Introducción

Las estructuras metálicas y los equipos mecánicos industriales suelen tener alguna conexión con elementos de hormigón armado. Esta interfaz suele realizarse mediante pernos de anclaje, que se anclan en el hormigón para transmitir las fuerzas procedentes de los componentes soportados. En este artículo se examina uno de los casos de éxito de Kot, en el que se analizó el fallo de la conexión de la base de un equipo de minería. Los pernos de anclaje de este equipo se rompieron, provocando su vuelco, como se muestra en la figura 1. El objetivo del análisis era determinar las causas del fallo y proponer soluciones para que el equipo pudiera volver a funcionar con seguridad.

Figura 1: Fallo en la conexión anclada en la base del equipo.

Metodología utilizada

La investigación del fallo consistió en una fase analítica para comprobar la transmisión de fuerzas entre los componentes de la conexión acero-hormigón, y una fase computacional para comprobar la zapata de cimentación que soportaba el equipo. De este modo, además de identificar la causa del fallo, también fue posible evaluar la conformidad del diseño de la estructura.

El diseño de las conexiones ancladas debe tener en cuenta el comportamiento conjunto de los materiales implicados. Tanto los modos de fallo relacionados con el hormigón como los estados límite asociados al acero del perno de anclaje deben comprobarse para definir los materiales y las dimensiones de los elementos de conexión. La figura 2 muestra los modos de fallo que pueden producirse en este tipo de conexión.

Figura 2: Modos de fallo asociados a las conexiones ancladas.

A partir del plan de cargas del equipo, se determinaron las tensiones en los componentes de conexión. La máquina analizada estaba soportada por una capa de caucho utilizada para absorber la vibración desarrollada durante el funcionamiento. Como resultado, además de la tracción y el cizallamiento en los pernos de anclaje, el brazo de palanca debido al caucho provocó el desarrollo de momentos de flexión en las barras de los pernos de anclaje, que resultó ser la tensión crítica en el análisis.

También se tuvo en cuenta el carácter dinámico de las cargas de los equipos. A partir de las tensiones definidas, se calcularon las tensiones en la sección transversal de las barras de los pernos de anclaje para comprobar la fatiga del material. Como el equipo puede funcionar en distintas direcciones, las tensiones causadas por el momento de flexión en la barra pueden ser de compresión o de tracción, como se muestra en la figura 3, lo que provoca una gran variación de las tensiones.

Figura 3: Representación del movimiento del equipo durante el funcionamiento.

Teniendo en cuenta la elevada magnitud de las tensiones, el análisis de fatiga indicó que incluso un pequeño número de ciclos de funcionamiento del equipo podría conducir a una reducción de la vida útil de los pernos de anclaje, lo que justifica el fallo que se produjo. Esta conclusión fue corroborada por un análisis metalúrgico del metal roto, que constató que la superficie de fractura presentaba grietas con características típicas de nucleación y propagación por fatiga bajo esfuerzos de flexión, seguidas de una rotura frágil del resto de la sección. También se identificaron defectos en el proceso de fabricación de los pernos de anclaje que contribuyeron a su rotura.

El modelo de elementos finitos de la zapata de cimentación se utilizó para realizar comprobaciones estructurales y geotécnicas. En esta fase, se observó que la base de la zapata tenía una superficie comprimida inferior al valor mínimo recomendado por la norma, lo que indicaba un riesgo de pérdida de estabilidad de la estructura.

Soluciones propuestas

Para restaurar la conexión entre el equipo y el hormigón, la solución propuesta fue utilizar pernos de anclaje de tipo candado, que se encuentran dentro de tubos de acero empotrados en el hormigón. Con este sistema, la base puede restaurarse sin necesidad de demoler el hormigón, requiriendo únicamente la perforación de agujeros para retirar los pernos de anclaje rotos y la instalación de nuevos tubos. Además, el proceso de mantenimiento de los pernos de anclaje es más sencillo y puede realizarse sin necesidad de desmontar el equipo.

También se recomendó un valor de pretensado para el apriete de los pernos de anclaje a fin de evitar variaciones de carga en las barras durante el funcionamiento del equipo. El sistema propuesto puede verse a continuación en la figura 4.

Figura 4: Representación del sistema propuesto para fijar los equipos.

Para evitar que las fuerzas de cizallamiento se transmitan a los cimientos a través de los pernos de anclaje, se propuso instalar una placa de cizallamiento en la base del equipo. También se recomendó sustituir la capa de caucho de la base por una lechada de alta resistencia capaz de nivelar la base y soportar las vibraciones provocadas por el funcionamiento del equipo.

Para resolver el incumplimiento de diseño relacionado con la estabilidad de la cimentación, se propuso un aumento de la altura de la base de la zapata, como se muestra en la Figura 5. De esta forma, la región con pérdida de contacto entre la estructura y el suelo se reduce al rango normativo permitido, con el fin de garantizar la seguridad de la cimentación.

Figura 5: Solución propuesta para reforzar la zapata.

Consideraciones finales

Los análisis realizados permitieron identificar la causa del fallo de la conexión anclada: la capa de caucho de la base del equipo ejerce una fuerza de cizallamiento sobre los pernos de anclaje, provocando la rotura del metal. El enfoque computacional también identificó una disconformidad en el diseño de los cimientos, relacionada con la estabilidad de la estructura.

El trabajo realizado permitió proponer soluciones a los problemas detectados. Los cambios propuestos pretenden garantizar la seguridad de funcionamiento del equipo y son fáciles de aplicar y mantener durante toda su vida útil.

La evaluación de las conexiones entre elementos de acero y hormigón debe tener en cuenta el comportamiento conjunto de estos materiales y los estados límite específicos asociados a este tipo de conexiones.

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