PT2094944E - Parafuso de ancoragem deformável - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "Parafuso de ancoragem deformável"

Introdução

Este invento refere-se à união por meio de parafusos para reforço de rochas sujeitas a deformação lenta ou rebentamento repentino. A união por meio de parafusos é a medida mais comummente utilizada para o reforço de rochas em escavações subterrâneas. Consomem-se todos os anos no mundo inteiro milhões de parafusos de ancoragem. As exigências básicas aos parafusos de ancoragem são que os mesmos têm de ser capazes de suportar não apenas uma carga pesada, como também resistir a certos alongamentos antes da rotura do parafuso. Em massas rochosas sujeitas a elevadas tensões, a rocha reage à escavação quer na forma de grande deformação em rochas fracas, quer na forma de rebentamento de rochas em rochas duras. Nestas situações, são necessários parafusos que tolerem a deformação (ou que absorvam energia) de modo a alcançar um bom efeito do reforço da rocha. Em particular, na indústria mineira, esta necessidade de parafusos que tolerem a deformação é ainda mais forte do que em outros ramais de rocha, uma vez que as actividades mineiras vão cada vez mais fundo e os problemas da deformação das rochas e do rebentamento das rochas tornam-se cada vez mais graves.

Arte anterior A W099/61749 de Ferguson: "Rock bolt and method of forming a rock bolt" descreve entalhes que formam secções de palheta formadas ao deformar plasticamente uma porção de uma barra de aço, sendo a deformação feita através da aplicação de uma força de corte excêntrica sobre a barra, resultando em palhetas tais como as redesenhadas na Fig. 8 do presente pedido. A finalidade do parafuso de ancoragem de Ferguson é que a palheta melhore a mistura, e que a formação de corte da palheta não deforme plasticamente o parafuso axialmente nem para os lados do parafuso. Ferguson propõe um invólucro expansível montado com a inclusão de cunhas que actuam radialmente para interacção com as palhetas para expandir os invólucros, de modo a bloquear o parafuso contra a parede do 2 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ buraco do parafuso. Ferguson propõe ainda uma pluralidade de secções de palheta formadas ao longo da extensão do parafuso. Uma desvantagem significativa das palhetas de Ferguson é que o método de fabrico, que envolve a deformação de uma porção do parafuso através da aplicação de uma força de corte excêntrica, faz com que a secção de palheta constitua o ponto mais fraco, de modo que pode não proporcionar um efeito de ancoragem satisfatório. 0 pedido de patente US 2005/0158127A1, também de Ferguson, "Yielding strata bolt", descreve um parafuso de ancoragem que tem um cordão que pode ceder ao deslizar através dos elementos de ancoragem em vez de ser pela cedência do material do cordão, e desse modo controlar o movimento das rochas instáveis dentro das quais o parafuso está disposto. 0 cordão, como tal, pode ser constituído por fios de arame ou uma barra de metal, e tem um tubo envolvente disposto como um mecanismo de escorregamento de argamassa. Os elementos de ancoragem de argamassa são constituídos por duas partes de ancoragem simétricas presas ao cordão, ver por favor a Fig. 9 do presente pedido. Uma desvantagem do US2005/0158127 é o facto de o elemento de tensão apenas ser deformado e não reforçado em comparação com a porção direita do mesmo, e assim o parafuso fica susceptível a partir no elemento de ancoragem, em particular se o elemento de tensão for feito de uma barra sólida. Uma outra desvantagem da US2005/0158127 é o mero número de componentes necessário para formar um parafuso de ancoragem que funcione. A patente Alemã DE 35 04 543 define um varão de ancoragem para ser inserido e cheio com argamassa ou colado dentro de furos em cavidades de subsuperfície. 0 elemento de ancoragem tem um varão de ancoragem com secções que têm uma superfície perfilada para ligação à rocha e uma porção roscada de uma só extremidade com uma porca integral com ou soldada ao próprio varão. O varão de ancoragem tem uma placa de ancoragem fixa, integral ou soldada, que separa a porção roscada externa e a porção parcialmente perfilada de furo interno do varão de ancoragem, e pode assim não ser utilizada para submeter a tensão antecipadamente o varão de ancoragem no furo. Um perfil de superfície do varão de ancoragem é formado através de uma formação de onda na direcção 3 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ longitudinal de um varão originalmente liso com uma secção transversal redonda. O varão da DE 35 04 543 tem três secções consecutivas para assentamento num furo: uma porção média lisa sem projecções do varão de ancoragem com uma transição para uma porção com ondas do varão em qualquer das extremidades da secção média lisa, tendo a transição uma amplitude de onda crescente na direcção para fora a partir da secção média lisa. A porção lisa é para aguentar forças longitudinais que surgem depois da deformação da rocha ter ocorrido, mas pode não impedir a deformação inicial da rocha devido ao facto de o parafuso de ancoragem poder não ser submetido a tensão antecipadamente no furo.

Problemas a serem resolvidos

Em conformidade com o mecanismo de ancoragem, todos os dispositivos de união com parafuso são classificados em três categorias: (a) parafusos mecânicos; (b) parafusos totalmente inseridos com argamassa, e (c) parafusos de fricção. (a) : Os parafusos mecânicos convencionais são de ancoragem em dois pontos em buracos abertos. Os mesmos não são fiáveis no caso da deformação de grandes rochas. (b) : Os parafusos totalmente inseridos com argamassa referem-se a parafusos de barra de reforço inseridos com argamassa em buracos quer com cimento quer com resina epóxi. Um parafuso de barra de reforço é feito de uma barra de aço com nervuras na sua superfície cilíndrica. Este tipo de parafuso é duro e tolera apenas pequenas deformações antes da rotura. Observou-se com frequência que os parafusos de barra de reforço falham em massas rochosas que estão altamente submetidas a tensão (Li, 2006a). (c) : Os parafusos de fricção podem suportar uma grande deformação, mas a sua capacidade de suporte de carga pode ser bastante baixa. Por exemplo, um parafuso de ajuste de abertura normalizado apenas pode suportar uma carga de cerca de 50 kN (Stillborg, 1994). 4 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ

Entre todas as alternativas dos parafusos de ancoragem presentemente disponíveis no comércio, o parafuso mais adequado para combater os problemas da deformação de rochas e do rebentamento de rochas pode ser o chamado parafuso com cone Sul Africano (Li e Marklund, 2004). O parafuso de cone pode alongar muito e, ao mesmo tempo, suportar uma carga bastante grande. Contudo, é um parafuso ancorado em dois pontos com um cone invertido na extremidade interna de um parafuso polido de outra forma que se instala num buraco cheio com cimento. O elemento de ancoragem de superfície pode ser uma placa segura por uma porca na extremidade exterior roscada do parafuso. Uma falha de um dos elementos de ancoragem, por exemplo na superfície da parede, iria conduzir a uma perda completa da sua função de reforço de rocha.

No que diz respeito ao reforço da rocha em massas de rocha altamente submetidas a tensão, as desvantagens dos parafusos presentemente disponíveis são: - os parafusos de barra de reforço são demasiado duros e toleram um alongamento muito limitado (à volta de 10 mm) antes da rotura; - os parafusos de fricção proporcionam uma capacidade de suporte de carga muito baixa; - os parafusos de cone não são suficientemente fiáveis devido ao seu mecanismo de ancoragem de dois pontos.

Padrões de carga de parafusos em massas de rocha diferentes

Em rochas fracas, um grande volume de rocha à volta de uma abertura subterrânea será sujeito a rotura no caso de tensões elevadas no local. A magnitude da deformação das rochas é maior na superfície de parede da abertura e diminui na direcção do lado de dentro da massa de rocha. Este tipo de deformação de rocha resulta no facto de os parafusos de ancoragem serem muitas vezes severamente carregados na área perto da superfície de parede (Sun, 1984; Li e Stillborg, 1999). Isso explica porquê muitos parafusos de barra de reforço falham no enroscar em massas de rocha amplamente 5 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ deformadas (Li, 2006a). Algumas vezes, pode até ser desenvolvida uma grande fractura de corte vários metros para trás da superfície de parede (Li, 2006b). Neste caso, exige-se que os parafusos tenham de possuir também capacidade de suporte de carga e deformação em locais fundos.

Numa massa de rocha unida, um parafuso é localmente carregado em locais onde o parafuso intersecta as uniões de rocha que estão a ser abertas (Bjõrnfot e Stephansson, 1984). Podem existir vários picos de carga ao longo do comprimento de um parafuso, e a secção de parafuso mais carregada pode estar situada profundamente dentro da rocha. Neste tipo de massa de rocha, é exigido que o parafuso tenha uma boa capacidade de suporte de carga e também uma elevada capacidade de suporte à deformação ao longo de todo o seu comprimento.

Características desejadas para um parafuso ideal

Um parafuso ideal para massa de rocha amplamente deformada deve ser capaz de suportar uma carga grande assim como sendo capaz de aguentar um alongamento extenso. Além do mais, o mecanismo de ancoragem do parafuso deve ser fiável.

Breve resumo do invento

Os problemas acima podem ser resolvidos pelo presente invento, o qual é um parafuso de ancoragem que se destina a ser inerido com argamassa num furo numa rocha, sendo o referido parafuso de ancoragem caracterizado por: - uma haste maciça cilíndrica alongada com uma porção roscada na porção de superfície de furo da referida haste, estando a referida porção roscada provida de uma ou mais porcas e uma ou mais anilhas, polias ou placas de face dispostas para submeter a tensão antecipadamente o parafuso de ancoragem no furo; compreendendo a referida haste três ou mais comprimentos extensos de porções de haste, estando cada porção de haste seguida por um elemento de ancoragem integrado, sendo os referidos elementos de ancoragem de curta 6 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ extensão em comparação com a extensão das referidas porções de haste, estando os referidos elementos de ancoragem distribuídos com separações ao longo do comprimento da referida haste; - estando os referidos elementos de ancoragem ancorados localmente em relação às suas porções de parede de furo locais correspondentes para aguentarem a carga que surge devido à deformação da rocha; - estando as referidas porções de haste dispostas para escorregarem em relação à argamassa ou ao furo, de modo a que cada uma das referidas hastes permita constranger a deformação de rocha local através do alongamento das referidas porções de haste entre pares de um elemento de ancoragem precedente localmente ancorado e um elemento de ancoragem consecutivo localmente ancorado.

Vantagens do invento 0 presente invento tem certas vantagens sobre a W099/61749 pelo facto de os elementos de ancoragem do presente invento constituírem não os elementos mais fracos mas os elementos mais fortes do parafuso de ancoragem, de modo que não estão susceptíveis à deformação ou rotura sob carga, e podem assim proporcionar um efeito de ancoragem satisfatório. O presente invento também proporciona vantagens sobre o pedido de patente US 2005/0158127A1 pelo facto de o elemento de tensão ser novamente trabalhado para formar elementos de ancoragem reforçados em comparação com as porções direitas da haste de parafuso de ancoragem, e assim o parafuso fica susceptível a ceder ao longo das porções de haste e não nos elementos de ancoragem. Uma outra vantagem sobre a US2005/0158127 é a redução significativa dos componentes (pelo menos 6 componentes) necessários para formar um parafuso de ancoragem que funcione, na concretização mais simples formado por uma haste de aço alongada com elementos de ancoragem integrados formados a partir da mesma peça em branco. 7 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ

Descrições dos desenhos 0 invento foi ilustrado nos desenhos anexos, os quais se destinam a ilustrar o invento, e os quais não deverão ser construídos como forma de limitar o invento, o qual apenas será limitado pelas reivindicações anexas. A Fig. 1 é uma vista em alçado lateral de um parafuso de ancoragem de acordo com o invento, aqui ilustrado numa concretização básica que compreende apenas uma haste com porções de ancoragem integradas distribuídas de modo regular, para serem ancoradas no cimento ou resina quando endurecido num furo. A Fig. 2 é uma vista em alçado lateral de um parafuso de ancoragem de acordo com o invento, aqui ilustrado e disposto numa secção de um furo com as porções de ancoragem integradas ancoradas por argamassa endurecida em cimento ou em alternativa, resina. Por razões de simplicidade, apenas se encontra ilustrada a argamassa adjacente aos elementos de ancoragem. Encontra-se ilustrada uma porção de haste que abarca uma fenda que abriu entre dois blocos da rocha, e a porção de haste estendeu-se enquanto os elementos de ancoragem adjacentes permaneceram fixos em relação aos seus perímetros de furo locais. A Fig. 3 é uma vista em alçado lateral de um parafuso de ancoragem de acordo com uma concretização do invento, aqui ilustrado com uma porção roscada com uma anilha e/ou uma placa de face e uma porca no lado esquerdo do desenho, e ilustrado ainda com um misturador de extremidade opcional no lado direito do desenho. A Fig. 4 é uma vista em alçado lateral de um parafuso de ancoragem de acordo com uma concretização do invento, aqui disposto de modo inserido com argamassa entre o fundo do buraco e uma anilha na superfície da rocha. Apenas as porções da argamassa em torno dos elementos de ancoragem se encontram ilustradas por razões de simplicidade, e todo o anel em torno do parafuso ficará normalmente cheio de argamassa. 8 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ

As Figs. 5a, b, c, d, e e ilustram concretizações diferentes dos elementos de ancoragem de acordo com o invento. A Fig. 5a ilustra uma concretização do elemento de ancoragem no qual uma porção curta da haste foi achatada para proporcionar um elemento de ancoragem alargado e integrado. O achatamento pode ter lugar segundo um ligeiro recalcamento simultâneo longitudinal, de modo a proporcionar uma resistência à cedência dos referidos elementos de ancoragem mais elevada do que a resistência à cedência das porções de haste adjacentes. A Fig. 5b ilustra uma outra concretização do elemento de ancoragem onde uma porção curta da haste foi encurtada pelo recalcamento longitudinal. A Fig. 5c é uma ilustração de um elemento de ancoragem com três lobos que mostra um certo afunilamento para fora na zona de transição na direcção de qualquer das extremidades. A Fig. 5d ilustra um parafuso de ancoragem de acordo com o invento, que tem elementos de ancoragem com uma abertura em forma de olho. A Fig. 5e ilustra uma concretização de um elemento de ancoragem conformado por recalcamento de modo semelhante ao recalcamento da Fig. 5b. A Fig. 6 mostra duas formas alternativas de misturadores de extremidade da arte anterior, os quais podem estar opcionalmente dispostos na extremidade do furo de fundo do parafuso de ancoragem do invento. A Fig. 6a mostra um misturador de extremidade separado em Y, e a Fig. 6b mostra uma placa de misturador de extremidade soldada à extremidade do furo de fundo da barra. A Fig. 7 ilustra que, sempre que a porção principal da deformação venha a ser absorvida ao alongar a porção de haste entre os elementos de ancoragem, também pode ser aguentada uma proporção da deformação como um movimento de deslize longitudinal relativamente curto de um elemento de ancoragem na argamassa endurecida. A Fig. 8 é uma vista isométrica redesenhada a partir da W099/61749 de Ferguson, que mostra os entalhes que formam secções de palheta formadas ao deformar uma porção de uma barra de aço, sendo a deformação feita através da aplicação de uma força de corte excêntrica mecânica sobre a barra. 9 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ A Fig. 9 é uma vista em secção longitudinal redesenhada a partir da US2005/0158127, também de Ferguson, que mostra um elemento de submeter a tensão ou arames de submeter a tensão num tubo deformado por um elemento de ancoragem de prisão de duas peças. A Fig. 10 mostra duas concretizações de misturadores de extremidade.

Descrição das concretizações do invento O parafuso de ancoragem de acordo com o invento aproxima-se de um parafuso que proporciona as qualidades necessárias de um parafuso ideal acima mencionado. Dá-se o nome de parafuso deformável, abreviado por "Parafuso-D". O parafuso deformável de acordo com o invento é um parafuso ancorado de múltiplos pontos preparado para ser inserido com argamassa, quer com cimento quer com resina epóxi, num furo. A Fig. 1 mostra a vista em alçado lateral do parafuso de acordo com uma concretização básica do invento, que compreende uma haste de varão (1), de preferência de aço liso, com três ou mais elementos de ancoragem integrados (2a, 2b, 2c, . .., 2n) distribuídos ao longo do comprimento da haste de varão. Enunciado por outros termos, o invento compreende um parafuso de ancoragem a ser inserido com argamassa através da argamassa (g) num furo (b), compreendendo o parafuso de ancoragem uma haste maciça cilíndrica alongada (1) que compreende comprimentos extensos de porções de haste (ls) separados por elementos de ancoragem integrados (2), distribuídos com separações (La) ao longo do comprimento da referida haste (1). Os elementos de ancoragem (2a) estão preparados para serem localmente ancorados em relação às suas porções de parede de furo locais para aguentarem a carga que surge devido à deformação da rocha. As porções de haste (ls) estão preparadas para escorregarem em relação à argamassa ou ao furo, de modo a que cada uma das referidas hastes (ls) aguente tensão de alongamento local entre pares de um elemento de ancoragem precedente localmente ancorado (2) e um elemento de ancoragem consecutivo localmente ancorado (2). 10 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ Ο parafuso de ancoragem do invento, que compreende a haste (1) com elementos de ancoragem integrados (2), é, de modo vantajoso, todo feito em aço. Também podem ser utilizados outros metais que sejam quer fortes quer deformáveis.

De acordo com uma primeira aplicação do parafuso de ancoragem de acordo com o invento, as porções de haste (ls) estão adaptadas para aguentarem tensão de alongamento local devido à deformação da rocha a longo prazo, que pode ter lugar durante dias, meses ou anos depois da escavação, tal como ocorreria em rochas fracas macias.

De acordo com uma segunda aplicação do parafuso de ancoragem de acordo com o invento, as porções de haste (ls) podem aguentar cargas dinâmicas a curto prazo, tais como as cargas dinâmicas devidas a rebentamentos ou explosões de rochas. Isto é devido ao facto de o alongamento local do parafuso de ancoragem, devido a uma fenda que rebenta repentinamente indicada por "c" nas Figs. 2 e 4, a qual abre para separar as superfícies fendidas desunidas em vários centímetros, poder ser distribuída em cerca de 50 centímetros de aço se for utilizado um parafuso de ancoragem de acordo com o invento. As porções de haste entre os elementos de ancoragem irão apenas deslizar em relação à argamassa endurecida ou ao perímetro do furo. Este efeito pode não ser alcançado ao utilizar um parafuso de ancoragem de barra de reforço do qual qualquer porção tem nervuras e, desse modo, prende-se localmente praticamente por toda a secção de haste na argamassa, e que pode forçar-se a aguentar um alongamento de choque local (ALa) sobre apenas uns poucos centímetros, e assim partir, o que foi muitas vezes experimentado na arte anterior. Deste modo, também as cargas dinâmicas similares aos rebentamentos de rocha, tais como explosões, podem ser aguentadas sem o parafuso de ancoragem partir.

Numa concretização do invento, o invólucro de parafuso deverá compreender uma porção roscada (3a) disposta na extremidade de cabeça e provida de uma porca (3b) para reter uma anilha (3c) ou placa contra uma superfície de rocha. De acordo com uma concretização, a extremidade oposta para constituir a extremidade interna do parafuso de ancoragem em 11 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ relação ao furo, pode estar provida de um misturador de extremidade (4) o qual terá utilidade quando se insere o parafuso de ancoragem dentro da resina epóxi. 0 espaçamento entre dois elementos de ancoragem adjacentes é aqui denominado por La e pode ser regular. 0 comprimento de um parafuso é, assim, numa concretização, aproximadamente L = n La, onde n é o número dos segmentos de varão entre os elementos de ancoragem (ou o número dos elementos de ancoragem). Também pode ser utilizada uma distribuição não regular dos elementos de ancoragem ao longo de uma porção da haste.

De modo vantajoso, no parafuso de ancoragem do invento, as porções de haste (ls) estão dispostas para terem uma capacidade de deformação mais elevada por unidade de comprimento em comparação com os elementos de ancoragem (2). Mais ainda, no parafuso de ancoragem do invento, os elementos de ancoragem integrados (2) podem de modo vantajoso ser endurecidos, de modo a impedir que se deformem enquanto estão a ser carregados, enquanto fixos na argamassa endurecida, e para impedir que sejam fixos em baixo caso deslizem na argamassa endurecida. Enunciado de outro modo, a resistência limite dos elementos de ancoragem (2) deverá ser mais elevada do que a resistência à cedência da haste constituída pelas porções de haste (1, 1 s).

As porções de haste (1 s) estão dispostas para escorregarem em relação à argamassa endurecida ou ao furo, de modo a que cada uma das referidas hastes (1 s) aguente uma tensão de alongamento local entre pares de um elemento de ancoragem precedente localmente ancorado (2) e um elemento de ancoragem consecutivo localmente ancorado (2). A haste de varão (1) do parafuso tem, de acordo com uma concretização do invento, uma superfície lisa de preferência cilíndrica. As porções de haste podem ser mais ou menos finamente rectificadas ou polidas por técnicas como o polimento ou o electropolimento químico. A superfície pode ainda ser tratada de tal forma que a superfície do varão não tem ligação à argamassa endurecida ou tem uma ligação negligentemente baixa à argamassa endurecida. Uns meios para alcançar este objectivo consistem em revestir a superfície do varão com uma 12 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ camada fina de cera, laca, tinta ou outro meio não adesivo ou lubrificante. Quando sujeito a uma carga de tracção, os segmentos de varão entre dois elementos de ancoragem adjacentes iriam mais ou menos alongar livremente sem acoplamento à argamassa endurecida à volta.

Quando se dá o alongamento sob tensão, a haste (1) pode deslizar em relação ao seu perímetro de furo local ao ter uma superfície libertada em relação à referida argamassa endurecida, devido à redução de diâmetro devido ao chamado efeito Poisson. 0 parafuso de ancoragem de acordo com o invento pode ter as porções de haste (1 s) tratadas a nível da superfície, de modo a não ligar à referida argamassa endurecida. Isto pode ser alcançado através de um tratamento superficial químico, tal como ao ser adicionada uma camada de óxido metálico sobre a haste (1).

Nos pontos de ancoragem o parafuso encontra-se acoplado à massa de rocha. Uma exigência básica para os elementos de ancoragem é que os mesmos são mais fortes do que o varão. Isso implica que o varão entre em cedência antes dos elementos de ancoragem romperem. Os elementos de ancoragem podem ter formas diferentes. A forma do elemento de ancoragem mostrada na Fig. 1 mostra apenas uma de várias formas úteis de elementos de ancoragem. Com a concretização mostrada, o elemento de ancoragem é simplesmente formado ao achatar o varão numa direcção do diâmetro, e aumentando a dimensão na direcção ortogonal. Os elementos de ancoragem vizinhos podem ter a mesma forma achatada feita ortogonalmente na direcção de achatamento do presente elemento de ancoragem. De modo vantajoso, dado que o furo é mais ou menos direito e tem uma parede regular, os elementos de ancoragem espaçados regularmente podem fazer com que o varão de aço evite o contacto directo com a parede do furo, o que pode ajudar a fazer com que o parafuso seja inteiramente envolvido pela argamassa. Isto pode proporcionar uma protecção à corrosão melhorada da haste de parafuso em comparação com os parafusos convencionais que têm apenas um elemento de ancoragem de fundo e um elemento de ancoragem de superfície. 13 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ Ε conhecido na arte anterior que, para inserção com resina, um mecanismo de mistura, chamado misturador de extremidade, pode ser adicionado à extremidade de fundo do parafuso, ver por favor a Fig. 6. Uma alternativa para o misturador de extremidade consiste em separar a extremidade do varão numa forma de "Y", ver por favor a Fig. 6a. Outras alternativas, tal como uma lâmina soldada à extremidade, ver por favor a Fig. 6b, também são possíveis para o misturador de extremidade. A Fig. 10 mostra duas concretizações dos misturadores de extremidade úteis para utilizar em furos com resina epóxi. 0 parafuso de ancoragem de acordo com o invento pode reforçar a rocha de uma forma tal como explicado abaixo: A deformação da rocha irá em primeiro lugar carregar o parafuso de acordo com o invento através dos elementos de ancoragem. O varão, isto é, as porções de haste de parafuso entre dois elementos de ancoragem adjacentes, por sua vez, serão esticadas e alongadas. Quando de cargas extremamente elevadas, o varão irá entrar em cedência. Em alguns casos, por exemplo uma argamassa relativamente fraca, os elementos de ancoragem podem até deslizar um pouco dentro da argamassa sem uma perda significativa de reforço. Devido a estes dois mecanismos, o parafuso pode tolerar um grande alongamento, enquanto que ao mesmo tempo suporta uma carga elevada. De facto, este parafuso de acordo com o invento utiliza numa grande extensão a capacidade do material de aço quer na sua capacidade de deformação quer na resistência. O efeito de ancoragem de rocha do parafuso é assegurado dentro dos segmentos entre os elementos de ancoragem. Uma perda de ancoragem num elemento de ancoragem individual afecta apenas localmente o efeito de reforço do parafuso. Globalmente, o parafuso iria ainda trabalhar bem com uma perda de um ou mais elementos de ancoragem individuais, desde que esteja fixo no furo um ou mais elementos de ancoragem. Assume-se que, for exemplo, a porção de rosca do parafuso de acordo com o invento falha, e que a ancoragem na superfície se perde. Com os parafusos de ancoragem de dois pontos de acordo com a arte anterior, uma tal perda de ancoragem de superfície incorre numa total falha do parafuso, ao passo que o resultado de uma falha de ancoragem de superfície com o parafuso do invento é uma perda de reforço apenas no segmento do parafuso entre a 14 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ rosca e ο primeiro elemento de ancoragem que está mais perto da superfície. O resto do parafuso não é afectado pela falha do segmento de superfície da rosca, uma vez que ainda está bem ancorado na rocha pelos elementos de ancoragem não afectados que restam. A rosca deve ser pelo menos tão forte quanto o varão de aço ou ainda mais forte. Por conseguinte, o diâmetro nominal da rosca deve ser maior do que o diâmetro do varão, de modo a que o diâmetro eficaz da rosca seja igual ou maior do que o diâmetro do varão. Uma outra concretização do invento consiste em conduzir um tratamento metalúrgico especial à porção de rosca, de modo que a sua resistência se torne mais elevada do que a do varão. A capacidade de deformação da rosca não é particularmente relevante. A questão principal acerca da rosca é que a rosca é feita tão forte que o varão de aço entre a rosca e o primeiro elemento de ancoragem tem uma hipótese de entrar em cedência. Se for feito desta maneira, a deformação limite antes da rotura do varão será significativamente grande.

Um exemplo de um parafuso de ancoragem de acordo com o invento está apresentado abaixo e ilustrado na Fig. 3. Assume-se que os parâmetros do parafuso são dados tal como se segue:

Diâmetro do varão, d: 20 jmm Espaçamento de ancoragem, Ls: 0,55 jm IComprimento de ancoragem, La: 0,05 jm Comprimento de rosca, Lt: 0,10 jm Número de elementos de ancoragem, n: 5 Comprimento do parafuso, L: 5 x 0,55 = 2, 75 m. Resistência à fractura do parafuso: 200 jkN Resistência à cedência do parafuso: 150 jkN ITensão de cedência na rotura: 20% \ 0 parafuso do exemplo tem 5 segmentos de parafuso, tendo todos os segmentos de parafuso (Ls - La) = 0,5 m de 15 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ comprimento. Tendo em conta o alongamento de cedência, qualquer segmento pode estender-se até (0,5 m x 20%) = 10 cm. Assim, cada segmento de varão (0,5 m de comprido) pode suportar um alongamento máximo de 10 cm. Ao mesmo tempo, o mesmo suporta uma carga entre 150 e 200 KN. O primeiro segmento do varão (desde a rosca até ao primeiro elemento de ancoragem) pode ser um pouco mais curto do que os outros. Na concretização do exemplo é cerca de 0,4 m (Ls - La - Lt) . O alongamento limite deste segmento é (0,4 m x 20%) = 8 cm. Para parafusos de barra de reforço, é apenas a capacidade de deformação da parte da rosca que serve de base (Li, 2006a). O alongamento limite a partir da parte submetida a tensão da rosca é estimado num máximo de 1 cm. Com uma rosca mais forte, o alongamento limite do parafuso D na superfície da parede (8 cm) seria significativamente melhorado em comparação com os parafusos de barra de reforço roscados de maneira convencional. Com uma tal capacidade de deformação/carga, o parafuso pode proporcionar um efeito satisfatório do reforço da rocha em massas de rocha amplamente deformadas ou propensas a rebentamento da rocha. O parafuso de acordo com o invento tem mais do que três elementos de ancoragem de comprimento entre 0,03 me 0,02 m, estando cada par de elementos de ancoragem separados por segmentos os quais podem variar de modo correspondente em comprimento entre cerca de 0,3 me 2 m de comprimento, dependendo das condições da rocha e da espessura da haste. A razão do comprimento das porções de haste para o comprimento dos elementos de ancoragem pode variar entre 5 para 1 e 40 para 1. 0 diâmetro da haste do parafuso de ancoragem pode encontrar-se entre 10 mm e 40 mm ou mais. O parafuso de ancoragem de acordo com o invento tem a caracteristica de uma elevada capacidade quer na deformação quer no suporte de carga. Além do mais, a qualidade da instalação do parafuso é fiável devido ao seu mecanismo de ancoragem de múltiplos pontos. 0 parafuso adequa-se particularmente à engenharia civil e de minas, o que enfrenta o problema da deformação de rochas grandes ou rebentamento de rochas. O parafuso pode proporcionar um bom reforço não apenas no caso da deformação continua da rocha (em massas de rocha macias e fracas), como também no caso da abertura local 16 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ de junções de rocha individuais (em massas de rocha volumosas) . A deslocação da abertura de uma junção de rocha simples irá ser constrangida pelos dois elementos de ancoragem que sobrepõem a junção.

Os elementos de ancoragem podem ser formados de várias formas para proporcionar algumas formas diferentes: As Figs. 5a, b, c, d, e e ilustram concretizações dos elementos de ancoragem de acordo com o invento. A Fig. 5a ilustra uma concretização do elemento de ancoragem na qual uma porção curta da haste foi achatada para proporcionar um elemento de ancoragem integrado e alargado, que tem dois lóbulos na secção transversal, e que afunila para fora na direcção de qualquer transição para as porções de haste. O achatamento pode ter lugar segundo um ligeiro recalcamento simultâneo e longitudinal, de modo a proporcionar resistência à cedência dos referidos elementos de ancoragem mais elevada do que a resistência à cedência das porções de haste adjacentes. A Fig. 5b ilustra uma concretização do elemento de ancoragem na qual uma porção curta da haste foi encurtada pelo recalcamento longitudinal. A Fig. 5c é uma ilustração de um elemento de ancoragem de três lóbulos que mostra um certo afunilamento para fora na zona de transição em direcção a qualquer extremidade. A Fig. 5d ilustra um parafuso de ancoragem de acordo com o invento que tem elementos de ancoragem com uma abertura em forma de olho. A área de secção transversal do material do elemento de ancoragem sobre a abertura, perpendicular ao eixo do parafuso de ancoragem, é pelo menos tão grande quanto para a haste. A Fig. 5e ilustra uma concretização de um elemento de ancoragem conformado com duas extremidades separadas por um gargalo que tem pelo menos a espessura da haste de varão. 0 recalcamento é similar ao recalcamento da Fig. 5b. Nesta concretização, o elemento de ancoragem pode ainda ser formado com três lóbulos. 0 invento proporciona um parafuso de ancoragem com múltiplas porções de haste direitas, cada uma seguida por um elemento de ancoragem curto. Isto proporciona elementos de ancoragem curtos e relativamente rígidos, e uma elevada proporção de comprimentos de haste com uma elevada capacidade de deformação. Assim, o parafuso de ancoragem será fixo de modo firme a uma multiplicidade de locais de parede de furo 17 ΕΡ 2 094 944/ΡΤ espaçados ao longo do varão, e irá constranger a deformação da rocha. A característica de submeter a tensão antecipadamente pode impedir ou atrasar a formação inicial de fendas e pode, também, proporcionar uma constrição antecipada da cobertura da rocha. O parafuso de ancoragem de acordo com o invento será útil para constranger a deformação da rocha, quer devido à deformação a longo prazo, quer devido ao rebentamento da rocha.

Referências

Bjõrnfot F. e Stephansson O. 1984. "Mechanics of grouted rock bolts - field testing in hard rock mining". Relatório BeFo 53:1/84, Swedish Rock Engineering Research Foundation.

Li, C.C. 2006a. "A practical problem with threaded rebar bolts in reinforcing largely deformed rock masses". Rock Mech Rock Engng. ISSN 0723-2632. (no prelo) Disponível online.

Li, C.C. 2006b. "Rock support design based on the concept of pressure arch". Int. J. Rock Mech. Min. Sei. 43(7), 1083-1090. Li, C.C. e Marklund, P. -I. 2004 . "Field tests of the cone bolt in the Boliden mines". Bergmekanikkdagen 2004, Oslo, 35.1-12. ISBN 82 91341 85 0.

Li, C. e Stillborg, B. 1999. "Analytical models for rock bolts". Int. J. Rock Mech. Min. Sei. 36 (8), 1013-1029. ISSN 1365-1609.

Stillborg B., "Professional Users Handbook for Rock Bolting". Trans Tech Publications (2a edição) (1994).

Sun, X. 1984. "Grouted rock bolt used in underground engineering in soft surrounding rock or in highly stressed regions". Proc. da Int. Symp. àcerca de "Rock Bolting" (editado por O Stephansson), A.A. Balkema, Rotterdam. 93-99

Lisboa, 2010-04-19

Claims (20)

1. ΕΡ 2 094 944/ΡΤ 1/3 REIVINDICAÇÕES 1 - Parafuso de ancoragem para ser inserido com argamassa num furo numa rocha, sendo o referido parafuso de ancoragem caracterizado por: uma haste maciça cilíndrica alongada (1) com uma porção roscada (3a) na porção de superfície de furo da referida haste (1), estando a referida porção roscada (3a) provida de uma ou mais porcas (3b) e uma ou mais anilhas, polias ou placas de face (3c) dispostas para submeter a tensão antecipadamente o parafuso de ancoragem no furo; compreendendo a referida haste (1) três ou mais comprimentos extensos de porções de haste (ls), sendo cada porção de haste seguida por um elemento de ancoragem integrado (2a, 2b, 2c, . ..), sendo os referidos elementos de ancoragem (2a, 2b, 2c, ... ) de curta extensão em comparação com a extensão das referidas porções de haste (ls), estando os referidos elementos de ancoragem (2a, 2b, 2c, ... ) distribuídos com separações (La) ao longo do comprimento da referida haste (1); - sendo os referidos elementos de ancoragem (2a, 2b, 2c, . . . ) para serem localmente ancorados em relação às suas porções de parede de furo locais correspondentes, para aguentarem a carga que surge devido à deformação da rocha; - estando as referidas porções de haste (1 s) dispostas para deslizarem em relação à argamassa ou ao furo, de modo a que cada uma das referidas hastes (ls) constrinja a deformação de rocha local através do alongamento das referidas porções de haste entre pares de um elemento de ancoragem precedente localmente ancorado (2a, 2b, ...) e um elemento de ancoragem consecutivo localmente ancorado (2b, 2c, ...).
2. 2 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, estando a razão de um comprimento das referidas porções de haste (ls) para o comprimento dos referidos elementos de ancoragem entre 5 para 1 e 40 para 1. ΕΡ 2 094 944/ΡΤ 2/3
3. 3 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, sendo o referido espaçamento de ancoragem cerca de 0,55 m, sendo o referido comprimento de ancoragem cerca de 0,05 m.
4. 4 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, no qual as referidas separações (La) dos referidos elementos de ancoragem (2) têm os mesmos comprimentos.
5. 5 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, sendo a referida haste (1) com elementos de ancoragem integrados (2) feita de aço.
6. 6 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, estando as referidas porções de haste (ls) dispostas para terem uma capacidade de deformação mais elevada por unidade de comprimento quando comparada com a dos referidos elementos de ancoragem (2).
7. 7 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, sendo os referidos elementos de ancoragem integrados (2) endurecidos.
8. 8 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, em que uma primeira resistência à cedência dos referidos elementos de ancoragem (2) é mais elevada do que uma segunda resistência à cedência das referidas porções de haste (ls).
9. 9 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, tendo as referidas porções de haste (ls) uma superfície lisa para escorregamento em relação à argamassa ou ao perímetro de parede de furo local.
10. 10 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 9, sendo o referido parafuso mecanicamente polido ou electropolido.
11. 11 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, estando as referidas porções de haste (ls) providas de uma camada de deslize (6).
12. 12 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 11, sendo a referida camada de deslize (6) cera ou tinta. ΕΡ 2 094 944/ΡΤ 3/3
13. 13 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, sendo a referida haste (ls) tratada superficialmente de modo a não ligar à referida argamassa endurecida.
14. 14 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 13, tendo a dita haste (1) um tratamento superficial químico, tal como ao ser adicionada uma camada de óxido metálico sobre a referida haste (1).
15. 15 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, estando os referidos elementos de ancoragem (2) afunilados para fora, de modo a dissipar a energia ao deslocar e deformar a argamassa adjacente quando pesadamente carregados.
16. 16 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, tendo as referidas roscas (3a) um diâmetro eficaz igual a um diâmetro eficaz da referida haste (1) ou maior do que o mesmo.
17. 17 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, sendo a porção roscada (3a) endurecida.
18. 18 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, estando uma porção de extremidade de furo de fundo (1) provida de um misturador de extremidade (4).
19. 19 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 18, sendo o referido misturador de extremidade (4) constituído por um elemento de ancoragem (2).
20. 20 - Parafuso de ancoragem da reivindicação 1, estando a razão de um comprimento das referidas porções de haste (ls) para um comprimento dos referidos elementos de ancoragem entre 10 para 1. Lisboa, 2010-04-19