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Sistema de monitoreo estructural inalámbrico Terzaghi® para el control de la carga de tensión en anclas

  1. Introducción

El sistema de monitoreo estructural inalámbrico de Terzaghi®, permite monitorear cualquier obra de ingeniería de forma inalámbrica y casi en tiempo real. Una característica particularmente relevante de este sistema es la capacidad de monitorear la evolución de la carga de tensión en anclajes instalados con celdas de carga.

Desde 1970, con la invención de dispositivos que registran los datos (dataloggers) de sensores de forma automática, incluido celdas de carga, se ha desbloqueado de cierta manera la medición “automática” de sensores. Sin embargo, su instalación normalmente requiere de acceso a energía, concentración de cables provenientes de diferentes anclas en un ramal principal, protección del cableado y más. Por esta razón, los sistemas de monitoreo de la evolución de la carga de tensión en anclajes rara vez se aprovechan en la práctica para estructuras de retención en excavaciones o taludes carreteros. Sin embargo, con el auge de la tecnología revolucionaria, el Internet de las Cosas (IoT), estos dataloggers se han vuelto más atractivos, ya que pueden permitir el acceso remoto a los datos.

Nuestro sistema de monitoreo ofrece una forma automatizada y eficiente de monitorear la carga de tensión en los anclajes al suelo. La Figura 1 muestra esquemáticamente cómo trabaja nuestro sistema en estos casos.

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Figura 1 Esquema operativo del sistema de monitoreo Terzaghi.

Los componentes esenciales en nuestro sistema de monitoreo son:

  • Las celdas de carga
  • Los dataloggers inalámbricos
  • la Gateway; gestiona la red de monitoreo, procesa los mensajes y prepara los datos para su posterior procesamiento
  • el software de visualización, gestión y análisis de datos.

Las principales ventajas del sistema de monitoreo Terzaghi® sobre otros sistemas de control son las siguientes:

  • Los dataloggers que transmiten de forma inalámbrica los registros de la celda de carga no requieren energía de la red general o de los paneles solares. Son pequeños dispositivos instalados en las cabezas de los anclajes o cerca de ellos y que funcionan con baterías internas.
  • El cableado entre los componentes del sistema de control es mínimo.
  • La configuración de los dataloggers y sensores es de manera rápida, en cuestión de minutos se agregan nuevos sensores a la red.
  • Puede utilizarse desde las etapas iniciales de la construcción del sistema de retención. Esto permite el seguimiento del comportamiento de la estructura de retención a lo largo de su vida útil.
  • Gracias a su tecnología de cobertura de largo alcance, el sistema puede ser aplicable a cualquier contexto.
  • Además de monitorear la carga de tensión del ancla, el sistema también puede controlar otros parámetros geotécnicos relevantes como presión de poro, inclinación de muros, desplazamientos horizontales, evolución de la abertura de grietas, deformaciones y tensiones en áreas puntuales de elementos estructurales, desplazamientos relativos entre puntos, lluvia, y más.

En lo que sigue de este blog, describiremos los diferentes componentes de nuestro sistema de monitoreo estructural de excavaciones o taludes.

  • Celdas de carga

Las celdas de carga son transductores que convierten la fuerza aplicada a ellas en una señal de salida medible, que tiende a ser eléctrica. Hay diversos tipos de celdas de carga, que pueden ser diferenciadas usando dos factores fundamentales: su geometría exterior y el principio físico que les permite medir la fuerza que actúa en ellas.

La geometría exterior de las celdas de carga depende del tipo de aplicación. Por ejemplo, en nuestro caso, para monitorear la carga en los anclajes, la geometría óptima sería del tipo anular o en forma de anillo. Las celdas de carga anulares para anclajes se colocan entre la placa de cuñas y la placa de apoyo de la cabeza del ancla. Su abertura central permite el paso de los “torones” en anclas activas o barras en anclas pasivas.

En cuanto al principio físico de medición del sensor, existen dos variaciones principales: a) celdas de carga hidráulicas o b) aquellas basadas en la medición de deformaciones, como los de cuerda vibrante o con enfoques resistivos.

Las celdas de carga hidráulicas consisten esencialmente en celdas selladas por dos placas soldadas en su periferia, que deja una cámara interior de fluido. Cuando se aplica carga a la celda, la presión en el fluido cambia, y esta variación se puede medir y registrar usando un manómetro analógico (lectura manual) o un transductor de presión eléctrico (generalmente de cuerda vibrante o un sensor de presión de circuito con una corriente de salida de 4-20 mA).

Las celdas de carga de cuerda vibrante, conocidas así en el mercado, contienen un cilindro de acero inoxidable de alta resistencia en el que generalmente se montan tres sensores de deformación de cuerda vibrante, distribuidas uniformemente para minimizar el efecto de las cargas excéntricas. Las celdas de este tipo también pueden venir con varios números de sensores (cuatro, seis, etc.). En estas celdas, la carga aplicada es proporcional a la deformación promedio registrada en los sensores dentro del cilindro de acero inoxidable.

Por otro lado, están las celdas de carga que se basan en la medición de la deformación de un elemento de acero inoxidable de alta resistencia en el que generalmente se montan ocho medidores de deformación (este número puede variar según el rango o fabricante) para compensar el efecto de las cargas excéntricas. Estos medidores de deformación se conectan en una configuración de puente Wheatstone. Cuando se aplica una carga a la celda, el cuerpo de la celda experimenta la tensión y los medidores de deformación cambian su valor de resistencia de modo que la señal de salida (mV/V) sea directamente proporcional a la carga aplicada. El resultado final se compensa con la medición de la temperatura del elemento de acero.

Las celdas de carga basadas en el principio de medición de deformaciones son las que se utilizan con mayor frecuencia en varios campos. Por ejemplo, se utilizan en pesaje industrial, donde los volúmenes de producción son altos, lo que significa que una variedad de fabricantes de este tipo de celdas a precios muy competitivos.

anclajes al suelo medidores de deformación
Figura 2 Celda de carga con medidores de deformación de Sisgeo instalada en tres tipos diferentes de anclajes al suelo: ancla de torón sin inclinación (izquierda), ancla de barra (centro) y ancla de barril de torón (derecha).

Todos los tipos de celdas de carga mencionados anteriormente pueden incorporar un sistema que convierte su señal de salida a digital de acuerdo con un protocolo determinado, como Modbus RTU. Esto permite la conexión de diferentes celdas dentro de un mismo circuito de sensores digitales.

Cuando se instalan celdas de carga en anclajes, no es recomendable fiarse de la calibración realizada por el fabricante.

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Figura 3 Instalación de una celda de carga. Las placas de distribución de carga necesarias y la celda de carga se muestran en sus ubicaciones de instalación.

La Figura 3 muestra la sección transversal y la vista frontal de una celda de carga instalada en la cabeza de un ancla. Así pues, la carga presente en el anclaje es igual a la carga aplicada a la celda.

Cuando se instalan celdas de carga en anclajes, no se recomienda depender únicamente de la calibración realizada por el fabricante. Siempre debemos realizar la calibración en sitio de cada celda instalada, ya que las excentricidades generadas durante la instalación serán únicas y podrían no estar consideradas en la calibración del fabricante. La calibración se realiza comparando la carga aplicada por el gato de tensión con la lectura dada por la celda. También es recomendable comprobar durante el tensionado del ancla que las etapas de carga se ajustan adecuadamente con los obtenidos por la celda.

  • Panorama actual de la toma de lecturas de celdas de carga

Para leer las lecturas de una celda de carga comúnmente se utilizan dispositivos de lectura portátiles o dataloggers que permiten una lectura automática.

Hasta hace poco, se solía recurrir a celdas de carga equipadas con un manómetro analógico que permitía obtener lecturas directas de las fuerzas en cada celda de carga. También era una práctica común colocar un conector en el cable de señal de la celda de carga, de modo que se pudieran conectar dispositivos manuales para realizar la toma de lecturas. En ocasiones, para optimizar la monitorización, las celdas de carga se han instalado a un único dispositivo registrador de datos (o datalogger) a través de cables protegidos o forrados. Así pues, en estos casos se requieren de la presencia de técnicos para realizar el monitoreo de carga y registrar las lecturas observadas cada que se requiera realizar la toma de lecturas.

La siguiente figura muestra diferentes tipos de lectores o dataloggers manuales que permiten verificaciones in situ de las cargas de tensión en anclajes. En algunos casos, los dispositivos de lectura pueden enviar datos digitalmente a Internet.

manometro analogo lectura monitoreo
Figura 4 Lectura visual in situ mediante manómetro analógico (izquierda), unidad de lectura portátil Sisgeo CRD-400 (centro), lectura in situ de celda de carga con unidad de lectura portátil (derecha).

En proyectos que requieren una recopilación continua de datos, es posible instalar registradores de datos (o dataloggers) que se comunican a través de redes de telefonía móvil. Sin embargo, el procedimiento en estos casos es algo complejo debido a varios factores, por ejemplo: la necesidad de instalación de cables que transmitan la señal desde cada celda de carga instalada a un datalogger central; la necesidad de una protección adecuada para todos los elementos del sistema (cables específicamente); la necesidad de personal técnico en campo para configurar los dataloggers y su suministro de energía. Aunado a esto, una desventaja más de esta solución es que no se puede implementar desde el proceso inicial de instalación de las anclas para medir la evolución de la carga de tensión desde el principio.

data logger central
Figura 5 Un muro de retención con anclaje en el que se ha instalado un registrador de datos (datalogger) central. La imagen de la izquierda muestra cables protegidos por tubos que conectan las celdas de carga a la caja centralizada que aloja el registrador de datos. La imagen de la derecha muestra el interior del registrador de datos Campbell Scientific, el módem de comunicaciones y la batería de energía que se puede recargar con un panel solar (no visible en esta imagen).

Nuestro sistema de monitoreo estructural de Terzaghi® ha transformado las formas tradicionales de monitorear las cargas de diferentes celdas.

Eso es porque ofrece una solución de lectura automática que no requiere el desplazamiento constante de técnicos para la toma de lecturas. También simplifica la automatización, ya que utiliza dataloggers inalámbricos de vanguardia (de la marca Loadsensing) fácilmente configurables que se caracterizan por tener un largo alcance de comunicación inalámbrica entre dataloggers y otro dispositivo que almacena y permite la descarga de las lecturas a través de internet conocido como Gateway. El alcance de comunicación puede ser de hasta 15 km en condiciones favorables. Otra característica de ventaja de los dataloggers de Loadsensing es que se alimentan de baterías de larga duración que pueden tener una vida útil de hasta 5 años.

El sistema de monitoreo estructural Terzaghi ® permite la instalación de un datalogger por celda de carga, lo cual minimiza altamente el cableado y las instalaciones auxiliares. Es una solución muy adecuada para entornos en estados de cambio continuo, como el área de trabajo de un proyecto con anclajes (excavaciones, túneles o cortes carreteros). Como tal, el sistema de monitoreo Terzaghi® se puede instalar fácilmente incluso en el punto medio de la ejecución de un proyecto. Una vez instalado, puede comenzar inmediatamente a proporcionar datos.

El sistema de monitoreo Terzaghi ® es un sistema de control remoto en el que las lecturas de carga de tensión de varias celdas se transmiten por radio desde los dataloggers hasta la estación de gestión de datos “Gateway”. Desde allí, se accede completamente a las lecturas del sensor a través de Internet con fines de supervisión.

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Figura 6 Datalogger de Loadsensing tomando lecturas de una celda de carga en un ancla de barra durante la excavación y estabilización de la entrada de un túnel. La celda de carga detectará los cambios de carga de tensión durante la evolución de los trabajos. Las lecturas de la celda de carga se enviarán por radio desde el datalogger instalado a un costado hasta la estación donde se encuentra la Gateway, generalmente a kilómetros de distancia donde esta tendrá acceso a internet para poder compartir las lecturas del sensor.
  • ¿Cómo funcionan los dataloggers inalámbricos de Loadsensing®?

Los dataloggers inalámbricos de Loadsensing® son dispositivos alimentados por baterías que pueden tomar las lecturas de celdas de carga u otros sensores y transmitir las lecturas a larga distancia mediante radiofrecuencias y con bajo consumo de energía. Las características principales que colocan a estos dataloggers como una solución óptima para el monitoreo de anclaje son:

  • Disponen de un reloj interno para que, según la frecuencia de lecturas, puedan activar la celda de carga y medir la carga que actúa sobre ella en ese momento. Así pues, el consumo de energía de las baterías solo se realiza cuando se activa el datalogger, lo cual le permite entregar una alta duración a sus baterías.
  • El valor de la carga de tensión del ancla registrado por el datalogger se digitaliza y se envía en un paquete de radiofrecuencias inalámbricas de red de área amplia y de baja potencia mediante tecnología LPWAN a la estación de gestión de datos Gateway. Los datos registrados también se almacenan en el propio datalogger.
  • Las señales emitidas por los sensores durante la toma de lecturas son procesadas de forma automática por los dataloggers y las convierten en unidades ingenieriles que determinan la carga de tensión en el anclaje.
  • Las lecturas se transmiten casi en tiempo real.
  • La configuración de los dataloggers es muy simple, a través de una aplicación móvil de Loadsensing se pueden añadir nuevos dataloggers a la red de monitoreo.

Los dataloggers de Loadsensing también se pueden programar para realizar la toma de lecturas periódicas con una frecuencia ajustable, desde lecturas a cada 30 segundos hasta cada 24 horas.

La selección del tipo de datalogger para una celda de carga es un factor determinante que influye en la economía del proyecto. La siguiente tabla ilustra los dataloggers más adecuados para los tipos de celdas de carga y un rango de costo indicativo.

TIPO DE CELDA DE CARGADe cuerda vibrante 5 canales $$$De cuerda vibrante 1 canal $$Analógicos 4 canales   $$$Piconodo     $Digital     $$$
De cuerda vibrante (VW) de 3 a 5 sensores1
Medidores de deformación con configuración de puente Wheatstone completa4 
Hidráulico con transductor de presión. Salida de 4 a 20 mA.4 
Hidráulico con transductor de presión. Salida de cuerda vibrante.51
Hidráulico con transductor de presión compatible con Piconode.41
Cualquier tipo compatible con salida digital (e.j. Sisgeo)30
Figura 7 Compatibilidad entre tipos de celdas de carga y dataloggers Loadsensing. También se presenta el número máximo de celdas de cada tipo que podrían conectarse a cada modelo de datalogger.
  • DATALOGGER PICONODE

Como se mencionó anteriormente, para proyectos de excavaciones o taludes que involucran la ejecución de anclajes, la solución de monitoreo de carga de tensión más adecuada sería la colocación de un datalogger por celda de carga. Habiendo considerado las diferentes características técnicas, costos, disponibilidad y condiciones de compatibilidad, recomendamos utilizar celdas de carga con sensores de medición de deformación conectadas a un datalogger analógico de 1 canal como el Piconode Loadsensing.

El Piconode es un datalogger con un canal analógico configurable (puente Full Wheatstone, potenciómetro / radiométrico, voltaje de un solo extremo), así como un canal para leer un termistor y al mismo tiempo medir pulsos. La excitación que se le puede dar a estos sensores es de 5 Vdc. Para habilitar la corrección por temperatura, este dispositivo también transmite su temperatura interna junto con cada lectura.

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Figura 7 External and internal aspect of Piconode (LS-G6-PICO).

Los dataloggers Piconode son económicos y se pueden suministrar con la celda de carga. Vienen con una configuración muy sencilla, sin necesidad de instalaciones auxiliares.

Las empresas manufactureras de anclas también pueden suministrar celdas de carga con placas de distribución adecuadas para la geometría específica de la cabeza del ancla, considerando la salida para conectar el Piconode.

En el mercado, normalmente los fabricantes de celdas de carga también suelen ofrecer el kit completo, que incluyen dataloggers de su misma marca o de otras. Sin embargo, no suele ser recomendable, ya que los fabricantes no tendrían suficiente información sobre la geometría de la cabeza del ancla, lo que puede dificultar el suministro de las placas de distribución adecuadas de las celdas.

En cualquier caso, lo innovador del dispositivo Piconode es que permite a los proyectos de anclaje leer las celdas de carga de forma sencilla y automática a través de una solución que, incluso en los proyectos más grandes, no requiere tanto drama de instalación.

El dispositivo Piconode es un equipo pequeño y altamente confiable. Su caja de policarbonato y su antena interna lo hacen fácilmente integrable en el proyecto, y al mismo tiempo protegido contra actos vandálicos.

La siguiente tabla indica la vida útil estimada de las baterías internas (1 o 2 baterías de tamaño C, 3,6 Vcc, Saft LSH 14) de un Piconode, en función de la frecuencia de lecturas establecida:

Estimación de vida de las baterías internas de los dataloggers Piconode
Frecuencia de lecturas1 batería2 baterías
Cada 5 minutos1 año2 años
Cada hora5.1 años10 años
Cada 6 horas6.9 años> 10 años
Figura 8 Estimación de vida de las baterías de Piconode

Cada vez que un datalogger de Loadsensing toma una lectura de un sensor, envía los datos registrados mediante ondas de radio a una frecuencia menor a 1 GHz. Utilizan bandas ISM con configuraciones ajustadas a los requerimientos de cada territorio. El tipo de radio que utilizan los dataloggers Loadsensing es LoRa. Es una radio de largo alcance y bajo consumo, ampliamente utilizada en el IoT (Internet of Things) que permite despliegues de redes privadas sin depender de los operadores de redes públicas.

Las ondas de radiofrecuencia emitidas tienen un alcance que depende de las condiciones ambientales, y del relieve en particular. La estación de gestión de datos o Gateway que recibe las ondas emitidas por la red de dataloggers debe ubicarse dentro del área de alcance de este. La siguiente tabla indica los rangos esperados para los dataloggers en algunas de las condiciones de instalación más comunes.

Alcance del radio del Piconode
CondiciónANTENA EXTERNA
De cuerda vibrante de 5 canales, analógico de 4 canales y digital
ANTENA INTERNA
De cuerda vibrante de 1 canal y Picnonode
Campo abierto – linea de vision15 km / 9.3 millas10 km / 6.2 millas
En áreas urbanas4 km / 2.5 millas2 km / 1.2 millas
Dataloggers en registros2 km / 1.2 millas1 km / 0.6 millas
Dataloggers y Gateway dentro de túneles4 km / 2.5 millas2 km / 1.2 millas
Figura 9 Rango de frecuencia de los dataloggers Loadsensing

Gracias al radio de largo alcance que incluyen, los dataloggers de Loadsensing pueden incluso instalarse dentro de cubiertas protectoras de las placas de anclaje, similar a la instalación dentro de un registro de sanitario. Con este rango de radio, una Gateway también puede recibir lecturas de dataloggers de varios muros de retención con anclas, al mismo tiempo, lo que permite la optimización de la gestión de monitoreo de una obra completa.

  1. Estación de gestión de datos (Gateway)

Los Gateways o estación de gestión de datos son el enlace entre los dataloggers y el internet.

Los dataloggers se comunican con la Gateway a través de radiofrecuencias mediante la tecnología LoRa de largo alcance y baja potencia. Las Gateways puede comunicarse con Internet a través de cables Ethernet o mediante Internet móvil.

Las Gateways reciben los mensajes de radio emitidos por los diferentes dataloggers que leen las celdas de carga u otros sensores. Usan un módem 3G (HSDPA, EDGE, GPRS) que puede conectarse fácilmente a Internet con la instalación de una tarjeta SIM de datos. También tienen una antena GPS.

Las Gateways son el único elemento de la red de monitoreo que requieren de energía externa. Dado el largo alcance de la radio, las puertas de enlace pueden instalarse en un punto con una conexión eléctrica. En estos casos, la puerta de enlace se alimenta mediante el cable Ethernet (PoE) a 48 VDC. Cada Gateway tiene un inyector de energía/interneth PoE con un voltaje de entrada de 100 a 240 VAC. También se pueden alimentar con un kit solar; tiene un consumo nominal de 3 W y puede alimentarse con una corriente continua de 11 a 30 Voltios.

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Figura 10 Gateways instaladas en postes y losas de concreto.
  • Software de visualización, gestión y análisis de datos.

Para monitorear de manera efectiva la carga de tensión de los anclajes, contamos con un software o aplicación web/móvil de visualización y gestión que puede alertar a las partes interesadas si se exceden los umbrales de medición en cualquier momento y desde cualquier dispositivo con acceso a internet (e.j. computadora, laptop, celular o tablet). Con esta aplicación se puede tener acceso en cualquier momento a la información de los datos registrados en tiempo real, capacidad de configuración de gráficos, aplicación de fórmulas, entre otras ventajas, así como gestionar el proyecto desde diferentes perfiles de acceso.

Figura 11 Muestra de pantallas del software de visualización (configuración gráfica y lecturas de mapas) en una computadora de escritorio, tableta y teléfono móvil

Nuestro software de visualización y análisis de datos es autoconfigurable, personalizable y cuenta con un servidor web o nube para almacenar y procesar los datos recibidos desde la Gateway.  Además, cuenta con la capacidad de poder crear informes de monitoreo periódicos, lo cual es una ventaja para comparar las lecturas de la carga de tensión de un sistema de anclaje a lo largo del tiempo.

En un servicio de monitoreo de anclaje, el software de visualización tiene la capacidad de generar alertas cuando la carga de tensión alcance ciertos umbrales que se consideren críticos para la toma de decisiones oportuna y, en el caso de que se rebasen los umbrales tiene la capacidad de generar señales de alarma, las cuales se harán saber mediante notificaciones por correo electrónico o mensajes de texto.

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Figura 12 Vista de monitoreo remoto de la evolución de las cargas de tensión en un sistema de anclajes.

El software de visualización y gestión puede alertar a las partes interesadas y a las partes si se superan los umbrales, proporcionar a los usuarios información de datos en tiempo real y gráficos configurables, aplicar fórmulas de datos y gestionar diferentes perfiles de acceso.

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Monitoreo Inteligente de salud estructural en infraestructuras

¿Qué es y para qué sirve?

By Geovani García & Héctor de la Fuente

INTRODUCCIÓN

En México, más del 60 % de la infraestructura vial cuenta con más de 60 años de servicio por lo que la vida útil para la cual fueron diseñadas ha sido sobrepasado. Las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (NTCC, RCDF) establecen que las estructuras deben tener una vida útil de 50 años.

La información recabada en un sistema de monitoreo estructural ofrece múltiples ventajas; la emisión de alertas tempranas asociadas a patologías estructurales como daños internos o externos de la misma, la planeación de programas de mantenimiento, la optimización de los recursos económicos y humanos en estas actividades y la seguridad de los usuarios de la infraestructura, entre otros.

Cuando los registros de un sistema de monitoreo se obtienen permanentemente, a distancia, en tiempo real y se analizan e interpretan de forma automática, se considera un monitoreo inteligente de salud estructural.

Ahora es posible informar a los ocupantes de una edificación –minutos después de ocurrido un evento– si ésta es segura, para evitar desalojos innecesarios. Así mismo, sirve como una fuerte herramienta para verificar las distintas condiciones de los sistemas estructurales en su proceso de construcción.

¿QUÉ ES EL MONITOREO DE SALUD ESTRUCTURAL?

El término “Monitoreo de la salud estructural” (SHM, por sus siglas en inglés) es un estándar reciente que ha surgido de un conjunto de otros términos, como monitoreo estructural o simplemente monitoreo. SHM de infraestructuras civiles es un requisito legal en la mayoría de los países desarrollados; en el Reino Unido, por ejemplo, las presas deben ser monitoreadas continuamente mediante la recopilación de datos operativos por parte de un ingeniero supervisor. El SHM para puentes comenzó a usarse alrededor de la década de 1950, cuando la Universidad de Washington comenzó a medir el rendimiento del puente Tacoma Narrows. Hoy en día, la mayoría de los grandes puentes cuentan con algún tipo de programa de SHM. Un desafío importante en el desarrollo de programas o estrategias de Monitoreo de la Salud Estructural es que cada pieza de infraestructura es única, lo que significa que no existe una medida oficial para el desempeño estructural ‘normal’ o la ‘buena salud estructural’.

Para entenderlo mejor tomemos el siguiente ejemplo: Un doctor sospecha que su paciente tiene hipertensión. Para diagnosticarlo le pedirá hacerse un holter de presión arterial. Este examen permite el monitoreo ambulatorio de la presión arterial gracias a un manómetro portátil que registra las variaciones de presión. Con esta información el doctor puede prescribir a la persona los medicamentos adecuados y evitar que la enfermedad se vuelva grave.

¿PARA QUÉ SIRVE EL MONITOREO DE SALUD ESTRUCTURAL?

  • Monitorear de forma permanente y personalizada cada estructura.
  • Brindar información en tiempo real de la integridad de la estructura monitoreada.
  • Reducir costos de reparación y mantenimiento mediante la detección temprana de posibles daños estructurales.
  • Reducir riesgos estructurales.
  • Valorización por inversión en caso de los bienes raíces.
  • Dar cumplimiento del reglamento de la normatividad vigente.
  • Aumentar la vida útil a través de la posibilidad de realizar mantenimiento preventivo por demanda.
  • Mejorar condiciones para la negociación de las primas de aseguramiento.
  • Ayudar a la administración pública permitiéndoles una mejor distribución recursos en caso de emergencia
  • Seguimiento a estructuras nuevas o que se encuentran en construcción determinando su comportamiento y desempeño estructural se encuentra dentro de los parámetros de diseño.

¿CÓMO FUNCIONA EL MONITOREO DE SALUD ESTRUCTURAL?

Los alcances y la configuración de un sistema de monitoreo de salud estructural deben diseñarse para cada estructura con apego a la variable de inspección que definirá el comportamiento de la estructura, y con ello, poder instalar los instrumentos en puntos estratégicos de la estructura donde se logrará percibir el comportamiento de interés.

Normalmente, en estructuras como puentes los posibles daños siempre están encaminados a las deformaciones excesivas de los materiales, debido al fenómeno de fatiga, la cual repercute en la disminución de su resistencia y comportamiento. Así pues, con la instalación de sensores ubicados estratégicamente se logra visualizar en una plataforma el estado en el que se encuentran. La plataforma permitirá de forma fácil y amigable acceder a la información a lo largo del tiempo desde el inicio del monitoreo, analizar el comportamiento durante algún evento y monitorear el proceso natural de deformación de la estructura.

El monitoreo al ser implementado a distancia y en tiempo real, reduce costos de inspección y tiempo de alerta. De igual forma, es una herramienta útil para diferentes públicos, tanto del sector público como del sector privado, así mismo como del sector de la construcción durante la ejecución de las obras.

Monitoreo de salud estructural de un edificio antiguo
Figura 1 Monitoreo de salud estructural de un edificio antiguo.

EL COLAPSO DE LA LÍNEA 12 DEL METRO Y QUÉ SIGNIFICA PARA EL MANTENIMIENTO DE ESTRUCTURAS “VIEJAS”

Dado que los puentes estructuralmente defectuosos, las presas inseguras y los edificios “envejecidos” se están convirtiendo en problemas cada vez más comunes, el monitoreo de dichas estructuras se ha puesto al frente de muchas agendas políticas. El reciente y trágico colapso del puente de la Línea 12 de metro de la Ciudad de México el 3 de marzo de 2021 apunta a la continua necesidad de introducir mejores sistemas de monitoreo de infraestructura crítica, y en particular en aquellas que son antiguas, con el fin de reducir los riesgos significativos para la vida humana. El colapso del puente de la Línea 12 ocurrió cuando una de las vigas del puente falló súbitamente. La atención ahora se centra en las hipótesis de que fue un mal diseño o un mal proceso constructivo, y hay sugerencias de que las preocupaciones sobre su integridad y seguridad se remontan desde su inauguración en el 2012, ya que a partir de ella se habían presentado problemas técnicos y estructurales que provocaron cierres parciales.

Muchos también están especulando sobre cómo el colapso se encuentra dentro del contexto más amplio no solo del puente de la Línea 12 sino también en la del resto del resto del país.

¿Cómo funciona hoy el ciclo de mantenimiento de la infraestructura del puente?

El mantenimiento de la infraestructura de puentes actual presenta muchos desafíos. El personal de ingeniería y mantenimiento de transporte debe brindar un servicio de 24 horas a millones de personas cada año, al mismo tiempo que mantiene millones de metros cúbicos de concreto distribuidos por sus instalaciones, incluidos los puentes. Hasta hace poco, solo existía un número limitado de técnicas precisas y económicas para probar estas estructuras y todas necesitaban la presencia física de expertos in situ. Estas técnicas manuales se utilizaron, y todavía se utilizan, para garantizar la integridad y seguridad de la infraestructura al mismo tiempo que se asegura que cumpla con las especificaciones de diseño originales. La mayoría de las veces, estas técnicas son ineficientes, peligrosas, riesgosas y costosas.

¿Qué se puede hacer para mantener mejor la infraestructura crítica?

Implementar un sistema de monitoreo inalámbrico basado en tecnología IoT.

Los métodos tradicionales de monitoreo de infraestructura crítica como visual, cable, fibra óptica y topografía son costosos, inflexibles y rara vez permiten el monitoreo inalámbrico.

JMW Brownjohn, un académico experto en Monitoreo de la Salud Estructural para la infraestructura civil, destaca que “la efectividad de los programas de mantenimiento e inspección [para la infraestructura civil] es tan buena como su capacidad oportuna para revelar el desempeño problemático”, explicando el movimiento hacia sistemas de seguimiento. Los sistemas de monitoreo inalámbrico de IoT, que han surgido recientemente, tienen numerosos beneficios y, en teoría, deberían evitar que ocurran desastres como el colapso del puente de la Línea 12. Se pueden instalar en ubicaciones remotas sin infraestructura fija y tienen el alcance necesario para permitir el monitoreo remoto en tiempo real porque se ejecutan en redes LPWAN como LoRa.

LPWAN significa red de área amplia de baja potencia; es un tipo de red de área amplia de telecomunicaciones inalámbricas que está diseñada para comunicaciones de largo alcance a una tasa de bits baja entre dispositivos o «cosas» (de ahí el «Internet de las cosas»), como sensores que funcionan con baterías.

Este monitoreo en tiempo real permite a las autoridades y a los operadores de carreteras y puentes del sector privado construir un conjunto de datos acumulado a lo largo del tiempo, lo que les brinda información precisa y en tiempo real sobre qué tan seguro es el puente y cuánto necesita mantenimiento. Esto significa que los operadores de carreteras pueden implementar mantenimiento o evacuar y bloquear el área antes de que ocurra cualquier incidente. Esto optimiza el ciclo de mantenimiento a largo plazo y mejora la planificación estratégica. Con la ayuda de sistemas inalámbricos basados ​​en tecnología IoT, los operadores de carreteras pueden, por lo tanto, reaccionar muy rápidamente ante cualquier anomalía, ayudando a prevenir problemas repentinos, como un colapso, y ahorrando dinero a largo plazo en los daños más graves y el tiempo de inactividad prolongado causado. por incidentes.

Figura 2 Monitoreo de salud estructural de puentes.

Un proyecto donde se implementa el monitoreo inalámbrico avanzado en un puente

El monitoreo de la infraestructura inalámbrica basado en redes, sensores y software de IoT es la nueva frontera de SHM, ya que no solo ofrece los datos necesarios en tiempo real, sino también agregación y transmisión de datos remotos, de largo alcance y de baja potencia. Por ejemplo, la remodelación del puente Cisomang en Indonesia se llevó a cabo porque comenzaron a aparecer grietas y los pilares se deformaron gradualmente. Se demostró que el puente era inestable y se prohibió el paso de camiones. Finalmente, los operadores del puente decidieron que se necesitaba un sistema de monitoreo inalámbrico a largo plazo: para ello se utilizaron los equipos de comunicación de Loadsensing para recopilar la información de medidores de deformación instalados en el concreto de elementos estructurales.

La inversión en monitoreo inalámbrico aquí fue acertada, pero quizás un poco tarde.

Si el equipo operativo del puente hubiera monitoreado el puente desde el principio, los problemas estructurales podrían haberse marcado antes y arreglados, eliminando la necesidad de poner en riesgo la vida de las personas y detener el tránsito. Esta decisión tardía tuvo enormes costos: los problemas estructurales que ocurrieron tuvieron un impacto muy negativo en la logística general del país y, por lo tanto, en la economía porque el puente proporcionaba una ruta vital desde Yakarta a Bandung, una de las ciudades más importantes del país.

CONCLUSIÓN

En el caso de la falla del puente de la Línea 12 de metro de la Ciudad de México, es posible que ningún sistema de mantenimiento o monitoreo hubiera evitado un eventual colapso. Es posible que uno de esos sistemas haya salvado vidas al permitir que las autoridades cierren el puente con suficiente antelación a que ocurra el colapso, pero en última instancia, un buen diseño y una elección de materiales bien pensados ​​son cruciales para garantizar que la infraestructura sea segura y duradera. Los sistemas de monitoreo inalámbricos emergentes basados ​​en tecnologías de IoT pueden ayudar con esto último, lo que permite a los operadores evaluar si un puente debe reconstruirse con una perspectiva a largo plazo o no, a través de datos acumulados. También se pueden utilizar para asegurarse de que el proceso de construcción y mantenimiento en sí sea seguro y sin problemas.

Zonificación geotécnica del municipio de Centro Tabasco México

Zonificación geotécnica del municipio de Centro, Tabasco, México

1    INTRODUCCIÓN

1.1    Antecedentes

El conocimiento que actualmente se tiene sobre el subsuelo del Municipio de Centro es limitado, por lo que generalmente para la elaboración de proyectos de infraestructura solo es posible recurrir a mapas geológicos enfocados a la exploración minera y petrolera, que carecen de información cuantitativa sobre las propiedades geotécnicas (índices, geométricas y mecánicas) del subsuelo.

De los estudios previos sobre el subsuelo del Municipio de Centro, del estado de Tabasco, (realizados principalmente con fines geológicos) destacan los siguientes:

En 1958, Contreras V. H., realizó trabajos exploratorios en la parte central del estado de Tabasco, detectando la presencia de aceite en el Mioceno Inferior. Los resultados los presenta en el trabajo titulado “Resumen de la geología de la parte media del estado de Tabasco y del norte del estado de Chiapas”.

En 1976, Espinosa L. realiza un estudio de las características geológicas e ingenieriles del subsuelo de las áreas urbanizadas de Villahermosa para esa época. El autor elabora un mapa de zonificación geológica dividiendo a la zona en dos formaciones: i) Depósitos clásticos del Terciario (Tc), formando lomeríos y ii) Depósitos fluvio-lacustres del Cuaternario (Qal).

En 1983, el INEGI edita la carta geológica Villahermosa, clave E15-8, escala 1:250,000, y propone una columna estratigráfica del Triásico al Reciente.

En 1995, se presentó la segunda versión del Reglamento de Construcciones del Municipio del Centro, Tabasco, donde se incluye en el Artículo No. 224 una clasificación de los tipos de terreno, atendiendo a su rigidez:

  • Tipo I. Terreno firme: arcilla firme, arenas compactas, areniscas medianamente cementadas y cementadas y suelos de formación rocosa
  • Tipo II. Suelo medianamente firme: Limos medianamente firmes, arenas semi-compactas y arcillas medianamente firmes
  • Tipo III. Suelos blandos: arenas muy sueltas y sueltas, arcillas muy blandas y blandas, y limos muy blandos, blandos y semi-compactos.

No obstante, se observa que dicha clasificación es general, subjetiva y limitada. Asimismo presenta el inconveniente de no incluir dentro del reglamento, un mapa de zonificación donde se indique la localización de los tipos de terreno señalados.

En 1991, De la Cruz R. V. y Peña R. H. elaboran un informe interno para Petróleos Mexicanos (“Informe Geológico No. 948 Zona Sureste. Prospecto Villahermosa”) en el cual compilan y analizan 95 informes de geología superficial y 65 columnas de pozos exploratorios, dentro del área que cubre la carta Villahermosa.

De los estudios existentes sobre el subsuelo en esta región, se concluye que la región es una zona de llanuras costeras donde la estratigrafía incluye arcillas, arenas y gravas provenientes de la meteorización de rocas sedimentarias, con edades desde el Mioceno al Reciente, sin embargo, dicha información no es suficiente para realizar la caracterización geotécnica del municipio para fines de reglamentación de obras de ingeniería civil.

1.2    Justificación

En general, no es aceptable conformarse con el conocimiento que actualmente se tiene sobre el subsuelo del municipio de Centro ya que tradicionalmente, su descripción se ha basado en la interpretación de la información proveniente de exploraciones geotécnicas para elaborar perfiles y cortes tradicionales construidos en forma intuitiva, por lo que contienen un grado considerable de subjetividad. En muchos casos, estas representaciones no son totalmente satisfactorias, debido a la variación espacial de la estratigrafía en el estado. Dicho de otra manera las propiedades índices, geométricas y mecánicas del suelo son aleatorias y varían alrededor de un valor medio con determinada dispersión.

Por tanto, para obtener una representación cuantitativa de la incertidumbre de estimación de las propiedades de los suelos, se debe recurrir al análisis geoestadístico de los resultados de las pruebas de campo y de laboratorio (Auvinet, 1998; Tenorio, 2013, entre otros).

Por otro lado, las nuevas necesidades en materia de generación, organización e interpretación de la información geológica-geotécnica sobre la entidad cada vez son mayores, debido principalmente a: i) la paulatina extensión de la zona urbanizada sobre las zonas inestables de las márgenes de los ríos y hacia otros puntos de la ciudad, originada por el acelerado crecimiento demográfico y ii) las recurrentes inundaciones que sufren los tabasqueños año con año. Esta situación ha propiciado la construcción de obras de ingeniería cada vez más ambiciosas (edificios de altura considerable, vías de comunicación, grandes obras hidráulicas como bordos de protección, entre otras); sin embargo, el subsuelo de este municipio presenta características geotécnicas excepcionales que deben tomarse en cuenta en el diseño y construcción de las diferentes estructuras, ya que dificultan considerablemente la labor de los ingenieros; los relacionados con el ordenamiento territorial, los cientos de kilómetros de bordos de protección fallidos, agrietamiento y hundimientos de obras viales, edificaciones, entre otras subrayan la necesidad de contar con una zonificación geotécnica que ayude a normalizar y regular el diseño de sus infraestructuras, así como advertir el comportamiento inadecuado de las mismas.

1.3 El objetivo

El objetivo general del presente trabajo es subdividir el Municipio del Centro en regiones geotécnicas relativamente homogéneas en términos del tipo, distribución de materiales y propiedades índice, de resistencia y deformación que los distinguen. Con base en los resultados obtenidos se emitirá una propuesta de normas y criterios generales para la planeación urbana, investigación del subsuelo, diseño estructural y geotécnico de las cimentaciones.

2    DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO

2.1    Delimitación de la zona de estudio

El área de estudio cuenta con una superficie aproximada de 1,710 km2, el cual se dividió estratégicamente en cinco polígonos o frentes de trabajo: Zona Central, Zona Norte, Zona Oriente, Zona Poniente y Zona Sur (Figura 1).

Figura 1. Área de estudio divida en 5 frentes de trabajo

2.2    Cartografía

Para ubicar los sondeos geotécnicos disponibles y ejecutados, se empleó la información vectorial en formato digital, editada por el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI), correspondiente al Municipio de Centro, Tabasco. Esta información consiste en mapas urbanos donde se definen calles, avenidas principales, ríos y lagos (Figura 2). Los mapas están referenciados geográficamente en el sistema de coordenadas Universal Transversal de Mercator (UTM).

2.3    Topografía

La topografía proporciona información que permite definir los principales rasgos de relieve (abrupto, suave y plano, promontorios, áreas de inundación, entre otros) de cualquier extensión territorial. Para fines de caracterización geotécnica, la topografía puede contribuir en la definición de fronteras de las diferentes zonas geotécnicas identificadas.

Tradicionalmente la representación del relieve se ha realizado haciendo uso de las curvas de nivel ya que proporciona información precisa; sin embargo, esta técnica no proporciona una visión conjunta del relieve. Actualmente, la informática ha proporcionado nuevas herramientas que ayudan a describir el relieve de una zona de mejor forma, mediante la elaboración de modelos topográficos generados a partir de un conjunto de datos numéricos que representan la distribución espacial de la altitud de la superficie terrestre. Este tipo de modelos topográficos, se conocen como Modelos Digitales de Elevaciones (MDE). Para este trabajo se elaboró un MDE de la zona de estudio, a partir del cual se generó un Modelo de Relieve Sombreado (Figura 3) en el Laboratorio de Geoinformática de la empresa SOILSOLUTION S.A. de C.V., mediante el cual se puede apreciar que el área de estudio no presenta fuertes irregularidades topográficas

cartografia digital geotecnia
Figura 2. Cartografía digital del área de estudio
relieve area de estudio geotecnia
Figura 3. Modelo de relieve sombreado del área de estudio

3    METODOLOGÍA GENERAL

La metodología empleada para la zonificación geotécnica está compuesta por cinco etapas principales (Figura 4). A continuación, se presenta una breve descripción de cada una de ellas.

metodologia de trabajao geotecnia
Figura 4. Metodología de trabajo

3.1    Recopilación y procesamiento de la información

En esta etapa se realizó una recopilación y revisión de la información geotécnica e hidráulica disponible. Se logró recopilar cerca de 72 estudios de mecánica de suelos, de los cuales se obtuvieron 248 sondeos a diferentes profundidades, así como resultados de registros eléctricos realizados en 39 pozos perforados a más de 200m de profundidad para extraer el vital líquido del subsuelo y dotar de agua potable en algunos puntos del municipio.

Se realizó una investigación histórica tanto del uso pasado del suelo para identificar rellenos artificiales como de los antiguos cauces de los ríos, ambos sirvieron para poder explicar y diferenciar anomalías geotécnicas en ciertas zonas del municipio.

La información de los sondeos geotécnicos recopilados y complementarios, así como de los registros eléctricos, se almacenaron en un Sistema de Información Geográfica (Figura 5).

A partir de la información recabada, se planeó la campaña de exploración de los sondeos complementarios

3.2    Estudio de geotecnia

Se realizaron 84 sondeos complementarios de penetración estándar (SPT) con recuperación continua de muestras alteradas hasta una profundidad máxima de 30.0m o hasta encontrar el estrato firme (N15>50 golpes) en 5.0m continuos, de acuerdo a las normas ASTM D1586.

Asimismo se realizaron cerca de 40 sondeos de penetración dinámica superpesada (DPSH-B, UNE EN ISO-22476) los cuales sirvieron para delimitar las fronteras de las diferentes zonas encontradas en menos tiempo y a menor costo.

A las muestras extraídas de la campaña de exploración se les determinaron sus propiedades índice. A partir de los trabajos de campo y laboratorio, se elaboraron los perfiles estratigráficos del subsuelo.

distribucion espacial estudio geotecnia
Figura 5. Distribución espacial de algunos de los sondeos geoténicos disponibles (332 sondeos geotécnicos)

3.3    Estudio geológico-geofísico

Se realizó el análisis de la información del subsuelo proveniente de los sondeos geotécnicos y de los registros eléctricos, las curvas de los registros se correlacionaron con las unidades estratigráficas que componen el subsuelo de esta porción del estado de Tabasco.

Con la información geotécnica se elaboraron 6 secciones geológicas y con la geofísica se elaboraron 4 secciones geológicas más; ambos conjuntos de secciones se apoyaron en los levantamientos geológicos de campo que se realizaron en cuatro diferentes campañas en los últimos 12 meses, los cuales están plasmados en un mapa geológico de detalle (Figura 10); las secciones geológicas reflejan la complejidad de las unidades estratigráficas en el subsuelo en el Municipio Centro, así como las estructuras presentes en él.

3.4    Análisis geoestadísticos

Esta etapa consideró el desarrollo de un algoritmo matemático basado en la teoría de campos aleatorios (Figura 6) para realizar el análisis geoestadístico de las propiedades del suelo (Tenorio, A. et al., 2014). Por medio de la geoestadística es posible analizar y predecir valores de una propiedad distribuida en el espacio o en el tiempo. La geoestadística, a diferencia de la estadística convencional, permite tomar en cuenta la dependencia espacial de los valores a través de la función de autocovarianza o del variograma. Se supone de manera implícita que los valores están correlacionados unos con otros por lo que se toma en cuenta su posición espacial. Intuitivamente esto indica que mientras más cercanos estén situados dos valores están más correlacionados y mientras estén más separados hay menor relación entre estos (Auvinet, 2002).

campo aleatorio analisis geoestadisticos
Figura 6. Representación gráfica de un campo aleatorio (Medina, 2001)

Se realizaron análisis geoestadísticos de tres variables aleatorias: contenido de agua, porcentaje de finos y número de golpes (NSPT). A partir de la estimación de perfiles virtuales de las variables mencionadas, se generaron modelos bidimensionales (secciones o mapas de contornos), Figura 7, y tridimensionales (volúmenes o superficies), Figura 8. De igual forma, a partir de los valores de la desviación estándar de la estimación de las diferentes propiedades, se construyeron modelos en 2D y 3D. Estos modelos permiten realizar una fácil interpretación de la distribución espacial de la propiedad analizada y por tanto, en forma indirecta, de los tipos de materiales del subsuelo.

3.5    Caracterización geotécnica

En esta última etapa se interpretó la información resultante del estudio geoestadístico y geológico para delimitar áreas con propiedades geotécnicas similares, es decir, que tengan el mismo tipo y distribución espacial de materiales, cuyas propiedades de resistencia y deformación sean similares y que por ende tendrían un comportamiento mecánico semejante ante un mismo tipo de solicitación. Con base en los resultados se definió una propuesta de zonificación geotécnica.

El estudio de las diferentes propiedades geotécnicas sirvió de base para establecer el criterio de zonificación. En el caso particular del MC, debido a la gran erraticidad en los suelos encontrados en cuánto a su clasificación SUCS y a la relativa homogeneidad en el contenido de agua entre los distintos tipos de suelo, la caracterización geotécnica se atendió de acuerdo a la profundidad a la que se encuentran los estratos competentes (N30>30), principalmente.

modelo 2d del agua estudio geotecnia
Figura 7. Modelo 2D del contenido de agua a 25m de profundidad
numero de golpes estudio geotecnia
Figura 8. Modelo 3D del número de golpes (SPT)

4    PROPUESTA DE ZONIFICACIÓN

4.1    Zonificación geotécnica

En la Figura 9 se presenta la Propuesta de Zonificación Geotécnica del municipio de Centro, Tabasco, el cual se divide en tres zonas geotécnicas.

Zona I. Se caracteriza por ser la zona más competente del municipio; superficialmente, se encuentran arcillas de alta plasticidad, de consistencia blanda a media. Generalmente, el estrato competente se encuentra máximo a los 10m, donde a partir de ahí subyacen arcillas de alta plasticidad de consistencias muy duras y arenas arcillosas de compacidad muy densa. Se destaca la presencia de arcillas expansivs en algunas subzonas, producto de la intemperización de la lutita.

Zona II. Se caracteriza por ser una zona muy errática; en los primeros 10m, generalmente se observan intercalaciones de arenas arcillosas de compacidad suelta a media y arcillas de baja y alta plasticidad de consistencia blanda a media. El estrato competente es de profundidad variable (entre 11 y 25m) y está compuesto por arenas arcillosas muy densas o, en algunas zonas, por arcillas de alta plasticidad de consistencia muy dura. Se destaca la presencia de arcillas orgánicas o matería orgánica (turba) muy compresibles en algunas subzonas.

Zona III. Se caracteriza por ser la zona relativamente más homogénea y de mayor compresibilidad; pueden encontrarse, hasta los 25.0m de profundidad, potentes depósitos de arcillas inorgánicas y orgánicas de alta plasticidad, de consistencia muy blanda a media. El estrato competente generalmente se localiza a profundidades superiores a los 25.0m. Se destaca la presencia de materia orgánica (turba) muy compresibles en algunas subzonas.

propuesta de zonicifacion geotecnia
Figura 9. Propuesta de zonificación geotécnica

4.2    Zonificación geológica

La columna estratigráfica observada hasta el basamento sedimentario marino del Terciario medio está representada por un grueso paquete de sedimentos de origen aluvial, fluvial, lacustre y palustre, los cuales representan el ciclo fluvial del sistema hidrológico Grijalva-Usumacinta.

Estos sedimentos del Cuaternario dominan en la superficie del municipio y hasta profundidades variables que sobrepasan los 200m dependiendo la morfología de la superficie estructural que cubran.

Destaca al sureste del municipio el cerro El Tortuguero constituido por calizas del Oligoceno (Tocz) son de grano grueso y están parcialmente recristalizadas, contienen  corales, pelecípodos y crustáceos característicos de paleo-ambientes de plataforma marina; aunque se encuentran fuera del municipio representan los macizo rocosos más consistentes que se deben prolongar hacia la profundidad debajo de la zona estudiada.

En la zona entre el poblado de Barrancas de Amate y el aeropuerto Carlos A. Rovirosa se encuentra un alto estructural orientado NW-SE compuesto por secuencias arenosas, se trata

probablemente de paquetes de areniscas del Mioceno (TmarAi) que se correlacionan con un miembro arenoso de la formación Amate Inferior, consiste de horizontes de granulometría media a gruesa formadas por granos cuarzo-feldespáticos con abundantes nódulos calcáreos; en las cercanías de Chiquiguao 2da sección se observó en una excavación para un ducto de PEMEX un horizonte fosilífero compuesto casi exclusivamente por fragmentos de conchas.

Debajo de la ciudad de Villahermosa, en la zona más antigua y alta debe encontrarse un basamento arenoso correlacionable con la formación Amate inferior, solo que este se encuentra cubierto hoy por secuencias aluviales y fluviales más jóvenes y por rellenos artificiales que han dado mayor altura y protección a esta zona de la ciudad expuesta a inundaciones de los ríos Carrizal, Mezcalapa y Grijalva, pero este basamento se vislumbra al encontrarnos en una topografía elevada e irregular, como la que representan los sitios en donde afloran las secuencias de esta edad.

Asimismo en el poblado de Tamulté de la Sabanas también se observaron secuencias arenosas correlacionables con aquellas de la formación Amates inferior que definen un ligero anticlinal orientado NW-SE que sobresale apenas de las secuencias palustres que lo rodean completamente.

En la cima de esta secuencia de areniscas, que se detectó también al pie norte del cerro Tortuguero, se encuentra un paquete formado por lutitas de coloración gris a gris azuloso correlacionables con la formación Amate superior (TmluAs), consisten de lutitas blandas de estratificación delgada a masiva, que suelen estar cubiertas por una capa de arcillas endurecidas de la misma coloración que las lutitas y que constituye un suelo residual.

Estas arcillas asociadas a las lutitas Amate superior se detectaron en excavaciones recientes del fraccionamiento Altozano localizado al SW del poblado Barrancas de Amate segunda sección cerca de la carretera a Escárcega, aunque sus afloramientos recién descubiertos no resultan cartografiables; no obstante también se detectaron en algunos sondeos en el subsuelo de Villahermosa y se caracterizan por su relativa elevada dureza, descansando en ambos casos sobre secuencias arenosas de la formación Amate inferior.

Cubriendo estos altos estructurales formados por ondulaciones y ligeros pliegues de las secuencias sedimentarias marinas del Terciario medio, se encuentran los depósitos aluviales, fluviales, lacustres y palustres del Cuaternario. Se detectó entre estos depósitos un horizonte de varios metros de espesor conformado por un limo de coloración grisácea verdosa a ligeramente amarillento con motas de coloración rojiza a púrpura que en ocasiones le da un aspecto moteado.

Este depósito se observó de manera generalizada en las porciones más elevadas de la planicie del municipio, donde esta posición lo preservó de ser cubierto por las secuencias más jóvenes. Dada su persistencia espacial y su aspecto jaspeado característico, diferente a los demás horizontes que conforman los depósitos recientes se identificó de manera preliminar como un material de probable origen volcánico. Esto debido a que las motas púrpuras resultan peculiares y probablemente asociadas a la oxidación de material ferromagnesiano y que la matriz limosa gris verdosa a amarillenta que las rodea asemeja un material pumítico alterado en medio acuoso como el del municipio estudiado. Bajo esta lógica y debido a la relativa lejanía con los volcanes más próximos, se procedió a analizar petrográficamente este material para verificar esta hipótesis. Los resultados de manera sintetizada refieren un material formado por fragmentos líticos asociados a una roca piroclástica de composición intermedia, con plagioclasa, escasos anfíboles y piroxenos, inmersos en una matriz vítrea con abundantes óxidos e hidróxidos de fierro y se presume esté ligado a una erupción piroclástica del volcán Chichonal, dada su distribución especial, por lo que aquí se denominó “Toba Jaspeada Chichonal”.

Las unidades aquí descritas se representaron en la Figura 10, en la cual se puede observar la complejidad de estos depósitos, al provenir de inundaciones y aluvionamientos hasta cierto punto caóticos, al traslaparse, interdigitarse y limitarse mutuamente, así como variar en horizontes correlacionables en cuanto a granulometría y composición dependiendo de la porción del depósito que se trate.

5    CONCLUSIONES

El objetivo del presente trabajo fue realizar la zonificación geotécnica del subsuelo del MC, mediante un estudio detallado de las condiciones estratigráficas y geológicas de la zona. Se empleó la Geoestadística como herramienta para el análisis de la distribución espacial de las propiedades geotécnicas (físicas, mecánicas y geométricas) del subsuelo. Como resultado se elaboraron mapas de contornos y modelos 3D. Tomando en cuenta los resultados obtenidos se presentan a continuación las conclusiones de este trabajo.

  • Tradicionalmente, la caracterización geotécnica del subsuelo se realiza mediante exploraciones directas que se representan mediante perfiles estratigráficos, cortes y modelos geotécnicos que generalmente se construyen de forma artesanal e intuitiva, por lo que contienen un grado considerable de subjetividad. Actualmente, se cuenta con nuevas herramientas (informáticas y matemáticas) que permiten obtener información cada vez más precisa acerca de la variación espacial de las propiedades del subsuelo y que ayudan a eliminar la subjetividad con la que comúnmente se elaboran los perfiles geotécnicos y cortes estratigráficos para fines de diseño de cimentaciones. Una de estas herramientas es la Geoestadística, ya que permite evaluar la variabilidad espacial del subsuelo e interpretar de manera racional la información geotécnica disponible y resolver satisfactoriamente problemas como la estimación de espesores de estratos o la distribución espacial de las propiedades del subsuelo en una zona determinada, a partir de la información proveniente de los sondeos geotécnicos disponibles.
  • Los análisis geoestadísticos permitieron elaborar mapas de contornos y modelos 3D de algunas propiedades geométricas, físicas y mecánicas, que muestran de forma clara las condiciones estratigráficas de la zona estudiada, por lo que permite caracterizar áreas de gran extensión con mayor confiabilidad, menor tiempo y menor costo
  • Se destaca que el mapa de zonificación geotécnica aquí propuesto no remplazará por ningún motivo a los estudios de mecánica de suelos necesarios para cualquier obra que se proyecte en el municipio. No obstante, los resultados obtenidos sí podrían emplearse como una herramienta indicativa de las condiciones geomecánicas generales del subsuelo o para las primeras fases de planeación de obras, básicas para definir posibles inversiones. El principal beneficio de contar con un mapa de zonificación es el uso y conocimiento del subsuelo para fines de planeación y prevención para la construcción de obras ingenieriles, e.g. advertir y predecir el comportamiento de cimentaciones y posibles daños estructurales en edificios localizados en zonas de suelos compresibles.
  •  Entre otras implicaciones prácticas directas de disponer de un mapa de zonificación geotécnica se encuentran las siguientes:  la proyección racional de futuras obras con un adecuado ordenamiento territorial, optimizar campañas de exploración geotécnica, advertir la existencia de zonas de peligro geológico lo cual servirá para actualizar el Atlas de riesgo del MC, actualizar el Reglamento de Construcción del MC, establecer normas y criterios de diseño y construcción de cimentaciones y bordos de protección.

6    REFERENCIAS

Auvinet, G. (1998). “Geostatistical analysis of the soil data on the site of the Rion Antirion bridge, Greece”. Final report, elaborated for Géodynamique et structure (France), México.

Auvinet, G. (2002). “Incertidumbre en Geotecnia”, Decimosexta Conferencia Nabor Carrillo, Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, Querétaro, México.

Contreras V. H. (1958). “Resumen de la geología de la parte media del estado de Tabasco y del norte del estado de Chiapas”. Asociación Mexicana de Geólogos Petroleros.

De la Cruz R. V. y Peña R. H. (1991).  “Informe Geológico No. 948 Zona Sureste. Prospecto Villahermosa”. Petróleos Mexicanos.

Espinosa L. (1976). “Características geológicas e ingenieriles del subsuelo de las áreas urbanizadas de Villahermosa, Tabasco”. Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos. México.

H. Ayuntamiento Constitucional de Centro, Villahermosa, Tabasco (1995). “Reglamento de Construcciones para Municipio de Centro”, Periódico Oficial No. 5469, 4 de febrero del 1995.

INEGI (1983). Carta geológica Villahermosa, escala 1:250000, clave E15-8.

Medina, Z. (2001) “Interpretación Geoestadística de Campañas de Reconocimiento del Subsuelo”, Tesis de Maestría, DEPFI, UNAM, México.

Tenorio, A. (2013). “Aplicación de la Geoestadística a la Caracterización geotécnica del subsuelo de la Zona Central de la Ciudad de México”. Tesis de Maestría, Posgrado en Ingeniería, UNAM, México.

Tenorio, A., Arzola, I.E. y Martínez, C (2014). «GeoEsoil. Geoestadística para sondeos geotécnicos». Programa de computadora (RPDA, 03-2014-040212460100-01). México.

propuesta de zonificacion geologica
Figura 10. Propuesta de zonificación geológica

Héctor A. DE LA FUENTE, Director General de Soilsolution, SA de CV y Mario A. SÁNCHEZ, Director de Operaciones de Soilsolution, SA de CV.

pruebas de control de calidad en pilas o columnas de grava compactada

Pruebas de control de calidad en pilas o columnas de grava compactada

¿Cómo se verifica que el desempeño de las Pilas o Columnas de Grava Compactada sea el adecuado?

pruebas de control de calidad en pilas o columnas de grava compactada

By Héctor de la Fuente & Geovani García

INTRODUCCIÓN

Aplicar juicio geotécnico requiere de hacer suposiciones respecto a las condiciones de suelo del sitio. La salida fácil, es suponer las condiciones peores posibles y realizar un diseño “robusto”, pero eso no es siempre económico. Un enfoque más progresivo involucra diseñar en bases a las condiciones más probables, mientras se está en el entendimiento que pueden existir condiciones menos favorables. Este enfoque requiere de métodos de construcción proactivos, incluyendo monitoreo de las condiciones del sitio durante las operaciones de obra, y definiendo medios y métodos de negociación con la variación de suposiciones de diseño. Este proceso ha sido comúnmente referido como un método de observación, y es por este método que las Pilas o Columnas de Grava Compactada de Geopier son diseñadas y construidas.

Cuando el proceso de diseño es completado, el trabajo real comienza. Diseñar una cimentación con Columnas de Grava Compactadas basado en reportes geotécnicos y los registros de pruebas de sondeo es relativamente simple. El reto surge cuando durante la construcción las condiciones del sitio son menos favorables de lo que fueron supuestas de la información disponible. Un gran número de variaciones en las condiciones de la superficie inmediatamente llegan a ser evidentes durante las operaciones de perforado y apisonado. Diferencias más sutiles pueden llegar a ser aparentes después de la prueba de módulo de carga es hecha y la información analizada. Estos eventos no ocurren hasta que el dinero ya está fluyendo y captando la atención de todos. Un enfoque proactivo para la construcción, tal como el aquí descrito, asegura que esos retos del mundo real sean enfrentados

PRUEBAS DE CARGA EN PILAS O COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA

Una característica común de casi todas las estructuras, ya sea reforzadas con Pilas de Grava Compactada o con otro sistema de cimentación, es que deben depender de la información de suelos que son frecuentemente solo cualitativos, en el mejor de los casos contiene datos de sondeos específicos equitativamente espaciado a grandes intervalos. En algunos casos los registros de pruebas de sondeo son todas la que se necesitan para el diseño. En otros casos, puede ser necesario pruebas de laboratorio o pruebas de campo en sitio. En cualquier situación, las pruebas de módulo de carga sobre las Columnas de Grava Compactada pueden proporcionar información esencial confirmativa sobre la rigidez de los elementos construidos por el sistema Geopier® y la conducta del mismo bajo carga dentro de la zona superior.

La mayoría de los proyectos de cimentación construidas con las Pilas de Grava Compactada de Geopier® incluyen pruebas de módulo de carga. En ocasiones, tales como cuando dos condiciones de suelo significativamente diferentes existen en el sitio, se realizan dos o más pruebas de módulo de carga. Una abundante información ha sido generada sobre los últimos diez años de pruebas de carga en Pilas de Grava construidos con el sistema Geopier®. Es ahora posible predecir con precisión razonable las características de las columnas de grava compactada y del suelo matriz de los registros de las pruebas de sondeo disponible para una gran variedad de condiciones de suelos. De hecho, es requerido típicamente hacer eso para preparar un diseño y una oferta. Ya que las condiciones de la superficie pueden variar significativamente de la información mostrada en los registros de prueba de sondeo, y a causa de las limitaciones en los datos y conocimiento de las características de ingeniería del subsuelo y de la historia de esfuerzos pasados de subsuelos, se hacen pruebas de módulo de carga para verificar las consideraciones de diseño.

Cuando las cargas son ligeras y las condiciones del suelo son bien conocidas, las incertidumbres estructurales son mínimas y el número de Pilas o Columnas de Grava Compactada requerido para un proyecto es relativamente pequeño, la prueba de carga puede no ser necesaria ni ejecutada. En tales casos, las cimentaciones construidas con el sistema Geopier son diseñadas con un nivel conservador adicional.

Prueba de módulo de carga

El módulo de rigidez de las Pilas o Columnas de Grava Compactada es determinado por la aplicación de presión hacia abajo a la parte superior del elemento en una serie de incrementos de carga, los cuales son determinadas de los cálculos del diseño. Cuando el suelo bajo una cimentación es reforzado por el sistema constructivo de Geopier®, es necesario determinar el esfuerzo sobre cada elemento, el cual puede entonces ser usado para prever los asentamientos de la zona superior. Ya que las cargas de zapata frecuentemente varían de una zapata a la siguiente, el diseño del esfuerzo del elemento de grava también difiere. Los incrementos de carga usados en la prueba deben ser basada sobre el máximo esfuerzo sobre la pila de grava calculada para el proyecto. Una vez que el esfuerzo máximo es determinado los incrementos de carga pueden ser calculados de acuerdo al registro mostrado en la Tabla 1. Para convertir el esfuerzo al tope del elemento a la carga que aplicará el gato hidráulico, simplemente se multiplica el esfuerzo máximo por el área de proyecto de una pila/columna de grava (=3.14 pies2 para 24”, 4.91 pies2 para 30” y 7.07 pies2 para 36” diámetro).

prueba de carga hecha en centro de distribución comercial en cunduacan tabasco
Tabla 1. Prueba de carga hecha en Centro de Distribución comercial en Cunduacán Tabasco.

Las cargas se aplican al tope del elemento usando un marco
de carga y dos pilas de reacción, como se muestra en la Figura 1 o con un peso muerto equivalente a por lo menos 150% de la carga máxima de diseño Figuras 2 y 3. En cada incremento de carga, la deflexión es medida usando al menos dos manómetros precisos a 0.001 pulg. y las lecturas de manómetros son registradas. Las cargas son sostenidas al menos por 15min y no menos de 60min para la carga máxima. La carga es mantenida hasta que la escala de deflexión sea menos que 0.01 pulg. por hora (0.0025 pulgadas por 15 minutos) o hasta el tiempo máximo de duración es alcanzado, lo que ocurra primero. La cantidad de deflexión en un incremento de carga es igual al promedio de las últimas lecturas tomadas del manómetro en la carga asentada. La deflexión para cada incremento de carga es entonces trazada contra el esfuerzo para ese incremento. Los módulos usados para diseño son igual al esfuerzo de diseño dividido por la deflexión correspondiente a ese esfuerzo. El módulo es entonces usado para estimar los asentamientos de la zona superior. Ejemplos de una forma de prueba de carga completa contra la curva de deflexión son mostradas en las Figuras 4.

Este procedimiento es basado en porciones de las especificaciones ASTM D 1143 y ASTM D 1194. La carga máxima aplicada durante la prueba de módulo de carga es típicamente igual al 150% del máximo esfuerzo de diseño. Esto es porque la prueba de carga en cimentaciones profundas es llevada a cabo primeramente para determinar la capacidad de carga del pilote o pila de concreto, por lo que requiere un Factor de Seguridad del 2.0. La prueba del módulo de carga para Columnas de Grava Compactada construidas con el sistema Geopier® no es realizada para determinar la capacidad de carga, sino para determinar la rigidez del elemento de grava en el esfuerzo de diseño para ser usado en estimaciones de asentamiento. No hay por consiguiente, una regla fija para extender la prueba de módulo de carga al 150% del nivel de esfuerzo del elemento Geopier, sin embargo, esto es normalmente hecho en la práctica. También, la experiencia ha mostrado que a esfuerzos más grandes que aproximadamente a 150% del esfuerzo de diseño, el suelo matriz y la zona inferior comienza a contribuir excesivamente para el cálculo del módulo del elemento Geopier. Este efecto puede también ocurrir en cargas menores que 150%, pero el efecto es menos pronunciado.

armado tipico de prueba de modulo de carga con marcos de reaccion


Figura 1. Armado típico de prueba de módulo de carga con marcos de reacción.
prueba de modulo en proyecto de mejoramiento de suelos
Figura 2. Prueba de módulo en proyecto de mejoramiento de suelos para un Centro de Distribución Comercial en Cunduacán, Tabasco en el año 2020. El sistema de reacción utilizado fue un tractor de 56 toneladas.
prueba de modulo en proyecto de mejoramiento de suelos para un lote de naves industriales
Figura 3. Prueba de módulo en proyecto de mejoramiento de suelos para un lote de naves industriales en Guadalajara, Jalisco en el año 2019. El sistema de reacción utilizado fue un tractor de 40 toneladas.
grafica de esfuerzo deformacion resultado de una prueba de modulo
Figura 4. Gráfica de esfuerzo deformación resultado de una prueba de módulo realizada en un Centro de Distribución comercial en Cunduacán, Tabasco.

Prueba de estabilización estática, CST

La prueba de estabilización estática es un método para verificar que la pila de grava ha alcanzado la estabilización general antes de finalizar la instalación y está generalmente relacionada con la rigidez del suelo matriz y su potencial para disipar las presiones de poro excesivas. Se realiza en los elementos de prueba de módulo para establecer criterios de control de calidad durante la construcción de las pilas de grava así como en el 10% del total de los elementos. Esta prueba puede realizarse en la parte inferior, sobre el primer bulbo al fondo de la pila, en la parte media del elemento y la parte superior. Cuando la grava compactada y el suelo matriz llegue a ser suficientemente rígido para resistir el movimiento del pisón hacia abajo, la CST ha sido lograda. El procedimiento específico es como sigue:

  • El vibromartillo se apaga después de la terminación de una capa compactada a una profundidad especificada por el diseñador.
  • Se hace una marca de referencia en el mandril.
  • Se aplica presión hidráulica del mástil al tope de la capa de agregado compactada.
  • Se registra el movimiento vertical del mandril como resultado de aplicar la presión máxima del mástil.

La presión estática máxima se aplica por un tiempo de 15 a 20 segundos después de aplicar presión inicial.

soilsolutio pilas de grava compactada

Pilas o Columnas de Grava Compactada diseñadas para resistir cargas laterales y de tensión

Descubre cómo los sistemas Geopier® también pueden resistir cargas accidentales o momentos actuantes

INTRODUCCIÓN

La cimentación de edificios que se construyen en zonas con alta actividad sísmica y/o de viento además de poder soportar las cargas axiales también tienen que tener la capacidad de soportar las cargas accidentales que se generan por estas fuentes, es decir, fuerzas laterales y de tensión. Usualmente se opta por soluciones robustas y costosas, como pilas o pilotes de concreto y acero, sin embargo, existen soluciones más ingeniosas y costo-efectivas tales como las Pilas o Columnas de Grava Compactada instaladas con anclas de acero.  La sustitución de alternativas de cimentaciones robustas por Pilas o Columnas de Grava Compactada contribuye a reducir el drama en la construcción y obtener ahorros económicos de entre el 20 al 40 %.

El propósito de este blog está enfocado en explicar como las Pilas de Grava Compactada pueden resistir fuerzas laterales y de tensión generadas por cargas accidentales.

pilas de grava compactada cimentación

Figura 1. Esquema representativo de fuerzas que actúan en los elementos de cimentación de una edificación; fuerzas de compresión, de tensión y laterales (Wissmann et al., 2016).

PROCESO CONSTRUCTIVO DE LAS PILAS O COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA.

Las Pilas de Grava Compactada se construyen mediante capas de grava relativamente pequeñas, de alta densidad. Para su construcción comúnmente se utilizan dos métodos, según las condiciones de suelo; el primero consiste en el método de reemplazo (sistema Geopier® GP3®) y el segundo en el método de desplazamiento (sistema Geopier® IMPACT®).

sistema gopier
Figura 2. Sistema Geopier GP3® (Farrell et al., 2008).
sistema geopier impact
Figura 3. Sistema Geopier IMPACT® (Farrell et al., 2008).

RESISTENCIA A LA TENSIÓN

En ambos métodos de construcción de Pilas o Columnas de Grava Compactada, la alta energía de compactación dinámica más la fuerza de empuje que el equipo de compactación ejerce durante el proceso de colocación de capas provoca la expansión del agregado en el borde de la pila (expansión de cavidad). La formación de lados ondulados a lo largo del perímetro de la Pila/Columna de Grava Compactada provoca un incremento significativo de los esfuerzos laterales en el suelo matriz. La combinación de ambos efectos, altos esfuerzos laterales y la forma ondulada, provoca el desarrollo de una alta resistencia al esfuerzo cortante a lo largo del perímetro de los elementos (Handy, 2001; White et al., 2002). Este es el factor principal que provoca una alta capacidad de carga y una alta resistencia a las fuerzas de tensión en cimentaciones apoyadas en suelos mejorados con Pilas de Grava Compactada.

Para desarrollar la resistencia a la tensión en las Pilas o Columnas de Grava Compactada se instalan anclas de acero de alta resistencia. El sistema de anclaje típicamente consiste en dos o cuatro barras (tendones) de acero que se enroscan a una placa de acero. Para su instalación el ancla se coloca sobre el bulbo de fondo durante la construcción de la Pila de Grava Compactada. La parte de la placa es la que va al fondo y las barras se extienden hasta la superficie del suelo donde se conectará estructuralmente a la cimentación superficial. Las barras del ancla se colocan a lo largo de la periferia de la perforación, para que así se permita el paso del apisonador. Los elementos Geopier con anclaje pueden alcanzar resistencias a la tensión de hasta 400 kN según las condiciones del terreno.

instalacion pilas de grava
instalacion pilas de grava compactada
Figura 4. Instalación de anclaje para contrarrestar fuerzas de tensión a una edificación.

VERIFICACIÓN DEL DESEMPEÑO DE ANCLAS EN PILAS O COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA SOMETIDAS A TENSIONES CÍCLICAS

Un estudio publicado por el Geo-institute de la ASCE (Farrell et al., 2008) presenta los resultados de pruebas de carga de tensión cíclicas a escala real hechas en Pilas/Columnas de Grava Compactada con Anclas construidas bajo el sistema patentado de GEOPIER®. El estudio se llevó acabo en el 2008 en varios proyectos de California donde se aplicó esta alternativa de solución de cimentación. El resultado de la investigación demostró el desempeño de las Pilas de Grava Compactada con Anclas para resistir las fuerzas de tensión en cimentaciones someras. Según el criterio de diseño de esfuerzos permisibles (ASD por sus siglas en inglés) utilizado en esta investigación la capacidad a la tensión de las anclas fue de 178 a 445 kN para Columnas de Grava Compactada de 30 a 33 pulgadas de diámetro y de 3.6 a 7.0 m de largo, respetando siempre un factor de seguridad mínimo de 2. El resultado de las pruebas demostró que los valores de rigidez eran tangentes, es decir, repetibles después de varios ciclos de carga; aunque los ciclos de cargas en todas las pruebas se llevaron hasta el 200 % la carga de diseño la rigidez seguía siendo constante. La rigidez obtenida en los elementos con anclas fue de 23 a 33 kN/m. Con esta investigación se demuestra además la confiabilidad de agarre de las Pilas o Columnas de Grava Compactada al suelo circundante y un desempeño que no se modifica después de varios ciclos de carga, inclusive sometiéndolas al doble de su carga de diseño.

pila de grava compactada ancla
Figura 5. Ejemplo de prueba de carga cíclica en Pila de Grava Compactada con Ancla, de 33 pulgadas de diámetro y de 6.1 m de profundidad (Farrell et al., 2008).

VERIFICACIÓN DEL DESEMPEÑO DE ANCLAS EN PILAS O COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA SOMETIDAS A RESISTENCIA LATERAL

Debido a que las Pilas de Grava Compactada está compuesta de agregados triturados muy densos genera que las zapatas construidas sobre estos elementos tengan una mayor resistencia a las fuerzas de deslizamiento laterales (Lawton, 2000; Wissmann et al., 2001). La masa de suelo mejorada presenta coeficientes de fricción últimos entre 0.8 y 1.1, que se aplican a todo el fondo de la zapata.

Pruebas a escala real y de laboratorio llevadas a cabo en elementos de pilas de grava compactada demostraron que el ángulo de fricción interna en una Columna de Grava Compactada está en el rango de 49 a 52 grados. Los altos ángulos de fricción obtenidos se atribuyen a la alta densidad y al comportamiento de dilatación que el agregado produce durante la alta energía de compactación.

pruebas pilas de grava
a) Prueba de corte in-situ.
pruebas pilas de grava
b) Prueba triaxial en laboratorio.

Figura 6.  Resultados de pruebas de resistencia al corte en Pilas de Grava Compactada (Fox y Cowell, 1998; White et al., 2002).

La resistencia a las fuerzas laterales en cimentaciones superficiales construidas sobre Pilas/Columnas de Grava Compactada se desarrolla mediante mecanismos similares a los de cualquier cimentación superficial, incluida la resistencia pasiva y el deslizamiento a lo largo de la base de los cimientos.

pilas de grava resistencia
Figura 7. Aporte de resistencia lateral por Pilas de Grava Compactada (Wissmann et al., 2001).
pilas de grava resistencia

La colocación de zapatas de concreto reforzado directamente sobre un suelo mejorado con Pilas de Grava Compactada da como resultado una interfaz “roca-roca”. Se puede suponer conservadoramente que el ángulo de fricción interna de cada pila de grava es de 45 grados. Pruebas de campo para la medición de la influencia de las Pilas de Grava Compactada en la transferencia de carga de cimentaciones superficiales indican que el 85 % de la carga transmitida por una zapata es absorbida por las pilas de grava compactada y el resto por el suelo matriz. Este efecto es debido a la alta rigidez que tienen las Columnas de Grava Compactada en comparación con el suelo matriz. En cimentaciones flexibles como la de terraplénes, en la interfaz terraplén-pilas de grava se desarrolla un plano de distorsión uniforme causado por el arqueo del suelo del terraplén hacia las pilas de grava de mayor rigidez. Por ello, la resistencia máxima al deslizamiento que se espera en una zapata equivale aproximadamente al 85 % de la carga aplicada a la zapata.

PRIMER CASO DE ÉXITO EN MÉXICO

Reto

A principios del año 2020 se solicitó a Soilsolution realizar una propuesta de solución de cimentación para la construcción de una estación de servicio de dos niveles la cual, según el análisis estructural, estaba sometida a grandes fuerzas de volteo debido a cargas de sismo: de acuerdo al análisis estructural las reacciones de fuerzas de tensión en los elementos de cimentación eran de 68 a 437 toneladas.

Condiciones estratigráficas

Las condiciones geotécnicas del sitio de acuerdo con la exploración geotécnica consistían en: Limos arenosos y arenas limosas (Sandy ML/SM) de sueltas a densas de 0 a 7 m de profundidad, seguido de una grava mal graduada con limos (GP-GM) de compacidad densa de 7 a 10 m de profundidad. El nivel freático no fue encontrado durante las exploraciones.

Solución

Para darle solución a las solicitaciones de tensión en los elementos estructurales de cimentación de la estructura y evitar el uso de cimentaciones profundas, Soilsolution propuso el diseño de Pilas de Grava Compactada con anclas, la cual consistió en lo siguiente:

  • Instalar un total de 78 elementos, de las cuales solo 60 se diseñaron con anclas. La longitud de los elementos con anclaje fue de 4 m, mientras que los demás sin anclaje fue de 3 m.
  • Sistema de anclaje en Pila de Grava Compactada con dos barras o varillas corrugadas de 4200 kg/cm2 de esfuerzo de fluencia y de 1 ¼ “ de diámetro; una placa de 3500 kg/cm2 de esfuerzo de fluencia y de 1” de espesor. Ambos elementos de acero estructural. (El diámetro de las barras y el espesor de la placa incluyen un sobre ancho en diámetro y espesor para considerar la corrosión).

La propuesta fue aceptada y construida con el sistema GP3® de Geopier® Foundation Company en tan solo 8 días, generando ahorros de un 40% en comparación a la construcción de cimentaciones profundas con concreto y acero.

caso pilas de grava
Figura 8. Planta arquitectónica de cimentación con solución mediante Pilas de Grava Compactada.
colocacio anclaje pilas grava
Figura 9. Sistema GP3: colocación de anclaje después del primer bulbo de grava compactada.
sistema gpe compactacion de grava
Figura 10. Sistema GP3: compactación de capas de grava.
pila grava anclaje final
Figura 11. Sistema GP3: Pila de Grava Compactada con anclaje finalizada. La elevación del tope del elemento corresponde con el nivel de desplante de la zapata, en la imagen aún no se ha hecho la excavación para la construcción de esta.

REFERENCIAS

Farrell, T., FitzPatrick, B. y Kenney, W. (2008). Uplift Testing Rammed Aggregate Pier Systems. Sacramento, CA: Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics IV, ASCE Geo Institute.

Fox, N. S. y Cowell, M. J. (1998). Geopier Foundation and Soil Reinforcement Manual. Scottsdale, Arizona: Geopier Foundation Company, Inc.

Handy, R. L. (2001). Does Lateral Stress Really Influence Settlement? ASCE Journal of Geotechnical and Geoenviromental Engineering, 623-626.

Lawton, E. C. (2000). Performance of Geopier Foundations During Simulated Seismic Tests at South Temple Bridge on Interestate 15, Salt Lake City, Utah. Final Report, No. UUCVEEN 00-03, University of Utah, Salt Lake City, Utah.

White, D. J., Suleiman, H. T Pham, y Bigelow, J. (2002). Shear Strength Envelopes for Aggregate used in Geopier Foundation Construction: Final Report. Iowa State University.

White, D., Wissmann, K., Barnes, A. y Gaul, A. (2002). Embankment Support: a Comparison of Stone and Rammed Aggregate Pier Soil Reinforcement. Presented, Transportation Research Board. 81st Meeting, Washington, D.C.

Wissmann, K. J. y FitzPatrick, B. T. (2016). Geopier Uplift Resistance. Technical Bulletin No.3. Geopier Foundation Company, Inc.

Wissmann, K.J., FitzPatrick, B.T., y Lawton. E.C. (2001). Geopier Lateral Resistance. Technical Bulletin No.4. Geopier Foundation Company, Inc.

pilas de grava compactada vs columnas de grava

Pilas/Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® VS Columnas con el método de Vibrosustitución

Comparativa entre métodos constructivos según resultados de investigaciones hechas a escala real

By Héctor de la Fuente y Geovani García

¿QUÉ SON LAS PILAS O COLUMNAS DE GRAVA COMPACTADA CON LOS SISTEMAS GEOPIER®?

Las Pilas/Columnas de Grava Compactada con el sistema Geopier® y las columbas de grava con el sistema Vibrosustitución son un tipo de mejoramiento de suelos que consisten en elementos verticales similares a una pila o pilote, pero que se constituyen solamente por grava y se construyen directamente en el suelo ya sea por “sustitución y reemplazo” o “desplazamiento” del suelo. Su diferencia principal está en el proceso constructivo; el sistema de vibrosustitución generalmente son construidas con una vibrolanza, la cual solo desarrolla vibración horizontal, mientras que las Pilas/columnas de Grava Compactada con el sistema Geopier® son construidas con un apisonador biselado patentado que genera una alta energía de vibro-compactación vertical y horizontal, lo cual hace mucha diferencia entre el desempeño de las mismas.

EQUIPO REQUERIDO

Pilas/columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier®:

Cuando se utiliza la técnica de sustitución y reemplazo, se utiliza una perforadora helicoidal montada sobre orugas, un apisonador biselado hidráulico montado sobre orugas y de un bobcat de orugas para la deposición de grava en la cavidad perforada.

Columnas de Grava con el sistema de vibrosustitución:

Requiere de un generador eléctrico, grúa para mantener la vibrolanza suspendida y un cargador para la deposición de grava en la tolva de la vibrolanza.

vibrolanza
a)
Pilas de Grava Compactada
b)

Figura 1 a) Equipo requerido para la construcción de (a) Columnas de Grava y (b) Pilas de Grava Compactada (White et al., 2004).

COMPARACIÓN TÉCNICA ENTRE LOS SISTEMAS GEOPIER® Y EL MÉTODO DE VIBROSUSTITUCIÓN

1. Mayor resistencia al esfuerzo cortante.

El proceso de compactación en las Pilas/Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® provoca una mayor resistencia al esfuerzo cortante, ya que desarrolla ángulos de fricción interna arriba de los 48°; mayores a los reportados en Columnas de Grava con el método de la Vibrosustitución (Figura 2). Ángulos de fricción más altos proporcionan una mayor resistencia al corte en las pilas, lo que significa requerir menos elementos en comparación con las Columnas de Grava con el método de vibrosustitución.

angulo de friccion interna de la grava instalada
Figura 2 Ángulo de fricción interna de la grava instalada (White et al., 2002).

2. Mayor capacidad de carga.

Los altos ángulos de fricción interna que presentan las Pilas / Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® permiten el desarrollo de valores altos de capacidad de carga, lo cual se traduce en diseño de cimentaciones superficiales de menor tamaño y por tanto reducción del costo de cimentación (Figura 3).

Figura 3 Rangos de capacidad de carga tipicos
Figura 3 Rangos de capacidad de carga típicos (White et al., 2002).

3. Mejor control de asentamientos.

El proceso único de compactación de las Pilas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® permite crear pilas que son de dos a nueve veces más rígidas que las Columnas de Grava con Vibrosustitución (Figura 4). Debido a ello pueden ser utilizadas en estructuras de peso ligero a pesado.

Figura 4 Mejoramiento del control de asentamientos (White et al., 2002).

Ventajas comprobadas.

La comparación “lado al lado” entre los sistemas Geopier® y el método de vibrosustitución en pruebas realizadas en campo (a escala real) demuestran diferencias significativas de rendimiento:

  • Las Pilas/Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® alcanzan una densificación y rigidización del suelo matriz mayor que las construidas con el proceso de vibrosustitución (White et al., 2004).
  • El asentamiento esperado del suelo matriz que rodea a los elementos de Grava con el sistema de vibrosustitución es mayor al esperado en las Pilas/columnas de Grava Compactada con el sistema Geopier® (White et al., 2004).
  • El desempeño de las Columnas de Grava con el método de la vibrosustitución no es efectivo en suelos con contenido de finos mayor o igual que el 10 % (CFE, 2015: B.2.8); las partículas finas (limos o arcillas) no permiten una adecuada compactación del suelo circundante ya que amortiguan las vibraciones; mientras que el desempeño de las Pilas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® no se ven afectados por el contenido de finos, ya que además de utilizar energía de vibración también utiliza una alta energía de compactación; el proceso de compactación vertical contribuye a aumentar los esfuerzos horizontales en el suelo matriz, lo cual es especialmente importante en suelos blandos, como arcillas y limos.
  • Las Columnas de Grava con el método de la vibrosustitución requieren 2 veces el área de reemplazo que las Pilas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® (Tonkin & Taylor, 2015).
  • Las Pilas de Grava Compactada de Geopier® ofrecen de dos a nueve veces más rigidez que las Columnas construidas con vibrolanzas (Tonkin & Taylor, 2015).

RESUMEN DE VENTAJAS DE LAS PILAS DE GRAVA COMPACTADA

  • Las Pilas o Columnas de Grava Compactada con los sistemas Geopier® son elementos mucho más rígidos y ejercen presiones laterales que mejoran el suelo matriz en mayor proporción que las Columnas de Grava con el método de la Vibrosustitución.
  • Mayor resistencia al esfuerzo cortante y mayor capacidad de carga.
  • Conducen a construir cimientos superficiales más pequeños y por tanto un menor costo de cimentación.
  • Mejoran el control de asentamientos.
  • Las Pilas/Columnas de Grava Compactada de Geopier® se pueden instalar en casi todas las condiciones de suelo.
  • El método constructivo de las Pilas/Columnas de Grava Compactada de Geopier® se puede adaptar fácilmente para utilizar concreto reciclado o grava tratada con cemento.
  • Los lados ondulados de las Pilas o Columnas de Grava Compactada de Geopier® que se generan durante su proceso constructivo generan una adecuada interconexión entre el suelo matriz y el material de la pila; se traduce en una mayor resistencia al corte perimetral, lo cual puede ser de beneficio si se requiere aportar fuerza de tensión al suelo mediante anclas.

Con nuestro soporte de ingeniería de diseño y construcción y las pruebas de módulo específicas in-situ, combinadas con la experiencia de control de asentamiento para miles de proyectos, brindamos un nivel inigualable de soporte y confiabilidad para cumplir con prácticamente todos los desafíos de mejoramiento de suelos.

REFERENCIAS

CFE. (2017). Manual de Diseño de Obras Civiles. En Capitulo B.2.8. Mejoramiento de suelos.

Tokin y Taylor. (2015). Findigns from Trials to Manage Liquefaction Vurlnerability. En Residential Ground Improvement Report EQC. Earthquake Commission EQC.

White, D. J., Suleiman, H. T Pham, y Bigelow, J. (2002). Shear Strength Envelopes for Aggregate used in Geopier Foundation Construction: Final Report. Iowa State University.

White, D., Wissmann, K., Barnes, A. y Gaul, A. (2004). Embankment Support: a Comparison of Stone and Rammed Aggregate Pier Soil Reinforcement.

mitigacion de licuacion de arenas mediante pilas de grava compactada

Mitigación de la Licuación de arenas mediante Pilas de Grava Compactada

Conoce como se mitigó el potencial de licuación para cuatro Tanques de almacenamiento que se construyeron en una nueva refinería ubicada en Paraíso Tabasco.

By Geovani García y Héctor de la Fuente.
Ingeniero de proyectos de Soilsolution

mitigacion de licuacion de arenas mediante pilas de grava compactada
mitigacion de licuacion de arenas mediante pilas de grava compactada

Lugar: Paraíso, Tabasco, México.
Sector: Energético.
Tipo de proyecto: Mitigación de licuación de arenas.
Sistema de mejoramiento: Geopier-Impact.

ANTECEDENTES DEL PROYECTO

A principios del año 2020, Soilsolution fue invitado a participar en un proyecto del sector petrolero, el cual consistía en el desarrollo de una refinería ubicada en el sureste mexicano (Paraíso, Tabasco). El reto geotécnico consistía en proponer una solución de cimentación para cuatro tanques de almacenamiento que fuera inmediata y efectiva para mitigar el fenómeno de licuación que se detectó en la zona de desplante de los tanques.

El fenómeno de licuación de arenas se detectó en casi todo el predio de la refinería a través de campañas de exploración y dictámenes geotécnicos previos; los hallazgos indicaban depósitos de arena potencialmente licuables de más de 15 metros. Debido a la presencia de estratos de arena licuables, la solución inmediata fue el método de mejoramiento de suelos mediante compactación dinámica masiva. Sin embargo, esta técnica solo fue aplicable en zonas que tenían inicialmente el depósito de arena licuable. En zonas donde se tenía presencia de un estrato de arcilla superficial, el sistema de compactación dinámica no era una opción viable ya que la capa de arcilla superficial amortiguaría las vibraciones que se buscan generar para la densificación de las arenas sueltas.

Los tanques de almacenamiento que fueron asignados a Soilsolution se encontraban precisamente en este último tipo de zona. Debido a ello, se analizaron dos opciones, mediante cimentaciones profundas (pilas o pilotes) y Pilas/Columnas de Grava Compactada mediante el sistema Impact ®. Como resultado de la evaluación de ambas opciones, se optó por las Pilas/Columnas de Grava Compactada principalmente por la rapidez de construcción y efectividad contra el fenómeno de licuación.

La distribución en planta de los tanques, así como su diámetro y presión ejercida al suelo (estática e hidrostática) se aprecian en la Figura 1.

distribucion en planta de los tanques
Figura 1. Vista en planta de la distribución de los tanques de almacenamiento.

CONDICIONES ESTRATIGRÁFICAS

En el predio se realizaron con antelación extensas campañas de exploración geotécnica, en las que predominaron sondeos SPT con recuperación de muestras inalteradas y sondeos CPTu hasta una profundidad promedio de 40 m. La interpretación de la exploración permitió definir un modelo geotécnico en la zona de desplante de los tanques se aprecia en las Figuras 2 y 3.

El resultado del análisis de licuación indicó que los estratos de arena potencialmente licuables se encontraban en el primer depósito de arena (tercer estrato) y que podrían generar un asentamiento superficial post licuación de hasta 40 cm.

Corte A-A
Figura 2. Corte A-A
Corte B-B
Figura 3. Corte B-B

SOLUCIÓN

Se propuso un mejoramiento de suelos mediante la construcción de 980 Pilas o Columnas de Grava Compactada a 12.5m con el sistema Impact® de Geopier®. La instalación de Pilas de Grava Compactada en arenas licuables mejora las propiedades resistentes que esta tiene a la licuación, ya que reemplaza las arenas sueltas con elementos de refuerzo densos y rígidos, y aumentan el grado compacidad del suelo circundante matriz; es decir, de ser arenas sueltas pasan a ser arenas densas. Además, las Columnas de Grava Compactada al tener una permeabilidad alta funcionan como drenes que ayudan a disipar los excesos de presión de poro que se generan durante un sismo.

Esquema de la distribucion de Pilas de Grava Compactada
Figura 4. Esquema de la distribución de Pilas de Grava Compactada.

Después de realizar un análisis de licuación en condiciones mejoradas se obtuvo un aumento en los factores de seguridad a lo largo de la profundidad mejorada y se disminuyó el asentamiento post licuación de 40 a 5 cm. Además, fue revisado para cumplir con los estados límites de falla y de servicio, como, falla por inestabilidad de borde (condición estática y dinámica) y asentamientos estáticos.

La propuesta de solución mediante Pilas o Columnas de Grava Compactada fue construida en un tiempo de 50 días; en condiciones favorables de trabajo se obtuvieron rendimientos de hasta 575 ml/día. Posteriormente, para validar su funcionalidad se realizaron campañas de exploración geotécnicas complementarias mediante pruebas CPTu y SPT. La comparación de ambas campañas de exploración indicó el cumplimiento del objetivo del mejoramiento de suelos. En las siguientes Figuras se aprecia la comparación de sondeos CPTu realizados en condición in-situ (sin mejoramiento) y pos mejoramiento mediante las Columnas de Grava Compactada.

Comparado con otros sistemas de mejoramiento de suelos, las Pilas de Grava Compactada presenta ventajas costo-efectividad debido a lo siguiente: disminuye tiempos de construcción, requiere poco equipo de construcción pesado y el material de construcción es únicamente grava.

Comparado con soluciones de cimentaciones profundas estas ventajas se ven reflejadas en ahorros de partidas de cimentación del 20 al 40 %. Otra característica importante de las Pilas de Grava Compactada es su diseño por desempeño; al permitir deformaciones del suelo, siempre y cuando se cumplan con las permisibles, se obtiene un diseño óptimo.

Figura 5. Vista en planta de la distribución de las Pilas de Grava Compactada en los tanques de almacenamiento.

Después de realizar un análisis de licuación en condiciones mejoradas se obtuvo un aumento en los factores de seguridad a lo largo de la profundidad mejorada y se disminuyó el asentamiento post licuación de 40 a 5 cm. Además, fue revisado para cumplir con los estados límites de falla y de servicio, como, falla por inestabilidad de borde (condición estática y dinámica) y asentamientos estáticos.

La propuesta de solución mediante Pilas de Grava Compactada fue construida en un tiempo de 50 días; en condiciones favorables de trabajo se obtuvieron rendimientos de hasta 575 ml/día. Posteriormente, para validar su funcionalidad se realizaron campañas de exploración geotécnicas complementarias mediante pruebas CPTu y SPT. La comparación de ambas campañas de exploración indicó el cumplimiento del objetivo del mejoramiento de suelos. En las siguientes Figuras se aprecia la comparación de sondeos CPTu realizados en condición in-situ (sin mejoramiento) y pos mejoramiento mediante las Pilas de Grava Compactada.

Verificacion del mejoramiento de suelo en el Tanque mediante pruebas CPTu
Verificación del mejoramiento de suelo en el Tanque 1 mediante pruebas CPTu.
Verificacion del mejoramiento de suelo en el Tanque 2 mediante pruebas CPTu
Verificación del mejoramiento de suelo en el Tanque 2 mediante pruebas CPTu.
Verificacion del mejoramiento de suelo en el Tanque 3 mediante pruebas CPTu
Verificación del mejoramiento de suelo en el Tanque 3 mediante pruebas CPTu
verificacion del mejoramiento de suelo en el tanque 4 mediante pruebas cptu
Verificación del mejoramiento de suelo en el Tanque 4 mediante pruebas CPTu