El enfoque general para el diseño de estructuras de hormigón proyectado se asemeja al utilizado para estructuras de hormigón convencional y toma en consideración aspectos de estabilidad, resistencia, desempeño en condiciones de servicio, durabilidad, resistencia al fuego, impermeabilidad y otros requisitos de diseño.
2.1 Consideraciones de diseño para estructuras de hormigón proyectado
2.1.1 Diseño por condiciones de estabilidad
El diseño de estructuras de hormigón proyectado por condiciones de estabilidad debe considerar todos los posibles movimientos de la estructura como un cuerpo rígido, incluyendo volcamiento, levantamiento, pandeo y deslizamiento. El volcamiento es relevante para estructuras auto soportantes (por ejemplo, silos en altura). El levantamiento o flotación es relevante para estructuras enterradas sujetas a presión hidrostática externa (como piscinas vacías). El deslizamiento es importante principalmente para estructuras sometidas a cargas horizontales. Algunas estructuras pueden estar sometidas a una combinación de estas situaciones, como los muros de contención.
2.1.2 Diseño por condiciones de resistencia
El uso previsto del hormigón proyectado determinará los requisitos de desempeño que este material debe alcanzar, desde un rol estructural hasta aplicaciones no resistentes como capas de sellado superficial o acabados arquitectónicos. Esta sección cubre el diseño por condiciones de resistencia de hormigón proyectado con responsabilidad estructural.
Las interacciones del hormigón proyectado con las cargas y los materiales que soporta pueden ser complejas y, en muchos casos, no es posible modelarlas o analizarlas completamente. Por ello, se han desarrollado métodos analíticos simplificados o enfoques empíricos para el diseño bajo consideraciones de resistencia. El objetivo común es lograr una resistencia frente a las cargas que supere las solicitaciones impuestas con un margen de seguridad adecuado.
Los dos enfoques principales son el analítico (determinista o probabilístico) y el empírico (basado en experiencias previas relevantes). En aplicaciones con fuerte interacción entre el hormigón proyectado y el terreno, es recomendable monitorear el desempeño del sistema estructural hasta confirmar un comportamiento satisfactorio.
Cuando se requiere adherencia al sustrato, la pérdida potencial de adherencia se puede reducir con una adecuada preparación del sustrato y limitando la retracción y fluencia lenta del hormigón. No se recomienda depender de la adherencia para asegurar la capacidad estructural a largo plazo; se puede generar una conexión a largo plazo mediante sistemas de anclaje.
Es esencial la participación de un ingeniero competente y calificado en el diseño estructural de hormigón proyectado con rol estructural. Para obras civiles, se pueden utilizar los principios generales de diseño por resistencia o estado límite último (por ejemplo, ACI 318). Cuando se usan fibras como refuerzo, se recomienda un análisis que incorpore las resistencias residuales post agrietamiento.
Si se deben considerar deformaciones importantes, la tenacidad del FRS debe considerarse para anchos de fisura grandes (mayores a 2 mm). Los datos de comportamiento se obtienen a partir de ensayos en paneles y vigas.
2.1.3 Diseño por condiciones de servicio
El funcionamiento en condiciones de servicio describe la capacidad de una estructura para seguir siendo adecuada durante toda su vida útil. Además de la resistencia a las cargas, el diseño puede requerir límites en deflexiones y anchos de grietas, estanqueidad, deformación por fluencia, apariencia, acabado superficial y resistencia a la abrasión.
Los límites para deflexiones y anchos de grieta en el diseño por condiciones de servicio suelen ser más estrictos que en los métodos de resistencia. Por ejemplo, los anchos de fisura aceptables suelen ser menores a 0,3 mm en ambientes no agresivos.
2.1.4 Diseño por resistencia al fuego
Algunas aplicaciones pueden requerir cumplir requisitos de resistencia al fuego establecidos en el Código de Construcción o por el mandante, generalmente como limitaciones a la pérdida de resistencia, capacidad de funcionamiento u operación, o transmisión de calor y humo.
2.1.5 Diseño por condiciones de durabilidad
La durabilidad es la capacidad de una estructura para resistir condiciones ambientales durante su vida útil sin mantenimiento excesivo. Esto incluye ataque químico y corrosión de la armadura. Los requisitos de durabilidad se satisfacen controlando el diseño de la mezcla (relación a/c, cantidad de cemento, permeabilidad) y limitando el ancho de fisuras en servicio.
2.1.6 Diseño por otros requerimientos
Algunas aplicaciones pueden requerir considerar criterios adicionales, como requisitos operacionales y medioambientales (construcción en lugares remotos, restricciones horarias, condiciones climáticas extremas).
2.1.7 Consideraciones adicionales para la matriz de hormigón proyectado
Otros criterios de diseño menos usados pueden ser importantes, como densidad, módulo de elasticidad, resistencia a la abrasión y al fuego. Todas las propiedades de la matriz son interdependientes y ciertos requisitos pueden ser incompatibles (por ejemplo, baja densidad con alta resistencia).
2.2 Consideraciones de diseño para el refuerzo
2.2.1 Generalidades
Existen tres enfoques para el refuerzo en hormigón proyectado estructural:
- Sin refuerzo.
- Refuerzo convencional con malla, barras o marcos.
- Refuerzo con fibra.
2.2.2 Hormigón proyectado sin refuerzo
En aplicaciones con solicitaciones exclusivamente de compresión o sin cargas significativas, puede ser apropiado evitar el uso de refuerzo. Estos sistemas tendrán muy baja resistencia a la tracción y ductilidad, por lo que se debe evitar el desarrollo de solicitaciones por tracción.
2.2.3 Refuerzo convencional
El refuerzo convencional comprende elementos continuos tales como barras de acero, mallas de barras, mallas de alambre electrosoldado, cables de postensado y otros materiales tales como barras o mallas de compuestos plásticos reforzados con fibra Si se logra un efectivo encapsulamiento de las barras, mallas u otros elementos, logrando que el hormigón proyectado embeba a la armadura con un hormigón de
calidad adecuada, los elementos de hormigón proyectado convencionalmente reforzados pueden ser diseñados de acuerdo con las normas de diseño en hormigón armado conocidas, como ACI 318 o NCh 430.
Para garantizar y lograr el efectivo encapsulado, se requiere de un detallado y una fijación del refuerzo, marcos reticulados, mallas, etc, que sea apropiado considerando las condiciones de aplicación del hormigón (hormigón aplicado con presión y a alta velocidad contra el refuerzo) y además una correcta técnica de aplicación del hormigón. Se recomienda disponer siempre en el proyecto de operadores y/o pitoneros certificados bajo los estándares recomendados por ACI 506 para shotcrete manual y EFNARC para operadores con equipos robotizados.
Se recomienda que la separación mínima de las barras sea de 100 mm y que los empalmes estén scalonados para que la armadura pueda ser envuelta y encapsulada de forma
efectiva durante la proyección.
El ACI 506R recomineda que las barras traslapadas estén separadas por una distancia de al menos tres diámetros de la barra de mayor diámetro. En Australia la convención es que la distancia mínima entre los pares de barras traslapadas es tres veces el tamaño máximo del árido. La incorporación de más de una capa de refuerzo por aplicación de hormigón proyectado fresco puede hacer que sea difícil de lograr
el encapsulamiento efectivo sin una debida preparación, aplicación y diseño del hormigón proyectado, figura 2.2., figura 2.3 y figura 2.4
examinación de ACI 506.
Los pernos de anclaje a menudo introducen una carga puntual elevada sobre un revestimiento de hormigón proyectado, la que necesita ser anclada al revestimiento utilizando el refuerzo como parte del conjunto. Estas fuerzas pueden ser distribuidas en el revestimiento más eficazmente si se coloca una placa de dimensiones adecuadas al perno de anclaje o se usa una serie de barras de refuerzo inclinadas (a veces llamadas “spider” en el extranjero) en el extremo del perno. Esta “spider” siempre debe quedar encapsulada dentro del revestimiento de hormigón proyectado reforzado con fibras. La placa debe ser externa a la capa estructural de hormigón proyectado para que sea eficaz y puede ser cubierta posteriormente con hormigón proyectado no estructural.
2.2.4 Fibra de refuerzo
La fibra de refuerzo comprende elementos discretos cortos, distribuidos uniformemente a través de la masa del hormigón proyectado. Las fibras individuales se fabrican típicamente de acero o de polímeros, aunque en aplicaciones especializadas se han utilizado fibras de vidrio resistente a los álcalis o celulosa. Las fibras pueden ser introducidas al hormigón proyectado por razones distintas al refuerzo estructural, tales como el control del rebote y de la fisuración por retracción plástica y para mejorar la resistencia al fuego.
Cabe mencionar que uno de los argumentos de los diseñadores que se han resistido al uso de la fibra pasa por la dispersión uniforme de las fibras en la masa de hormigón. Sin embargo, estudios recientes han mostrado que un buen diseño de mezcla y un adecuado carguío de este producto permite una homogénea dispersión en la masa.
Otro aspecto relevante en las aplicaciones en obras civiles, es la combinación entre la dosis de fibra y el espesor del shotcrete como aplicación para alcanzar la absorción de energía requerida, tema que se aborda en profundidad en el capítulo de ensayos.
El rol estructural de la fibra de refuerzo en el hormigón proyectado es proporcionar tenacidad (capacidad de carga después del agrietamiento) y no una mayor resistencia a la tracción o a la flexión del hormigón no fisurado. La tenacidad describe la capacidad del hormigón proyectado reforzado con fibras para mantener y potencialmente redistribuir las cargas después de la fisuración. En un diseño determinista, el sistema estructural con hormigón proyectado se diseña de manera idealizada para no agrietarse. Sin embargo, debido a la complejidad y la incertidumbre inherente a algunos sistemas estructurales, especialmente cuando está implicado el soporte del suelo, sigue existiendo la posibilidad de una subestimación de las solicitaciones, por lo que la capacidad de carga después de la fisuración es crucial para mantener la seguridad y capacidad de servicio global del sistema.
La tenacidad se cuantifica en términos de la capacidad de carga o de la absorción de energía post agrietamiento, la que se evalúa a través de vigas o paneles de prueba. Las mediciones de la capacidad de carga posterior a la fisuración en una viga o panel de prueba se utiliza para cuantificar la capacidad del hormigón con fibra agrietado para soportar las solicitaciones de carga.
Existen varias herramientas de diseño geotécnico que sirven como orientación sobre el valor de tenacidad que se debe especificar para aplicaciones en minería u obras civiles subterráneas, tal como se indica en las próximas secciones.
La placa debe ser externa a la capa estructural de hormigón proyectado para que sea eficaz y puede ser cubierta posteriormente con hormigón proyectado no estructural.
2.3 Consideraciones de diseño para aplicaciones en obras civiles subterráneas
2.3.1 Cargas aplicadas
El diseño debe definir las cargas que actuarán, usando métodos como el de Terzaghi para análisis de cuña o programas de elementos finitos. En suelo fracturado, se modelan formas y masas idealizadas de suelo inestable como carga distribuida.
2.3.2 Diseño por condiciones de estabilidad
La estabilidad estructural de túneles civiles no suele ser determinante, pero si los elementos están sujetos a inestabilidad (volcamiento, levantamiento, deslizamiento), deben ser diseñados considerando estos factores. La estabilidad de la perforación excavada es la principal preocupación.
2.3.3 Diseño por condiciones de resistencia
La estructura y sus componentes deben tener resistencia adecuada, usando códigos de diseño para hormigón convencional armado y guías para hormigón no armado o reforzado con fibras. Existen documentos y guías internacionales para diferentes condiciones de terreno.
Las mediciones de resistencia deben realizarse según se describe en el capítulo de ensayos (compresión, flexión, absorción de energía, resistencia residual). No se debe depender de la adherencia entre shotcrete y sustrato para soporte estructural a largo plazo.
2.3.4 Diseño considerando parámetros geotécnicos
Un consultor geotécnico debe evaluar la influencia de tensiones, estructura, discontinuidades y posibles desplazamientos. El perfil y tamaño de la excavación pueden afectar la especificación de resistencia y espesor del hormigón proyectado.
Ejemplos de herramientas de diseño geotécnico:
- Sistema Q (Grimstad & Barton)
- Sistema RMR (Bieniawski)
- Nuevo Sistema Austríaco para la Construcción de Túneles (NATM)
- Método de la curva característica del suelo (Brady and Brown)
- Modelación numérica
El sistema Q clasifica el macizo rocoso con seis parámetros: RQD, Jn, Jr, Ja, Jw, SRF. Es sensible a variaciones menores y menos subjetivo, pero difícil de aplicar para usuarios sin experiencia.
El diseño del soporte en minería difiere del de túneles civiles por la variabilidad de condiciones. Se recomienda que un consultor geotécnico evalúe tensiones, estructura y desplazamientos anticipados.
La preparación del sustrato es clave para el desempeño del hormigón proyectado (limpieza, flujo de agua, material de relleno de discontinuidades).
2.3.5 Diseño por condiciones de servicio
Las estructuras subterráneas deben diseñarse para controlar deflexiones, agrietamiento y vibraciones. También se debe considerar el control de asentamientos y requisitos de acabado superficial o impermeabilización.
2.3.6 Diseño por condiciones de durabilidad
La estructura debe diseñarse para la durabilidad requerida por el proyecto, considerando vida útil, exposición ambiental, química de aguas, condiciones de hielo/deshielo, suelo contaminado, etc. Se recomienda consultar a expertos en durabilidad y corrosión del refuerzo.
La norma NCh 170 incorpora disposiciones sobre ambientes agresivos y especificación de propiedades del hormigón (resistencias mínimas, contenido de cemento, permeabilidad).
2.3.7 Diseño por resistencia al fuego
La estructura y sus componentes deben, si es necesario, ser resistentes al fuego. En algunos casos, se requieren pruebas de fuego en sitio o en instalaciones especializadas.
2.3.8 Diseño por otros requerimientos
Los requisitos especiales del proyecto pueden afectar las características del hormigón, como restricciones horarias, apoyo y empotramiento de fijaciones mecánicas y eléctricas.
2.4 Consideraciones de diseño para la minería
2.4.1 Diseño por condiciones de resistencia y estabilidad
La industria minera utiliza métodos empíricos y clasificación del macizo rocoso para el diseño de soporte. Ejemplos de sistemas usados:
- Sistema Q (Grimstad & Barton)
- Sistema RMR (Bieniawski)
- NATM
- Método de la curva característica del suelo
- Modelación numérica
La clasificación Q evalúa la calidad del macizo rocoso con seis parámetros principales. Su ventaja es la sensibilidad a variaciones menores; su desventaja, la dificultad de aplicación para usuarios sin experiencia.
El diseño del soporte en minería debe considerar la interacción con otros elementos de apoyo (pernos, malla, barras, arcos, placas), especificados por un consultor geotécnico.
(1) Sin sostenimiento
(2) Pernos colocados en forma esporádica
(3) Pernos colocados en forma sistemática
(4) Perno colocados en forma sistemática + shotcrete no
reforzado (40 – 100 mm)
Capítulo 2: Consideraciones de Diseño
(5) Perno + shotcrete reforzado con fibra (50 – 90 mm)
(6) Perno + shotcrete reforzado con fibra (90 – 120 mm)
(7) Perno + shotcrete reforzado con fibra (120 – 150 mm)
(8) Perno + shotcrete reforzado con fibra (> 150 mm) + marcos
(9) Revestimiento de hormigón armado colado en sitio
2.4.2 Diseño por condiciones de servicio
Los flujos de agua subterránea pueden afectar la unión y comportamiento del hormigón proyectado. Se deben considerar técnicas para mitigar riesgos asociados al agua subterránea.
Los requerimientos de terminación pueden incluir acabados lisos por razones estéticas, de seguridad o funcionalidad (ventilación, impermeabilización).
2.4.3 Diseño por condiciones de durabilidad
El diseño debe considerar la vida útil de la excavación, resistencia a la abrasión, impacto, temperatura y humedad. Ambientes secos y cálidos pueden causar agrietamiento por retracción plástica o de secado, por lo que el curado es fundamental.
La tenacidad del FRS cambia con la edad y puede no mantenerse a largo plazo, por lo que se debe considerar el grado de deformación esperado al seleccionar el tipo y dosis de fibra.
2.4.4 Otros factores de diseño
- Resistencia al fuego: Generalmente no se considera en aplicaciones mineras u obras civiles.
- Perfil y tamaño del túnel: Afectan métodos y equipos de aplicación.
- Tiempo de reingreso: El ciclo de shotcrete puede definirse para permitir reingreso seguro y rápido.
- Disponibilidad de materias primas: La escasez de áridos puede requerir el uso de materiales alternativos, siempre que cumplan los requisitos de diseño y normativa.
- Ensayos: Se debe considerar el tipo y frecuencia de pruebas según la importancia de la obra y la disponibilidad de instalaciones. El monitoreo permanente es recomendable para excavaciones sometidas a grandes desplazamientos.
