Últimas novedades en la tecnología de modelación de desprendimientos de rocas y de sistemas de protección certificados

Las infraestructuras que discurren en orografías montañosas presentan con frecuencia riesgos de caídas de rocas, es decir, las obras civiles e infraestructuras en ambientes de montaña, son vulnerables a este tipo de amenaza geológica cuando quedan expuestas a laderas naturales de roca o a cortes producto de la intervención humana. Desde la década de los 50, Suiza ha llevado a cabo un notable esfuerzo de investigación para poder simular y predecir los eventos de caídas de rocas, y desarrollar sistemas de protección contra caídas de rocas; es así como en el país helvético se desarrollaron las primeras barreras dinámicas contra caídas de rocas; que han servido de modelo para su aplicación alrededor del mundo.

Durante muchos años, el modelado en 2-D ha sido el estado de la técnica para modelar los problemas de caída de rocas. Hay varios programas diferentes disponibles en el mercado, por ejemplo Rockfall (Spang y Sönser, 1995) y Rofmod (Mohr, 2015). En estos enfoques, fue muy importante centrarse en el trabajo de campo. La selección del perfil ‘correcto’ para el modelado es decisivo para definir las máximas energías de caída de rocas y alturas de rebote. Debiéndose elegir las condiciones del terreno que sean representativas de los contactos e interacciones entre la roca y la ladera.

Sin embargo, los esfuerzos por mejorar los sistemas de protección contra caídas de rocas continúan. Aprovechando las nuevas tecnologías en el campo de la informática; el Intitulo Federal Suizo para el Bosque, la Nieve y el Paisaje (WSL) y el Instituto Suizo de Investigación de Avalanchas (SLF) en Suiza han desarrollado el software de modelación 3D de caídas de rocas (Christen, Bartelt et al. 2017) denominado RAMMS: Rockfall; este programa de simulación de caídas de bloques, mediante elementos finitos viene a mejorar el nivel de predicción en los modelos de simulación de caídas de rocas, haciendo más reales las condiciones de desplazamiento de los bloques a través de la superficie de la ladera virtual. La mejora en las condiciones de la superficie de la ladera y en los parámetros del comportamiento del bloque a través de las trayectorias, generadas aleatoriamente por el software se han podido hacer realidad gracias a los ensayos de modelación de la dinámica de caídas de rocas (mecánica non-smooth)¹ en laderas a escala natural (Bartelt y Lu 2017) como el Paso Flüela (Suiza).

¹ es un enfoque de modelado en mecánica que no requiere que las evoluciones temporales de las posiciones y de las velocidades sean funciones smooth. Debido a los posibles impactos, las velocidades del sistema mecánico pueden sufrir saltos en instantes de tiempo determinado para cumplir con las restricciones cinemáticas. Considere por ejemplo un modelo rígido de una pelota que cae al suelo, justo antes del impacto entre la pelota y el suelo, la pelota tiene una velocidad previa al impacto que no se desvanece. En el instante del impacto, la velocidad debe saltar a una velocidad posterior al impacto que sea al menos cero, o de lo contrario se produciría una penetración. Los modelos mecánicos non-smooth, se utilizan en la dinámica de contacto.

Paralelamente a las mejoras en los modelos de predicción de caídas de rocas que conlleve a diseños más precisos y eficaces de barreras dinámicas flexibles contra caídas de rocas, que permitan reducir el rango de incertidumbre de este tipo de eventos geológicos; los fabricantes suizos de barreras dinámicas, trabajan por producir barreras más eficientes, seguras y de mayor nivel de capacidad de absorción de energía. Es así que en octubre de 2017, en el polígono de ensayos oficial de la Confederación Helvética, Walenstadt, se realizó el ensayo de certificación de la nueva barrera dinámica de 10.000 kJ según la norma internacional ETAG-027; la barrera fue ensayada con un bloque de 25 t en caída libre de 42 m, también el más grande empleado a nivel mundial para el ensayo de barreras dinámicas, estableciendo un récord mundial en cuanto a capacidad de absorción de energía de la barrera y peso del bloque ensayado. La capacidad de esta barrera se equipara a la de un dique de tierra (que por otra parte requiere gran cantidad de espacio y material disponible, así como medios para su ejecución), con lo que las barreras dinámicas alcanzan todo el rango de energía cinemática (de 100 a 10.000 kJ) de las estructuras de contención.

Los softwares de simulación de caídas de rocas usualmente han sido en 2D; lo cual implica para el diseñador un trabajo previo de determinar la trayectoria probable que debe seguir el bloque mientras se desplaza ladera abajo; una vez definido este perfil crítico, el programa analiza mediante iteraciones aleatorias (utilizando ecuaciones determinísticas) las probables trayectorias y los parámetros cinemáticos (velocidad lineal, velocidad angular, energía cinética, altura de rebote, etc.) del bloque (cuyas dimensiones y características físicas previamente fueron definidas). Así, con los resultados obtenidos y las gráficas de los parámetros que se desee analizar a lo largo del perfil; los diseñadores pueden definir la clase de energía y la altura mínima de la barrera dinámica para el sitio del perfil donde ha sido emplazada la estructura flexible.

Sin embargo, este modelo de simulación tradicional no permite predecir trayectorias de rocas y zonas de desviación en terreno tridimensional para elaborar mapas de peligro; el limitado para la ubicación óptima de las barreras; no permite estudiar la influencia de los bosques de montaña en la mitigación de los caídos; y evaluar el nivel de seguridad de servicios públicos, caminos, edificios, explotaciones mineras, entre otros. Aunque los resultados de las simulaciones son razonablemente cercanos a lo esperado en la práctica, el desarrollo de los programas de cálculo a través de elementos finitos y la tecnología del levantamiento del terreno mediante el escaneo o rastreo laser (LIDAR) han permitido a los investigadores disponer de herramientas que permitan realizar modelos de simulación 3D de caídas de rocas con mayor precisión y con un pronóstico del movimiento de los bloques sobre la ladera más precisos y cercanos al evento real que potencialmente puede ocurrir en el lugar.

Para iniciar el desarrollo del modelo 3D se requirió elaborar un DEM (modelo digital del terreno), una biblioteca de características de rocas incorporada, área de origen y archivos de formas de terrenos y bosques (polígonos).

Los resultados de la simulación de caidas de rocas se generan también de forma aleatoria con trayectorias distribuidas tridimensionalmente sobre la superficie del terreno DEM. Las trayectorias se presentan en escalas de colores para facilitar la visualización de las magnitudes de energía cinetica; el modelo 3D permite precisar con mayor exactitud la longitud y emplazamiento optimo de la barrera.

Como mencionamos, el software permite emplazar la barrera sobre la superficie tridimensional del terreno y simular la mitigación del evento de caidos con la introducción de la estructura de protección en la ladera; con lo cual se pueden evaluar la disminución del nivel riesgo a las estructuras a proteger y determinar el riesgo residual (mapa de riesgo). Adicionalmente, la biblioteca de caracterización del terreno y bosques permite introducir en la superficie polígonos de bosques para considerar el posible efecto atenuador de los bosques de árboles.

Para poder obtener un grado de precisión confiable en las simulaciones es preciso calibrar y definir las condiciones de borde el programa de elementos finitos adecuadamente. Lo que significa modular los movimientos de las partículas, las cuales para un evento de caídas de rocas presenta las siguientes características (Perry y Guang 2017):

• Sistema de partículas gobernado por eventos discretos (contacto / impacto)
• Caracterizado por caída libre, rebote, balanceo y deslizamiento
• Sistema mecánicamente no liso
• Flujo monofásico

La modelación de la dinámica de caídas de rocas es compleja debido a la incertidumbre inherente a lo estocástico del evento; es muy difícil identificar la región de inicio, las características y propiedades de la roca y condiciones iniciales; es difícil determinar los parámetros del terreno (dureza, rugosidad, vegetación, entre otros); la disipación de la energía ocurre en impactos de corta duración y depende de la forma y orientación del bloque al momento del impacto y las propiedades de la ladera; y la roca puede fragmentarse ante impactos intensivos (Bartelt y Lu 2017). En consecuencia, el modelo de caída de rocas sigue la ecuación diferencial de la Ley de Newton con una inclusión algebraica, la forma de la roca sigue el modelo rígido de formas complejas (que permite considerar las fuerzas giroscópicas debido a la forma no esférica de la roca), y para la interacción roca-terreno se emplea un nivel cinético con leyes de contacto duro y el método dinámico de contacto no rígido. Así, las ecuaciones de movimiento resultante son resueltas mediante una matriz de direcciones de fuerzas generalizadas, conformadas por vectores que contienen las fuerzas de contacto.

Para la calibración del sistema se requirió un conjunto de ensayos de campo para poder obtener datos a escala natural; para lo cual se acondicionó una ladera del Paso de Flüela, cerca de Davos (Suiza), donde se ubicaron aparatos de medición de velocidad-trayectorias y cámaras para monitorear la caída de bloques de distintas masas a través de la ladera (Caviezel, Lu et al 2017).

Antecedentes

La Norma Europea para la Aprobación Técnica de Sistemas contra caídas de rocas ETAG-027 (publicada en febrero de 2008) vino a confirmar (junto a sus predecesoras, la norma suiza BAFU de 2001 y la norma AASTHO) la obligatoriedad de realizar ensayos a escala natural para certificar las barreras dinámicas contra caídas de rocas. El objetivo de esta medida es eliminar el uso de barreras que fueran diseñadas solo sobre la base de estudios teóricos, sin ensayos de campo a escala 1:1, lo cual llevaba frecuentemente al fallo de los sistemas de barreras, ante eventos por debajo de su capacidad teórica de absorción de energía, y errores en los modelos de diseño.

El fabricante suizo previo al ensayo a escala natural de una barrera dinámica, procede al diseño de la misma utilizando el software de elementos finitos FARO desarrollado por el Politécnico de Zúrich y el WSL que permite determinar las deformaciones y fuerzas de todos los componentes de las barreras ante un impacto de bloque definido (dicho programa ha sido calibrado a su vez por los resultados de todos los ensayos a caída libre realizadas en el polígono de Walenstadt, Suiza).

Por consiguiente, para la realización del ensayo con energía cinética de 10.000 kJ, los diseñadores suizos escogieron los siguientes parámetros en los conceptos antes mencionados:

• Ángulo de inclinación del talud de ensayo de 90°. Es decir, en caída libre (como también lo contempla la norma suiza).
• Altura residual del paño impactado de categorías: A, o sea, con una altura mínima después del impacto de 50% la altura de diseño (similar a lo exigido también por la norma suiza).
• La deflexión de la barrera será controlada para permitir que la barrera pueda ser emplazada lo más cerca posible al objeto a proteger durante la aplicación en proyectos.
• El margen de tolerancia para la energía cinética del ensayo será de 0%. Como el ensayo es en caída libre, la energía de impacto puede ser aplicada exactamente a 10.000 kJ.

Por ser de alto nivel energético, la barrera dinámica RXE-10000 fue certificada con la norma ETAG-027 y será certificada también según BAFU-FOEN para garantizar el estándar más alto, debido a los altos riesgos que, en materia de seguridad, implican impactos de este nivel.

Ensayo de la barrera dinámica de 10.000 kJ

El 16 de octubre de 2017, el WSL (entidad autorizada y responsable para la correcta ejecución técnica del ensayo), y la empresa Geobrugg AG ensayaron en Walenstadt (Suiza), la primera barrera en el mundo de 10.000 kJ de capacidad de absorción de energía, para su certificación conforme a la Normativa Europea ETAG-027. El organismo correspondiente autorizado por la ‘Organización Europea para Aprobaciones Técnicas’ (EOTA) para la supervisión y emisión de la aprobación fue en este caso el ‘Instituto de Investigación y Ensayos de la Construcción’ (TSUS).

La barrera ensayada tenía una altura de 7 m y una separación entre postes de 10 m. Diseñada para una clase 8 de energía (>4.500kJ) de acuerdo con lo establecido por la norma ETAG-027. La barrera contaba con 10 células extensiométricas de medición de altas prestaciones con una tasa de registro de 2.000 Hz, con la finalidad de registrar las solicitaciones en diferentes elementos del sistema.

El ensayo a escala natural tuvo las siguientes características físicas:

• Peso del bloque: 25 t (tiene un tercio de la altura de la barrera, es el bloque de ensayo más grande y pesado de los utilizados, está compuesto de 20 t de hormigón y 5 t de acero de refuerzo).
• Altura inicial del bloque sobre la barrera: 42 m.
• Velocidad de impacto del bloque: 103 km/h.
• Energía de impacto: 10.000 kJ.

Resultados del ensayo a escala natural

El ensayo fue exitoso (la certificación EOTA de la barrera es la ETA 17/0947, con marcado CE 1301 - CPR - 1374), la barrera fue capaz de detener el bloque de 25 t que impactó a 10.000 kJ. La deflexión de la barrera en el paño impactado fue de 8,15 m; y la altura residual fue de 67% en el paño impactado (>50% lo requerido según norma para la clase A) y casi 100% en los paños aledaños (ver Figura 4). Las fuerzas máximas fueron de 450 kN. Todo lo cual representan valores muy bajos para una barrera de esta clase de energía.

Las mejoras técnicas que permitieron a la barrera alcanzar la capacidad de absorción de 10.000 kJ fueron básicamente limitaciones constructivas que limitaran la deformación de la barrera, a saber:

• Corta distancia entre los anclajes laterales y la placa base (elongación limitada de los frenos).
• No hay aberturas en la red (la elongación más corta posible de la red).
• Se estableció un límite de fuerzas en los anclajes no mayor a 500 kN.

Además, se establecieron mejoras de los componentes existentes como el empleo de la red de anillos mariposa Rocco y la doble polea para cables.

Los investigadores de gestión de riesgos en Suiza continúan mejorando y perfeccionando las herramientas de mapeo de riesgo y simulación de eventos geológicos, como es el caso de caídas de rocas dentro del área de movimientos rápidos de masas, que permitan mejorar y optimizar el diseño de las medidas de protección a implementar para proteger infraestructuras y personas.

La barrera contra caídas de rocas de 10.000 kJ está diseñada para este tipo de muy altas solicitaciones por esfuerzos dinámicos y estáticos en terrenos difíciles, es decir, desprendimientos de bloques de roca de gran tamaño desde grandes alturas. Esta solución representa una alternativa técnicamente válida, eficiente y con sustancialmente menos tiempo de implementación que los tradicionales terraplenes de tierra empleados hasta ahora como solución a energías de impacto entre 8.000 kJ y 10.000 kJ. Una barrera de 10.000 kJ tiene capacidad de absorción de energía similar a un terraplén de 134 t/m con solo 0,6 t/m de peso de la barrera (223 veces menos).

• Bartelt, P.; and Lu, G. (2017). “Modelling Rockfall Dynamics using Non-Smooth Mechanics: Theory and Application”. GEO-Summit 2017: Understanding Nature, Preparing for our Future. Davos.
• Caviezel, A.; Lu, G.; Christen, M.; Bartelt, P.; and Bühler, Y. (2017). “Rockfall Experiments: Real World Data for Calibration”. GEO-Summit 2017: Understanding Nature, Preparing for our Future. Davos.
• Christen, M.; Bartelt, P.; Caviezel, A.; Lu, G.; and Bühler, Y. (2017). “RAMMS: ROCKFALL. Practical Guide to a 3D Rockfall Modelling Software”. GEO-Summit 2017: Understanding Nature, Preparing for our Future. Davos.
• Mohr, H. 2015. Geologischer Bericht Sturzmodellierung Mit ROFMOD4.2, Büro für Technische Geologie AG, Schweiz
• Sennhauser, M. (2017). “RXE-10000 – World Record Test”. GEO-Summit 2017: Understanding Nature, Preparing for our Future. Davos.
• Spang, R. & Sönser, T. 1995. Optimized rockfall protection by 'rockfall'. Proceedings of the 8th International Conference on Rock Mechanics, Rotterdam: A.A. Balkema, Tokyo, pages 1233-1242.