Evaluación analítico-experimental del uso de fibras de polipropileno y acero como refuerzo en sostenimientos de hormigón proyectado para túneles interestación del Metro de Santiago

Abstract

Esta memoria evalúa analítica y experimentalmente el uso de fibras de acero y/o polipropileno como reemplazo del refuerzo tradicional de mallas electrosoldadas en sostenimientos de hormigón proyectado para los túneles interestación del Metro de Santiago. El trabajo se divide en dos partes, interconectadas pero muy diferentes en esencia. \medskip La primera es una parte experimental de carácter exploratorio, en donde se realizaron (i) 8 ensayos sobre probetas de sección escalada (1:2) a flexión simple (a/d$\sim$ 5) con cargas axiales de 2\%$f^{'}_{c}$ y 7\%$f^{'}_{c}$ y diferentes refuerzos (doble malla, doble malla + marco, malla + marco + fibras de acero o polipropileno); (ii) 4 ensayos sobre probetas de sección escalada (1:2) a flexión simple (a/d$\sim$ 1.5) con cargas axiales de 2\%$f^{'}_{c}$ y 7\%$f^{'}_{c}$ y diferentes fibras (malla + marco + fibras de acero o polipropileno); y (iii) ensayos de caracterización uniaxial de los hormigones proyectados con/sin fibras (tracción directa e indirecta, flexotracción, compresión) y los aceros AT56-50H y A630S (tracción). Se utilizó instrumentación tradicional (LVDTs, celdas de carga) y fotogrametría mediante la técnica de correlación de imágenes digitales (DIC). Los resultados mostraron muy poca ductilidad en los aceros AT56-50H, algo de ductilidad en los aceros A630S, alta sobrerresistencia en los hormigones (aumentos del 70\% sobre el $f^{'}_{c}$ especificado), un aporte muy importante del marco reticulado en flexión (refuerzo interno principal) y un aporte visible aunque modesto de las fibras y mallas electrosoldadas en el comportamiento mecánico de los hormigones en tracción y compresión. \medskip La segunda parte contempla la modelación bidimensional por elementos finitos del sistema túnel-suelo mediante la plataforma OpenSees. Se modela el suelo con elementos cuadrilaterales bicuadráticos de 9 nodos y con la ley constitutiva PMDY02 \cite{yang2000numerical}, se modela el revestimiento mediante elementos viga-columna con secciones de fibras,y se modela la interacción entre el revestimiento y el suelo mediante el enfoque de Winkler sin tracción en la dirección normal al contacto y mediante varias hipótesis de adherencia en la dirección tangencial. El modelo es sometido a las cargas estáticas provenientes de la excavación, modeladas considerando la secuencia constructiva del túnel mediante el Método $\alpha$, y posteriormente a un análisis sísmico mediante el método de ovalamiento de ondas de corte. Los resultados muestran que los factores de seguridad implícitos en el diseño son altos (la estructura permanece elástica) y que el revestimiento se puede optimizar. El autor debe hacer notar, sin embargo, que la tunelería aún es un arte, por lo que el análisis no es categórico y se recomienda investigar las demandas producto de otros efectos (e.g., ondas de Rayleigh). \medskip