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Pernos de Anclaje

Integrantes: Patricio Cordova Javier Droguett Docente: Jaime Smith Sección: 201 Asignatura: Fortificacion en Minas Fecha: 12/06/2019

Contenido Introducción .......................................................................................................................... 2 Definición: ............................................................................................................................. 3 Partes de un Perno de Anclaje. ......................................................................................... 3 . Tipos de Pernos de Anclaje ............................................................................................. 3 Perno Anclado Mecánicamente con Cabeza de Expansión: .................................................. 3 Pernos de anclaje cementado o lechados .............................................................................. 4 Pernos Anclados por Fricción ................................................................................................. 6 Pernos Split set ....................................................................................................................... 6 Pernos Swellex ........................................................................................................................ 7 Fortificación con cables de acero ........................................................................................... 8 . Formas de anclar los Pernos. .......................................................................................... 9 VENTAJAS ......................................................................................................................... 11 DESVENTAJAS ................................................................................................................. 11 Aplicación de pernos de anclaje ...................................................................................... 11 INTERPRETACIÓN ........................................................................................................... 13 CONCLUSIONES .............................................................................................................. 14

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Introducción Los pernos de anclajes constituyen en los actuales momentos un medio esencial para garantizar la estabilidad de estructuras muy diversas, lográndose utilizar los procedimientos y posibilidades que la tecnología actual del soporte mediante anclajes pone a nuestra disposición para aplicar la técnica moderna del sostenimiento. Los pernos de anclajes pueden usarse en forma muy ventajosa en cualquier situación en que se necesite ayuda de la masa de suelo para soportar un determinado estado de tensiones o esfuerzos. Casos comunes se producen en los muros de tierra en donde es necesario garantizar la estabilidad de la masa de suelo, y por ende el de la obra. Como elemento que contrarresta las sub-presiones producidas por el agua, en el sostenimiento de techos y hastiales en obras subterráneas de vialidad, de centrales hidroeléctricas y mineras, e igualmente como soporte artificial en taludes constituidos por masa de suelos y / o rocas. En el caso de muros anclados, es muy común observar este tipo de obra a lo largo y ancho de importantes tramos carreteros, en donde parte de la calzada ha colapsado al producirse una disminución en la resistencia al corte de la masa de suelo. Estos problemas han sido resueltos satisfactoriamente a través de las pantallas o muros atirantados. En estas condiciones, la resistencia tangencial de la masa de suelo o roca circundante al miembro estructural empotrado actúa para resistir dicha carga de tracción. En lo referente a obras subterráneas tales como galerías y túneles el problema fundamental que se plantea es el de asegurar el sostenimiento mediante anclajes durante y posterior al período de excavación, definiendo y construyendo un soporte y revestimiento capaz de asegurar la estabilidad definitiva de la obra En este sentido, no se deben correr riesgos innecesarios que puedan causar pérdidas materiales y hasta humanas. Por otra parte, al diseñar un sistema de anclajes es fundamental no sólo llevar a cabo todas las comprobaciones de estabilidad, sino a la vez un análisis detallado del tipo de anclaje que mejor se adapte al terreno, conjuntamente con una adecuada disposición, la cual permita una mejor ejecución y funcionamiento del esfuerzo metálico

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Definición: Los anclajes son armaduras metálicas, alojadas en taladros perforados desde el talud y cementadas. Se emplean como medida estabilizadora de taludes en roca como en terreno suelto, así mismo son elementos que trabajan a tracción y que colaboran a la estabilidad del talud de dos formas:  

Proporcionan una fuerza contraria al movimiento de la masa deslizante. Producen un incremento de las tensiones normales en la existente o potencial superficie de rotura, lo que provoca un aumento de la resistencia al deslizamiento en dicha superficie.

Partes de un Perno de Anclaje. En un anclaje se distinguen tres partes fundamentales: a) Zona de anclaje.- Es la parte solidaria al terreno en profundidad encargada de transferir los esfuerzos al mismo. b) Zona libre.- Es la parte en que la armadura se encuentra independizada del terreno que la rodea, de forma que puede deformarse con total libertad al ponerse en tensión. c) Cabeza.- Es la zona de unión de la armadura a la placa de apoyo. La longitud de los anclajes suele oscilar entre 10 y 100 m y el diámetro de perforación entre 75 y 125 mm.

. Tipos de Pernos de Anclaje Actualmente en mercado existen varios tipos de pernos de anclajes como los que veremos a continuación.

Perno Anclado Mecánicamente con Cabeza de Expansión: El perno de anclaje con cabeza de expansión es el más común de este tipo de anclaje mecánico. Al introducir el perno en la cuña de la cabeza de expansión, ésta se expande y queda sujeta en las paredes de la roca dentro de la perforación. Este sistema es usado tanto en las labores mineras como en las de ingeniería civil. Con muy pocas excepciones, estos pernos de anclaje se usan en rocas medianamente duras o duras. No es recomendable usar en rocas muy duras, pues la cabeza de expansión puede que no penetre adecuadamente en las paredes de 3

la perforación y con el tiempo resbalar. En lugares donde la labor permanecerá por muchos años se puede rellenar con cemento. Los pernos de anclaje constan de las siguientes partes: - Perno de anclaje. - Planchuela de 4 x 4 pulgadas y ¼ “de grosor. - Cabeza expansible. - Tuerca. Ventajas -

Relativamente de bajo costo Trabaja de manera inmediata Al girar el perno, se aplica presión lateral en la cabeza del perno y de esta manera se acumula tensión en el mismo Con un relleno posterior de cemento el perno puede servir como fortificación permanente. En rocas duras el perno puede soportar cargas altas Es un sistema versátil para fortificación en rocas duras

Desventajas -

Su uso está limitado a rocas moderadamente duras a duras. Difícil de instalar. • Debe ser monitoreado después de su instalación. Pierde capacidad debido a tronaduras cercanas o cuando la roca se fractura alrededor de la zona de expansión.

Pernos de anclaje cementado o lechados Los pernos de anclaje por adherencia, con resina o lechada de cemento han sido usados en los últimos 40 o 50 años en minas y construcciones civiles. El tipo más comúnmente usado es el perno, barra de hierro o acero tratado. Se utiliza lechada de cemento o resina como adherente. Debe asegurarse la adherencia necesaria para solidarizar la barra al terreno. La resina resulta conveniente para ser usada en pernos sometidos a altas tensiones desde momentos tempranos y se prestan para pretensado, lo cual no descarta su uso en pernos sin tensión previa. En cualquiera de sus variedades, es recomendable para soporte temporal o permanente bajo variadas condiciones de rocas. Hace pocos años atrás se anticipó que la resina podría, en general, reemplazar el uso del cemento como agente adherente, sin embargo, por una serie de razones, principalmente el costo, esto no ha ocurrido Para la instalación de estos pernos el diámetro de la perforación debe ser un poco mayor que el propio perno para dejar espacio para la

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resina o lechada de cemento por ejemplo si el perno es de 20mm como máximo el diámetro de la perforación debe ser 32 mm Los componentes de tipo de perno son: - Perno de anclaje - Planchuela - Tuerca Al aplicar lechada de cemento para fijar el perno se debe dejar fraguar este elemento para esto se requiere de varios días de curado antes que el perno trabaje a carga completa, pero apropiadamente instalados son competentes y durables, con alta resistencia en condiciones de roca dura. Tienen larga vida útil y constituyen el sistema más versátil de pernos de roca.Para apurar este proceso y mejorar las propiedades es que a la lechada de cemento se le pueden adicionar Aceleradores de fraguado, Antifloculantes y Reducidores de tensión superficial. Al aplicar alguna resina esta es similar a la Poxilina resina que usamos para reparar cosas en nuestras casas y que la compramos en la ferretería o supermercados y que para funcionar se deben mesclar los dos colores de la masa que vienen en el envase. En minería subterránea es muy similar ya que introducimos la resina en la perforación y al girar y avanzar el perno de anclaje se mezclan los dos componentes de la resina lo que permite que esta actué y que en un tiempo de fraguado de 5 minutos esta esté lista, se recomienda el uso de resina en lugares con presencia de agua donde no se puede aplicar pernos con cemento Ventajas -

La lechada y la resina protegen al perno de acciones corrosivas. Puede tensarse formándose una viga resistente alrededor de la Excavación. En el caso de la resina rápida acción después de haber sido instalado Puede ser usado en fortificaciones permanentes. Si una resina de rápido fraguado se usa como adherente, el perno puede ser permanentemente presionado.

Desventajas -

Dificultad con los cartuchos de resina en ambientes subterráneos que pueden afectar su uso. En determinados casos su manipulación representa un riesgo. En el caso del cemento actúa recién cuando el cemento ha fraguado. Baja resistencia al cizalle. La lechada de cemento no va a funcionar con presencia de agua. 5

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Debe existir un estricto control para que la lechada de cemento funcione.

Pernos Anclados por Fricción Existen dos tipos de pernos anclados por fricción Split set y Swellex ambos sistemas, la resistencia a la fricción para el deslizamiento entre la roca y el acero, sumado a la acción mecánica de bloqueo es generada por la fuerza axial entre la superficie del barreno y el perno. En instalaciones transitorias la presencia de humedad no es inconveniente, pero debe descartarse para uso permanente bajo estas condiciones. Aunque los dos sistemas están descritos bajo un mismo denominador, estrictamente hablando solo el Split set es realmente de fricción. En caso del Swellex, combina la fuerza de fricción sumada al mecanismo de expansión del perno al interior del barreno que habitualmente tiene paredes irregulares. Esta situación genera una acción de bloqueado que permite obtener alta resistencia a la tracción. Ambos pernos son habitualmente usados en minería, y su uso en ingeniería civil es limitado, pero el Swellex está ganando campo en trabajos de túneles.

Pernos Split set El split set, consiste de un tubo ranurado a lo largo de su longitud, uno de los extremos tiene cierta punta y el otro lleva un anillo soldado para mantener la planchuela. Al ser introducido el perno a presión dentro de una perforación de menor diámetro, se genera una presión radial a lo largo de toda su longitud contra las paredes del taladro, cerrando parcialmente la ranura durante este proceso. La fricción en el contacto con la superficie d la perforación y la superficie externa del tubo ranurado constituye el anclaje, el cual se opondrá al movimiento o separación de la roca circundante al perno, logrado asi el objetivo de fortificar la zona de la labor minera. El diámetro de los tubos ranurados varía de 35 a 46 mm, con longitudes de 1 a cerca de 4 metros. Pueden alcanzar valores de anclaje de 1 a 1.5 toneladas por cada 30 centímetros de longitud del perno, dependiendo principalmente del diámetro de la perforación efectuada, longitud de la zona del anclaje y tipo de roca. Los Split sets son utilizados mayormente para reforzamiento temporal, usualmente conformando sistemas combinados de refuerzo en terrenos de calidad regular a mala. En roca intensamente fracturada y débil no es recomendable su uso. Su instalación es simple, sólo se requiere una máquina jackleg o un jumbo. Proporciona acción de refuerzo inmediato después de su instalación y permite una fácil instalación de la malla. El diámetro de la perforación es crucial para su eficacia, el diámetro recomendado para los split sets de 39 mm es de 35 a 38 mm, con diámetros más grandes se corre el riesgo de un anclaje deficiente y con diámetros más pequeños es muy difícil introducirlos. 6

Son susceptibles a la corrosión en presencia de agua, a menos que sean galvanizados. En mayores longitudes de split sets, puede ser dificultosa la correcta instalación. Los split sets son relativamente costosos. Estos pernos están compuestos por las siguientes partes: - Perno de anclaje Split sets - Planchuela

Ventajas -

Fortificación activa inmediatamente al ser instalados. No afectados por tronaduras y sismos. Combinables con otros tipos de fortificación. Efectivos para control de fallas y cuñas.

Desventajas -

Se corroen con la acción del agua. El control de diámetro de perforación en crucial. De baja resistencia al corte. Más caro que los demás.

Pernos Swellex También es un perno de anclaje por fricción, pero en este caso la resistencia friccional al deslizamiento se combina con el ajuste, es decir, el mecanismo de anclaje es por fricción y por ajuste mecánico, el cual funciona como un anclaje repartido. El perno Swellex está formado por un tubo de diámetro original de 41 mm y puede tener de 0.6 a 12 m de longitud o más (en piezas conectables), el cual es plegado durante su fabricación para crear una unidad de 25 a 28 mm de diámetro. Éste es insertado en un taladro de 32 a 39 mm de diámetro. No se requiere ninguna fuerza de empuje durante su inserción. La varilla es activada por inyección de agua a alta presión (aproximadamente 30 MPa ó 300 bar) al interior del tubo plegado, el cual infla al mismo y lo pone en contacto con las paredes del taladro, adaptándose a las irregularidades de la superficie del taladro, así se consigue el anclaje. Una vez expandido el tubo, se genera una tensión de contacto entre el tubo y la pared del taladro, produciendo dos tipos de fuerzas: una presión o fuerza radial perpendicular a su eje y una fuerza de rozamiento estático, en toda su longitud, cuya magnitud depende de la estructura de la roca y de la dimensión del taladro.Constituyen un sistema alternativo a los Split sets, pero de mejor rendimiento en terreno de menor calidad, 7

para el refuerzo temporal. Debido a la existencia de distintos tipos de Swellex, cubren un amplio rango de aplicación desde rocas duras a suaves y en terrenos muy fracturados. Tienen buena respuesta a los efectos cortantes de la roca. En roca dura, 0.5 m de longitud del perno, proporciona una resistencia a la tracción igual a su carga de rotura. Dada su gran flexibilidad, éstos pueden instalarse en longitudes de hasta 3 veces la altura de la labor. Es de instalación sencilla y rápida, el efecto de refuerzo es inmediato, El principal problema es la corrosión, aunque las nuevas versiones vienen cubiertas con una capa elástica protectora o son de acero inoxidable. Son más costosos que los Split sets. Principalmente estos pernos están compuestos por los siguientes elementos: - Perno de anclaje Swellex. - Planchuela . Ventajas -

Instalación rápida y simple. Fortificación activa inmediatamente al ser instalados. No afectados por tronaduras y sismos. Combinables con otros tipos de fortificación. (mallas shotcrete). Efectivos para control de fallas y cuñas.

Desventajas -

Se necesita de una bomba para instalar los pernos. Se maneja agua a alta presión. Alto costo.

Fortificación con cables de acero Este elemento es considerado como cierto tipo de perno de anclaje. Un cable de acero es un conjunto de alambres de acero, retorcidos helicoidalmente, que constituyen una cuerda de metal apta para resistir esfuerzos de tracción con apropiadas cualidades de flexibilidad. El cable de acero está formado por tres componentes básicos. Aunque pocos en número, estos varían tanto en complejidad como en configuración de modo de producir cables con propósitos y características bienes específicas. Los tres componentes básicos del diseño de un cable de acero normal son: · los alambres que forman el cordón. · los cordones. · el alma. Su principal campo de aplicación es en el control de bloques inestables, tales como: excavaciones de gran tamaño, puntos de extracción, piques de traspaso, intersecciones de galerías. Una vez instalados y anclados pueden tensarse por

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medio de herramientas especiales lo que permite que os cables se expandan con lo cual se obtiene mayor estabilidad de la roca al lograr un reforzamiento adicional. Posteriormente se cementan en toda su longitud (o no) consiguiéndose un mayor confinamiento y protección a la corrosión. La función principal del cemento o resina es la de transferir la carga de la roca al cable, además de cumplir con la función de anclaje cable- macizo. Este elemento está compuesto principalmente por: - Cable de acero. - Elemento para permitir torsión. - Planchuela. Ventajas -

Instalación rápida y simple. Correctamente instalado, es un durable sistema de refuerzo. Puede ser instalado de cualquier largo en áreas estrechas. Entrega una alta capacidad de carga en cualquier tipo de roca. Alta capacidad a la corrosión.

Desventajas -

Una pretensión del cable sólo puede ser posible con una instalación y herramientas especiales. El uso de cemento estándar requiere de varios días de fraguado, antes que el cable pueda tomar carga.

. Formas de anclar los Pernos. Existen dos formas de anclar el perno a la roca: mediante un anclaje puntual o con un anclaje repartido.

Los pernos de anclaje puntual tienen un dispositivo para empotrar el sistema de Anclaje en el fondo del barreno. Son muy deformables, ya que el acero que Constituye las barras admite alargamientos repartidos de hasta el 10 %; por este motivo se recomienda su uso en terrenos muy deformables. A continuación se describen los principales aspectos de los pernos. A) Pernos de Cuña.- los pernos de cuña se utilizan muy poco en la actualidad. En un extremo del perno hay una hendidura en la que se introduce una cuña, y en el otro extremo un roscado y una tuerca. Para colocar estos pernos, primeramente se golpea la barra hasta que la hendidura del perno se abre y se clava en la roca.

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A continuación, se coloca la placa base y se aprieta la tuerca, proporcionando así una cierta tensión inicial de anclaje.

B) Pernos de Expansión.- Este tipo de pernos se anclan debido a la apertura que se produce en dos valvas metálicas ranuradas al apretar el perno, cuyo extremo roscado hace descender un topo en cuña. La eficacia de un perno de anclaje puntual depende de la presión de apriete al colocarlo; se suelen apretar con una llave de atornillamiento eléctrico, hidráulico o neumático. C) Pernos de Anclaje Repartido.- El anclaje de este tipo de pernos a la roca, se efectúa en toda la longitud del barreno, bien con cemento o resina. En estos últimos la resina y el endurecedor se colocan en unas cápsulas en el fondo del barreno; al introducir la varilla metálica y girarla, se perforan estas capsulas y se mezclan bien sus constituyentes. Las varillas pueden ser de diversos tipos: lisas, con filete helicoidal a lo largo de toda la varilla o lisa con filete de tornillo en el extremo que penetra en el barreno y con cabeza fija o tuerca en el otro extremo. D) Pernos de Anclaje Mecánico.- Perno “Split-Set”. Este perno está constituido por un tubo flexible, construido con chapa de 2,3 mm de espesor, con una ranura longitudinal. El perno, que es de mayor diámetro que el barreno, al introducirse en el sondeo se adapta a éste totalmente, disminuyendo su diámetro, debido al cierre de la ranura longitudinal.

. Usos de los Anclajes 

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Casos más comunes son los muros de tierra en donde es necesario garantizar la estabilidad de la masa de suelo, y por ende en la obra. En este sentido, cabe destacar que en las construcciones civiles o mineras se viene utilizando cada vez con mayor frecuencia y éxito los anclajes inyectados para sostener muros y absorber momentos volcadores. Como elemento que contrarresta las sub-presiones producidas por elagua, en el sostenimiento de techos u hastiales de obras en obras subterráneas de vialidad, de centrales hidroeléctricas y mineras, e igualmente en taludes construidos con masas de suelo y rocas. Las obras subterráneas tales como galerías y túneles de vialidad el problema fundamental que se plantea es de asegurar el sostenimiento mediante anclajes durante y posterior al periodo de excavación, definiendo y construyendo un soporte y revestimiento capaz de asegurar la estabilidad definitiva de la obra. Uno de los grandes problemas que afronta la industria de la construcción, en las grandes excavaciones necesarias para edificios altos, es la implementación tradicional de grandes muros de contención, cuyo costo 10

puede volverse prohibitivo, y cuyas dimensiones pueden afectar a la arquitectura de los proyectos.

VENTAJAS      

Relativamente de bajo costo Trabaja de manera inmediata Al girar el perno, se aplica presión lateral en la cabeza del perno y de esta manera se acumula tensión en el mismo Con un relleno posterior de cemento el perno puede servir como fortificación permanente En rocas duras el perno puede soportar cargas altas Es un sistema versátil para fortificación en rocas duras 7

DESVENTAJAS    

Su uso está limitado a rocas moderadamente duras Difícil de instalar. Debe ser monitoreado después de su instalación. Pierde capacidad debido a tronaduras cercanas o cuando la roca se fractura alrededor de la zona de expansión.

Aplicación de pernos de anclaje Como vimos recientemente los pernos se ocupan para evitar la caída de rocas o planchones, pero como en qué forma se presentan principalmente estos elementos que pueden caer en cualquier momento.

Cuña: como su nombre lo dice son cuñas que se forman, por lo general en la corona de nuestro túnel o galería En rocas masivas o levemente fracturadas como en la figura se debe colocar los pernos siguiendo el diagrama presentado –

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Viga: se presentan en la parte de la corona de la labor se recomienda que en rocas estratificadas sub-horizontal y en rocas no estratificadas con un sistema de fracturas dominantes sub-horizontales,los pernos deben ser colocados como se presentan en el diagrama siguiente:

Efecto arco: En roca fracturada e intensamente fracturada y/o débil, los pernos confieren nuevas propiedades a la roca que rodea la excavación. Instalados en forma radial, los pernos en conjunto forman un arco rocoso que trabaja a compresión denominado “efecto arco”, el mismo que da estabilidad a la excavación.

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INTERPRETACIÓN En toda actividad sea está de construcción civil o minera, el sostenimiento de las labores es un trabajo adicional de alto costo que muchas de las veces reduce la velocidad de avance y / o producción pero que a la vez es un proceso esencial para proteger de accidentes tanto al personal como a los equipos que intervienen en estas construcciones. Desde este punto de vista conocemos varios métodos de refuerzo de la roca, pero de todos el de pernos de anclaje es el más efectivo, rápido de instalar y de bajo costo. En este sistema se conocen diversos tipos de pernos que han sido desarrollados a lo largo de muchos años tanto por las investigaciones de ciertos grupos como por las industrias fabricantes para su aplicación en la estabilización de excavaciones subterráneas y superficiales. Es por esto que en la actualidad se está implementando el uso de los pernos de anclaje como una de las medidas de mitigación para estabilizar las rocas y suelos que con el empleo de otras obras complementarias dan mayor seguridad a la inestabilidad que existe en algunos terrenos, puesto que estos resisten en muchos casos mayor peso y sobrecarga que por ejemplo un muro de contención.

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CONCLUSIONES Los pernos necesarios para soportar los taludes finales de una excavación a corte abierto se deberán instalar tan pronto como sea posible, después de remover cada etapa de excavación y antes de hacer las voladuras correspondientes a la etapa de excavación siguiente. Las longitudes básicas de anclaje dependen, entre otros factores, de las propiedades de adherencia de las barras y de la posición que ocupan en la pieza de hormigón. Los anclajes transmiten al soporte las solicitaciones a que son sometidos, trabajando fundamentalmente a tracción, a esfuerzo cortante o una combinación de ambos. Fundamental con el anclaje del terreno se consigue un sostenimiento efectivo mediante la instalación de barras de acero y su posterior inyectado, todo en un reducido espacio de talud o excavación.

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