Comportamiento mecánico de probetas de rocas con cavidades cilíndricas

RESUMEN: El estudio realizado en el presente trabajo de fin de grado (TFG), consiste en la investigación del comportamiento mecánico de cuatro tipos de rocas, las cuales son “Arenisca Floresta”, “Caliza Moleanos”, “Mármol Macael” y “Mármol Carrara”, donde se ensayan a carga uniaxial vertical, donde se analizarán tracciones indirectas producidas en cavidades cilíndricas. El estudio de laboratorio se ha realizado en 27 probetas, donde se consideran 9 para cada tipo de roca. Estas son obtenidas de los remanentes que se utilizaron para la extracción de probetas para ensayo brasileño y compresiones simples a distintas temperaturas, trabajos realizados por el grupo de geotecnia de la Universidad de Cantabria, por lo que las cavidades tienen un diámetro estándar de 57 [mm]. Para realizar una estandarización del ensayo, se ha realizado una búsqueda bibliográfica para así tener en consideración para su ejecución, como para el análisis de sus resultados, es así que se logró determinar 2 normas relacionadas al ensayo, donde la primera describe cómo aplicar la carga sobre las probetas, indicando la duración del ensayo y el número de probetas mínimo necesario para cumplir con esta, y la segunda relativa al análisis estadístico que debe realizar sobre los datos de carga de rotura. El objetivo principal es realizar un análisis de las tensiones producidas mecánicamente en torno a una cavidad cilíndrica realizada artificialmente, las cuales principalmente serán de tracción causando su rotura, análisis que se estudia por medio de modelación numérica en 2D y 3D en el software Plaxis, de la compañía Bentley. En el cual se entregará un desarrollo de tensiones simétricas entorno al eje vertical de la cavidad, está producida por una carga unitaria de 1 [KN/mm2], donde por medio del Método del Punto y parte de la bibliografía recolectada se determinará su precisión en relación a la carga de rotura obtenida por las 9 probetas de cada roca. Este valor de resistencia de rotura se analizará previamente con un tratamiento estadístico, metodología obtenida a partir de normativa española, la cual dará una fiabilidad de los resultados obtenidos durante los ensayos e identificando un límite inferior para las resistencias a tracción obtenidas, por lo que el promedio puede que varíe al pasar por el filtro del análisis. Dentro de los resultados se revisará por medio de fotografía el modo de fractura al momento de la rotura, esperando que suceda por las zonas de alta tensión como lo arroja el modelado en Plaxis, analizando el porqué de sus semejanzas y variaciones. El estudio finaliza con la conclusión del análisis estadístico, donde inicialmente se arroja un porcentaje que representa la homogeneidad de los valores resultantes de las cargas de rotura obtenidas en laboratorio, siendo el coeficiente de variación, el cual será distinto para cada tipo roca, donde se encontraron bajas variabilidades para las rocas “Arenisca Floresta”, “Mármol Macael” y “Mármol Carrara”, y moderada para la “Caliza Moleanos”. La siguiente corresponde a la comprobación por el método del punto, el cual entrega el cociente de la relación entre la predicción realizada gracias al modelo numérico en Plaxis 2D en conjunto con el Método del Punto y los datos de rotura obtenidos luego del tratamiento estadístico previamente realizado. Donde se determina que para los mármoles el método no fue el más eficiente debido al comportamiento elasto-plástico que poseen y por otro lado la “Arenisca Floresta” y “Caliza Moleanos”, los valores fueron cercanos a 1 lo que refleja, que la consideración de comportamiento lineal-elástico fue el correcto para el método utilizado.ABSTRACT: The work carried out in this end-of-degree project consists of the line of research into the mechanical behaviour of four types of rock, which are "Floresta Sandstone", "Limestone Moleanos", "Marble from Macael" and "Carrara Marble", which are tested under vertical uniaxial load, where indirect tractions produced in cylindrical cavities will be analysed. The laboratory study was carried out on 27 test tubes, with 9 being considered for each type of rock. These are obtained from the remnants that were used to extract specimens for the Brazilian test and simple compression at different temperatures, work carried out by the geotechnical group of the University of Cantabria, so that the cavities have a standard diameter of 57 [mm]. To carry out a standardization of the test, a bibliographic search is carried out so as to take it into consideration for its execution, as well as for the application of its results. Thus, two standards were determined, the first one describes how to apply the load on the specimens, indicating the duration of the test and the minimum number of specimens necessary to comply with it, and the second one talks about the statistical analysis to be carried out on the breaking load data. The main objective is to carry out an inquiry of the stresses produced mechanically around an artificially made cylindrical cavity, which will mainly be of traction causing its breakage. This analysis is studied by means of virtual modelling in 2D and 3D in the software Plaxis, from the company Bentley. A symmetrical stress development around the vertical axis of the cavity, produced by a unit load of 1 [KN/mm2], will be provided. Using the Point Method and part of the collected literature, its accuracy will be determined in relation to the breaking load obtained by the 9 specimens of each rock. This breaking strength value will be previously analysed with a statistical treatment, methodology obtained from Spanish regulations, which will give a reliability of the results obtained during the tests and identifying a lower limit for the tensile strengths obtained, so the average may vary when passing through the filter of the investigation. Among the results, the fracture mode at the moment of breakage will be reviewed by means of photography, waiting for it to happen through the high tension zones as shown by the modelling in Plaxis, studying the reason for its similarities and variations. The study ends with the conclusion of the statistical analysis, which initially yields a percentage that represents the homogeneity of the values resulting from the breaking loads obtained in the laboratory, the coefficient of variation being different for each type of rock, where low variability was found for the rocks "Floresta Sandstone", "Marble from Macael" and "Carrara Marble", and moderate for the "Moleanos Limestone". The following corresponds to the verification by the point method, which gives the ratio between the prediction made thanks to the numerical model in Plaxis 2D together with the Point Method and the breakage data obtained after the statistical treatment previously carried out. Where it is determined that for the marbles the method was not the most efficient due to the elastic-plastic behaviour they possess and on the other hand the "Floresta Sandstone" and "Moleanos Limestone", the values were close to 1 which reflects, that the consideration of linear-elastic behaviour was the correct one for the method used.Grado en Ingeniería Civi