2 Simposio Internacional sobre tneles y lumbreras en suelos y roca

Ciudad de Mxico, 8 y 9 de febrero de 2012

1 FIBRAS DE ACERO

El reforzamiento del concreto lanzado con fibras de acero

(CLRFA) cortas y discontinuas fue desarrollado en los

Estados Unidos a principios de los aos 70s por la Batelle

Research Corporation. La primera aplicacin prctica de

un concreto lanzado reforzado con fibras de acero se

efecto en 1972 cuando el Cuerpo de Ingenieros de la

armada de los Estados Unidos utiliz un CLRFA va seca

para la estabilizacin de un talud y revestimiento de una

contramina en la presa Ririe en Idaho (2).

2 MEDICIN DE LA TENACIDAD

La capacidad del CLRF posterior al primer agrietamiento

puede ser determinada mediante una gran variedad de

mtodos reconocidos internacionalmente.

Las pruebas de viga se utilizan generalmente para

determinar la fuerza flexional residual a una deflexin

determinada o una resistencia a la flexin equivalente

sobre un rango de deflexin. Las normas generalmente

utilizadas son la EN-14651, EN-14488-1,

EN-14488-3, EN-14488-5, ASTM C 1609 y la norma

Japonesa JSCE SF4. (Fig. A) Las mediciones

generalmente se efectan en 1.5 mm y 3 mm de deflexin

de la viga. Estos mtodos de prueba son difciles de repetir

y tienden a tener alta variabilidad, se debe de tomar el

promedio de por lo menos 5 ensayos para lograr obtener

un resultado aceptable; esta prueba es usada con mayor

frecuencia para el diseo de pisos.

Estas pruebas nos brindan valores de ingeniera que

fcilmente pueden ser utilizados dentro de los parmetros

de diseo de los concretos lanzados reforzados con fibras.

Figura (A) Norma japonesa

Otra prueba ms efectiva para determinar el

comportamiento del CLRF es la prueba de paneles del

EFNARC desarrollada por Legrand en 1984 que consiste

en obtener paneles de 600 mm x 600 mm con 100 mm de

espesor. Estos paneles se soportan perimetralmente y se

aplica una carga al centro. Se mide la carga al centro vs la

deflexin y se calcula la energa absorbida en Jules a una

deflexin de 25 mm. El mecanismo de falla del panel es

representativo del comportamiento del revestimiento y la

prueba es ms fcil de efectuar que el de las vigas, sin

embargo al estar el panel soportado perimetralmente, si

existen diferencias en el asentamiento, se pueden generar

inconsistencias (Fig. B ). Derivado de lo anterior las

Uso de concreto lanzado reforzado con fibras metlicas en tneles

Use of shotcrete in shofts linings reinforced with steel fibers

Arq. Carlos Frutos Garmendia, Dramix, Bekaert BP Latinoamrica

RESUMEN: Antes de los aos 70s, el concreto lanzado era reforzado primordialmente con mallas electrosoldadas, refuerzo

convencional a base de varillas y algunas veces con malla ciclnica en aplicaciones mineras en las que se esperaban largas

deformaciones y el concreto lanzado reforzado ya fracturado, tena que continuar resistiendo cargas. Desde tiempos ancestrales, el

concepto de reforzar elementos con diferentes tipos de fibra ya fuera esta paja, madera o cabello grueso de animales exista en las

mentes de los ingenieros de aquella poca. En la actualidad existen en el mercado una gran cantidad de tipos de fibra para el

reforzamiento del concreto y en especial para concreto lanzado, existen fibras de acero, sintticas fibriladas, de mono filamento,

macro sintticas, etc. En los aos recientes, la industria de las obras subterrneas y en especfico la construccin de tneles en obras

civiles y de minera se ha convertido en un gran usuario del concreto lanzado. El trabajo simultaneo de varios frentes, la dificultad de

acceso y las condiciones inusuales de carga son algunos de los problemas inherentes a los trabajos en tneles y minas subterrneas

por lo que se requiere se desarrollen nuevas e innovadoras tecnologas para la aplicacin y refuerzo del concreto lanzado.

Uso de concreto lanzado reforzado con fibras

metlicas en tneles

Ciudad de Mxico, 8 y 9 de febrero de 2012

pruebas de panel siempre se recomiendan para certificar la

calidad del concreto lanzado y nunca como elemento para

diseo.

Figura (B) Paneles

3 DISEO

El diseo del soporte mediante concreto lanzado para

excavaciones subterrneas es generalmente impreciso y

emprico. La compleja interaccin entre la masa rocosa

fallando alrededor de una abertura subterrnea y la capa de

concreto lanzado con diferentes espesores (Figura C) y

con propiedades cambiantes al endurecer desafa casi

todos los intentos de anlisis terico. Es importante

reconocer que el concreto lanzado es rara vez utilizado sin

refuerzo, y su uso combinado con bulones, anclas y otros

tipos de reforzamiento complica an ms el anlisis de su

contribucin al soporte. Las metodologas y teoras

actuales de diseo de soporte mediante concreto lanzado

se basan ampliamente en mtodos prcticos y experiencia

previa.

Grimstad y Barton (1993) publicaron una grfica

actualizada que relaciona diferentes sistemas de soporte

incluyendo concreto lanzado y concreto lanzado reforzado

con fibras de acero y sintticas. (4) (Figura D).

Figura (C) Respuesta de un sistema de soporte desplazamiento pared del tnel.

Figura (D) Grfica de Barton modificada

4 CONCRETO LANZADO REFORZADO CON

FIBRAS DE ACERO

Las fibras de acero se aaden al concreto lanzado para

mejorar la capacidad de absorcin de energa y resistencia

al impacto as como proveer ductilidad. Esta ltima

propiedad es la habilidad que tendr el concreto lanzado

de continuar resistiendo cargas despus de que su matriz

se ha fracturado. Es evidente que las tres propiedades

anteriores, son de gran importancia para los sistemas de

soporte diseados para las condiciones especiales a que

estn sometidas las excavaciones en minas, tneles y

lumbreras.

La longitud de la fibra debe de ser por lo menos dos

veces el tamao mximo del agregado con el fin de ligar el

espacio cementante entre uno y otro, y proveer la

suficiente adherencia de las fibras de acero a la matriz de

concreto. Entre menor sea el dimetro de la fibra de acero

el nmero de fibras por unidad de peso se incrementa y la

longitud de la red de fibras se incrementa. El

espaciamiento entre fibras se reduce en tanto la fibra sea

ms delgada por lo que el reforzamiento se hace ms

eficiente. Siempre se debe de buscar tener una longitud de

refuerzo por metro cbico nunca inferior a 10,000 ml de

fibras de acero.

Frutos, C.

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Los esfuerzos de tensin inducidos al concreto lanzado

son transferidos a las fibras de acero mediante la

adherencia entre ambos materiales; sin embargo la

adherencia se puede mejorar notoriamente mediante los

anclajes mecnicos que proveen las diferentes formas de

las fibras, las cuales se recomiendan sean extremos

doblados o aplanados aunque existen las de forma

ondulada.

Por otra parte, para que se logre una eficiente

transferencia de cargas se requiere que las fibras de acero

tengan una alta resistencia a la tensin para evitar que

estas se rompan. La alta capacidad de resistencia de cargas

de las fibras de acero una vez fracturada la matriz de

concreto, garantizar el grado de ductilidad.

El uso de recubrimientos finales de larga vida

construidos con concretos lanzados de alta resistencia en

obras subterrneas, ha ampliado la necesidad de

desarrollar fibras de acero de alta resistencia a la tensin.

Cada fibra de acero dependiendo de su forma y tamao

tendr un efecto diferente en el comportamiento y calidad

del concreto lanzado. La dosificacin requerida de fibras

de acero para cumplir con los requerimientos estructurales

y de diseo est necesariamente relacionado con el

desempeo de esta.(4)

Para una misma matriz de concreto la cantidad de

absorcin de energa es influenciada

significativamente por el tipo de fibra

(Ej. Relacin de aspecto longitud /

dimetro) y dosificacin. Entre mayor

sea la relacin de aspecto y la

dosificacin, mejor ser el desempeo

del CLRFA. (Lambrechst 1996).

Otra gran ventaja del CLRFA es su

composicin homognea. Como tal, es

capaz de resistir esfuerzos de tensin y

de cortante en cada parte de la seccin

transversal. Ms an, al poder efectuar

una la aplicacin inmediata del

recubrimiento de consolidacin, se

provee de una adecuada proteccin

contra la cada de rocas.

CONCLUSIONES

La caracterstica que define el desempeo de un

concreto lanzado reforzado con fibras es la tenacidad o la

capacidad de absorcin de energa; existen diferentes

normas y especificaciones para la medicin de estas

caractersticas; dependiendo del mtodo elegido, las

mediciones pueden variar significativamente, lo ms

adecuado para medir el desempeo de un concreto lanzado

es utilizar los mtodos de panel cuadrado del EFNARC o

el panel redondo de Bernard.

Las fibras de acero y macro sintticas pueden ser

utilizadas para el refuerzo del soporte de aberturas

subterrneas en minas, ambas darn una cierta tenacidad al

concreto dependiendo de su dosificacin y caractersticas.

Es importante que los especificadores tomen en cuenta

cual es la tenacidad o capacidad de absorcin de energa

que se requiere para cada necesidad de soporte, para que

de esta manera se pueda determinar que tipo de fibra, de

que caractersticas y con que dosificacin se debe

especificar el CLRF.

Es importante resaltar que el uso de las fibras macro

sintticas es recomendado nicamente para casos de

soporte no permanente como en minas, en casos de

soporte permanente como tneles o estabilizacin de

taludes es recomendable solo el uso de fibras de acero.

En situaciones en las que la deflexin debe ser limitada

(5 a 40 mm) y se requiere que la abertura de la grieta no

sea grande, es ms recomendable el uso de fibras de acero

dada su gran capacidad de absorcin de energa en estas

situaciones; Ms an, el uso de fibras de acero de alto

desempeo ser ms eficiente que si se usan fibras de bajo

desempeo.

Cuando se permite que existan grandes deformaciones

en el soporte (80 mm), y que la abertura de la fisura pueda

ser considerable, el uso de fibras macro sintticas ser ms

eficiente. (Fig. F)

Figura (F)

La estabilidad del sistema ocurre cuando la presin del

suelo y la resistencia del revestimiento se encuentran. Una

fibra de acero de bajo costo y bajo desempeo (LPLC) no

incrementa la capacidad de carga del revestimiento aunque

tiene el potencial de hacerlo a grandes deformaciones; una

fibra de acero de alto desempeo incrementa la capacidad

de carga del revestimiento desde bajas deformaciones y

tiene la capacidad de seguir resistiendo carga en altas

deformaciones. La fibra macro sinttica tomar las cargas

a deflexiones mayores. Los datos fueron obtenidos de un

estudio de Falkner en 1993.

Uso de concreto lanzado reforzado con fibras

metlicas en tneles

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