Estación de refugio: esfuerzo dinámico y estático

El presente análisis consiste en calcular la fuerza que se produce al caer una roca de dimensiones conocidas, desde una determinada altura, sobre la estructura del refugio móvil ChamberREF20 y los efectos en la resistencia y deformación que pudieran llegar a producirse en los materiales afectados.

En el análisis se evalúan diferentes fuerzas, haciendo caer dos rocas de diferente tamaño y peso, desde diferentes alturas, sobre la estructura de la estación de refugio.

Para su realización se requiere conocer la masa de la roca, su superficie de contacto con la estructura y la altura de caída.

Análisis de datos
Para calcular la fuerza ejercida por la roca al chocar contra el suelo, se requiere saber la velocidad del cuerpo cuando llega al suelo y el tiempo que tarda en deformarse. Obtención de la velocidad de impacto, por conservación de energía.

La fuerza que hace la superficie de la estación de refugio para detener la roca, corresponde a su propia masa multiplicada por la velocidad con la que llega al suelo y dividido por el tiempo que tarda su deformación.

Para hallar este tiempo se debe saber la aceleración de la roca, desde el punto más elevado de la caída, hasta que impacta.

Aceleración en el impacto

Tiempo de deformación

Fuerza de impacto

Considerando que las rocas cuentan con una densidad aproximada de 2600 kg/m3 se determinarán las fuerzas y esfuerzos aplicados de acuerdo al Método FEM (Finit Element Method) de análisis estructural.

Obtención de cargas dinámicas
Ejemplo Nº1: Caída de roca desde un metro de altura con las siguientes características:

Diámetro = 0,5 metros
Masa= 170 kg
Superficie de contacto 200 x 200mm

Ejemplo Nº2: Caída de roca desde un metro de altura con las siguientes características:

Diámetro = 1 metro
Masa= 1352 kg
Superficie de contacto 400 x 400 mm

Al realizar el ejercicio de caída de roca desde una altura de 7 metros con un metro de diámetro y 1352 kilos de peso, el máximo esfuerzo determinado corresponde a 4.141 kilogramos por centímetro cuadrado de compresión y 3.404 kilogramos por centímetro cuadrado de tracción. El material empleado en el revestimiento exterior es acero A4237ES.

El punto de rotura de la estructura analizada es de 4200 kilos/cm2 y su punto de fluencia es de 2700 kilos/ cm2, por lo que se concluye que en estas condiciones la estación de refugio permanecería sin romperse y con el siguiente gráfico de deformación.

En una gráfica se muestra el comportamiento estructural de la estación de refugio Chamber REF20, sus esfuerzos de tracción, compresión y deformación, cuando es sometida a una carga estática de material sobre la techumbre del refugio.

En este ejemplo se ha dispuesto el cargar la techumbre con un metro de altura de material de roca sobre toda la superficie de la estación de refugio. Para el análisis se ha considerado solo la lámina exterior de los muros y techo del refugio. Si adicionamos la lámina interior a la estructura, la resistencia de materiales se vería aumentada en +/- 30%.

Artículo publicado en la revista Seguridad Minera n° 98.