Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior
(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 88)

Roberto Luis Fonseca. Dr. Ing. de Caminos, Canales y Puertos. Director Tecnológico Adjunto Grupo Geobrugg
Julio Prieto Fernández. Ing. Minas. Departamento Técnico Geobrugg Ibérica, SA.
Javier Turina Arredondo. Ingeniero Civil de Minas. Departamento Técnico Geobrugg Andina
Ignacio Pérez Silva. Ingeniero Civil. Departamento Técnico Geobrugg Andina

Introducción

En tramos con pendientes prolongadas existe alta probabilidad de que falle el sistema de frenos de un vehículo pesado por sobrecalentamiento, provocando que el conductor pierda el control. El recalentamiento de los frenos ocasiona una fatiga térmica de los mismos y en ocasiones la destrucción del sistema de frenado. Si bien es cierto que cada vez se incorporaran nuevos sistemas secundarios (eléctricos o de aire) que colaboran con el control del vehículo, sigue siendo necesario tener previstas medidas de control-contención que permitan reducir las consecuencias negativas de este tipo de incidente.

Dentro de los sistemas comúnmente empleados en esta categoría de contención se encuentran los lechos de frenado de emergencia, que consisten en una pista ubicada en el costado o mediana del camino que permite el escape y detención de los vehículos pesados que pierden el control. En la literatura internacional se conocen como «Rampas de Escape para Camiones» (TER, Truck Escape Ramps). Básicamente se reconocen cuatro tipos (Figura 1) y se emplean en función de las características topográficas del terreno.

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior - fig 1
Figura 1. Clasificación de los lechos de frenado de emergencia.

Como se observa en la figura 1, los lechos se pueden construir con inclinación igual a la del tramo, nula o ascendente, evidentemente en el caso de los ascendentes la longitud de frenada será menor. Todos basan su funcionamiento en el incremento de la resistencia a la rodadura, en oposición a la energía cinética con la que se desplazan los vehículos pesados fuera de control, como se verá más adelante.

Existe cierta experiencia en el uso de estos dispositivos1 cuyo diseño se basa esencialmente en el empleo de recomendaciones normativas internacionales. En España la norma 3.1 IC Trazado de la Instrucción de Carreteras2 recoge las pautas de diseño, en México los criterios de diseño se recogen en la norma NOM-036-SCT2-20163, mientras las versiones actualizadas del Manual de Carreteras de Chile incorporan criterios de necesidad, localización y diseño de estos dispositivos, todos utilizando como guía la norma AASHTO4.

Puede resultar muy eficiente combinar los lechos, con sistemas amortiguadores de impacto, para lograr detener de forma segura el vehículo, en una menor longitud. Este trabajo pretende analizar las posibilidades de aplicar la experiencia en las carreteras a una solución análoga, pero en el interior de una mina subterránea, intentando establecer cuáles son las condiciones que permiten valorar dicha opción, así como los límites lógicos que se han de fijar para las instalaciones subterráneas en caso de accidentes. La idea básica es extrapolar además la experiencia de Geobrugg en los sistemas de protección contra desprendimientos, actualmente desarrollados para valores energéticos muy elevados (10MJ) como elementos de disipación de energía (amortiguadores de impacto) que permitan optimizar la longitud necesaria de los lechos para detener los vehículos, debido a la evidente necesidad de espacio dentro de la galería subterránea.

Un ejemplo de la capacidad de absorción de energía que poseen las barreras dinámicas diseñadas por Geobrugg, se puso de manifiesto hace unos años. Como parte de las obras de la autovía de Deskarga (GI-632), Antzuola el País Vasco, se diseñó y colocó, de forma cautelar -ante la posible caída de bloques durante las labores de excavación-, un sistema de protección GBE de capacidad energética máxima 1000kJ, certificado según la normativa europea. Durante las labores de trasporte de tierras un camión pesado de obra (dumper, volcador articulado Volvo A40) cargado con unos 20m3, perdió los frenos y cayó por un talud, debajo del cual se encontraba la citada barrera de protección contra desprendimientos, gracias a la cual se detuvo y no llegó a la carretera. En la figura 2 se observa el estado del dúmper, una vez lo detuvo la barrera. Inicialmente el vehículo estaba cargado, pero fue perdiendo material en su caída talud abajo. Se estima que el impacto sobre la barrera con la tolva casi vacía, fue de unas 40t a 30km/h, aproximadamente 1390kJ. Tras el evento solo fue necesario reemplazar un poste de la barrera, tensar y reposicionar los cables y la malla.

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 2
Figura 2. Camión de 40 toneladas, detenido por una barrera tipo GBE-1000A

Consideraciones básicas de diseño

La experiencia internacional4 recomienda que el vehículo no entre al lecho a una velocidad superior a los 140km/h, ello conlleva en muchos casos a reducir la velocidad de diseño y sobre todo a modificar la geometría del alzado. Este es un problema complicado en el interior de la mina de análisis, sobre todo porque el diseño ya está en funcionamiento, solo es posible intentar simular lo que está ocurriendo.

  • La longitud del lecho ha de ser suficiente para detener de forma segura el vehículo fuera de control.
  • El ancho del lecho debe ser suficiente, en general se pudiese dar el caso de que dos vehículos los necesitasen, aunque esta sugerencia en el interior de mina es de difícil de conseguir.
  • El ancho mínimo del lecho debe estar alrededor de los 8m, anchos mayores (9-12m) son recomendables, para facilitar las tareas de rescate.
  • El material pétreo utilizado en los lechos debe estar limpio y no ser de fácil compactación, con resistencia al corte suficiente como para que penetren los neumáticos. La gravilla de tamaño máximo 40mm, parece ser el material más recomendable, aunque a veces se emplean otros materiales.
  • Para colaborar con la desaceleración del vehículo, la profundidad del lecho debe ir variando en los primeros metros, el espesor se recomienda, sea como mínimo 75mm.
  • El drenaje no será un problema en la mina, pero es recomendable siempre analizarlo.
  • El acceso al lecho de frenado estará debidamente señalizado, y quedará completamente prohibido su uso como aparcamiento o lugar de detención momentánea.
  • La determinación de la velocidad de entrada al lecho y la longitud mínima segura del mismo seguirá lo recomendado a continuación.

Determinación de la velocidad del vehículo a la entrada del lecho de frenado de emergencia

La velocidad de los vehículos al entrar al lecho de frenado se puede evaluar a partir de la conservación de la energía mecánica, suponiendo que un vehículo comienza su descenso desde una altura h con una energía inicial Ei y llega al borde de entrada del lecho de frenado con energía final EF. Este vehículo puede viajar con una velocidad inicial dada o partir de cero.

De acuerdo con el diagrama de fuerzas de la figura 3, el trabajo W realizado por la fuerza de rozamiento con el pavimento para un vehículo es:

W = – μ1 . m . g . d

donde:
m: masa del vehículo, [kg]
g: aceleración de la gravedad [m/s2]
μ1: resistencia a la rodadura neumático- superficie (tabla 1) dividido por 100
d: longitud de la rampa de descenso, [m]

De la geometría de la figura 3 se observa que, la distancia d recorrida por el vehículo, desde que comienza su descenso (sin frenos) hasta la entrada al lecho es:

d = h / sen α

siendo:
h: desnivel máximo, [m]
α: pendiente del tramo, [º]

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 3
Figura 3. Diagrama de fuerzas rampa descenso

De la conservación de la energía mecánica se tiene, utilizando la ecuación (2) y considerando que la energía inicial (E0) es la suma de las energías cinética y potencial:

½ . m . V02 + m . g . h – μ1 . m . g . cot α = ½ . m . VF2 (3)

VF = [ V02 + 2 . g . h . ( 1 – μ1 . cot α)]½ (4)

Lógicamente, la velocidad VF con que llega el vehículo al final de tramo, es decir justo antes de entrar al lecho de frenado de emergencia, es independiente de la masa del vehículo. El valor de esta velocidad final depende de la velocidad inicial y de energía potencial, en el momento de la pérdida de los frenos.

En el caso de una rampa en interior de mina como el que ocupa este trabajo, el coeficiente de fricción μ1 se puede llegar a considerar nulo (aceite, agua y barro en la superficie evidentemente no pavimentada), quedando:

VF = [ V02 + 2 . g . h]½ (5)

De forma adicional la velocidad VF de entrada a un lecho de frenado de emergencia, según la AASHTO se puede calcular mediante la siguiente expresión :

VF = [ V02 – 254 . d . (μ1 + P)]½ (6)

siendo:
P: pendiente del tramo, [m/m]
Ambas aproximaciones (4 y 6) son equivalentes.

Longitud necesaria del lecho de emergencia para detener el vehículo

Conocida la velocidad VF del vehículo al final de la rampa o entrada del lecho de frenado de emergencia, se puede determinar la longitud necesaria del lecho L, para detener completamente el vehículo pesado, en función de (4) a partir de la figura 4, según la expresión:

L = VF2 / [2 . g . (sen β + μ2 . cos β)] (7)

donde:
μ2: resistencia a la rodadura neumáticosuperficie en el lecho de frenado (tabla 1) dividido por 100
L: longitud efectiva del lecho de frenado de emergencia, [m]

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 4
Figura 4. Diagrama de fuerzas para el lecho de frenado
Tabla 1
Tabla 1.- Resistencia a la rodadura, expresada en términos de pendiente equivalente (AASHTO4)

De la misma forma que para la determinación de la velocidad al final de la rampa de descenso VF, existe una expresión equivalente propuesta por la AASHTO para determinación de la longitud
efectiva del lecho de emergencia5.

L = VF2 / [254 . ( μ2 + SL)] (8)

siendo:
SL: pendiente del lecho de frenado, [m/m]

Si por limitaciones físicas, tal y como es el caso que ocupa este trabajo, no es posible diseñar un lecho de frenado de las longitudes que se refieren estas expresiones, será imprescindible diseñar un dispositivo1 que permita detener el vehículo de forma segura:

  • Dispositivos que, mediante ensayos a escala natural, demuestren su efectividad para detener los vehículos sin dañar a sus ocupantes, por lo general formados por barriles de plástico rellenos. Cuando se usan barriles, los mismos deben llenarse con el material que el utilizado en el lecho, para evitar contaminación con cualquier material más y la reducción de la esperada resistencia a la rodadura. Dichos barriles estarán ubicados en un punto del lecho en el cual la velocidad no supere los 20km/h.
  • Montículos del mismo material utilizado en el lecho de frenado de entre 0,6 y 1,5 m de altura con pendientes de 1V: 1,5H al final de los lechos en varios casos como el dispositivo de «última oportunidad». Dichos montículos deberán estar ubicados en un punto del lecho en el c

El conjunto debe conseguir inmovilizar lo suficiente al vehículo sin frenos, para evitar que ruede hacia atrás y se golpee. Al menos una rampa de escape o lecho de emergencia ha sido construida con una serie de amortiguadores instalados para evitar que un vehículo fuera de control, se salga al finalizar el lecho. El objetivo de este trabajo es analizar la posibilidad, de utilizar el conociendo adquirido sobre el empleo de redes anulares ASM 4:1 para diseñar un dispositivo de retención que sea capaz de detener vehículos pesados en el entorno por encima de los 40km/h.

Caso de estudio

El proyecto de una mina subterránea en Chile, cuenta una rampa descenso de 7,5km de longitud total, -10% de pendiente y una sección transversal de 5,8 x 9,3 metros. Cada un kilómetro, el trazado tiene curvas de giro 180º (figura 5), en las cuales se está evaluando instalar medidas de protección de emergencia para controlar vehículos de hasta 50t, que, tras sufrir desperfectos en su sistema de frenado, debido al sobrecalentamiento, presuntamente pueden alcanzar los 100km/h.

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 5
Figura 5. Ejemplo de las rampas descenso en mina. Longitud un kilómetro y pendiente -10%

De acuerdo con la información recabada, los vehículos pesados que serán objeto de análisis en el emplazamiento están entre 18,5t y 50t de peso bruto máximo y dimensiones, según la tabla 2 en el inferior de la página.

Tabla 2
Tabla 2. Vehículos tipo considerados en el análisis

Determinación de la velocidad final, VF

Siguiendo el procediendo antes expuesto, se evalúala velocidad con que llega al final de cada tramo de rampa de un kilómetro de longitud y 10%de pendiente descendente (tabla 3), para ello existen varios supuestos, que se resumen a continuación.

Tabla 3
Tabla 3. Velocidad al final del tramo

Para el cálculo se ha utilizado un valor de fricción bajo la resistencia a la rodadura entre neumático y superficie de la rampa, siendo el valor de μ1 = 0,02. De la tabla 3 se puede comprender, que si el vehículo pierde los frenos al inicio de la rampa descenso y viaja a 45km/m (velocidad de circulación máxima legal establecida por norma), llega al final del tramo a 147km/h, por encima de la máxima establecida por la normativa de 140km/m.

De forma adicional se observa que en el caso extremo que el vehículo parte de 0km/h de velocidad inicial (reposo), el valor de VF es de 140km/h, un 40% más de lo que se tenía valorado a priori. Tal y como se ha definido, este valor de velocidad calculado es válido para cualquiera de los vehículos de análisis, ya que este parámetro es independiente del peso. A continuación (figura 6), se muestra una curva que explica cómo influye la velocidad inicial V0 en el valor de la velocidad final VF, en las condiciones geométricas descritas.

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 6
Figura 6. Relación entre la velocidad inicial y final del tramo, para la geometría estudiada.

De gráfico en la figura 6, se aprecia que si el vehículo pierde los frenos a 45km/h la velocidad al final de la rampa se ve incrementada en 7km/m, respecto a la situación de partida desde reposo.

Determinación de la longitud del lecho de frenado, L

Dando continuidad al proceso de cálculo se puede determinar la longitud en la cual el vehículo V1 = 0 se detiene, producto del incremento de la resistencia a la rodadura, debido a la colocación de un lecho de frenado, el material propuesto para dicha superficie es la gravilla (μ2 = 0,25), cuya granulometría se especifica más adelante, siguiendo las recomendaciones normativas internacionales. A continuación, se presenta la tabla 4 que resume los valores de L, que se alcanzan para las velocidades a la entrada al lecho VF en varias condiciones de pendiente del lecho.

Tabla 4
Tabla 4. Longitud en la cual se detiene el vehículo sobre el lecho de emergencia

Como se puede apreciar los valores de L, se reducen en la medida en que la geometría es más favorable a la compensación. La distancia en la que el vehículo de diseño de detiene por pérdida de la velocidad, se reduce cuando la pendiente cambia de signo, siendo los valores menores para pendientes del 20%. En cualquier caso, en la mejor de las condiciones, tanto de partida como de llegada, el menor valor de longitud del lecho obtenido supera los 175m, lo cual resulta completamente inoperativo desde el punto de vista práctico. La figura 7 muestra gráficamente las relaciones geométricas antes descritas, destacando que, para pendientes, desde valores negativos hasta la horizontal, los resultados, son extremadamente elevados y carentes de sentido práctico. La solución debería pasar por emplear un lecho con pendiente ascendente, pero tal y como se podría esperar, combinado con una medida adicional de protección-amortiguación.

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 7
Figura 7. Influencia de la pendiente del lecho de frenado en la longitud de frenado

Reducción en la longitud del lecho de frenado, debida a la colocación de un sistema de protección-amortiguación

En función de las condiciones geométricas que se tienen, resultará eficiente combinar el lecho con una medida de control adicional, tal como una de las barreras dinámicas de alta respuesta energética, acomodada a las condiciones locales.

A continuación, se muestra la tabla 5, en la que aparecen los valores máximos de velocidad, que permiten el funcionamiento de una barrera dinámica de las estandarizadas 6.

Tabla 5
Tabla 5. Velocidades a la llegada a la barrera, para vehículos tipo, en km/h

Si se coloca una barrera dinámica de 10MJ de capacidad de absorción en una posición Li, se puede conseguir reducir la longitud del lecho de frenado y por ende el coste de la excavación necesaria. El valor de esta nueva longitud corregida Li para el lecho de frenado estará en función del PBV vehículo de diseño, que finalmente se considere.

A continuación, se muestran un conjunto de gráficos que relacionan la velocidad a la entrada VF con la longitud del lecho Li, para tres escenarios de velocidad dentro del lecho (120 km/h, 85 km/h y 72km/h). Estos escenarios se corresponden con una solución de máximo nivel energético (10MJ), para los tres vehículos de diseño.

El primer caso se muestra en la figura 8 donde se grafica el cálculo de la longitud dentro del lecho para diferentes pendientes, considerando que velocidad del vehículo se consigue reducir a 120km/h.

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 8
Figura 8. Valores de longitud de lecho de frenado Li, para velocidad reducida a 120km/h

Del análisis del gráfico de la figura 8 se puede observar que para una velocidad de entrada en el lecho de frenado (20%) de 140km/h, a Li = 47,55m la velocidad se reduce a 120km/h, luego si se coloca en este punto una barrera de 10MJ, sería posible detener un vehículo de 18,5t. Es importante señalar que a estos 47,55m se debería añadir la deflexión máxima de la barrera que es de 8,15m.

Si, por el contrario, se omiten los cálculos relacionados con la velocidad del vehículo a la entrada del lecho de frenado, resultados de análisis físico del fenómeno, y se utiliza el dato aportado por el personal técnico de obra, de 100km/h como velocidad de llegada del vehículo al final de la rampa (VF), la conclusión es lógica, no se requiere lecho, con una potente barrera se podría dar solución al problema planteado.

El segundo caso de velocidad a estudiar (figura 9), se trata de analizar en qué punto del lecho de frenado se consigue reducir la velocidad a 85km/h, lo que pudiese hacer viable la detención de un camión de 36t.

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 9
Figura 9. Valores de longitud del lecho de frenado Li, para velocidad reducida a 85km/h

De la figura 9 se puede interpretar que para una velocidad de entrada al lecho de frenado (20%) de 140km/h, a Li = 112m la velocidad se reduce a 85km/h, luego si se coloca en este punto una barrera de 10MJ, sería factible detener un vehículo de 36t. También sería necesario considerar la mencionada deflexión de la barrera. Pero este resultado en términos de longitud no parece ser parte de la solución.

Sin embargo, si al igual que en el análisis previo, se excluyen los cálculos de la velocidad de entrada y se utiliza 100km/h como velocidad de llegada al lecho (VF), la conclusión es también simple, con una barrera colocada al final de un lecho de frenado, de L= 25m se podría solucionar el problema planteado.

Para completar el análisis, se trata de analizar en qué punto del lecho de frenado se consigue reducir la velocidad a 72km/h, lo que pudiese hacer viable la detención del camión más pesado de 50t (figura 10).

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 10
Figura 10. Valores de longitud del lecho de frenado Li, para velocidad reducida a 72km/h

De igual manera que en los dos casos anteriores, en el gráfico de la figura 10 se puede interpretar que para una velocidad de entrada en el lecho de frenado (20%) de 140km/h, a Li = 130m la velocidad se reduce a 72km/h, luego si se coloca en este punto una barrera de 10MJ, sería factible detener un vehículo de 50t. También se debe considerar la deflexión de la red de la barrera. Esta longitud parece no ser parte de la solución.

Si se parte del mismo supuesto que en los dos casos anteriores, se excluyen los cálculos de la velocidad de entrada al lecho y se utiliza 100km/h como velocidad de llegada al final del lecho (VF), se puede concluir que con una barrera colocada al final de un lecho de frenado L de unos 43m se podría solucionar el problema planteado.

Barreras complementarias adicionales

Con el fin de contribuir a aminorar la velocidad de entrada de los vehículos a la barrera de 10MJ que los detendrá, y cumpliendo función de fusible, se propone la colocación de una línea de barreras de 1000kJ, que ayude a ralentizar los vehículos, consiguiendo una reducción de la velocidad, de aproximadamente un 30% en cada caso.

A continuación, se presentan un conjunto de gráficos que relacionan la velocidad a la entrada VF con la longitud del lecho Li, para los tres “nuevos” escenarios de velocidad dentro del lecho, reducidos el 30% (85km/h, 60km/h y 50km/h). Estos escenarios se corresponden con una solución de máximo nivel energético (10MJ), para los tres vehículos de diseño.

El siguiente gráfico (figura 11) se corresponde con el cálculo de la longitud dentro del lecho para diferentes pendientes, en la cual el vehículo pierde un 30% de la velocidad por el efecto del sistema amortiguador, luego impacta la barrera a 85km/h.

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 11
Figura 11. Valores de longitud del lecho de frenado Li, tras el empleo del conjunto amortiguador
complementario (vehículo de 18,5t).

Del análisis del gráfico 11 se puede observar que para una velocidad de entrada en el lecho de frenado (20%) de 100km/h, a Li = 25m la velocidad se reduce a 85km/h, luego si se coloca en este punto una barrera de 10MJ, sería posible detener un vehículo de 18,5t hay que recordar, que a la Li debe añadir la deflexión máxima de la barrera que es de 8,15m.

El segundo caso de velocidad a estudiar (figura 12), se trata de analizar en qué punto del lecho de frenado se consigue reducir la velocidad a 60km/h, lo que pudiese hacer viable la detención de un camión de 36t.

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 12
Figura 12. Valores de longitud del lecho de frenado Li, tras el empleo del conjunto amortiguador complementario (vehículo de 36t).

Del gráfico se puede interpretar que para una velocidad de entrada al lecho de frenado (20%) de 100km/h, a Li = 58m la velocidad se reduce a 60km/h, luego si se coloca en este punto una barrera de 10MJ, sería factible detener un vehículo de 36t. También sería necesario considerar la deflexión máxima.

Para finalizar el análisis, se trata de analizar en qué punto del lecho de frenado se consigue reducir la velocidad a 50km/h, lo que pudiese hacer viable la detención del camión más pesado de 50t (figura 13).

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 13
Figura 13. Valores de longitud del lecho de frenado Li, tras el empleo del conjunto amortiguador complementario (vehículo de 50t).

De igual manera en el gráfico se puede interpretar que, por ejemplo: que para una velocidad de entrada al lecho de frenado (20%) de 100km/h, a Li = 68m la velocidad se reduce a 50km/h, luego si se coloca en este punto una barrera de 10MJ, sería factible detener un vehículo de 50t, también se debe considerar la deflexión.

Análisis de la desaceleración

De acuerdo con los resultados del análisis a partir de diferentes hipótesis, parece posible, desde el punto de vista físico detener los vehículos tipo que incluye este estudio. Sin embargo, no hay que perder de vista que en el interior de estos viajarán personas, luego es imprescindible analizar, la tolerancia humana al proceso de frenado abrupto.

Los efectos de las aceleraciones de corta duración generalmente se clasifican7 como: tolerables, perjudiciales o fatales. Las fuerzas tolerables pueden producir hematomas y abrasiones, pero no incapacitan. Las fuerzas nocivas provocan traumas de moderados a graves, incluidas fracturas y lesiones en órganos internos como el hígado, el bazo y el cerebro, que pueden o no incapacitar. Los límites de la tolerancia humana, para un sujeto adulto sentado, bien apoyado por un asiento y efectivamente retenido por un arnés que evita el impacto con otras estructuras, se han estimado para diferentes direcciones de aceleración, a partir de experimentos que usan cadáveres humanos enteros o partes, primates no humanos, maniquíes antropomórficos (dummies) y humanos. La tolerancia más baja (alrededor de 11–12g en 0,1 s) para aceleraciones laterales y la más alta (más de 45g durante 0,1s) para aceleración frontal. El límite de tolerancia de la aceleración trasera atrás es importante en relación con la provisión de protección contra choques en vehículos de motor y aeronaves con asientos convencionales orientados hacia adelante.

Aviadores expertos llegan a tener visión de túnel cuando sufren entre 4 y 6g de forma sostenida, mientras los pilotos de combate pueden llegar a las 9g antes de experimentar el denominado g-LOC, (pérdida de conciencia por la gravedad). En términos de sensaciones un piloto de 88kg, en estas condiciones, tiene la sensación de pesar 796kg. Por ejemplo, los airbags de un coche saltan a 3g. En circuitos de competición por ejemplo en Formula 1 se han dado casos de picos de más de 70g en un milisegundo8. Algo más simple, en atracciones tipo montaña rusa, se suelen llegar a alcanzar 4g. Existe extensa información al respecto, que incluye desde el diseño de los dummies de ensayos, hasta los sistemas de seguridad pasiva exterior y activa, pasando por una gran cantidad de ensayos tipificados.

En resumen, todo parece indicar que los números que llevan al cuerpo a perder el sentido o incluso la vida son cuando está sujeto a una aceleración de entre 6-8g durante un tiempo prolongado (ver umbral, figura 14).

Dimensionamiento de un lecho de frenado soportado por un sistema dinámico de protección-amortiguación para minería de interior. - Figura 14
Figura 14. Tolerancia a la aceleración del cuerpo humano 9,10

Para tener una idea de la propuesta es necesario evaluar cual es la desaceleración que se produce en la barrera dinámica de 10MJ cuando se produce el impacto (hasta la detención del móvil):

a = ΔVi / t

siendo:
a: deceleración, [m/s2]
ΔVi : diferencia de velocidades (velocidad final (0)-velocidad de contacto), [m/s]
t: tiempo de detención o parada, [s]

Conocidas las condiciones de ensayo a caída libre para una barrera dinámica de 10MJ, en las que se libera un bloque de 25t desde una altura de 42m, lo cual equivale a una velocidad de 103,34km/h (28,7m/s) y se logra detener completamente en una distancia de 8,15m, en un tiempo de 0,48s, se consigue que la desaceleración del bloque de ensayo sea de -6,1g (tabla 6). Si se supone un comportamiento energético similar para diferentes velocidades de entrada a la barrera, se puede estimar que los valores de desaceleración varían desde -4,2g para el vehículo más pesado (50t) hasta -7,1g para el autobús (18,5t).

Tabla 6
Tabla 6. Estimación de la desaceleración en función de la velocidad del vehículo tipo v

Los resultados de la tabla 6 resumen la posible respuesta de la barrera de 10MJ, ante el impacto directo de los vehículos tipo, sin embargo, estos valores se pueden modificar en positivo, si se considera la reducción de se debe conseguir en los valores de velocidad (30% según tabla 5) debido al empleo de la línea de barrera complementaria adicional de 1000kJ (tabla 7).

Tabla 7
Tabla 7. Reducción de la desaceleración debido al empleo de barreras fusibles

En cualquier caso, el vehículo de menor peso (autobús) será el que transporte mayor número de personas, y es el que se desplazará a mayor velocidad en el momento del contacto y por ende el efecto del impacto será mayor. Los valores de desaceleración conseguidos están en el entorno ‘tolerable’, luego la solución en términos generales resulta consistente.

Conclusiones

El estudio de las condiciones físicas que generan el problema permite comprender de forma simple el fenómeno y todo indica que la extrapolación del empleo de lechos de frenado de carreteras, combinadas con barreras dinámicas de altísimas prestaciones, pudiese marcar un hito en el incremento de la seguridad de largas rampas practicadas en explotaciones mineras subterráneas y por qué no a cielo abierto.

De acuerdo análisis inicial realizado, la velocidad mínima con que cualquier vehículo llega al final de la rampa de un kilómetro al -10% es de 140km/h, bajo estas condiciones resulta realmente complejo poder detener en una longitud Li razonable con una solución combinada, vehículos de mayor peso. Para este supuesto solo sería posible desde el punto de vista práctico solucionar el caso para vehículos de 18,5t. Aun así, se necesita un lecho de frenado de unos 50m y una barrera de 10MJ al final. Si se quiere aplicar el mismo tipo de solución para los vehículos más pesados, el lecho se extiende unos 130m mínimo, lo cual no parece atinado.

La colocación de una barrera complementaria de 1000kJ cumpliendo la función de un fusible (amortiguador) que consigue que la velocidad en el lecho de frenado se pueda reducir en un 30% y que los vehículos puedan alcanzar la barrera de 10MJ con menor energía y por ende con más garantías en términos de integridad y seguridad. De igual forma, al producirse una reducción de la energía del impacto (frenada final) se reduce también la aceleración, lo que permite disminuir las consecuencias sobre los pasajeros. Los valores de desaceleración calculados a partir de la hipótesis final, -que incluye la adición de barreras complementarias-, están por debajo del entorno máximo tolerable por el cuerpo humano (6-8g), luego la solución es correcta.

Sería muy recomendable diseñar y realizar un ensayo a escala natural (a cielo abierto) para limar imperfecciones en los supuestos, modelo e hipótesis de cálculo, antes de implementar cualquier solución.

Referencias bibliográficas

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www.geobrugg.com

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