Comparación de alternativas de refuerzo para shotcrete: modelación numérica en base a elementos finitos

Abstract

El uso del shotcrete se ha incrementado principalmente en obras mineras donde cumple una función primordial en el refuerzo de túneles. El aumento de la tecnología exige que este material se mantenga competente frente a los requerimientos de resistencia y ductilidad, para esto, el ensayo ASTM C1550-12 resulta conveniente al evaluar la capacidad de este material para absorber energía de deformación al encontrarse sometido a flexión. El ensayo consiste en inducir una carga puntual al centro de un disco de shotcrete que se encuentra apoyado en tres puntos simétricamente distribuidos en la base de éste, midiendo la fuerza y el desplazamiento en el centro. Producto de esto, se mide el área bajo la curva del gráfico carga desplazamiento, que representa la energía capaz de absorber el shotcrete como representación de su rigidez a la flexión. Esta investigación pretende realizar un modelo numérico en base a elementos finitos que reproduzca el ensayo ASTM C1550-12. De esta manera, el uso de un modelo de elementos finitos puede ser una herramienta de diseño alternativa o complementaria a los resultados experimentales. El modelo permitirá comparar la respuesta del shotcrete con diferentes refuerzos, evaluando la energía de deformación, el peak de carga, la pérdida de carga post-peak y la pendiente post-peak. Se confecciona un modelo de shotcrete sin refuerzo para obtener el módulo de elasticidad del material, posteriormente utilizado en los modelos de shotcrete reforzado con mallas geosintéticas y metálica. De forma complementaria, se confeccionan modelos para estudiar el efecto de la variación del módulo de elasticidad del shotcrete a refuerzo fijo, la importancia del espesor del refuerzo y la respuesta del sistema al variar el tipo de contacto entre el refuerzo y el shotcrete. Esto se resume en un total de 12 modelos. El modelo permite representar el comportamiento del shotcrete reforzado, con la limitación de no incluir el daño del refuerzo en el material compuesto. Sin embargo, esto no altera el comportamiento lineal de los materiales, rescatando parámetros relevantes para el diseño de este material, tales como el módulo de elasticidad y el peak de carga.