidad y por ende de la energía) que aporta el contacto con la superficie del terreno.

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Figura 9. Ensayo dinámico realizado con un bloque de 1.730 kg.

En la Universidad de Newcastle, Australia (Tahmasbi, 2018), se realiza otra serie de ensayos de laboratorio y modela en 3D con elementos finitos mediante Abaqus, el comportamiento de la membrana romboidal de alta resistencia Tecco G65/4, como componente esencial del sistema de guiado.

La respuesta dinámica del sistema se simuló incorporando el modelo constitutivo elastoplástico en el procedimiento explícito de la solución. El modelo desarrollado se calibró comparando los resultados numéricos con los resultados de los experimentos a escala de laboratorio. Los resultados preliminares mostraron que el modelo calibrado era capaz de predecir la respuesta del sistema con una precisión razonable. En el futuro, se pretende utilizar el modelo para realizar estudios paramétricos sobre diferentes aspectos del diseño de las cortinas, incluidas las propiedades del material del talud, el número y el espaciado de los anclajes, la energía de impacto, la inclinación del talud, la altura del sistema y el tamaño del bloque.

Se utilizó una losa de hormigón de 3 m × 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 distancia horizontal ajustable desde la superficie. Se dejó caer un bloque de hormigón de 18,5 kg, entre la losa y la membrana, su trayectoria fue captada por dos cámaras de alta velocidad. Se colocaron dos cámaras en dirección perpendicular, una de ellas capturaba la vista frontal y la otra la vista lateral. Se realizaron dos series de ensayos: una sin cortina de guiado (con el fin de recopilar datos para calibrar la interacción entre el bloque y la superficie) y otra con las cortinas para reproducir la interacción entre el bloque, la superficie y las membranas. Los resultados de los ensayos se analizaron utilizando la herramienta de análisis de video.

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Figura 10. Ensayo de laboratorio Universidad de Newcastle, 2018.

La geometría 3D de la malla Tecco G65/4 se modeló en Abaqus (Figura 11). El tamaño de la cortina fue de 3,0 m × 3,5 m. Para simplificar, en el límite superior de la cortina, los nodos se fijaron en lugar de modelar la barra de acero. La superficie de hormigón y el bloque de hormigón se modelaron como rígidos. Se utilizó un número total de 85.492 elementos de vigas lineales de 2 nodos para discretizar las membranas romboidales de simple torsión. Al material de la membrana se le asignó un comportamiento elastoplástico con una resistencia a la tracción de fyk 1.770 MPa.

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Figura 11. Secuencia de impacto-guiado, modelación con Abaqus.

El punto A en la Figura 12 (izquierda) se refiere al momento en que el bloque rebota en la losa, mientras que el punto B (derecha) se refiere al momento en que el bloque toca la cortina. La rotación del bloque disminuye después de que alcanza la 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.

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Figura 12. Evolución en el tiempo de la velocidad del bloque y su trayectoria (experimental y numérica).

De forma adicional en 2014 y con la supervisión de WSL, se realizaron también en la cantera de Lochezen en Walenstadt, Suiza, una serie de ensayos verticales a caída libre sobre varios tipos de membrana para determinar su capacidad de absorción de energía en una condición de confinamiento perimetral. Para el experimento se utilizó el mismo marco de 5 m de altura con una superficie de trabajo horizontal de 4,35 m × 4,35 m utilizado para los ensayos de desgarradura antes mencionados, los materiales ensayados fueron (Tabla 3):

Membrana tipo Calidad acero fyk [MPa]
Malla hexagonal 80×100/2,7 mm 350-500
Malla hexagonal híbrida (80×100/2,7mm + cable 8 mm c/ 30 cm) 350-500 
Tecco G65/3 1.770MPa
Tecco G65/4 1.770MPa

 

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 continuación se muestra un resumen de los ensayos realizados a los 4 productos.

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Figura 13. Ensayo a la malla hexagonal 80×100/2,7 mm. Energía 20 kJ (420 kg en caída libre desde 4,85 m), resultado fallido.
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Figura 14. Ensayo a la malla hexagonal 80×100/2,7 mm reforzada con cables de 8 mm cada 0,3 m. Energía 20 kJ (420 kg en caída libre desde 4,85 m), resultado fallido.
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Figura 15. Ensayo a la malla Tecco G65/3. Energía 20 kJ (420 kg en caída libre desde 4,85 m), resultado correcto.
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Figura 16. Ensayo a la malla Tecco G65/4. Energía 35 kJ (420 kg en caída libre desde 8,5 m), resultado correcto.

Tras esta última serie de ensayos se puede resumir que:

  1. Las membranas compuestas por alambre de acero dúctil de resistencia fyk entre 350MPa y 500MPa no son capaces de soportar los requerimientos de energía establecidos como necesarios 20kJ, las pruebas dinámicas fallan, por ende no son aptas para ser utilizadas como cortinas 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 los cables no ejerce ninguna función de refuerzo.
  3. La malla Tecco G65/3 compuesta de alambre de acero de 3 mm y de fyk 1.770MPa es capaz de soportar de forma segura un impacto de 20 kJ.
  4. En la misma geometría, pero con alambre de mayor diámetro 4 mm, Tecco G65/4 y también de alta resistencia es capaz de soportar de forma segura y completamente elástica, impactos de 35 kJ.

A partir de los resultados de los ensayos y del conocimiento de las propiedades resistentes de las diferentes membranas de Geobrugg, se pueden extrapolar los resultados y establecer un ábaco (Figura 17) que sirve de guía en el proceso de selección de la membrana más apropiada en cada caso, siguiendo el criterio del impacto dinámico sobre la llamada zona de guiado.

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Figura 17. Ábaco para la elección de membrana del sistema de guiado, atendiendo el criterio de la resistencia a impactos dinámicos, resultantes del ensayo vertical a caída libre.

Los resultados obtenidos de los ensayos se corresponden a las variantes de 3 y 4 mm de la malla Tecco G65, el resto han sido extrapolados. Como se aprecia, la red Spider S4-130 es la membrana romboidal más potente del mercado, capaz de absorber gran cantidad de energía, luego es la más adecuada para guiar bloques de gran tamaño. Mientras la malla Tecco G65/4 es la segunda en resistencia y tiene un tamaño de rombo pequeño, luego parece ser una excelente selección en el caso en que el tamaño de los bloques que se desprendan sea variable. Entre ambos tamaños de malla Tecco G65, 3 y 4 mm hay dos membranas: la red 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 MinaX G80/3 y la red QuaroX que son muy similares (se utilizará una u otra, en dependencia del diámetro del bloque). La malla Tecco G45/2 se debería utilizar en caso de bloques más pequeños, quedando en la parte inferior del ábaco la malla DeltaX G80/2. La malla hexagonal 80×100/2,7 mm estaría por debajo de la malla DeltaX G80/2 por ende muy limitada, se estima pudiese contener bloques de menos de 250 kg desprendidos de taludes de menos de 5 m o de unos 80 kg desprendidos de cortes de hasta 15 m.

Conclusiones

La solución de guiado de rocas en taludes, resulta ser una respuesta factible y eficiente, siempre y cuando se utilicen los productos adecuados. Las membranas que se utilicen (redes o mallas) deben ser capaces de solucionar el conjunto de solicitaciones a tracción (desgarradura) y a eventos dinámicos, que como consecuencia del desprendimiento de los bloques de la pared, se puedan ocasionar.

Los ensayos realizados en sus diversas series han permitido, por una parte, dar garantía al proceso de dimensionamiento del sistema de anclajes o sujeción y por otra, definir cuáles son las capacidades de las membranas ante impactos directos.

En el diseño de la zona de anclajes del sistema, resulta muy importante que el dimensionado conjunto sea racional y que todos los elementos funcionen con un factor de seguridad similar y apropiado. Los ensayos realizados en Australia permitieron además, calibrar un modelo de elementos finitos en Abaqus que describe de manera correcta el ensayo de laboratorio.

Finalmente el ensayo a caída libre permite de forma clara establecer los límites de utilización de los productos y el rango de empleo de estos, con un grado de aproximación muy elevado. Estos ensayos demuestran que la calidad del acero y la homogeneidad de la membrana es sin ninguna duda esencial para conseguir que los sistemas sean resistentes a las solicitaciones dinámicas que implican el guiado.

Como parte del proceso de diseño de soluciones de protección, la experiencia aquí recogida sirvió también de base al método de dimensionamiento de las barreras atenuadoras, producto que surge por la combinación de una barrera dinámica y un sistema de guiado, intentando aprovechar las ventajas de ambos grupos de soluciones.

Referencias

  • Flum, D. (2002) The new Tecco drape system. Rüegger Systems test report 40403-05. Switzerland
  • Krummenacher, B. (2016) Report drape test in 2014. Swiss Federal Institute for Forest, Snow and Landscape Research WSL. Switzerland
  • Luis Fonseca, R. (2010) Aplicación de membranas flexibles para la prevención de riesgos naturales. Ed. Ropero. Madrid
  • Roduner, A. (2019) Technische Daten und Berechnung. Geobrugg AG. Schweiz
  • Tahmasbi, S., Giacomini, A., Wendeler, C. y Buzzi, O. (2018) 3D Finite Element Modelling of Chain-link Drapery System. University Newcastle. Australia.
Tecco, Spider, MinaX, QuaroX y DeltaX son marcas registradas ® por Geobrugg.

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