ARCOS DE ACERO

YISEL KATERINE BALLESTEROSMANUEL LEONARDO BONILLA

ALVARO JAVIER LOZANOLILIANA CONSUELO MARTINEZ

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIAFACULTAD SECCIONAL SOGAMOSO

ESCUELA INGIENERIA DE MINASSEPTIEMBRE 2012

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 típico sostenimiento pasivo o soporte 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 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.

FUNCIONES QUE CUMPLE Evitar caídas de bloques de roca del

techo o de las paredes Sostener el peso de la roca con

deformaciones excesivas alrededor del túnel

Evitar desplazamientos excesivos del perímetro de la excavación

GEOMETRIA DE ARCOS DE ACERO

ACEROS EMPLEADOS EN EL SOSTENIMIENTO METALICO

Algunos aceros son mezclas básicas de hierro y carbón, siendo el contenido de este el que los caracteriza. El contenido de un carbono de un acero puede llegar hasta el 1.7%; en el caso de fortificaciones mineras y obras civiles se utilizan dentro del rango medio de aceros al carbono de 0.3% a 0.7%. debe considerarse que un aumento del carbono disminuye la maleabilidad del acero

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

7.1 Tipos de perfiles

TIPO DE PERFIL PESO(Kg/m) () ()

Perfiles I1. Perfil Normal2. Perfil Pokal3. Perfil de ala Ancha4. Perfil de Rail (Usado)

29,528,330,131,1

136,0113,0149,3138,0

32,633,246,027,2

4,23,43,35,1

Perfiles Acanalados5.Perfil TH6.Perfil Campana(Zores)7. Perfil en V

29,032,029,5

99,683,5129,0

107,074,8104,8

0,91,11,2

Perfiles Cerrados8.Perfiles Usspurwies, II

30,7 168,2 74,8 2,3

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.

TIPOS DE ARCOS DE ACERO

ARCOS DESLIZANTES

ARCOS RIGIDOS

ARCOS RETICULADOS (CELOSIA)

ARCOS RIGIDOS

Su papel principal es el de sostenimiento de tal manera que eviten la caída de bloques. Los elementos de acero empleados en su construcción pueden ser:

Vigas de acero Arcos de acero Anillos de acero

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

SOSTENIMIENTO CON ARCOS DE ACERO

Los elementos para arcos de sostenimiento están disponibles como vigas laminadas en sección I y H. estas vigas pueden ser conformadas para adaptarse al diseño de la sección del túnel y pueden estar dividido en segmentos para facilitar su transporte y manipulación.

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

COMPONENTES ADICIONALES DE UN ARCO RÍGIDO

Bridas o eclisas Barras de unión o arriostramiento Zapatas Solera

BRIDAS O ECLISAS

BARRAS DE UNION

ZAPATAS

SOLERA

ARCOS DESLIZANTES O DEFORMABLES

La entibación deslizante se compone de tres o más segmentos que deslizan entre si, sujetados y ajustados con uniones de tornillo

TIPOS DE PERFILES TH

El perfil TH actual es de dos tipos:

TH 48 TH 58 (nuevo perfil TH mas usado)

Para que este tipo de sostenimiento funcione se deben cumplir las siguientes condiciones:

Suficiente longitud de deslizamiento en las unidades, no menos de 40 cm.

Riguroso paralelismo de los elementos

Adecuada adaptación de las paredes, si no los elementos flexionaran hacia el exterior

Resistencia conveniente del conjunto, que depende de las uniones, instalación y control.

UNIONES EN PERFILES TH

Unión tipo Abarcon, para perfiles TH 48 Unión tipo G, para perfiles TH 58

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

TEORIAS EMPIRICAS PARA DETERMINAR LAS CARGAS SOBRE EL

SOSTENIMIENTO

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 túnelC = 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 KommerellLa carga no es directamente proporcional al revestimiento.

Hp: Altura por encima del soporte de la roca perturbadae: Deflexión del sostenimientoK: 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 arcoLa 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 sobreexcavaciones 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.

GRACIAS