Industria

Límite elástico y alargamiento

Históricamente, la carga de rotura de un perno de anclaje ha sido el valor de referencia por excelencia a la hora de comparar productos y decidir qué anclaje utilizar según las características del terreno. Es comprensible: es un número claro y fácil de comparar.

Pero ese enfoque ha dejado en segundo plano otras características igual de determinantes. La más importante de ellas es el límite elástico, que en terrenos con comportamiento dinámico puede ser incluso más relevante que la propia carga de rotura.

Qué es el límite elástico y por qué importa

El equilibrio entre límite elástico y alargamiento

Un límite elástico alto significa mayor resistencia a la deformación permanente. Sin embargo, los materiales con un límite elástico muy alto en relación a su carga de rotura tienden a tener menor alargamiento porcentual, es decir, son menos dúctiles.

En pocas palabras:

• Alto límite elástico: más resistencia a la deformación.
• Menor alargamiento: menos capacidad de deformarse sin romperse.

El objetivo en el diseño de pernos es encontrar el equilibrio adecuado: suficiente límite elástico para resistir cargas, y suficiente alargamiento para absorber esfuerzos sin fallo frágil. Un perno demasiado rígido no dará señales de aviso: se romperá de golpe en lugar de deformarse gradualmente.

Módulo de elasticidad y propiedades relacionadas

La relación entre la fuerza aplicada y la deformación que experimenta el material está gobernada por el módulo de elasticidad longitudinal o Módulo de Young. Es una constante propia de cada material que describe cuánto se deforma bajo tracción axial. A mayor módulo de Young, más rígido es el material y menor deformación experimenta bajo una carga dada.

Igualmente relevante es el módulo de elasticidad transversal o módulo de cortante, ya que las fuerzas que el macizo rocoso ejerce sobre el perno no son exclusivamente axiales. Muchas de esas fuerzas actúan en dirección transversal. Para materiales isótropos, el módulo de cortante guarda una relación fija con el Módulo de Young y el coeficiente de Poisson.

La estricción: la fase final antes del fallo

Un concepto más a tener en cuenta es la estricción. Una vez superado el límite de fluencia y durante la deformación plástica, se produce una reducción progresiva de la sección en la zona donde ocurrirá la rotura. Este proceso continúa hasta que el material falla. La estricción es un fenómeno propio del rango plástico del acero y una señal de que el material se acerca al colapso.

Lo que todo esto significa en la práctica

La carga de rotura no es el único factor que importa al elegir un perno. Dos pernos con la misma carga de rotura pueden comportarse de forma radicalmente distinta en campo, especialmente en terrenos que generan eventos dinámicos o esfuerzos tangenciales. En pernos expansivos, donde el acero entra en carga mediante presión y deformación del material durante la instalación, la calidad del acero juega un papel especialmente crítico.

En ONIX Underground fabricamos nuestros pernos para ofrecer alto rendimiento en cualquier condición de carga.

Nuestros Pernos Expansivos tienen un límite elástico superior al 80% de la carga de rotura y un alargamiento normalmente por encima del 20%. Esta combinación les confiere un comportamiento excepcional en terrenos con eventos dinámicos y esfuerzos de cizalle, absorbiendo esfuerzos sin llegar a deformarse plásticamente ni a romperse.

Por tanto, la próxima vez que evalúes un perno, no te quedes solo con la carga de rotura. Dos pernos con el mismo valor de rotura pueden comportarse de forma completamente diferente en obra. El límite elástico, el alargamiento y la calidad del acero no son detalles secundarios. En muchas condiciones, son los factores que determinan la seguridad.

Arcos Tipo Omega (Ω)

El sostenimiento de galerías mineras y túneles mediante Arcos de Sostenimiento Deslizantes THN ofrece ventajas significativas en entornos de elevada presión del terreno.

Este sistema combina la alta capacidad resistente del perfil metálico con una característica clave: el comportamiento deslizante del cuadro. A diferencia de los arcos rígidos tradicionales, el arco Ω está diseñado para “ceder” de forma controlada cuando la presión del terreno alcanza un determinado umbral.

El deslizamiento evita el agotamiento prematuro del perfil, reduce el riesgo de rotura y actúa como indicador del nivel de esfuerzo al que está sometida la excavación.

El arco tipo Ω no resiste al terreno por rigidez absoluta, sino por equilibrio inteligente: cede cuando debe y soporta cuando es necesario.

La primera característica a destacar de los Arcos de Sostenimiento Deslizantes THN es la geometría de su perfil. Esta sección presenta una resistencia prácticamente equivalente frente a esfuerzos en ambos ejes principales, transversal y longitudinal.

En términos mecánicos, la relación entre el módulo resistente respecto al eje X y el eje Y es aproximadamente igual a 1:

Wxx / Wyy ≈ 1

Esta simetría estructural permite que el perfil trabaje de forma equilibrada ante deformaciones del terreno, favoreciendo grandes convergencias de la sección de la galería o túnel sin comprometer su capacidad portante.

Principales Ventajas de los Arcos de Sostenimiento Deslizantes THN

• Alta capacidad portante, derivada de la geometría del perfil y su comportamiento equilibrado en ambos ejes.

• Gran adaptabilidad a secciones irregulares, especialmente en excavaciones con convergencias significativas.

• Instalación rápida en frente de excavación, reduciendo tiempos de ciclo y mejorando la productividad.

• Excelente compatibilidad con hormigón proyectado (shotcrete) y sistemas de bulonado, permitiendo soluciones combinadas de sostenimiento.

• Posibilidad de recuperación y reutilización en determinadas explotaciones mineras, optimizando costes en proyectos específicos.

Características mecánicas del perfil tipo Ω

En la siguiente tabla se detallan las propiedades mecánicas del perfil tipo Ω en sus distintas configuraciones comerciales.

Más allá de las propiedades mecánicas del perfil —que analizaremos en detalle más adelante—, otro aspecto clave de los arcos tipo Ω es su configuración inicial de montaje.

Los distintos sectores del arco se unen mediante grapas, no mediante soldadura. Estas grapas permiten un determinado grado de deslizamiento controlado —según el tipo seleccionado—, constituyendo la característica diferencial de este sistema de sostenimiento.

El diseño de los Arcos de Sostenimiento Deslizantes THN permite un montaje sencillo y rápido, además de una mejor adaptación a la sección excavada frente a los arcos rígidos tradicionales. Como resultado, se optimiza la sección útil de la galería o túnel.

Otra ventaja relevante frente a los arcos fijos es la posibilidad de recuperación una vez cumplida su función estructural. En determinadas explotaciones mineras, los cuadros pueden desmontarse y reutilizarse, optimizando costes operativos.

En cuanto al curvado del perfil, en minería suele emplearse curvado directo, mientras que en túneles de obra civil es habitual el curvado inverso, especialmente en el denominado método austriaco (NATM). En este caso, el alma del perfil puede perforarse para su combinación con bulones, permitiendo que el arco entre en carga conjuntamente con el terreno. Gracias al solape regulable entre sectores (aumentando o disminuyendo su longitud efectiva), el cuadro se adapta a la excavación antes de quedar embebido en el hormigón proyectado.

Con este sistema se han podido satisfacer las exigencias de explotaciones mineras con secciones cada vez mayores y mayores profundidades, donde los empujes del terreno son significativamente superiores. En estos escenarios, el diseño del sistema de unión, el grado de deslizamiento permitido y la correcta disposición de las grapas se convierten en factores determinantes para el comportamiento estructural del conjunto.

Hipótesis de cálculo para el dimensionamiento del sostenimiento

Para el cálculo del sostenimiento necesario en una galería o túnel mediante arcos tipo Ω, se adoptan las siguientes hipótesis simplificadas:

1. Comportamiento estructural: el arco metálico se considera una estructura biarticulada en sus apoyos.

2. Modelo de cargas: las cargas que actúan sobre el arco se suponen verticales y uniformemente distribuidas.

3. Modo de agotamiento: el agotamiento del cuadro se produce por flexión, despreciando los efectos de flexión compuesta.
   >En el caso de los cuadros deslizantes, antes de alcanzar el agotamiento por flexión debe producirse el deslizamiento por esfuerzo axial en las uniones.

4. Tensión admisible: en minería —y de forma recomendable también en obra civil— se considera como tensión máxima admisible la tensión de rotura del acero empleado.

Gráficos de dimensionamiento de los Arcos de Sostenimiento Deslizantes THN

Bajo estas hipótesis, es posible elaborar gráficos de cálculo para los perfiles comerciales Ω-16.5, Ω-19 y Ω-21, que facilitan el dimensionamiento preliminar del sostenimiento.

El procedimiento es directo:

• En el eje de abscisas se introduce el radio del cuadro (equivalente a la mitad del ancho de la galería).

• En el eje de ordenadas se introduce la carga vertical estimada (Tm/m²).

Como resultado, se obtiene la distancia entre cuadros o distancia de entibación recomendada.

Grapas de unión y recomendaciones de montaje

Un aspecto fundamental del sistema Ω es el diseño y comportamiento de las grapas de unión, que determinan el grado de deslizamiento y el comportamiento estructural del conjunto.

Existen distintos tipos de grapas en función del nivel de apriete y del grado de deslizamiento requerido en la instalación. Como criterio general, se recomienda un solape mínimo entre sectores de 400–500 mm.

Los pares de apriete mínimos orientativos (kg·m) son los siguientes:

• Ω-16.5: 25–30 kg·m

• Ω-21: 25–30 kg·m

• Ω-29: 35–40 kg·m

• Ω-36: 40–45 kg·m

Consideraciones técnicas de instalación de los Arcos de Sostenimiento Deslizantes THN

Durante el montaje deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

• Garantizar el paralelismo de los perfiles en la zona de solape.
  Una falta de alineación impide el correcto deslizamiento y puede provocar roturas o deformaciones no deseadas.

• Asegurar que el arco quede perpendicular al eje de la galería.

• No grapar perfiles con solapes defectuosos o en falso, es decir, cuando no exista un apoyo correcto entre ambos sectores.

• Respetar los pares de apriete indicados. El uso de herramientas neumáticas de apriete facilita alcanzar el par adecuado y asegura uniformidad en la instalación.

Una vez que el terreno comienza a ejercer presión sobre el arco —observable mediante el aplastamiento del empaquetado o forrado— y se produce el primer deslizamiento, es recomendable reapretar todas las tuercas de las uniones.

Nota técnica

Los valores y recomendaciones anteriores tienen carácter orientativo y no deben considerarse como criterios absolutos de diseño. El dimensionamiento del sostenimiento debe realizarse considerando el conjunto de factores geotécnicos y estructurales del proyecto.

En Onix Underground entendemos que el diseño del sostenimiento subterráneo no se define únicamente por cálculos o modelos teóricos, sino por su capacidad de responder eficazmente a las condiciones reales de excavación.

Por ello, nuestra aproximación al sostenimiento con Arcos de Sostenimiento Deslizantes THN se apoya en tres pilares fundamentales:

1. Diseño técnico riguroso, basado en datos geotécnicos reales, criterios estructurales y experiencia en condiciones de terreno complejas.
2. Instalación controlada, donde el correcto montaje del sistema —geometría del arco, tipo de grapas, grado de deslizamiento y distancia entre cuadros— resulta determinante para el comportamiento del sostenimiento.
3. Eficiencia operativa y seguridad, integradas en cada decisión técnica para garantizar estabilidad del terreno, continuidad del avance y protección de las operaciones.

Nuestro enfoque está orientado a minimizar el riesgo geotécnico, optimizar el rendimiento del sostenimiento y adaptarlo a las condiciones reales del macizo rocoso, tanto en minería subterránea como en túneles de obra civil.

Cada solución busca el equilibrio entre resistencia estructural, capacidad de deformación y eficiencia constructiva, factores clave en excavaciones sometidas a convergencias y altos empujes del terreno.

Porque en ingeniería subterránea, el sostenimiento no es solo una estructura: es el elemento que permite que la excavación sea segura, estable y operativamente viable.

El paraguas de micropilotes: concepto y función

Cada excavación subterránea es, en esencia, una alteración del equilibrio natural del terreno.

El avance de un túnel genera redistribuciones de tensiones y deformaciones que, si no se controlan, pueden comprometer la estabilidad del frente, la seguridad del personal y la continuidad del ciclo constructivo.

Por eso, la ingeniería moderna de sostenimiento no solo busca resistir el terreno, sino anticiparse a su comportamiento.

En Onix Underground, aplicamos esa filosofía a través de soluciones de refuerzo preventivo como el paraguas de micropilotes, una técnica que combina experiencia geotécnica, control de ejecución y eficiencia operativa para lograr excavaciones seguras y predecibles incluso en condiciones adversas.

El paraguas de micropilotes es una de las técnicas más fiables y eficaces para garantizar estabilidad anticipada en túneles, controlando deformaciones y asegurando la continuidad del avance incluso en terrenos complejos.

El sistema se basa en la instalación de una corona de micropilotes inyectados por delante del frente de excavación, formando una bóveda estructural que refuerza el macizo antes de su destape.

Su objetivo principal es triple:

• Aumentar la rigidez y la capacidad portante del terreno.
• Reducir deformaciones y convergencias en clave y hastiales.
• Controlar subsidencias y vibraciones en superficie, especialmente en zonas urbanas o infraestructuras sensibles.

A diferencia del sostenimiento primario —como el hormigón proyectado, las cerchas o el bulonado—, el paraguas de micropilotes actúa de forma preventiva, proporcionando estabilidad adicional en el momento más crítico del proceso: el avance del frente.

Mecanismo estructural y comportamiento

Cada micropilote funciona como un refuerzo lineal de acero de alta rigidez, anclado al terreno mediante una lechada inyectada.

La interacción acero–lechada–macizo permite movilizar esfuerzos de flexión y cortante, generando un efecto arco que redistribuye las cargas hacia zonas más competentes del terreno.

Este comportamiento conjunto no solo estabiliza el frente, sino que controla la deformación inicial del macizo, mejora la rigidez del entorno excavado y contribuye a mantener la continuidad del avance con un mayor nivel de seguridad.

Criterios de diseño y parámetros habituales

El diseño de un paraguas de micropilotes requiere un estudio geotécnico detallado que permita definir la geometría óptima y los parámetros de instalación.

Estos valores se ajustan en función del terreno, la sección del túnel, la metodología de avance (NATM, método alemán modificado, etc.) y el nivel de control de deformaciones exigido por el proyecto.

En Onix Underground, combinamos el análisis de campo con modelización numérica tridimensional, lo que nos permite anticipar el comportamiento del macizo y optimizar la configuración del paraguas para cada entorno geotécnico.

Ejecución y control de calidad

El éxito del sistema depende tanto del diseño como de la precisión constructiva.
Durante la ejecución, los principales controles incluyen:

• Presión y volumen de inyección, garantizando adherencia uniforme.
• Integridad de válvulas antirretorno y continuidad estructural.
• Verificación topográfica de la alineación de los elementos.
• Monitorización de parámetros de perforación (avance, par, presión).

En presencia de agua o fisuración abierta, se recurre a microcementos de alta penetrabilidad o a tratamientos previos de impermeabilización para reforzar la estanqueidad.

La trazabilidad completa del proceso permite ajustar los parámetros en tiempo real, asegurando la calidad estructural y la seguridad operativa.

Ventajas técnicas y operativas

El paraguas de micropilotes ofrece ventajas que trascienden lo puramente estructural:

• Reducción significativa de convergencias y desplazamientos iniciales.
• Control de subsidencia superficial, clave en entornos urbanos.
• Comportamiento fiable en terrenos heterogéneos o fracturados.
• Compatibilidad total con el sostenimiento primario y métodos secuenciales.
• Mejora de la seguridad y la previsibilidad del ciclo de excavación.

En términos operativos, permite mantener el ritmo de avance sin comprometer la estabilidad, reduciendo los tiempos de parada y mejorando la eficiencia global del proceso.

En Onix Underground, entendemos que la ingeniería subterránea no se mide solo por cálculos o modelos, sino por su capacidad para responder a los desafíos reales de la obra.

Por eso, nuestra aplicación del paraguas de micropilotes combina tres pilares:

1. Diseño técnico riguroso, basado en datos geotécnicos y simulación.
2. Ejecución controlada, con trazabilidad completa de inyecciones, presiones y parámetros de perforación.
3. Eficiencia operativa y seguridad, integradas en cada decisión técnica.

Nuestro enfoque está orientado a minimizar el riesgo geotécnico, optimizar recursos y garantizar la continuidad de las operaciones, tanto en proyectos mineros como en infraestructuras urbanas.

Cada intervención busca el equilibrio entre seguridad, rendimiento y sostenibilidad, con una comprensión profunda de las limitaciones de cada entorno.

Porque excavar con seguridad no es una opción: es la base sobre la que construimos cada proyecto.

¿Qué es el perno expansivo?

Es un elemento de anclaje indispensable en la construcción de túneles, minas subterráneas y geotecnia. El perno expansivo actúa como un sistema de sostenimiento activo para el macizo rocoso. Su función es mejorar la estabilidad, evitando el desprendimiento de bloques de roca de paredes y techos y el colapso de las galerías.

Fabricado con acero de alto limite elástico, máxima calidad, resistencia y durabilidad, el perno expansivo permite realizar hasta el anclaje más exigente, soportando altas cargas de tracción, al mismo tiempo que garantiza la seguridad de los equipos que trabajan en el subsuelo.

El perno expansivo está compuesto un tubo en forma de omega y un casquillo soldado a cada extremo, uno de ellos perforado para permitir el hinchado del perno. Para su fabricación se emplean complejos sistemas técnicos automatizados en busca de unos exigentes estándares de calidad.

El perno expansivo es uno de los dispositivos más eficaces y seguros para la estabilización del macizo rocoso en la minería subterránea y la construcción de túneles.

Características técnicas del perno expansivo

Las características técnicas del perno expansivo se pueden agrupar en función de una serie de especificaciones.

• El tubo presenta una longitud variable que puede ir desde los 1,5 a los 6 m, con un espesor de 2-3 mm
• La carga de rotura que puede soportar un perno expansivo varía entre 120 kN y 240 kN.
• La presión de inflado aplicada al interior del tubo de acero para que se expanda y se adapte al orificio perforado en la roca también depende del tipo de perno y su diámetro. Suele estar entre 240 y 300 bares para alcanzar la tensión deseada. Para garantizar el correcto inflado e instalación de los pernos, se utilizan unas bombas especiales que proporcionan el flujo de agua a alta presión.

Ventajas de los pernos expansivos para la minería subterránea y construcción de túneles

Los pernos expansivos se colocan en el techo y en las paredes de las excavaciones, formando una malla que refuerza el macizo rocoso y que distribuye las tensiones generadas.

Los pernos expansivos tienen varias ventajas sobre otros sistemas de sostenimiento. Algunas de estas ventajas son:

• Rápidos y fáciles de instalar, lo que reduce el tiempo y ahorra costes de la operación.
• Adaptables a diferentes tipos de roca, desde las más blandas hasta las más duras, ya que son flexibles, se expanden y se ajustan al orificio.
• Son capaces de soportar altas cargas de tracción, lo que mejora la seguridad de las excavaciones.
• Son compatibles con otros sistemas de sostenimiento, como las mallas metálicas o los gunitados, lo que aumenta la eficacia del refuerzo.

En cuanto a su instalación, es muy sencilla:

• Perforar el agujero en la roca con una profundidad ligeramente mayor que el perno.
• Insertar el perno expansivo en el orificio.
• Inyectar agua a la presión adecuada para que el perno se expanda y haga contacto con las paredes de la perforación.
• Esperar a la expansión completa para asegurar la roca y retirar la boquilla de la bomba de inflado.

En resumen, el perno expansivo es un elemento de anclaje esencial para garantizar la estabilidad y la seguridad en túneles, minas subterráneas y geotecnia. Además de contar con la máxima calidad, es capaz de adaptarse a diferentes superficies rocosas y soportar una enorme capacidad de carga. Todo esto lo convierte en un aliado de la seguridad, la productividad y la eficiencia para los responsables de operaciones mineras y obras subterráneas.

Sobre Onix Underground

Somos especialistas en perno expansivo y sistemas de sostenimiento subterráneo. Cientos de miles de nuestros pernos expansivos sostienen los macizos rocosos en minas y túneles en todo el mundo, garantizando la seguridad de las personas y equipos de trabajo. Nuestros expertos están a tu servicio para asesorarte y ofrecerte soluciones de la máxima calidad, productividad y eficiencia para tus operaciones mineras y obras subterráneas. ¿Hablamos?