Mecanismo de la geometría de las costillas del perno en el control de la transición de fallo frágil a dúctil en las interfaces perno-lechada

Mantener unidas las rocas subterráneas

Los túneles y cavernas profundas —ya sean para trenes, hidroeléctricas o minería— dependen de varillas metálicas llamadas pernos de roca para evitar que el macizo circundante se desplome. Estos pernos se fijan en perforaciones con una lechada similar al cemento, y pequeñas estrías a lo largo del perno ayudan a bloquear todo. Este estudio muestra que el tamaño y el espaciamiento de esas estrías pueden determinar si el sistema de sostenimiento falla de forma repentina y peligrosa, o si se deforma y absorbe energía de manera más segura y permisiva.

Por qué importa la forma de las estrías del perno

En un perno completamente enlechado, las cargas se transmiten desde la barra de acero a la lechada y luego a la roca. El eslabón débil suele ser la delgada zona de contacto entre perno y lechada. Los ingenieros saben desde hace tiempo que cambiar el patrón de estrías en un perno modifica la resistencia de esa conexión, pero no exactamente por qué. Los autores se centran en una medida geométrica sencilla: la relación entre el espaciamiento de las estrías y su altura. Al variar sistemáticamente esta relación, plantean cómo la geometría de las estrías controla si el enlace se rompe de forma frágil y brusca o se deforma de manera más gradual, absorbiendo energía.

Ensayando pernos hasta que se extraen

El equipo realizó ensayos de extracción controlados en laboratorio con tres tipos de pernos de acero de alta resistencia embebidos en bloques de granito fuerte usando mortero cementoso estándar. Un perno tenía estrías con espaciamiento estrecho, otro presentaba estrías más separadas y un tercero tenía cada segunda estría eliminada para maximizar el espaciamiento. Aunque todos los pernos soportaron cargas máximas similares, sus modos de fallo fueron muy diferentes. El perno de estrías juntas tendía a cortar la lechada limpiamente a lo largo de la interfaz, dejando una superficie cilíndrica lisa y material triturado atrapado entre las estrías —un fallo por corte frágil clásico con una caída brusca de la carga tras superar el pico.

De roturas súbitas a fallos por deformación

Los pernos con estrías más separadas se comportaron de forma más gradual. En lugar de una rotura aguda, sus curvas carga‑desplazamiento mostraron un pico más ancho seguido de un descenso lento, con una resistencia sustancial incluso tras desplazamientos apreciables. Al abrir las probetas, la lechada entre estrías no solo estaba cortada, sino también triturada y desplazada hacia afuera, causando grietas visibles y una ligera dilatación en la roca circundante. Este combinado de corte y abultamiento —conocido como dilatación por corte— distribuyó el daño en una región más amplia y permitió que el sistema absorbiera dos veces y media hasta más de tres veces la energía antes de la carga máxima en comparación con el caso frágil. Medidas de deformación a lo largo de los pernos confirmaron que, en estos casos dúctiles, las fuerzas penetraban más profundamente en la lechada, comprometiendo más material en la resistencia.

Mirando dentro con granos digitales

Para entender lo que ocurre en el interior de la lechada, donde los experimentos no alcanzan a ver fácilmente, los autores desarrollaron un modelo numérico detallado usando un método de elementos discretos. En este enfoque, la lechada y la roca se representan como muchos pequeños partículas unidas entre sí, de modo que las grietas pueden formarse y crecer de manera natural. Tras ajustar cuidadosamente el modelo para que coincidiera con los datos experimentales de tensión‑deformación y las curvas de extracción, siguieron la evolución de fuerzas y grietas alrededor de estrías con distinto espaciamiento. En los casos de estrías cercanas, las trayectorias de fuerza discurrían casi horizontalmente a lo largo de la interfaz y las grietas se fusionaban rápidamente en una delgada banda de corte, explicando la pérdida súbita de resistencia. Para mayor espaciamiento, las cadenas de fuerza salían de las estrías en ángulos pronunciados y penetraban profundamente en la lechada, mientras que las grietas se formaban como una red dispersa de fracturas inclinadas por tracción‑corte a lo largo de una zona más amplia.

Cómo la geometría crea agarre adicional

Las simulaciones también revelaron que, a medida que la lechada entre estrías ampliamente separadas se tritura y desliza, se ve forzada a expandirse lateralmente. Esta expansión auto‑generada presiona con más fuerza contra el material circundante, creando un esfuerzo confinante interno que en realidad aumenta la fricción y la resistencia residual a lo largo de la interfaz. En otras palabras, la geometría adecuada de las estrías convierte la interfaz en un absorbedor activo de energía: en lugar de permitir que falle un único plano delgado, fomenta que una región más gruesa de material fisure, se triture y se deslice de forma controlada mientras sigue soportando carga.

Diseñar sostenimientos subterráneos más seguros

Para el público en general, el mensaje clave es que las pequeñas estrías en un perno de roca no son meros detalles de fabricación: son palancas de diseño potentes. Al aumentar la relación espaciamiento‑altura de las estrías hasta un rango optimizado, los ingenieros pueden desplazar deliberadamente el modo de fallo de una rotura súbita y frágil hacia una deformación gradual y dúctil que absorbe mucha más energía. Este conocimiento respalda un cambio de hacer pernos simplemente más resistentes a diseñar cómo deben fallar, posibilitando sistemas de sostenimiento que resistan mejor los reventones de roca, grandes movimientos del terreno y otras condiciones subterráneas extremas.

Cita: Bian, W., Yang, J., Lu, X. et al. Mechanism of bolt rib geometry in controlling the brittle-to-ductile failure transition of bolt-grout interfaces. Sci Rep 16, 10836 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43567-9

Palabras clave: pernos de roca, túneles subterráneos, seguridad estructural, absorción de energía, fallo de materiales