Download diseño de una pantalla dinámica como elemento de protección

Jornadas EIDEIC-Mayo 2015
DISEÑO DE UNA PANTALLA DINÁMICA COMO ELEMENTO DE
PROTECCIÓN CONTRA CAÍDA DE ROCAS
Los desprendimientos de rocas en taludes inestables son peligrosos si se encuentran en
cercanías de una población o carretera. Por ello se buscan constantemente alternativas para
contener, controlar o reducir la velocidad de estos bloques, que pueden llegar a tener
dimensiones considerablemente grandes.
Una de las alternativas consiste en la colocación de pantallas dinámicas. En esta línea, la
empresa chilena Inchalam, del grupo Bekaert, decide financiar el proyecto que se presenta para
incorporar este tipo de protección en taludes a su campo de trabajo.
Las pantallas son elementos que tienen una zona de impacto que de alguna manera transmite
los esfuerzos al terreno. Por definición el sistema es ligero y esbelto, sus materiales más
utilizados son las redes de cables con diversas formas.
La composición básica de una pantalla es:
 Estructura de intercepción: formado por la red principal y redes adicionales. Se
encargan de soportar el impacto directo de la masa.
 Estructura de soporte: formado por los postes, que mantienen la red de intercepción
erguida
 Elementos de conexión: formado por cables de cosido, cables perimetrales, de sujeción
al terreno y disipadores. Transmiten las tensiones a los anclajes durante el impacto y
mantiene la estructura de intercepción en su posición.
 Anclajes: transmiten las cargas derivadas del impacto al terreno.
Figura 1. Partes de una pantalla dinámica
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Los objetivos a desarrollar en la tesis se exponen a continuación.
 Tareas que se están desarrollando actualmente
• Reproducción de ensayo experimental mediante software de elementos/diferencias
finitas
• Geometría optima de la zona de intercepción
• Diseño de disipador de energía
 Tareas previstas
• Disposición de los cables perimetrales
• Diseño de los postes y conexiones entre cables, vientos y poste
• Base del poste y anclaje al terreno
• Ensayo de la pantalla final
Reproducción de ensayo experimental mediante software de elementos/diferencias finitas
En la actualidad se está empleando el software ANSYS LS-DYNA para la réplica del ensayo
experimental, a través de la correcta introducción de las propiedades mecánicas de los
materiales, y la simplificación de los componentes para evitar un excesivo coste computacional.
El uso de simulaciones numéricas por elementos finitos o diferencias finitas ha de ir siempre
respaldado por un ensayo experimental para validar los resultados obtenidos. Una vez
comprobada la idoneidad de la simulación, es posible realizar estudios paramétricos observando
las variaciones provocadas por el cambio en los diámetros de los cables, en las curvas de
comportamiento de los disipadores o en las dimensiones de los cuadrantes de la red de cables.
Se considera, por tanto, una herramienta muy útil que aporta un gran ahorro económico gracias
a la reducción significativa del número de ensayos experimentales a ejecutar.
Figura 2. Simulación numérica de una pantalla (se aplicó simetría al modelo)
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Geometría optima de la zona de intercepción
Como elementos de intercepción se analizan redes de geometría cuadrada o triangular, así como
la malla de alambre MT-15000, empleando el software de elementos finitos anteriormente
mencionado, especializado en análisis de impactos y no linealidades.
Los primeros resultados obtenidos arrojan la conclusión de que la mejor opción es el empleo de
la red cuadrada, aunque la simplificación del modelo de elementos finitos provoca una
concentración de tensiones en los cables perimetrales que no es real y distorsiona los resultados
debido a que el cable de cosido entre la red y el perimetral no genera una unión rígida sino que
permite cierto deslizamiento entre ambos componentes de la pantalla.
En la actualidad se está trabajando en la corrección de estas interacciones para aproximar el
modelo a la situación real, tanto en simulaciones de un paño como sobre las de pantalla
completa.
Figura 3. Simulación numérica de un paño. Interacciones perimetral-red de cables modificada.
Diseño de disipador de energía
Otro asunto a abordar es el diseño de un disipador de energía, que se puede definir como un
mecanismo que se incorpora al sistema de pantalla dinámica para absorber esfuerzos que
aparecen como consecuencia del impacto de las rocas sobre la red de cables, contribuyendo a
reducir las tensiones. Existen distintos métodos de disipación, entre los más utilizados están los
disipadores por fricción, deformación plástica y rotura parcial.
Tras una intensa búsqueda de información, toman forma dos ideas basadas en mecanismos de
disipación diferentes.
Figura 4. Prototipos de disipadores de energía propuestos a) por deformación, y b) por fricción.
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Una vez obtenida la idea, se realizan cálculos preliminares en el software Ansys Workbench en
su módulo Explicit Dynamics, con el fin de averiguar si el diseño es viable, además de estimar un
primer dimensionamiento sobre el que se procederá a la construcción del prototipo y a la
comprobación de su funcionamiento mediante ensayos estáticos –a velocidad lenta y
controlada- y dinámicos –a alta velocidad-.
La intención de ejecución de ensayos estáticos se plantea por el hecho de que la mayoría de
empresas que diseñan este tipo de dispositivos ofrecen curvas de comportamiento obtenidas
de ensayos a velocidad lenta, con lo que, para hacer un análisis comparativo entre la ideas
propuestas y los disipadores disponibles en el mercado, se requieren este tipo de ensayos.
Sin embargo, debido a que en la realidad la carga que soportan es rápida y brusca, puede haber
efectos que no se tengan en cuenta, como por ejemplo la rigidización de los materiales o
variación en los coeficientes de rozamiento, por lo que se considera de gran importancia la
realización de un análisis dinámico.
La patente se redactará una vez finalizado todo este proceso.
Disposición de los cables perimetrales
La disposición de los cables de contorno o perimetrales se elegirán con el objetivo de flexibilizar
la pantalla y eliminar zonas de acumulación de tensiones sin provocar un desplazamiento de la
red que exceda el máximo permitido.
Dos sistemas usualmente empleados son:
1. La colocación de dos cables perimetrales en paralelo. La red de cables se conecta
alternativamente con el primer cable, con el segundo o con ambos simultáneamente.
Así se logra reducir las tensiones tanto en red como en perimetral gracias a una mayor
libertad en el movimiento de la red relativa a los cables del contorno. Algunas
disposiciones se muestran en las siguientes figuras.
(b)
(c)
Figura 5. Cables perimetrales dispuestos en paralelo.
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2. El intercalado de frenos en los cables de contorno: reduce la magnitud de la carga en el
perímetro del paño afectado por la caída de la roca.
Figura 6. Freno intercalado en un cable perimetral.
Diseño de los postes y conexiones entre cables, vientos y poste
El correcto diseño y dimensionado de los postes se dirigirá a evitar que el material entre en el
rango plástico de deformaciones (el fallo de algún poste supondría el colapso de la estructura
completa) y en el que los cables guiados por él no se deterioren ante la caída de una roca debido
a una mala geometría de las conexiones.
Entre los perfiles más empleados se encuentran los circulares y los perfiles en H, cuya diferencia
fundamental reside en su resistencia a flexión. En el perfil circular la inercia se mantiene
invariable cualquiera que sea la orientación de la carga. Perfiles abiertos, como los tipo H,
poseen gran resistencia a flexión (elevado momento de inercia) en uno de sus ejes, sin embargo,
esta se ve sensiblemente reducida cuando se rota 90º.
Figura 7. Dos geometrías diferentes empleados en postes
Por otra parte, la elección de número y disposición de cables perimetrales y de las posiciones de
los vientos laterales y al monte condicionará la geometría de la parte superior del poste, en la
que se suelen incorporar placas soldadas u otros dispositivos más complejos adheridos al perfil
(con geometrías curvas), con el fin de que los cables no se apoyen sobre sobre aristas vivas que
podrían cortar los hilos que los componen.
Una mala elección del sistema de sujeción de los cables al poste puede traducirse en
solicitaciones imprevistas (p. ej. momentos flectores o torsores) que harían fallar la conexión o
incluso la unión del poste con el terreno.
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Figura 8. Conexiones poste-cables de contorno y vientos.
Base del poste y anclaje al terreno
En cuanto a las piezas que unen los postes con el terreno tampoco presentan una tendencia a
una determinada geometría. Existen distintas fórmulas, que difieren en la necesidad o no de las
placas de anclaje, la ubicación de las guías para los cables perimetrales, la restricción de
movimiento creada sobre el poste, etc.
La nueva propuesta vendrá determinada por la intención de simplificar y mejorar las soluciones
fabricadas hasta el momento frente a las cargas que soportan y su correcta transmisión al
terreno.
Figura 9. Distintas soluciones para la base del poste
Ensayo de la pantalla final
El último paso es la certificación de que la pantalla en todo su conjunto es capaz de absorber la
energía para la que se ha diseñado.
Para ello la EOTA ha desarrollado una Guía de Idoneidad Técnica Europea para Dispositivos de
Protección contra Caída de Rocas. Esta normativa es la ETAG‐27 y se publicó el 1 de febrero de
2008. En ella se encuentra el procedimiento a seguir para la obtención del DITE, una descripción
del ensayo a realizar y condiciones que debe cumplir el producto. La prueba consiste en soltar
un bloque sobre el kit, midiendo la velocidad y determinando la energía del impacto. A
continuación se hace un resumen de los requisitos a cumplir en la realización de dicha prueba.
En la prueba se realizarán sucesivos test a 2 niveles de energía, nivel de energía de servicio (SEL)
y nivel de energía máximo (MEL), de tal forma que MEL >= 3 SEL. El MEL se elige por el productor
antes de la prueba.
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Figura 10. Momento posterior al impacto de un bloque sobre la pantalla, según la ETAG-27
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