ARCOS DE ACERO TATIANA JACOME 1180692 MARLEN GOMEZ 1180774 JONATHAN PINTO 1180579
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA DE MINAS JULIO 2016
INTRODUCCIÓN El empleo de acero en sus diversas formas de sostenimiento es aplicable a un amplio rango de condiciones del terreno, tanto en el campo de la minería como de obra civil.
INTRODUCCIÓN El empleo de acero en sus diversas formas de sostenimiento es aplicable a un amplio rango de condiciones del terreno, tanto en el campo de la minería como de obra civil.
GENERALIDADES DE LOS ARCOS DE ACERO Este sostenimiento pasivo es utilizado generalmente para el sostenimiento permanente de labores de avance en minería, y como elemento accesorio en el sostenimiento de túneles viales e hidráulicos, en donde se presentan condiciones de masa rocosa intensamente fracturada y/o muy débil, que le confieren calidad mala a muy mala, sometida a condiciones de altos esfuerzos.
TIPOS DE ARCOS
ARCOS DE ACERO
RIGIDOS
-PERFILES W - PERFILES H - PERFILES I
DESLIZANTES (LIVIANOS)
- PERFILES U - PERFILES V
CELOSIA
EMPLEO DE ACERO EN EXCAVACIONES SUBTERRANEAS El empleo de acero en sus diversas formas de sostenimiento es aplicable a un amplio rango de condiciones del terreno, tanto en el campo de la minería como de obra civil.
Excelentes propiedades mecánicas a los esfuerzos de tracción y compresión a los que se ve sometido. Elevado módulo de elasticidad y ductilidad. Relativa facilidad para su fabricación y moldeado. En comparación con la madera son de mayor resistencia, además de mantener las características de resistencia a través del tiempo mucho mejor que la madera, la cual se degrada. Es más homogéneo y de fácil control de calidad. Si no se ha superado su límite elástico, los perfiles son recuperables y reutilizables después de su reconformado en frío, manteniendo sus propiedades resistentes.
USO DE ARCOS EN INGENIERIA CIVIL En los túneles de ingeniería civil, donde se requieren paredes lisas o estéticas, el sostenimiento temporal de acero es frecuentemente usado en combinación con el hormigón encofrado in situ, siendo empleado el acero para soportar las deformaciones iníciales del terreno y de este modo controlar la relajación de esfuerzos además de minimizar la deformación impuesta sobre el sostenimiento rígido de hormigón.
FUNCION Evitar caídas de bloques de roca del techo o de las paredes el peso de la roca con Sostener deformaciones excesivas alrededor del túnel desplazamientos excesivos del Evitar perímetro de la excavación
GEOMETRIA DE ARCOS DE ACERO
CARACTERISTICAS INGENIERILES
Estructura química: para los ademes de acero en las minas se usa un acero común de resistencia de 37-52 y que satisface la mayoría de las especificaciones estructurales Tipo de falla: la falla por fragilidad se presenta en aceros con alto contenido de carbono, en donde la deformacion es bastante pequeña y las superficies de ruptura son La dureza es relativa y se mide rugosas. •
según la resistencia penetración. σk = 0.34HB
ala
PERFILES : DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS Los perfiles son los elementos que componen los arcos de acero, se emplean en la construcción de la entibación y pueden estar sometidos a esfuerzos de compresión, torsión, pandeo y flexión.
Se clasifican por las siguientes características que le dan un tipo de comportamiento frente a los esfuerzos a los que se ven sometidos: Sección (S): La resistencia a la compresión σc y la tracción σt que se dan en ella son proporcionales
Modulo de flexión (WX , WY ): Llamados también módulos resistentes, con Wx que representa la capacidad del perfil a resistir los esfuerzos de flexión situados en el plano de cimbra, mientras Wy es la capacidad del perfil de resistir los esfuerzos e flexión normales al plano de la cimbra. Rendimiento estático: o rendimiento del perfil es la relación entre el modulo de resistencia (W) y el peso por metro lineal del perfil (G) y se representa por las expresiones nx = Wx /G. Y ny = Wy /G.
Tipos de perfiles TIPO DE PERFIL
PESO (Kg/ m)
Perfiles I 1. Perfil Normal 2. Perfil Pokal 3. Perfil de ala Ancha 4. Perfil de Rail (Usado)
29,5 28,3 30,1 31,1
136,0 113,0 149,3 138,0
32,6 33,2 46,0 27,2
4,2 3,4 3,3 5,1
Perfiles Acanalados 5.Perfil TH 6.Perfil Campana(Zores) 7. Perfil en V
29,0 32,0 29,5
99,6 83,5 129,0
107,0 74,8 104,8
0,9 1,1 1,2
30 7
168 2
74 8
23
Perfiles Cerrados 8.Perfiles
Las características anteriormente mencionadas son las principales variables que determinan los tipos de perfiles usados en el sostenimiento. Los tipos de perfiles son: Perfil I:La relación WX / WY oscila entre 3 y 5. Debido a su gran modulo resistente según el eje x, están especialmente diseñados para soportar esfuerzos de flexión. Se emplean preferentemente en arcos de fortificación o de montera.
Perfil Pokal: Es en comparación al I asimétrico ya que su cabeza es más resistente que su pie.
Perfil de ala ancha (H): Es simétrico y tiene una relación Wx /Wy favorable, siendo recomendable cuando se espera principalmente esfuerzos de flexión, se aplican mejor en las paredes.
Raíles o corrieles: No están diseñados para el sostenimiento propiamente, tiene una relación WX / WY claramente desfavorable sin embargo se usa en arcos de fortificación articulados.
Perfil acanalado: Se fundamenta en el perfil deslizante o perfil (TH), muy resistente al pandeo como consecuencia del valor de la relación WX / WY muy cercana a la unidad. Se emplea para el sostenimiento de galerías y túneles
Perfil en V: Se emplea en galerías de explotación y secciones pequeñas
Perfiles cerrados: se emplean desde hace mucho tiempo como estemples y monteras para fortificar los frentes de arranque, soportan muy bien los esfuerzos de flexión y pandeo.
Arcos deslizantes o cedentes
Los arcos cedentes se componen principalmente de tres secciones, aunque en algunos casos se utilizan más secciones. Este tipo de arcos se utilizan con el fin de poder tener deformaciones controladas; pues al deslizarse y converger los elementos, permiten la deformación del terreno, pero hasta un punto establecido en el diseño. Al deslizarse los elementos hacen que los esfuerzos se aminoren en ellos y se asume que no ha existido deformación en el elemento de soporte
TIPOS DE ARCOS DE ACERO ARCOS DESLIZANTES
Arcos rígidos
Estos estan compuestos por 2 o 3 segmentos o piezas metalicas que son unidas por platinas o pernos compuestos y se pue
COMPONENTES ADICIONALES DE UN ARCO RÍGIDO Bridas o eclisas Barras de unión o arriostramiento Zapatas Solera
ARCOS RIGIDOS
DIFERENCIAS ENTRE LOS ARCOS RIGIGOS Y DESLIZANTES Si se realiza una comparación entre las rígidas y las sec seccione ones de desl sliizant zantes es,, se pued puede en est establ ablecer cer ciertos rtos pun unto tos s críticos. •
Las secciones rígidas tienen una menor resistencia en la dirección y-y, debido a su momento de inercia, mucho menor que en la dirección x-x, una relación cercana a 3/1; por lo que en general se presentan importantes defo de form rmac acio ione nes s en esta esta dire direcc cció ión. n. •
Mientras que las secciones deslizantes no presentan esta desventaja, debido a que su momento de inercia en ambas direcciones es casi el mismo o muy similar; pero sin perder resistencia en la otra dir dirección. •
Además los perfiles rígidos se dañan primero que los deslizantes, por su incapacidad de cadencia, lo que hace que se carguen inmediatamente y los esfuerzos actuantes se incrementen rápidamente, mientras que en los cedentes la deformación hace que los esfuerzos se aminoren.
Comparación entre la entibación de arco rígidos y la entibación deslizante
ARCOS RETICULADOS Son sistemas de sostenimiento temporal y se desarrollaron por demanda especial de los constructores de túneles siendo probados y utilizados en muchos frentes de excavación adaptándose a todas las geometrías de la sección cumplen la doble función de sustento del material rocoso que se desprende y absorben las deformaciones de la roca al liberar tensiones.
TIPOS DE ARCOS RETICULADOS
Viga de tres barras :Son tres barras ensambladas en diagonal para formar la viga. La barra única puede situarse pegada al terreno o dentro del túnel ajustándose a la geometría del túnel
Viga de tres barras reforzadas Viga de cuatro barras
SOSTENIMIENTO CON VIGAS DE ACERO
En macizos rocosos fracturados o muy poco competentes donde los bulones no son eficientes En el caso de que la roca presente potencialmente una extensa fracturación y posible colapso como consecuencia de la excavación. En condiciones de elevados esfuerzos in situ debido a las tensiones naturales de la roca
PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN
Es preferible que el soporte se instale lo antes posible, pues cualquier retraso ya sea en tiempo o en distancia al frente se traduce en aumentos de la presión sobre el techo, si prevalecen las cargas de descompresión o roca suelta. Se debe proceder a asegurar el techo, lo cual se podrá realizar mediante la colocación de shotcrete temporal o marchavantes de ser necesario. Todas las cimbras deben estar correctamente apoyadas y sujetas al piso mediante dados de concreto, debiéndose mantener su verticalidad. El bloqueo de la cimbra contra las paredes rocosas es esencial para que pueda haber una transferencia uniforme de las cargas rocosas sobre las cimbras. Si no se realiza un buen bloqueo las cimbras no serán efectivas
Procedimientos de instalación de arcos.
En primer lugar, en lo que concierne a la evolución de las cargas, es preferible que el soporte se instale lo antes posible. Para iniciar la colocación de un tramo con cimbras, se debe proceder a asegurar el techo, lo cual se podrá realizar mediante la colocación de shotcrete temporal o marchavantes de ser necesario. Todas las cimbras deben estar correctamente apoyadas y sujetas al piso mediante dados de concreto, debiéndose mantener su verticalidad, para lo cual se requerirá de ser necesario, asegurar la cimbra anclándola con cáncamos a las paredes. Las siguientes cimbras a colocar se asegurarán con los tirantes y se protegerán en forma sistemática con el encostillado.
El bloqueo de la cimbra contra las paredes rocosas es esencial para que pueda haber una transferencia uniforme de las cargas rocosas sobre las cimbras. Por lo tanto, es importante realizar correctamente esta labor. Es muy importante que la instalación sea cimbra por cimbra y no varias cimbras a la vez, es decir, completar la instalación de una cimbra para comenzar con la siguiente.
SOSTENIMIENTO CON ANILLOS DE ACERO La entibación en anillos ofrece el sostenimiento mas eficiente en terreno donde las altas presiones tienden a desarrollarse mayormente alrededor de la periferia, debido a estrechamiento o expansión de la excavación y, en particular, en galerías con pisos poco firmes y con tendencia a hincharse
Ábacos Y Guía De Empleo Además en cada ábaco muestran nueve (9) curvas, tres (3) en tonos azules que corresponden al perfil 4WF13, tres (3) en tonos rojizos que conciernen al perfil 6WF20 y tres (3) en tonos verdes que pertenecen al perfil 10WF60. El tono más oscuro de cada uno de los juegos de 3 curvas corresponde a un confinamiento del arco del 0%, el tono intermedio al 50% y el tono más claro al 100% de confinamiento.
METODOLOGIA DE CÁLCULO Y DISEÑO DE ARCOS DE ACERO
Datos de entrada
Radio en metros del arco. Geometría del túnel. Coeficiente de presión lateral de tierras al que estará sometido el arco; K=0.0, 0.5 o 1.0. Grado de confinamiento esperado. Carga por metro lineal al que estará sometido el arco en KN/m. Carga por metro lineal, qt (KN/m). Radio del túnel, r (m). Tipo de sección de acero (4 WF 13, 6 WF 20 o 10 WF 60). Geometría del arco metálico (Circular, herraduras paredes rectas o herraduras paredes curvas). Grado de confinamiento de 0.0%, 50.0% o 100.0%. Coeficiente de presión lateral de tierras, K (0.0, 0.5 o 1.0).
Grado de Confinamiento
Ejemplo practico
Es decir, que para el ejemplo planteado, el ábaco muestra que el arco soporta una carga máxima de 320 KN/m con un FS de 1.5. Por lo tanto, es menor a la carga de 250 KN/m a la cual estaría sometido el perfil; por tal motivo podría ampliarse la separación entre arcos para que la carga vertical sea mayor, y el sistema sea más eficiente.
Ábacos de Sostenimiento TEDESA
Ábacos de Sostenimiento TEDESA
Un parámetro fundamental en la elección de los arcos de acero como elemento de sostenimiento son las cargas a las que están sometidos los túneles y excavaciones subterráneas. La magnitud de las cargas que estén actuando dará indicios del tipo de arco a utilizar.
Las principales teorías empíricas para la determinación de cargas son:
Teoría de Ritter Teoría de Engesser Teoría de Kommerell Teoría de Bierbaumer Teoría de Terzaghi Teoría de Protodyakonov
TEORÍA DE RITTER
La presión actuante sobre el techo de un túnel es independiente de la profundidad La carga total viene dada por el volumen comprendido en una parábola. La resistencia a la tracción (cohesión) c disminuye la carga total y actúa perpendicularmente a la superficie de la parábola.
P = Carga total que soporta la excavación B = Ancho del túnel C = Cohesión Hp = Altura de la parábola ɣ = Peso especifico del terreno
TEORÍA DE ENGESSER La carga a la que está sometida una excavación está establecida por una cúpula formada por un arco de círculo que delimita el suelo actuante con el sostenimiento.
TEORÍA DE KOMMERELL La carga no es directamente proporcional al revestimiento. Hp: Altura por encima del soporte de la roca perturbada e: Deflexión del sostenimiento K: Coeficiente de ablandamiento. Varía ente 1% y 15% pasando de suelos granulares a rocas competentes.
TEORÍA DE BIERBAUMER El sostenimiento es cargado por un volumen de terreno delimitado por una parábola. Las cargas y la altura de la roca perturbada están en función de la cobertura del túnel.
TEORÍA DE TERZAGHI
TEORIA DE PROTODYAKONOV Teoría fundamentada en el efecto de arco La carga actuante dentro de un túnel esta contenida dentro de una parábola. El terreno externo a la parábola se auto-sostiene gracias al desarrollo del efecto del arco.
IMPLEMENTACION DE ARCOS DE ACERO EN BASE A CLASIFICACIONES GEOMECANICAS
SEGÚN LA CLASIFICACION DE RQD
SEGÚN LA CLASIFICACION DE LAUFFER
SEGÚN LA CLASIFICACION RMR
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA UTILIZACION DE ARCOS DE ACERO VENTAJAS
La cercha tiene una función resistente trabajando como un arco y colaborando con el hormigón proyectado. Su resistencia inicial ya es la definitiva, mientras que en el hormigón las resistencias se desarrollan con el tiempo. definen claramente la geometría del túnel, lo que ayuda a conseguir los espesores adecuados de hormigón proyectado y a evitar sobre excavaciones o zonas dentro de gálibo.
DESVENTAJAS
Baja resistencia a la corrosión. Lo cual implica a menudo métodos de protección frente a la corrosión, como en el galvanizado o pintado de los segmentos, lo cual incrementa su costo y tiempo de instalación.
METOLOGIA DE DISEÑO Para diseñar los arcos rígidos, se debe conocer el momento máximo. Si se obtiene la derivada de la ecuación (2) con respecto a , y se iguala a cero, se tiene que (5) = cos sin = 0
Mínimo = (6) sin = 0 (7) − Máximo sin = , = sin cos = 0,
METOLOGIA DE DISEÑO
METOLOGIA DE DISEÑO C. Aplicación numérica
(espaciamiento de los arcos). = 0.5 (condición Obténgase el perfil DIN apropiado para un normal del esfuerzo) arco rígido de un túnel = Como se da cuya área de sección en la ecuación (15). es de 8 m2, espaciado a intervalos de 1 m, bajo condiciones normales de esfuerzo, ( = 0.5, = 2.5 ). = Claro del túnel = 3.65 m. =1.675 m. ℎ´ =1.20m 1.0 m =
METOLOGIA DE DISEÑO Para indicar los valores máximos, se grafican los valores de M y de N en coordenadas polares del ángulo y se muestran en la tabla.
METOLOGIA DE DISEÑO Grafica valores en coordenadas polares
EJERCICIO DE CALCULO
Se pide calcular el perfil apropiado para el arco de acero rígido de un túnel que se realiza sobre una roca volcánica de un área de sección de 8m2 espaciados a 1 m bajo condiciones normales de esfuerzos, donde la luz del túnel es de 3.05cm con un radio de 1.675 m. Sabiendo que la altura es de 1.20m
Datos del problema
= 8 2 = 1 = 2.5
= 0.5 = 3.05 = 1.675 = 1.20 = 1400 /
Calculo de la carga total que soportara el arco (qt)
= ∗ ∗ ∗
= = 0.5 = 2.5 = 3 =
= 0.5 ∗ 2.5
∗ 1 ∗ 3.05 = .
1. Calculo de las Fuerzas Ay , By
= =
0.785 ∗ ℎ + 0.666 ∗ ∗ ∗ 0.666 ∗ ℎ 3 + ∗ ∗ ℎ2 + 4 ∗ ℎ ∗ 2 + 1.57 ∗ 3
∗ 1.675 0.666 ∗ 1.203 + ∗ 1.675 ∗ 1.202 + 4 ∗ 1.20 ∗ 1.675 2 + 1.57 ∗ 1.675 ^3 0.785 ∗ 1.20 + 0.666 ∗ 1.675 ∗ 3.8125
= =
= = 1.25
Calculo del ángulo (α) grafica
=
=
= 11.29 = 11º17 19′′
∗ . ∗.
.
Calculo del Módulo de sección de perfil (w). ◦ Conversión del esfuerzo permisible a Tn/m2
= 1400
∗
∗
◦
Módulo de Esfuerzo(: ≤
=
= ∗ = = 0.149 ∗ 9.780 = ∗ ℎ 0.5 ∗ =
∗ .∗+.
= =
. ∗.
.∗+.
14000 =
∗ +.∗
≤ . .
. ∗ .+.∗
. .∗+.
.
≤
≤
Despejamos el (w)
0=
. +. +. . +.
14000
0 = 6.636 16.6759 2086 136920 0 = 2086 136913.364 16.6759 0 = 65.6344 0.0079942
Formula General
1,2 =
−∓ −
=1 = 65.6344 = 0.0079942 65.6344 65.6344 4 ∗ 1 ∗ 0.0079942 1 = 21 1 = 0.000121799 65.6344 65.6344 4 ∗ 1 ∗ 0.0079942 2 = 21 2 = 65.634522
De w1 y w2 se considera el “w1” por ser positivo,
donde se hace la conversión
SIMB OLO
h
b T1 T2 1
GI-70
7 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0
6 8 7 6 8 0
7
8 4
GI-90
1 = 0.000121799 ∗
Selección del tipo de acero de acuerdo a tabla
La sección de diseño es GI – 120
GI100 GI110 GI120 GI130 GI140
2
W(cm ^3)
Peso Unitario(T n/m3)
9. 5 11 .5 12 .5
10
3
34.7
13
12
4
62.5
17.7
13
4
80.7
20.7
10
14
14
5
103
24.05
9 2
11
15 .5
15
6
136
29.5
1 0 0 1 1 0
12
17
16
7
175
35
12
19
17
8
227
41.6
8 9
PROBLEMAS GENERADOS EN ESPACIOS CON SOSTENIMIENTO DE CIMBRAS. ◦
DEFORMACIÓN SEVERA DE CIMBRAS
SOPLOS
Desplome en el interior de la mina
