c7 sostenimiento con pernos de anclaje
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CURSO: MECANICA DE ROCAS
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA MINERA METALURGICA Y
GEOGRAFICA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA GEOLOGICA
Ing. VICTOR TOLENTINO YPARRAGUIRRE Msc.
SOSTENIMIENTO DE ROCAS CON
PERNOS DE ANCLAJE
INTRODUCCION
• El sostenimiento activo en excavaciones
subterráneas son un conjunto de procedimientos y
materiales utilizados para mejorar la estabilidad,
mantener la capacidad resistente a solicitación del
macizo rocoso en las cercanías al perímetro de la
excavación.
• La tendencia actual en el mundo es lograr el
autosostenimento de la roca, procurando conservar
la resistencia natural de la misma, tratando de
movilizar los esfuerzos hacia los bordes de la
excavación. Generalmente la solución consiste en
combinar varios tipos de sostenimiento
SOSTENIMIENTO ACTIVO-CONCEPTOS GENERALES
SOSTENIMIENTO:
Combinación de elementos estructurales necesarios colocar para asegurar y proteger la estabilidad de las excavaciones, personas y equipos durante la etapa de construcciòn y tiempo de servicio.
PRINCIPIOS A CONSIDERAR:
1. Al realizar una excavación, el macizo rocoso sufre una deformación y esta deformación debe ser compatible con el tipo y tiempo de servicio que ha de prestar la estructura subterránea a un costo de mantenimiento razonable.
2. El tiempo juega un papel fundamental por que condiciona las características que debe cumplir el sostenimiento: ser permanente o temporal.
En general, al transcurrir el tiempo se genera cierta degradación de las propiedades del suelo o del macizo rocoso, debido esencialmente a los efectos ambientales.
SOSTENIMIENTO - CONCEPTOS GENERALES
El dimensionamiento del tipo de refuerzo
depende básicamente de:
• La calidad del macizo rocoso,
• La geometría de la excavación y
• El estado tensional existente en el terreno antes de realizar la excavación
Para dimensionar adecuadamente un sistema de refuerzo, es preciso tener en consideración la interacción roca-sostenimiento.
INTERACCION ROCA-SOSTENIMIENTO
El diseño de los sistemas de sostenimiento para
excavaciones subterráneas, son realizados especialmente
para controlar las deformaciones causadas por los
esfuerzos inducidos luego de la excavación.
El análisis roca-sostenimiento es un problema originado por
una gran variedad de factores que deben tomarse en
cuenta para seleccionar un adecuado sistema de
sostenimiento.
Análisis de diferentes tipos de
refuerzo:
1. Sistema muy rígido para el
momento de instalación
2. Sistema es adecuado si el
desplazamiento en C es aceptable
3. Sistema muy flexible, un pequeño
aumento de carga podría causar
inestabilidad
4. Sistema tiene una rigidez
adecuada pero es instalado muy
tarde para controlar la
deformación ya creciente de la
roca
INTERACCION ROCA-SOPORTE CURVA CARACTERISTICA DEL TERRENO
CURVA CARACTERISTICA
FACTORES DE DISEÑO QUE DEFINEN LA
EFICIENCIA DEL REFUERZO DE 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
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 VIGA
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
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 podra
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.
LASIFICACION 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.
MECANISMOS DE ANCLAJE Y TIPOS DE PERNOS
DE ROCA
Anclaje por
adherencia
Anclaje por
fricción
Anclaje a base de resina.
Anclaje a base de cemento
Anclaje con elevada presión
de contacto
Anclaje con baja presión de
contacto
•Split-set
•Swellex
CLASIFICACION DE SISTEMAS DE ANCLAJE
PERNOS DE ROCA
INTRODUCCIÒN
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 - DEFINICION
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.
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
El diámetro del taladro es crítico para el anclaje, se
recomienda diámetros de 35 a 38 mm.
Su uso se limita a rocas moderadamente duras a
duras, masivas, con bloques o estratificada, sin
presencia de agua. En rocas muy duras, fracturadas y
débiles no son recomendables, debido a que el anclaje
podría deslizarse bajo la acción de las cargas. En
rocas sometidas a altos esfuerzos tampoco es
recomendable.
CONSIDERACIONES PARA SU UTILIZACION:
Pierden su capacidad de anclaje por efecto de
vibraciones por voladura detrás de la placa, debido a
altas fuerzas de contacto, por lo que no se recomienda
utilizar en macizos rocosos cercanos a áreas de
voladura.
Solo pueden ser usados para reforzamiento temporal.
Si son utilizados para reforzamiento permanente, éstos
deben ser protegidos de la corrosión, si hay presencia
de agua y deben ser post-cementados con pasta de
cemento entre la varilla y la pared del taladro.
Proporcionan una tensión limitada que raramente sobrepasan las 12 Tm.
CAPACIDAD DE ANCLAJE
Para este tipo de pernos de roca, para calcular la capacidad o
fuerza de anclaje, se usa la siguiente expresión matemática:
tFqnP ...P = Fuerza de anclaje en Kg.
= coeficiente de friccion entre la roca y
los dispositivos de expansion
q = capacidad de resistencia de la roca
del techo, en Kg/cm2
Ft = área que se expande el dispositivo
n = numero de dispositivos de expansión
CAPACIDAD DE ANCLAJE.
Como este perno de roca tiene dispositivo de expansión y
otros accesorio como es la tuerca donde se ajusta para que
se adhiera mas al macizo rocoso; para producir estos
momentos de ajustar dicho perno se hace mediante las
siguientes expresiones matemáticas:
22
1
2
2
3
1
3
2121 tan
3tan
2
dd
ddRi
RdMMM
M = momento total del giro, Kg/cm
M1 = momento primero que se pone el dispositivo en acción, Kg/cm.
M2 = momento segundo para ajustar la placa de apoyo, Kg/cm.
R = fuerza axial que se aplica al perno, Kg.
d = diámetro del perno, cm.
d1 = diámetro del orificio, cm.
d2 = distancia del dispositivo de expansión en la roca
i = inclinación de la rosca del perno
1 = Angulo de fricción entre la tuerca y el perno
2 = Angulo de fricción entre la tuerca y la placa de apoyo.
MOMENTO TOTAL DE GIRO
La otra expresión matemática mas simplificada, para el
momento de giro, es la siguiente:
tan.2tan2
. i
dRM
Donde:
M = momento de torsión, Kg/cm
R = fuerza axial que se aplica al perno, Kg.
d = diametro del perno, cm.
i = inclinación de la rosca del perno, en promedio 2.5º
= Angulo de fricción entre la tuerca y la placa de apoyo, en
promedio 16º
MOMENTO DE GIRO.
PERNO HELICOIDAL INYECTADO CON RESINA O CEMENTO
Se trata de una barra de acero corrugado, fijada a la roca
mediante mortero o resina. Puede ser activo o pasivo.
La fijación puede ser mediante cartuchos de resina,
cartuchos de mortero de cemento o directamente inyectando
cemento en el taladro.
Este último sistema es el que ofrece mejores resultados, pero
es más lento y laborioso. Por eso en rocas de buena calidad
se emplean generalmente cartuchos que, ofrecen un
comportamiento suficientemente satisfactorio.
PERNOS DE ANCLAJE RESINA
1. Perforar un taladro de
1” a la profundidad
deseada
2. Insertar los cartuchos de
resina, insertar un obturados
3. Empujar el perno a
través de los cartuchos
6. Perno instalado 4. Girar el perno 5. Aplicar presión en la
cabeza del perno.
Si el perno es activo es necesario inyectar sólo el perno de
anclaje, lo que se consigue por medio de un obturador. Si se
emplean cartuchos, solo se requiere la introducción de éstos
en el fondo del taladro. La acción de soporte se produce
cuando ya ha fraguado la resina o el cemento, lo que retrasa
bastante su colocación.
Algunas veces se inyecta también el fuste después de tensar
el perno, con lo que se tiene un comportamiento híbrido
activo-pasivo.
PERNO HELICOIDAL INYECTADO CON RESINA O CEMENTO
BARRAS DE ACERO CORRUGADO CON RESINA O
CEMENTO
Consiste en una barra de acero, con un extremo
biselado, que es confinado dentro del taladro por medio
de cemento (en cartuchos o inyectados), resina (en
cartuchos) o resina y cemento.
El anclaje entre la varilla y la roca es proporcionado a lo
largo de la longitud completa del elemento de refuerzo,
por tres mecanismos: adhesión química, fricción y
fijación, siendo los dos últimos mecanismos los de mayor
importancia, puesto que la eficacia de estos pernos está
en función de la adherencia entre el fierro y la roca.
En presencia de agua, particularmente en agua ácida, el
agente cementante será la resina, en condiciones de
ausencia de agua será el cemento.
Dentro de este tipo de pernos, los de mayor utilización
en el país son:
La varilla de fierro corrugado, generalmente de 20
mm de diámetro (convencional). La capacidad portante es
12 Tm., y
La barra helicoidal de 22 mm de diámetro, con
longitudes variables (de 5' a 12') (ultima tecnología). La
capacidad portante superan las18 Tm.
PERNO DE ACERO CORRUGADO.
Instalación de una barra helicoidal.
Los componentes principales son los siguientes:
+ Catalizador
Resina poliéster, 28.5%
Sellador (caliza triturada), 66%
Acelerador, 0.5%
Resistencia a la compresiòn uniaxial 1,120 Kg/cm2
Resistencia a la tensión 630 Kg/cm2
Resistencia al corte 525 Kg/cm2
Este perno de roca, tiene las siguientes propiedades físicas:
COMPONENTES DE UN PERNO CON RESINA
TIPOS DE CARTUCHOS DE RESINA
Para calcular la capacidad o resistencia a la carga de un
perno con resina, se hace mediante la siguiente relación
matemática:
lUAR amàx ...
dU
dA
.
4
. 2
l
da 25.0
Rmàx = capacidad de apoyo del perno,
Kg.
σa = resistencia en el limite elástico
(punto de fluencia) del acero del perno,
Kg/cm2.
A = área de perno, cm2
d = diametro del perno, cm.
= adherencia entre la resina y el
perno, Kg/cm2.
U = circunferencia del perno, cm.
= longitud del perno, cm.
INSTALACION DE UN PERNO DE ACERO CON
INYECCION DE CEMENTO.
INSTALACION DE UN PERNO CORRUGADO CON CARTUCHOS DE
CEMENTO, RESINA O AMBOS
Es una marca comercial de anclajes y pernos, fabricado con
acero de mayor resistencia en lugar de utilizar las barras
corrugadas normales. Es más costos y por ende menos
usado.
PERNOS DYWIDAG.
El principio de funcionamiento es similar a los pernos esféricos, se utiliza
cable en lugar de la barra corrugada. No pueden usarse cartuchos,
debiendo ser inyectado necesariamente. Es de utilidad en túneles de
gálibo escaso en los que es necesario instalar pernos muy largos, ya
que, al ser flexibles, pueden colocarse sin dificultad, también en
explotaciones mineras en corte y relleno ascendente mecanizado.
CABLES DE ACERO
Split-Set es una marca comercial de INGERSOL RAND.
Está constituido por una chapa de forma cilíndrica, abierto a lo
largo de la directriz. Al introducir en un taladro de diámetro
inferior ejerce una fuerza radial sobre la roca haciendo que el
perno quede fijado por rozamiento. Es de fácil colocación,
pero tiene el inconveniente de ser muy sensible al diámetro
del taladro y a la calidad de la roca. En macizos rocoso de
mala calidad las paredes del taladro ceden ante la presión
que les transmite el Split-Set y se pierde la capacidad de
anclaje con el tiempo.
PERNOS SPLIT SET
SPLIT-SET
Placa de reparto
Tubo ranurado
Extremo abocardado
Sección
inicial del
bulón
CARACTERISTICAS TECNICAS DEL SPLIT SET.
Los split sets, conjuntamente con los swellex,
representan el más reciente desarrollo de técnicas de
reforzamiento de roca, ambos trabajan por fricción
(resistencia al deslizamiento) a lo largo de toda la
longitud del taladro. Aunque los dos trabajan con el
mismo principio, tienen diferentes mecanismos de
sostenimiento.
La desventaja del Split Set es su capacidad de anclaje que en el mejor de los casos llega las 11 Toneladas para un perno de 6 pies.
PERNOS SPLIT SET.
El diámetro de los tubos ranurados varía de 35 a 46
mm, con longitudes de 5 a 12 pies. Pueden alcanzar valores de anclaje de 1 a 1.5 toneladas por pie de longitud del perno, dependiendo principalmente del
diámetro de la perforación efectuada, la longitud de la
zona del anclaje y el tipo de la roca.
Las siguientes consideraciones son importantes para
su utilización:
PERNOS SPLIT SET.
MECANISMOS DE ANCLAJE DE SPLIT SET.
Los split sets son apropiados para refuerzo temporal,
conformando sistemas combinados de refuerzo en terrenos
de calidad regular a mala. En roca intensamente fracturada y
débil no es recomendable su uso.
Proporciona una acción de refuerzo inmediato después de
su instalación.
El diámetro del taladro recomendado para los split sets
de 39 mm es de 35 a 38 mm, con diámetros más grandes
es deficiente el anclaje y con diámetros más pequeños es
muy difícil introducirlos.
Son susceptibles a la corrosión en presencia de agua, a
menos que sean galvanizados. En mayores longitudes de
split sets, puede ser dificultosa la correcta instalación. Los
split sets son relativamente costosos.
MODO DE INSATLACION DEL SPLIT SET.
Swellex es una marca comercial de ATLAS-COPCO. Es un
perno con orificio (hueco), que se introduce en el taladro y se
expande mediante el bombeo de agua a presión en su
interior. Al expandirse rellena todo el taladro y presiona contra
las paredes de éste, logrando la fuerza de anclaje por
rozamiento. La instalación es rápida y requiere el uso de una
bomba de agua capaz de suministrar la presión necesaria
para producir su expansión.
Existen en el mercado varios tipos de pernos Swellex: el
Swellex normal, el SuperSwellex (que tiene más sección de
acero), el Coated Swellex con protección anticorrosión y el
Yielding Swellex hecho de un acero más deformable para
macizos rocoso expansivos o fluyentes.
PERNOS SWELLEX
PERNOS SWELLEX: INSTALACIÓN
PERNOS SWELLEX - DESCRIPCION
También es un perno de anclaje por fricción, pero en
este caso la resistencia friccional al deslizamiento se
combina con el ajuste, es decir, el mecanismo de
anclaje es por fricción y por ajuste mecánico, el cual
funciona como un anclaje repartido.
Los pernos swellex existen dos tipos:
Estándar swellex y Súper swellex
ESTÁNDAR SWELLEX
Estos pernos con chapa de 2mm de espesor y diametro de
25.5 mm; deben colocarse en taladros cuyo diametro este
comprendido entre 32 y 43 mm.
Los Yielding Standard swellex resisten una fuerza axial aproximada de 8 Tm.
SUPER SWELLEX
Tiene un grosor de chapa de 3mm y un diametro de 36mm.
Están preparados para ser colocados en taladros cuyo
diametro esta comprendido entre 39 y 52 mm.
Los Yielding Súper Swellex resisten una fuerza axial aproximada de 19 Tm.
Mecanismo de anclaje del SWELLEX.
DETERMINACION DE LONGITUD DE PERNOS
Según los investigadores, la longitud () de los pernos debera
tenerse en cuenta el macizo rocoso, por ejemplo:
Ll2
1
Ll3
1Para techo de macizos rocosos competentes
Para techo de macizos rocosos débiles
ml 1Para techo de macizos rocosos muy competentes
Para = 1m como minimo
ESPACIAMIENTO ENTRE LOS PERNOS
El espaciamiento de los pernos de roca esta relacionado con
la longitud de los mismos. Algunos investigadores como
Coates y Cochrane, el espaciamiento deberá ser calculado
mediante la siguiente expresión matemática:
Llb .9
2.
3
2
2b
Rl màxmáx
Donde:
b = espaciamiento de los pernos, m.
L = anchura de la excavación, m.
= longitud del perno, m
Rmax = capacidad máxima de soporte de
carga del perno, fuerza resultante en el
limite elástico, Tm/m3.
= densidad de la roca, Tm/m3.
DIAMETRO DE LOS PERNOS.
Cuando se selecciona un tipo de perno de roca, para una
determinada labor subterránea, se debe tener en cuenta el
diametro en función a la resistencia del acero; para lo cual se
calcula mediante la siguiente expresión matemática:
AR amàx .
n
d
n
RR amàx 2785.0
Donde:
Rmax = capacidad portante máxima del
perno (en tensión), Kg.
R = fuerza axial del perno, Kg.
n = factor de seguridad, promedio de 2 a
4.
σa = esfuerzo en el limite elástico (punto
cedente) del acero, Kg/cm2.
F = área del perno, cm2.
d = diametro del perno, cm.
Los pernos deberán soportar la carga del techo, el numero
de pernos se obtiene mediante la siguiente relación
matemática:
.... chLRm
2.785.0
.......
d
nchL
R
chLm
a
L = 3m
Techo
inmediato
(próximo)
Techo principal
λ = 1.75m
Sección
b = 1 m b = 1 m
Planta
c = 1m
h
Diseño de los pernos de anclaje
DETERMINACION DE LA ADHERENCIA DEL
ANCLAJE. La tensión de la adherencia que puede alcanzar el perno en
el macizo rocoso resulta imprescindible; es por ello que es
importante realizar ensayos in-situ antes de elegir un sistema
de sostenimiento con pernos de roca.
.4
.DL A
Mediante la siguiente expresión
matemática, se puede calcular la
longitud de los pernos a usarse.
Donde:
L = Longitud anclada del perno
σA = Resistencia especifica del acero
D = Diametro del pernos
= Adherencia del perno al macizo rocoso
CAPACIDAD DE REFUERZO DE UN PERNO
CEMENTADO
P = Rc x A = x U x L
A = . d2 /4
U = . d
= 0.25 . Rc . d/L
P = Capacidad de apoyo del perno ( Kg)
Rc = Resistencia a la tracción mínima del perno = 6330 Kg/cm2
A = Área del perno (cm2)
d = Diámetro del perno (cm)
= Adherencia entre el perno y el cemento (Kg/cm2)
U = Circunferencia del perno (cm)
L = Longitud del perno (cm)
Donde:
= 0.25 x Rc x d / L
= 0.25 ( 6330 Kg/cm2)( 2.2cm ) / (180cm)
= 19.34 Kg/cm2 = 1.89 MPa.
A = x r2 = 3.1415 ( 1.1 cm ) 2 = 3.8 cm2
U = x d = 3.1415 ( 2.2 cm ) = 6.91 cm
P = x U x L = (19.34 Kg/cm2)(6.91 cm)(180cm )
P = 24060 Kg = 24 ton ( 234.6 KN )
CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN PERNO CEMENTADO
Datos: Perno helicoidal de 7/8” x 1.80m
( d =2.2 cm, r = 1.1 cm, L = 180 cm)
ESPACIAMIENTO DE LOS ELEMENTOS
1.5 terreno regular
2.0 terreno malo
L = longitud del perno,
E = espaciamiento de los pernos
Ejemplo:
Perno de 2.25m (L)
2,25/ E = 2.0
Espaciamiento de 1.1m (E)
L/E = 1.5 – 2.0
TIPO DE PERNO RESISTENCIA
Barra De Construcción 3/4” = 18 ton (176 KN)
Barra Helicoidal 7/8” = 24 ton (235 KN)
Barra De Construcción 1” = 32 ton (313 KN)
CAPACIDAD DE SOPORTE DE UN PERNO CEMENTADO
FACTOR DE SEGURIDAD
P = Capacidad de apoyo del perno (ton)
T = Peso del bloque muerto (ton)
FS = Factor de Seguridad
FS = P/T
FS < 1 desfavorable
FS > 1 estabilidad
Perno de L = 1.8m, = 7/8” capacidad de apoyo de 24 ton
FS = 24 ton /5.83 ton = 4.12
Perno de L = 1.8m, = 3/4” capacidad con apoyo de 18 ton
FS = 17.9 ton /5.83 ton = 3.08
Perno de L = 2.0m, = 1”
capacidad de apoyo de 32 ton
FS = 32 ton /5.83 ton = 5.49
FACTOR DE SEGURIDAD
ASTM A615-89 GRADO 60 400 MPa
FLUENCIA RUPTURA MODULO DE YOUNG
Kg / mm² Psi Kg / mm² Psi N / mm2
42.2 58,016 63.3 78,321 40,000
Diámetro Sección Peso Fluencia Ruptura
nominal
mm (“) mm2
Kg/M kN kN
19.1
(3/4”) 284 2.235 113.5 153.2
22.0
(7/8”) 389 2.98 157 211.9
25.4
(1”) 510 3.973 201.1 271.5
L = 1,4 + 0.18 x W
L = longitud del perno (m)
W= ancho de la abertura (m)
Ejemplo: Galería de 3.5 metros (W)
L = 1,4 + 0.18 x 3,5 =
Longitud del perno 2.03m (L)
LONGITUD DEL ELEMENTO DE SOSTENIMIENTO RESPECTO AL ANCHO DE LA ABERTURA
Excavaciones subterráneas en roca fracturada
SOSTENIMIENTO MECANIZADO EN LABORES DE DESARROLLO
DE LOS METODOS MASIVOS DE MINADO
COLOCACION DE PERNO
Y MALLA ELECTROSOLDADA
SOSTENIMIENTO CON PERNOS DE ANCLAJE
CONTROL DE CALIDAD DE INSTALACIÓN DE SOSTENIMIENTO
• CONTROL DE CALIDAD PARA SPLIT SET: Esta prueba se llama “Prueba de Arranque” y se realiza con un equipo denominado “Pull Tets”. El split set debe de soportar como mínimo 0.85 Tn/Pie de perno. Esta prueba consiste en tratar de arrancar el perno con el pull test, tal como se observa abajo.
ENSAYOS DE CONTROL DE CALIDAD
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