REFUERZO DE LA ROCA MEDIANTE PERNOS DE …play.qualiconlatam.com/ayuda/GMG/M2/1/10.3_Refuerzo_de_la_roca... · Se recomienda para todos tipos de estructuras para el ... Este concepto

REFUERZO DE LA ROCA MEDIANTE

PERNOS DE ANCLAJE

9. SOSTENIMIENTO Y REFUERZO EN LA EXCAVACION DE TUNELES

Elementos de Sostenimiento

A - Perno con anclaje expansivo

B - Estabilizador de Fricción

C - Perno Cementado


RESISTENCIA EN TRACCIÓN

La acción principal de todos de pernos para roca es el de resistir el movimiento o el disloque

del terreno. En general en la roca dura este disloque es el resultado por las fallas y

fracturas. Estas fracturas y estratos se abren con el tiempo debido a la presión vertical o

horizontal, por el efecto de la gravedad en los bloques y con el efecto de las variaciones en

la temperatura y humedad en la roca masiva.


Un perno para roca con anclaje de expansión controla el

movimiento o el desplazamiento de la masa rocosa induciendo

la presión de la tensión de la barra entre el anclaje y la platina

de apoyo. Este tipo de soporte produce una tensión de

aproximadamente 3.5 Tn y tiene una resistencia en tracción

(ROTURA) máxima de 12,5 Tn.

Utilizado generalmente en las estructuras de roca masiva con

bloques o estratas.

PERNOS CON ANCLAJES DE EXPANSIÓN


Estabilizadores de fricción están constituidos por un trozo de

tubo de acero más ancho que el diámetro de la perforación y que

es partido a lo largo por el centro. La fricción ejercida por los

costados del perno lo mantienen en su lugar creando fuerzas

que se extiendan radicalmente. Este proceso provee la fuerza

de fricción (1–1.5 Tn/pie) que actúa previniendo el movimiento o

separación del terreno.

Utilizado generalmente en roca severamente agrietada o fracturada

sujeta a condiciones de baja tensión.

ESTABILIZADORES DE FRICCIÓN “SPLIT SETS


Verificar la resistencia del perno durante la instalación, el tiempo de instalación por un

estabilizador de 2,1 metros (7 pies) debe ser 1 hasta 1,5 minutos.

La resistencia de un estabilizador de fricción se puede variar con ;

1. Diámetro del taladro

2. Tipo de roca

3. Fracturas, fallas

RESISTENCIA DURANTE LA INSTALACIÓN


Los pernos fabricados de acero corrugado instalados en una lechada de

resina o cemento resiste el movimiento del terreno debido a los puntos

de contacto del enclavamiento mecánico del perno. La unión resina o

lechada con la roca depende de las irregularidades encontradas dentro

de la perforación y de la estructura de la roca (- + 10 Tn/pie).

Se recomienda para todos tipos de estructuras para el sostenimiento de

altra resistencia y a largo plazo.

( LECHADA DE RESINA O CEMENTO)

PERNOS CEMENTADOS


PERNOS DE BARRA DE CONSTRUCCION

DESCRIPCIÓN: Pernos de Barra de Construcción, barras laminadas en

caliente con resaltes, con roscas cortadas en un extremo para aceptar una

tuerca cuadrada. Las roscas conformen con 3/4” – 10 NC o 1” – 8 NC.

PERNOS CEMENTADOS


BARRA HELICOIDAL

DESCRIPCIÓN: (BH)- Barras laminadas en caliente con resaltes en forma de rosca

helicoidal de amplio paso. El diseño de hilo permite colocar una tuerca que puede rodar

longitudinalmente por los resaltes a lo largo de la barra.

PERNOS CEMENTADOS


REFUERZO EN EL MACIZO ROCOSO

• El modo de acción del refuerzo en un medio discontinuo pretende un mejoramiento en las

propiedades estructurales de la roca, también evitar grandes desplazamientos de bloques completos

• Dos de los más importantes factores son: la factibilidad cinética (el hecho de que los bloques están libres al movimiento, dada la situación geométrica de las áreas expuestas en el macizo rocoso de la excavación) y el carácter del refuerzo (cantidad, longitud y orientación).



Tomando el volumen EDZ= V, sobre 1m2 de área de túnel, el peso de EDZ es:


Teoría de Bloque:


DISEÑO DE REFUERZO Cuando la condición estructural es importante, es decir, cuando la masa de roca se encuentra

altamente fracturada, puede ocurrir una respuesta del tipo discontinuo y los bloques de roca

pueden moverse hacia la excavación, generando de esta manera una condición potencial de

riesgo, pudiendo inclusive ocurrir el desmoronamiento parcial o total de la excavación


FACTORES DE DISEÑO QUE DEFINEN LA EFICIENCIA DEL REFUERZO DE

LA ROCA

OPERACIÓN:

1. INSTALACION OPORTUNA

2. INSTALACION ADECUADA

3. TECNOLOGIA ADECUADA:

1. MATERIALES

2. INSTALACIÒN

CALIDAD:

1. CONTROL DE CALIDAD:

1. MATERIALES

2. INSTALACION

ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD

1. Instalación rápida, cercana al frente.

2. Lograr un contacto íntimo entre la roca y el sistema

3. El sistema debe ser flexible y capaz de deformarse de modo compatible a los

desplazamientos del macizo rocoso.

4. Adaptación rápida a cambios de condiciones y de tamaño de la excavación

5. Mínima obstrucción del espacio libre de la galería o túnel

REQUERIMIENTOS PARA UN SISTEMA DE REFUERZO SATISFACTORIO

El sistema de sostenimiento con pernos de roca es controlar la estabilidad de los bloques y

cuñas potencialmente inestables.

Cuando los bloques o cuñas son aislados, se puede estabilizarlas con pernos puntuales o

aislados, caso contrario se usa un reticulado sistemático en todo el techo y/o paredes de la

excavación.

ROCA MASIVA O LEVEMENTE FRACTURADA Y FRACTURADA

Con un sistema dominante de discontinuidades sub-horizontales, los pernos ayudan a controlar el

desplazamiento relativo entre los estratos, aumentando la rigidez de la viga estructural que forman

y creando “compactaciòn” entre los bloques tabulares, para minimizar la deflexión del techo. Esto

es lo que se llama también el “efecto viga”.

Este concepto puede ser extendido al caso de paredes paralelas a estratos o discontinuidades

sub-verticales, generando el denominado “efecto columna”, para minimizar el pandeo de los

bloques tabulares.

ROCA ESTRATIFICADA SUBHORIZONTAL Y ROCA NO

ESTRATIFICADA

COMPORTAMIENTO DEL REFUERZO EN ROCA FRACTURADA

El comportamiento en este caso de masa rocosa se caracteriza por la naturaleza y

disposición de las discontinuidades. De acuerdo con los varios temas analizados

anteriormente, las discontinuidades cercanas a la excavación definen el

ensamblaje de los bloques periféricos y su influencia en la estabilidad .

El comportamiento en este caso de masa rocosa se caracteriza por la naturaleza y

disposición de las discontinuidades. De acuerdo con los varios temas analizados

anteriormente, las discontinuidades cercanas a la excavación definen el

ensamblaje de los bloques periféricos y su influencia en la estabilidad



TEORIAS DE REFUERZOS

Teoría de Suspensión

La teoría de Jun Lu Luo (1999) se refiere a la formación de vigas inmediatamente

después de realizada una excavación. Este fenómeno se advierte principalmente en

el estrato inmediato sobre el techo.


• La fuerza axial necesaria del perno con el fin de mantener la estabilidad bajo cierto factor

de seguridad, SF, puede ser escrita como:


• 2 Teoría construcción de viga


EFECTO VIGA


1.9.3 Entrelazado


TRANSFERENCIA DE CARGA

Esta acción de abrazadera

es diseñado para prevenir

bandeamientos o laminaciones

expuestas a fallar, por lo tanto

mantener

la capacidad portante del estrato

Tensión en el perno previene el

movimiento o deslizamiento


EFECTO COLUMNA


Los pernos confieren nuevas propiedades a la roca que rodea la excavación. Instalados en forma

radial, cada perno crea una resistencia mas adecuada, que al interactuar con los pernos

adyacentes forman un arco portante que trabaja a compresión denominado “efecto arco”, el

mismo que da estabilidad a la excavación.

Existen también, otros principios bajo los cuales funcionan los pernos de roca para tratamientos

específicos, como asegurar o “coser” zonas de falla, zonas de corte y otras zonas de debilidad,

instalados cruzando estas zonas.

ROCA FRACTURADA E INTENSAMENTE FRACTURADA


EFECTO ARCO GENERADO POR INTERACCION DE ESTRATOS DE

ROCA Y RESISTENCIA DE LOS PERNOS.


EFECTO ARCO

EFECTO DE TENSIÒN Y CORTE

El refuerzo trabaja como una grampa

previniendo la falla del macizo rocoso,

bajo este concepto actúa para:

1. Mantener su capacidad de auto soporte

2. Prevenir la expansión de la roca


Calculo de Soporte de Bloque:

Si tomamos uno de los fundamentos de diseño que tiene relación con el factor de seguridad

(SF), entonces para este caso:

La fuerza axial necesaria del perno con el fin de mantener la

estabilidad bajo cierto factor de seguridad, SF, puede ser escrita

como


SOSTENIMIENTO DE BLOQUES

Se basa en que cada perno debe estar anclado, a lo largo de una longitud suficiente para agotar

la carga axial que la barra del perno debe soportar, y su densidad expresada por el numero de

pernos por cada cm2 de superficie de roca a sostener, debe ser suficiente para equilibrar el peso

de la roca que debe ser sostenida.

Anclaje de un bloque sin

cohesión en los contactos.

Anclaje de un bloque con cohesión en los contactos.

W sen β

W cos β

R = Ca + W cos β tanΦ

β

Para este caso para anclar el bloque de roca, el numero de pernos que es necesario colocar

estará defino por la siguiente relación matemática:

senftagB

ActagsenfWN

..cos

..cos.

Donde:

N = numero de pernos, colocados con una inclinación (º)

W = peso del bloque de roca

f = Coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3

Φ = Angulo de fricción en la superficie del contacto, de inclinación β.

c = cohesión en la superficie del contacto de inclinación β.

B = fuerza vertical que puede soportar un pernos.

A = longitud del contacto afectado por el deslizamiento.

Sostenimiento de un bloque inestable anclado al techo de roca

sólida.

W

S

Roca sólida

Estratos de roca inestable = h

c

h

s

El máximo peso que puede soportar un perno esta dado por la siguiente expresión matemática:

.... hcsFW

Donde:

F = Coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3

s = Espaciado transversal de los pernos

c = espaciado longitudinal de los pernos

h = espesor de los estratos de roca que deben ser anclados

ρ = densidad de la roca

Si no hay cohesión entre los contactos, el numero de pernos que

deberá colocarse para sostener un bloque de roca, estará dado

por la siguiente expresión matemática:

B

FWN

.

Donde:

N = numero de pernos

W = peso del bloque de roca

F = Coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3

B = fuerza vertical que es capaz de soportar un perno.

La fuerza axial, FA, que puede soportar la barra del perno se calcula usando la siguiente relación

matemática:

FA = Fuerza axial

D = diametro del perno

σA = resistencia especifica del acero

AA

DF

.

4

. 2

... LDFT

FT = fuerza de adherencia

D = diametro del perno

L = Longitud anclada del perno

= Adherencia del perno a la roca.

La resistencia efectiva del perno estará dada por la menor de las dos fuerzas FA o FT.

El perno-roca tiene una conexión c y un ángulo de rozamiento Φ, la tensión tangencial, , que

podrá generase admitiendo un comportamiento Mohr-Coulomb.

tagc

σ = Tensión circunferencial que se genera en la roca durante la excavación, los pernos se

colocaran radialmente.

Si la roca plástica esta en condiciones residuales, lo que significa que ha perdido su cohesión, la

tensión tangencial que podrá soportar un perno será:

rtg .

COLOCACION DE PERNOS EN MACIZOS ROCOSOS INTENSAMENTE

PLASTIFICADOS.

Actualmente, la mejor forma de calcular las cargas a que están sometidos

los pernos se realiza mediante un análisis tenso-deformacional con

aplicación de elementos finitos.

Una de las formas de modelar el comportamiento del perno consiste en

utilizar un elemento barra y definir una rigidez axial, Ka, para calcular la

fuerza axial que actúa sobre la barra del perno y otra rigidez tangencial,

Kb, para calcular la adherencia entre el perno y la roca.

Sb

Fuerza longitudinal del

perno

Kb

Desplazamiento del perno relativo al material del entorno.

Rigidez tangencial y axial de un perno.

RIGIDEZ AXIAL (KA) de un perno relaciona la fuerza axial aplicada F en su extremo y el

desplazamiento que se produce,

FK A

Sb

Fluencia

Ea

Rigidez tangencial y axial de un perno.

Deformación axial en el elemento

Fuerza axial en el

elemento Ruptura

Mediante la siguiente expresión matemática, se puede calcular la rigidez axial Ka.

L

DEK b

a4

.. 2

Donde:

Ka = Rigidez axial

Eb = modulo de elasticidad de la barra de acero del perno

D = Diametro del perno

L = Longitud del perno

Por otro lado, la rigidez tangencial Kb puede obtenerse mediante ensayos a tracción in-situ sobre

pernos cortos.

LUKF abT ..Donde:

FT = Fuerza de adherencia del perno

Ua = Desplazamiento del perno hasta deslizar

L = Longitud del perno.

CLASIFICACION DE LOS SISTEMAS DE ANCLAJE.

Algunos autores han clasificado los pernos de roca teniendo en cuenta lo siguiente:

Los pernos de anclaje tradicionalmente se han clasificado en función del anclaje

en el macizo rocoso, anclaje puntual, o a lo largo de toda la barra del perno, anclaje

repartido.

Actualmente con el avance de la tecnología se clasifica los pernos de roca según

el mecanismo en el que se fundamentan: Adherencia y fricción.


PERNOS DE ROCA

Los sistemas de refuerzo con pernos de roca minimizan las

deformaciones inducidas por efecto de la carga litostàtica, y aquellas

inducidas por la redistribución de los esfuerzos en la roca circundante a

la excavación.

El principio fundamental consiste en controlar las deformaciones de la

superficie de la excavación, restringiendo los desplazamientos relativos

de los bloques de roca adyacentes.

Los pernos de roca, son elementos lineales, de refuerzo que se colocan dentro de un taladro

efectuado en el macizo rocoso y se adhieren a ésta por un procedimiento mecánico o por medio

de una sustancia adherente.

Por otro lado, otros investigadores han clasificado a los pernos de roca por: Su forma de actuar,

existen en principio dos tipos de pernos:

Los activos y

Los pasivos.

PERNOS DE ROCA

El perno de roca activo funciona como un anclaje: está unido a la roca por la punta,

tiene un fuste libre y una cabeza con placa. El perno se tensa a una carga comprendida

entre 6 y 15 Tm., según tipos y diámetros, y la placa transmite dicha carga al macizo

rocoso.

Pernos de roca activo.

El Perno de roca pasivo, se adhiere a la roca a lo largo de toda su longitud, y actúa

de manera similar a las armaduras del concreto; desarrolla su trabajo una vez que el

macizo rocoso empieza a deformarse. Teóricamente no es necesario el uso de placa,

aunque se suele usar para sujetar la malla, si éste existe.

PERNOS DE ROCA PASIVO.

• En la construcción de túneles se usa casi siempre el perno pasivo. Las razones son

fundamentalmente dos:

Es más rápido y sencillo de colocar, y deja deformarse a la roca, con lo cual ésta

desarrolla su capacidad autoportante (uno de los principios básicos de la construcción

moderna de túneles).

Aparte del mecanismo de funcionamiento, existen varios sistemas de pernos en función

de su sistema de colocación y adherencia a la roca.

Los más utilizados son los siguientes:

PERNOS DE ROCA PASIVO.

PERNO DE ANCLAJE MECANICO

Consiste en una barra de acero con un dispositivo de expansión en el extremo final, que se

abre mediante una rosca, lo que le permite fijarse a la roca por rozamiento.

La barra se tensa mediante una tuerca en el extremo (cabeza). Es un perno activo, y su uso

es muy limitado.

La fuerza de anclaje es muy sensible al diámetro del taladro y a la calidad de la roca. Con el

tiempo tiende a disminuir la fuerza de anclaje por relajación del sistema de expansión.

PERNOS MECANICOS CON ANCLAJE DE EXPANSIÓN CC 35

E Diámetro nominal 5/8" (15.8 mm)

T1 Longitud de roscas 9/16" laminadas extremo tuerca 25 - 100 mm ( 1- 4 " )

T2 Longitud de roscas 9/16" laminadas extremo anclaje 140 mm ( 5.5" )

L Longitud del perno en metros ±6.4 mm

TUERCAGrado 2, roscas 9/16" NC. x 1 1/8" cuadrada

LONGITUDES DISPONIBLES: 1.0m - 1.5m - 2.0m - 3.0m

Grado - SAE 1045 Roscas Laminadas 9/16"


PLATINA DE APOYO TIPO CUPULA:

Acero A36, agujero 15/16"

Espesor: 6.4 mm ( 1/4" )

Largo : 127mm-150mm ( 5" - 6" )

Ancho : 127mm-150 mm ( 5" - 6" )

PERNOS MECÁNICOS CON ANCLAJES DE EXPANSION

La acción de girar la tuerca hace que la cuña roscada se mueva a lo

largo de la porción extrema roscada del perno, además de forzar las

hojas laterales del anclaje hasta ampliar su diámetro y entrar en

contacto con la pared del taladro. Esto da lugar a una resistencia de

fricción en el extremo del anclaje y tensión en el perno. Esta tensión

es relativa a la cantidad de esfuerzo de torsión (torque) aplicado y del

tipo de roca en que se apoyará el anclaje.

Los pernos mecánicos con anclajes se utilizan generalmente en

estructuras de roca masiva con bloques o estratificado. Se usa un

adaptador con una caja de 28mm cuadrada (1 1/8") y un barreno

hexagonal de 7/8" para la instalación del perno.


36-38

mm.

PARAMETROS A CONSIDERAR EN LA INSTALACION

DE PERNOS MECÁNICOS CON ANCLAJES:

Diámetro de perforación: 36-

38mm

TORQUE: 100-200 lb-pie

Tipo de Roca: masivo-estratificado, calidad II-IIIA

(RMR>50)


Con una inclinación de 45 grados un perno

puede perder hasta un 50% de su tensión final

por cizallamiento.

Ejemplo de un perno mecánico de 5/8” con

cabeza forjada hecho en acero SAE 1045.

ANGULO DE INSTALACIÓN

ANGULO TENSIÓN

0° 100%

10° 80%

35° 60%

45° 50%


ADAPTADOR ESTANDAR PARA LA INSTALACION DE

PERNOS MECANICOS

Cortar el culatín del barreno a 7.5cm (3 pulg.) del collarín.


·Revisar el estado del perno,las roscas y el

anclaje

·Asegurarse que los anclajes giren libremente

·Ajustar el anclaje al diámetro del taladro

·Sacar la camisa plástica del anclaje

antes de insertarlo

·Se recomienda un torque y tensión

adecuada para la instalación

AL INSTALAR LOS PERNOS CON

ANCLAJES, NO OLVIDE...

Alas de fricción

Camisa plástica


DESCRIPCION DE LOS PERNOS DE ANCLAJE MECANICO.

Un perno de anclaje mecánico, consiste en una varilla de acero usualmente de 16 mm

de diámetro, dotado en su extremo de un anclaje mecánico de expansión que va al

fondo del taladro. Su extremo opuesto puede ser de cabeza forjada o con rosca, en

donde va una placa de base que es plana o cóncava y una tuerca, para presionar la

roca.

Su acción de reforzamiento de la roca es inmediata después de su instalación.

Mediante rotación, se aplica un torque de 100 a 250 lb-pie a la cabeza del perno, el

cual acumula tensión en el perno, creando la interacción en la roca.

COMPONENTES DE UN ANCLAJE MECANICO

Documents

REFUERZO DE LA ROCA MEDIANTE PERNOS DE …play.qualiconlatam.com/ayuda/GMG/M2/1/10.3_Refuerzo_de_la_roca... · Se recomienda para todos tipos de estructuras para el ... Este concepto