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INTRODUCCIÓNDebido 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 proyec-tos de investigación en EE UU, Japón, Hong Kong, España, Chile, Australia, Canadá y Suiza, realizando ensayos de campo a escala natural.

DIMENSIONAMIENTO DE CORTINAS DE GUIADO (DRAPES) COMPUESTAS DE ALAMBRE DE ACERO DE ALTA RESISTENCIA

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

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 des-prendimientos 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 dema-siado pequeña y no hay espacio para construir una barrera dinámica, la esta-bilización del talud con membranas de alta resistencia ancladas, suele ser la solución utilizada. En la medida en que la superficie de actuación sea más

Roberto Luis Fonseca, Ing. Caminos, Canales y Puertos, PhD. Grupo GeobruggRicardo De Stefano Pérez, Ing. Civil, MBA. Grupo GeobruggArmin Roduner, Ing. Civil, MSc. Grupo Geobrugg

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.

Figura 1.

Sistemas de

protección contra

desprendimientos.

GEOTECNIA 55

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 ade-cuada, 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 corti-nas 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 dúc-tiles 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).

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 inapro-piados. 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 DIMENSIONADOEl dimensionamiento correcto de los sistemas de cortina de guiado con-trolado 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).

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 dimen-siones 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 des-prende, sobre la membrana a utilizar, teniendo en cuenta la concentración de tensiones sobre la membrana, dis-tribución 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 ANCLAJEEl 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 polí-gono situado en la cantera de Lochezen en Walenstadt (Suiza), con una malla tipo Tecco G65/3. La configuración del experimento se describe en las imáge-nes siguientes (Figura 4). Para el ensayo se utilizó un marco de unos 5 m de altura con una superficie de trabajo

La solución de guiado de rocas en taludes,

resulta ser una respuesta factible y eficiente,

siempre y cuando se utilicen los productos

adecuados

Figura 3. Zonas a considerar durante

el proceso de dimensionado.

Figura 2. Malla hexagonal dúctil

desgarrada, en un intento fallido de empleo

como cortina de guiado.

GEOTECNIA56

horizontal de 4,35 m x 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.

MEDICIÓN DE LAS TENSIONESDurante 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 latera-les, para determinar que parte de la solicitación pudiesen transmitir estos elementos (Z7 y Z8).

MEDICIÓN DE LAS DEFORMACIONESUn 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).

PROCEDIMIENTO DE DIMENSIONAMIENTO DE LA ZONA DE ANCLAJESe trata de un procedimiento de revisión, en el cual se van seleccio-nando 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 solicitacio-nes 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.

Figura 7.

Respuesta

deformacional

en el cable de

soporte superior.

Figura 6.

Resultados de las

mediciones de

tensión en Z3 y Z4.

Figura 5.

Medición de

solicitaciones

en el terreno.

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.

GEOTECNIA 57

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

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

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 ines-

table, [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 mor-tero de inyección, [kPa]

FSτ: 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.

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 pro-

puesto, [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]

Para facilitar el proceso de dimen-sionado se ha creado una simple herramienta de cálculo que permite resumir de forma simple las verifica-ciones antes explicadas (Figura 8).

ENSAYOS REALIZADOS PARA DIMENSIONAR LA ZONA DE GUIADOLos 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

Figura 8. Resultados del

proceso de verificación.

Tabla 2. Carga de rotura de los anclajes

flexibles de Geobrugg.

Tabla 1. Valores de resistencia a la

desgarradura ZR para las membranas

más comunes de Geobrugg.

GEOTECNIA58

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 conside-rar el aporte (reducción de velocidad y por ende de la energía) que aporta el contacto con la superficie del terreno.

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 compo-nente esencial del sistema de guiado.

La respuesta dinámica del sistema se simuló incorporando el modelo constitutivo elastoplástico en el pro-cedimiento explícito de la solución. El modelo desarrollado se calibró com-parando 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 res-puesta 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 x 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 dis-tancia 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 inte-racción entre el bloque y la superficie) y otra con las cortinas para reproducir la interacción entre el bloque, la super-ficie y las membranas. Los resultados de los ensayos se analizaron utilizando la herramienta de análisis de video.

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.

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 dis-minuye después de que alcanza la

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

Figura 10. Ensayo de laboratorio

Universidad de Newcastle, 2018.

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

GEOTECNIA 59

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.

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

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 conti-nuación se muestra un resumen de los ensayos realizados a los 4 productos.

Tras esta última serie de ensayos se puede resumir que:1. Las membranas compuestas por

alambre de acero dúctil de resisten-cia fyk entre 350MPa y 500MPa no son capaces de soportar los reque-rimientos de energía establecidos como necesarios 20kJ, las pruebas dinámicas fallan, por ende no son aptas para ser utilizadas como cor-tinas 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.

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 1.770

Tecco G65/4 1.770

Figura 16. Ensayo a la malla Tecco G65/4.

Energía 35 kJ (420 kg en caída libre desde

8,5 m), resultado correcto.

Figura 15. Ensayo a la malla Tecco G65/3.

Energía 20 kJ (420 kg en caída libre desde

4,85 m), resultado correcto.

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.

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.

Tabla 3. Materiales empleados en la serie de ensayos.

Figura 12. Evolución en el tiempo de la velocidad del bloque y su trayectoria

(experimental y numérica).

GEOTECNIA60

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 resis-tencia 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 pro-ceso de selección de la membrana más apropiada en cada caso, siguiendo el criterio del impacto dinámico sobre la llamada zona de guiado.

Los resultados obtenidos de los ensa-yos 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 80x100/2,7 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.

CONCLUSIONESLa solución de guiado de rocas en taludes, resulta ser una respuesta fac-tible y eficiente, siempre y cuando se utilicen los productos adecuados. Las membranas que se utilicen (redes o mallas) deben ser capaces de solu-cionar 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 dimensio-namiento 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 per-mitieron 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 cali-dad del acero y la homogeneidad de la membrana es sin ninguna duda esencial para conseguir que los siste-mas 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, inten-tando aprovechar las ventajas de ambos grupos de soluciones. n

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 preven- ción 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.

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.