Desarrollo de una herramienta para diseño de falsos túneles como protección contra impacto de caída de rocas usando redes neuronales artificiales

Abstract

Se desarrolló un modelo numérico del problema de caída de rocas sobre falsos túneles, con el que se pudo predecir con buena aproximación la respuesta del sistema de protección “losa de concreto - capa de material granular disipador” ante el impacto de un bloque de roca. El modelo numérico logró integrar en un mismo análisis la respuesta de la losa de concreto reforzado y la capa de material granular ante una carga dinámica, para lo anterior se adaptó y calibró satisfactoriamente un modelo constitutivo para un material elástico anisotrópico perfectamente plástico, que permitió simular la respuesta en estado último de resistencia a punzonamiento de una losa maciza de concreto reforzado. Además, se validó satisfactoriamente el modelo constitutivo del suelo con endurecimiento plástico, para simular el comportamiento del material granular disipador ante el impacto de un bloque de roca determinado. La capacidad de predicción del modelo numérico fue validada a partir de 54 resultados de experimentos a gran escala (1:0,5 a 1:1) extraídos de los trabajos más exhaustivos y recientes en el estado del arte para el análisis y diseño de falsos túneles. Finalmente, se desarrolló un algoritmo para diseño de falsos túneles, que usa el modelo numérico calibrado, y que permite obtener el diseño óptimo del conjunto “losa de concreto - capa de material granular disipador” ante el impacto de un bloque de roca, a partir del método de diseño estructural por resistencia especificado en el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10. Como subproducto del algoritmo de diseño y con la ayuda de redes neuronales artificiales, se elaboró una serie de tablas de diseño de fácil uso; concebidas para servir en tareas de dimensionado de falsos túneles y comparación económica de alternativas./ Abstract.It was developed a numerical model of the problem of rock blocks falling onto rockfall galeries which can predict with good approximation the response of the protection system "concrete slab - layer of granular material" under the impact of a block of rock. The numerical model integrates into a single analysis the response of a reinforced concrete slab and the layer of granular material under a dynamic load, for the above was adapted and successfully calibrate a constitutive model for anisotropic elastic perfectly plastic material to simulate the ultimate punching shear strength of a reinforced concrete slab. Additionally it was successfully validated the hardening soil model material to simulate the behavior of a granular layer under the impact of a given block of rock. The predictive power of the numerical model was validated from results of 54 experiments on a large scale (1:0,5 to 1:1) extracted from the most comprehensive and recent works in the state of the art for the analysis and design of rockfall galeries. Finally, it was developed a design algorithm that uses the calibrated numerical model for establishing the optimum design of the whole protection system "concrete slab - layer of granular material" to resist impacts from rock blocks, from the structural design by resistance method specified in Regulation Colombian Earthquake Resistant Construction NSR-10. As a byproduct of the design algorithm for the problem of falling rocks onto rockfall galeries and with the help of artificial neural networks was developed a series of design tables oriented to support the sizing of rockfall galeries and economic comparison of alternatives.