Refuerzo de hormigón con fibras de acero como solución segura, eficiente y sostenible en túneles

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Refuerzo de hormigón con fibras de acero como solución segura, eficiente y sostenible en túneles y minas subterráneas Juan Manuel Alvarado

12 de octubre de 2023


Concreto Reforzado con Fibras (CRF) Material compuesto caracterizado por una matriz de cemento y fibras discretas.

La matriz está hecha de concreto o mortero (Model Code 2010).

Shotcrete Reforzado con Fibras

(SRF) Mortero o concreto con fibras discontinuas neumáticamente proyectado a gran

velocidad en una superficie (ACI 506.1R-98). La calidad de la transferencia de cargas depende de: −

Propiedades del material de refuerzo

Naturaleza de la interfaz fibra-matriz

Suficiente superficie de transferencia

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Revestimiento de dovelas Aplicaciones Subterráneas Grand Paris Express, FR

Eurotunnel, UK

Metro Sídney, AU

Evergreen Line, CA

Majes Sihuas II, PE

Klang Valley, MY

Metro Sao Paulo, BR

Metro Roma, IT

Forrestfield Airport, AU

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Revestimiento/soporte de concreto lanzado Aplicaciones Subterráneas M4-M5 Link Tunnel, AU

Hinhead Tunnel, UK

Kiruna Mine, SE

Ulvin Tunnel, NO

Vereina Tunnel, CH

Horizonte Mine, PE

Gotatunnel, SE

86ST Station, US

Wolfram Mine, AT

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Guías especializadas en concreto reforzado con fibras Aplicaciones subterráneas

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Diferentes comportamientos del CRF

Comportamiento de ‘hardening’ y ‘softening’ según Model Code 2010:

Evaluación de la ductilidad

El comportamiento ‘hardening’ es necesario para asegurar el desarrollo de múltiples fisuras, de tal forma que los anchos de fisura son controlados.

Diferencia entre ductilidad de material y estructura.

También permite ductilidad estructural en Estado Límite Último (ULS) y mayor control de fisuras en Estado Límite de Servicio (SLS).

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Especificación del concreto reforzado con fibras de acero Caracterización del material en función de resistencia residual (fRj) Ensayo de viga según EN 14651 y NCh 3624

Clasificación según Model Code 2010

4c

fR1k

fR3k/fR1k

1, 1.5, 2, 2.5, 3, 4, 5, 6, 7, 8 (MPa)

a: si 0.5 ≤ fR3k/fR1k ≤ 0.7 b: si 0.7 ≤ fR3k/fR1k ≤ 0.9 c: si 0.9 ≤ fR3k/fR1k ≤ 1.1 d: si 1.1 ≤ fR3k/fR1k ≤ 1.3 e: si 1.3 ≤ fR3k/fR1k

Requisitos: fR1k/fLk > 0.4 fR3k/fR1k > 0.5

Si cumple, las fibras pueden sustituir el refuerzo convencional en ULS.

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𝑓𝑅𝑗 =

3𝐹𝑗 𝑙 2 2𝑏ℎ𝑠𝑝


Dispositivos de dosificación y control de calidad

Dramix® Tanker

Dramix® EyeD

Smart Fibre C

— Dosificador de fibras de acero.

— Dispositivo de control de calidad.

— Dispositivo de control de calidad.

— Se instala junto a la línea de agregados

— Mide las variaciones en el contenido de

— Determina el contenido de fibras de

fibras de acero en el concreto fresco.

acero en especímenes de concreto

en la planta de concreto. — Reduce tiempo y costo de dosificación. — Mayor precisión en la dosificación.

— Se instala en la salida del chute del camión mixer.

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endurecido.

— Reduce tiempo y costo de muestreo.


Dovelas de concreto reforzado con fibras de acero Aspectos operativos y de durabilidad Refuerzo de Barras de Acero

Refuerzo de Fibras de Acero

Costo y tiempo de armado

Riesgo de despostillamiento

Dosificación en planta

Distribución del refuerzo

Logística y almacenamiento

Recubrimiento del refuerzo

Vaciado en molde metálico

Redistribución de cargas

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Dovelas de concreto reforzado con fibras de acero Diseño por ensayos Caracterización del Material

Ensayo de Flexión

Ensayos liderados por el Prof. Meda

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Ensayo de Carga Puntual


Sostenibilidad en Grand Paris Express, Lote 16.1 -

Dovelas en 14 km de túnel están siendo reforzadas con Dramix® en lugar de refuerzo tradicional.

-

Reducción de 10,000 ton de CO2 equivalente por cada 10 km de túnel.

-

Dramix® redujo el consumo de barras de acero en 5,000 ton y las emisiones de CO 2 relacionadas con su producción y transporte. Emisiones de CO2 Equivalente en Diferentes Túneles La máxima reducción de CO2 se logra con

Dramix® y el reemplazo parcial de cemento (OPC) por ceniza volante (fly ash), cemento de escoria de alto horno (BFSC), escoria de alto horno granulada (GGBS), entre otros.

Fuente: Revista Tunnels & Tunnelling, Marzo 2022. Propiedad de ©Bekaert. La reproducción o copia del presente documento no está permitida, salvo autorización expresa o por escrito de ©Bekaert. Créditos: Eiffage Génie Civil


Factores que influyen en el desempeño del shotcrete Mezcla

— Tipo de planta, método de mezcla,

dosificación de insumos. — Características del agregado: granulometría, absorción, contenido de

Lanzado

Transporte

— Tiempo de transporte. — Mantención de la mezcla. — Variación del diseño de mezcla.

humedad. — Diseño de mezcla, a/c, consistencia, contenido de aire. — Calidad de los insumos: arena,

cemento, aditivos, agua y fibras. — Control de calidad: slump, temperaturas, compresión.

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— Dosificación de aditivo acelerante de fragua.

— Medición del rebote. — Condiciones de lanzado: presión de aire y técnica de lanzado. — Control de calidad: slump, temperaturas, resistencias tempranas, absorción de energía y resistencia residual.

— Condiciones de muestreo.


Evaluación del shotcrete reforzado con fibras Especificaciones según EN 14487-1

Absorción de Energía

EN 14488-5 EFNARC 1996

Resistencia Residual

EN 14651 NCh 3624

Se pone énfasis en la energía que tiene que ser absorbida

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prEN 14488-3 (Método B) EFNARC 3 Puntos Se especifica cuando se utiliza un modelo de diseño estructural


Sistema Q (Barton) Relación con la absorción de energía Categorías de refuerzo: 1

Sin soporte

2

Pernos puntuales, sb

3

Pernos sistemáticos, B

4

Pernos sistemáticos (y shotcrete, 4-10 cm), B(+s)

5

Shotcrete reforzado con fibras, 5-9 cm, Sfr+B

6

Shotcrete reforzado con fibras, 9-12 cm, Sfr+B

7

Shotcrete reforzado con fibras, 12-15 cm, Sfr+B

8

Shotcrete reforzado con fibras >15 cm, arcos reforzados con shotcrete y pernos, Sfr+RRs+B

9

Revestimiento de concreto vertido, CCA

Clases de energía según EN 14487-1: 500 J, 700 J y 1,000 J

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Ensayos de Absorción de energía — Método de ensayo según EN 14488-5 (EFNARC). — Clases de energía según EN 14487-1: 500, 700 y 1 000 (Joules). — Simula el comportamiento del sistema shotcrete-perno bajo esfuerzo de corte y flexión. — Las condiciones hiperestáticas del ensayo permiten la redistribución de cargas. — Representa el trabajo necesario para

deformar el SRF. — Influyen variaciones en el proceso: — Dosificación de componentes en planta

Especificaciones según EN 14487-1 Se definen Fel-max y Fpost-crack como: Fel-max es el máximo valor de carga de la zona elástica en la curva carga-deflexión; Fpost-crack es el máximo valor de carga entre Fel-max y el valor de carga a 5 mm de deflexión.

— Características de los agregados

Cada curva carga-deflexión debe cumplir los siguientes criterios:

— Dosificación de aditivo acelerante

-

— Condiciones de lanzado

-

Fel-max debe ser alcanzada para una deflexión menor a 2 mm; Fpost-crack debe ser mayor que el 70 % de Fel-max.

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Ningún valor < 0.7 Fel-max


Requisitos de Absorción de Energía Análisis de la Curva Carga-Deflexión

Comportamiento Frágil → Rechazado

Comportamiento Dúctil → OK

La carga mínima después de la fisuración y hasta 5 mm de deflexión no debe ser menor al 70% de Fel-max.

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Requisitos de absorción de energía Análisis de curva Carga-Deflexión

Recomendaciones Asquapro: Clases de Absorción de Energía Resistencia del Concreto

25~30 (Mpa)

Absorción de Energía (hasta 25 mm)

35~45 (Mpa)

Resistencia del Concreto Shotcrete como superficie de protección para roca/suelo duro Shotcrete como superficie resistente para roca/suelo medio

Para roca dura (regular)

500 J

700 J

Para roca media (mala)

700 J

1,000 J

Para roca difícil (muy mala)

1000 J

1,300 J

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25~30 (MPa)

30~40 (MPa)

500 J

800 J

700 J

1,000 J


Correlación entre diversos métodos de ensayo

Doing More and Doing Better with FiberReinforced Shotcrete Antoine Gagnon and Marc Jolin Université Laval, Québec, Canada Concrete International, Feb. 2021 La correlación entre ambos métodos de ensayo es variable, puesto que influyen el tipo de fibra, dosis, resistencia del concreto, condiciones del proceso, entre otros.

Consideraciones generales - Diferentes ensayos evalúan diferentes comportamientos. - Se debe evaluar la representatividad del ensayo con el comportamiento de la estructura. - Ensayos de punzonamiento/compresión no pueden sustituir ensayos de resistencia residual o absorción de energía para calificación inicial o determinación de valores de diseño.

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Ensayos de resistencia residual según EN 14651 y NCh 3624 — EN 14487-1: Se especifica cuando se usa un diseño estructural. — ISO 13270/EN 14889-1/prNCh 3738: Efecto de las fibras en flexión.

®

TESTS ON Dramix 4D 80/60BG

Doc:

TR_BMUS_4D.docx

Date:

22/12/2014

Page:

7/31

— Model Code 2010/Rilem TC-162: Caracterización del CRF. — Pueden reducir variables de procesos de producción y lanzado (en laboratorio).

0.0

0.5

1.0

CMOD4

flexión, etc.).

fR4

fR1

CMOD3

calcular diferentes esfuerzos (corte,

fR3

CMOD2

— Los resultados pueden ser usados para

fR2

CMOD1

(clasificación según Model Code 2010).

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nominal stress [MPa]

— Son necesarios para caracterizar el CRF

1.5

2.0

2.5

3.0

CMOD [mm]

Model Code 2010: Clase 5e Figure 2.4. Results of the beam bending tests Propiedad de ©Bekaert. La reproducción o copia del presente documento no está permitida, salvo autorización expresa o por escrito de ©Bekaert.

Table 2.2 Results of the beam bending tests

3.5

4.0


Ensayos de Resistencia residual según prEN 14488-3, método B — Permite caracterizar el SRF según Model Code 2010. — Permite verificar el cumplimiento de requisitos según EN 14487-1. — Valores se pueden aplicar en modelos de diseño estructural. — Simplifica el método de ensayo que requiere el corte de vigas (prEN 144883, Método A) Requisitos según EN 14487-1 Clase de ductilidad

Requisito de ductilidad

Requisito para control de fisura

Clase 1

fRs3k / fRs1k > 0.5

fRs1k / fLsk > 0.4

Clase 2

fRs3k / fRs1k > 0.7

fRs1k / fLsk > 0.5

Clase 3

fRs3k / fRs1k > 0.9

fRs1k / fLsk > 0.6

Principales ventajas

Loading roller

Las dimensiones de las muestras y el método de lanzado aseguran la distribución de las fibras de la forma más cercana posible a la estructura real. El método de muestreo y los moldes son los mismos que los usados para el ensayo EN 14488-5.

L

El equipamiento para el método de ensayo es compatible con la mayoría de laboratorios. Elimina la necesidad de cortar los paneles en prismas (prEN 14488-3, método A). Menor dispersión en los resultados.

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Supporting roller L/2

L/2


Aplicación en minería subterránea -

Resistencia a compresión de diseño de shotcrete a 28 días: 28 MPa.

-

Dosis de fibra declaradas para obtener 700 J en ensayos de absorción de energía según EFNARC.

-

Optimización de la superficie de soporte reemplazando el shotcrete reforzado con malla soldada y fibras macro sintéticas por shotcrete reforzado con fibras de acero Dramix® en determinadas labores.

Resistencia Residual (MPa)

Resultados Promedio de Ensayos prEN 14488-3 (Método B) 3 Dramix 3D 65/35 - 20 kg/m3 2

Fibra Sintética - 4 kg/m3

1

0 0.5

1.5

2.5

CMOD (mm) Propiedad de ©Bekaert. La reproducción o copia del presente documento no está permitida, salvo autorización expresa o por escrito de ©Bekaert.

3.5


Optimización de espesor de shotcrete Momento flector según resistencia residual 6

Momento Flector (kN.m-m)

5 4 3 2 1 0 25

50

75

100

Espesor de shotcrete (mm) Dramix 4D - 35kg

Dramix 4D - 30kg

Dramix 3D - 30kg

Dramix 3D - 20kg

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Sostenibilidad en WestConnex, M4-M5 Link Tunnel -

Túnel vial de 7.5 km en Sídney, Australia, con soporte permanente de shotcrete reforzado con Dramix®

4D 65/35BG, secciones entre 23 y 34 m de ancho y vida útil >100 años. (fR1k=3.5 MPa y fR3k=3 MPa). -

Reducción de espesor del revestimiento en aprox. 20% (Proyecto del Año ASA 2021).

-

Ahorros de $11 M y 33,000 ton de CO2 equivalente. Reducción de Espesor y Optimización del Soporte Debido al avance en técnicas de diseño,

caracterización de los materiales, desarrollo de membranas lanzadas, fibras de acero de gran performance, es factible optimizar el soporte y reducir las 1

Shotcrete temporal

2

Geotextil y membrana

3

Concreto moldeado

1

Shotcrete permanente

2

Membrana lanzada (opcional)

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emisiones de CO2.


Comportamiento de Diferentes Sistemas de Soporte Para Roca Suave y/o Fracturada

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Evaluación del shotcrete reforzado con malla y fibras Estudio Técnico: Descripción General — Ensayos a escala real que simulan el comportamiento del shotcrete junto con pernos de anclaje bajo la presión del macizo rocoso. — Realizado en el laboratorio de estructuras de la PUCP (Perú). — Estructura rígida de acero con capacidad de carga de 500 kN. — Aplicación de carga por medio de un casquete esférico hasta un desplazamiento de 250 mm. — Especímenes sujetos al dispositivo de

ensayo por medio de 4 pernos de anclaje separados a 1.20x1.20 (m).

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Evaluación del shotcrete reforzado con malla y fibras Estudio Técnico: Análisis de las Configuraciones de Refuerzo

S-B

M-B-S

S-M-S-B

S-M-B

FRSi-B

FRSi-M-B

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Evaluación del shotcrete reforzado con malla y fibras Estudio Técnico: Análisis del Comportamiento Carga-Deflexión

Leyenda: S: Shotcrete sin refuerzo B: Perno helicoidal D=25 mm M: Malla electrosoldada BWG 8-4x4 FRSi: Shotcrete reforzado con fibras (i=1, 2 o 3)

1: Fibras de acero Dramix® 3D 65/35BG – 20 kg/m3 2: Fibras de acero Dramix® 4D 65/35BG – 20 kg/m3 3: Fibras macro sintéticas – 4 kg/m3

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Evaluación del shotcrete reforzado con malla y fibras Valores de Absorción de Energía para Diferentes Niveles de Deformación Cap. Absorción de Energía (Hasta 100 mm de deflexión)

Cap. Absorción de Energía (Hasta 250 mm de deflexión)

Sistema de Soporte

Joules

Sistema de Soporte

Joules

FRS2-M-B

4200

FRS2-M-B

8200

FRS2-B

3500

FRS1-M-B

6800

FRS1-M-B

3400

S-M-S-B

6000

S-M-S-B

3400

FRS3-M-B

5800

FRS1-B

3000

FRS2-B

5500

FRS3-M-B

2400

FRS1-B

5000

FRS3-B

2400

FRS3-B

4200

M-B-S

1400

S-M-B

3800

S-M-B

1200

M-B-S

2000

S-B

1200

S-B

-

Leyenda: S: Shotcrete sin refuerzo B: Perno helicoidal D=25 mm M: Malla electrosoldada BWG 8-4x4 FRSi: Shotcrete reforzado con fibras (i=1, 2 o 3)

1: Fibras de acero Dramix® 3D 65/35BG – 20 kg/m3 2: Fibras de acero Dramix® 4D 65/35BG – 20 kg/m3 3: Fibras macro sintéticas – 4 kg/m3

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Experiencia en Mina Orcopampa, Perú -

Reemplazo del shotcrete reforzado con malla soldada por shotcrete reforzado con fibras de acero

Dramix®. -

Ensayos de escala real y pruebas de campo complementarios a verificación y diseño geomecánico.

-

Reducción del costo de sostenimiento por simplificación del ciclo de minado, incremento de la productividad de equipos y reducción de emisiones de carbono.

-

Trabajo técnico seleccionado para participar en el Premio Nacional de Minería en el 36 Perumin.

Shotcrete con malla soldada Propiedad de ©Bekaert. La reproducción o copia del presente documento no está permitida, salvo autorización expresa o por escrito de ©Bekaert.

Shotcrete con fibras de acero


Conclusiones

1.

El concreto reforzado con fibras es un material compuesto cuyo desempeño depende de las propiedades del material de refuerzo, calidad de sus componentes y del proceso de producción. Sus especificaciones deben ser definidas según las condiciones del suelo o roca.

2.

Existe un amplio marco normativo para evaluar, diseñar y caracterizar el concreto reforzado con fibras de acero, donde la evaluación de su ductilidad en función de la resistencia residual es fundamental para asegurar una adecuada redistribución de cargas y control de fisuras.

3.

En el shotcrete reforzado con fibras, se debe considerar ensayos de resistencia residual además de los ensayos absorción de energía para asegurar una caracterización completa que permita asegurar el cumplimiento de requisitos técnicos mínimos según EN 14487-1.

4.

Los ensayos de viga según EN 14651 permiten determinar las propiedades del concreto reforzado con fibras de acero según Model Code 2010, mientras que los ensayos ´según prEN14488-3, método B, facilitan su determinación en el shotcrete.

5.

Los ensayos de escala real muestran que el shotcrete reforzado con fibras de acero tienen un comportamiento similar al shotcrete reforzado con malla cuando se coloca entre dos capas de shotcrete y luego es empernado, obteniendo gran capacidad de carga al inicio de las deformaciones.

6.

En túneles mineros donde se esperan grandes deformaciones del macizo rocoso, la combinación de fibras de acero de gran performance con

malla exterior al shotcrete y luego es empernada, puede ser una solución adecuada. 7.

Las fibras de acero constituyen una solución segura, eficiente y sostenible para las obras subterráneas, puesto que obtienen un comportamiento dúctil con gran capacidad de carga y resistencia post fisura, lo cual contribuye con el control de fisuras y durabilidad de la estructura.

Propiedad de ©Bekaert. La reproducción o copia del presente documento no está permitida, salvo autorización expresa o por escrito de ©Bekaert.


¡Muchas gracias!

Juan Manuel Alvarado Business Development & Technical Manager Latam

Juan.Alvarado@bekaert.com

Propiedad de ©Bekaert. La reproducción o copia del presente documento no está permitida, salvo autorización expresa o por escrito de ©Bekaert.


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