Carga Puntual v1r6i

ENSAYO DE RESISTENCIA A LA CARGA PUNTUAL ASTM D5731-95 Determinar el índice de resistencia a carga puntual de la roca. Observaciones Este método se aplica a rocas con una resistencia a compresión uniaxial superior a 20 MPa. Cantidad de muestra Son recomendables al menos 12 especímenes con dimensiones entre 30 y 85 mm y una relación Altura/Diámetro 2.5 < L/D > 2. Generalidades El ensayo de carga puntual se utiliza para determinar la resistencia a la compresión simple de fragmentos irregulares de roca, testigos cilíndricos de sondajes o bloques, a partir del índice de resistencia a la carga puntual (Is), de tal forma que el stress aplicado se convierte a valores aproximados de UCS, según el diámetro de la muestra. El procedimiento consiste en romper una muestra entre dos puntas cónicas metálicas accionadas por una prensa. Las ventajas de este ensayo son que se pueden usar muestras de roca irregulares sin preparación previa alguna y que la maquina es portátil. RELACIÓN DE ESBELTEZ: La probeta a ser ensayada debe tener la siguiente relación: L/D = 1.4 Donde: L = Longitud de la probeta (cm). D = Diámetro de la probeta (cm). FÓRMULA MATEMÁTICA: Is = P/D² Donde: Is = Índice de Carga Puntual Franklin (Kg/cm²). P = Carga última de rotura (Kg). D = Diámetro de la probeta (cm). Estimación de la “dc”, en relación a la Carga Puntual. FÓRMULA MATEMÁTICA: dc = (14 + 0.175 D) Is Donde: dc = Resistencia Compresiva de la roca en (Kg/cm²). D = Diámetro de la probeta en mm. Procedimiento 1. Concebir una idea general de la roca en cuanto a su litología y estructuras. 2. Identificar las muestras. 3. Medir las dimensiones de la muestra.

4. Dependiendo del tipo de muestra (ver figura 1), se sitúa el testigo entre las puntas cónicas de la maquina, resguardando que se cumplan las configuraciones de carga y requerimientos de forma del testigo. 5. Se recubre la maquina con una bolsa resistente cuyo fin será el de evitar que al momento de fallar la roca no salten fragmentos y dañen a personas u objetos de alrededor. 6. Una persona se encarga de medir la presión a la cual esta siendo sometida la muestra mediante un manómetro conectado directamente a la prensa hidráulica. 7. Una segunda persona será la encargada de ir aumentando paulatinamente la presión en la prensa hidráulica. 8. Una vez falle el testigo se retira y se analizan las condiciones y modo de ruptura (Figura 2).

Figura 1: Configuración de carga y requerimientos en la forma de los testigos (a) muestra diametral, (b) muestra axial, (c) bloque y (d) muestra irregular. L = largo, W = ancho, D = diámetro, y De = diámetro del núcleo equivalente

Figura 2: Modos típicos de falla para muestras validas e invalidas (a) muestras diametrales validas; (b) muestras axiales validas; (c) bloques validos; (d) muestras invalidas. Cálculo El índice de carga puntual sin corrección se calcula de la siguiente manera:

Is = P/De2MPa Donde:  P = carga de falla, N, (Debido a que la presión se realiza a través de puntas cónicas, es necesario realizar una corrección, la cual es: P = valor medido en la maquina * 14.426 cm2)  De = diámetro del núcleo equivalente = D para muestras diametrales (ver figura 1), m, y es dada por:  De2 = D2 para muestra diametrales, mm2, o  De2=4A/π para muestras irregulares, axiales o bloques, mm2; Donde: A= WD= área de la sección transversal mínima (ver figura 1) CORRECCIÓN  Is varia en función de D en muestras diametrales, y en función de De en muestras axiales, irregulares y bloques. El índice de resistencia a la carga puntual corregido [Is (50)] es definido como el valor de Is medido en muestras diametrales con D=50mm.



Cuando se tienen muestras de variados diámetros distintos a 50mm, se debe plotear P vs De2 en un grafico log-log, y con una regresión lineal se puede determinar el valor de Is50. El valor promedio de Is (50) se calcula eliminando los 2 valores más altos y los 2 valores más bajos de 10 o más ensayos validos. Si pocos especímenes son testeados, solamente el valor más alto y mas bajo se descarta y se promedian el resto.



El valor de la resistencia a la compresión uniaxial a partir del Is (50) es el siguiente: UCS= 23*Is (50) Cuando se tiene un Is corregido a un diámetro distinto de 50 mm, la relación entre UCS e Is es distinta (figura 3).

Figura 3 Valor generalizado de C. UCS=C*Is

ABORATOR IO N°6ENSAY

O DE CARGA PUNTUALO bjetivo El ensayo determina el

Indice de Resistencia

I s (50) en

testigos de roca querequieren

de poca preparación y que pueden tener formas regulares o irregulares.

Uso

Se utiliza en la clasificación de materiales rocosos. También para estimar otrosparámetro s de esfuerzo

como por ejemplo: Tracción uniaxial o compresiónuni axial.

Equipo

El equipo utilizado es la versión portátil que consta de:Sistema de carga- Lector de carga-

Lector de distancia Sistema de carga Marco de carga- El marco de carga esta diseñado y construido de

manera que por la aplicaciónrepeti da de la carga no se desvíe y las puntas cónicas permanezcan

coaxialescon una desviación máxima de 0.2 mm.- Se puede fijar en posiciones que permitan la colocación de

testigos de rocacon diferentes dimensiones. Generalmente estas dimensiones varían de 15

a100 mm.Dos puntas cónicasLas puntas cónicas deben tener asientos rígidos de manera que no existanproblem

as de deslizamientos cuando los testigos de geometría irregular seanensayado s.- Una de ellas

está fija al marco de carga y la otra está situada en el cilindrohidráulic o.- Las puntas son conos esféricamente

truncados. El cono es de 60°y el radio dela esfera es de 5 mm y deben coincidir tangencialment e. (figura

1)Cilindro hidráulicoEl cilindro hidráulico es accionado mediante una bomba hidráulica

manual a travésdel cual se aplica la carga de compresión sobre la muestra. Lector de carga

Dos manómetros calibrados con aguja de arrastre para registrar la carga

máximade falla. Lector de distancia Un sistema de medición instalado sobre el marco de

carga que registra ladistancia entre los puntos de o de las puntas cónicas con el testigo.

Calibración El equipo debe ser calibrado periódicamente usando una celda de cargacertificad a y un juego de

bloques para chequear que las lecturas de PyD esténdentro de los rangos previamente establecidos

para este ensayo.

Selección de muestras - Los testigos pueden tener las siguientes

formas:(a) testigos cilíndricos de roca (ensayo axial o diametral)(b) bloques cortados

(ensayo de bloques)(c) pedazos irregulares (ensayos de pedazos irregulares)Una muestra

está definida por un grupo de testigos de similares característicasg eológicas y mecánicas para el cual se

determinara un solo valor de índice deresistencia

I s (50).

- La muestra debe contener

suficientes testigos con las medidas y formasrequerid as para el ensayo diametral, axial, de bloques o

de pedazosirregul ares.

Procedimie nto Ensayo diametral (figura 2a)a)

Los testigos de forma cilíndrica apropiados para este ensayo son los quetienen relación longitud/

diámetro mayor que 1.b) Deben ser por lo menos 10 testigos por muestra y más si la muestra esheterogénea

o anisotrópica.c) El testigo es colocado en la máquina de ensayo y las puntas cónicas deben juntarse

hasta hacer o con un diámetro del testigo, asegurando que ladistancia L entre el punto de o y la

base libre más cercana sea 0.5veces el diámetro D o mayor.d) Si la muestra es de material blando de manera que

se produzca unasignificativa penetración de las puntas en el momento de la falla, deberegistrarse esta distancia

como D.e) La distancia D es registrada con aproximación al mm.f) La carga es aplicada bombeando en forma

constante de manera que la fallaocurra dentro de los 10 o 60 segundos de iniciada la carga.g) Se

anota la carga de ruptura P.h) Si la superficie de falla pasa solo a través de un punto de carga, el ensayo noserá

considerado válido.i) El procedimiento será repetido para el resto de los testigos de la muestra.Ensay

o axial (figura 2b)a) Las testigos cilíndricos utilizados en este ensayo deben cumplir con la

relaciónlongitud /diámetro de 0.3 a 1.b) Las piezas de los testigos que han sido utilizadas en los ensayos

diametrales yque cumplen con la condición a) pueden ser usados en el ensayo axial.Se repiten

los pasos b), c), d), e), f), g), h), i) del procedimiento para el ensayodiametr al.

Ensayo de bloques y pedazos irregulares (figura 2c y 2d)a) En este ensayo se utilizan bloques

de roca o pedazos irregulares dedimensiones entre 15 a 85 mm y de las formas mostradas en

la figura. Larelación D/W debe ser entre 0.3 y 1.0, preferiblemente cercano a 1.0.b) La distancia L

deberá ser de por lo menos 0.5 W. Las muestras de este tamañoy forma serán seleccionadas si están

disponibles o deberán ser preparadas,obt eniéndolas de piezas grandes.c) El testigo es colocado en la

máquina de ensayos y las puntas cónicas seajustarán hasta hacer o con la menor dimensión del

bloque o pedazo.d) Se harán por lo menos 10 ensayos por muestra y más si son heterogéneas

oanisotrópicas. e) La distancia D entre los puntos de o del testigo con las platinas estomada con

aproximación a 0.1 mm. El ancho W perpendicular a la direcciónde carga es anotado con una

aproximación al mm. Si los lados no sonparalelos entonces W es calculado como (W 1

+W

2

) / 2.f) La carga debe ser aplicada constantement e de manera que la falla ocurra entrelos 10 y 60

segundos de iniciada la carga. La carga última P es anotada. Elensayo deberá ser anulado sí la

superficie de falla no pasa a través de lospuntos los puntos de aplicación de la carga.g) El procedimiento

se repite para el resto de testigos de la muestra.

Cálculos El esfuerzo de carga puntual

I

s

= P , donde D e

(diámetro equivalente) es:D e2

en el ensayo diametral D

e2

=D 2

en el ensayo axial, de bloques o pedazos irregulares D e2

= 4A

π donde A = WD y entonces D e2

= 4WD

π Correcciones-

I s

varía como una función de D en el ensayo diametral y como una función deD e

en el ensayo axial, de bloques y pedazos irregulares, por eso se debeaplicar una corrección

para obtener un valor único de esfuerzo de cargapuntual para una muestra de roca. y para que este valor

pueda ser usado parapropósitos de clasificación de la roca.- El valor de esfuerzo de

carga puntual corregido

I s (50)

de un testigo o muestrade roca está definido como el valor

I s

medido en un ensayo diametral condiámetro D= 50mm.

- El método más efectivo de obtener

I s (50)

es ejecutar ensayos diametrales

muycerca de D=50mm. La corrección entonces no será necesaria o se introduciráun mínimo de

error (p.e. en el caso de ensayos diametrales de testigoscilíndric os NX con D=54mm, la corrección no

es necesaria). Sin embargo no todos los ensayos de carga puntual son ejecutados con estos

testigos por loque la siguiente corrección debe ser aplicada:

I s (50)

=FxI s

donde el factor F es la siguiente expresión:

F = (D e

/50) 0.45

- Para testigos con medidas cerca del estándar 50 mm, un pequeño error

seráintroducido si se usa la expresión:

F = (D e

/50) 0.5

- Los resultados finales

I s (50)

serán calculados eliminando los

dos valores másaltos y los dos más bajos de una muestra de 10 o más ensayos válidos ycalculando el

promedio con los valores restantes. Si los ensayos válidos fueranpocos solo se eliminará el

mayor y el menor y se calculará el promedio con losrestantes.Los resultados de los ensayos diametrales,

axiales, de bloques y pedazosirregul ares deben ser calculados separadamente .- A partir del índice de carga

puntual corregido

I s (50)

se puede utilizar la formulade E. Broch y J. A.

Franklin para estimar la resistencia a la compresión noconfinada:

σσσσ c

= 24 I

s (50)

Informe - Procedencia, ubicación y tipo de roca.Contenido de agua de la roca al momento del

ensayo.- Una tabla con los valores de P, D, W, D e,

D e2

,I s,

F, I s (50)

y tipo de ensayo quese aplicó de cada testigo.Determinar el

σσσσ c

de la muestra de roca ensayada.

Observacio nes

Cuando se introdujo el ensayo de carga puntual se usó principalmente parapredecir el esfuerzo de

compresión uniaxial que en ese entonces era el ensayoestablec ido para la clasificación de la roca.Ahora el

esfuerzo de carga puntual puede reemplazar al ensayo de compresiónuni axial si se realiza

siguiendo las normas establecidas.

Referencias ASTM D 573195ISRM Suggested Method for

Determining Point Load Strength