UNIVERSIDAD NACIONAL MICAELA BASTIDAS DE APURIMAC ESCUELA ACADEMICO PROFECIONAL DE INGENIERIA DE MINAS ESTRUCTURAS Y CONSTRUCCION
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES
ESTUDIANTE: WESTER FÉLIX HUARCAYA
DISEÑO DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES Sostenimiento: Cuando se hace una excavación generamos desequilibrio, entonces necesitamos sostenimiento.
Tipos de sostenimiento: Sostenimiento natural: cuando no se utilizan estructuras o elementos artificiales.
Sostenimiento artificial: cuando se utiliza estructuras o elementos diferentes al macizo rocoso. A la vez se dividen en dos: 1. Sostenimiento al contorno o espacios vacíos: Pueden ser con: Pernos de anclaje. Concreto lanzado (shot crete). Cuadros de madera. Cimbras metálicas (serchas metálicas). Mallas electrosoldadas. Gatos hidráulicos.
Sostenimiento con espacios vacíos: Sirve para estabilizar cámaras, tajeos, etc., con rellenos de: Dendrítico. Hidráulico. Hidroneumático. Pasta.
Factores: o o
o o
Características geomecánica de las rocas. Dimensiones de la labor. Naturaleza del relleno mineralizado. Presencia de rasgo estructurales.
Objetivos: Mantener el espacio vacío. Evitar hundimientos. Brindar seguridad (personal y equipos) Contrarrestar presiones.
PRECAUCIONES ANTES DE CUALQUIER TAREA POR SU SEGURI SEGURIDAD DAD
Comprobar la ventilación. Desatar el techo hastiales y frentes. Sostener provisionalmente. Colocar el guarda cabeza. Limpiar el piso.
CLASES DE TERRENO
1-Terreno compacto: Esta formado por cristales o por partículas bien cementadas. 2- Terreno fracturado: Muestra una serie de planos paralelos de discontinuidades como los planos de estratificación en la roca sedimentaria.
3-Terreno arcilloso: Constituido por rocas casi elásticas que se deforman bajo la presión. 4- Terreno suave: El cual está formado por fragmentos gruesos o finos o una mezcla de ambos tamaños.
SOSTENIMIENTO SEGÚN LA CLASE DE TERRENO Terreno compacto: No requiere sostenimiento Terreno fracturado: Exige solo un sostenimiento ligero. Terreno suave: Requiere de tipo pesado. Terreno arcilloso: Exige un sostenimiento extremadamente resistente o estructuras flexibles capaces de adaptarse a las presiones que se desarrollan.
SOSTENIMIENTO CON MADERA Son un tipo de estructura de Sostenimiento de acuerdo al tipo de terreno y a condiciones especiales de cada Mina. Se utilizan en labores horizontales e inclinados. Su dimensión está de acuerdo al diseño de la labor.
Tipos de Cuadros: son 3 CUADRO RECTO Son usados cuando la mayor presión procede del techo, están compuestos por tres piezas, un sombrero , dos postes y un tirante, asegurados con bloques y cuñas , en donde los postes forman un ángulo de 90º con el sombrero.
CUADROS CONICOS Son usados cuando la mayor presión procede de los hastíales, la diferencia con los cuadros rectos, solo radica en el hecho de que los cuadros cónicos se reduce la longitud del sombrero , inclinando los postes, de tal manera de formar un Angulo Angulo de 78º a 82º, respecto al piso, quedando el cuadrado de forma trapezoidal. trapezoidal.
CUADROS COJOS Estos están compuestos por solo un poste y un sombrero, se utilizan en vetas angostas menores de 3 m de potencia, su uso permite ganar espacio de trabajo pueden ser verticales o inclinados, según el buzamiento de la estructura mineralizada, estos cuadros deben adecuarse a la forma de la excavación para que cada elemento trabaje de acuerdo a las presiones ejercidas por el terreno.
ELEMENTOS DE UN CUADRO
ELEMENTOS AUXILIARES DE SOSTENIMIENTO
Bloques o blocks. Cuñas. Encribados o “emparrillados”. Longarina.
LOS BLOQUES Sirven para mantener firmemente las estructuras de sostenimiento hasta que sean fijados por la propia presión del terreno – transmiten las cargas del terreno a las piezas de sostenimiento.
CUÑA Sirve para mantener en su lugar los l os elementos de sostenimiento, limite del ángulo 15º a 20º.
ENCRIBADOS (EMPARRILLADOS) : Es necesario cuando el techo de una labor horizontal se halla elevado mucho .
LONGARINA: Se usa cuando se va a comunicar una chimenea o tajeo a un nivel superior y se coloca debajo de la solera.
HERRAMIENTAS Y ACCESORIOS HERRAMIENT PARA ARMAR UN CUADRO JUEGO DE BARRETILLAS. • CORVINA. • FORMON. • PUNTAS. • MARTILLO DE 6 Lbs. • CORDELES. • AZUELA.
PROCEDIMIENTOS PARA PROCEDIMIENTOS ARMAR UN CUADRO 1.- Marcar el Centro de la labor: identificar los puntos de dirección y colocar los cordeles suspendidos y orientar al tope de la labor los puntos y marcar el centro de la labor.
2.- Marcar los puntos de Gradiente: Colocar los cordeles en los puntos de gradiente y orientar hacia el tope de la labor.
3.- Picar las patillas: patillas: De acuerdo a la ubicación de los elementos y del comportamiento del terreno, picar las patillas con la longitud necesaria
4.- Colocar los elementos: Realizado las patillas cortar todos los elementos de acuerdo a la distancias obtenidas en el picado de patillas
5.- Nivelación del Cuadro: Colocado los elementos: postes y el sombrero, colocar los cordeles en los extremos del sombrero; y a la altura del punto de gradiente medir las distancias del poste al cordel.
6.- Bloquear y Enrejar: Nivelado los elementos bloquear en primer lugar el sombrero a las cajas y luego colocar los tirantes. primero se debe encribar el techo y enrejar los hastiales.
CAJAS DE MADERA MADERA (WORD PACKS) PACKS) Es un conjunto de cuatro maderas rollizas que una vez armadas forman un cuadro. Dos maderas verticales con sus extremos en boca-pescado soportan dos maderas horizontales o capiz.
TIPOS DE WORD PACKS Existen básicamente dos tipos de cuadros. CUADROS SENCILLOS: Es el formado por dos palancas en forma de taco y dos palancas o capiz. Tiene forma cuadrada o rectangular, dependiendo de la forma de la sección a sostener y de la función a cumplir. Los tacos se cortan en ambos extremos en forma de boca-pescado. Los capiz, deben ser en madera rolliza. La madera utilizada debe ser lo más uniforme posible en cuanto a su diámetro.
CUADROS ARTICULADOS: Formados por dos o más cuadros sencillos, unidos o articulados por tacos para conformar una unidad de sostenimiento rígida. Forma cuadrada o rectangular. Los tacos del cuadro y los del articulado deben cortarse en ambos extremos en boca-pescado. Los capiz se deben colocar contra los respaldos del mineral o en la parte de la vía que genera las mayores presiones. Un paquete armado con estas unidades tiene un área efectiva de soporte de 0.63 m y puede desarrollar una capacidad de soporte de 90 Ton.
CLASES DE CANASTAS NO RECUPERABLES Existen varias clases de canastas c anastas no recuperables dependiendo del tipo de madera y construcción. SEGÚN LA MADERA EMPLEADA:
SEGÚN EL MODO DE CONSTRUCCION: Vacías: son aquellas que están construidas en madera sin contener ningún material en su interior. Con relleno: son canastas en las cuales el vacío formado por la maderas, es rellenado con roca o madera corta para evitar el descenso total del techo. Maciza con madera rolliza o polín: la madera no deja espacios. La madera se encuentra totalmente junta Con madera intermedia.
PUNTALES Son elementos mas simples y de uso mas frecuente en el sostenimiento de labores inclinadas. Generalmente se emplean puntales de madera. (cuartones de 5”x6” ,6”x8”, 8”x10”) o redondos de 8” a 12 “ de diâmetro con longitud de 5` a 10`.
PROCEDIMIENTO PARA COLOCAR PUNT PUNTALES ALES Colocar y marcar el sitio. Desatar el techo. Desquinchar el piso. Hacer la plantilla en la caja piso. Cortar la plantilla. Medir el largo del puntal. Preparar el puntal. Colocar el puntal.
Si los puntales van ha soportar presion lateral, por mineral o desmonte conviene que el fondo de las patillas tenga inclinacion adecuada en tal sentido .fig 2
NOTA : cuando el puntal es muy largo o las cajas son muy paradas será necesario preparar previamente un andante apoyado sobre 2 puntales inferiores.
JACKPOT Se tratan de placas de acero a manera de platos de diferentes diámetros que encajan en los redondos (puntales) y que mediante la inyección de agua a presión deforma estos platos y bloquea activamente los puntales colocados.
La manera como actúa un puntal colocado es de forma pasiva, es decir, espera el relajamiento de la roca para comenzar a actuar.
En cambio, complementado la colocación del puntal con los jackpot, el sostenimiento con madera que es un “pasivo” se transforma en un sostenimiento “activo”, capaz de actuar de
manera inmediata sobre la roca, contrarrestando de manera efectiva el relajamiento de la roca a soportar. soportar.
GATAS HIDRAHULICAS Permite sostener temporalmente o realizar un pre soporte en labores mineras suplantando a los puntales de madera colocados verticalmente a manera de “cachacos”, la
ventaja de la gata mecánica es que hace resistencia contraria a la corona que sostiene, recuperándose una vez concluido el trabajo de sostenimiento temporal.
Asimismo, estas gatas mecánicas mecánicas pueden ser usadas en labores en la que se va a colocar sostenimiento con pernos y mallas, pre soportando la roca mientras es sostenida con los elementos mecánicos.
PARTES DE LAS GATAS HIDRAULICAS head board rubber (cabeza de caucho) adjustable extension (extensión regulable) extension re inforcment (extensión re regulable) lower extension pipe (tubo de extensión) outer protection pipe (tubo exterior de protección) setting handle (agarradera) grid ports (puertos cuadriculados) extension connector (conector de la extensión) hydraulic unit (unidad hidráulica) release screw (tornillo de liberación) yeild ajustment (botón de ajuste) pumping unit (unidad de bombeo) foot peace (pie de apoyo)
TIPOS DE GATAS HIDRAULICAS: Son 2:
Funcionan a manera de tubos telescópicos, fijándose los tubos inferior y superior mediante mecanismos de cuñas o pines con la ayuda de un mecanismo expansor para el topeo al techo. Gatas de fricción:
Gatas hidráulicas o neumáticas: Son elementos que tienen características de fluencia a una carga específica, la cual es complementada por un cilindro de soporte hidráulico o neumático equipado con válvulas de liberación de presión.
ARCOS DE ACERO (CIMBRAS)
Es un sostenimiento pasivo
TIPOS
sostenimiento con cimbras rígidas sostenimiento Sostenimiento cimbras deslizantes.
PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN
Colocación de ángulos o marchavantes de ser necesario.
Todas las cimbras deben estar correctamente apoyadas al piso
Se asegurará el techo entablando el espacio entre las 2 últimas cimbras instaladas. Este entablado se inicia a 1.5 metros del nivel del suelo hasta cubrir toda la corona de la excavación Es muy importante que la instalación sea cimbra por cimbra
Fig. 2.12: Esquema del sostenimiento sostenimiento con cimbras rígidas.
Foto 2.1: labor sostenimiento con cimbras rígidas
CIMBRAS CEDENTES Los arcos cedentes se componen de dos o tres secciones
PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO DE INSTALACIÓN. INSTALACIÓN.
• Instalación similar al de cimbras rígidas. • La diferencia radica que estas cimbras usaran abrazaderas y pernos que unirán a las partes adyacentes traslapadas, y no solo será suficiente pernos y tuercas como en el caso de las cimbras rígidas.
¿Que es el shotcrete o concreto lanzado? •Según el A.C.I. 506 R es R es un mortero o concreto transportado por algún medio, vía húmeda o vía seca, a través de una manguera y proyectado neumáticamente a gran velocidad contra una velocidad superficie
El concreto lanzado es simplemente un sistema de colocación de concreto
Métodos de Concreto Lanzado Vía Húmeda
Vía Seca
Concreto lanzado vía seca a) Preparación de la mezcla • a) Preparación b) Alimentación Alimentación de la máquina lanzadora • b) c) El equipo introduce el material a la • c) manguera d) Se transporta el material a la boquilla • d) mediante aire comprimido e) Se Se adiciona agua en la boquilla • e) f) Se Se lanza a gran velocidad contra la superficie • f)
Proceso Vía Seca UGC WORKSHOP 99
Vía Seca agregados & cemento (& fibras)
Dosificación del acelerante & a/c ratio controlada por el operador
Manguera de transporte
Aire
Bomba para el acelerador Acelerante
Agua
Rendimiento: 4 to 8 m3 /hr Rebote: Agregados: 20 to 30% Fibras Fibras de acero acero - 35 to 75% 75%
Ventajas y desventajas de la vía seca VENTAJAS Equipo más económico Distancias más largas de transporte Peso bajo de la línea Limpieza fácil Conveniente para aplicaciones de poco volúmen
DESVENTAJAS Rebote alto Mayor generación de polvo Relación a/c variable Mayor desgaste del equipo Bajo rendimiento de producción Requiere mayor consumo de aire Menos adecuado en la aplicación de fibras
Concreto lanzado Vía húmeda a) Preparación de la mezcla • a) Preparación b) Alimentación Alimentación de la máquina • b) c) El El equipo introduce el material a la • c) manguera transporta el material por flujo denso o • d) Se transporta diluído • e) Se le adiciona en la boquilla aire a presión y aditivo acelerante • f) Se lanza a gran velocidad
Concreto fresco
Aire+acelerante
Ventajas y desvent desventajas ajas de la vía Húmeda DESVENTAJAS
•VENTAJAS •Relación a/c controlada •Menor rebote •Menor polvo •Mayor rendimiento •Utiliza una nueva tecnología de aditivos
•Ideal para la aplicación con fibras
Equipo caro Distancias más cortas de transporte Limpieza de bombas y líneas Línea más pesada
Materiales •Agregados •Agua •Cemento •Aditivos y adiciones •Fibras
Colocación Vertical
Colocación sobre cabeza
Velocidad •Vía Seca
90 a 120 m/s (300 a 400 fps)
•Vía húmeda +/- 45 m/s (+/- 150 fps) Compa ctación •Velocidad = Compactación
Baja Velocidad
DISEÑO DE ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO CON PERNOS DE ANCLAJE El sistema de sostenimiento con pernos de anclaje en un macizo rocoso es controlar la estabilidad de los bloques y cuñas potencialmente inestables.
CLASIFICACION DE LOS PERNOS DE ANCLAJE
a. Pernos por adherencia • Pernos helicoidales • Cable bolting • Anclaje a base de cemento b. Pernos por fricción • Pernos Split set • Pernos de expansión • Pernos de cabeza de expansión • swellex
Pernos helicoidales: son 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.
Perno Split Set : en el taladro el tubo ejerce presión radial contra la roca, su contacto es longitudinal y provee un inmediato soporte al macizo rocoso.
PARTES DE UN PERNO DE ANCLAJE ACTIVO Y PASIVO Perno activo: 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. Pernos pasivos: 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.
CRITERIOS PARA INSTALACIÓN DE PERNOS ANCLAJE Verifica que la zona de trabajo se encuentre despejada al operar el equipo, de acuerdo a las normas de seguridad correspondiente. Ubica la máquina perforadora en posición de aliñamiento para iniciar la perforación, de acuerdo al tipo de perforación a realzar. Inicia la perforación, de acuerdo a la secuencia de perforación establecida, de acuerdo a las normas de seguridad. Perfora en puntos señalados, verificando durante la operación la lubricación y correcto funcionamiento de la maquina perforadora. Seleccione los aceros de perforación de acuerdo a las dimensiones y especificaciones técnicas de la operación a realizar. Coloca el perno en el dispositivo de la máquina perforadora. perno (resinas, Introduce los elementos para la fijación del perno inyección de lechada) Cierra las válvulas de aire y agua, al concluir la perforación.
Para este caso para anclar el bloque de roca, el número de pernos que es necesario colocar estará definido por la siguiente relación matemática.
=
. . − cos cos. − . (cos (cos. ++ .. )
Donde: N = número de pernos, colocados 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 contacto de inclinación β.
B = fuerza vertical que puede soportar un pernos. A = longitud del del contacto afectado afectado por el deslizamiento.
SOSTENIMIENTO DE UN BLOQUE INESTABLE ANCLADO AL TECHO DE ROCA SOLIDA El máximo peso que puede soportar un perno está dado por la siguiente expresión matemática: Donde: F = Coeficiente de seguridad, comprendido entre 1.5 y 3 s = Espaciado transversal 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
La malla metálica principalmente es utilizada para los siguientes tres fines: primero, para prevenir la caída de rocas ubicadas entre los pernos de roca, actuando en este caso como sostenimiento de la superficie de la roca; segundo, para retener los trozos de roca caída desde la superficie ubicada entre los pernos, actuando en este caso como un elemento de seguridad; y tercero, como refuerzo del shotcrete. Existen dos tipos de mallas: la malla eslabonada y la malla electrosoldada.
PROCEDIMIENTOS PARA SUS INSTALACION
Señalar el área donde deberá instalarse la malla. Desatar todo bloque suelto del área donde se instalará la malla. Presentar la malla utilizando de ser necesario gatas o puntales. Anclar definitivamente definitivamente con pernos de roca. Asegurar la malla malla utilizando la misma misma platina del perno, perno, si éste aún no no ha sido instalado, o arandelas a presión o segunda platina de retén y tuerca, si el perno ya fue instalado. Acomodar o moldear moldear la malla a la forma de la superficie de la roca roca utilizando
ganchos de fierro corrugado de 3/8”, colocados en taladros de 0.5 m de longitud.
Evitar en lo posible superficies con la malla suelta, especialmente cuando se contempla la aplicación del shotcrete sobre la misma. Los traslapes entre mallas serán como mínimo 20 cm c m y deben estar asegurados con pernos de anclaje, con un amarre inicial de alambre #8. En áreas de altos esfuerzos, deben eliminarse los empalmes horizontales de la malla metálica en el tercio inferior de los hastiales, estos traslapes deben efectuarse a una altura mínima de 2.5 m respecto al nivel del piso. Los empalmes verticales en estos casos deben reforzarse con varillas de fierro corrugado de 3/8” y 0.7 m de longitud.
Cuando el uso de la malla es puntual, se puede recortar la malla para su manipulación sencilla. La malla es muy propensa a dañarse fácilmente con la voladura, siendo recomendable reemplazarla, reemplazarla, recortando los pedazos dañados y colocando una nueva.
DISEÑO DE ELEMENTOS DE SOSTENIMIENTO CON RELLENO HIDRAULICO Uno de los elementos ampliamente usados como medio de sostenimiento artificial en el minado subterráneo, es el relleno colocado en los tajeos vacíos.
CONCLUSIONES
Las propiedades y el comportamient comportamiento o de diseño de elementos estruccturales es controlado dependen enormemente de las condiciones de , caracteristicas geo mecánicas de la roca, colocación colocación,, del tipo de equipo equipo,, la experiencia y experiencia y capacidad capacidad del del personal personal,, por lo tanto un sostenimiento, aún el mejor elaborado, puede presentar problemas cuando se aplica a una superficie no durable o preparada inadecuadamente, inadecuadamente, sin el equipo adecuado y con personal inexperto
GRACIAS
