Galerías dinámicas con redes de anillos de alambre y efecto autolimpieza

Galerías dinámicas con efecto autolimpieza compuestas por redes de anillos de alambre de alta resistencia

Roberto J. Luis Fonseca, Dr. Ing. Caminos, Canales y Puertos, Grupo Geobrugg
Helene Hofmann, Dr. Ing. Civil, Grupo Geobrugg

Las galerías dinámicas flexibles con efecto autolimpieza, son una alternativa económica y respetuosa con el medio ambiente, respecto a los cobertizos de hormigón como protección contra desprendimientos de rocas.

RESUMEN

Sin duda el efecto del cambio climático cada día se hace sentir más en nuestra vida cotidiana, las estadísticas del último decenio señalan que estamos ante una reducción en los períodos de retorno o incremento en la probabilidad de ocurrencia de fenómenos catastróficos, que en general arrastran importantes secuelas, luego la demanda de medidas de seguridad se hace cada vez mayor. En el sector específico de riesgos geológicos se trata de mitigar eventos que incluyen: desprendimientos de rocas, deslizamientos de tierras, avalanchas de nieve y flujos de detritos. De forma concreta, este tipo de fenómenos se ha incrementado y por lo tanto todo indica que la demanda de innovación y seguridad de los sistemas seguirá creciendo. En regiones montañosas, las galerías dinámicas flexibles con efecto autolimpieza, son una alternativa económica y respetuosa con el medio ambiente, respecto a los cobertizos de hormigón como protección contra desprendimientos de rocas. Esta solución puede actuar de manera análoga a una cortina, atenuando y encauzando la energía cinética del impacto de la roca. El sistema está diseñado para autolimpiarse, en caso de impactos cuya energía cinética esté por debajo de un cierto umbral, se consigue un efecto de trampolín y los bloques son desviados por el sistema, lo cual hace mínimos los costes de mantenimiento [1].

INTRODUCCIÓN

Se estudiaron numéricamente, la rigidez dinámica y la amortiguación que es capaz de aportar la red de anillos ASM 4:1. Se realizaron ensayos de validación del modelo físico y se estudió la influencia de varios parámetros: diámetro del anillo, número de vueltas por anillo, así como la pretensión, para conseguir el dimensionamiento del sistema completo, de forma tal que se consiga el efecto de autolimpieza.

Bajo carga dinámica, se consigue deflexión elástica en primera instancia y luego deformación plástica (permanente) en la estructura, principalmente en la red de anillos, los cables de soporte y los dispositivos de frenado (absorbedores de energía). El objetivo es conseguir un grado muy bajo de deformación plástica en los dispositivos de disipación de energía y a la par propiciar que durante el impacto se produzca el efecto de autolimpieza, lo cual reducirá las tareas de conservación, proporcionando un sistema casi libre de manutención.

La rigidez elástica depende de cuan tensa esté instalada la red de anillos, lo que significa que no es una constante del material, sino que depende de varios parámetros como el pretensado, el dimensionamiento y la dirección de transferencia de carga o la inclinación de la red. La solicitación máxima durante el impacto es también decisiva.

Finalmente se hace una breve referencia comparativa con sistemas alternativos para la misma combinación de cargas, cobertizos o falsos túneles de hormigón tradicionales, así como cobertizos de hormigón mejorados con sistemas de amortiguación avanzados (espuma de vidrio + mallas de acero alta resistencia).

1.- ENSAYO Y COMPARACIÓN CON LA SIMULACIÓN FARO

Este documento se centra en un sistema de barreras de protección innovador, probado y diseñado según los criterios ETAG-027 [3]. La descripción del caso de carga está adaptada a ETAG 027, significa que para un nivel de energía de 500kJ se utiliza un bloque de 1590kg, de lado 910mm y la velocidad de ensayo en el primer contacto con la superficie de la barrera debe ser de 25m/s como mínimo.

En primer lugar, se presentan ensayos a escala natural y se comparan con los resultados de una simulación numérica del software llamado FARO [2]. Se realizaron tres ensayos de campo en Walenstadt (Suiza), la barrera tiene una longitud de poste de 8,0m y está instalada con un ángulo de 42°. El número de anillos (RN) empleados en toda la altura es de 25 unidades. El espaciado entre postes es de 10,0m de acuerdo con las condiciones de anclaje insitu.

El ensayo a escala natural muestra claramente, que se puede conseguir un efecto de autolimpieza sin deformaciones plásticas significativas en los postes, placas base u otras piezas pequeñas. La red anular ROCCO® 12/3/300 fue capaz de absorber una energía de 437kJ, los dispositivos de disipación-frenado se desplazaron un total de 480mm y absorbieron una energía de 62kJ, mientras la deflexión máxima total medida fue de 7,5m. El bloque de 1590kg pudo ser capturado y desviado hacia afuera por el efecto cama elástica o trampolín de la red de anillos. Este comportamiento depende de diferentes parámetros que se muestran en las simulaciones de FARO.

La simulación FARO (fig.1) muestra una elongación máxima de 7,30m solo con un 3% de desviación respecto al valor obtenido en el ensayo a escala natural.

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Figura 1. Comparación de la deflexión máxima en el ensayo a escala natural y la simulación FARO

Según la simulación FARO la absorción de energía en los elementos de frenado es de aproximadamente 29kJ (una deformación de 220mm). Las solicitaciones en los cables sin disipadores (fig.2) tienen una desviación del 10% mientras que los que tienen disipadores tiene una desviación del 15%, lo cual significa que, en la simulación, el nivel de cargas es un poco a mayor que en el ensayo. Este efecto se muestra en los elementos de frenado. Los frenos en U absorben mayor energía con una pequeña elongación.

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Figura 2. Resultados del ensayo de campo a escala natural en comparación con la simulación FARO

Finalmente se puede concluir que los resultados son comparables. El principal componente absorbedor de energía es la red de anillos (la mayor parte de dicha energía en el entorno elástico y otra en el entorno plástico).

1.1.- Disipación de energía o frenado.

Como concepto puede ser cualquier dispositivo o elemento que reaccione mediante una deformación elástica o plástica y absorba energía. En una barrera clásica contra caída de rocas, los elementos de frenado, así como la red, se utilizan principalmente para la disipación de energía. En general, para este tipo de sistemas los elementos de freno disipan una parte importante de toda la energía. En la barrera autolimpiante, la red debe ser capaz de absorber la parte principal de la energía y disiparla cambiando la dirección de la fuerza de impacto (rebote cuasi-elástico). La distribución dentro del conjunto, de los dispositivos de disipación-frenado puede ser diferente en comparación con una barrera estándar, para la misma clase de energía. Un factor muy importante es la respuesta tenso-deformacional del elemento de freno, en la barrera autolimpiante se utiliza un freno tipo U. La ventaja es que la fuerza se mantiene casi constante en todo el proceso de elongación (fig. 3). Este comportamiento muestra una disipación de energía efectiva y, por otro lado, un comportamiento de fuerza controlado a los anclajes porque el nivel de solicitaciones es bien conocido.

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Figura 3. Respuesta tenso-deformacional de un freno en U.

En el trabajo, la longitud total de frenado del disipador de energía se utiliza como valor de comparación. Mediante esta comparación, se puede estimar cuánta energía es absorbida por la deformación plástica del freno en U y cuánta energía por la red de anillos con deflexión principalmente elástica y parcialmente plástica.

1.2.- Red de anillos ASM 4:1 tipo ROCCO® X /3 /300

Tal y como se ha mencionado la red de anillos de la barrera autolimpiante funciona como una “cama elástica”, de forma similar al comportamiento de un trampolín. La composición es la red de anillos ASM es 4:1, esto significa que un anillo está conectado con cuatro de los anillos adyacentes. En caso de un impacto, los anillos de la red se deforman hasta alcanzar una geometría rectangular/ cuadrada cerca del área de contacto. Durante la relajación, la red de anillos se recupera parcialmente, en función de la entidad del impacto, en general se diseña para que, dentro del sistema, la red anular trabaje en el entorno elástico mayoritariamente, sin necesidad de reemplazo. Un factor importante del comportamiento de autolimpieza es el pretensado de la red, así como el número de anillos en la dirección de la altura (RN).

La energía cinética está en su valor máximo cuando se produce el contacto con la red de anillos (figs. 4-5 punto 1). Luego, la parte cinética disipa (se convierte en una energía de tensión de la red de anillos), la deflexión alcanza su máximo y la velocidad del bloque es cero (figs. 4-5 punto 2). La tensión de la red provoca una aceleración que permite, respectivamente, el rebote de la roca, hasta que la energía potencial vuelva a ser máxima (figs. 4-5 punto 3) y la velocidad vuelve a ser cero. Basándose en el ángulo de colocación de la red (), la inclinación de la trayectoria del impacto y la energía de rotación, la roca puede cambiar su dirección y salir de la barrera, consiguiéndose el objetivo de autolimpieza.

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Figura 4. Trayectoria del bloque, comportamiento energético con efecto autolimpiante.

En la figura 5 se puede apreciar como la red de anillos trabaja básicamente en el entorno elástico, el fotograma 1 muestra el momento del impacto, el fotograma 2 el momento de máxima deflexión total de la red, el fotograma 2’ el inicio del vuelo y el fotograma 3 la altura máxima de vuelo (rebote máx.), mientras los fotogramas siguientes muestran el proceso de descenso (fotograma 4) hasta impactar el terreno (fotograma 5). Desde punto de vista visual la red de anillos en los estadios 1 y 5 está en idénticas condiciones, la deflexión ha sido mayoritariamente elástica.

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Figura 5. Secuencias del ensayo de campo a escala natural, efecto autolimpiante.

1.3.- Software de simulación FARO

El software FARO simula con un método de cálculo explícito, el comportamiento dinámico de un bloque esférico que, en caída libre, impacta la superficie inclinada de una barrera de protección de este tipo (fig. 6).

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Figura 6. Proceso de auto vaciado simulado con FARO, efecto autolimpiante.

Esto permite un análisis pormenorizado de la dinámica de la barrera modelada y también proporciona información sobre su carga y grado de utilización. Los resultados de las simulaciones se compararon con los ensayos de campo (fig. 5) realizados dentro del proyecto de investigación [4].

2.- INFLUENCIA DE LA VARIACIÓN DE ALGUNOS PARÁMETROS

Se realizaron simulaciones [6] a una barrera de tres módulos funcionales con diferentes parámetros preestablecidos (longitud del poste, distancia entre postes, ángulo de inclinación y número de vueltas por anillo). Por ejemplo, el área de la red varía dependiendo de la longitud del poste o el ángulo de la superficie. Si la superficie de red es mayor, esta puede absorber más energía, y los elementos de frenado absorberán menos energía, tal y como se ha podido corroborar en el ensayo de campo en Walenstadt (Suiza). Si el área de red es menor, la red absorbe menos energía y los elementos de frenado deberán absorber la diferencia de energía remanente. En general en los sistemas autolimpiantes, los dispositivos de frenado en U tienen mucha más capacidad de energía, de la que requiere el sistema cuando es solicitado.

El proceso de autolimpieza no solo depende del diseño estructural, también estará en función de la posición en la que se produzca el impacto dentro del área de la barrera, en el caso que el punto de contacto este sobre un de los cables verticales de retención al monte, el efecto estaría muy limitado, incluso puede llegar a no producirse (fig. 7).

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Figura 7. Influencia de la posición real del punto de contacto.

2.1.- Resultados de la simulación FARO

Con antelación y como base al presente estudio, se examinó la influencia del número de anillos (RN) sobre la altura. Se estudiaron tres variantes de 26RN, 28RN y 30RN. Se alcanza una diferencia de deflexión total de red de aproximadamente Δu = 1,0 m y una diferencia de deformación del freno de aproximadamente Δe = 0,2 m.

La figura 8 muestra la influencia del ángulo de disposición de la red con el aumento del número de vueltas por cada anillo que compone la red. En la medida en que el ángulo de disposición de la red es mayor, el área a cubrir es también mayor y la deflexión total también aumenta. Se observa además que la influencia del número de vueltas de 12 a 19 muestra una diferencia insignificante en los resultados (las curvas están prácticamente agrupadas, para los tres ángulos 300, 400 y 500). La diferencia en la deflexión total es Δu = 3,2m y la diferencia en el alargamiento de los frenos es Δe = 1,0m, dependiendo del ángulo entre α = 30° – 50°.

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Figura 8. Estudio de parámetros con diferentes ángulos de disposición de la red.

La longitud del poste y el espaciado entre los mismos es también de gran influencia. El comportamiento de diferentes longitudes de poste es similar a la influencia del espaciado entre los mismos. La deformación total del freno varía hasta Δe = 1,1m, lo que conduce a una deformación total de red Δu = 2,8m.

2.2.- Análisis de resultados FARO

En el presente trabajo, se ha estudiado la influencia de diferentes parámetros en el proceso de autolimpieza de las barreras flexibles. Los resultados de la simulación muestran que no se produjo ningún fallo en ninguna barrera. Sin embargo, no se logra un efecto de autolimpieza en todas las situaciones, hay combinaciones con redes de anillos ROCCO® de 7 vueltas en las que no se consigue el efecto de autolimpiado.

También se ha podido comprobar que en las combinaciones con redes de anillos ROCCO® de 7 vueltas la deflexión total de la red, así como la deformación total de los frenos en U, es mayor, sin embargo, en los modelos con 12 vueltas, las diferencias en cuanto a la deflexión total y la deformación del freno en U, es muy similar.

En general, se debe tener en cuenta que, al aumentar el área de la red, es decir una inclinación más pronunciada o una instalación de red de anillos más suelta (menos tensa), la deflexión total aumenta. La distribución de los dispositivos de disipación de energía es diferente. La red ROCCO® toma la mayor parte de la capacidad de absorción de energía. Como promedio, los frenos en U absorben 111kJ una parte de la energía total, cuyo valor máximo puede llegar a 213kJ, es decir trabajan al 50%. La mayoría de las simulaciones muestran una distribución de energía de 1/5 en los dispositivos de frenado en U y 4/5 en la red ROCCO®. Los modelos de red ROCCO® con 7 vueltas son adecuados para un impacto simple. Las redes ROCCO® con 12 a 19 vueltas, muestran un buen potencial para múltiples impactos con efecto de autolimpieza permanente.

2.3.- Ejemplo de aplicación en el Cantón de Valais (Suiza)

El complejo de terrazas de Vercorin del valle del Ródano en el Cantón de Valais, es un sitio usual para vacaciones que se encuentra entre la reserva natural “Vallon de Réchy” y la entrada del valle a Val d’Anniviers. En períodos pico, más de mil vehículos discurren por la carretera Chalais-Vercorin, además el autobús de correo de Vercorin de forma rutinaria. Las frecuentes caídas de rocas de baja energía ponen en peligro permanente el tráfico y la sección afectada entre varios túneles. La solución de protección contra caída de rocas autolimpiante SCC-500 se ha implementado para energías máximas de hasta 500 kJ (fig. 9).

Debido al terreno extremadamente vertical, se realizó un levantamiento topográfico digital en 3D, para poder ubicar los puntos de origen y estudiar de forma eficiente las trayectorias. Para la ubicación de la barrera se utilizó el citado modelo digital del terreno y para la revisión del dimensionamiento se empleó el software FARO. Al determinar el ángulo de inclinación de la red, se podrían definir las posiciones de los anclajes. La propuesta de diseño se integró directamente en este modelo tridimensional a partir del cual, se pudieron determinar las longitudes de los cables y las dimensiones de las redes de anillos. La membrana Tecco® G45/ 2 se utilizó como malla secundaria para evitar que piedras pequeñas traspasen la red de anillos. Se le dio gran importancia a cubrir la pared con mallas de guiado, sin tolerar orificios entre las dos soluciones.

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Figura 9. Barrera autolimpiante Canopy tipo SCC-500. Cantón Valais (Suiza).

La barrera tiene 60m de longitud en una sola línea, con una conexión a la pared de roca en un lado, sin ninguna suspensión intermedia, la longitud de los postes es variable entre 6 y 11,5m, mientras que la distancia entre postes en constante e igual 10m.

3.- PERSPECTIVAS BASADAS EN SISTEMAS ALTERNATIVOS

En la actualidad, la presión de los plazos de entrega cada vez es mayor, a la par que se reducen de forma importante fondos disponibles o presupuestos de proyecto. Para cumplir con los estándares de calidad exigidos, el sistema autolimpiable tiene muchas ventajas respecto a las galerías tradicionales de hormigón (cobertizos). Además, el tiempo de construcción se puede reducir sustancialmente, también el impacto económico del material sobre el presupuesto es mucho menor (fig. 10). Esta ventaja es además importante debido a la implicación que conlleva respecto a la huella de carbono. Resumiendo, las barreras flexibles serán menos costosas tanto en material como en instalación, además de ser una solución mucho más sostenible.

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Figura 10. Sección transversal de una galería de hormigón con capacidad de hasta 500kJ y análisis comparativo básico desde el punto de vista económico entre la galería de hormigón y una barrera flexible autolimpiante.

3.1.- Rockfall-XTM G como una solución complementaria para galerías de hormigón contra caída de rocas

En muchos casos, las galerías de hormigón existentes han sido reevaluadas y se ha visto la necesidad de elevarles la clase energética, quizá porque las condiciones ambientales han cambiado y el nivel de riesgo es más alto. En estos casos hay que actuar de inmediato, modificando sus propiedades o creando medidas complementarias. Una de las formas de propiciar un incremento en el nivel energético puede ser modificar las características de amortiguación del material de relleno en la parte superior. Esta adaptación influye directamente en el factor y altura de amortiguación, así como el ángulo de expansión de la carga. Una cubierta con material clásico puede implicar una baja profundidad de relleno, por ello el aumento en la clase energética pudiese no ser factible. El tratamiento con vidrio celular [5, 7] tiene la ventaja de que la carga estática se puede reducir dando como resultado una mayor capacidad de carga de impacto.

Las galerías tradicionales de hormigón pueden llegar a absorber los mismos niveles de energía que el nuevo tipo de barrera flexible autolimpiable SCC-500. En este ejemplo específico, una galería de hormigón con un ancho de 8,0m y un espesor de losa de t = 700mm está diseñada para eventos de 300 a 500 kJ. En la figura 10 la galería de hormigón muestra una modificación, está protegida con amortiguadores compuestos por bolsas cilíndricas de malla de acero Tecco® de alta resistencia rellenas de vidrio celular. Este sistema se denomina Rockfall-XTM G. El módulo de amortiguación especial compuesto de vidrio celular envuelto con la malla Tecco® proporciona una capa más resistente a la compresión y por ende con mayores posibilidades de absorción de energía [5].

El relleno es vidrio celular (fig. 11) que se produce a partir del reciclado de vidrio en tamaños de grano entre 10 y 50 mm, y tiene una resistencia a la compresión de 6N/mm². Con una densidad de 250 kg/m³, es de seis a ocho veces más ligero que la grava convencional. Debido a que las burbujas o células que encierra el material no están comunicadas entre sí, el material es impermeable al agua y al vapor de agua, es un muy buen aislante térmico. También es incombustible​ y ofrece gran resistencia al fuego y al ser un material compuesto exclusivamente por vidrio, es aséptico y resistente. Los módulos de amortiguación se suministran en cilindros de vidrio celular de 1m³ – 2m³, cada uno de los cuales están encerrados en malla TECCO® [7]. En caso de impacto, la malla TECCO® restringe la deformación lateral del material amortiguador para proporcionar una absorción óptima de la energía.

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Figura 11. Grano de vidrio celular y cilindro amortiguador de TECCO® relleno durante un ensayo.

El vidrio celular no contiene poros capilares, y por lo tanto es a prueba de heladas. Se utiliza un cable para interconectar los módulos cilíndricos, que permite restringir el movimiento horizontal de los módulos de relleno (fig. 12), generando una unidad modular de disipación de energía. El mismo efecto también se puede lograr instalando un muro de hormigón vertical en la parte superior de la galería. Para garantizar que el agua de filtración pueda salir de las bolsas (big bags), cada bolsa dispone de aperturas longitudinales.

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Figura 12. Módulos amortiguadores Rockfall-XTM G en obra

Para dar garantía al drenaje se recomienda extender una capa de vidrio celular de 10cm de espesor, antes de colocar las grandes bolsas. El triángulo entre las bolsas individuales debe estar lleno de vidrio celular y también puede utilizarse para el drenaje (fig. 13)

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Figura 13. Triángulo entre las bolsas individuales.

3.2.- Mantenimiento y vida útil del Rockfall-XTM G.

Tras un evento, los bloques más grandes deben ser retirados y el sistema de amortiguación inspeccionado [7]. Por lo tanto, los 10-20cm superiores del vidrio celular deben ser reemplazados después de un evento. Como la resistencia a la compresión del vidrio celular de 6N/mm2 se puede colocar una excavadora sobre los módulos de amortiguación para retirar las rocas. En el transcurso del tiempo, se puede obtener una auto revegetación del emplazamiento (en caso posible dependiendo del clima del emplazamiento), que no tiene ningún efecto sobre la calidad del sistema de amortiguación en el hormigón. No debe propiciarse el crecimiento de árboles. Si el drenaje del agua de la zona de los módulos de amortiguación se hace bien, las bajas temperaturas no afectan el comportamiento del sistema. El propio vidrio celular tiene huecos cerrados y por lo tanto no causa problemas con la formación de hielo. La vida útil estimada para este producto es de al menos 60 años para el sistema de amortiguación (sin impactos).

El concepto de diseño ha sido probado mediante un estudio exhaustivo que presupuso la realización de ensayos de campo a escala natural, para comprobar la carga de impacto en las galerías de protección contra las rocas cuando están protegidas por el sistema de amortiguación Rockfall-X™. El estudio se llevó a cabo a través de una serie de experimentos rigurosos que demostraron la capacidad de amortiguación altamente efectiva del sistema. Los resultados están basados en el análisis integrado de múltiples datos recopilados de los componentes del sistema y del bloque que impacta. Esta parte de la investigación ayudó a desarrollar la normativa suiza para galerías de protección contra las rocas, junto con el procedimiento de evaluación para las existentes.

REFERENCIAS

  1. Escallon, J., Wendeler, C., Bartelt, P. (2014) Rockfall Protection Canopies. ROCEXS Congress, Lecco (Italia)
  2. Volkwein, A. (2004). Numerische Simulation von flexiblen Steinschlagschutzsystemen, Ph.D. thesis, Swiss Federal Institute of Technology, Zúrich (Suiza)
  3. EOTA (2008) Directive ETAG 027 Guideline for European Technical Approval of Falling Rock Protection Kits
  4. Test Report WSL (2014) Auswertung und Resultate zu den Versuchen mit dem Schutznetz Canopy SCC-500. Suiza
  5. Rockfall-XTM G Damping system with cellular glass fill material and TECCO® mesh as protection for the rockfall galleries Mattstock and Churfirsten, Weesen/ Amden, Suiza (2014)
  6. Wolinski, C., Wendeler, C., Escalon, J.P. (2015) High tensile ring net canopies and the behavior of “self-cleaning” effects together with alternative systems. Eurock 2015. Salzburg, Austria
  7. Luis, R. y A. Roduner (2017). Sistema de amortiguación Rockfall-X™ para la protección contra impactos.
    Madrid, España

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