CUBIERTAS PROTECTORAS PARA IMPACTO DE CAÍDOS DE ROCA (Túneles Falsos) JAIME SUAREZ DIAZ UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Bucaramanga - Colombia La tecnología de las cubiertas protectoras se inició en Europa entre 1920 y 1930 para proteger los ferrocarriles y vías contra las avalanchas de nieve Después de 1970 la tecnología de las cubiertas protectoras se extendió al manejo de deslizamientos de tierra Corea del sur Noruega Ejemplos de túneles falsos ELABORO: JAIME SUAREZ DIAZ Autopista a Acapulco El diseño consistía en diseñar una estructura para resistir la carga correspondiente a una determinada altura de suelo W En los últimos 20 años su uso se ha extendido a la protección contra los caídos de roca Riesgo: Vida de personas Daño de vehículos Interrupción del tránsito Riesgo de caídos de roca Riesgo Cómo se diseña una cubierta para el impacto de caídos de roca ? Túnel Falso vía Bucaramanga - Barrancabermeja Colchón amortiguador Contención del colchón Manejo del talud detrás de la estructura Estructura de soporte Cimentación Se requiere determinar bloque de diseño el tamaño del 12 La altura de caída y el ángulo de impacto 12 La altura de caída y el ángulo de impacto 12 Análisis de los patrones estructurales del macizo rocoso para determinar : Probabilidad de ocurrencia de caídos Tamaño de bloque Altura de caida Mecanismo de caída 12 Levantamiento detallado de la estructura de la roca del macizo ? 12 Se requiere el trabajo conjunto del geólogo y del geotecnista Geólogo 12 2 1 3 El análisis de la estructura permitió determinar que el tamaño máximo de bloque independiente tiene un volumen de aprox. 100 m3 y la altura de caída máxima de este bloque es de hasta 50 mts. 12 Análisis histórico Fecha Agosto 2002 Marzo 2003 Tamaño bloques de roca 2.4*1.7*1.1 (4.5 m3) 2*1.4*1.3 (3.6 m3) 2.6*1.4*0.7 (2.5 m3) 2.3*1.1*0.9 (2.3 m2) 1.6*1.4*1 (2.2 m3) 1.6*1.25*1.1 (2.2 m3) 2.9*1.4*0.45 (1.8 m3) 1.9*1.3*0.7 (1.7 m3) 2.1*1.05*0.6 (1.3 m3) 1.4*1.1*0.7 (1.1 m3) 1*1*1 (1.0 m3) 9*5.3*2.4 (114.5 m3) 8.3*5*2.4 (99.6 m3) 4.9*4.7*3 (69.1 m3) 7.4*4.3*1.8 (57.3 m3) 4.7*2.1*1.3 (12.8 m3) 3*1.9*1.8 (10.3 m3) 4.1*1.6*1.5 (9.8 m3) 4.8*2.2*0.9 (9.5 m3) 2.7*2.5*1.3 (8.8 m3) 2.5*1.6*1.6 (6.4 m3) 1*3.1*1.9 (5.9 m3) 1.9*1.8*1.5 (5.1 m3) 2.2*2.1*1.1 (5.1 m3) 2.4*1.6*1.3 (5.0 m3) 1.9*1.9*1.3 (4.7 m3) 2.3*1.9*0.9 (3.9 m3) 2.2*1.5*1.1 (3.6 m3) 1.6*1.6*1.4 (3.6 m3) 2.5*1.5*0.9 (3.4 m3) 2.2*1.9*0.8 (3.3 m3) 2.5*1.2*1.1 (3.3 m3) 2*1.9*0.8 (3.0 m3) 3.24*0.9*0.9 (2.6 m3) 2*1.3*1 (2.6 m3) 2.3*1.5*0.7 2.4 m3) 1.5*1.3*1.2 (2.3 m3) 2.1*1.1*1 (2.3 m3) 2.5*1.5*0.6 (2.3 m3) 1.5*1.2*1.1 (2.0 m3) 2.1*1.1*0.7 (1.6 m3) 2.2*1*0.7 (1.5 m3) 2.3*1.1*0.6 (1.5 m3) 1.5*1*1 1.5 m3) 12 12 Se determinó un bloque de diseño de 100m3 con altura de caida libre de 50 metros 12 Túneles falsos Adicionalmente se puede requerir un estudio de dinámica de rocas 12 Factores que afectan la fuerza dinámica de la roca sobre la protección La fuerza dinámica de los bloques sobre la protección depende de las siguientes características (Descoeudres y otros, 1997): 1. El peso y forma de bloque, su altura de caída y ángulo de impacto. 2. Las características del material de la cubierta, tipo de material, espesor y grado de compactación. 3. Las características de la estructura especialmente la rigidez. 12 Objetivos del material amortiguador 1: Absorber la energía por compresión 2. Dispersar la energía puntual de impacto, en tal forma que se transmita a la estructura sobre un área relativamente grande. 3. Permanecer intacto después del impacto, en tal forma que no se requiera reemplazarlo. 12 Efectividad del material 1. Capacidad de amortiguación del golpe 2. Diferencia entre la fuerza de impacto producida por el caído de roca y la fuerza transmitida que debe ser absorbida por la estructura de concreto armado 12 Materiales Grava Arena Arcilla Llantas de caucho Espumas plásticas sintéticas. 12 Utilización de materiales de alta deformabilidad 12 Alternativas analizadas : Arena Arcillosa Grava arenosa 12 Fuerza de impacto 12 Fuerza de impacto Ecuación de Montani Stoffel ( 1998 ) Facc 1.33 exp (R / 1.5e ) M 1/ 3 (tan )0.2 E 2 / 3 Donde Facc = Fuerza de aceleración R = Radio de bloque e = Espesor de la capa protectora de suelo M = Módulo elástico de la capa protectora de suelo = Angulo de fricción de la capa protectora de suelo E = Energía potencial del bloque sobre la capa de suelo 12 Otras expresiones para calcular la fuerza de impacto La firma suiza Ernst Basler + Partners Ltd., utiliza la siguiente fórmula: m v 2 F 2.8 e 0.5 R 0.7 ME 0.4 tan 2 0.6 Esta expresión da valores de fuerza significativamente menores a los obtenidos con la fórmula de Montani Stoffel. 12 Penetración del bloque dentro de la protección Montani Sotffel : d 1.5 exp (R / 1.5e ) (E / Facc) Ernst Basler + Partners Ltd. m v 2 d F 12 Túnel falso Cerro de San Pablo, carretera Bucaramanga – Barrancabermeja. Altura de caída = 50 m Bloque de 100 m3 Tipo de suelo = arena limosa Tamaño del bloque (m3) Fuerza de impacto (Ton) 100 6148.5 64 4704.3 32 3103.6 10 1544.4 5 1019.0 1 387.9 12 Espesor de la capa de amortiguación 12 Modelo de elementos finitos Carga seudosestática de 6150 toneladas Programa : Plaxis 12 Resultados del modelo 12 Resultados del modelo 12 Disipación de esfuerzos a través del relleno : Valor superior: 408KN/m2. Valor inferior: 100 KN/m2. 12 Diseño de la viga superior de soporte 12 Pórticos 12 Cimentación Vigas corridas transversales a la vía, las cuales cumplen la doble función de cimentación y de cerrar el pórtico estructural. 12 Adecuación del área detrás de la estructura 12 Adecuación del área detrás de la estructura Y de la cimentación 12 Vía Bogotá - Villavicencio 12 Junta de icopor entre la estructura y el concreto ciclópeo para garantizar la independencia y flexibilidad de la estructura que facilite la amortiguación del impacto 12 12 12
