Laboratorio de Excavaciones SubterráneasUso de Software aplicados a la Geomecánica

Phase2

Descripción general de Phase2

Características del ◦ Modelador (“Modeler”)

◦ Motor (“Engine”)

◦ Intérprete (“Intérprete”)

Capacidades particulares de Phase2

Phase2 es un programa en 2 dimensiones para el análisis del esfuerzo sobre los elementos finitos ya sean plásticos o elásticos, ya sean excavaciones subterráneos o de superficie en roca o el suelo.

Se puede utilizar para una amplia gama de proyectos de ingeniería y ahora incluye una función de elemento de filtración de agua subterránea y análisis de estabilidad del talud.

Varios modelos complejos pueden ser fácilmente creados y rápidamente analizados, por ejemplo, los túneles en roca débil, potencia cavernas subterráneas, minas a cielo abierto y las pendientes, taludes, y mucho mas. La aparición de fallas crea una variedad de otros problemas que pueden abordarse.

Análisis de estabilidad basado en elementos finitos.

Tres módulos:

El método de los elementos finitos, forma parte de los métodos numéricos.

Los métodos numéricos constituyen técnicas mediante las cuales es posible formular problemas matemáticos, de tal forma que puedan resolverse utilizando operaciones aritméticas.

Hay que recordar que el Método de los Elementos Finitos supone que las condiciones en la frontera del elemento son invariantes.

Podemos concluir que con estos algoritmos el Phase2 será capaz de calcular tanto esfuerzos y deformaciones, parciales y totales a partir de datos como las Tensiones inducidas y la geometría del elemento a analizar.

Como los métodos analíticos son limitados en el diseño de excavaciones se va requerir el uso de algún método numérico, que permita obtener soluciones más cercanas a la realidad.

El cálculo tenso – deformacional de un macizo rocoso o de un suelo mediante la aplicación de los métodos numéricos, se fundamenta en la resolución de las ecuaciones diferenciales que controlan el comportamiento mecánico del macizo rocoso, previa la generación de hipótesis simplificadoras que son requeridas en cada método.

Los métodos numéricos pueden clasificarse en:

Método de los Elementos de Contorno.Método de las Diferencias Finitas.Método de los Elementos Finitos.

Se usa para cálculos tenso – deformacionales en 2 dimensiones mediante el MEF, MEC o como un programa híbrido.

Si el terreno es elástico se usará un modelo con el método de los elementos de contorno ya que con el, los resultados no pierden mucha precisión.

Si el terreno presenta comportamiento elasto – plástico ya no es aplicable el método de los elementos de contorno, aplicándose el de elementos finitos. Esta opción produce un análisis elástico de tensiones muy rápido y también indica zonas sobretensionadas.

Se asume que estamos en deformación plana; esto significa que la excavación tiene una longitud infinita en la dirección a la sección que se analiza.

El campo de tensiones, es decir una de las 3 tensiones principales debe estar alineada con el eje longitudinal de la excavación.

Su aplicación es para rocas duras y competentes (en cuyo caso para la opción de sostenimiento, es el empernado de rocas), como no fuera así, puede variar al cableado y shotcrete.

Para iniciar el diseño, se establecen las coordenadas del dominio que definen el problema con los parámetros de control del proceso, donde se define el número de estados en que se va a dividir el modelo; máximo número de iteraciones y la tolerancia que controla la fuerza de desequilibrio en c/nodo.

Para definir la forma geométrica se introducen los contornos exteriores, la excavación y las interfases de separación de materiales y en base a estos se divide el contorno en un número de referencia para el mallado a crear.

A continuación se crea la malla (mesh), con la aplicación de la opción mesh, del Phases, el cual gradua la malla en función de consideraciones geométricas; permitiendo al usuario hacer el modelo, pudiendo ser modificado.

Se varía el tamaño de la malla usando el factor de expansión.

Se varía el tamaño de los elementos de contorno que puede ser rectangular, circular o envolvente alrededor de la obra.

Se suaviza la malla, para obtener triángulos lo más equiláteros posibles.

Se especifica la forma de análisis: elementos de contorno o elementos finitos únicamente o utilizar el método híbrido.

Creado el mesh, se pasa a definir las condiciones de contorno y la geometría de la excavación , así como las diferentes etapas de la misma, pernos u otro tipo de sostenimiento con el objeto de especificar el tipo de sostenimiento a usar como son los pernos, shotcrete o cable bolting.

Las condiciones de contorno se asignan mediante condiciones de desplazamiento en el límite exterior del modelo discretizado (solo en elementos finitos) mediante presiones interiores en excavaciones cerradas (solo usado en problemas con un solo estado), o mediante cargas superficiales distribuidas únicamente en un contorno de la excavación o de la superficie.

Los sistemas de sostenimiento (empernado, cableado) puede ser de tipo puntual o sistemático en forma radial o en forma normal.

El analista puede definir el campo tensional inicial del modelo, que puede ser constante o variable con la profundidad.

Es importante introducir la tensión en el plano a la sección de estudio para conseguir que las deformaciones usadas por Phases sean tridimensionales.

Si el campo tensional es constante: introducir la tensión principal mayor, la tensión principal menor, la tensión a la sección de estudio y el ángulo que forma con la horizontal la tensión principal mayor.

Si el campo tensional varia con la profundidad se debe: a)Definir la elevación de la superficie del terreno respecto al

sistema de coordenadas definido por el usuario.

b)P.E del recubrimiento.

c)Relación de tensión horizontales / verticales.

d)Esfuerzos residuales que puedan existir.

El siguiente paso: asignamiento de las propiedades de c/u de los materiales, terreno y sostenimiento.

A los elementos de contorno se le asignan las propiedades del material en Default (elástico, homogéneo e isotrópico).

Para el resto de materiales se introducen las propiedades elásticas, indicando el tipo de material que puede ser isótropo, transversalmente isótropo y ortrótopo el comportamiento del material (elástico, plástico o sin rotura por tracción) y el criterio de rotura del material (Mohr – Coulomb, Hoek – Brown o Hoek Brown modificado).

La salida de resultados es como sigue:

Tensión principal mayor Tensión principal menor Tensión en el plano al estudiado. Coeficiente de seguridad Zonas de plastificación Desplazamientos vertical, horizontal y laterales.

VENTAJAS

Rapidez de diseño : generación automática de malla Rapidez de ejecución Entrada de datos visual sin códigos de programación

EJEMPLOS PRACTICOS

EJEMPLO N° 1

Análisis de un Tunel

Este es el entorno de trabajo del PHASES bajo el Sistema Operativo WINDOWS

Importamos el archivo con extensión DXF y

seleccionamos las opciones de Importación

La sección del túnel ha sido cargada

Definimos un limite externo tipo

El limite tipo caja ha sido creado

Discretizamos

Se observa el número de elementos de la excavación y del límite externo

Empezamos a crear la Malla de los Elementos Finitos

La Malla de los Elementos

Finitos ha sido creada

Definimos losesfuerzos de

campo e ingresamos sus valores

Se definen las propiedades del material

que se encuentra alrededor

de la excavación

Asignación de Propiedades

Seleccionamos Excavation y picamos el interior

de la sección

Se ha realizado la excavación

Un momentito estoy pensando

Computamos

Interpretamos

Hasta aquí hemos analizado el modelo sin sostenimiento alguno usando parámetros para materiales plásticos; ahora pues procederemos a analizar el mismo modelo después de agregar:

Cables y Shotcrete

Agregamos los cables

Definimos la longitud de los cables y

el espaciamient

o entre cables

Ingresamos el punto de convergencia

de los cables

Este es el punto de convergencia de los cables

Se han dibujado los cables

Definimos las propiedades de los cables

Agregamos el recubrimiento

Picamos todo el borde de la excavación

Se observa el recubrimiento de shotcrete

Definimos las propiedades del Shotcrete

Un momentito estoy pensando

Computamos

Interpretamos

EJEMPLO N° 2

Se definen los stages

Aquí aparecen

dichos stages

Se realiza el dibujo de la excavación.

Se agrega un stage

Se agrega un stage

Se definen el tipo de limite

y se declara el factor de

expansión.

El limite tipo caja ha sido

creado

Se dibuja los limites

geométricos de mineral

Discretizamos

La malla de elementos

finitos ha sido creada

Se exporta el archivo en DXF que

contienen los cables.

Los cables han sido

cargados.

Se definen las propiedades de la masa

rocosa circundante

Se definen las propiedades del mineral

Se definen las propiedades del relleno

Se definen las propiedades de los cables

Se asignan los materiales y se realiza la excavación

La excavación ha sido

realizada

Computamos

Un momentito estoy pensando

Interpretamos